DE102014003341B4

DE102014003341B4 - Treibstofftank

Info

Publication number: DE102014003341B4
Application number: DE102014003341.4A
Authority: DE
Inventors: Johannes Sebald; Hendra Kesuma
Original assignee: Astrium GmbH
Current assignee: ArianeGroup GmbH
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2017-10-19
Anticipated expiration: 2034-03-08
Also published as: DE102014003341A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Messung der Temperatur in einem Treibstofftank, insbesondere einem Treibstofftank zur Aufnahme von kryogenen Treibstoffen für Raketen, mittels eines passiven drahtlosen Sensorsystems erfolgt die Temperaturbestimmung dadurch, dass im Inneren des Treibstofftanks wenigstens ein Sonarsender und ein RF-Empfänger sowie Sensorknoten angeordnet sind. Die Sensorknoten bestehen jeweils aus einem Sonarempfänger, einem RF-Sender, einem passiven Netzwerk und sowie einer Antenne. Der RF-Sender wird über das passive Netzwerk mit elektrischer Energie aus dem Sonarsender durch den Sonarempfänger angeregt und sendet über die Antenne ein zur Temperaturmessung geeignetes elektro-magnetisches Hochfrequenzsignal zum RF-Empfänger. Die Identität jedes Sensorknotens wird durch eine Messung seiner Frequenz ermittelt, und die Temperatur jedes Sensorknotens wird über eine Berechnung der Frequenzverschiebung zur jeweiligen Mittenfrequenz dieses Sensorknotens bestimmt. Die akustische Anregungsfrequenz ist dabei sehr viel niedriger als die Frequenz des RF-Senders.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Temperatur in einem Treibstofftank zur Aufnahme von kryogenen Treibstoffen für Raketen mittels eines passiven drahtlosen Sensorsystems.
Ferner betrifft sie einen Treibstofftank zur Verwendung in einem solchen Verfahren.
Eine räumlich aufgelöste Temperaturmessung in kryogenen Tanks ist wichtig, um Stratifikationseffekte und sogenannte ”Thermal Residuals” innerhalb dieser Tanks charakterisieren zu können. Eine solche Charakterisierung wird wiederum benötigt, um Parameter für vorhandene beziehungsweise für zu erstellende Modelle zu generieren, die erforderlich sind, um optimale Lösungen für zukünftige Tankauslegungen zu finden.
Die Temperaturmessung wird in kryogenen Treibstofftanks heutzutage zumeist mit kryogenen Temperatursensoren durchgeführt, die aus Widerständen, Kondensatoren, Thermoelementen und Halbleiterübergängen, beispielsweise Dioden oder Transistoren, bestehen. Daneben sind auch drahtlose Temperatursensoren bekannt, die SAWs (Surface Acoustic Waves) zur Temperaturmessung benutzen. Das Prinzip derartiger drahtloser Temperatursensoren basiert dabei auf den elektrischen Signalen aus Piezokristall-Elektroden, die durch akustische Oberflächenwellen erzeugt werden und die sich auf einer Substratoberfläche ausbreiten. So ist es insbesondere aus der Literaturstelle ”Surface Acoustic Wave Sensors in Mechanical Engineering” von Marija F. Hribšek auf der Internet-Seite http://www.mas.bg.ac.rs/istrazivanje/biblioteka/publikacije/Transactions_FME/Volume38/1/02_MFHribsek.pdf bereits bekannt, ein Reaktionssignal zu verwenden, um die aktuelle Temperatur an einer Messstelle zu bestimmen, wobei das auf diese Weise generierte Signal dann durch eine Transponder-Antenne zurückgeschickt wird.
Außerdem gibt es auch bereits kommerziell erhältliche passive drahtlose Sensorsysteme, die nach diesem SAW-basierten Prinzip arbeiten. Abfragen mittels eines RF-Signals erfolgen dabei üblicherweise auf dem 2,45-GHz-ISM-Frequenzband. Alternativ dazu sind Lösungen bekannt, in denen der SAW-Chip räumlich von der Antenne getrennt und mit dieser über ein Koaxialkabel verbunden ist. Derartige drahtlose SAW-Temperatursensoren decken zurzeit in der Regel einen Temperaturbereich von etwa –15°C bis zu etwa +300°C ab.
Dagegen ist eine Anwendung drahtloser SAW-Temperatursensoren zur Temperaturmessung in kryogenen Wasserstofftanks derzeit nicht möglich. Der Grund hierfür ist, dass die niedrige Temperatur des flüssigen Wasserstoffs (ca. 20 K) einen Einsatz dieser Sensoren nicht erlaubt.
Erste Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass auf möglichst einfache Art eine räumlich aufgelöste Erfassung der im Tank herrschenden Temperatur möglich ist. Ferner soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung eines derartigen Verfahrens bereitgestellt werden.
Die Erfindung löst die erste Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1. Hierbei sind im Inneren des Treibstofftanks wenigstens ein Sonarsender und ein RF-Empfänger sowie ein aus einem Sonarempfänger, einem RF-Sender, einem passiven Netzwerk und sowie einer Antenne bestehender Sensorknoten angeordnet, wobei die Identität jedes Sensorknotens durch eine Messung seiner Frequenz erfolgt und dass die Temperatur jedes Sensorknotens über eine Berechnung der Frequenzverschiebung zur jeweiligen Mittenfrequenz dieses Sensorknotens bestimmt wird. Die Lösung der weiteren Aufgabe erfolgt durch einen Treibstofftank mit den Merkmalen des Patenanspruchs 5.
Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass im Inneren des Treibstofftanks sowohl mehr als ein Sensorknoten als auch mehr als ein Sonarsender und ebenso mehr als ein RF-Empfänger vorgesehen sind. Die Sensorknoten können zudem aus unterschiedlichen Kristallmaterialen hergestellt sein, solange diese Kristalle in der vorgesehenen Einsatzumgebung verwendbar sind. Darüber hinaus können im Rahmen der Erfindung die Halter, mit denen die Sensorknoten an definierten Positionen im Raum fixiert werden, aus unterschiedlichen Materialien, zum Beispiel aus Metalldrähten, Kunststoffasern etc., bestehen.
Der Treibstofftank gemäß der Erfindung besitzt dabei die folgenden Vorteile:

– Die für ihn verwendeten Quarze können bei niedrigeren Temperaturen eingesetzt werden als kommerziell erhältliche piezoelektrische Elemente.
– Die Energieübertragung zu den Sensorknoten mittels akustischer Longitudinalwellen in einer Flüssigkeit oder in einem Gas erlaubt höhere Energiedichten.
– Die Temperaturinformation wird durch die Änderung der Mittenfrequenz des Sender-Quarzes über ein elektromagnetisches Hochfrequenzsignal ohne aktive Bauelemente mit einer Antenne zum RF-Empfänger zurückgesendet.
– Die Frequenz des Sender-Quarzes dient gleichzeitig zur Identifikation des betreffenden Sensorknotens.
– Die Technologie zur Herstellung derartiger Quarzkristalle ist heutzutage praktisch ausgereift.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen
1 eine Darstellung des Sonarprinzips für die Energieübertragung in einem kryogenen Treibstofftank für Raketen,
2 eine schematische Auftragung der Amplituden der Mittenfrequenzen einzelner Sensorknoten über ihrer Frequenz und
3 eine schematische Darstellung eines kryogenen Treibstofftanks für Satelliten.
Die Darstellung gemäß 1 zeigt das Sonarprinzip für die Energieübertragung zu einem drahtlosen Sensor, der sich in einem kryogenen Treibstofftank 1 für Raketen befindet und das über akustische Wellen realisiert wird. Ein Sonarsender 2 sendet akustische Wellen 3 mit der Frequenz f Akkustisch zu einem Sonarempfänger 12 mit einem Quarz Q1. Über ein passives Netzwerk 15 regt dieser Sonarempfänger 12 seinerseits einen RF-Sender 14 mit elektrischer Energie der Frequenz f1 an, der diese wiederum in Form eines RF-Signales 5 über eine Antenne 8 zu einem RF-Empfänger 4 zurücksendet. Hierbei liegt die akustische Anregungsfrequenz f Akkustisch zwischen 50 Hz und 1 MHz und damit sehr viel niedriger als die RF-Frequenz f1. Der angeregte Quarz Q2 bzw. der RF-Sender 14 sendet dabei über die Antenne 8 ein zur Temperaturmessung geeignetes elektromagnetisches Hochfrequenzsignal zum RF-Empfänger 4. Die eigentliche Temperaturmessung erfolgt dann durch die Messung der Änderung der Schwingfrequenz des Quarzes Q2 in Anhängigkeit von der Temperatur. Die Orientierung des Kristallschnittes des Quarzes Q2 ist dabei so gewählt, dass eine möglichst große Temperaturabhängigkeit erreicht wird.
Bei mehreren Quarzen Q2 wird deren Mittenfrequenz in einem solchen Abstand gewählt, dass der Frequenzbereich der für die Temperaturmessungen empfangenen elektromagnetischen Hochfrequenzsignale eines Quarzes sich nur in so weit mit dem eines anderen Quarzes überschneidet, dass durch die Messung die einzelnen Quarze Q2 unterschieden werden können. Die Identität der Sensorknoten wird durch die Messung ihrer Frequenz am Empfänger 4 bestimmt. In 2 ist das Spektrum mehrerer derartiger Sensorknoten mit jeweils unterschiedlicher Mittenfrequenz f1 ... fn der jeweiligen Quarze Q2 dargestellt.
In 3 schließlich ist die Anwendung des in 1 im Prinzip dargestellten, aus den Elementen Sonarempfänger 12 mit Quarz Q1, RF-Sender 14 mit Quarz Q2, passives Netzwerk 15 und Antenne 8 bestehenden passiven drahtlosen Sensorsystems gezeigt. Das System besteht aus einer Vielzahl der in 1 gezeigten passiven Systeme, die als Sonar-Energy-Harvesting-Module in Form von Sensorknoten 7 (S1 bis S12) ausgebildet sind und die im Inneren eines Treibstofftanks 1 angeordnet sind. In diesem Treibstofftank 1 befinden sich ferner ein Sonarsender 2 und ein RF-Empfänger 4, die so positioniert sind, dass die jeweiligen Signale optimal abgestrahlt beziehungsweise empfangen werden können. Die Sensorknoten 7 sind jeweils über Halter 6 im Treibstofftank 1 gehaltert, wobei in diesem Fall nur acht Tankbefestigungen für die Sensorknoten S1 bis S3 und S9 bis S12 an der Wandung des Treibstofftanks 1 notwendig sind. Die restlichen Sensorknoten S5 bis S8 können ohne eine separate Tankbefestigung entlang der Halter 6 angeordnet werden. Es ist somit nicht erforderlich, jeden einzelnen Sensorknoten 7 direkt an der Wandung des Treibstofftanks 1 zu befestigen.
Der Messvorgang erfolgt zyklisch. Zu Beginn eines Messzyklus überträgt der Sonarsender 2 die Energie durch Sonarwellen 3 mit der Frequenz f Akkustisch an die Sensorknoten S1 bis S12. Jeder dieser Sensorknoten S1 bis S12 sendet zusammen mit den anderen Sensorknoten gleichzeitig ein RF-Signal 5 mit jeweils eigener Frequenz f1 ... f12 zum RF-Empfänger 4 zurück. Daraufhin wird die Identität jedes einzelnen der Sensorknoten 7 durch eine Messung seiner Frequenz ermittelt und abschließend wird die Temperatur jedes Sensorknotens über eine Berechnung der Frequenzverschiebung zur jeweiligen Mittenfrequenz dieses Sensorknotens bestimmt.

Claims

Verfahren zur Messung der Temperatur in einem Treibstofftank zur Aufnahme von kryogenen Treibstoffen für Raketen mittels eines passiven drahtlosen Sensorsystems, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Treibstofftanks (1) wenigstens ein Sonarsender (2) und ein RF-Empfänger (4) sowie ein aus einem Sonarempfänger (12) mit Quarz (Q1), einem RF-Sender (14) mit Quarz (Q2), einem passiven Netzwerk (15) sowie einer Antenne (8) bestehender Sensorknoten (7) angeordnet sind, dass die Identität jedes Sensorknotens (7) durch eine Messung seiner Frequenz erfolgt und dass die Temperatur jedes Sensorknotens (7) über eine Berechnung der Frequenzverschiebung zur jeweiligen Mittenfrequenz dieses Sensorknotens (7) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der RF-Sender (14) über ein passives Netzwerk (15) mit elektrischer Energie aus dem Sonarempfänger (12) angeregt wird und dass der RF-Sender (14) über eine Antenne (8) ein zur Temperaturmessung geeignetes elektromagnetisches Hochfrequenzsignal (5) zum RF-Empfänger (4) sendet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Anregungsfrequenz (3) sehr viel niedriger als die Frequenz (5) des RF-Senders (14) gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die akustische Anregungsfrequenz (3) zwischen 50 Hz und 1 MHz liegt.
Treibstofftank zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Treibstofftanks (1) wenigstens ein Sonarsender (2) und ein RF-Empfänger (4) sowie wenigstens ein aus einem Sonarempfänger (12) mit Quarz (Q1), einem RF-Sender (14) mit Quarz (Q2), einem passiven Netzwerk (15) und sowie einer Antenne (8) bestehender Sensorknoten (7) angeordnet ist.