Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
Gase, Flüssigkeiten und Festkörper unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Fähigkeit, Wärme zu leiten. So leitet Metall Wärme bekanntermaßen besser als Plastik oder Holz, Wasser besser als Luft. Bewegung verstärkt diesen Effekt: Sind Wasser oder Luft im Fluß, können sie mehr Wärme transportieren als im ruhenden Zustand.
Auch der Mechanismus der Wärmeleitung unterscheidet sich bei Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern. In einem Festkörper beispielsweise sind die Atome an feste Gleichgewichtslagen gebunden, während sie in Gasen frei beweglich sind. Die Wärmeleitung in Gasen basiert auf der Bewegung der Moleküle, die beim Zusammenstoßen einen Teil ihrer kinetischen Energie auf den Stoßpartner übertragen und dadurch Energie von einem Ort höherer Temperatur (d. h. größerer mittlerer Energie) zu Orten tieferer Temperatur transportieren.
Durch Messung der spezifischen Wärmeleitfähigkeit lassen sich Gase folglich sehr gut unterscheiden.
Kleine, stromsparende Sensoren dank MEMS-Technologie
Fraunhofer IPM entwickelt kostengünstige, selbsttestfähige Wärmeleitfähigkeits-Detektoren (WLD) und integriert sie in kompakte Sensorsysteme.
Das Funktionsprinzip der WLD ist bewährt und wird bereits in vielen Applikationen eingesetzt. Die Sensoren bestehen im Wesentlichen aus einem Heizelement, das gleichzeitig als Temperatursensor dient. Die Heizleistung des Sensorelements ist proportional zur Temperatur und damit zur Konzentration des Gases. Ein Hauptaugenmerk liegt auf der zum Betrieb der Sensoren notwendige elektrischen Energie. Wir entwickeln WLD-Sensoren in MEMS-Technologie, die noch weniger Energie verbrauchen als bisherige Lösungen. Dadurch entstehen besonders kleine und stromsparende Sensoren, die auch in akkubetriebenen Systemen verbaut werden können.
Durch die Anwendung der 3-Omega-Methode lassen sich neben der Wärmeleitfähigkeit auch die Wärmekapazität und die Fließgeschwindigkeit eines Mediums bestimmen, auch ohne dass dieses zuvor bekannt ist. Dazu muss das Medium nur um wenige Kelvin erwärmt werden – ein Vorteil gegenüber klassischen DC-Ausleseverfahren, die für dieselbe Messgenauigkeit das 10-fache an Temperatur und damit Energie benötigen.
Wärmeleitfähigkeit für den H2-Nachweis nutzen
Am Fraunhofer IPM entwickeln wir neuartige Wärmeleitfähigkeitssensoren zur schnellen und empfindlichen Detektion von Wasserstoff. Als leicht entzündlicher Energieträger muss Wasserstoff beim Transport und im Speicher kontinuierlich überwacht und die Wasserstoffinfrastruktur auf Leckagen überprüft werden. Da Wasserstoff Wärme sieben Mal besser als Luft leitet, kann es über eine Wärmeleitfähigkeitsmessung selbst in kleinsten Konzentrationen in Luft oder anderen Gasen nachgewiesen werden.