DE102005010977A1 - Supraleitende Füllstandsmesseinrichtung für Flüssigwasserstoff - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Füllstandsmesseinrichtung für Flüssigwasserstoff in Flüssigwasserstoffbehältern, insbesondere Kraftfahrzeugtanks, wobei in einem Tank (6) vertikal oder gegenüber der Senkrechten geneigt der Supraleiter (1) auf Basis von Magnesiumdiborid MgB2 auf einem elektrisch leitenden Stabilisator (7) angeordnet ist und dass am oberen Bereich des Supraleiters (1) eine steuerbare Wärmequelle (2) angeordnet ist, wobei der Supraleiter (1) und der Stabilisator (7) mittels einer Vierleiter-Verdrahtung mit einer Konstantstromquelle (3) sowie einer Spannungsmesseinrichtung (4) elektrisch kontaktiert ist und dass die Füllstandsmessung als Spannungsmessung ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine supraleitende Füllstandsmesseinrichtung für Flüssigwasserstoff, welche in den verschiedenen Anwendungsfällen der Lagerung, Erzeugung und dem Verbrauch von Flüssigwasserstoff einsetzbar ist.
  • Zur Füllstandsmessung von kryogenen Flüssigkeiten in Behältern sind ganz allgemein diverse Verfahren und Vorrichtungen konzeptionell verschiedenster Art im Stand der Technik bekannt.
  • Aus der DE 102 58 235 A1 ist eine Füllstandsmesseinrichtung für einen Flüssiggasfahrzeugtank, insbesondere einen Flüssigwasserstoff-Fahrzeugtank bekannt, welche über einen an der Aufhängung des Innentanks angeordneten Dehnungsmessstreifen und einen außerhalb des Fahrzeugtanks angeordneten und über eine Leitung mit dem Fahrzeugtank verbundenen Drucksensor verfügt, wobei der Dehnungsmessstreifen und der Drucksensor über jeweils eine Leitung mit einem Bordcomputer verbunden sind. Danach kann indirekt über das ermittelte Gesamtgewicht des Innentanks und den zugehörigen Druck rechnerisch auf den Füllstand zurückgeschlossen werden. Hierzu ist eine geeignete Software und eine Kalibrierung des Systems erforderlich.
  • Dieser Methode haftet weiter der Nachteil an, dass die Nebeneffekte insbesondere auf die Gewichtsmessung so groß sind, dass eine verlässliche Bestimmung des Füllstandes nicht möglich ist. Die entstehenden Ungenauigkeiten beispielsweise durch die sich ständig ändernde Beschleunigung beim Fahren führen zu Störgrößen, die eine zuverlässige Bestimmung des Füllstandes unmöglich machen.
  • Weiterhin sind im Stand der Technik die Anwendung von Sonden auf der Basis diskreter Sensoren bekannt, bei welchen für die einzelnen Sensoren das Vorliegen gasförmiger bzw. flüssiger Phase festgestellt werden kann. Inhärenter Nachteil ist hier die Beschränkung auf diskrete Messpunkte, d.h. die Füllstandshöhe ist zwangsläufig nicht kontinuierlich mitzuverfolgen. Aus der i.a. großen Zahl von benötigten Einzelsensoren resultieren ein hoher Aufwand und eine komplexe Ansteuerung erforderlich, so dass diese Methode nur in wenigen Fällen vorteilhaft anzuwenden ist.
  • Derzeit verbreitet und technisch umgesetzt ist das Prinzip der kapazitiven Niveausonde. Nachteilig hier sind die erhebliche Baugröße und das grosse Gewicht der Sonden, weiterhin die hohen Anforderungen an Fertigungstoleranzen und Maßhaltigkeit bei der Herstellung und dem späteren Betrieb. Es muss mit relativ geringen Signalpegeln im pF-Bereich gearbeitet werden, wodurch das Verfahren apparativ aufwändig und störanfällig wird. Weiterhin kann der eigentlich zu ermittelnde Füllstand nur indirekt aus gemessener Kapazität und anderen Parametern wie Druck und Temperatur errechnet werden, es gibt zahlreiche Störeinflüsse, welche die Auswertung aufwändig und ungenau machen. Bei der derzeitigen Verwendung dieser Methode im Fahrzeugbereich sind die genannten Schwierigkeiten eine erheblicher Einschränkung.
  • Aus dem Stand der Technik sind Füllstandsmesseinrichtungen für andere kryogene Flüssigkeiten, insbesondere für flüssiges Helium bekannt, welche auf dem Einsatz eines supraleitenden Materials basieren. Ausgenutzt wird hier der unterschiedliche Wärmeübergang in der Gasphase einerseits und der Flüssigphase andererseits. Das supraleitende Material wird hier i.a. in Form einer langgestreckten Leiterbahn in im Wesentlichen vertikaler Ausrichtung ausgeführt. Die Sprungtemperatur muss dabei geringfügig oberhalb der jeweiligen Siedetemperatur des zu messenden kryogenen Fluids liegen. Die Methode beruht darauf, dass durch gezielte Wärmezufuhr das supraleitende Material in der Gasphase oberhalb der Sprungtemperatur, d.h. im normalleitenden Zustand gehalten wird. Der in der Flüssigphase befindliche Teil des Supraleiters verbleibt aufgrund der besseren Kühlung im supraleitenden Zustand. Über die Messung des elektrischen Widerstands kann auf die Lage des Flüssigkeitsniveaus geschlossen werden. In DE 26 15 407 und US 3,943,767 sind z.B. derartige supraleitende Füllstandssonden beschrieben.
  • Weiterhin ist aus der WO 91/08449 ein Füllstandsdetektor für kryogene Flüssigkeiten bekannt, bei welchem die Detektierung der Flüssigkeitsstandes unter Ausnutzung des Supraleitungseffektes mit einem Supraleiter aus der Gruppe der Hochtemperatursupraleiter erfolgt. Ein Supraleitungsfilm ist unter Zwischenlage eines Substrates, z.B. eines Yttrium-stabilisierten ZrO2-Substrats, auf einem Träger aufgebracht. In einer Detektionsschaltung werden die elektrischen Widerstandsänderungen im Supraleitungsmaterial durch eine Niederfrequenz-Sampling-Methode erfasst und aufbereitet, wobei eine Impulsgetaktete Aufschaltung eines Messstromes durch die supraleitende Schicht vorgenommen wird und zwischen den Messtakten Eichtakte für die Messschaltung vorgesehen sind.
  • Allerdings sind die bekannten Füllstandsmessvorrichtungen dieses Prinzips nicht für flüssigen Wasserstoff einsetzbar. Dies liegt an den stofflichen Eigenschaften des flüssigen Wasserstoffs, welche einen Einsatz dieser Methode bislang verhinderten.
    •
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Füllstandsmesseinrichtung für flüssigen Wasserstoff zur Verfügung zu stellen, die eine einfache und zuverlässige Messung in einem Flüssigwasserstoff-Vorratstank und insbesondere für den Einsatz in Flüssigwasserstoff-Vorratstanks für Kraftfahrzeuge ermöglicht.
    •
  • Die Aufgabe wird konzeptionsgemäß durch eine supraleitende Füllstandsmesseinrichtung für Flüssigwasserstoff gelöst, welche auf dem Einsatz von Magnesiumdiborid (MgB2) als supraleitendem Material beruht. Dieses weist eine für die Verwendung in Flüssigwasserstofftanks günstige Sprungtemperatur auf. Eine Ausgestaltung der Erfindung wird in 1 dargestellt und nachfolgend beschrieben.
  • Die Aufgabe wird insbesondere durch eine Füllstandsmesseinrichtung für Flüssigwasserstoff in Flüssigwasserstoffbehältern, insbesondere Kraftfahrzeugtanks gelöst, wobei in einem Tank 6 vertikal oder gegenüber der Senkrechten geneigt ein Supraleiter 1 auf Basis von Magnesiumdiborid MgB2 auf einem elektrisch leitenden Stabilisator 7 angeordnet ist und dass am oberen Bereich des Supraleiters 1 eine steuerbare Wärmequelle 2 angeordnet ist, wobei der Supraleiter 1 und der Stabilisator 7 mittels einer Vierleiter-Verdrahtung mit einer Konstantstromquelle 3 sowie einer Spannungsmesseinrichtung 4 elektrisch kontaktiert ist und dass die Füllstandsmessung als Spannungsmessung ausgebildet ist.
  • Der Supraleiter 1 ist aus Magnesiumdiborid MgB2 als Filamentdraht ausgebildet und der Stabilisator 7 zur mechanischen Stabilisierung des Supraleiters 1 wird bevorzugt als Hülle ausgebildet, wobei der Supraleiter 1 in der Hülle angeordnet ist.
  • Alternativ wird der Stabilisator 7 als Träger ausgebildet und der Supraleiter 1 aus Magnesiumdiborid MgB2 ist zur mechanischen Stabilisierung auf dem Träger aufgebracht.
  • Die Hülle oder der Träger sind vorteilhaft aus reinem CrNi-Stahl ausgebildet.
  • Die Wärmequelle 2 ist als resistive elektrische Heizung in der Form eines Konstantandrahtes oder einer Heizfolie ausgebildet.
  • Das Verfahren zur Füllstandsmessung in Flüssigwasserstoffbehältern mittels einer Vorrichtung weist folgende Schritte auf:
    A Einschwingphase mit Erzeugen eines normalleitenden Bereichs des Supraleiters 1 der innerhalb der Gasphase des Behälters 6 liegt durch
    A1 Aufheizen des Supraleiters 1 über seine Sprungtemperatur mittels der Wärmequelle 2 sowie
    A2 Erzeugen eines Stromflusses durch den Supraleiter 1 mittels der Konstantstromquelle 3,
    B Messphase nach Erreichen eines konstanten Widerstandswertes Bestimmung der Position des Flüssigkeitsniveaus durch
    B1 Widerstandsmessung und
    B2 Korrelation des Widerstandes mit dem Flüssigkeitsniveau.
  • Die Widerstandsmessung erfolgt bevorzugt bei Stromstärken von 0,1 Ampere bis 1 Ampere und Spannungen im Bereich von 0 Volt bis 20 Volt.
  • Das Verfahren wird weiterhin dadurch vorteilhaft ausgebildet, dass nachdem der normalleitende Bereich des Supraleiters 1 die Phasengrenze gasförmigflüssig in der Messphase erreicht hat ein kontinuierlicher geringerer Messstrom durch den Supraleiter 1 als in Verfahrensschritt A2 fließt.
  • Alternativ oder zusätzlich wird die Wärmequelle 2 abgeschaltet.
  • Das Verfahren erfährt eine vorteilhafte Ausgestaltung dadurch, dass nachdem der normalleitende Bereich des Supraleiters 1 die Phasengrenze gasförmigflüssig in der Messphase erreicht hat der Supraleiter 1 stromlos geschaltet wird und intermittierend ale 102 Sekunden bis 104 Sekunden eine neue Messung gestartet und der Messwert aktualisiert wird.
  • Eine weitere Verbesserung des Verfahrens ergibt sich dadurch, dass
    • a) das Ansteigen des elektrischen Widerstands über dem Supraleiter 1 ab der Initialisierung des Messvorgangs von einer Auswerteelektronik mitverfolgt wird, wobei während der Propagationsphase ein rasches, relativ stetiges Anwachsen des elektrischen Widerstandes zu registrieren ist und dass
    • b) nach Feststellung eines annähernd konstanten Widerstandswertes über eine Reihe von zeitlich aufeinander folgenden Messpunkten wegen des Erreichens des Füllstands
    • c) der Supraleiter 1 und die Wärmequelle 2 stromlos geschaltet werden.
  • Magnesiumdiborid wird hierbei vorzugsweise als Filamentdraht ausgebildet, welcher im Wesentlichen vertikal innerhalb des Flüssigwasserstofftanks angeordnet ist. Der Bereich dieses Filamentdrahtes stellt die aktive Länge des jeweiligen Sensors dar. Im oberen Bereich des MgB2
    • – Filamentdrahtes, welcher als Initialzone dient, wird eine zuschaltbare Wärmequelle angeordnet (z.B. eine resistive elektrische Heizung). Zur Durchführung der Messung wird ein geeigneter Strom durch den MgB2-Filamentdraht geleitet, außerdem wird die Initialheizung aktiviert. Das zunächst auch in der Gasphase noch supraleitende Material wird zunächst im Bereich der Initialheizung auf eine Temperatur oberhalb seiner Sprungtemperatur erwärmt. Es wird hiermit normalleitend, der Stromfluss bewirkt aufgrund des resistiven Widerstands im jeweiligen Abschnitt des MgB2-Filamentdrahtes eine weitere Erwärmung. Diese resistive Wärmeentwicklung im MgB2-Filamentdraht und die der Erwärmung entgegenwirkende Kühlung durch das umgebende Kaltgas bzw. die umgebende Flüssigkeit müssen einander angepasst sein. Bei entsprechenden Verhältnissen propagiert die normalleitende Zone innerhalb der Gasphase entlang der Längsausdehnung des MgB2-Filamentdrahtes über den Bereich der Initialheizung hinaus weiter, bis die Flüssigkeitsoberfläche erreicht ist. Durch die hier intensivere Kühlung wird die weitere Ausbreitung der normalleitenden Zone gestoppt. Der Übergang von normalleitendem zu supraleitendem Zustand innerhalb des MgB2-Drahts kann sogar bei nunmehr reduziertem elektrischem Strom im Bereich des Phasenübergangs gasförmig/flüssig gehalten werden.
    • – Der MgB2-Draht ist elektrisch über eine sogenannte Vierleiter-Verdrahtung angeschlossen. An beiden Enden des Drahtes sind je zwei konventionelle elektrische Leiter angeschlossen, mit welchen die Kontaktierung mit der außerhalb des Tanks angeordneten Stromversorgungs- und Auswerteeinheit bewerkstelligt ist. Über zwei dieser Zuleitungen wird der gewünschte elektrische Strom durch den MgB2-Draht geführt, während mittels anderer Stromzuführungen der Spannungsabfall und damit der elektrische Widerstand des MgB2-Drahts gemessen werden kann. Vorteil dieser Schaltung ist im Wesentlichen, störende Einflüsse der Zuleitungen ausschalten zu können. Nach bevorzugter Ausgestaltung wird die oben erwähnte resistive Initialheizung ebenfalls durch die genannten Zuleitungen versorgt, um die Notwendigkeit weiterer Stromzuführungen zu vermeiden.
    • – MgB2 als reines Material ist verhältnismäßig spröd und aufgrund dessen nicht zur Ausbildung eines hierfür geeigneten Filamentdrahts geeignet. Bevorzugte wird daher die Verwendung eines Trägermaterials. In Frage kommen Chromnickelstahl, Eisen oder andere Metalle und Legierungen. Ein mögliche Ausformung stellt das Ziehen eines Rohres aus Chromnickelstahl und/oder Eisen mit einem Kern aus MgB2 dar, wie in folgender Veröffentlichung beschrieben: W. Goldacker, S. Schlachter et al., Development and performance of thin steel reinforced MgB2 wires ..., Supercond. Sci. Technol. 17 (2004), S363–368. Der so aufgebaute MgB2-Draht wird dabei vorzugsweise als dünner Filamentdraht verwendet.
  • Ein Problem hierbei ist, dass diese sogenannte mechanisch und elektrische Stabilisierung einen hier unerwünschten Shunt-Widerstand darstellt. Im Gegensatz zu supraleitenden Sonden für Flüssighelium, bei denen z.B. mit reinen NbTi-Filamenten ohne weiter Stabilisierung gearbeitet werden kann, verkomplizieren sich hierdurch Auswertung um Messung. Im Bereich der flüssigen Phase des Wasserstoffs, bei dem das MgB2 in supraleitendem Zustand vorliegt, spielt dieser Shunt-Widerstand keine Rolle. Im Bereich der Gasphase, in dem später das MgB2-Material in normalleitendem Zustand vorliegen soll, muss der Einfluss dieses zumeist zusätzlich leicht temperaturabhängigen Shuntwiderstands mit beachtet werden.
  • Es wurde gefunden, dass MgB2-Filamentdrähte wie oben beschrieben trotz Vorliegen eines Shunt-Widerstands aufgrund der Stabilisierung sich hervorragend zum Einsatz in den oben beschriebenen supraleitenden Flüssigwasserstoff-Füllstandssonden eignen. Vorteilhafterweise wird mit einer vergleichsweise dünnen Stabilisierung gearbeitet, um den Anteil des Shunt-Widerstands relativ gering zu halten. Aus Korrosions- und Herstellgründen sowie in Anbetracht des Temperaturverlaufs des elektrischen Restwiderstands bei tiefen Temperaturen wird vorteilhaft mit einer Stabilisierungshülle aus reinem CrNi-Stahl gearbeitet.
  • MgB2 als reines Material ist empfindlich gegen Umgebungseinflüsse, es ist hygroskopisch und degradiert z.B. an feuchter Umgebungsluft. Ein weiterer Vorteil des Stabilisierungs-Mantels besteht darin, dass das inliegende MgB2 sehr gut vor hierdurch bedingter Degradation geschützt ist. Zusätzlich dient die Stabilisierung auch dem Schutz des MgB2-Materials gegen thermische Schädigung (Durchbrennen) bei Anliegen übergroßer Ströme.
  • Das Verfahren wie beschrieben stellt vergleichsweise geringe Ansprüche an qualität und Ausformung des MgB2-Supraleiters. Beim Einsatz für Flüssigwasserstoff im Bereich zwischen 1 und 7 bar absolut herrschen entsprechend des Verlaufs der Dampfdruckkurve Temperaturen zwischen 20 K und 29 K. Die berichteten Sprungtemperaturen von MgB2 liegen bei 39 bis 40 K, bei Vorliegen von Verunreinigungen, Dotierstoffen oder Störungen oft auch einige Grade tiefer. Messwerte für die Sprungtemperatur in konfektionierten MgB2-Filamentdrähten wie oben beschrieben liegen im Bereich 32 bis 38K. Für das hier beschriebene Messverfahren ist eine Sprungtemperatur knapp oberhalb der LH2-Siedetemperatur günstig, um mit geringen Heizleistungen und Wärmeeinträgen arbeiten zu können. Der Unterschied hinsichtlich der genannten Siedetemperaturen und vorliegenden Sprungtemperaturen erweist sich als außerordentlich günstig für das beabsichtigte Verfahren.
  • Das Verfahren ist nicht an eine bestimmte Ausformung des MgB2-Supraleiters gebunden. Beispielsweise könnte auch mit anderen umgebenden Stabilisierungsmaterialien, mit einem MgB2-Film auf einem geeigneten Trägermaterial oder mit einer MgB2-Schicht auf einem Metallkern oder einem anderweitigen Träger, oder auch mit massivem MgB2-Bulkmaterial gearbeitet werden, sofern mechanische und chemische Stabilität hinreichend gewährleistet wären. Zu beachten ist in jedem Falle das Verhältnis von wärmeabführender Oberfläche und von normalleitendem Widerstand inkl. eventueller Shuntwiderstände.
  • Nach der Konzeption der Erfindung wird die Füllstandsmessung mit Hilfe eines solchen MgB2-Filamentdrahtes geeigneten Durchmessers und Stabilisierungsanteils (Gesamtdurchmesser größenordnungsmäßig 0,1 mm) aufgebaut. Dieser Draht wird mittels geeigneten Befestigung in vertikaler Ausrichtung gehalten, etwa mittels einer mechanischen Feder innerhalb eines Hüllrohrs bis auf die elektrische Kontaktierung an beiden Enden berührungsfrei gespannt gehalten. Der normalleitende Mantel sorgt hierbei für ausreichende Festigkeit. Mit Einschalten des elektrischen Stromes und Aktivieren der Initialheizung wird das Propagieren der normalleitenden Zone gestartet, der zu messende Gesamtwiderstand über die gesamte MgB2-Filamentdrahtlänge steigt an, bis innerhalb typischerweise 100 bis 102 sec. die Flüssigkeitsoberfläche erreicht wird. Sobald auf diese Weise ein konstanter Widerstandswert erreicht ist, kann mittels einfacher Widerstandsmessung der normalleitende Anteil des MgB2-Filaments und damit die Position des Flüssigkeitsniveaus bestimmt werden. Bei typischen Arbeitsstromstärken im Bereich 0.1 bis 1A und Spannungen im Bereich 0 bis 20V kann der Restwiderstand über das MgB2-Filament problemlos mit hinreichender Genauigkeit bestimmt und mittels bekannter Materialparameter (spez. elektr. Widerstand, Dimensionierung) oder nach Massgabe separater Kalibriermessungen direkt in eine Füllstandshöhe umgerechnet werden.
  • Im Gegensatz zu anderen Methoden wie Wägung oder kapazitive Messungen ist der genutzte physikalische Effekt hierbei direkt mit der gesuchten Position der Phasengrenze gekoppelt, es ist kein indirektes, ggf. zusätzlich fehlerbehaftetes Rückrechnen auf den Flüssiganteil erforderlich.
  • Es sind verschiedene Messmodi denkbar, welche über die elektrische Ansteuerung eingestellt werden können:
    Anlegen eines konstanten Messtroms: nach Erreichen der Phasengrenze kann zeitlich kontinuierlich der Messwert erfasst und daraus die Lage des Flüssigniveaus bestimmt werden. Wie gefunden wurde, folgt dabei der Übergang zwischen supraleitender und normalleitender Zone sogar einer eventuell veränderlichen Füllstandshöhe. Ab- oder Zunahme des Flüssigniveaus im Bereich von einigen cm pro Sekunde können problemlos mitverfolgt werden. Auch das Vorliegen von Wellenbewegungen bis zu Frequenzen von einigen Hz oder „Schwappen" etwa innerhalb eines Tanks lässt sich mit der so aufgebauten Sonde detektieren.
  • Mit dem Messmodus und dem damit verbundenen Stromfluss ist ein geringfügiger Wärmeeintrag in das tiefkalte System verbunden, der je nach Füllstand und Einstellparametern ca. 1 bis 10 W beträgt. Will man diesen verringern, kann
    • a) nach Erreichen des Flüssigniveaus auf einen Beharrungszustand bei geringerem Stromfluss umgeschaltet werden,
    • b) im Beharrungszustand gegebenenfalls die elektrische Initialheizung abgeschaltet werden, welche sonst für einen beträchtlichen Anteil des Gesamtwärmeeintrags verantwortlich ist,
    • c) insbesondere bei langsam veränderlichem Füllstand (z.B. PKW geparkt oder normaler Fahrbetrieb) nach erfolgter Messung der Messwert gespeichert und die Sonde wieder stromlos geschaltet werden, wobei in angemessenen Intervallen, beispielsweise alle 102 bis 104 Sekunden würde eine neue Messung gestartet und der Messwert aktualisiert. Dies entspricht dem auch bei herkömmlichen supraleitenden Sonden im Flüssigheliumbereich standardmäßig praktizierten Verfahren.
    • d) Optimierung der Messdauer: Die Durchführung der jeweiligen Einzelmessungen erfolgt nach dem Stand der Technik nach einem zeitgesteuerten Verfahren. Vor Einleitung der Widerstandsmessung wird hierbei hinreichend lange ein entsprechender Stromfluss angelegt, um sicher zu sein, dass die normalleitende Zone vollständig bis zum Flüssigniveau propagiert ist. Die voreingestellte Zeitdauer muss sich hierbei am ungünstigsten Fall orientieren, wie geringster Füllstand und geringste Propagationsgeschwindigkeit. Zur Verbesserung wird hier folgendes Verfahren vorgeschlagen: das Ansteigen des elektrischen Widerstands über den MgB2-Filamentdraht wird ab Initialisierung des Messvorgangs von der Auswerteelektronik mitverfolgt. Während der Propagationsphase ist ein rasches, relativ stetiges Anwachsen des elektrischen Widerstandes zu registrieren, welches nach Erreichen des jeweiligen Füllstands sehr schnell auf einen annähernd konstanten Widerstandswert übergeht. Es wird vorgeschlagen, durch eine geeignete Auswerteelektronik den Verlauf des Widerstands mitzuverfolgen. Ändert sich der Widerstand nur noch geringfügig, etwa im Bereich einiger Prozent über eine Reihe von zeitlich aufeinander folgenden Messpunkten, wird dieser Messwert übernommen und die Sonde wieder stromlos geschaltet. Auf diese Weise wird erreicht, dass jede Einzelmessung, insbesondere bei hohen Füllständen, mit einer wesentlich geringeren Wärmeentwicklung verbunden ist.
  • Wie gefunden wurde, weist eine solchermaßen aufgebaute Flüssigwasserstoff-Füllstandssonde überdies eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften auf:
    • – hohe Auflösung und Messgenauigkeit (typ. 0,1 ... 1 mm)
    • – hohe Reproduzierbarkeit (typ. 0,1 ... 1 mm)
    • – kontinuierliche (nicht-diskrete) Niveaubestimmung
  • Auch ergeben sich diverse Vorteile gerade für die Einsetzbarkeit als Füllstandsmesseinrichtung in der Fahrzeuganwendung.
  • Die Überlegenheit gegenüber den bisher zur Verfügung stehenden Verfahren und Sondenaufbauten ergibt sich hinsichtlich folgender Charakteristika:
    • – keine bewegten Teile,
    • – geringe Sondenmasse, sehr kleine „Kalte Masse",
    • – geringe Sondenbaugrösse,
    • – geringer Materialeinsatz bei gleichzeitig geringen Materialpreisen,
    • – geringer Aufwand bei der Signalaufbereitung,
    • – elekrische Ströme und Spannungen in gut handhabbarem Bereich (Größenordnungen 0,1A, 1 bis 10V, d.h. relativ unempfindlich gegen Rauschen und Störgrößen, anspruchslose Ansteuerschaltungen)
    • – direkte Messung der interessierenden Größe (hier Höhe Phasengrenze flüssiggasförmig)
    • – moderater Wärmeeintrag in den tiefkalten Bereich, je nach Einsatzfall über weite Bereiche variierbar
    • – extrem hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit.
    • 1
    Supraleiter
    2
    steuerbare Wärmequelle, resistive Initialheizung
    3
    Konstantstromquelle
    4
    Spannungsmessung
    5
    elektrische Anschlüsse
    6
    Tank
    7
    Stabilisator

Claims (11)

  1. Supraleitende Füllstandsmesseinrichtung für Flüssigwasserstoff in Flüssigwasserstoffbehältern, insbesondere Kraftfahrzeugtanks, wobei in einem Tank (6) vertikal oder gegenüber der Senkrechten geneigt ein Supraleiter (1) auf Basis von Magnesiumdiborid MgB2 auf einem elektrisch leitenden Stabilisator (7) angeordnet ist und dass am oberen Bereich des Supraleiters (1) eine steuerbare Wärmequelle (2) angeordnet ist, wobei der Supraleiter (1) und der Stabilisator (7) mittels einer Vierleiter-Verdrahtung mit einer Konstantstromquelle (3) sowie einer Spannungsmesseinrichtung (4) elektrisch kontaktiert ist und dass die Füllstandsmessung als Spannungsmessung ausgebildet ist.
  2. Füllstandsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Supraleiter (1) aus Magnesiumdiborid MgB2 als Filamentdraht ausgebildet ist und dass der Stabilisator (7) zur mechanischen Stabilisierung des Supraleiters (1) als Hülle ausgebildet ist, wobei der Supraleiter (1) in der Hülle angeordnet ist.
  3. Füllstandsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisator (7) als Träger ausgebildet ist und dass der Supraleiter (1) aus Magnesiumdiborid MgB2 zur mechanischen Stabilisierung auf dem Träger aufgebracht ist.
  4. Füllstandsmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle oder der Träger aus reinem CrNi-Stahl ausgebildet sind.
  5. Füllstandsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (2) als resistive elektrische Heizung ausgebildet in der Form eines Konstantandrahtes oder einer Heizfolie ausgebildet ist.
  6. Verfahren zur Füllstandsmessung in Flüssigwasserstoffbehältern mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend folgende Schritte: A Einschwingphase mit Erzeugen eines normalleitenden Bereichs des Supraleiters (1) der innerhalb der Gasphase des Behälters (6) liegt durch A1 Aufheizen des Supraleiters (1) über seine Sprungtemperatur mittels der Wärmequelle (2) sowie A2 Erzeugen eines Stromflusses durch den Supraleiter (1) mittels der Konstantstromquelle (3), B Messphase nach Erreichen eines konstanten Widerstandswertes Bestimmung der Position des Flüssigkeitsniveaus durch B1 Widerstandsmessung und B2 Korrelation des Widerstandes mit dem Flüssigkeitsniveau.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessung bei Stromstärken von 0,1 Ampere bis 1 Ampere und Spannungen im Bereich von 0 Volt bis 20 Volt erfolgen.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem der normalleitende Bereich des Supraleiters (1) die Phasengrenze gasförmig-flüssig in der Messphase erreicht hat kontinuierlicher ein geringerer Messstrom durch den Supraleiter (1) als in Verfahrensschritt A2 fließt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem der normalleitende Bereich des Supraleiters (1) die Phasengrenze gasförmig-flüssig in der Messphase erreicht hat die Wärmequelle (2) abgeschaltet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem der normalleitende Bereich des Supraleiters (1) die Phasengrenze gasförmig-flüssig in der Messphase erreicht hat der Supraleiter (1) stromlos geschaltet wird und intermittierend alle 102 Sekunden bis 104 Sekunden eine neue Messung gestartet und der Messwert aktualisiert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Ansteigen des elektrischen Widerstands über dem Supraleiter (1) ab der Initialisierung des Messvorgangs von einer Auswerteelektronik mitverfolgt wird, wobei während der Propagationsphase ein rasches, relativ stetiges Anwachsen des elektrischen Widerstandes zu registrieren ist und dass b) nach Feststellung eines annähernd konstanten Widerstandswertes über eine Reihe von zeitlich aufeinander folgenden Messpunkten wegen des Erreichens des Füllstands c) der Supraleiter (1) und die Wärmequelle (2) stromlos geschaltet werden.
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