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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks
in Brennstofftanks, die insbesondere zur Anwendung in Luft- und
Raumfahrzeugen geeignet ist, ein Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks
in Brennstofftanks, sowie die Verwendung einer Vorrichtung zur Bestimmung
des Sauerstoffpartialdrucks in Brennstofftanks.
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Der
Brennstofftank eines Luftfahrzeugs enthält in der Regel flüssigen Brennstoff,
zum Beispiel 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 selbstentzündend,
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 Explosive Limit (UEL) und Lower Explosive
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.
Aufgrund der großen
Flughöhen
und der unterschiedlichen Flughafenstandorte können Druck und Temperatur ganz
extremen Schwankungen unterliegen. UEL und LEL variieren daher ständig.
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In
herkömmlichen
Tanks werden zumeist passive Lösungen
zur Gewährleistung
der Flugsicherheit angeboten, in denen z.B. explosionsunterdrückende Schäume in die
Tanks integriert werden.
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Die
Beobachtung des Mischungsverhältnisses
von Treibstoff zu Luft bzw. Sauerstoff oder die Beobachtung des
Sauerstoffgehalts in Brennstofftanks von Flugzeugen oder Raumfahrzeugen
trägt entscheidend
dazu bei, die Gefahr einer Explosion des Brennstofftanks zu vermeiden
bzw. auszuschließen.
Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, das LEL und/oder das UEL oder
zumindest die Sauerstoffkonzentration in Brennstofftanks laufend
zu messen.
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Im
Stand der Technik sind zur Messung des Sauerstoffgehalts verschiedenartige
Sensoren bekannt, wie z.B. Fluoreszenz-Sensoren, die mit Hilfe einer
optischen Faser arbeiten. Diese Sensoren haben jedoch den Nachteil
einer geringen Langzeitstabilität
in flüssigen
Kohlenwasserstoffen, und sie benötigen
darüber
hinaus zum Betrieb komplexe Algorithmen sowie Reinigungsprozeduren.
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Weiterhin
sind elektrochemische Sensoren bekannt, die jedoch für einen
zuverlässigen
Betrieb hohe Temperaturen erfordern und daher für den Einsatz in Brennstofftanks
ungeeignet sind.
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Die
Druckschrift
GB 2 262
990 A beschreibt einen Explosivstoffdetektor zur Detektion
Nitro-organischer Verbindungen. Dabei werden die Nitro-organischen
Verbindungen mittels eines Laserstrahls ionisiert und anschließend werden
die erzeugten Ionen detektiert. Durch Wahl einer spezifischen Wellenlänge erfolgt
eine selektive Ionisierung der Nitro-organischen Verbindung.
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Die
Druckschrift
DE 692
26 778 T2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Gasnachweis. Dabei wird ein Gas durch Ultraviolettlicht photoionisiert
und es wird ein Strom gemessen, der durch das durch eine Elektrodeneinheit
neutralisierte photoionisierte Gas hervorgerufen wird. Der Strom
wird mit der Menge an ionisierbarem Gas in Beziehung gesetzt.
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Die
Druckschrift
DE 101
31 918 A1 offenbart einen Sensor zur Bestimmung der Energie
von Strahlung eines Typs, der zur Umwandlung von Sauerstoff in Ozon
fähig ist.
Dabei wird sauerstoffhaltiges Gas in eine Messkammer geführt und
einer Strahlung ausgesetzt. Mit einem Ozonsensorelement wird der Ozongehalt
des in der Messkammer befindlichen oder des über den Gasauslass abgeführten Gases gemessen
und aus dem gemessenen Ozongehalt wird die Strahlungsenergie bestimmt.
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Schließlich zeigt
die Druckschrift
WO 03/046422
A1 ein Inertisierungssystem Brennstofftanks von von Fahrzeugen
oder Flugzeugen. Das System enthält
einen Sauerstoffdetektor zur Beobachtung des Sauerstoffpartialdrucks
der Gase in einem Bereich des Brennstofftanks. Dem Tankbereich wird
Inertgas zugeführt
und ein Detektor bestimmt den Sauerstoffgehalt und steuert den Inertgaszufluss so,
dass der Sauerstoffanteil im Falle einer Zündung nicht die Verbrennung
fördert.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie
deren Verwendung ein Verfahren zur Überwachung des Sauerstoffgehalts
in Brennstofftanks anzugeben, das insbesondere für Luft- und Raumfahrzeuge geeignet
ist, und eine erhöhte
Sicherheit, insbesondere im Flugbetrieb, bietet.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks
in Brennstofftanks gemäß Patentanspruch
1, durch die Verwendung gemäß Patentanspruch
11 und durch das Verfahren zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks
in Brennstofftanks gemäß Patentanspruch
12.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks in Brennstofftanks ist
insbesondere für
Brennstofftanks von Luft- und Raumfahrzeugen geeignet und umfasst
eine Messkammer, deren Eintrittsöffnung
mit einer gasdurchlässigen
Membran versehen ist, zur Aufnahme eines Gases in die Messkammer,
eine Gasvorbehandlungseinrichtung zur Erzeugung von Ozon aus dem
Gas innerhalb der Messkammer, eine Detektoreinheit zur Bestimmung
der Konzentration des erzeugten Ozons und eine Auswerteeinheit,
die aus der Ozonkonzentration den Sauerstoffanteil im Gas bestimmt.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung wird
die Sicherheit von Brennstofftanks von Luft- und Raumfahrzeugen
erhöht,
da der Anteil an gelöstem Sauerstoff
in der flüssigen
Phase des Treibstoffs eine potenzielle Gefahrenquelle darstellt,
die das Verhältnis
Treibstoff zu Luft in der Gasphase während des Flugbetriebs wesentlich
beeinflusst. Durch die Erfindung ergibt sich die Möglichkeit
einer Vorwarnung aufgrund integrierter Sensorelemente. Weiterhin kann
eine geschlossene Regelung und/oder Steuerung bzw. Einstellung des
Verhältnisses
von Luft zu Sauerstoff im Brennstofftank erfolgen. Gefahrensituationen
werden vermieden und die Sicherheit im Flugbetrieb wird erhöht.
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Die
erfindungsgemäße Lösung beeinhaltet die
Möglichkeit
einer Anpassung an unterschiedliche Treibstoffzusammensetzungen
und -qualitäten,
sowie eine geringe Querempfindlichkeit in Bezug auf unterschiedliche
gelöste
Komponenten.
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Für die Herstellung
der Vorrichtung bzw. des Sensors können existierende Technologien
eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung ein keramisches Gehäuse haben,
und es kann eine hohe Integrationsdichte hinsichtlich elektrischer Durchführungen,
passiver elektronischer Komponenten usw. erzielt werden, wodurch
sich eine sehr geringe Bauweise ergibt. Durch die Verwendung von
keramischem Material für
das Gehäuse
oder andere Komponenten der Vorrichtung, wie beispielsweise die
Membran, ist die Vorrichtung chemisch inert gegenüber den
umgebenden Kohlenwasserstoffen.
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Als
weitere Vorteile der Erfindung sind die Unempfindlichkeit gegenüber Druck
und Temperatur, eine robuste Bauweise und die Selbsttestfähigkeit
zu nennen. Insbesondere ist das Messprinzip in dem weiten Temperaturbereich
eines Flugprofils anwendbar.
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Vorzugsweise
umfasst die Gasvorbehandlungseinrichtung einen UV-Emitter und besonders bevorzugt
noch zusätzlich
einen Reflektor, um in dem Gas Ozon zu erzeugen. Dadurch ergibt
sich eine besonders effektive Ozonerzeugung, was zu einer erhöhten Messgenauigkeit
führt.
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Es
ist aber auch möglich
und vorteilhaft, dass die Gasvorbehandlungseinrichtung ein Elektrodenpaar
zur Funkenentladung umfasst. Dadurch können sowohl Sauerstoffionen
als auch Ozon in der Messkammer erzeugt werden.
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Eine
weitere vorteilhafte Möglichkeit
besteht darin, einen Mikrowellensender und bevorzugt noch zusätzlich einen
Reflektor als Gasvorbehandlungseinrichtung vorzusehen, so dass sich
eine wirksame und effektive Erzeugung von Sauerstoffionen durch die
Gasvorbehandlungseinrichtung ergibt.
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Vorteilhafterweise
wird in der Messkammer mittels einer geeigneten Einrichtung ein
elektrisches Feld erzeugt, um Sauerstoffionen zur Detektoreinheit hin
zu beschleunigen. Dabei kann beispielsweise eine Trennwand in der
Messkammer vorgesehen sein, die als Elektrodengitter oder Ionentor
ausgestaltet ist und den vorderen Teil der Messkammer mit der Gasvorbehandlungseinrichtung
vom hinteren Teil der Messkammer mit der Detektoreinheit trennt.
Mit Hilfe dieser Elektrode kann ein elektrisches Feld erzeugt werden,
das zur Beschleunigung der Sauerstoffionen dient. Durch diese Maßnahmen
wird ebenfalls eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielt.
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Die
Detektoreinheit umfasst vorzugsweise einen Ozonsensor, beispielsweise
einen Metalloxidgassensor, und gegebenfalls eine Ionendetektoreinheit,
die die Sauerstoffionenkonzentration misst.
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Vorteilhafterweise
ist die Vorrichtung zur Ankopplung an eine Öffnung in der Wandung eines Brennstofftanks
ausgestaltet, so dass durch die Membran hindurch ein Gasaustausch
zwischen dem Innenraum des Brennstofftanks und dem Innenraum der
Messkammer ermöglicht
wird. Dadurch ist eine leichte Integration in Brennstofftanks möglich.
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Weiterhin
wird ein Brennstofftank gezeigt, der insbesondere für Luft-
und Raumfahrzeuge geeignet ist und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur
Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks umfasst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks in Brennstofftanks, das
insbesondere für
die Anwendung in Luft- und Raumfahrzeugen geeignet ist, werden folgende
Schritte durchgeführt:
Aufnehmen einer Gasprobe bzw. eines Gases aus einem Brennstofftank
in eine Messkammer; Erzeugung von Ozon aus dem Gas innerhalb der
Messkammer; Bestimmung der Konzentration des erzeugten Ozons; und
Bestimmung des Sauerstoffanteils in dem Gas aus der Ozonkonzentration.
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Die
Vorteile und Merkmale, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben
sind, gelten auch für
das erfindungsgemäße Verfahren.
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Nachfolgend
wird die Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben,
wobei
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks in einer Schnittansicht schematisch
zeigt; und
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2 einen
Teil eines Brennstofftanks mit den in 1 gezeigten
Vorrichtungen schematisch als Schnittansicht zeigt.
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung 10 zur Bestimmung
des Sauerstoffpartialdrucks umfasst eine Messkammer 11a, 11b,
die von einer geschlossenen Wandung 12 umgeben ist. An
einer Seite der Wandung ist eine Eintrittsöffnung 13 vorgesehen,
die mit einer gasdurchlässigen
Membram 14 versehen ist. Die Membran 14 verschließt die Eintrittsöffnung 13,
so dass Sauerstoff in den Innenraum der Vorrichtung 10,
d.h. in die Messkammer 11a, 11b, gelangen kann.
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Die
bevorzugt Sauerstoff-permeable Membran 14 dient dazu, den
Brennstofftank bzw. Flugzeugtank von dem Messsystem zu trennen und
dennoch den Eintritt eines Gasgemisches bzw. von Sauerstoff in die
Messkammer zu erlauben.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist in der Messkammer eine Trennwand 15 vorgesehen, die
einen vorderen bzw. ersten Teil 11a der Messkammer von
einem hinteren bzw. zweiten Teil 11b der Messkammer trennt.
Gegebenenfalls kann die Vorrichtung 10 jedoch auch ohne
die Trennwand 15 ausgestaltet sein.
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Der
erste Teil 11a der Messkammer 11a, 11b dient
zur Vorbehandlung des eintretenden Gases bzw. Gasgemisches. Dazu
ist eine Gasvorbehandlungseinrichtung 16, 17 vorgesehen.
Die Gasvorbehandlungseinrichtung 16, 17 dient
zur Erzeugung von Ozon und gegebenfalls zur Erzeugung von Sauerstoffionen
in dem ersten Teil 11a der Messkammer. In dem zweiten Teil 11b bzw.
hinteren Teil der Messkammer ist eine Detektoreinheit 18 vorgesehen,
die das erzeugte Ozon und gegebenfalls die erzeugten Sauerstoffionen
detektiert bzw. die Ozonkonzentration und gegebenfalls die Sauerstoffionenkonzentration
misst. Die von der Detektoreinheit 18 erzeugten Signale
werden anschließend
einer Auswerteeinheit 19 zugeführt, in der eine Signalverstärkung und
Signalauswertung erfolgt und dabei aus den Signalen der Detektoreinheit 18 auf
den Sauerstoffanteil im Treibstoff selbst bzw. im Gasraum oberhalb
des Treibstoffs im Brennstofftank schließt.
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Die
Gasvorbehandlungseinrichtung 16, 17 kann unterschiedlich
ausgestaltet sein:
In einer ersten möglichen Ausgestaltung umfasst
die Gasvorbehandlungseinrichtung ein erstes Element 16,
das als UV-Emitter ausgestaltet ist und ein zweites Element 17,
das als Reflektor für
die erzeugten UV-Strahlen dient. Durch den UV-Emitter und den Reflektor wird im Innenraum
der Messkammer 11a aus dem dort befindlichen Gas bzw. Gasgemisch Ozon
erzeugt. Dabei ist das als Reflektor ausgestaltete zweite Element 17 optional
vorgesehen, um eine besonders effektive Ozonerzeugung zu erreichen.
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In
einer zweiten möglichen
Ausgestaltung ist die Gasvorbehandlungseinrichtung 16, 17 ein
Elektrodenpaar, das zur Funkenentladung dient. Durch die Funkenentladung
werden im Betrieb aus dem Gas innerhalb der Messkammer 11a Sauerstoffionen oder
auch Ozon erzeugt.
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In
einer dritten möglichen
Ausgestaltung ist die Gasvorbehandlungseinrichtung 16, 17 als
Mikrowellensender und gegenüberliegender
Reflektor ausgestaltet, um aus dem Gas bzw. Gasgemisch innerhalb
der Messkammer 11a Sauerstoffionen zu erzeugen. D.h., dass
das Gas durch Mikrowellen ionisiert wird. Dabei ist der Reflektor
optional vorgesehen, um eine noch wirksamere Ionisierung zu ermöglichen.
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Für den Fall,
dass die Gasvorbehandlungseinrichtung 16, 17 zur
Erzeugung von Sauerstoffionen ausgestaltet ist, befinden sich in
der Messkammer 11a, 11b Mittel zur Erzeugung eines
elektrischen Feldes E, um die Sauerstoffionen zur Detektoreinheit 18 hin
zu beschleunigen. Im vorliegenden Beispiel ist die Trennwand 15 als
Elektrodengitter oder Ionentor ausgestaltet bzw. bildet eine Elektrode
zur Erzeugung des elektrischen Feldes zur Beschleunigung der Sauerstoffionen.
Die Sauerstoffionen gelangen dadurch zu der als Ionendetektoreinheit
ausgestalteten Detektoreinheit 18, die die Sauerstoffionenkonzentration
misst.
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Da
die Gasvorbehandlungseinrichtung 16, 17 zur Erzeugung
von Ozon ausgestaltet ist, wird die Detektoreinheit 18 vorzugsweise
einen Ozonsensor gebildet. Der Ozonsensor ist beispielsweise ein
Metalloxidgassensor, mit dem über
eine Messung des elektrischen Widerstands auf die Ozonmenge bzw. Ozonkonzentration
geschlossen werden kann.
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Zur
Bestimmung der Sauerstoffionenkonzentration wird der Ionenstrom
gemessen, beispielsweise zwischen der Membran 14 und der
Detektoreinheit 18.
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Bei
der Messung erfolgt vorteilhafterweise eine periodische Anregung
der Gasvorbehandlungseinrichtung 16, 17, so dass
in den Phasen der Messung, in denen keine Sauerstoffionen oder kein
Ozon erzeugt wird, ein Ausgleich der Gase über die Membran 14 durch
Diffusion erfolgen kann.
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Die
Vorrichtung 10 kann zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks
in gasförmigen
und flüssigen Medien
verwendet werden. Bei Anwendungen im oder am Flugzeugtank kann die
Vorrichtung 10 sowohl im Bereich des flüssigen Treibstoffvorrats als auch
im Gasraum oberhalb des Treibstoffs angebracht werden. Aus den gemessenen
Sensorsignalen wird auf den Sauerstoffgehalt und auf das Gefahrenpotenzial
zurückgeschlossen,
indem das Verhältnis
zwischen Luft bzw. Sauerstoff und Treibstoff überwacht wird. Je nach der
Größe und der
unterschiedlichen geometrischen und räumlichen Verhältnisse von
Flugzeugtanks können
zusätzliche
Sensoren bzw. Vorrichtungen 10 zur Erfassung lokaler Unterschiede
vorgesehen sein.
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2 zeigt
schematisch ein Beispiel eines Brennstofftanks 100, an
dessen Wandung 2 erfindungsgemäße Vorrichtungen 10 bzw.
Sauerstoffpartialdrucksensoren angeordnet sind. Zur besseren Darstellung
sind die beiden Sauerstoffpartialdrucksensoren stark vergrößert dargestellt,
was durch die in 2 gezeigte Lupe verdeutlicht
wird, die jedoch nicht zur vorliegenden Erfindung gehört. Der
Brennstofftank 100, von dem nur ein kleiner Teil schematisch
gezeigt ist, ist in dem hier gezeigten Beispiel teilweise mit Brennstoff
bzw. Treibstoff 70 gefüllt,
der sich in einem unteren Bereich des Brennstofftanks 100 befindet.
Oberhalb des flüssigen
Treibstoffs 70 befindet sich im Brennstofftank 100 eine
Gasphase 80, die durch eine Mischung aus Luft bzw. Sauerstoff und
Treibstoff gebildet wird.
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An
der Wandung 2 des Brennstofftanks 100 sind im
vorliegenden Fall zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen 10 zur
Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks angeordnet. Dabei befindet
sich eine der Vorrichtungen 10 im unteren Bereich der Wandung 2 bzw.
am unteren Teil des Brennstofftanks 100, so dass sich auf
einer Seite der Membran 14 der Vorrichtung 10 der
Treibstoff 70 befindet. Durch die Membran 14,
die Sauerstoff-permeabel ist, wird der Treibstoff 70 im
Brennstofftank 100 zurückgehalten und
kann nicht in die Messkammer 11a, 11b der Vorrich tung 10 gelangen.
Lediglich der im Brennstoff bzw. Treibstoff 70 enthaltene
Sauerstoff diffundiert durch die Membran 14 hindurch in
die Messkammer 11a, 11b, d.h. es findet ein Gasaustausch
zwischen der Messkammer 11a, 11b und dem Treibstoff 70 statt.
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Eine
weitere Vorrichtung 10 ist am oberen Bereich des Brennstofftanks 100 in
dessen Wandung 2 angeordnet, so dass die Membran 14 dieser
oben angeordneten Vorrichtung 10 mit der Gasphase, die im
Brennstofftank 100 oberhalb des flüssigen Treibstoffs 70 vorhanden
ist, beaufschlagt wird. Dadurch findet ein Gasaustausch durch die
Membran 14 hindurch statt.
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Bei
dem hier gezeigten Brennstofftank wird mit der Vorrichtung 10 der
Sauerstoffpartialdruck sowohl im flüssigen Treibstoff als auch
in der darüber befindlichen
Gasphase gemessen. Die Anzahl der Vorrichtungen 10 und
die jeweilige Anbringung am Brennstofftank 100 ist weitgehend
frei wählbar
und erfolgt nach den jeweiligen Erfordernissen.
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Die
in 2 gezeigten, an dem Brennstofftank 100 angeschlossenen
Vorrichtungen 10 bzw. Sauerstoffpartialdruck-Sensoren sind,
wie oben unter Bezugnahme auf 1 beschrieben,
ausgestaltet.
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Bei
der Messung wird Gas entweder aus der flüssigen Phase oder aus der Gasphase
des Brennstofftanks 100 in die Messkammer 11a, 11b geführt und
innerhalb der Messkammer werden aus dem Gas Ozon und gegebenfalls
Sauerstoffionen erzeugt. Anschließend wird die Konzentration
des erzeugten Ozons und gegebenfalls der erzeugten Sauerstoffionen
gemessen und daraus der Sauerstoffanteil in dem Gas bzw. im Treibstoff 70 bestimmt.
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Der
Aufbau des gezeigten Sauerstoffpartialdruck-Sensors bzw. der Vorrichtung 10 erfolgt
durch Mikrotechnologie und wird insbesondere durch Keramiken realisiert.
Besonders geeignet sind sogenannte LTCC-Keramiken (Low Temperature
Co-Fired Ceramics).
Dadurch wird eine weitgehende Miniaturisierung, hohe Zuverlässigkeit
und eine kostengünstige Herstellung
erreicht.
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Durch
Vergleich beider Sensorcharakteristika, d.h. des Sensors an der
Gasphase und des Sensors im Bereich der Flüssigkeit, mit Ergebnissen bei bekannten
Explosionsgrenzwerten LEL und UEL gemäß dem jeweiligen Flugprofil,
kann eine bestehende Explosionsgefahr schnell und rechtzeitig erkannt werden,
so dass effektive Maßnahmen
zur Explosionsvermeidung rechtzeitig eingeleitet werden können. Beispielsweise
kann bei Erkennen einer Explosionsgefahr durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein
Aktuator angesteuert werden, der dem Tank bzw. Brennstofftank 100 Inertgas
zuführt.