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Die
Erfindung betrifft einen Sensor, der insbesondere zur Messung des
Sauerstoffgehalts in Brennstofftanks von Luftfahrzeugen geeignet
ist.
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Der
Brennstofftank eines Luftfahrzeugs enthält in der Regel flüssigen Brennstoff,
z. B. Kerosin, und im übrigen
eine Gasatmosphäre
im wesentlichen aus atmosphärischer
Luft. In dieser Luft gelöst
ist jedoch auch ein erheblicher Anteil an Brennstoff. Es besteht
dabei die Gefahr, dass das Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnis in der Gasatmosphäre des Tanks selbstzündend, d.
h. explosiv, wird. Dabei handelt es sich um einen kritischen Bereich.
Ist das Mischungsverhältnis
zu fett oder zu mager und liegt oberhalb bzw. unterhalb dieses kritischen
Bereichs – man spricht
auch von Upper Explosiv Limit (UEL) und Lower Explosiv Limit (LEL) – besteht
keine Explosionsgefahr. Es wäre
daher zweckmäßig, den
Sauerstoffgehalt so niedrig einzustellen, dass eine Explosionsgefahr
ausgeschlossen ist.
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Insbesondere
besteht aber das Problem, dass sich je nach dem im Tank herrschenden
Druck und der Temperatur der gasförmige Brennstoffgehalt in der
Gasatmosphäre
des Tanks ändert.
Weiterhin ändert
sich mit der Flugdauer das gasförmige
Volumen im Brennstofftank aufgrund des Kerosinverbrauchs, was das
UEL und das LEL beeinflusst. Aufgrund der großen Flughöhen und der unterschiedlichen
Flughafenstandorte können
Druck und Temperatur ganz extremen Schwankungen unterliegen. UEL
und LEL variieren daher ständig.
Aufgrund dieser Problematik werden in herkömmlichen Tanks unkomplizierte
passive Lösungen
zur Gewährleistung der
Flugsicherheit favorisiert, indem explosionsunterdrückende Schäume in die
Tanks integriert werden, z. B. in militärischen Flugzeugen.
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Die
Druckschrift
DE 296
16 420 U1 beschreibt eine Messeinrichtung zur paramagnetischen Messung
des Sauerstoffgehalts in einem Messgas, mit zwei Leitungsabschnitten,
die in eine Messkammer münden,
und einer zwischen den Leitungsabschnitten liegenden Querleitung,
in der ein Strömungs-
oder Drucksensor angeordnet ist. Ein Wechselmagnetfeld durchsetzt
einen der beiden Leitungsabschnitte an dessen Einmündungsstelle
in die Messkammer.
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In
der Offenlegungsschrift
DE 2
054 018 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung
des Restsauerstoffgehalts der Schutzgas-Atmosphäre begaster Verpackungen beschrieben.
Dabei wird eine Differenz der paramagnetischen Suszeptibilität des in
die Verpackung eingeleiteten Schutzgases und des sich in der Verpackung
ausbildenden Schutzgasrestsauerstoffgemisches mit Hilfe einer in einem
Magnetfeld auftretenden Strömung
gemessen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine für Luftfahrzeuge geeignete Einrichtung vorzuschlagen,
mit deren Hilfe es möglich
ist, in Brennstofftanks von Luftfahrzeugen das Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnis außerhalb
des kritischen explosiven Bereichs zu halten.
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Zu
diesem Zweck wird ein paramagnetischer Sauerstoffsensor vorgeschlagen,
mit dem der Sauerstoffgehalt der Gasatmosphäre im Tank ermittelt wird. Mit
dem gemessenen Sauerstoffwert wird dann mittels einer geeigneten
elektronischen Auswerteeinrichtung unter Berücksichtigung des herrschenden Drucks
und der herrschenden Temperatur für den betreffenden Brennstoff
das aktuelle Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnis anhand von empirisch
ermittelten Referenzwerten ermittelt. Liegt der Sauerstoffwert nahe dem
kritischen, durch UEL und LEL definierten Bereich, so kann durch
Triggerung eines Aktuators solange ein Inertgas, z. B. Stickstoff,
in den Tank eingeleitet und dadurch das explosive Gasgemisch ersetzt werden,
bis wieder ein sicherer Abstand zum LEL hergestellt ist. Dieses
System lässt
sich als geschlossener Regelkreis automatisieren und kann für die unterschiedlichsten
Brennstoffarten ohne Modifikation des Systems realisiert werden,
da im Falle einer anderen Brennstoffart lediglich andere Referenzwerte zu
berücksichtigen
sind.
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Die
Erfindung bezieht sich insbesondere auf den dafür verwendeten Sauerstoffsensor,
der durch eine spezielle Keramikausführung für den Einsatz in Luftfahrzeugen
besonders geeignet ist. Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor besitzt
integriert in die Keramik alle notwendigen Sensorbauteile, insbesondere
zwei symmetrisch zueinander ausgebildete Leitungsarme zum Durchleiten
eines Gasstroms aus dem Brennstofftank, eine die Leitungsarme ver bindende
Querverbindungsleitung, eine Magnetspule zum Induzieren eines Magnetfelds
im Bereich der Querverbindungsleitung oder gegebenenfalls in einem
der beiden Leitungsarme und eine Durchflussmesseinrichtung zur Messung
einer Strömung
durch die Querverbindungsleitung. Aufgrund dieses Aufbaus ist der
Sensor klein und leicht sowie druck- und temperaturstabil. Die Keramik
ist mechanisch stabil und für
die darin integrierten elektronischen Bauelemente elektrisch isolierend.
Ein solcher Sensor ist über
den gesamten Druck- und Temperaturbereich, dem ein Luftfahrzeug
im Betrieb ausgesetzt ist, einsetzbar.
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Durch
die symmetrisch zueinander ausgebildeten Leitungsarme wird eine
gleichmäßige Gasstromaufteilung
durch jeden der Leitungsarme erreicht. In der Querverbindungsleitung
wird dann mittels der Magnetspule ein magnetisches Feld induziert,
welches aus einem der beiden Gasströme einen darin enthaltenen
Sauerstoffanteil abteilt und dem anderen der beiden Gasströme durch
die Querverbindungsleitung hindurch zuleitet. Dieses Messprinzip
ist aus Laboranwendungen mit Glaskolbenanordnungen grundsätzlich bekannt
und nutzt die paramagnetische Eigenschaft von Sauerstoff. Es ist vergleichbar
mit einer elektrischen Wheatstone'schen Brücke. Diese (hier fluidische)
Brücke
wird durch den Massenstrom, der sich aufgrund des induzierten Magnetfelds
in der Querverbindungsleitung einstellt, verstimmt. Der Massenstrom
in der Querverbindungsleitung wird dann mittels einer geeigneten
Durchflussmesseinrichtung gemessen, z. B. mittels eines Strömungsmessers,
eines Drucksensors oder einer zweiten Magnetspule. Bei entsprechender Kalibrierung
lässt der
gemessene Massenstrom einen Rückschluss
auf den im Gasstrom enthaltenen Sauerstoffanteil und daraus unter
Berücksichtigung weiterer
Faktoren, wie Druck und Temperatur, auf das Brennstoff-Sauerstoff-Verhältnis in
der Gasatmosphäre
des Tanks zu.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist die Magnetspule nicht in der Querverbindungsleitung sondern
in einem der beiden symmetrisch angeordneten Leitungsarme vorgesehen.
Die Durchflussmesseinrichtung in der Querverbindungsleitung bleibt
auch bei dieser Ausführungsform
erhalten.
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Vorzugsweise
ist die Durchflussmesseinrichtung als zweite Magnetspule ausgeführt, wodurch
die Herstellung des Sensors rationeller und entsprechend preiswerter
wird. Das Magnetfeld der zweiten Magnetspule wird durch den durch
die Querverbindung strömenden
Sauerstoff verändert,
wobei das Maß der
Veränderung
ein Maß für den Sauerstoffmassenstrom
ist.
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Als
besonders geeignet für
die Herstellung des Keramikgehäuses
des Sauerstoffsensors haben sich LTCC-Keramiken (Low Temperature
Cofired Ceramics, LTCC) erwiesen. LTCC-Keramiken sind Glaskeramiken.
Diese bieten gegenüber
den grundsätzlich
ebenfalls geeigneten HTC-Keramiken (High Temperature Cofired Ceramics,
HTCC), wie z. B. Al2O3,
den Vorteil, dass sie bei Temperaturen von nur ca. 850° C gesintert
werden, anstelle von ca. 1600° C bei
HTCC. LTCC-Keramiken können
darüber
hinaus an der Luft in einem normalen Dickschichtofen gebrannt werden,
erfordern also keine Schutzgasatmosphäre. Dies ist insofern vorteilhaft,
als die in die Keramik integrierten elektronischen Bauelemente,
insbesondere also die Magnetspulen und die elektrischen Durchkontaktierungen,
in herkömmlicher
Dickschichttechnologie erzeugt werden können. Als Materialien für solche
Bauelemente können
dann Au-, Ag- oder PdAg-Dickschichtpasten verwendet werden, die
nur einen geringen Schichtwiderstand von 2 bis 20 Ohm/sq. besitzen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der begleitenden Zeichnung beispielhaft
erläutert.
Darin zeigen schematisch:
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1 eine
Explosionsdarstellung der einzelnen Schichten eines erfindungsgemäßen paramagnetischen
Sauerstoffsensors; und
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2 den
Herstellungsprozess eines LTCC-Keramikmoduls.
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Der
paramagnetische Sauerstoffsensor gemäß 1 umfasst
hier 7 Keramikschichten, die symmetrisch zu einer zentralen
Ebene angeordnet sind. In einer zentralen Schicht 1, die
wiederum aus Keramikschichten besteht, sind zwei symmetrisch in Ringform
angeordnete Gasströmungsleitungen 2, 3 mit
einer Querverbindungsleitung 4 sowie eine gemeinsame Zuleitung 5 und
eine gemeinsame Ableitung 6, die an gegenüberliegenden
Seiten der ringförmigen
Anordnung liegen, ausgebildet. Benachbart zur Querverbindungsleitung 4 liegen
mit Dickschichtpaste verfüllte
Durchkontaktierungen 7, die Teil einer ersten Spule 8 und
einer zweiten Spule 9 sind.
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Die
erste Spule 8 dient zur Induzierung eines Magnetfelds im
Bereich der Querverbindungsleitung 4, um auf diese Weise
Sauerstoff aus einer der beiden Gasströmungsleitungen 2, 3 durch
die Querverbindungsleitung 4 zur anderen der beiden Gasströmungsleitungen 2, 3 zu
leiten. Die zweite Spule 9 dient als Durchflussmesseinrichtung.
Denn die Induktivität
des Magnetfelds dieser zweiten Spule 9 ändert sich aufgrund des durch
die Querverbindungsleitung 4 strömenden Sauerstoffs.
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Keramische
Dichtungsschichten 10a und 10b dichten die Gasströmungswege 2 bis 6 seitlich ab.
Die Durchkontaktierungen 7 finden in den Dichtungsschichten 10a, 10b ihre
Fortführung 7'.
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Die
Dichtungsschichten 10a, 10b sind wiederum jeweils
von einer weiteren Keramikschicht 11a, 11b abgedeckt,
in denen mit Dickschichtpaste verfüllte Schlitze 7'' so angeordnet sind, dass die Enden
der Schlitze 7'' mit jeweils
einer Durchkontaktierung 7' einen
elektrischen Kontakt bilden. Die Schlitze 7'' stellen
somit Kontaktbrücken
zwischen gegenüberliegenden
Durchkontaktierungen dar. Indem die Schlitze 7'' in der Keramikschicht 11a einander schräg gegenüberliegende
Durchkontaktierungen 7' miteinander
verbinden und die Schlitze 7'' in der Keramikschicht 11b einander
unmittelbar gegenüberliegende
Durchkontaktierung 7' miteinander
verbinden, ergeben sich insgesamt zwei durch Dickschichtpaste gebildete
Spulen 7 und 8.
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Die
Keramikschichten 11a, 11b können zusätzlich mit Leiterbahnen bedruckt
sein, die zusammen mit passiven elektrischen Bauelementen (wie z. B.
Widerständen)
Teil eines elektronischen Schaltkreises bilden können. Solche Leiterbahnen können auch
auf der Unterseite der Dichtungsschichten 10a, 10b realisiert
sein, wobei in diesem Falle auch die elektrischen Verbindungen 7'' zwischen den Durchkontaktierungen 7' durch aufgedruckte
Leiterbahnen ersetzt werden können.
Auf die geschlitzten Keramikschichten 11a, 11b kann
dann verzichtet werden.
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Außenseitig
sind schließlich
noch Keramikdeckschichten 12a, 12b als mechanischer
Schutz und zur elektrischen Isolierung der elektrischen Komponenten 7 bis 9 vorgesehen.
Durchkontaktierungen 13 führen zu den Enden der Spulen 8 und 9 und
dienen als Anschlusskontakte.
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Die
Keramikschichten 1 und 10 bis 12 werden
in einem Sinterprozess zu einem integralen Keramikgehäuse mit
den darin enthaltenen passiven elektronischen Bauelementen verbunden.
Dieser Prozess wird nachfolgend anhand der 2 prinzipiell
beschrieben.
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2 zeigt
die einzelnen Schritte zur Herstellung einer LTCC-Keramik. Zunächst werden über einen
Gießprozess
aus keramischem Schlicker die "grünen" Keramikfolien hergestellt.
Sie stellen den weichen, ungebrannten Ausgangszustand dar. Die Keramikfolien
enthalten Glasbestandteile zur Einstellung der gewünschten
Viskositäts-
und Temperatureigenschaften und hochschmelzende Füllmaterialien, wie
z. B. Al2O3-Partikel,
die anteilig so abgestimmt sind, dass thermische Ausdehnungskoeffizienten und
die Dielektrizitätszahl
der jeweiligen Anwendung angepasst werden können. Zudem beeinflusst das Verhältnis aus
Glas zu Füller
die Dichtigkeit der Keramikfolie nach dem Brennvorgang. Ein "Prebake" bei 120°C für 30 Minuten
ist nötig,
um Teile der organischen Binder des keramischen Schlickers auszutreiben.
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Die
Keramikfolien werden in einem nächsten Schritt
auf die gewünschte
Größe geschnitten;
und Orientierungsmarken werden gestanzt.
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Außerdem werden
Kontaktierungslöcher
mit einem Durchmesser von typischerweise etwa 150 μm erzeugt,
beispielsweise durch Laserbohren oder durch einen weiteren Stanzvorgang.
Diese Kontaktierungslöcher
dienen später
zum Durchkontaktieren von elektronischen Bauelementen durch die
Keramikschicht hindurch. Zu diesem Zweck werden die Kontaktierungslöcher, die
auch als "Vias" bezeichnet werden,
mit einer Leiterpaste, die einen hohen Feststoffanteil in Form von
Glaspartikeln (Fritte) enthalten kann, in einem Siebdruckprozess
befüllt.
Dabei ist auf eine komplette Befüllung
der Löcher
ohne Lufteinschluss zu achten. Auf diese Weise werden im Falle des
Sauerstoffsensors aus 1 die Durchkontaktierungen 7, 7', 13 und
die Schlitze 7'' verfüllt.
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Nach
dem Trocknen der Leiterpaste können auf
der Oberseite der Keramikfolie Leiterbahnen im Siebdruckprozess
gedruckt werden.
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Anschließend werden
die Keramikfolien entsprechend den gestanzten Orientierungsmarken
exakt übereinandergestapelt,
so dass die mit Leiterpaste verfüllten
Kontaktierungslöcher
Kontaktbrücken zwischen
Leiterbahnen von übereinander
liegenden Keramikfolien bilden. Der ausgerichtete Keramikfolienstapel
wird dann entweder zwischen zwei beheizten Platten bei 70°C und einem
Druck von ca. 20 MPa für
10 Minuten oder durch einen isostatischen Wärmepressvorgang, bei dem die
Keramikfolien vakuumverpackt in heißem Wasser unter einem Druck von
ca. 35 MPa stehen, laminiert.
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Der
so laminierte Mehrlagenaufbau wird anschließend in einer Präzisionsstanzform
auf Endmaß gebracht.
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Daran
schließt
sich dann der Brennvorgang ("Cofiring") an, welcher sich
in zwei Schritten vollzieht. Er umfasst ein Ausbrennen in einem
Konvektionsofen von ca. 90% der organischen Bestandteile bei einer
Temperatur von ca. 400°C
für etwa
eine Stunde. Typische Temperaturrampen betragen 2 bis 5°C/min. Der
eigentliche Brennvorgang wird bei Temperaturen von ca. 850°C für 10 Minuten
in einem Dickschichtofen ausgeführt.
Die Schrumpfung von gängigen
LTCC-Keramiken beträgt
ca. 12% nach dem Sintervorgang und muss durch sorgfältige Überwachung
der Herstellungsparameter, wie z. B. der Qualität und Zusammensetzung der Rohmaterialien und
der Güte
des Gießprozesses,
als auch der Prozessparameter, wie der Höhe des angelegten Drucks und
der Temperatur während
der Bearbeitungsschritte, reproduzierbar gestaltet sein.
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Über sogenannte
Postfiring-Prozesse können
auf der Glaskeramikoberfläche
weitere Lagen von passiven Bauelementen oder dielektrischen Schichten
in Dickschicht realisiert werden.
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Eine
so hergestellte LTCC-Keramik kann dann als LTCC-Modul eingesetzt
werden.