ES3055633T3 - Sensor element with membrane and combined heating and temperature-measuring conductor paths - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un elemento sensor (1) para medir las propiedades térmicas de un medio fluido, que comprende una membrana (2), una cubierta y un marco (3) que rodea la membrana (2) en al menos dos lados, donde la membrana (2) está separada del marco (3) en regiones por huecos (4), la membrana (2) es autoportante y está sostenida por el marco (3) a través de tiras (5), con el elemento sensor (1) al menos un elemento de resistencia eléctrica (6, 7) en el marco (3) y un elemento calefactor eléctrico (8) en la membrana (2), donde el elemento calefactor eléctrico (8) está en contacto eléctrico a través de rutas conductoras de conexión (9) que van desde el marco (3) a través de al menos una de las tiras (5) hasta la membrana (2), donde el marco (3) tiene un elemento calefactor eléctrico (10) en el marco (3), que rodea al menos un elemento de resistencia eléctrica (6, 7) en el exterior en al menos dos lados. La invención se refiere también a un sensor que comprende un elemento sensor de este tipo y a un método para determinar al menos una propiedad térmica de un medio fluido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Elemento sensor con membrana y pistas conductoras de medición de temperatura y calentamiento combinadas La invención se refiere a un elemento sensor para medir las propiedades térmicas de un medio fluido, en particular para medir la conductividad térmica y/o el contenido de gas hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio de un medio fluido. La invención también se refiere a un sensor que presenta dicho elemento sensor y a un procedimiento para determinar al menos una propiedad térmica de un medio fluido, en particular la conductividad térmica y/o el contenido de hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido.

[0003] Antecedentes de la técnica

[0004] En particular, la invención se refiere a un elemento sensor y a un procedimiento para determinar la concentración de hidrógeno en una mezcla húmeda de oxígeno y gas o una mezcla húmeda de aire y gas usando la conductividad térmica de la mezcla de oxígeno o aire-gas y, sobre todo, al uso del procedimiento y la usabilidad del elemento sensor en condiciones fluctuantes de los componentes del aire individuales, así como del contenido de humedad de la mezcla de aire y gas o de la mezcla de oxígeno y gas. Por lo tanto, el medio fluido puede ser preferiblemente un gas, en particular una mezcla de aire y gas.

[0005] Las mediciones de conducción de calor se han utilizado durante mucho tiempo en el análisis de gases industriales para determinar la concentración de gas en mezclas de gases binarias o cuasibinarias. Una mezcla binaria es una mezcla de exactamente dos gases diferentes en cualquier proporción. Si un componente de medición está compuesto por varios gases que se comportan como un único gas en cuanto a su conductividad térmica, en una medición binaria de las mezclas de gases se habla de una mezcla de gases cuasibinaria. Este es el caso cuando estos componentes permanecen permanentemente en condiciones inalteradas, como por ejemplo en aire atmosférico seco, o cuando los componentes de esta mezcla tienen la misma conductividad térmica.

[0006] La conductividad térmica describe una propiedad física que indica lo bien que una sustancia puede conducir el calor. El valor de la conductividad térmica depende de la temperatura, y para cada gas hay un índice específico, determinado experimentalmente, λ (T), que se expresa en vatios por metro y Kelvin (W/ (m K)).

[0007] El método de medición se basa en la determinación de la potencia calorífica Q, en donde una fuente de calor disipa energía térmica a un disipador de calor a través del gas circulante. La potencia calorífica y la medición se describen mediante la geometría y la conductividad térmica definidas (una función de la temperatura específica de la sustancia):

[0010]

[0012] En estas

[0013] A es el área de la fuente de calor (superficie suspendida definida que se calienta eléctricamente mediante el elemento de calentamiento),

[0014] d es una distancia definida (y constante) entre la fuente de calor y el disipador de calor (las paredes de la cámara de medición), en donde las paredes también pueden calentarse hasta un exceso de temperatura, T<q>es la temperatura de la fuente de calor y

[0015] T<s>es la temperatura del disipador de calor.

[0016] La potencia eléctrica requerida para mantener la fuente de calor a una temperatura determinar es proporcional a la conductividad térmica del gas medido. Esta potencia eléctrica se utiliza como señal de medición.

[0017] Entre otras cosas, para la medición se utilizan sensores micromecánicos basados en silicio o sistemas microelectromecánicos (Sistema microelectromecánico (MEMS)). Con estos sensores o MEMS, se puede lograr una alta precisión y una alta reproducibilidad de los parámetros geométricos A y d. Con ello se pretende lograr un alto nivel de reproducibilidad de los resultados de medición. La correlación de la señal de conductividad térmica con la mezcla de dos gases da como resultado la medición de concentración.

[0018] La desventaja de los sensores y elementos sensores conocidos, cuyo principio de funcionamiento se basa en la medición de la conductividad térmica del gas circundante, es que cuando aparece otro gas en la mezcla de gases binaria, se obtiene una señal indefinida que no puede asignarse claramente a la concentración de los gases. En muchas aplicaciones en las que se debe determinar la concentración de hidrógeno, las mezclas de gases no son puramente binarias. Otra desventaja de un método de medición basado en la tecnología MEMS es que el sensor sufre inmediatamente un daño irreversible cuando se contamina con condensado.

[0019] Debe prestarse cada vez más atención al control de las concentraciones de hidrógeno relacionado con la seguridad. Esto incluye supervisar el límite de explosión inferior o superior (LIE u LSE). A este respecto se mide el contenido de hidrógeno en el aire o en el oxígeno o el contenido de aire u oxígeno en el hidrógeno. Durante la medición, la composición de aire puede cambiar, en particular debido al enriquecimiento o la liberación de humedad en el gas de medición, es decir, debido a un aumento o una disminución de la concentración de H<2>O en el gas de medición. Las aplicaciones comunes de estas tareas de medición se encuentran en el campo de la electrólisis o la determinación de los gases de escape de las pilas de combustible. Para eliminar la influencia de la humedad en la medición mediante la conductividad térmica, actualmente se lleva a cabo un secado del gas, lo que conduce a una falsificación de la muestra medida, o se realiza una medición de humedad adicional para compensar la influencia. Ambos se utilizan con frecuencia. Esto hace que configurar la medición y el mantenimiento de dichos sensores sea complicado y caro.

[0020] Estado de la técnica

[0021] Por el documento EP 0285833 A2 se conoce un procedimiento para determinar la concentración de gas en una mezcla de gases midiendo la conductividad térmica de la mezcla de gases. La conductividad térmica de la mezcla de gases se mide a tantas temperaturas de gas como corresponda al número de componentes de gas inferior a uno. Esto requiere una pluralidad de mediciones a diferentes temperaturas. Las concentraciones de gas individuales se calculan a continuación a partir de los valores medidos de conductividad térmica. para medir las conductividades térmicas de la mezcla de gases a diferentes temperaturas de gas, se utiliza un sensor, en donde el sensor consiste en una placa portadora de silicio con resistencias de película delgada grabadas sobre las que descansa una placa de cubierta. En el sensor está configurado un canal con el que la mezcla de gases puede llegar a la cámara de medición. El sensor presenta una capa aislante a través de la cual puede fluir el calor, lo que puede influir negativamente en el resultado de medición porque, como resultado, la variable de medición real queda oculta. Además, pueden producirse tensiones térmicas en la capa aislante, lo que genera problemas a altas temperaturas.

[0022] El documento DE 102015222072 A1 describe un dispositivo de calentamiento para un sensor MEMS, en el que se usa un elemento de calentamiento de película delgada con una geometría especial para configurar una densidad de corriente eléctrica esencialmente constante.

[0023] El documento DE 102015222072 A1 se basa a este respecto en un estado de la técnica en el que se aplica una membrana a un chip o soporte, retirándose el material de chip en algunas zonas. Como resultado, la membrana se acopla al chip, lo que puede resultar en una disipación del calor y una distribución de temperatura no homogéneas en la membrana, lo que requiere la geometría especial del elemento de calentamiento de película delgada para distribuir la temperatura en la membrana de manera más homogénea. No se discute la medición de temperatura.

[0024] El documento DE 102016200267 A1 describe un dispositivo para detectar un gas, en el que dos elementos de calentamiento están dispuestos sobre membranas y la medición se lleva a cabo sobre la base de una comparación. Esta realización no proporciona protección contra la condensación ni una solución para la sensibilidad cruzada en el caso de un alto contenido de humedad. Además, las membranas dispuestas una encima de la otra dificultan el sellado hermético del sensor para protegerlo contra entornos agresivos.

[0025] Por el documento US 2015/00972600 A1 se conoce un sensor de conducción de calor en una oblea de silicio que presenta una cavidad de transferencia de calor con un fondo plano. Una característica especial de este sensor es que la cavidad de transferencia de calor está diseñada de tal manera que no se produce convección natural en el interior y la transferencia de calor se realiza exclusivamente a través de la conductividad térmica del gas situado en la cavidad. Sin embargo, la estructura da como resultado una transferencia de calor indefinida por encima de la membrana. Esto puede provocar una convección por encima del sensor y la transferencia de calor a la resistencia de compensación sin una cubierta puede ocasionar una medición dependiente de la posición. Además, esta realización no ofrece protección contra la condensación ni reduce la sensibilidad cruzada a la humedad.

[0026] El documento DE 10144873 A1 describe un sensor de conductividad térmica con una cubierta porosa. La construcción proporciona una protección básica contra las influencias externas y la condensación. Sin embargo, con un alto contenido de humedad o condensado, la humectación de la estructura porosa puede bloquear el acceso al gas.

[0027] El documento DE 102005058832 B4 describe un sensor de H2 calentado mejorado que reduce los efectos de la humedad mediante el calentamiento externo de la sala de medición y, por lo tanto, permite mediciones más precisas del hidrógeno en medios gaseosos. El calentamiento externo de la carcasa requiere una potencia eléctrica elevada. Además, no se garantiza la evaporación completa del condensado, lo que significa que el líquido podría llegar a la membrana.

[0029] Del documento JP 2010-266265 A se desprende un detector de gas mejorado que aumenta la precisión de la detección de gases combustibles al ajustar los valores medidos en función de la temperatura atmosférica registrada para tener en cuenta los efectos de la humedad y también utiliza un dispositivo de calentamiento para garantizar la protección contra la condensación. Esta solución requiere correcciones de temperatura adicionales para compensar la influencia de la humedad y depende de mediciones de temperatura precisas, lo que hace que el manejo del sensor y la evaluación de los datos de sensor sean complejos. Además, el sistema no proporciona una protección completa contra la condensación, ya que no hay una evaporación activa del condensado, lo que podría limitar la confiabilidad en ambientes húmedos. Adicionalmente, la solución incluye sensores y componentes individuales que deben ensamblarse manualmente, lo que complica el proceso de fabricación y limita potencialmente la reproducibilidad de la producción, lo que también puede reducir las cifras de producción.

[0031] El documento DE 102015207879 A1 describe un dispositivo sensor que, a través de un elemento de sellado calentado, permite mediciones mejoradas y precisas de medios fluidos al tiempo que minimiza la condensación y la formación de hielo. Debido a su construcción, el dispositivo sensor puede presentar varias desventajas. El aumento del consumo de energía debido a la necesidad de calentar el elemento de sellado puede ser problemático en aplicaciones de energía crítica. Además, la integración de los elementos de calentamiento aumenta la complejidad del sistema. Sin un elemento de cubierta, la membrana está expuesta a influencias ambientales como el polvo y la humedad fuera de la cavidad, lo que puede afectar su funcionalidad y durabilidad. También existe un riesgo para la membrana en caso de picos de presión si divide el espacio y es impermeable al medio, lo que podría dañar o romper la membrana. Estos factores pueden afectar a la fiabilidad y la eficiencia operativa del dispositivo sensor.

[0033] Por el documento DE 102018119212 A1 se conoce un dispositivo sensor con dos elementos de pelistor. El dispositivo sensor presenta un elemento de calentamiento común y dos elementos sensores de temperatura separados, que están dispuestos en los dos elementos de pelistor y están conectados a una disposición electrónica. Una desventaja de este dispositivo sensor podría ser que las mezclas de gases no se pueden medir de manera diferenciada. Para este propósito, se propone prever un elemento catalizador que debería formar parte de los elementos de pelistor. El dispositivo sensor con los dos elementos de pelistor requiere un total de cuatro membranas y un elemento de calentamiento y un elemento de medición de temperatura para cada membrana y, por lo tanto, su construcción es relativamente compleja y cara. Además, como resultado, las dimensiones geométricas del dispositivo sensor aumentan. Las múltiples membranas presentes en ellas no pueden comportarse de forma lineal en caso de derivas, suciedad, condensado u otros fenómenos. El dispositivo sensor puede ser susceptible a influencias externas tales como el flujo, la presión, la deriva, el envenenamiento de las superficies del sensor y otros factores de interferencia. La verificación y calibración de dichos sistemas de componentes de varias partes es particularmente compleja.

[0035] El documento WO 2022/106239 A1 describe un sensor para registrar al menos una propiedad de un medio fluido en una sala de medición. Un elemento sensor del sensor comprende una membrana calentable y un puente de medición. En función de la resistencia eléctrica del puente de medición, el sensor se puede usar para registrar una presión del medio fluido. Una medición de la presión puede ser posible mediante una membrana micromecánica divide el medio gaseoso en dos partes y la diferencia de presión deforma mecánicamente la membrana. Si hay diferencias de presión altas, el sensor puede destruirse como resultado. Los cambios de presión en el medio fluido influyen en el resultado de la medición. El documento WO 2022/268896 describe un sensor para registrar una concentración o composición de un medio fluido.

[0037] Objetivo de la invención

[0039] Un objeto de la invención es superar al menos parcialmente una o más desventajas del estado de la técnica. En particular, el objetivo es encontrar un elemento sensor y un sensor, así como un procedimiento con el que la conductividad térmica de un medio fluido, en particular una mezcla de gases, puede medirse con la mayor precisión posible. En particular, se describe un dispositivo en forma de un elemento sensor y un sensor, así como un procedimiento para medir con la mayor precisión posible la conductividad térmica de un medio fluido, en particular una mezcla de gases, particularmente en caso de un alto contenido de humedad o condensado. De manera particularmente preferida, la concentración de hidrógeno, la concentración de gas de hidrocarburo o la concentración de helio en una mezcla de gases deben medirse con la mayor precisión posible independientemente del contenido de agua gaseosa. Al mismo tiempo, la construcción del elemento sensor y del sensor debe ser lo más simple posible y económico de fabricar. También serían ventajosas una baja susceptibilidad al fallo y una alta resistencia química. Se debe proporcionar una estructura que sea lo más libre de mantenimiento o de bajo mantenimiento posible.

[0040] Divulgación de la invención

[0041] Las características de las reivindicaciones independientes 1 y 22 contribuyen al cumplimiento al menos parcial de al menos uno de los objetivos mencionados anteriormente. Las reivindicaciones dependientes 2 a 21 y 23 a 34 proporcionan formas de realización preferidas que contribuyen al cumplimiento, al menos parcial, de al menos uno de los objetivos. A resolver los objetivos al menos parcialmente contribuyen un elemento sensor según la reivindicación 1, un sensor según la reivindicación 19 y un procedimiento según la reivindicación 22. Las variantes preferidas se reivindican en las reivindicaciones secundarias 2 a 18, 20, 21, 23 a 34.

[0042] Por lo tanto, los objetivos de la invención se resuelven al menos parcialmente o en parte mediante un elemento sensor para medir las propiedades térmicas de un medio fluido, en particular para medir la conductividad térmica y/o para determinar el contenido de gas hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido, presentando el elemento sensor una membrana, una cubierta y un marco, en donde el marco rodea la membrana por al menos dos lados, estando separada la membrana del marco por zonas mediante entalladuras, en donde la membrana es autoportante y está conectada al marco a través de nervios, en donde el marco soporta la membrana a través de los nervios, presentando el elemento sensor además al menos un elemento de resistencia eléctrico en forma al menos de una pista conductora sobre el marco y un elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana en forma de una pista conductora en la membrana, en donde el elemento de calentamiento eléctrico se pone en contacto eléctrico a través de pistas conductoras de conexión, discurriendo las pistas conductoras de conexión desde el marco a través de al menos uno de los nervios hasta la membrana, en donde el marco presenta un elemento de calentamiento eléctrico en forma de una pista conductora exterior sobre el marco, en donde el elemento de calentamiento eléctrico del marco enmarca en el exterior el al menos un elemento de resistencia eléctrico sobre el marco en al menos dos lados o en al menos tres lados.

[0043] El elemento sensor está configurado preferiblemente para detecta la proporción de un gas de hidrocarburo, de un gas alcano o una proporción de He o una proporción de H<2>en un gas de medición, de manera especialmente preferible para detectar un contenido de H<2>en un gas de medición. El gas de medición es preferiblemente una mezcla de gases.

[0044] Preferiblemente, puede estar previsto que las entalladuras estén dispuestas o se generen en la membrana, de forma particularmente preferente estén dispuestas o se generen en la transición de la membrana al marco. Las pistas conductoras de conexión son pistas conductoras que entran en contacto eléctrico con el elemento de calentamiento eléctrico. Las pistas conductoras de conexión se pueden realizar mediante metalización. El medio fluido es preferiblemente un gas, de manera especialmente preferible una mezcla de gases.

[0045] El elemento sensor puede ser preferiblemente un sensor micromecánico a base de silicio.

[0046] El elemento sensor puede construirse preferiblemente como un MEMS.

[0047] Puede estar previsto que la membrana y el elemento de calentamiento eléctrico no presente recubrimientos catalíticos o electroquímicos en la membrana. Esto mejora la estabilidad y la longevidad (resistencia) del elemento sensor y evita una falsificación del resultado de medición debido a reacciones en la capa catalítica y/o electroquímica, que pueden ser causadas, por ejemplo, por los efectos de envenenamiento de los recubrimientos catalíticos o electroquímicos. Además, se puede llevar a cabo una medición sin componentes fluidos adicionales, por ejemplo oxígeno.

[0048] También puede estar previsto que los dos lados de la membrana estén conectados entre sí de una manera permeable a los fluidos o permeable a los gases a través de las entalladuras. Esto evita que se establezca una diferencia de presión entre un lado superior y un lado inferior de la membrana, lo que carga mecánicamente la membrana y los nervios. Como resultado, la membrana y los nervios se pueden construir de una manera particularmente delicada, por lo que son posibles temperaturas de membrana más altas y mayores diferencias de temperatura entre la membrana y el marco, lo que a su vez mejora la sensibilidad del elemento sensor. Adicionalmente, se puede realizar una medición a presiones muy altas, ya que la diferencia de presión entre el lado superior y el lado inferior no destruye ni daña la membrana.

[0049] El al menos un elemento de resistencia eléctrico sobre el marco y el elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana no forman ninguna pista conductora común. En particular, el al menos un elemento de resistencia eléctrico sobre el marco y el elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana no están conectados directamente de manera eléctricamente conductora entre sí. preferiblemente, el al menos un elemento de resistencia eléctrico sobre el marco y el elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana forman pistas conductoras separadas entre sí, a las que puede aplicarse una tensión eléctrica por separado una de la otra.

[0050] Las propiedades térmicas del medio fluido o gas son, en particular, la conductividad térmica del medio fluido o gas.

[0051] Dado que el contenido de gas hidrógeno y el contenido de helio de un medio fluido o mezcla de gases pueden calcularse a partir de la conductividad térmica del medio fluido o la mezcla de gases, la determinación del contenido de hidrógeno, del contenido de gas de hidrocarburo y del contenido de helio se entiende en el presente caso como un procedimiento para determinar una propiedad térmica del medio fluido o gas, ya que las propiedades térmicas de un medio fluido o gas dependen de su composición.

[0052] En resumen, la presente invención se refiere a un elemento sensor para medir las propiedades térmicas de un medio fluido, que presenta una membrana y un marco que rodea la membrana en al menos dos lados, en donde la membrana está separada del marco por zonas mediante entalladuras, la membrana es autoportante y está soportada por el marco a través de nervios, presentando el elemento sensor además al menos un elemento de resistencia eléctrico sobre el marco y un elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana, en donde el elemento de calentamiento eléctrico está en contacto eléctrico a través de pistas conductoras de conexión que discurren desde el marco a través de al menos uno de los nervios hasta la membrana.

[0053] Puede estar previsto que la membrana se pueda calentar con el elemento de calentamiento eléctrico y que la temperatura de la membrana se pueda ajustar mediante la resistencia eléctrica del elemento de calentamiento eléctrico, en donde el elemento sensor preferiblemente presenta un equipo de calentamiento ajustable para calentar el elemento de calentamiento eléctrico y un equipo de ajuste de temperatura de membrana para ajustar la temperatura de la membrana, configurándose el equipo de ajuste de temperatura de membrana para determinar la resistencia eléctrica del elemento de calentamiento eléctrico.

[0054] Como resultado, la membrana se puede calentar con el mismo elemento de calentamiento eléctrico que también se puede usar para ajustar la temperatura de la membrana. Como resultado, no hay desfase de tiempo entre el ajuste y el calentamiento. Adicionalmente, es posible una construcción especialmente compacta. Debido a la construcción especialmente compacta, la temperatura de la membrana puede funcionar con menos energía.

[0055] Mediante las entalladuras se reducen las tensiones térmicas y el flujo de calor desde la membrana al marco como un cuerpo sólido. Como resultado, la temperatura de la membrana se puede ajustar más alta y, al mismo tiempo, se puede aumentar la sensibilidad de la medición y la precisión de la medición. El flujo de calor de la membrana se desplaza así al flujo de calor a través del medio fluido.

[0056] En principio, es concebible que se utilice una cierta proporción de corriente para calentar el marco y el elemento de calentamiento eléctrico juntos, pudiendo calentarse al menos el elemento de calentamiento eléctrico de la membrana adicionalmente de forma independiente con una corriente separada.

[0057] También puede estar previsto que la temperatura del marco pueda medirse con el al menos un elemento de resistencia eléctrico, en donde el elemento sensor presenta preferiblemente un equipo de medición de temperatura de marco para medir la temperatura del marco, en donde de manera especialmente preferible el equipo de medición de temperatura de marco está configurado de manera particularmente preferible para determinar la resistencia eléctrica del al menos un elemento de resistencia eléctrico.

[0058] La temperatura medida del marco se usa para termostatizar el marco, en el que se mide una desviación entre el valor objetivo y el valor real y se lleva a la temperatura objetivo aumentando o reduciendo la potencia calorífica.

[0059] También puede estar previsto que la membrana y el marco se puedan calentar de forma independiente entre sí.

[0060] Como resultado, la temperatura del marco como disipador de calor y la temperatura de la membrana como fuente de calor se pueden ajustar de forma independiente entre sí y, por lo tanto, el elemento sensor puede funcionar en un intervalo de temperatura particularmente adecuado. Esto se debe al hecho de que la conductividad térmica λ (T) es un componente dependiente de la temperatura con diferentes pendientes para diferentes gases. Si la influencia de la temperatura no solo se compensa sino que se controla activamente, en primer lugar, se obtiene un comportamiento de medición reproducible y, en segundo lugar, la diferencia de conductividad térmica entre los diferentes gases del medio fluido se puede variar mediante una selección flexible de la temperatura de funcionamiento, lo que aumenta o disminuye la sensibilidad entre los gases que se van a detectar. En particular, el elemento sensor puede funcionar de esta manera en un intervalo de temperatura de alrededor de 200 °C, lo que permite medir la conductibilidad térmica (la conductividad térmica) de un gas en el gas de fondo con cualquier proporción de los componentes del gas de fondo, tal como una mezcla de aire y/u oxígeno y/o vapor de agua, y así evita que los resultados de la medición se distorsionen por cambios en las concentraciones de los componentes individuales del gas de fondo. Otra ventaja del marco calentable es que impide la condensación en el sensor, particularmente cuando el marco se calienta a un exceso de temperatura con respecto a la temperatura ambiente. Según la invención, puede estar previsto, por lo tanto, que el marco tenga una temperatura durante el funcionamiento del elemento sensor que sea superior a la temperatura de punto de rocío del condensado existente o posible.

[0061] Según un perfeccionamiento preferido, puede estar previsto que los nervios y la membrana estén compuestos del mismo material y estén realizados de una sola pieza, estando compuestos la membrana y los nervios preferiblemente de nitruro de silicio u óxido de silicio.

[0062] El hecho de que la membrana y los nervios estén compuestas de nitruro de silicio u óxido de silicio no excluye el hecho de que la membrana y los nervios puedan estar revestidos, preferiblemente revestidos metálicamente para una pista conductora y/o puedan estar revestidos con una capa protectora de óxido de silicio, nitruro de silicio u óxido de aluminio o cerámicas similares. En particular, en cualquier caso, las pistas conductoras de conexión recorren los nervios y las pistas conductoras del elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana.

[0063] Dado que los nervios y la membrana están compuestos del mismo material y están realizados de una sola pieza, la construcción del elemento sensor se simplifica. Las entalladuras y, por lo tanto, la forma de los nervios se puede crear simplemente mediante un grabado libre.

[0064] También puede estar previsto que el marco esté compuesto de silicio o una cerámica, en particular de silicio o de una cerámica de óxido de aluminio.

[0065] Como resultado, el elemento sensor puede construirse sobre una oblea de silicio, sobre un bloque cerámico o sobre un bloque de óxido de aluminio. El marco se compone de manera especialmente preferible de silicio. También puede estar previsto que el al menos un elemento de resistencia eléctrico esté realizado mediante al menos una pista conductora metálica sobre el marco, en donde preferiblemente la al menos una pista conductora metálica se compone de un metal o de una aleación de metal con un coeficiente de temperatura de resistencia eléctrico de al menos 3 10<−3>1/K o de níquel, y/o el elemento de calentamiento eléctrico esté realizado mediante una pista conductora metálica sobre la membrana, en donde preferiblemente la pista conductora metálica se compone de un metal o de una aleación metálica con un coeficiente de temperatura de al menos 310<-3>1/K o de níquel.

[0066] Las pistas conductoras de este tipo son muy adecuadas para determinar la resistencia eléctrica o la potencia consumida. Además, en las pistas conductoras de estos materiales, especialmente de níquel, la dependencia de la resistencia con respecto a la temperatura es especialmente alta, por lo que la temperatura se puede medir con especial precisión a través de la resistencia.

[0067] Las pistas conductoras del elemento de calentamiento eléctrico y del al menos un elemento de resistencia eléctrico se pueden producir en la membrana o sobre el marco utilizando tecnología de película delgada. También puede estar previsto que la membrana no esté dispuesta en una zona marginal del elemento sensor y esté rodeada por todos lados por el marco, preferiblemente la membrana esté dispuesta en una zona central del elemento sensor.

[0068] Como resultado, la membrana está protegida contra daños mecánicos en el exterior del marco.

[0069] Está previsto que el elemento sensor presente una cubierta, delimitando preferiblemente la cubierta un volumen de gas conectado permeable al gas con el entorno alrededor de la membrana.

[0070] La cubierta asegura que la membrana no se vea afectada por los efectos perturbadores de un flujo de gas o flujo de fluido. Una propiedad muy importante y una ventaja especial de la cubierta según la invención es la formación de un pequeño volumen cerrado que, en combinación con la estructura de calentamiento del marco del sensor, genera una presión de vapor en el volumen e impide la entrada de condensado en la membrana de medición, y por tanto también se impide la destrucción de la membrana. Además, la estructura de marco discurre preferiblemente de forma transversal en el canal de gas y conduce a un punto caliente de temperatura en el camino hacia la membrana de medición, ya que en esta zona la cubierta no descansa directamente sobre la estructura de calentamiento y emite poco calor.

[0071] La cubierta define un volumen interior y las distancias por encima de la membrana hasta el disipador de calor. Esto aumenta la reproducibilidad y el tiempo de reacción de la medición de conductividad térmica.

[0072] La cubierta adicionalmente tiene la función de delimitar un canal de fluido o canal de gas que es accesible desde un lado que presenta una abertura, en donde el medio fluido o el gas llega a la membrana a través del canal de fluido o canal de gas, en particular a través de la difusión a la membrana. La abertura del canal de fluido o del canal de gas está cubierta preferiblemente por un filtro, en particular cubierta por un filtro de metal sinterizado. También puede estar previsto preferiblemente que el canal de fluido o canal de gas esté abierto o sea accesible en un lado del elemento sensor que está dispuesto enfrentado a campos de contacto para el contacto eléctrico del elemento sensor.

[0073] La cubierta puede componerse preferiblemente de silicio o de una cerámica, en particular de una cerámica de óxido de aluminio. La cubierta se compone de manera especialmente preferible de silicona.

[0074] La cubierta permite medir la conductividad térmica del medio fluido con el elemento sensor de una manera particularmente reproducible. La cubierta también reduce el consumo de energía del sensor. Adicionalmente, las superficies del elemento sensor están protegidas contra el polvo y el condensado. Además, el elemento sensor con la cubierta no es susceptible o es menos susceptible a las manifestaciones de intoxicación.

[0075] La cubierta está alineada con el marco, de modo que juntos forman una superficie plana. En la instalación del sensor o del elemento sensor en una carcasa, esta construcción permite cerrar el canal de gas al ras y, por lo tanto, reducir el volumen muerto prácticamente a cero. En la superficie plana se puede aplicar o colocar un filtro plano al ras de la superficie. El volumen muerto es el espacio entre el sensor o elemento sensor y la distancia necesaria de los componentes circundantes como por ejemplo un filtro de metal sinterizado, desde el que no es necesaria ninguna distancia. El volumen muerto se limita solo al volumen interior entre el marco y la superficie de apoyo. La conexión enrasada permite utilizar un filtro o un filtro de metal sinterizado para proteger contra el flujo, la explosión y el polvo sin espacios intermedios.

[0076] También puede estar previsto que el elemento sensor presente dos elementos de resistencia eléctricos en forma de dos pistas conductoras como el al menos un elemento de resistencia eléctrico sobre el marco, en donde los dos elementos de resistencia eléctricos rodean preferiblemente la membrana en dos lados enfrentados entre sí, de modo que la membrana esté dispuesta entre los dos elementos de resistencia eléctricos. Los dos elementos de resistencia eléctricos están dispuestos simétricamente con respecto a la membrana. Esta construcción permite una determinación de temperatura representativa en dos puntos del sensor. Como hay diferentes fuentes de temperatura en el sensor, existe un gradiente de temperatura en todo el elemento sensor. Mediante la disposición simétrica de los elementos de resistencia eléctricos, hay dos puntos de medición de temperatura idénticos y representativos.

[0077] Adicionalmente, los dos elementos de resistencia eléctricos se pueden utilizar para diferentes aplicaciones. Mientras que uno usa la información para proporcionar la potencia eléctrica requerida para ajustar la temperatura, la información del otro se usa en un circuito analógico para compensar la influencia de temperatura en la precisión de la medición. La combinación permite una señal muy estable.

[0078] Según un perfeccionamiento preferido, puede estar previsto que el elemento sensor presente un cable autoportante como resistencia de referencia, en donde el cable autoportante está conectado al marco por dos extremos y está suspendido del marco y está separado espacialmente del marco por zonas mediante entalladuras, estando rodeado el cable autoportante preferiblemente por la cubierta que está firmemente conectada al marco, en donde la cubierta está distanciada espacialmente del cable autoportante al menos por zonas, en donde de manera especialmente preferible la cubierta está construida al menos por zonas como un filtro permeable a los gases.

[0079] Como resultado, el cable autoportante se puede usar como referencia. Como resultado, las influencias tales como los cambios de presión y/o los cambios de temperatura y/o los cambios de flujo se pueden compensar muy bien. El cable autoportante está dispuesto preferiblemente en un volumen de fluido separado del volumen de fluido de la membrana. Si el cable autoportante tiene su propio canal de gas o su propio volumen de fluido, el calor no puede llegar desde la membrana como fuente de calor hasta el cable autoportante como referencia por convección del gas o medio fluido.

[0080] Un sensor de este tipo y un elemento sensor de este tipo con cable autoportante permiten, entre otras cosas, compensar los efectos de presión sobre la señal de medición. El sensor según la invención se puede utilizar para presiones desde 300 mbar hasta 1000 bar y, en teoría, también para presiones superiores. La dependencia de la presión de la medición de conductividad térmica se debe a la longitud de trayectoria media libre de las moléculas de gas y a la geometría del sensor. para medir la conductividad térmica o el contenido de las moléculas deseadas en el medio fluido, se puede utilizar el cable autoportante con una superficie relativamente pequeña como medición de referencia. Una comparación de la medición de referencia con el cable autoportante y una medición con una membrana de medición, que dispone de un área de membrana relativamente grande, muestra diferentes resultados en la transferencia de calor. Estas diferencias se deben principalmente a las distintas configuraciones geométricas de los dos elementos sensores, y en donde el método de medición subyacente sigue siendo el mismo. Las mediciones de este tipo son especialmente relevantes y especialmente adecuadas para compensar los efectos causados por la presión cambiante y temperatura cambiante del medio fluido. Durante la medición, la temperatura se mantiene preferiblemente constante para que el cable expuesto pueda usar la referencia para compensar los cambios de presión.

[0081] También puede estar previsto que la cubierta que rodea el cable autoportante separe el cable autoportante de un volumen de fluido del elemento sensor que rodea la membrana.

[0082] También puede estar previsto que la membrana esté rodeada por la cubierta en al menos dos lados del marco y por encima y por debajo de la membrana, en donde preferiblemente la cubierta se construye al menos por zonas como un filtro permeable a los gases y/o está compuesta de silicio al menos por zonas

[0083] Esto asegura que la membrana no se vea afectada por los efectos perturbadores de un flujo de gas o flujo de fluido. Además, la geometría de la cubierta define una distancia fija entre la fuente de calor en la membrana y el disipador de calor formado por la cubierta y el marco. Esto permite mejorar la reproducibilidad del resultado de la medición.

[0084] Está previsto que el marco presente un elemento de calentamiento eléctrico en forma de una pista conductora exterior sobre el marco, en donde el elemento de calentamiento eléctrico del marco enmarca el al menos un elemento de resistencia eléctrico sobre el marco en al menos dos lados o en al menos tres lados en el exterior, en donde preferiblemente la pista conductora exterior sobre el marco es más ancha que las pistas conductoras del al menos un elemento de resistencia eléctrico sobre el marco y el elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana.

[0085] Como resultado, el elemento de calentamiento eléctrico sobre el marco se puede calentar o templar de forma independiente y sencilla, mientras que el al menos un elemento de resistencia eléctrico sobre el marco se usa para determinar la temperatura del marco. Como resultado, la temperatura de la membrana se puede ajustar mediante la potencia de calentamiento en el elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana y la temperatura del marco se puede ajustar mediante la potencia de calentamiento en el elemento de calentamiento eléctrico sobre el marco.

[0086] A este respecto, puede estar previsto una parte expuesta de la pista conductora exterior del elemento de calentamiento eléctrico del marco discurra en un canal de fluido que conduce a un volumen de fluido que rodea la membrana, en donde preferiblemente la parte expuesta de la pista conductora exterior discurre de forma transversal al canal de fluido y/o el canal de fluido esté formado en la cubierta que envuelve la membrana, cubriendo la cubierta las otras zonas de la pista conductora exterior.

[0087] Esto elimina los efectos del flujo durante la medición. Además, el medio fluido que llega a la membrana se puede precalentar.

[0088] Puede estar previsto que el al menos un elemento de resistencia eléctrico sobre el marco y el elemento de calentamiento eléctrico de la membrana, y si está presente también el elemento de calentamiento eléctrico del marco, entren en contacto eléctrico a través de campos de contacto sobre el marco, estando los campos de contacto realizados preferiblemente por zonas ensanchadas de las pistas conductoras y/o estando dispuestos los campos de contacto todos en un lado del marco.

[0089] Como resultado, el elemento sensor puede ponerse en contacto eléctricamente e instalarse de manera sencilla. Al mismo tiempo, es posible una construcción compacta, lo que se traduce en un tiempo de respuesta más corto del elemento sensor.

[0090] También puede estar previsto preferiblemente que la membrana tenga un área de como máximo 20 mm<2>, preferiblemente un área de como máximo 1 mm<2>, de manera particularmente preferible un área de como máximo 0,5 mm<2>, de manera muy especialmente preferible un área de como máximo 0,1 mm<2>.

[0091] Esto permite una construcción compacta que logra un tiempo de respuesta más corto del elemento sensor. Además, la potencia de conexión eléctrica del elemento sensor puede mantenerse así baja.

[0092] También puede estar previsto el marco con la membrana tenga un diámetro exterior de como máximo 10 mm en el plano de la membrana, preferiblemente un diámetro exterior de como máximo 3 mm, de forma particularmente preferible un diámetro exterior de como máximo 2 mm.

[0093] Esto permite una construcción compacta que logra un mayor tiempo de respuesta del elemento sensor. Además, la potencia de conexión eléctrica del elemento sensor puede mantenerse así baja.

[0094] Puede estar previsto que la cubierta pueda calentarse.

[0095] A este respecto, puede estar previsto que la cubierta se pueda calentar con el elemento de calentamiento eléctrico sobre el marco.

[0096] También puede estar previsto que la cubierta defina al menos una abertura de entrada de gas del elemento sensor, estando la pista conductora del elemento de calentamiento eléctrico preferiblemente expuesta sobre el marco en la al menos una abertura de entrada de gas.

[0097] Mediante todas estas medidas, se puede impedir la formación de un condensado en el volumen de medición contenido por la cubierta y, por lo tanto, la falsificación del resultado de medición o una destrucción del elemento sensor. Por lo tanto, opcionalmente, la cubierta también puede tener la función de una calefacción, al igual que la estructura del marco del sensor.

[0098] Los objetivos en los que se basa la presente invención se resuelven, al menos en parte, mediante un sensor para determinar las propiedades térmicas de un medio fluido, en particular para determinar la conductividad térmica y/o el contenido de gas hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio de un medio fluido, presentando el sensor un elemento sensor descrito anteriormente, o según la invención, en donde la membrana con el elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana pueden calentarse independiente de la temperatura del marco o la membrana con el elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana y el marco pueden calentarse independientemente una de la otra, en donde se pueden medir la temperatura de la membrana con el elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana y la temperatura del marco con el al menos un elemento de resistencia eléctrico, en donde la temperatura de la membrana con el elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana y la temperatura del marco pueden regularse en función de la medición de las temperaturas, en donde las potencias caloríficas requeridas para este fin pueden determinarse con el sensor para deducir las propiedades térmicas del medio fluido, preferiblemente para determinar la conductividad y/o el contenido de gas hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido.

[0099] De este modo, el sensor se puede utilizar directamente para la medición y presenta las ventajas del elemento sensor.

[0100] En este caso, puede estar previsto el sensor tenga un circuito puente de Wheatstone que esté conectado al elemento de calentamiento eléctrico de la membrana de tal manera que la potencia de calentamiento de la membrana pueda regularse a través del circuito de puente de Wheatstone.

[0101] Como resultado, la medición se puede llevar a cabo con una velocidad de reacción alta y se puede llevar a cabo de manera estable.

[0102] El circuito puente de Wheatstone es preferiblemente un circuito puente de Wheatstone autorregulable.

[0103] Además a este respecto puede estar previsto que la membrana se pueda calentar a temperaturas de al menos 200 °C durante el funcionamiento del sensor y/o el marco se pueda calentar a al menos 130 °C durante el funcionamiento del sensor, en donde la membrana se puede calentar preferiblemente a temperaturas de al menos 220 °C durante el funcionamiento del sensor y/o el marco se puede calentar a al menos 150 °C durante el funcionamiento del sensor, siendo particularmente preferible que el marco se pueda calentar a al menos 180 °C durante el funcionamiento del sensor.

[0104] Por ello se logra que la medición se realice en un intervalo de temperatura que se sitúa en el intervalo cuasibinario y, como resultado, el contenido de gas hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio, se puede determinar independientemente del contenido de vapor de agua o gas de agua en el medio fluido o en la mezcla de gases. En particular, esto hace que la determinación del contenido de gas hidrógeno en un gas como el aire, el oxígeno o el nitrógeno sea mucho más precisa cuando hay diferentes contenidos de vapor de agua en el gas.

[0105] Utilizando el mismo procedimiento que para el vapor de agua en el oxígeno o el aire, pero a diferentes temperaturas, también se pueden determinar los puntos de intersección de las conductividades térmicas para otros pares de gases, como el dióxido de carbono y el argón o el nitrógeno y el amoniaco.

[0106] Los objetivos en los que se basa la presente invención también se resuelven, al menos en parte, mediante un procedimiento para determinar al menos una propiedad térmica de un medio fluido, en particular la conductividad térmica y/o el contenido de hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido, presentando el procedimiento las etapas:

[0107] A) calentar una membrana con un elemento de calentamiento eléctrico en forma de una pista conductora dispuesta sobre la membrana, en donde la membrana está conectada a un marco mediante nervios y se sujeta mediante el marco, y en donde la membrana está rodeada dentro de una cubierta por un volumen definido del medio fluido;

[0108] B) transferir calor desde la membrana y el elemento de calentamiento eléctrico al medio fluido que rodea la membrana;

[0109] C) transferir calor desde el medio fluido al marco, teniendo el marco una temperatura más baja que la membrana;

[0110] D) determinar la temperatura de la membrana y del marco;

[0111] E) controlar o regular la temperatura de la membrana mediante una regulación de la potencia eléctrica para calentar la membrana;

[0112] F) determinar la propiedad térmica del medio fluido, en particular la conductividad térmica y/o el contenido de hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido, mediante la potencia eléctrica requerida para regular la temperatura de la membrana y mediante la diferencia de temperatura conocida entre la membrana y el marco; y

[0113] G) controlar o regular la temperatura del marco.

[0114] En la etapa G), está previsto:

[0115] G) controlar o regular la temperatura del marco. preferiblemente puede estar previsto que, en la etapa G), el control o regulación de la temperatura del marco se realiza mediante una regulación de la potencia eléctrica para calentar el marco.

[0116] Como resultado, el marco se mantiene a una temperatura definida, lo que hace que la medición sea más reproducible y estable.

[0117] Además puede estar previsto la temperatura de la membrana se mantenga por encima de 200 °C y la temperatura del marco se mantenga por debajo de 200 °C.

[0118] Por ello se logra que la medición se realice en un intervalo de temperatura que se sitúa en el intervalo cuasibinario y, como resultado, el contenido de gas de medición, en particular el contenido de gas hidrógeno o el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio, se puede determinar independientemente del contenido de vapor de agua o gas de agua en el medio fluido o en los gases tales como aire, oxígeno o nitrógeno. En particular, esto hace que la determinación del contenido de gas de medición, en particular el contenido de gas hidrógeno, en un gas sea mucho más precisa con diferentes contenidos de gas de agua en el gas, como aire, oxígeno o nitrógeno.

[0119] También puede estar previsto que la membrana y el marco formen parte de un sensor, en donde el sensor presenta una geometría constante y conocida y un comportamiento de calentamiento conocido, y en donde el sensor se calibra antes de la medición para calcular, a partir de la geometría conocida del sensor y de la diferencia de temperatura conocida o medida entre la membrana y el marco y la potencia eléctrica necesaria para calentar la membrana, la propiedad térmica del medio fluido, en particular la conductividad térmica y/o el contenido de hidrógeno, el contenido de gas hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido.

[0120] Como resultado, la propiedad térmica del medio fluido se puede determinar de forma más reproducible y precisa.

[0121] El sensor se calibra al menos una vez durante el proceso de fabricación del sensor.

[0122] La geometría del sensor viene determinada por sus dimensiones y forma.

[0123] preferiblemente puede estar previsto que el procedimiento se lleve a cabo con un elemento sensor según la invención o descrito anteriormente o con un sensor según la invención o descrito anteriormente.

[0124] Por lo tanto, el procedimiento se beneficia de las propiedades ventajosas del elemento sensor o del sensor. También puede estar previsto que la temperatura de la membrana se controle o regule al menos 5 °C y como máximo 200 °C por encima de la temperatura del marco, preferiblemente que la temperatura de la membrana se controle o regule al menos 10 °C y como máximo 150 °C por encima de la temperatura del marco, de manera especialmente preferible que la temperatura de la membrana se controle o regule al menos 20 °C y como máximo 100 °C por encima de la temperatura del marco.

[0125] También puede estar previsto que la temperatura de la membrana se mantenga al menos a 201 °C y como máximo a 350 °C, preferiblemente se mantenga al menos a 210 °C y como máximo a 300 °C, de manera especialmente preferible se mantenga al menos a 220 °C y como máximo a 260 °C.

[0126] También puede estar previsto que la temperatura del marco se mantenga al menos a 135 °C y como máximo a 199 °C, preferiblemente se mantenga al menos a 150 °C y como máximo a 195 °C, de manera especialmente preferible al menos a 180 °C y a un máximo de 190 °C.

[0127] También puede estar previsto que la temperatura de la membrana se controle o se regule o que la temperatura de la membrana y la temperatura del marco se controlen o regulen de tal manera que el promedio de la temperatura del marco y la temperatura de la membrana sea de al menos 180 °C y como máximo 220 °C, preferiblemente de al menos 190 °C y como máximo 210 °C, de manera especialmente preferible de al menos 195 °C y como máximo 205 °C.

[0128] Todas estas medidas garantizan que la medición se lleve a cabo en un rango de temperatura que está en el rango cuasibinario y, por lo tanto, puede determinarse el contenido de gas de medición, en particular el contenido de gas hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio, independientemente del contenido de vapor de agua o gas de agua en el medio fluido o en el gas o en gases como el aire, oxígeno o nitrógeno (como medio fluido). En particular, esto hace que la determinación del contenido de gas hidrógeno, del contenido de gas de hidrocarburo o del contenido de helio en un gas sea esencialmente más precisa con diferentes contenidos de gas de agua en los gases aire, oxígeno o nitrógeno.

[0129] También puede estar previsto que la temperatura de un volumen separado en la zona del marco se mida con un cable autoportante, utilizándose la temperatura medida del cable autoportante para corregir cuando se determina la propiedad térmica del medio fluido, en particular la conductividad térmica y/o el contenido de hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido, en la etapa F).

[0130] La potencia calorífica Q y la medición pueden describirse a este respecto preferiblemente mediante la geometría y la conductividad térmica definidas (como una función de la temperatura) y por ello se calculan de la siguiente manera:

[0132]

[0134] A este respecto

[0135] λ (T) es la función de la conductividad térmica en función de la temperatura T;

[0136] A es el área de la fuente de calor (superficie suspendida definida de la membrana, que se calienta eléctricamente mediante el elemento de calentamiento);

[0137] d una distancia definida entre la fuente de calor y el disipador de calor (las paredes de la cámara de medición que se forma por el marco), pudiendo calentarse las paredes también hasta un exceso de temperatura;

[0138] Tqes la temperatura de la fuente de calor (la membrana); y

[0139] Tses la temperatura del disipador de calor (el marco).

[0140] El área del cable autoportante o el cable de resistencia autoportante es mucho más pequeña que el área de la membrana autoportante. Esto da como resultado dos variables de medición de la conductividad térmica con diferentes áreas.

[0141] Con el mismo gas, los dos elementos de medición interactúan de manera diferente con la presión. Mediante una medición de correlación, los efectos de la presión se pueden compensar digitalmente (mediante un modelo matemático) o de forma analógica (mediante un circuito diferencial).

[0142] Como resultado, el cable autoportante, que es un cable de resistencia autoportante, se puede usar como referencia. Como resultado, las influencias tales como los cambios de presión o los cambios de flujo en el medio fluido que se va que se va a medir pueden compensarse muy bien. El cable autoportante está dispuesto preferiblemente en un volumen de fluido separado del volumen de fluido de la membrana. Si el cable autoportante tiene su propio canal de gas o su propio volumen de fluido, el calor no puede llegar desde la membrana como fuente de calor hasta el cable autoportante como referencia por convección del gas o medio fluido.

[0143] También se puede prever preferiblemente que, para determinar la temperatura de la membrana en la etapa D), se use el mismo elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana que se usa para calentar la membrana en la etapa A).

[0144] Como resultado, se puede lograr una estructura particularmente compacta de la membrana, lo que mejora la reproducibilidad y la estabilidad de la medición y aumenta la temperatura de funcionamiento de la membrana.

[0145] También puede estar previsto que la temperatura de la membrana se mantenga constante mediante un primer circuito puente de Wheatstone autorregulador, en donde el elemento de calentamiento eléctrico de la membrana forme parte del primer circuito puente de Wheatstone autorregulador, y/o la temperatura del marco se mantenga constante mediante un segundo circuito puente de Wheatstone autorregulador o mediante un regulador digital o controlado por ordenador, en donde preferiblemente al menos un elemento de resistencia eléctrico sobre el marco y/o un elemento de calentamiento eléctrico sobre el marco. es parte del segundo circuito puente de Wheatstone autorregulador.

[0146] De esta manera, la temperatura de la membrana se regula de forma sencilla y, al mismo tiempo, se hace muy fácil medir la potencia eléctrica requerida para este propósito para poder determinar la propiedad térmica del medio fluido a partir de esta.

[0147] También puede estar previsto que se realiza una etapa H): H) aumentar o controlar o regular la temperatura del medio fluido en la zona de entrada de gas a la membrana en la cubierta y/o aumentar o controlar o regular la temperatura de la cubierta, en donde la cubierta delimita un volumen de gas conectado con el entorno de manera permeable al gas alrededor de la membrana, preferiblemente mediante una regulación de la potencia eléctrica para calentar el marco o un equipo de calentamiento por resistencia eléctrico independiente.

[0148] Como resultado, se puede evitar la formación de un condensado en el volumen de medición contenido por la cubierta y, por lo tanto, una falsificación del resultado de medición o una destrucción de la configuración de medición.

[0149] Puede estar previsto el marco se controle o ajuste a una temperatura superior a la temperatura del punto de rocío de la condensación presente o posible en el gas examinado.

[0150] Esto puede evitar que se forme condensado en la membrana y la destruya.

[0151] La invención se basa en el sorprendente descubrimiento de que, gracias al elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana soportada por el marco en combinación con el al menos un elemento de resistencia sobre el marco del elemento sensor, es posible proporcionar una disposición de medición con la que la transferencia de calor de la membrana al marco a través del medio fluido que rodea al elemento sensor se pueda determinar con precisión de tal manera que es posible una determinación particularmente exacta de la composición, en particular del contenido de hidrógeno, del contenido de gas de hidrocarburo o del contenido de helio. Dado que esta disposición permite que la temperatura a la que funciona el elemento sensor se mantenga en el intervalo de 200 °C, es posible determinar el contenido de hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio de un gas independientemente del contenido de vapor de agua. El elemento de calentamiento eléctrico no solo se usa para calentar la membrana, sino también para determinar la temperatura del elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana.

[0152] Si un componente de medición está compuesto por varios gases que se comportan como un único gas en cuanto a su conductividad térmica, en una medición binaria de las mezclas de gases se habla de una mezcla de gases cuasibinaria. Este es el caso cuando estos componentes permanecen permanentemente en condiciones inalteradas, como por ejemplo en aire atmosférico seco, o cuando los componentes de esta mezcla tienen la misma conductividad térmica.

[0153] De todos los gases, el hidrógeno tiene, con mucho, la conductividad térmica más alta. El gas con la siguiente conductividad térmica más alta es el helio. Este hecho, junto con la alta estabilidad y la facilidad de uso, hace que la medición de hidrógeno o helio mediante el método de conductividad térmica sea particularmente atractiva y, por lo tanto, se utilice con frecuencia.

[0154] En el elemento sensor según la presente invención, la membrana está suspendida en nervios muy delgados. Mediante esta estructura, la membrana se desacopla del marco y no hay desviación de temperatura debido a los flujos de temperatura desde la membrana a través de cuerpos sólidos. Esto, a su vez, da como resultado una distribución homogénea del calor a través de la membrana. Al mismo tiempo, aparte de la membrana, solo se dispone una única pista conductora en la membrana como elemento de calentamiento eléctrico. Esto se logra por el hecho de que el elemento de calentamiento eléctrico también se puede usar como un elemento de medición de temperatura. Como resultado, no es necesario calentar otras partes y se simplifica la construcción del elemento sensor. Al mismo tiempo, el fuerte desacoplamiento térmico de la membrana del marco permite utilizar de forma fiable el elemento de calentamiento eléctrico como elemento de medición de temperatura. Por el contrario, el al menos un elemento de resistencia eléctrico está dispuesto sobre el marco de modo que no aumente la masa de la membrana con el elemento de calentamiento eléctrico y simplifique la construcción de la membrana con el elemento de calentamiento eléctrico. Al mismo tiempo, esto tiene la sorprendente ventaja combinatoria de que el marco se puede llevar a una temperatura tal que la medición se pueda realizar a temperaturas a las que la humedad de un gas como el aire o el oxígeno no tiene ningún efecto negativo, o al menos tiene un efecto negativo menor sobre la determinación de la concentración de hidrógeno o la concentración de helio en el gas.

[0155] La ausencia de una capa catalítica da como resultado una pérdida de selectividad en el rango de trazas, pero al mismo tiempo da como resultado una mayor precisión de medición de la conductividad térmica del medio fluido y la eliminación de una fuente de perturbación para medir la conductividad térmica del medio fluido, que es causada por los componentes químicos del medio fluido que reaccionan químicamente con la capa catalítica. La falta de selectividad puede ser ventajosa durante la medición en algunas aplicaciones, ya que de esta manera se puede usar o aplicar el enfoque o la aproximación de una medición de mezclas de fluidos o mezclas de gases cuasibinarias. Además, el elemento sensor según la invención no es susceptible a manifestaciones de intoxicación debido a la ausencia de una capa catalítica.

[0156] Las entalladuras aseguran que ambos lados de la membrana se encuentren dentro del mismo medio fluido. Como resultado, no puede haber diferencias de presión en los dos lados de la membrana. Esto evita la deformación de la membrana debido a las diferencias de presión. Esto significa que se descarta o reduce una falsificación del resultado de la medición de la conductividad térmica debido a una deformación de la membrana y al elemento de calentamiento eléctrico dispuesto en la membrana. De esta manera, se puede lograr una mayor precisión de medición con el elemento sensor. Adicionalmente, el elemento sensor según la invención también puede funcionar a altas presiones sin destruirse. Los cambios de presión en el elemento sensor según la invención únicamente tienen un efecto solo debido al cambio en la longitud de trayectoria media de las moléculas de gas. Este efecto es muy bajo en caso de presiones normales y altas y puede pasarse por alto en la mayoría de los casos. Los cambios de presión destruirían los elementos de sensor y sensores sin entalladuras y con una membrana cerrada en un momento mucho más temprano que los elementos de sensor y sensores según la invención.

[0157] Como resultado de la construcción con las barras y las entalladuras, la disipación del calor de la membrana al marco a través del cuerpo sólido se reduce drásticamente o es casi inexistente. La estructura del elemento sensor según la invención y del sensor según la invención con nervios es, por lo tanto, mucho más robusta, ya que no pueden producirse tensiones térmicas dentro de un área de la membrana conectada al marco. Por lo tanto, la diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el disipador de calor puede ser mayor. Como resultado, se logra una mejor calidad de señal o amplitud de señal. Además, el calentamiento de membrana requiere menos energía debido al mejor desacoplamiento. Además, el área del chip (del marco) y el área de la membrana se pueden reducir al menos a la mitad en comparación con los elementos sensores convencionales sin nervios ni entalladuras en la membrana en relación con el marco. Con la construcción según la invención, el chip o el marco puede tener un área de 2 por 2 mm<2>y la membrana puede tener un área de hasta 0,3 por 0,3 mm<2>. Con una membrana más pequeña, la cámara de medición puede diseñarse más pequeña. Como resultado, el intercambio del gas es más rápido, en particular cuando el gas de la cámara de medición debe sustituirse por procesos de difusión. Alternativamente o también al mismo tiempo, la profundidad o altura de la cámara de medición se puede seleccionar para que sea mayor, como resultado de lo cual el elemento sensor requiere menos energía y se reduce la dependencia de la presión.

[0158] En los sensores y elementos sensores convencionales con membranas continuas y sin nervios, los elementos de calentamiento eléctricos en la membrana deben estar a la mayor distancia posible del borde de la membrana para minimizar la disipación del calor. Por el contrario, en el caso de un sensor según la invención, toda la membrana puede cubrirse con las pistas conductoras del elemento de calentamiento eléctrico. Como resultado, la homogeneidad de la distribución de temperatura a través de la membrana es mejor.

[0159] En los elementos sensores y sensores según la invención, los contactos eléctricos o campos de contacto y la abertura de la cámara de medición pueden estar separados espacialmente entre sí. Esto permite encapsular los contactos con un material duradero sin cerrar la abertura de cámara de medición.

[0160] Los ejemplos de realización de la invención se explican a continuación sobre la base de diez figuras mostradas esquemáticamente y un diagrama de flujo, pero sin limitar la invención a este respecto. Se muestra a este respecto:

[0161] Figura 1: una vista esquemática de un primer elemento sensor según la invención;

[0162] Figura 2: una vista esquemática del elemento sensor según la figura 1 con una cubierta en la parte superior y una vista frontal esquemática del elemento sensor según la figura 1 con la cubierta;

[0163] Figura 3: una vista esquemática en sección transversal de la sección mostrada arriba en la figura 2 a lo largo de la línea de puntos y trazos A-A;

[0164] Figura 4: una vista esquemática de un segundo elemento sensor según la invención;

[0165] Figura 5: una vista esquemática del elemento sensor según la figura 4 con una cubierta en la parte superior y una vista frontal esquemática del elemento sensor según la figura 4 con la cubierta;

[0166] Figura 6: una vista esquemática en sección transversal de la sección mostrada arriba en la figura 5 a lo largo de la línea de puntos y trazos B-B;

[0167] Figura 7: una vista en perspectiva de un elemento sensor según la invención en una placa de circuitos impresos para el contacto eléctrico;

[0168] Figura 8: una vista esquemática en sección transversal de un cabezal de un sensor según la invención, en la que el elemento sensor según la invención está instalado en la placa de circuitos impresos según la figura 7;

[0169] Figura 9: una vista esquemática en sección transversal de otro cabezal de un sensor según la invención adicional, en la que el elemento sensor según la invención está instalado en la placa de circuitos impresos según la figura 7;

[0170] Figura 10: la conductividad térmica en W/m K en función de la temperatura en °C del hidrógeno gaseoso, agua, aire y oxígeno; y

[0171] Figura 11: la secuencia de un procedimiento según la invención para determinar al menos una propiedad térmica de un medio fluido.

[0172] Las figuras 1 a 3 muestran varias vistas esquemáticas de un primer elemento sensor 1 según la invención. El elemento sensor 1 presenta una membrana 2 y un marco 3. El marco 3 puede componerse de silicio o de una cerámica, en particular en una cerámica de óxido de aluminio. La membrana 2 está sujeta por el marco 3 y, de lo contrario, puede estar alojada suspendida libremente. La membrana 2 puede componerse de nitruro de silicio. La membrana 2 está separada físicamente del marco 3 por zonas con entalladuras 4. Para sujetar la membrana 2 sobre el marco 3, la membrana 2 se puede conectar a la membrana 2 mediante nervios 5. Las entalladuras 4 preferiblemente solo se unen por los nervios 5. Los nervios 5 se componen preferiblemente del mismo material que la propia membrana 2.

[0173] Tal estructura se puede producir, por ejemplo, recubriendo primero un cuerpo de silicio con una capa de nitruro de silicio. A continuación las entalladuras 4 en la capa de nitruro de silicio se producen entonces usando procedimientos de exposición y grabado conocidos y el cuerpo de silicio se retira por debajo de la parte de la capa de nitruro de silicio que está prevista para la membrana 2. Esto crea una membrana 2 de flotación libre que está conectada a un marco 3 a través de nervios 5 entre las entalladuras 4.

[0174] El elemento sensor 1 según la figura 1 presenta un primer elemento 6 de resistencia eléctrico. El primer elemento 6 de resistencia eléctrico puede estar dispuesto sobre el marco 3 en forma de una pista conductora y puede estar configurado como una pista conductora serpenteante. La temperatura del marco 3 se puede medir con el primer elemento 6 de resistencia eléctrico. El elemento sensor 1 también puede presentar un segundo elemento de resistencia eléctrico 7. El segundo elemento de resistencia eléctrico 7 puede estar dispuesto en forma de una pista conductora en el lado opuesto a la membrana 2 sobre el marco 3 y también puede estar configurado como una pista conductora serpenteante. La temperatura del marco 3 también se puede medir con el segundo elemento de resistencia eléctrico 7.

[0175] El primer elemento 6 de resistencia eléctrico y el segundo elemento de resistencia eléctrico 7 se componen preferiblemente de níquel y pueden calentar el marco 3, al menos en la zona de los elementos 6, 7 de resistencia eléctricos, a una temperatura específica, en particular pueden calentar la estructura de silicio como marco 3 a una temperatura determinada. Alternativa o adicionalmente, los elementos 6, 7 de resistencia eléctricos se pueden usar para medir la temperatura del marco 3. Durante la medición, esta temperatura del marco 3 debe ser inferior a la temperatura de la membrana 2 para que el marco 3 pueda funcionar como disipador de calor.

[0176] Un elemento 8 de calentamiento eléctrico está dispuesto sobre la membrana 2 y se puede usar tanto para calentar como para medir la temperatura. El elemento 8 de calentamiento eléctrico puede estar realizado como pista conductora serpenteante sobre la membrana 2. El elemento 8 de calentamiento eléctrico se compone preferiblemente de níquel. El elemento 8 de calentamiento eléctrico entra en contacto eléctrico a través de las pistas conductoras 9 de conexión, de modo que las pistas conductoras 9 de conexión conectan eléctricamente el elemento 8 de calentamiento eléctrico hasta el marco 3. Las pistas conductoras 9 de conexión pueden construirse a partir de las mismas pistas conductoras que el elemento 8 de calentamiento eléctrico. Las pistas conductoras 9 de conexión pueden guiarse sobre dos nervios 5 diferentes, como se muestra en la figura 1. Alternativamente, las pistas conductoras 9 de conexión también podrían guiarse a través de un único nervio 5 (no mostrado).

[0177] Un elemento 10 de calentamiento eléctrico exterior puede estar dispuesto sobre el marco 3 para calentar el marco 3. El elemento 10 de calentamiento eléctrico exterior puede enmarcar los elementos 6, 7 de resistencia eléctricos y la membrana 2 en la zona de los extremos exteriores del marco 3. En la realización mostrada en la figura 1, se puede distinguir un enmarcado en tres lados del elemento sensor 1. El elemento 10 de calentamiento eléctrico exterior puede estar realizado como una pista conductora exterior. El elemento 10 de calentamiento eléctrico exterior puede estar compuesto de níquel. El elemento 10 de calentamiento eléctrico exterior se puede realizar mediante una pista conductora que es más ancha que la de los elementos 6, 7 de resistencia eléctricos y que el elemento 8 de calentamiento eléctrico de la membrana 2. Como resultado, se puede conducir una corriente más fuerte a través del elemento 10 de calentamiento eléctrico exterior a una baja tensión sin temor a la destrucción del elemento 10 de calentamiento eléctrico exterior. Dado que el marco 3 presenta una capacidad térmica esencialmente mayor que la membrana 2, se proporciona una mayor potencia calorífica sobre el marco 3 que en el caso de la membrana 2. Los elementos 6, 7 de resistencia eléctricos se pueden emplear adicionalmente para el calentamiento del marco 3 a la temperatura deseada.

[0178] El elemento 8 de calentamiento eléctrico sobre la membrana 2 se puede conectar eléctricamente a los campos de contacto 12 a través de las pistas conductores 9 de conexión. El primer elemento 6 de resistencia eléctrico puede estar conectado eléctricamente a campos 14 de contacto. El segundo elemento 7 de resistencia eléctrico puede estar conectado eléctricamente a campos 16 de contacto. El elemento 10 de calentamiento eléctrico exterior puede estar conectado eléctricamente a campos 18 de contacto. Los campos 12, 14, 16, 18 de contacto pueden componerse del mismo material que las pistas conductoras que forman el elemento 6, 7 de resistencia eléctrico, el elemento 8 de calentamiento eléctrico, las pistas conductoras 9 de conexión y el elemento 10 de calentamiento eléctrico exterior. En particular, los campos 12, 14, 16, 18 de contacto pueden componerse de níquel. Los campos 12, 14, 16, 18 de contacto son preferiblemente más anchos o tienen un diámetro mayor que las pistas conductoras conectadas a ellos. preferiblemente, todos los campos 12, 14, 16, 18 de contacto están dispuestos sobre el marco 3 en un lado del marco 3.

[0180] El elemento sensor 1 mostrado en la figura 1 ya está casi completo. El elemento sensor 1 también presenta una cubierta 20, que encierra un volumen de fluido 22 o un volumen de gas alrededor de la membrana 2, formando el volumen de fluido 22 o el volumen de gas una cámara de medición para el medio fluido o gas que se va que se va a medir. Esto se muestra en las figuras 2 y 3. La construcción sobre el marco 3 y sobre la membrana 2 es idéntica a la del elemento sensor 1 mostrado en la figura 1. La cubierta 20 únicamente cubre las pistas conductoras, la membrana 2 y la parte superior del marco 3 mostrada en la figura 1 excepto los campos 12, 14, 16, 18 de contacto y las zonas adyacentes, como se puede ver arriba en la figura 2. Se puede acceder al volumen de gas a través de una abertura de entrada de gas 93. A este respecto, puede estar previsto preferiblemente que las pistas conductoras sobre el marco 3 estén expuestas en la zona de la abertura de entrada de gas 93.

[0182] Las figuras 4 a 6 muestran distintas vistas esquemáticas de un segundo elemento sensor 31 según la invención. El elemento sensor 31 se diferencia del elemento sensor 1 según las figuras 1 a 3 principalmente en la presencia de un cable autoportante 37, que puede emplearse como punto de medición de referencia para mejorar el resultado de medición y poder eliminar las variables perturbadoras.

[0184] El elemento sensor 31 presenta una membrana 32 y un marco 33. El marco 33 puede componerse de silicio o de una cerámica, en particular una cerámica de óxido de aluminio. La membrana 32 está sujeta por el marco 33 y, de lo contrario, puede estar alojada suspendida libremente. La membrana 32 puede componerse de nitruro de silicio. La membrana 32 está separada físicamente del marco 34 por zonas con entalladuras 33. Para sujetar la membrana 32 sobre el marco 33, la membrana 32 se puede conectar a la membrana 32 a través de nervios 35. Las entalladuras 34 preferiblemente solo se unen por los nervios 35. Los nervios 35 se componen preferiblemente del mismo material que la propia membrana 32.

[0186] Tal estructura se puede producir, por ejemplo, recubriendo primero un cuerpo de silicio con una capa de nitruro de silicio. A continuación las entalladuras 34 en la capa de nitruro de silicio se producen usando procedimientos de exposición y grabado conocidos y el cuerpo de silicio se retira por debajo de la parte de la capa de nitruro de silicio que está prevista para la membrana 32. Esto crea una membrana 32 de flotación libre que está conectada a un marco 33 a través de nervios 35 entre las entalladuras 34.

[0188] El elemento sensor 31 según la figura 4 presenta un elemento 36 de resistencia eléctrico. El elemento 36 de resistencia eléctrico puede estar dispuesto sobre el marco 33 en forma de una pista conductora y puede estar configurado como una pista conductora serpenteante. La temperatura del marco 33 se puede medir con el elemento 36 de resistencia eléctrico. Alternativa o adicionalmente, el elemento 36 de resistencia eléctrico se puede usar para calentar el marco 33. El elemento sensor 31 también puede presentar un cable autoportante 37, que está dispuesto de manera que sea autoportante en un espacio libre y que está separado espacialmente del marco 33 a través de entalladuras 43. El cable autoportante 37 puede estar conectado a los campos de contacto 46 sobre el marco 33 a través de las pistas conductoras 41 de conexión sobre el marco 33. Con el cable autoportante 37, la temperatura de un cuerpo con una superficie muy pequeña en comparación con la membrana 32 se puede medir como un valor de referencia.

[0189] El elemento 36 de resistencia eléctrico se compone preferiblemente de níquel y puede calentar el marco 33 a una temperatura determinada, en particular calentar la estructura de silicio como el marco 33 a una temperatura determinada.

[0191] El cable autoportante 37 se compone preferiblemente de níquel. Durante la medición, esta temperatura del marco 33 debe ser inferior a la temperatura de la membrana 32 para que el marco 33 pueda funcionar como disipador de calor.

[0193] Un elemento 38 de calentamiento eléctrico está dispuesto sobre la membrana 32 y se puede usar tanto para calentar como para medir la temperatura. El elemento 38 de calentamiento eléctrico puede estar realizado como pista conductora serpenteante sobre la membrana 32. El elemento 38 de calentamiento eléctrico se compone preferiblemente de níquel. El elemento 38 de calentamiento eléctrico entra en contacto eléctrico a través de las pistas conductoras 39 de conexión, de modo que las pistas conductoras 39 de conexión conectan eléctricamente el elemento 38 de calentamiento eléctrico hasta el marco 33. Las pistas conductoras 39 de conexión pueden construirse a partir de las mismas pistas conductoras que el elemento 38 de calentamiento eléctrico. Las pistas conductoras 39 de conexión pueden guiarse sobre dos nervios 35 diferentes, como se muestra en la figura 4. Alternativamente, las pistas conductoras 39 de conexión también podrían guiarse a través de un único nervio 35 (no mostrado).

[0195] Un elemento 40 de calentamiento eléctrico exterior puede estar dispuesto sobre el marco 33 para calentar el marco 33. El elemento 40 de calentamiento eléctrico exterior puede enmarcar el elemento 36 de resistencia eléctrico, el cable autoportante 37, las pistas conductoras de conexión 41 y la membrana 32 en la zona de los extremos exteriores del marco 33. En la realización mostrada en la figura 4, se puede distinguir un enmarcado en tres lados del elemento sensor 31. El elemento 40 de calentamiento eléctrico exterior puede estar realizado como una pista conductora exterior. El elemento 40 de calentamiento eléctrico exterior puede estar compuesto de níquel. El elemento 40 de calentamiento eléctrico exterior se puede realizar mediante una pista conductora que es más ancha que la del elemento 36 de resistencia eléctrico y que la del elemento 38 de calentamiento eléctrico sobre la membrana 32. Como resultado, se puede conducir una corriente más fuerte a través del elemento 40 de calentamiento eléctrico exterior a una baja tensión sin temor a la destrucción del elemento 40 de calentamiento eléctrico exterior. Dado que el marco 33 presenta una capacidad calorífica significativamente mayor que la membrana 32, se proporciona una mayor potencia calorífica sobre el marco 33 que en el caso de la membrana 32. El elemento 6 de resistencia eléctrico se puede emplear adicionalmente para el calentamiento del marco 33 a una temperatura deseada.

[0197] El elemento 38 de calentamiento eléctrico sobre la membrana 32 se puede conectar eléctricamente a los campos 42 de contacto a través de las pistas conductoras 39 de conexión. El elemento 36 de resistencia eléctrico puede estar conectado eléctricamente a campos 44 de contacto. El cable autoportante 37 puede estar conectado eléctricamente a los campos 46 de contacto a través de las pistas conductoras 41 de conexión. El elemento 40 de calentamiento eléctrico exterior se puede conectar eléctricamente a los campos 48 de contacto. Los campos 42, 44, 46, 48 de contacto pueden estar compuestos del mismo material que las pistas conductoras que forman el elemento 36 de resistencia eléctrico, el cable autoportante 37, el elemento 38 de calentamiento eléctrico, las pistas conductoras 39, 41 de conexión y el elemento 40 exterior de calentamiento eléctrico. En particular, los campos 42, 44, 46, 48 de contacto pueden componerse de níquel. Los campos 42, 44, 46, 48 de contacto son preferiblemente más anchos o tienen un diámetro mayor que las pistas conductoras conectadas a ellos. preferiblemente, todos los campos 42, 44, 46, 48 de contacto están dispuestos sobre el marco 33 en un lado del marco 33.

[0199] El elemento sensor 31 mostrado en la figura 4 ya está casi completo. El elemento sensor 31 también presenta una cubierta 50 que encierra un volumen 52 de fluido o un volumen de gas alrededor de la membrana 32, formando el volumen 52 de fluido o el volumen de gas el interior de una cámara de medición para el medio fluido que se va a medir o el gas que se va a medir. En el presente ejemplo de realización, la cubierta 50 incluye adicionalmente un volumen 54 de fluido o un volumen de gas alrededor del cable autoportante 37. Este volumen 54 de fluido o volumen de gas forma el interior de una cámara de medición de referencia. Esto se muestra en las figuras 5 y 6. La construcción sobre el marco 33 y sobre la membrana 32 es idéntica a la del elemento sensor 31 mostrado en la figura 4. La cubierta 50 únicamente cubre las pistas conductoras, la membrana 32 y la parte superior del marco 33 mostrada en la figura 4 excepto los campos 42, 44, 46, 48 de contacto y las zonas adyacentes, como se puede ver arriba en la figura 5.

[0201] El volumen 52 de fluido o el volumen de gas alrededor de la membrana 32 pueden ser accesibles a través de una abertura 94 de entrada de gas. A este respecto, puede estar previsto preferiblemente que las pistas conductoras sobre el marco 33 estén expuestas en la zona de la abertura 94 de entrada de gas hacia la membrana 32. El volumen 54 de fluido o volumen de gas alrededor del cable autoportante 37 pueden ser accesibles a través de una abertura 95 de entrada de gas. A este respecto, puede estar previsto preferiblemente que las pistas conductoras sobre el marco 33 estén expuestas en la zona de la abertura 95 de entrada de gas hacia el cable autoportante 37.

[0202] La figura 7 muestra una vista en perspectiva de un elemento sensor 61 según la invención en una placa 85 de circuitos impresos para contactar eléctricamente con el elemento sensor 61. El elemento sensor puede construirse como el elemento sensor 1 según las figuras 1 a 3 o puede construirse como el elemento sensor 31 según las figuras 4 a 6. De manera similar al primer y segundo ejemplo de realización, el elemento sensor 61 presenta una membrana autoportante 62, que está soportada por un marco 63. El elemento sensor 61 puede presentar campos 78 de contacto para contactar eléctricamente con un elemento de calentamiento eléctrico (no visible en las figuras 7 a 9) sobre la membrana 62 y al menos con un elemento de resistencia eléctrico (no visible en las figuras 7 a 9) sobre el marco 63. Está prevista una cubierta 80 para encerrar un volumen 82 de fluido como cámara de medición. Se puede acceder al volumen 82 de fluido a través de una abertura 96 de entrada de gas. A este respecto, puede estar previsto preferiblemente que las pistas conductoras sobre el marco 63 estén expuestas en la zona de la abertura 96 de entrada de gas.

[0204] Las pistas conductoras 86 están dispuestas sobre la placa 85 de circuitos impresos que terminan en placas 87 de contacto ensanchadas. Además de las placas 87 de contacto, el elemento sensor 61 puede estar fijado sobre la placa de circuitos impresos 85. Cada una de las placas 87 de contacto puede estar conectada a uno de los campos de contacto 78 con la ayuda de un cable de unión (no mostrado en la figura 7).

[0206] La disposición de las placas 87 de contacto y la abertura 96 de entrada de gas en lados opuestos del sensor permite un diseño de carcasa que permite sellar o encapsular las placas 87 de contacto sin bloquear la abertura de entrada de gas. Como resultado, las placas de contacto que de otro modo estarían desprotegidas pueden protegerse posteriormente contra la entrada de gas, lo que es particularmente importante ya que los gases corrosivos podrían atacar los contactos. Las ventajas de esta solución de diseño se muestran y describen en detalle en los ejemplos de realización de las figuras 8 y 9.

[0208] La figura 8 muestra una vista esquemática en sección transversal de un cabezal de un sensor según la invención, en el que el elemento sensor 61 según la invención está instalado sobre la placa de circuitos impresos 85 según la figura 7. La placa 85 de circuitos impresos está fijada en una carcasa 89 con un cono exterior 90. La carcasa 89 con el cono 90 se puede instalar entonces en un orificio adecuado. Un filtro 88, que es permeable al gas que se va a medir, puede estar dispuesto en el lado frontal del elemento sensor 61. El filtro 88 puede ser un filtro de metal sinterizado, por ejemplo.

[0210] El filtro 88 puede componerse preferiblemente de acero inoxidable oPTFEpero también puede componerse de cualquier otro material. Como resultado de la difusión, el gas que se va a medir puede pasar a través del filtro 88 hacia la cámara de medición del elemento sensor 61. Como resultado, la medición no se falsifica debido a los flujos de gas. Al mismo tiempo, el filtro 88 protege el elemento sensor contra daños y contaminación.

[0211] La figura 9 muestra una vista esquemática en sección transversal de otro cabezal de otro sensor según la invención, en el que el elemento sensor 61 según la invención está instalado sobre la placa de circuitos impresos 85 según la figura 7. La placa 85 de circuitos impresos está fijada en una carcasa 91 con una ranura circunferencial 91. La carcasa 91 puede instalarse entonces en un orificio adecuado y sellarse mediante una junta tórica (no mostrada) dispuesta en la ranura 91. Un filtro 98, que es permeable al gas que se va a medir, puede estar dispuesto en el lado frontal del elemento sensor 61. El filtro 98 puede ser un filtro de metal sinterizado, por ejemplo. El filtro 98 puede componerse preferiblemente de acero inoxidable o PTFE, pero también puede componerse de cualquier otro material. Como resultado de la difusión, el gas que se va a medir puede pasar a través del filtro 98 hacia la cámara de medición del elemento sensor 61. Como resultado, la medición no se falsifica debido a los flujos de gas. Al mismo tiempo, el filtro 98 protege el elemento sensor contra daños y contaminación.

[0213] En el lado de la placa de circuitos impresos 85 opuesto al elemento sensor 61, el sensor según la figura 8 y el sensor según la figura 9 pueden estar conectados a al menos un circuito para su evaluación y al menos a un puente de Wheatstone autorregulador (no mostrado) para determinar y regular la tensión de calentamiento del elemento de calentamiento eléctrico y por tanto la temperatura del elemento de calentamiento eléctrico sobre la membrana 62, así como para determinar y regular la temperatura del marco 63 mediante el al menos un elemento de resistencia eléctrico. Estos están conectados a través de las pistas conductoras 86 a las respectivas pistas conductoras del elemento sensor 61. El al menos un puente de Wheatstone autorregulador puede estar dispuesto sobre una placa de circuitos impresos separada. Alternativamente, el puente de Wheatstone autorregulador también se puede disponer en el chip sensor o en el elemento sensor 61. En principio, también es posible construir e implementar otros elementos activos, tales como amplificadores operacionales, convertidores AD o interfaces, directamente en el chip sensor o en el elemento sensor 61. Como señal, el sensor puede emitir un valor para la conductividad térmica del medio fluido.

[0215] La figura 10 muestra la conductividad térmica en W/(m K) en función de la temperatura en °C del hidrógeno gaseoso, agua, aire y oxígeno. La diferencia de conductividad térmica λ (T), por ejemplo, a una temperatura T de 100 °C, entre el aire y el agua gaseosa es aproximadamente 25 veces menor que entre el aire seco y el hidrógeno. Por lo tanto, el hidrógeno todavía se puede detectar fácilmente en el aire húmedo, pero los elevados requisitos de precisión de medición no se cumplen suficientemente. Las curvas características de la conductividad térmica (como función de la temperatura) del aire y sus componentes nitrógeno y oxígeno, así como de agua gaseosa e hidrógeno, tienen todas una pendiente positiva pero diferente. La figura 10 muestra cómo la conductividad térmica del aire y el agua gaseosa se superponen a una temperatura de aproximadamente 200 °C y forman una mezcla de gases cuasibinaria junto con el hidrógeno. Además, la conductividad térmica absoluta del hidrógeno aumenta, lo que tiene un efecto positivo en la sensibilidad de la medición del hidrógeno.

[0216] Según la invención, la conversión de aire húmedo con diferentes concentraciones de H<2>O en una mezcla de gases cuasibinaria se puede lograr cuando el sensor o elemento sensor 1, 31, 61 se ajusta de la manera más precisa posible a una temperatura objetivo en el intervalo de 200 °C. Según la invención, a este respecto tanto la temperatura de la fuente de calor sobre la membrana 2, 32, 62 como la del disipador de calor (del marco 3, 33, 63) deben medirse y controlarse. Otros parámetros fluctuantes, como la presión o el caudal del medio fluido, deben compensarse o mantenerse constantes. La compensación puede llevarse a cabo o hacerse posible mediante una medición de referencia adecuada.

[0217] La membrana 2, 32, 62, que es preferiblemente una membrana de nitruro de silicio o una membrana de óxido de aluminio o una membrana de óxido de silicio y sobre la que está dispuesto el elemento 8, 38 de calentamiento eléctrico, está en gran medida libre de tensiones mecánicas como una membrana suspendida 2, 32, 62. La membrana 2, 32, 62 es de manera especialmente preferible una membrana de nitruro de silicio o una membrana de óxido de silicio y de manera muy especialmente preferible una membrana de nitruro de silicio. La membrana 2, 32, 62 se puede realizar como un sistema microelectromecánico (MEMS). Según la invención, la membrana 2, 32, 62 se puede regular como fuente de calor a un exceso de temperatura de más de 200 °C. Con un circuito de conmutación eléctrico y una calibración adecuados, la temperatura de la fuente de calor (Tq) se puede ajustar con precisión. Por el contrario, los MEM de conductividad térmica convencionales, de acuerdo con el estado de la técnica con una membrana de óxido de silicio continua pueden destruirse mediante tensiones térmicas ya a partir de 180 °C.

[0218] El área de membrana en los elementos sensores según la invención se puede mantener lo más pequeña posible (0,3 por 0,3 mm<2>) para reducir la potencia calorífica necesaria y aumentar la estabilidad mecánica. La distancia d desde la fuente de calor sobre la membrana 2, 32, 62 hasta el disipador de calor (el marco 3, 33, 63) está determinada por el espacio proporcionado por las entalladuras 4, 34 y una socavación entre la membrana 2, 32, 62 y el marco 3, 33, 63.

[0219] Sobre el marco 3, 33, 63 se encuentran preferiblemente al menos dos elementos 6, 7, 36, 37 de resistencia eléctricos adicionales. Se pueden emplear para registrar la temperatura del disipador de calor o como referencia o compensación.

[0220] La variante con una resistencia de referencia en forma de cable 37 autoportante suspendido (figuras 4 a 6) permite una referencia "real". Como resultado, las influencias tales como los cambios en la presión o el flujo del medio fluido o del gas pueden compensarse muy bien. La referencia tiene su propio canal 54 de fluido o canal de gas, de modo que el calor no llega a la referencia por convección o flujo desde la fuente de calor. La circunferencia exterior del marco 3, 33, 63 está rodeada por un elemento 10, 40 de calentamiento eléctrico, que preferiblemente puede presentar una resistencia eléctrica baja en comparación con las pistas conductoras 6, 7, 8, 36, 38. La temperatura del disipador de calor (Ts) de todo el marco 3, 33, 63 o chip se establece así en un valor deseado por debajo de 200 °C.

[0221] Una cubierta 20, 50, 80, que puede componerse de silicio, por ejemplo, puede formar un puente sobre la membrana 2, 32, 62 y protege el elemento sensor 1, 31, 61 o el sensor de daños mecánicos, así como del polvo y la suciedad. Esta cubierta, a su vez, define la distancia d por encima de la membrana 2, 32, 62, lo que da como resultado un comportamiento de medición definido y reproducible del sensor. En un lado de la cubierta 20, 50, 80, se encuentra un canal estrecho para el intercambio de gases por difusión (véanse las figuras 2 y 5 más adelante).

[0222] La construcción de chip del elemento sensor 1, 31, 61 también puede presentar características que hagan que la medición de la conductividad térmica sea particularmente robusta y adecuada para su uso en entornos hostiles y explosivos. Esto incluye los siguientes perfeccionamientos según la invención:

[0223] Todos los campos 10, 12, 14, 16, 18, 40, 42, 44, 46, 48, 78 de contacto eléctricos están situados en el lado opuesto de la abertura de la cubierta 20, 50, 80 para el intercambio de gases. De esta manera, los campos de contacto 10, 12, 14, 16, 18, 40, 42, 44, 46, 48, 78 pueden encapsularse para protegerlos en ambientes corrosivos.

[0224] La membrana 2, 32, 62 es muy sensible a cualquier forma de condensado y se destruye muy rápida y fácilmente en caso de contaminación. Por lo tanto, el único camino hacia la membrana 2, 32, 62 es preferiblemente a través de un canal en la cubierta 20, 50, 80. La abertura de canal se puede seleccionar de forma que sea muy pequeña de hasta 0,3 veces 0,25 mm<2>e impida el acceso a la membrana 2, 32, 62 debido a la tensión superficial entre el líquido y las paredes de sensor. Además, un elemento 10, 40 de calentamiento o una sección del elemento de calentamiento pueden situarse transversalmente a este canal sobre el marco fijo 3, 33, 63, 10, 40 con la temperatura Ts. Este elemento 10, 40 de calentamiento o la sección del elemento 10, 40 de calentamiento hace que la mayoría de los líquidos, incluida el agua, pasen a la fase gaseosa y se cree un exceso de presión en el canal pequeño (cámara de medición), que desplaza el líquido más lejos de la abertura del canal.

[0225] La construcción según la invención permite un tamaño de chip pequeño (hasta 2 veces 2 por 1 mm<3>o incluso un poco más pequeño) del elemento sensor 1, 31, 61. Esto, sumado a la integración de todos los elementos 6, 7, 8, 10, 36 y 40 de calentamiento en el elemento sensor 1, 31 y 61, reduce significativamente la temperatura de la superficie y la potencia calorífica del sistema de medición. Estos dos parámetros desempeñan un papel importante cuando se utilizan en áreas potencialmente explosivas y cuando se miden gases explosivos como el gas hidrógeno en el aire o el oxígeno.

[0226] Otras áreas de aplicación de los elementos sensores según la invención incluyen la medición de mezclas de helio, aire y gas de agua para controlar las fugas y la exploración, la medición de mezclas de hidrógeno, monóxido de carbono y gas de agua como gas de síntesis, y la medición de mezclas de hidrocarburos, monóxido de carbono y gas de agua para supervisar diversos procedimientos de reformado de metano. En una construcción según la invención, los campos 10, 12, 14, 16, 18, 40, 42, 44, 46, 48, 78 de contacto y la abertura de la cámara de medición (véanse las figuras 2 y 5 a continuación), o el volumen 22, 52, 54, 82 de fluido o el volumen de gas en su interior, pueden estar separados espacialmente entre sí por la cubierta 20, 50, 80. Esto permite encapsular los campos 10, 12, 14, 16, 18, 40, 42, 44, 46, 48, 78 de contacto con material duradero sin cerrar la abertura de la cámara de medición. Esta construcción permite cerrar un canal de gas al ras cuando el sensor, o el elemento sensor 1, 31, 61, está instalado en una carcasa 89, 90, 91 y, por lo tanto, reducir en gran medida el volumen muerto en el sensor. La conexión enrasada permite utilizar un filtro 88, 98, en particular un filtro de metal sinterizado para proteger contra el flujo, la explosión y el polvo sin espacios intermedios. El volumen muerto es el espacio entre el elemento sensor y la distancia necesaria de los componentes circundantes, tales como el filtro 88, 98. Con la construcción según la invención, no es necesaria ninguna distancia desde el filtro 88, 98 (véanse las figuras 7 a 9). El volumen muerto se limita en el presente caso solo al volumen interior entre el marco 3, 33, 63 y la superficie de apoyo. La cubierta 20, 50, 80 está alineada con el marco 3, 33, 63 de modo que juntas forman una superficie plana.

[0227] A continuación se explica un procedimiento a modo de ejemplo utilizando los elementos sensores 1, 31 mostrados en las figuras 1 a 6. La secuencia del procedimiento a modo de ejemplo se muestra esquemáticamente en la figura 11.

[0228] En una primera etapa de trabajo 100, la membrana 2, 32 se calienta a una primera temperatura, preferiblemente a una temperatura superior a 200 °C, mediante calentamiento por resistencia eléctrica. Al mismo tiempo, el marco 3, 33 se calienta a una segunda temperatura con la ayuda del al menos un elemento 6, 7, 36 de resistencia eléctrico y, opcionalmente, con el elemento 10, 40 de calentamiento eléctrico sobre el marco 3, 33, siendo la segunda temperatura al menos 1 °C más baja que la primera temperatura. La segunda temperatura está preferiblemente por debajo de 200 °C.

[0229] En una segunda etapa de trabajo 101, la alimentación de un medio fluido que se va a medir se realiza en el volumen de fluido 22, 52, que rodea la membrana 2, 32 en ambos lados. Para este fin, el medio fluido puede pasar primero a través de un filtro 88, 98. En particular, el medio fluido puede ser una mezcla de gases que, por difusión a través de un filtro de metal sinterizado, alcanza el volumen de gas que rodea la membrana 2, 32. Además, en una tercera etapa de trabajo 102, la energía térmica se transfiere desde la membrana 2, 32 y desde el elemento 8, 38 de calentamiento eléctrico al medio fluido circundante.

[0230] En una cuarta etapa de trabajo 103, la energía térmica absorbida por el medio fluido se suministra al marco 3, 33.

[0231] En una quinta etapa de trabajo 104, la temperatura de la membrana 2, 32 se mide determinando la resistencia eléctrica del elemento 8, 38 de calentamiento eléctrico sobre la membrana 2, 32. Al mismo tiempo, la temperatura del marco 3, 33 se determina midiendo la resistencia eléctrica de al menos un elemento 6, 7, 36 de resistencia eléctrico.

[0232] En una sexta etapa de trabajo opcional 105, se lleva a cabo una medición de referencia, determinándose la temperatura del cable autoportante 37 calentado eléctricamente mediante la tensión eléctrica que disminuye en el cable autoportante 37, mientras que el mismo medio fluido rodea el cable autoportante 37 y, transfiere a este respecto energía térmica desde el cable autoportante 37 al marco 33 a través de la conducción de calor. El cable autoportante 37 se encuentra preferiblemente en un volumen 54 de fluido separado del volumen 52 de fluido que rodea la membrana 32.

[0233] En una séptima etapa de trabajo 106, la temperatura de la membrana 2, 32 se controla o regula mediante una regulación de la potencia eléctrica para calentar los elementos de calentamiento electrónicos 8, 38 sobre la membrana 2, 32. A este respecto, se puede usar preferiblemente un circuito puente de Wheatstone autorregulador.

[0234] En una octava etapa de trabajo opcional 107, la temperatura del marco 3, 33 se controla o regula mediante una regulación de la potencia eléctrica para calentar al menos un elemento 6, 7, 36 de resistencia eléctrico y/o el elemento 10, 40 de calentamiento eléctrico sobre el marco 3, 33. A este respecto, se puede usar preferiblemente un circuito puente de Wheatstone autorregulador.

[0235] En una novena etapa de trabajo posterior 108, la propiedad térmica del medio fluido, en particular la conductividad térmica y/o el contenido de hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido, se determina mediante la potencia eléctrica requerida para regular la temperatura de la membrana 2, 32 y mediante la diferencia de temperatura conocida entre la membrana 2, 32 y el marco 3, 33. Si la sexta etapa de trabajo opcional 105 se ha llevado a cabo de antemano, en la determinación de la propiedad térmica del medio fluido puede efectuarse una corrección en función de la medición de referencia en el cable autoportante 37. Como resultado, las influencias tales como los cambios de presión o los cambios de flujo en el medio fluido que se va que se va a medir pueden compensarse muy bien.

[0236] La descripción anterior, así como las características de la invención divulgadas en las reivindicaciones, figuras y en los ejemplos de realización pueden ser esenciales tanto individualmente como en cualquier combinación para implementar la invención en sus distintas formas de realización.

[0237] Lista de referencias

[0238] 1, 31, 61 elemento sensor

[0239] 2, 32, 62 membrana

[0240] 3, 33, 63 marco/chip

[0241] 4, 34 entalladura

[0242] 5, 35 nervio

[0243] 6, 36 elemento de resistencia eléctrico/pista conductora

[0244] 7 elemento de resistencia eléctrico/pista conductora

[0245] 8, 38 elemento de calentamiento eléctrico/pista conductora

[0246] 9, 39 pista conductora de conexión

[0247] 10, 40 elemento de calentamiento eléctrico/pista conductora exterior

[0248] 12, 42 campo de contacto

[0249] 14, 44 campo de contacto

[0250] 16, 46 campo de contacto

[0251] 18, 48, 78 campo de contacto

[0252] 20, 50, 80 cubierta

[0253] 22, 52, 82 volumen de fluido/volumen de gas

[0254] 37 cable autoportante

[0255] 41 pista conductora de conexión

[0256] 43 entalladura

[0257] 54 volumen de fluido/volumen de gas

[0258] 85 placa de circuitos impreso

[0259] 86 pista conductora

[0260] 87 placa de contacto

[0261] 88, 98 filtro

[0262] 89 carcasa

[0263] 90 cono

[0264] 91 carcasa

[0265] 92 ranura

[0266] 93, 94, 95, 96 abertura de entrada de gas

[0267] 100 Etapa de trabajo: calentar membrana y marco a diferentes temperaturas

[0268] 101 Etapa de trabajo: alimentar el medio fluido a la membrana

[0269] 102 Etapa de trabajo: transferencia de energía térmica de la membrana al medio fluido 103 Etapa de trabajo: transferencia de energía térmica del medio fluido al marco

[0270] 104 Etapa de trabajo: medición de la temperatura de la membrana y del marco

[0271] 105 Etapa de trabajo opcional: realizar una medición de referencia en un cable autoportante 106 Etapa de trabajo: controlar la temperatura de la membrana mediante potencia eléctrica 107 Etapa de trabajo opcional: controlar la temperatura del marco

[0272] 108 Etapa de trabajo: Determinar la propiedad térmica del medio fluido en función de la potencia eléctrica para calentar la membrana y la diferencia de temperatura entre la membrana y el marco con una geometría conocida

[0273] A plano de corte

[0274] B plano de corte

Claims (35)

1. REIVINDICACIONES

1. Elemento sensor (1, 31, 61) para medir las propiedades térmicas de un medio fluido, en particular para medir la conductividad térmica y/o el contenido de gas hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido, presentando el elemento sensor (1, 31, 61) una membrana (2, 32, 62), una cubierta (20, 50, 80) y un marco (3, 33, 63), en donde la cubierta (20, 50, 80) está alineada con el marco de manera que forman una superficie plana, en donde el marco (3, 33, 63) rodea la membrana (2, 32, 62) por al menos dos lados, en donde la membrana (2, 32, 62) está separada del marco (3, 33, 63) por zonas mediante entalladuras (4, 34), en donde la membrana (2, 32, 62) es autoportante y está conectada al marco (3, 33, 63) a través de nervios (5, 35), en donde el marco (3, 33, 63) soporta la membrana (2, 32, 62) a través de los nervios (5, 35), presentando el elemento sensor (1, 31, 61) además al menos un elemento (6, 7, 36) de resistencia eléctrico en forma al menos de una pista conductora sobre el marco (3, 33, 63) y un elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico sobre la membrana (2, 32, 62) en forma de una pista conductora en la membrana (2, 32, 62), en donde el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico se pone en contacto eléctrico a través de pistas conductoras (9, 39) de conexión, en donde las pistas conductoras (9, 39) de conexión discurren desde el marco (3, 33, 63) a través de al menos uno de los nervios (5, 35) hasta la membrana (2, 32, 62), en donde el marco (3, 33, 63) presenta un elemento (10, 40) de calentamiento eléctrico en forma de una pista conductora exterior sobre el marco (3, 33, 63), en donde el elemento (10, 40) de calentamiento eléctrico del marco (3, 33, 63) enmarca en el exterior el al menos un elemento (6, 7, 36) de resistencia eléctrico sobre el marco (3, 33, 63) en al menos dos lados o en al menos tres lados.

2. Elemento sensor (1, 31, 61) según la reivindicación 1, caracterizado por que la membrana (2, 32, 62) se puede calentar con el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico y la temperatura de la membrana (2, 32, 62) se puede ajustar mediante la resistencia eléctrica del elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico, en donde el elemento sensor (1, 31, 61) preferiblemente presenta un equipo de calentamiento ajustable para calentar el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico y un equipo de ajuste de temperatura de membrana para ajustar la temperatura de la membrana (2, 32, 62), en donde el equipo de ajuste de temperatura de membrana está configurado para determinar la resistencia eléctrica del elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico.

3. Elemento sensor (1, 31, 61) según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la temperatura del marco (3, 33, 63) se puede medir con al menos un elemento (6, 7, 36) de resistencia eléctrico, en donde el elemento sensor (1, 31, 61) presenta preferiblemente un equipo de medición de temperatura de marco para medir la temperatura del marco (3, 33, 63), en donde el equipo de medición de temperatura de marco está configurado de manera especialmente preferible para determinar la resistencia eléctrica del al menos un elemento (6, 7, 36) de resistencia eléctrico.

4. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la membrana (2, 32, 62) y el marco (3, 33, 63) se pueden calentar independientemente uno del otro.

5. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los nervios (5, 35) y la membrana (2, 32, 62) están compuestos del mismo material y están realizados en una sola pieza, estando compuestos preferiblemente la membrana (2, 32, 62) y los nervios (5, 35) de nitruro de silicio u óxido de silicio.

6. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el marco (3, 33, 63) está compuesto de silicio o cerámica, en particular está compuesto de silicio o de cerámica de óxido de aluminio.

7. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el al menos un elemento (6, 7, 36) de resistencia eléctrico está realizado mediante al menos una pista conductora metálica sobre el marco (3, 33, 63), en donde la al menos una pista conductora metálica se compone preferiblemente de un metal o una aleación metálica con un coeficiente de temperatura de la resistencia eléctrica de al menos 3 10-31/K o de níquel, y/o el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico está realizado mediante una pista conductora metálica sobre la membrana (2, 32, 62), en donde la pista conductora metálica se compone preferiblemente de un metal o una aleación metálica con un coeficiente de temperatura de al menos 310-31/K o de níquel.

8. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la membrana (2, 32, 62) no está dispuesta en una zona marginal del elemento sensor (1, 31, 61) y está rodeada por todos lados por el marco (3, 33, 63), preferiblemente la membrana (2, 32, 62) está dispuesta en una zona central del elemento sensor (1, 31, 61).

9. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la cubierta (20, 50, 80) delimita un volumen de gas conectado permeable al gas con el entorno alrededor de la membrana (2, 32, 62).

10. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el elemento sensor (1, 61) presenta dos elementos (6, 7) de resistencia eléctricos en forma de dos pistas conductoras como el al menos un elemento de resistencia eléctrico (6, 7) sobre el marco (3, 63), en donde los dos elementos (6, 7) de resistencia eléctricos rodean preferiblemente la membrana (2, 62) en dos lados opuestos entre sí de modo que la membrana (2, 62) está dispuesta entre los dos elementos (6, 7) de resistencia eléctricos.

11. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el elemento sensor (31, 61) presenta un cable autoportante (37) como resistencia de referencia, en donde el cable autoportante (37) está conectado al marco (3, 33, 63) en dos extremos y está suspendido sobre el marco (33, 63) y está separado espacialmente del marco (33, 63) por zonas mediante entalladuras (43), en donde preferiblemente el cable autoportante (37) está rodeado por la cubierta (50, 80) que está firmemente conectada al marco (33, 63), en donde la cubierta (50, 80) está distanciada espacialmente al menos por zonas del cable autoportante (37), en donde la cubierta (50, 80) de manera especialmente preferible está construida al menos por zonas como un filtro permeable a los gases (88, 98).

12. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la membrana (2, 32, 62) está rodeada por la cubierta (20, 50, 80) en al menos dos lados hacia el marco (3, 33, 63) y por encima y por debajo de la membrana (2, 32, 62), en donde preferiblemente la cubierta (20, 50, 80) está construida al menos por zonas como filtro (88, 98) permeable a los gases y/o se compone al menos por zonas de silicio.

13. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la pista conductora exterior del elemento (10, 40) de calentamiento eléctrico sobre el marco (3, 33, 63) es más ancha que las pistas conductoras del al menos un elemento (6, 7, 36) de resistencia eléctrico sobre el marco (3, 33, 63) y del elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico sobre la membrana (2, 32, 62).

14. Elemento sensor (1, 31, 61) según la reivindicación 13, caracterizado por que una parte expuesta de la pista conductora exterior del elemento (10, 40) de calentamiento eléctrico del marco (3, 33, 63) discurre en un canal de fluido que conduce a un volumen de fluido (22, 52, 82) que rodea la membrana (2, 32, 62), en donde preferiblemente la parte expuesta de la pista conductora exterior discurre transversalmente al canal de fluido y/o el canal de fluido está conformado en la cubierta (20, 50, 80), que encierra la membrana (2, 32, 62), en donde la cubierta (20, 50, 80) cubre las otras zonas de la pista conductora exterior.

15. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el al menos un elemento (6, 7, 36) de resistencia eléctrico sobre el marco (3, 33, 63) y el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico sobre la membrana (2, 32, 62) y, si está presente, también el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico del marco (3, 33, 63), están en contacto eléctricamente a través de campos de contacto (12, 14, 16, 18, 42, 44, 46, 48, 78) sobre el marco (3, 33, 63), en donde preferiblemente los campos de contacto (12, 14, 16, 18, 42, 44, 46, 48, 78) están realizados mediante zonas ensanchadas de las pistas conductoras y/o los campos de contacto (12, 14, 16, 18, 42, 44, 46, 48, 78) están todos dispuestos en un lado del marco (3, 33, 63).

16. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la membrana (2, 32, 62) tiene un área de como máximo 20 mm<2>, preferiblemente tiene un área de como máximo 1 mm<2>, de manera especialmente preferible tiene un área de como máximo 0,5 mm<2>, de manera muy especialmente preferible tiene un área de como máximo 0,1 mm<2>.

17. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el marco (3, 33, 63) con la membrana (2, 32, 62) en el plano de la membrana (2, 32, 62) tiene un diámetro exterior de como máximo 10 mm, preferiblemente tiene un diámetro exterior de como máximo 3 mm, de manera especialmente preferible tiene un diámetro exterior de como máximo 2 mm.

18. Elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la cubierta (20, 50, 80) se puede calentar, en donde preferiblemente la cubierta (20, 50, 80) se puede calentar con el elemento (10, 40) de calentamiento eléctrico sobre el marco (3, 33, 63) y/o la cubierta (20, 50, 80) define al menos una abertura de entrada de gas (93, 94, 95, 96) del elemento sensor (1, 31, 61) y la pista conductora del elemento (10, 40) de calentamiento eléctrico está expuesta sobre el marco (3, 33, 63) en la al menos una abertura de entrada de gas (93, 94, 95, 96).

19. Sensor para determinar las propiedades térmicas de un medio fluido, en particular para determinar la conductividad térmica y/o el contenido de gas hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio de un medio fluido, presentando el sensor un elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones anteriores, en donde la membrana (2, 32, 62) con el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico sobre la membrana (2, 32, 62) independientemente de la temperatura del marco (3, 33, 63) o la membrana (2, 32, 62) con el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico sobre la membrana (2, 32, 62) y el marco (3, 33, 63) se pueden calentar de forma independiente entre sí, en donde la temperatura de la membrana (2, 32, 62) se

puede medir con el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico sobre la membrana (2, 32, 62) y la temperatura del marco (3, 33, 63) se puede medir con el al menos un elemento (6, 7, 36) de resistencia eléctrico, en donde la temperatura de la membrana (2, 32, 62) se puede regular con el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico sobre la membrana (2, 32, 62) y la temperatura del marco (3, 33, 63) se puede regular en función de la medición de las temperaturas, en donde las potencias caloríficas necesarias para este fin pueden determinarse con el sensor para deducir las propiedades térmicas del medio fluido, preferiblemente para determinar la conductividad térmica y/o el contenido de gas hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido.

20. Sensor según la reivindicación 19, caracterizado porque el sensor presenta un circuito puente de Wheatstone que está conectado al elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico sobre la membrana (2, 32, 62) de tal manera que la potencia calorífica de la membrana (2, 32, 62) se puede regular a través del circuito de puente de Wheatstone.

21. Sensor según la reivindicación 19 o 20, caracterizado por que la membrana (2, 32, 62) se puede calentar a temperaturas de al menos 200 °C durante el funcionamiento del sensor y/o el marco (3, 33, 63) se puede calentar a al menos 130 °C durante el funcionamiento del sensor, en donde la membrana (2, 32, 62) se puede calentar preferiblemente a temperaturas de al menos 220 °C durante el funcionamiento del sensor y/o el marco (3, 33, 63) se puede calentar a al menos 150 °C durante el funcionamiento del sensor, en donde de manera especialmente preferible el marco (3, 33, 63) se puede calentar a al menos 180 °C durante el funcionamiento del sensor.

22. Procedimiento para determinar al menos una propiedad térmica de un medio fluido, en particular la conductividad térmica y/o el contenido de hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido, presentando el procedimiento las etapas:

(A) calentar una membrana (2, 32, 62) con un elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico en forma de una pista conductora dispuesta sobre la membrana (2, 32, 62), en donde la membrana (2, 32, 62) está conectada a un marco (3, 33, 63) a través de nervios (5, 35) y se sujeta mediante el marco (3, 33, 63) y en donde la membrana (2, 32, 62) está rodeada dentro de una cubierta (20, 50, 80) por un volumen definido (22, 52, 82) del medio fluido, en donde la cubierta (20, 50, 80) está alineada con el marco (3, 33, 63) de modo que forman una superficie plana;

B) transferir calor desde la membrana (2, 32, 62) y el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico al medio fluido que rodea la membrana (2, 32, 62);

C) transferir calor del medio fluido al marco (3, 33, 63), en donde el marco (3, 33, 63) tiene una temperatura más baja que la membrana (2, 32, 62);

D) determinar la temperatura de la membrana (2, 32, 62) y del marco (3, 33, 63);

E) controlar o regular la temperatura de la membrana (2, 32, 62) mediante la regulación de la potencia eléctrica para calentar la membrana (2, 32, 62); y

F) determinar la propiedad térmica del medio fluido, en particular la conductividad térmica y/o el contenido de hidrógeno, el contenido de gas de hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido, mediante la potencia eléctrica requerida para regular la temperatura de la membrana (2, 32, 62) y mediante la diferencia de temperatura conocida entre la membrana (2, 32, 62) y el marco; (3, 33, 63) y

G) controlar o regular la temperatura del marco (3, 33, 63).

23. Procedimiento según la reivindicación 22, caracterizado por una etapa G):

en la etapa G), el control o regulación de la temperatura del marco (3, 33, 63) se realiza mediante una regulación de la potencia eléctrica para calentar el marco (3, 33, 63).

24. Procedimiento según la reivindicación 22 o 23, caracterizado por que la temperatura de la membrana (2, 32, 62) se mantiene por encima de 200 °C y la temperatura del marco (3, 33, 63) se mantiene por debajo de 200 °C.

25. Procedimiento según la reivindicación 22 o 23, caracterizado por que la membrana (2, 32, 62) y el marco (3, 33, 63) forman parte de un sensor, en donde el sensor presenta una geometría constante y conocida y un comportamiento de calentamiento conocido, y en donde el sensor se calibra antes de la medición para calcular, a partir de la geometría conocida del sensor y de la diferencia de temperatura conocida o medida entre la membrana (2, 32, 62) y el marco (3, 33, 63) y la potencia eléctrica necesaria para calentar la membrana (2, 32, 62), la propiedad térmica del medio fluido, en particular la conductividad térmica y/o el contenido de hidrógeno,

el contenido de gas hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido.

26. Procedimiento según una de las reivindicaciones 22 a 25, caracterizado por que el procedimiento se lleva a cabo con un elemento sensor (1, 31, 61) según una de las reivindicaciones 1 a 17 o con un sensor según una de las reivindicaciones 18 a 20.

27. Procedimiento según una de las reivindicaciones 22 a 26, caracterizado por que la temperatura de la membrana (2, 32, 62) se controla o se regula al menos a 5 °C y como máximo a 200 °C por encima de la temperatura del marco (3, 33, 63), preferiblemente la temperatura de la membrana (2, 32, 62) se controla o regula a al menos 10 °C y como máximo a 150 °C por encima de la temperatura del marco (3, 33, 63), de manera especialmente preferible la temperatura de la membrana (2, 32, 62) se controla o regula al menos a 20 °C y como máximo a 100 °C por encima de la temperatura del marco (3, 33, 63).

28. Procedimiento según una de las reivindicaciones 22 a 27, caracterizado por que la temperatura de la membrana (2, 32, 62) se mantiene al menos a 201 °C y como máximo a 350 °C, preferiblemente se mantiene al menos a 210 °C y como máximo a 300 °C, de manera especialmente preferible se mantiene al menos a 220 °C y como máximo a 260 °C.

29. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 28, caracterizado por que la temperatura del marco (3, 33, 63) se mantiene al menos a 135 °C y como máximo a 199 °C, preferiblemente al menos a 150 °C y como máximo a 195 °C, de manera especialmente preferible al menos a 180 °C y como máximo 190 °C.

30. Procedimiento según una de las reivindicaciones 22 a 29, caracterizado por que la temperatura de la membrana (2, 32, 62) se controla o regula de tal manera que la temperatura de la membrana (2, 32, 62) y la temperatura del marco (3, 33, 63) se controlan o regulan de tal manera que el promedio de la temperatura del marco (3, 33, 63) y la temperatura de la membrana (2, 32, 62) es de al menos 180 °C y como máximo de 220 °C, preferiblemente de al menos 190 °C y como máximo 210 °C, de manera especialmente preferible de al menos 195 °C y como máximo de 205 °C.

31. Procedimiento según una de las reivindicaciones 22 a 30, caracterizado por que una temperatura de un volumen separado en la zona del marco (33, 63) se mide con un cable autoportante (37), en donde la temperatura medida del cable autoportante (37) se emplea para la corrección cuando se determina la propiedad térmica del medio fluido, en particular la conductividad térmica y/o el contenido de hidrógeno, el contenido de gas hidrocarburo o el contenido de helio del medio fluido en la etapa F).

32. Procedimiento según una de las reivindicaciones 22 a 31, caracterizado por que para determinar la temperatura de la membrana (2, 32, 62) en la etapa D), se emplea el mismo elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico sobre la membrana (2, 32, 62) con el que se calienta la membrana (2, 32, 62) en la etapa A).

33. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 32, caracterizado por que la temperatura de la membrana (2, 32, 62) se mantiene constante mediante un primer circuito puente de Wheatstone autorregulador, en donde el elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico sobre la membrana (2, 32, 62) forma parte del primer circuito puente de Wheatstone autorregulador, y/o la temperatura del marco (3, 33, 63) se mantiene constante mediante un segundo circuito puente de Wheatstone autorregulador o mediante un regulador digital o controlado por ordenador, en donde preferiblemente al menos un elemento (6, 7, 36) de resistencia eléctrico sobre el marco (3, 33, 63) y/o un elemento (8, 38) de calentamiento eléctrico sobre el marco (3, 33, 63) forma parte del segundo circuito puente de Wheatstone autorregulador.

34. Procedimiento según una de las reivindicaciones 22 a 33, caracterizado por que se realiza una etapa H): H) aumentar o controlar o regular la temperatura del medio fluido en la zona de entrada de gas a la membrana (2, 32, 62) en la cubierta (20, 50, 80) y/o aumentar o controlar o regular la temperatura de la cubierta (20, 50, 80), en donde la cubierta (20, 50, 80) delimita un volumen de gas conectado con el entorno de manera permeable al gas alrededor de la membrana (2, 32, 62), preferiblemente mediante una regulación de la potencia eléctrica para calentar el marco (3, 33, 63) o un equipo de calentamiento por resistencia eléctrico independiente.

35. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 34, caracterizado por que el marco (3, 33, 63) se controla o se regula a una temperatura superior a la temperatura del punto de rocío de la condensación existente o posible en el gas examinado.