WO2006094489A2 - Supraleitende füllstandsmesseinrichtung für flüssigwasserstoff und flüssigneon sowie ein messverfahren zur flüssigkeitsniveaumessung - Google Patents

Supraleitende füllstandsmesseinrichtung für flüssigwasserstoff und flüssigneon sowie ein messverfahren zur flüssigkeitsniveaumessung Download PDF

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Definitions

  • Liquid hydrogen and liquid eons as well as a measurement method for liquid level measurement
  • the invention relates to a superconducting fill level measuring device for liquid hydrogen, which can be used in the various applications of storage, production and consumption of liquid hydrogen.
  • the superconducting level measuring device can also be used for liquid clay.
  • the invention relates to a measuring method for liquid level measurement.
  • a fill level measuring device for a liquefied petroleum gas vehicle tank, in particular a liquid vehicle tank which has a arranged on the suspension of the inner tank strain gauge and a arranged outside of the vehicle tank and connected via a line to the vehicle tank pressure sensor, wherein the strain gauge and the pressure sensor are connected via a respective line with an on-board computer. Thereafter, it is possible indirectly to deduce the filling level via the determined total weight of the inner tank and the associated pressure. This requires appropriate software and calibration of the system.
  • This method has the further disadvantage that the side effects, especially on the weight measurement, are so great that a reliable determination of the level is not possible.
  • the resulting Inaccuracies for example due to the constantly changing acceleration when driving, lead to disturbances that make a reliable determination of the level impossible.
  • Level measuring devices for other cryogenic liquids, in particular for liquid helium are known from the prior art, which are based on the use of a superconducting material. Utilized here is the different heat transfer in the gas phase on the one hand and the liquid phase on the other.
  • the superconducting material is here in the Generally in the form of an elongated track in a substantially vertical orientation.
  • the transition temperature must be slightly above the respective boiling point of the cryogenic fluid to be measured.
  • the method is based on the fact that the superconducting material in the gas phase above the transition temperature, ie in the normal conducting state, is held by targeted heat supply. The part of the superconductor in the liquid phase remains in the superconducting state due to the better cooling.
  • the electrical resistance changes in the superconducting material are detected and processed by a low-frequency sampling method, wherein a pulse-clocked connection of a measuring current through the superconducting layer is made and between the measuring cycles Eichtakte provided for the measuring circuit.
  • the object is solved according to the concept by a superconducting fill level measuring device for liquid hydrogen, which is based on the use of magnesium diboride (MgB 2 ) as a superconducting material. This has a favorable transition temperature for use in liquid hydrogen tanks.
  • MgB 2 magnesium diboride
  • FIG. 2 shows by way of example a fill-level measuring probe.
  • a fill level measuring device for liquid hydrogen in liquid hydrogen containers in particular motor vehicle tanks, wherein a superconductor 1 based on MgB 2 is arranged vertically in a tank 5 or vertically inclined relative to the vertical, and that at the upper area of the superconductor 1 a controllable heat source 2 is arranged, wherein the superconductor 1 is electrically contacted by means of wiring with a controllable current source 3 and a voltage measuring device 4 and that the level measurement is designed as a voltage measurement.
  • the superconductor 1 based on MgB 2 is preferably formed as a filament wire. It is advantageously combined with an electrically conductive or non-conductive stabilization.
  • the former can be embodied, for example, as a metallic sheath, which surrounds a core of MgB 2 material.
  • a combination of iron or steel is used here: this can, inter alia, prevent degradation of the superconductor 1 due to physical-chemical influences, simplify the manufacturing process of the required filament and cause an effective mechanical, possibly also electrical stabilization.
  • the MgB2 material can also be externally be applied to a stabilizer core or formed reactive.
  • Other forms of the MgB 2 material for example in the form of thin layers or as a bulk material, can be used according to the invention.
  • the uniformity of the MgB 2 material possibly also the stabilizer material and the connection between the two.
  • the controllable heat source 2 is realized in various ways according to the invention. Possible embodiments are, for example, a resistive electric heater in the form of a constantan wire, a heating foil or an electrical resistor. Alternatively, the heat input is made by a thermal bridge to higher temperature ranges. The heat input is continuously or controlled as needed, eg. B. resistive, introduced by radiation or inductively.
  • An alternative solution for interrupting the superconducting properties of the superconductor by heat input is the temporary or permanent prevention of the superconducting phase by targeted degradation of the MgB 2 material or by applying a magnetic field in each case in the initial region.
  • the permanent targeted degradation takes place for example by intentional contamination, indiffusion, annealing or mechanical deformation of the superconductor.
  • the inventive method for determining the level in a liquid hydrogen tank then typically comprises the following steps:
  • Propagation speed adjustable within certain limits on the current, is advantageously in the range of 10 1 to 10 2 mm / s.
  • Liquid phase in each operating state of the system or detected by tracking the resistance change this is automatically determined and stored via the voltage measuring device 4.
  • This measurement mode can either be maintained for a longer time (eg, for any fluctuations in the liquid level tracking), or the sensor can be deactivated again with a stored reading until a follow-up reading (such as to minimize the heat input to the container 5).
  • Typical lengths of the required sensor section are in the range of approximately 0.2 to 1 m in the case of liquid hydrogen laboratory cryostats, transport containers or vehicle tanks.
  • the thickness of the steel-stabilized MgB 2 filament described above can be from 10 ⁇ m to 500 ⁇ m in total.
  • the cross-sectional area ratios of superconductor to stabilizer are 0.1 to 1: 1.
  • work is typically carried out at currents of 0.1 ampere to 1 ampere and voltages ranging from 0 volts to 20 volts.
  • the filament 6 has a diameter of 125 microns and a length of up to 0.5 m.
  • the maximum possible length of the active zone is in principle not limited and can also be several meters. It works with the same wire cross-sections and current values, only the maximum voltages occurring grow correspondingly linear with the active length of the probe.
  • controllable heat source 2 is deactivated again immediately after the start of the propagation.
  • the applied measuring current is reduced by the superconductor 1 to about 0.5 to 0.7 times the original value, sufficient to maintain a steady state of normal-conducting zone.
  • the heat input into the container 5 can thereby be significantly reduced.
  • the method undergoes another advantageous embodiment in that after successful recording and storing a measured value (in the above dimensions, this is the case after only typically 10 to 20 seconds), the probe is de-energized again and intermittently every 10 2 seconds to 10 4 seconds a new measurement is started and the measured value is updated. This is particularly indicated if the level to be measured changes only very slowly due to operational reasons.
  • the superconductor 1 will in most cases be arranged substantially vertically within the liquid hydrogen tank.
  • the superconductor z. B. is mounted at an angle of 45 ° to the vertical to z. B. to achieve a larger measurement resolution. With suitable formations (flexible design of the probe) the same z. B. also follow the inner contour of the tank.
  • the MgB 2 wire is usually electrically connected via a so-called four-wire wiring. At both ends of the wire two conventional electrical conductors are connected, with which the contacting with the outside of the tank arranged power supply and evaluation unit is accomplished. Over two of these leads, the desired electrical current is passed through the MgB 2 wire, while by means of the other two power supply lines, the voltage drop and thus the electrical resistance of the MgB 2 wire can be measured.
  • the advantage of this circuit is essentially to be able to turn off disturbing influences of the leads.
  • the above-mentioned resistive initial heating as shown in Fig. 1, connected in series and also supplied by said leads in order to avoid the need for further power supply lines.
  • Yet another design variant is merely to divert the superconductor and again up to the level of the initial heating to lead up (electrically isolated from the tank).
  • the other end of the superconductor is to be provided with an initial heating or to ensure sufficient thermal connection to a common heating.
  • the normal-conducting wiring to the lower connection point of the superconductor according to FIG. 1 is obsolete in this case. The propagation starts from both ends of the wire in parallel, and in the measurement recording, the resistance of both normal-conducting sections is summarily detected. With clever arrangement (vertical superconductor sections at a certain distance at suitable locations in the tank) even erroneous measurements are compensated for temporarily inclined tank hereby.
  • MgB 2 as a pure material is relatively brittle and therefore not suitable for forming a suitable filament wire. Preference is therefore given to the use of a carrier material or stabilizer.
  • chromium nickel steel, iron or other metals and alloys are chromium nickel steel, iron or other metals and alloys.
  • One possible embodiment is the drawing of a thin filament wire from a tube of chromium nickel steel and / or iron with a core of MgB 2 , as described in the following publication: W. Goldacker, S. Schlachter et al., Development and Performance of thin steel reinforced MgB 2 wires ..., supercond. Be. Technol. 17 (2004), p. 363 - 368.
  • MgB 2 filamentary wires as described above are eminently suitable for use in the superconducting liquid hydrogen level probes described above.
  • a comparatively thin stabilization is used in order to keep the proportion of shunt resistance relatively low.
  • MgB2 as a pure material is sensitive to environmental influences; it is hygroscopic and degraded, e.g. B. in moist ambient air.
  • a further advantage of the stabilizing jacket is that the MgB 2 material present is very well protected against such degradation.
  • the stabilization also serves to protect the MgB 2 material against thermal damage (burn through) due to erroneous application of oversized currents or activation of the probe at ambient temperatures.
  • the method as described makes relatively low demands on quality and shape of the MgB 2 material in superconducting terms.
  • the reported transition temperatures of MgB 2 are 39 K to 40 K, in the presence of impurities, dopants, more desired mechanical preload or interference often a few Kelvin deeper.
  • Measured values for the transition temperature in prepared MgB 2 filament wires as described above are in the range of 32 K to 38 K. It is known from theoretical considerations as well as from the experience with superconducting liquid helium and liquid nitrogen level probes that the transition temperature is optimally a few Kelvin above the boiling point of the fluid to be measured should be.
  • the described MgB 2 material harmonizes in this respect in an excellent manner with the question boiling temperatures in liquid hydrogen containers.
  • Another advantageous field of use of the device according to the invention with MgB 2 -based level probes and the use of the method according to the invention relates to liquid eon.
  • Conveniently covered here are all conditions on the vapor pressure line between triple point (at neon 24.5 K / 0.43 bar), the boiling state at ambient pressure (neon: 27.1 K / 1, 013 bar) up to significantly increased pressures (eg B. 34 K / 5.33 bar).
  • the current values may need to be varied.
  • the boiling temperatures are either too high or, in the case of liquid helium, downwardly unfavorably far from the critical temperature of the MgB 2 material.
  • the method is not bound to a specific shape of the MgB 2 superconductor.
  • the method could also be surrounding with others
  • Carrier material or with a MgB 2 layer on a metal core or other carrier or solid with MgB 2 -Bulkmaterial are worked, provided that mechanical and chemical stability are adequately ensured.
  • the concept of the invention is realized by a level measurement with a level measuring probe 13 shown in Figure 2 by way of example.
  • the level measuring probe 13 is designed such that the filament wire 6 with the superconductor 1, the electrical contacting, the resistive initial heating 2 and the tensioning device 9 for the filament wire 6 are arranged in a mechanically stable cladding tube 7 with openings 10.
  • the cladding tube 7 has at its lower end a lower end piece 12 and at its upper end an upper connector 11.
  • the tensioning device 9 is designed in the illustrated embodiment as a spring which biases the filament wire 6 and compensates for changes in length due to temperature fluctuations.
  • the spring is fixed in the upper connecting piece 11 and the initial region of the filament wire 6 is arranged with the resistive initial heating 2 at the upper end of the filament wire 6.
  • the filament wire 6 is electrically contacted at its lower end via the lower end piece 12 with the cladding tube 7.
  • openings 10 are preferably arranged in the form of holes through which the cryogenic fluid with the filament 6 can come into direct contact.
  • the level measuring probe 13 according to Figure 2 is electrically connected in two-wire circuit via electrical lines 8, and it can be dispensed with in comparison to the four-wire circuit on two electrical feedthroughs.
  • This design is characterized by a simple and robust design of the probe. Due to the few parts and the small number of different materials, a cost-effective implementation is still possible. In particular, no special demands are placed on the cladding tube or on the end pieces: Material, diameter, thickness, surface treatment, tolerances or the joining technique used are freely selectable within wide limits.
  • the employed MgB 2 filament wire 6 of suitable diameter and stabilizing portion has in the illustrated embodiment an overall diameter of the order of about 0.1 mm.
  • the filament 6 is held by means of a suitable attachment in a vertical orientation and held as mentioned by means of a mechanical spring 9 within the cladding tube 7 with the exception of the electrical contacts at both ends without contact.
  • the normal-conducting jacket of the filament wire 6 ensures sufficient strength.
  • Another embodiment consists in the fixation of the superconductor 1 on a flat support structure, which further simultaneously conductor tracks and can accommodate connection points for the required contact. Advantages here are a simple assembly and inspection option for the superconductor 1.
  • the protective jacket such as in the form of a metallic or non-metallic, mechanically stable cladding tube 7.
  • short circuits between other internals and the filament wire, which is typically electrically non-insulated, can be avoided;
  • the cladding tube 7 can fulfill other tasks (holding frame clamping structure, electrical return from the lower contact point filament).
  • a suitable shaping of this envelope also a possibly desired damping of any discoursefluktuationen be effected, in particular z. B. by a closed on both sides Hüllrohr 7 with defined lateral holes 10th
  • the total resistance to be measured over the entire MgB 2 filament wire length increases until the liquid surface is reached within typically 10 ° to 10 2 s.
  • the normal conducting portion of the MgB 2 filament and thus the position of the liquid level can be determined by means of simple resistance measurement.
  • typical working current strengths in the range of 0.1 to 1 A and voltages in the range 0 to 20 V the residual resistance across the MgB 2 filament can be determined without problems with sufficient accuracy and by means of known material parameters (specific electrical resistance, dimensioning). or converted directly to a fill level according to separate calibration measurements.
  • the change of an inductance or the change in the shielding effect of MgB 2 material in superconducting or normal conducting state can be utilized for the detection of the fill level, as in DE 197 55 378 A1 and in US Pat
  • the coupling is based on a completely different physical principle;
  • the arrangement and shape of the MgB 2 material can be completely different.
  • liquid hydrogen level probe constructed in this way has a number of advantageous properties: ⁇ continuous (non-discrete) level determination,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Füllstandsmesseinrichtung für Flüssigwasserstoff in Flüssigwasserstoffbehältern, insbesondere Kraftfahrzeugtanks, wobei in einem Tank (5) vertikal oder gegenüber der Senkrechten geneigt ein Supraleiter (1) auf der Basis von Magnesiumdiborid MgB<SUB>2</SUB> angeordnet ist und am oberen Bereich des Supraleiters (1) eine steuerbare Wärmequelle (2) angeordnet ist, wobei der Supraleiter (1) mit einer steuerbaren Stromquelle (3) sowie einer Spannungsmesseinrichtung (4) elektrisch kontaktiert ist und die Füllstandsmessung als Spannungsmessung ausgebildet ist. Das MgB<SUB>2</SUB>-Material wird vorzugsweise als Filamentdraht verwendet. Es lassen sich in unkomplizierter Weise kontinuierliche Füllstandsmessungen hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung realisieren. Die Füllstandsmesseinrichtung und das Verfahren sind auch zur Füllstandsmessung von Flüssigneon geeignet.

Description

Supraleitende Füllstandsmesseinrichtung für
Flüssigwasserstoff und Flüssigneon sowie ein Messverfahren zur Flüssigkeitsniveaumessung
Die Erfindung betrifft eine supraleitende Füllstandsmesseinrichtung für Flüssigwasserstoff, welche in den verschiedenen Anwendungsfällen der Lagerung, der Erzeugung und dem Verbrauch von Flüssigwasserstoff einsetzbar ist. Die supraleitende Füllstandmessseinrichtung ist weiterhin für Flüssigneon einsetzbar. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Messverfahren zur Flüssigkeitsniveaumessung.
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 Flüssiggas-Fahrzeugtank, 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 einer gasförmigen bzw. flüssigen Phase festgestellt werden kann. Inhärenter Nachteil ist hier die Beschränkung auf diskrete Messpunkte, d. h. die Füllstandshöhe ist zwangsläufig nicht kontinuierlich mitzuverfolgen. Aus der im Allgemeinen großen Zahl von benötigten Einzelsensoren resultiert ein hoher Aufwand; es ist eine komplexe Ansteuerung erforderlich, so dass diese Methode nur in wenigen Fällen vorteilhaft anzuwenden ist.
Derzeit technisch umgesetzt und weit verbreitet 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 erhebliche 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 im Allgemeinen 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 der DE 26 15 407 und der US 3,943,767 sind z. B. derartige supraleitende Füllstandssonden beschrieben. Eine grundlegende Darstellung ist zu finden in: Efferson, K.R., A Superconducting (Nb-Ti) Liquid Helium Level Detector, Adv. in Cryogenic Engineering, ed. Timmerhaus, Plenum Press, Vol. 15 (1970) p. 15. Weiterhin ist aus der WO 91/08449 ein Füllstandsdetektor für kryogene Flüssigkeiten, insbesondere Flüssigstickstoff, bekannt, bei welchem die Detektierung des 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 Impuls-getaktete 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-Behälter 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 vorteilhafte Ausgestaltung des Prinzips der Erfindung ist in Figur 1 dargestellt. In Figur 2 ist beispielhaft eine Füllstandsmesssonde dargestellt.
Die Aufgabe wird insbesondere durch eine Füllstandsmesseinrichtung für Flüssigwasserstoff in Flüssigwasserstoffbehältern, insbesondere Kraftfahrzeugtanks, gelöst, wobei in einem Tank 5 vertikal oder gegenüber der Senkrechten geneigt ein Supraleiter 1 auf der Basis von MgB2 angeordnet ist und dass am oberen Bereich des Supraleiters 1 eine steuerbare Wärmequelle 2 angeordnet ist, wobei der Supraleiter 1 mittels Verdrahtung mit einer regelbaren Stromquelle 3 sowie einer Spannungsmesseinrichtung 4 elektrisch kontaktiert ist und dass die Füllstandsmessung als Spannungsmessung ausgebildet ist.
Der Supraleiter 1 auf Basis von MgB2 ist bevorzugt als Filamentdraht ausgebildet. Er wird vorteilhaft mit einer elektrisch leitenden oder nichtleitenden Stabilisierung kombiniert. Erstere kann beispielsweise als metallischer Mantel ausgeführt sein, welcher einen Kern aus MgB2-Material umgibt. Vorteilhaft wird hier etwa eine Kombination aus Eisen oder Stahl verwendet: diese kann u. a. eine Degradation des Supraleiters 1 aufgrund physikalisch-chemischer Einflüsse verhindern, den Herstellungsprozess des benötigten Filamentdrahts vereinfachen und eine wirkungsvolle mechanische, ggf. auch elektrische Stabilisierung bewirken. Alternativ kann das MgB2-Material auch von außen auf einem Stabilisatorkem aufgebracht oder reaktiv gebildet sein. Auch andere Ausformungen des MgB2-Materials, etwa in Form dünner Schichten oder als Bulk-Material, sind erfindungsgemäß einsetzbar.
Eine gewisse Bedeutung hat die Frage nach der elektrischen Leitfähigkeit einer solchen, mit dem MgB2-Material verbundenen Stabilisierung. Im Falle einer relativ geringen elektrischen Leitfähigkeit der Stabilisierung (Isolator) sind die Verhältnisse am klarsten; bei der beschriebenen Messprozedur wird die Widerstandsänderung des MgB2-Materials zur Detektion des Flüssigniveaus ausgenutzt.
Im Falle einer elektrischen Leitfähigkeit des Stabilisators ist ein hierdurch gegebener entsprechender Shunt-Widerstand mit zu berücksichtigen. Die Messmethode, wie beschrieben, kann nach wie vor realisiert werden; die Widerstandsänderung zwischen gasförmiger und flüssiger Phase ist jedoch -je nach Widerstandsverhältnis und Verhältnis der Querschnittsflächen - weniger deutlich ausgeprägt. Bei der beispielhaft genannten Kombination von MgB2- Material (in normalleitendem Zustand) und Eisen bzw. Stahl-Stabilisierung liegen die spezifischen elektrischen Widerstände bei Flüssigwasserstoff- Temperaturen etwa in der gleichen Größenordnung. Prinzipiell kann auch mit sehr niedrigen Parallelwiderständen gearbeitet werden, beispielsweise bei einer metallischen Stabilisierung großen Querschnitts und/oder guter, jedoch nicht supraleitender elektrischer Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen.
Weiter von Bedeutung ist die Uniformität des MgB2-Materials, ggf. auch des Stabilisatormaterials und der Verbindung zwischen beiden. Vorteilhaft im Sinne einer einfachen Korrelation zwischen Messsignal und tatsächlichem Füllstand
(lineares Verhalten etc.) ist eine möglichst gleichmäßige Ausformung über die gesamte so genannte aktive Sensorlänge. Dies betrifft sowohl die jeweiligen
Querschnittsflächen, die jeweiligen spezifischen elektrischen Widerstände als auch die thermische Leitfähigkeit sowie die thermische Ankopplung sowohl untereinander als auch an das umgebende Fluid. Unregelmäßigkeiten können zu einer Beeinträchtigung der Sensorfunktion führen, Ungenauigkeiten bewirken, ggf. aufwändige Kalibrierungen notwendig machen oder ein ordnungsgemäßes Funktionieren gänzlich verhindern.
Die steuerbare Wärmequelle 2 wird in unterschiedlichster Weise erfindungsgemäß realisiert. Mögliche Ausformungen sind beispielsweise die einer resistiven elektrischen Heizung in der Form eines Konstantandrahtes, einer Heizfolie oder eines elektrischen Widerstands. Alternativ wird der Wärmeeintrag durch eine Wärmebrücke zu höheren Temperaturbereichen hergestellt. Der Wärmeeintrag wird kontinuierlich oder gesteuert nach Bedarf, z. B. resistiv, über Strahlung oder induktiv eingebracht.
Ein alternativer Lösungsweg zur Unterbrechung der supraleitenden Eigenschaften des Supraleiters durch Wärmeeintrag ist die vorübergehende oder dauerhaft Verhinderung der supraleitenden Phase durch gezielte Degradation des MgB2-Materials oder durch Applizieren eines magnetischen Feldes jeweils im Initialbereich.
Die dauerhafte gezielte Degradation erfolgt beispielsweise durch absichtliche Verunreinigung, Eindiffusion, Glühbehandlung oder mechanische Verformung des Supraleiters.
Gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ohne Wärmeeintrag kann auf eine Heizeinrichtung komplett verzichtet werden, wodurch auch technische Probleme, die durch die Zuleitungen und den damit verbundenen Wärmeeintrag und die Ansteuerung verbunden sind, verringert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Füllstands in einem Flüssigwasserstoffbehälter weist dann typischerweise folgende Schritte auf:
(a) Ruhezustand, kein Stromfluss durch die Sonde, Heizung 2, so vorhanden, nicht aktiviert: Supraleiter 1 ist typischerweise über die gesamte Länge (sowohl in Flüssig- als auch in Gasphase) in supraleitendem Zustand. (b) Starten der Messung: Aktivieren eines Stromflusses entlang Supraleiter 1 , gleichzeitig bzw. kurz zuvor oder kurz darauf Aktivierung von Heizung 2.
(c) Initialphase: Durch Einfluss von Heizung 2 oder durch andere äußere Einflüsse wird ein (beliebig kleiner) Bereich von Supraleiter 1 , typischerweise in der Nähe des oberen Endes, in den normalleitenden
Zustand gebracht oder befindet sich permanent in diesem. Aufgrund des gleichzeitig vorliegenden Stromflusses wird daraufhin in diesem Bereich ohmsche Wärme erzeugt.
(d) Propagationsphase: Die normalleitende Phase breitet sich entlang von Supraleiter 1 aus. Dies geschieht aufgrund der resistiven
Wärmeentwicklung in den bereits normalleitend gewordenen Bereichen, in Kombination mit der Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Anordnung. Die resistive Wärmeentwicklung im MgB2-Filamentdraht und die der Erwärmung entgegenwirkende Kühlung durch das umgebende Kaltgas bzw. die umgebende Flüssigkeit müssen einander angepasst sein. Die
Propagationsgeschwindigkeit, in gewissen Grenzen einstellbar über die Stromstärke, liegt dabei vorteilhaft im Bereich von 101 bis 102 mm/s.
(e) Erreichen Beharrungszustand: Bei Annäherung an die Flüssigwasserstoff- Oberfläche verlangsamt sich die Propagation zunehmend und kommt bei passend eingestellter Stromstärke aufgrund der viel intensiveren Kühlung innerhalb der Flüssigphase schließlich auf Höhe der Phasengrenze zum Stillstand. Der über dem Supraleiter 1 gemessene Spannungsabfall nähert sich einem konstanten Wert an.
(f) Messphase: Sobald ein hinreichend konstanter Wert erreicht ist (entweder nach voreingestellter Wartezeit bis zum sicheren Erreichen der
Flüssigphase in jedem Betriebszustand des Systems oder detektiert durch Mitverfolgen der Widerstandsänderung), wird dieser über die Spannungsmesseinrichtung 4 automatisch bestimmt und gespeichert. Dieser Messmodus kann entweder für eine längere Zeit aufrechterhalten werden (z. B. um etwaige Fluktuationen des Flüssigniveaus mitzuverfolgen), oder der Sensor kann bei gespeichertem Messwert wieder bis zu einer Folgemessung deaktiviert werden (etwa um den Wärmeeintrag in den Behälter 5 zu minimieren).
Typische Längen des benötigten Sensorabschnitts (so genannter aktiver Bereich) liegen im Falle von Flüssigwasserstoff-Laborkryostaten, -Transportbehältern oder -Fahrzeugtanks im Bereich von ca. 0,2 bis 1 m. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann hier die Stärke des oben beschriebenen, Stahl-stabilisierten MgB2-Filaments bei insgesamt 10 μm bis 500 μm liegen. Die Querschnittsflächenverhältnisse von Supraleiter zu Stabilisierung betragen 0,1 bis 1 : 1. Gearbeitet wird in diesem Fall typischerweise mit Stromstärken von 0,1 Ampere bis 1 Ampere und Spannungen im Bereich von 0 Volt bis 20 Volt. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Filamentdraht 6 einen Durchmesser von 125 μm und eine Länge von bis zu 0,5 m auf.
Die maximal mögliche Länge der aktiven Zone ist im Prinzip nicht begrenzt und kann auch mehrere Meter betragen. Dabei wird mit den gleichen Drahtquerschnitten und Stromwerten gearbeitet, lediglich die auftretenden Maximalspannungen wachsen entsprechend linear mit der aktiven Länge der Sonde an.
Eine vorteilhafte Variante besteht darin, dass die steuerbare Wärmequelle 2 bereits unmittelbar nach dem Starten der Propagation wieder deaktiviert wird. Angesichts der drastisch reduzierten Festkörper-Wärmekapazität im hier diskutierten Temperaturbereich kann die Aktivierung der steuerbaren Wärmequelle 2 dabei z. B. pauschal auf z. B. 1 bis 2 s limitiert werden, mit wenigen Joule an integral deponierter Wärme.
Alternativ oder zusätzlich kann, nachdem der normalleitende Bereich des Supraleiters 1 die Phasengrenze gasförmig-flüssig innerhalb des Behälters 5 erreicht hat (also nach Abschluss der Propagationsphase), der applizierte Messstrom durch den Supraleiter 1 auf das ca. 0,5 bis 0,7fache des ursprünglichen Werts reduziert wird, ausreichend zum Aufrechterhalten eines Beharrungszustands der normalleitenden Zone. Insbesondere im Fall kontinuierlicher Messungen kann hierdurch der Wärmeeintrag in den Behälter 5 signifikant reduziert werden.
Umgekehrt erfährt das Verfahren eine andere vorteilhafte Ausgestaltung dadurch, dass nach erfolgreicher Aufnahme und Speicherung eines Messwerts (bei o. g. Dimensionen ist dies bereits nach typischerweise ca. 10 bis 20 Sekunden der Fall) die Sonde wieder stromlos geschaltet wird und intermittierend alle 102 Sekunden bis 104 Sekunden eine neue Messung gestartet und der Messwert aktualisiert wird. Dies ist insbesondere angezeigt, falls sich der zu messende Füllstand betriebsbedingt nur sehr langsam ändert.
Eine weitere Verbesserung des Verfahrens ergibt sich dadurch, dass
I. 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
II. nach Feststellung eines annähernd konstanten Widerstandswertes über eine Reihe zeitlich aufeinander folgender Messpunkte wegen des Erreichens der Phasengrenze und III. nach erfolgter Füllstandserfassung der Supraleiter 1 und die steuerbare Wärmequelle 2 stromlos geschaltet werden. Insbesondere bei hohen Füllständen ergibt sich hier eine signifikante Reduzierung des Wärmeeintrages; weiterhin steht der aktualisierte Messwert schnellstmöglich zur Verfügung. Der Supraleiter 1 wird in den meisten Fällen im Wesentlichen vertikal innerhalb des Flüssigwasserstofftanks angeordnet sein. Eine Variante besteht darin, dass der Supraleiter z. B. in einem Winkel von 45° gegen die Senkrechte montiert ist, um z. B. eine größere Messauflösung zu erreichen. Bei geeigneter Ausformungen (flexible Gestaltung der Sonde) könnte dieselbe z. B. auch der Innenkontur des Tanks folgen.
Der MgB2-Draht ist elektrisch normalerweise über eine so genannte 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 der anderen beiden Stromzuführungen der Spannungsabfall und damit der elektrische Widerstand des MgB2-Drahts gemessen werden kann. Der Vorteil dieser Schaltung ist es im Wesentlichen, störende Einflüsse der Zuleitungen ausschalten zu können. Nach bevorzugter Ausgestaltung wird die oben erwähnte resistive Initialheizung, wie in Fig. 1 gezeigt, in Reihe geschaltet und ebenfalls durch die genannten Zuleitungen versorgt, um die Notwendigkeit weiterer Stromzuführungen zu vermeiden.
Neben der vorangehend beschriebenen und in Fig. 1 dargestellten
Verschaltung sind jedoch noch eine Vielzahl anderer Alternativen möglich.
So kann die elektrische Initialheizung z. B. statt in Reihe separat angeschlossen werden. Dies erlaubt ein unabhängiges Betreiben, etwa zur
Minimierung des Wärmeeintrags.
Nimmt man gewisse Einschränkungen hinsichtlich der Messgenauigkeit in
Kauf, so kann alternativ auch mit Zwei-Leiter-Technik gearbeitet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, Supraleiter und Initialheizung zusätzlich in Reihe zu schalten, wodurch insgesamt nur noch zwei elektrische Durchführungen nach außen von Nöten sind. Falls die Sondenelektronik nicht von der elektrischen Masse von Tank 5 getrennt werden muss und weiterhin die Zahl der elektrischen Durchführungen minimiert werden soll (Letztere stellen oft ein Leckagerisiko dar, sind zudem preislich aufwändig), bietet sich eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung an: Supraleiter und elektrische Heizung werden wiederum in Reihe geschaltet, der Supraleiterdraht unten bis zum Behälterboden bzw. bis zur Wandung von Tank 5 geführt und dort mit demselben elektrisch kontaktiert. In diesem Falle sind nur noch zwei bzw. ist nur noch eine einzige elektrische Durchführung nach außen erforderlich, entsprechend einer Anbindung in Zweibzw. Vierleitertechnik. Die Rückleitung wird jeweils durch Tank 5 ersetzt. Aufgrund des im Allgemeinen sehr geringen elektrischen Widerstandes der großflächigen Tankhülle und ihrer Zuleitungen hat dies im Idealfall kaum Einbußen hinsichtlich der Messgenauigkeit zur Folge.
Eine wiederum andere Gestaltungsvariante besteht darin, den Supraleiter lediglich umzulenken und wieder bis auf Höhe der Initialheizung nach oben zu führen (elektrisch isoliert vom Tank). In diesem Fall ist auch das andere Ende des Supraleiters mit einer Initialheizung zu versehen bzw. für eine ausreichende thermische Anbindung an eine gemeinsame Heizung zu sorgen. Die normalleitende Verdrahtung zum unteren Anschlusspunkt des Supraleiters laut Fig. 1 ist in diesem Fall obsolet. Die Propagation startet von beiden Drahtenden parallel, und bei der Messwertaufnahme wird summarisch der Widerstand beider normalleitender Abschnitte erfasst. Bei geschickter Anordnung (senkrechte Supraleiterabschnitte in gewissem Abstand an geeigneten Stellen im Tank) werden hiermit sogar Fehlmessungen bei vorübergehend schräg stehendem Tank kompensiert. Weitere Kombinationsmöglichkeiten von (ggf. sogar mehrfach umgelenktem) Supraleiterfilament und Verdrahtung sind denkbar. MgB2 als reines Material ist verhältnismäßig spröd und aufgrund dessen nicht zur Ausbildung eines hierfür geeigneten Filamentdrahts geeignet. Bevorzugt wird daher die Verwendung eines Trägermaterials oder Stabilisators. In Frage kommen Chromnickelstahl, Eisen oder andere Metalle und Legierungen. Eine mögliche Ausformung stellt das Ziehen eines dünnen Filamentdrahts aus einem Rohr 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. Sei. Technol. 17 (2004), p. 363 - 368. Ein Problem hierbei ist, dass diese so genannte mechanische 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 weitere Stabilisierung gearbeitet werden kann, verkomplizieren sich hierdurch Auswertung und 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 normalieitendem 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 des Vorliegens 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- Material sehr gut vor solcher Degradation geschützt ist. Zusätzlich dient die Stabilisierung auch dem Schutz des MgB2-Materials gegen thermische Schädigung (Durchbrennen) bei fehlerhaftem Anliegen übergroßer Ströme oder Aktivierung der Sonde bei Umgebungstemperaturen.
Das Verfahren wie beschrieben stellt vergleichsweise geringe Ansprüche an Qualität und Ausformung des MgB2-Materials in supraleitender Hinsicht. Beim Einsatz für Flüssig Wasserstoff im Bereich zwischen 1 bar 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 K bis 40 K, bei Vorliegen von Verunreinigungen, Dotierstoffen, gewollter mechanischer Vorspannung oder Störungen oft auch einige Kelvin tiefer. Messwerte für die Sprungtemperatur in konfektionierten MgB2- Filamentdrähten wie oben beschrieben liegen im Bereich von 32 K bis 38 K. Sowohl aus theoretischen Überlegungen als auch aus den Erfahrungen mit supraleitenden Flüssighelium- und Flüssigstickstoff-Niveausonden ist bekannt, dass die Sprungtemperatur optimalerweise wenige Kelvin oberhalb der Siedetemperatur des zu messenden Fluids liegen sollte. Das beschriebene MgB2-Material harmoniert diesbezüglich in exzellenter Weise mit den zur Frage stehenden Siedetemperaturen in Flüssig Wasserstoff behältern.
Ein weiteres vorteilhaftes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit MgB2-basierten Niveausonden und der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft Flüssigneon. Günstig abgedeckt werden hier alle Zustände auf der Dampfdrucklinie zwischen Tripelpunkt (bei Neon 24,5 K / 0,43 bar), dem Siedezustand bei Umgebungsdruck (Neon: 27,1 K / 1 ,013 bar) bis hin zu deutlich erhöhten Drücken (z. B. 34 K / 5,33 bar). Für die Realisation einer Flüssigneon-Füllstandssonde wird im Wesentlichen das oben beschriebene Design beibehalten bzw. es kann im günstigen Fall mit derselben Sonde und mit ähnlichen Betriebsparametern gearbeitet werden. Insbesondere die Stromwerte sind gegebenenfalls zu variieren. Bei allen anderen kryogenen Fluiden liegen die Siedetemperaturen entweder zu hoch oder, im Falle des Flüssigheliums, nach unten ungünstig weit von der Sprungtemperatur des MgB2-Materials entfernt.
Weiterhin folgt, dass allerdings auch kein anderes Material der heute bekannten Standard-Supraleitermaterialien für eine Realisierung von Flüssigwasserstoff-Niveausonden oder Flüssigneon-Niveausonden geeignet ist - aufgrund zu niedriger oder deutlich zu hoher Sprungtemperaturen.
Das Verfahren ist nicht an eine bestimmte Ausformung des MgB2-Supraleiters gebunden. Beispielsweise könnte auch mit anderen umgebenden
Stabiiisierungsmaterialien, mit einem MgB2-FiIm 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 sind. Zu beachten ist in jedem Falle das Verhältnis von
Wärmeleitung, Wärme abführender Oberfläche und ohmscher
Wärmeentwicklung im MgB2-Material inklusive eventueller Shuntwiderstände.
Die Konzeption der Erfindung wird durch eine Füllstandsmessung mit einer in Figur 2 dargestellten Füllstandsmesssonde 13 exemplarisch realisiert.
Die Füllstandsmesssonde 13 ist derart ausgebildet, dass in einem mechanisch stabilen Hüllrohr 7 mit Durchbrüchen 10 der Filamentdraht 6 mit dem Supraleiter 1 , die elektrische Kontaktierung, die resistive Initialheizung 2 und die Spanneinrichtung 9 für den Filamentdraht 6 angeordnet sind. Das Hüllrohr 7 weist an seinem unteren Ende ein unteres Abschlussstück 12 und an seinem oberen Ende ein oberes Anschlussstück 11 auf. Die Spanneinrichtung 9 ist in der dargestellten Ausgestaltung als Feder ausgeführt, die den Filamentdraht 6 spannt und Längenänderungen infolge Temperaturschwankungen ausgleicht. Die Feder ist dabei im oberen Anschlussstück 11 fixiert und der Initialbereich des Filamentdrahtes 6 ist mit der resistiven Initialheizung 2 am oberen Ende des Filamentdrahtes 6 angeordnet. Der Filamentdraht 6 ist an seinem unteren Ende über das untere Abschlussstück 12 mit dem Hüllrohr 7 elektrisch kontaktiert. Im Hüllrohr 7 sind Durchbrüche 10 bevorzugt in Form von Löchern angeordnet, durch welche das kryogene Fluid mit dem Filamentdraht 6 direkt in Kontakt kommen kann. Die Füllstandsmesssonde 13 gemäß Figur 2 ist in Zweileiter-Schaltung über elektrische Leitungen 8 elektrisch angeschlossen, und es kann im Vergleich zur Vierleiter-Schaltung auf zwei elektrische Durchführungen verzichtet werden. Diese Bauart zeichnet sich aus durch eine einfache und robuste Gestaltung der Sonde. Aufgrund der wenigen Teile und der geringen Anzahl unterschiedlicher Materialien ist weiterhin eine kostengünstige Realisierung möglich. Insbesondere werden weder an das Hüllrohr noch an die Endstücke besondere Forderungen gestellt: Material, Durchmesser, Stärke, Oberflächenbehandlung, Toleranzen oder die zum Einsatz kommende Fügetechnik sind in weiten Grenzen frei wählbar.
Der eingesetzte MgB2-Filamentdraht 6 geeigneten Durchmessers und Stabilisierungsanteils weist in der dargestellten Ausführung einen Gesamtdurchmesser in der Größenordnung von ca. 0,1 mm auf. Der Filamentdraht 6 wird mittels einer geeigneten Befestigung in vertikaler Ausrichtung gehalten und wie erwähnt etwa mittels einer mechanischen Feder 9 innerhalb des Hüllrohrs 7 bis auf die elektrischen Kontaktierungen an beiden Enden berührungsfrei gespannt gehalten. Der normalleitende Mantel des Filamentdrahts 6 sorgt hierbei für ausreichende Festigkeit.
Eine andere Ausgestaltung besteht in der Fixierung des Supraleiters 1 auf einer planen Trägerkonstruktion, welche weiterhin gleichzeitig Leiterbahnen und Anschlusspunkte für die erforderliche Kontaktierung aufnehmen kann. Vorteile hier sind eine einfache Montage- und Inspektionsmöglichkeit für den Supraleiter 1.
Wie in Figur 2 dargestellt, ist dabei vorteilhaft das gesamte Arrangement von Supraleiter, elektrischer Kontaktierung, Initialheizung und Spanneinrichtung innerhalb des Schutzmantels untergebracht, etwa in Form eines metallischen oder nichtmetallischen, mechanisch stabilen Hüllrohres 7. Dieses schützt den empfindlichen Filamentdraht 6 mitsamt filigranem Aufbau vor Beschädigungen während der Bereitstellung, der Montage oder dem Betrieb der Sonde. Zusätzlich können Kurzschlüsse zwischen anderen Einbauten und dem typischerweise elektrisch nicht isolierten Filamentdraht vermieden werden; weiterhin kann das Hüllrohr 7 auch andere Aufgaben erfüllen (Halterahmen Spannkonstruktion, elektrische Rückleitung ab unterem Kontaktierungspunkt Filamentdraht). Zusätzlich kann durch eine geeignete Ausformung dieser Umhüllung auch eine eventuell erwünschte Dämpfung etwaiger Niveaufluktuationen bewirkt werden, insbesondere z. B. durch ein beidseits geschlossenes Hüllrohr 7 mit definierten seitlichen Bohrungen 10.
Mit Einschalten des elektrischen Stroms 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 von 10° bis 102 s 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 1 A und Spannungen im Bereich 0 bis 20 V kann der Restwiderstand über das MgB2-Filament problemlos mit hinreichender Genauigkeit bestimmt und mittels bekannter Materialparameter (spezifischer elektrischer Widerstand, Dimensionierung) oder nach Maßgabe separater Kalibriermessungen direkt in eine Füllstandshöhe umgerechnet werden.
Alternativ wird anstelle der Widerstandsmessung auch die Änderung einer Induktivität bzw. die Änderung des Abschirmeffekts von MgB2-Material in supraleitendem bzw. normalleitendem Zustand zur Detektion des Füllstands ausgenutzt werden, wie in der DE 197 55 378 A 1 und in der
DE 198 34 349 A 1 beschrieben. Hierbei basiert die Ankopplung auf einem völlig anderen physikalischen Prinzip; die Anordnung und Ausformung des MgB2-Materials kann vollkommen anders gestaltet sein.
Im Gegensatz zu anderen Methoden, wie Wägung oder kapazitiver Messung, ist der genutzte physikalische Effekt bei jeder der oben geschilderten Methoden unter Einsatz eines supraleitenden Materials 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 Messstroms: 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 Zunahmen des Flüssigniveaus im Bereich von einigen cm pro Sekunde können problemlos mitverfolgt werden. Auch das Vorliegen von Wellenbewegungen bis zu Frequenzen von einigen Hertz oder „Schwappen" etwa innerhalb eines Tanks können mit der dergestalt aufgebauten Sonde abgebildet werden.
Wie gefunden wurde, weist eine solchermaßen aufgebaute Flüssigwasserstoff- Füllstandssonde überdies eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften auf: ■ kontinuierliche (nicht-diskrete) Niveaubestimmung,
■ hohe Auflösung und Messgenauigkeit (typ. 0,1 bis 1 mm),
■ hohe Reproduzierbarkeit (typ. 0,1 bis 1 mm),
■ hohe Linearität (besser 99,9 %) ■ gute Wiedergabe von sich mit der Zeit ändernden oder fluktuierenden Flüssigkeitsniveaus („Flankensteilheit" Messsignal typ. 101 cm/s),
■ bei entsprechender Anpassung auch für Flüssigneon geeignet.
Auch ergeben sich diverse Vorteile gerade für die Einsetzbarkeit als Füllstandsmesseinrichtung im Fahrzeugbereich.
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,
• elektrische Ströme und Spannungen in gut handhabbarem Bereich (Größenordnungen 0,1 A und 1 bis 10 V, d. h. relativ unempfindlich gegen Rauschen und Störgrößen; aufgrund der gleichzeitig hohen Linearität anspruchslose Ansteuer- und Auswerteschaltungen),
• direkte Messung der interessierenden Größe (hier Position Phasengrenze flüssig-gasförmig),
• moderater Wärmeeintrag in den tief kalten Bereich, je nach Einsatzfall über weite Bereiche variierbar,
• extrem hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit,
• kaum zu beeinträchtigen durch etwaige Partikel oder Verunreinigungen in dem zu messenden Fluid,
• keine relevanten Degradationseffekte bekannt. LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1 Supraleiter
2 steuerbare Wärmequelle, resistive Initialheizung
3 Stromquelle
4 Spannungsmesseinrichtung, Auswertung
5 Flüssigwasserstoff-Behälter
6 Filamentdraht
7 Hüllrohr
8 elektrische Leitungen
9 Spanneinrichtung, Feder
10 Durchbrüche, Bohrungen im Hüllrohr
11 oberes Anschlussstück
12 unteres Abschlussstück
13 Füllstandsmesssonde

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Supraleitende Füllstandsmesseinrichtung für Flüssigwasserstoff, insbesondere in Kraftfahrzeugtanks, oder für Flüssigneon, wobei in einem Flüssigwasserstoff-Behälter (5) vertikal oder gegenüber der Senkrechten geneigt ein Supraleiter (1) auf der Basis von Magnesiumdiborid MgB2 angeordnet ist und dass am oberen Bereich des Supraleiters (1 ) eine steuerbare Wärmequelle (2) angeordnet ist, wobei der Supraleiter (1 ) mittels Verdrahtung mit einer Stromquelle (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 mit einer Stabilisierung in Form eines Mantels oder eines Trägers versehen ist.
3. Füllstandsmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierung aus Eisen oder Chrom-Nickel- Stahl besteht.
4. Füllstandsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Supraleiter (1) aus Magnesiumdiborid MgB2 in einem Filamentdraht (6) als Kern angeordnet und von einem Mantel aus Metall umgeben ist.
5. Füllstandsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Filamentdraht (6) einen Durchmesser von 10 μm bis 500 μm aufweist.
6. Füllstandsmesseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Filamentdraht (6) einen Durchmesser von 125 μm und eine Länge von bis zu 0,5 m aufweist.
7. Füllstandsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (2) als resistive elektrische Heizung ausgebildet ist, die mit dem Supraleiter (1 ) in Reihe geschaltet ist.
8. Füllstandsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Supraleiter (1) über eine Zweileiter- Verdrahtung verschaltet ist.
9. Füllstandsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Supraleiter (1) unter Einsatz einer einzigen elektrischen Durchführung verschaltet ist und dass dazu der Supraleiter (1 ) bis zur Wandung oder dem Boden des Flüssigwasserstoff-Behälters (5) geführt und mit diesem elektrisch kontaktiert ist.
10. Füllstandsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (2) als Wärmebrücke zu höheren Temperaturbereichen ausgebildet ist.
11. Füllstandsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Füllstandsmesssonde (13) derart ausgebildet ist, dass in einem mechanisch stabilen Hüllrohr (7) mit Durchbrüchen (10) der Filamentdraht (6) mit dem Supraleiter (1), die elektrische Kontaktierung, die Initialheizung (2) und die Spanneinrichtung (9) für den Filamentdraht (6) angeordnet sind, wobei das Hüllrohr (7) an seinem unteren Ende ein unteres Abschlussstück (12) und an seinem oberen Ende ein oberes Anschlussstück (11 ) aufweist.
12. Verfahren zur Füllstandsmessung in Behältern zur Speicherung tiefsiedender Gase wie Flüssigwasserstoff oder Flüssigneon, aufweisend folgende Schritte:
1 Ruhezustand, kein Stromfluss durch die Sonde, Heizung 2 so vorhanden nicht aktiviert: Supraleiter (1 ) ist typischerweise über die gesamte Länge sowohl im Bereich der Fiüssig- als auch der Gasphase in supraleitendem Zustand;
' Starten der Messung: Aktivieren eines Stromflusses entlang Supraleiter (1 ), gleichzeitig oder kurz zuvor oder kurz darauf Aktivierung der Heizung (2);
1 Initialphase: durch Einfluss von Heizung (2) oder durch andere äußere Einflüsse wird ein mehr oder weniger kleiner Bereich von Supraleiter (1 ), der Initialbereich, typischerweise in der Nähe des oberen Endes, in den normalleitenden Zustand gebracht oder befindet sich permanent in diesem, woraufhin aufgrund des gleichzeitig vorliegenden Stromflusses daraufhin in diesem Bereich ohmsche Wärme erzeugt wird;
' Propagationsphase: die normalleitende Phase breitet sich entlang von Supraleiter (1 ) aus durch die resistive Wärmeentwicklung in den bereits normalleitend gewordenen Bereichen, in Kombination mit der Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Anordnung, wobei die resistive Wärmeentwicklung im MgB2-Filamentdraht und die der Erwärmung entgegenwirkende Kühlung durch das umgebende Kaltgas bzw. die umgebende Flüssigkeit einander angepasst sind und die Propagations- geschwindigkeit, in gewissen Grenzen einstellbar über die Stromstärke, im Bereich von 101 bis 102 mm/s liegt;
' Erreichen Beharrungszustand: bei Annäherung an die Flüssigkeits-Oberfläche verlangsamt sich die Propagation zunehmend und kommt bei passend eingestellter Stromstärke aufgrund der viel intensiveren Kühlung innerhalb der Flüssigphase schließlich auf Höhe der Phasengrenze zum Stillstand, wobei sich der über dem Supraleiter (1) gemessene Spannungsabfall einem konstanten Wert annähert;
' Messphase: sobald ein hinreichend konstanter Wert erreicht ist, entweder nach voreingestellter Wartezeit bis zum sicheren Erreichen der Flüssigphase in jedem Betriebszustand des Systems oder durch Mitverfolgen der Widerstandsänderung, wird dieser über die Spannungsmesseinrichtung (4) automatisch bestimmt und gespeichert, wobei dieser Messmodus entweder für eine längere Zeit aufrechterhalten werden kann um etwaige Fluktuationen des Flüssigniveaus mitzuverfolgen, oder der Sensor bei gespeichertem Messwert wieder bis zu einer Folgemessung deaktiviert werden kann, etwa um den Wärmeeintrag in den Behälter (5) zu minimieren.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der
Wärmeeintrag nach dem Starten der Propagationsphase auf ein bis zwei Sekunden limitiert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde, nachdem der normalleitende Bereich des Supraleiters (1) die Phasengrenze gasförmig-flüssig in der Messphase erreicht hat, stromlos geschaltet wird und intermittierend alle 102 Sekunden bis 104 Sekunden eine neue Messung gestartet und der Messwert aktualisiert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, 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 und c) nach erfolgter Füllstandserfassung der Supraleiter (1 ) und die Wärmequelle (2) stromlos geschaltet werden.
16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorübergehende oder dauerhafte Verhinderung der supraleitenden Phase durch gezielte Degradation des MgB2-Materials in dem Initialbereich erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorübergehende oder dauerhafte Verhinderung der supraleitenden Phase durch Applizieren eines magnetischen Feldes erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als tiefsiedende Flüssigkeit Flüssigwasserstoff oder Flüssigneon eingesetzt wird, wobei die Arbeitsstromstärke im Bereich zwischen 0,1 bis 1 Ampere und die Spannung im Bereich von 0 bis 20 Volt liegt.
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