In der Luftfahrt sind aus den letzten Jahrzehnten mehrere Flugzeugabstürze bekannt, die nach letzten Erkenntnissen durch Explosionen von Flugzeugtanks verursacht wurden. Ein besonders krasser Vorfall ist der Absturz eines Flugzeuges, bei dem es kurz nach dem Start in New York im Juli 1996 zu einer Explosion kam. Dabei explodierte ein Treibstofftank und führte zum Absturz der Maschine. Die genaue Ursache für die Zündung der Explosion konnte nicht bis ins Detail ermittelt werden. Nach diesem Vorfall hat sich jedoch die Diskussion um eine Prävention solcher Vorfälle wesentlich intensiviert. Die amerikanische Flugfahrtaufsichtsbehörde (FAA) initiierte ein Programm, in dem verschiedene Ansätze zum sicheren Betrieb von Flugzeugtanks untersucht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Bildung eines zündfähigen Luft/Treibstoff- Gemischtes im Tank durch Erniedrigung des Sauerstoffanteiles zu verhindern. Dies wird beispielsweise in der Literaturstel- le [1] beschrieben. Dabei wird an Bord eines Flugzeuges ein System mitgeführt, welches das Stickstoff angereicherte Luft erzeugt. Die Tanks werden mit dieser Luft gefüllt, bis die untere Zündgrenze unterschritten ist. Diese liegt je nach Be- triebsbedingungen bei 11,5 bis 12 Vol.-% Sauerstoff. Diesbe- züglich ist die Literaturstelle [2] relevant. Zur Überprüfung der Wirksamkeit dieser Maßnahme ist die Sauerstoffkonzentra

tion in den Tanks permanent zu überwachen. Die Schwierigkeit bei der Messung liegt in der Tatsache, dass es in größeren Flugzeugen mehrere Tanks gibt und diese jeweils unterteilt sind, um einen unkontrollierten Treibstofffluss zu verhin- dern. Dadurch entstehen viele einzelne gasgefüllte Hohlräume, die ein homogenes. Spülen mit inertem Gas erschweren. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den Sauerstoffgehalt an mehre- ren Stellen zu messen.

Systeme zur Spülung eines Flugzeugtanks mit Stickstoff ange- reicherter Luft sind bisher nicht routinemäßig im Einsatz.

Bei Experimenten mit Flugzeugtanks wurde ein zentraler Sauer- stoffmonitor eingesetzt, dem die zu untersuchende Luft aus den einzelnen Tanks über ein Rohrleitungssystem zugeführt werden. Dabei werden die einzelnen Messpunkte sukzessive zyk- lisch abgefragt. Siehe hierzu die Literaturstelle [3]. Die Messgasförderung erfordert bei diesem System einen erhebli- chen technischen Aufwand. Da ein zusätzliches Leistungssystem für potentiell explosive Gasgemische benötigt wird, ergibt sich somit eine zusätzliche Gefahrenquelle.

Verfahren zur Messung der Sauerstoffkonzentration sind zahl- reich. Die bekanntesten Verfahren stehen in Zusammenhang mit einer elektrochemischen Zelle, Pumpsonden mit Festelektroly- ten (Lambda-Sonde), Verfahren, die den Paramagnetismus von Sauerstoff als Messeffekt ausnutzen, Fluoreszenz Quenching oder optische Absorptionsspektroskopie.

Die meisten dieser Verfahren eignen sich für den Einsatz im oder am Flugzeugtank wenig, da hierbei hohe Anforderungen an einen entsprechenden Sensor gestellt werden. Ein Sensor in diesem Bereich sollte beispielsweise eine Lebenserwartung von weit über 10 Jahren aufweisen. Weiterhin ist eine langzeit- stabile Kalibrierung der Konzentration notwendig. Das Verfah- ren muss sich selbst überprüfen können, um fehlerhafte Mes- sungen auszuschließen. Die Betriebstemperatur sollte im Be- reich von-55° C bis +85° C liegen. Der Sensor muss Luft

druckschwankungen im Bereich von 250 bis 1100 mbar aushalten.

Die Luftfeuchte im Messbereich liegt zwischen 0 und 100% re- lativer Luftfeuchte.

Die bei den Versuchen eingesetzten elektrochemischen Zellen weisen für die geplante Anwendung einige gravierende Nachtei- le auf. Es ergeben sich beispielsweise begrenzte Lebensdauern von ca. 2 Jahren, was einen kostenintensiven Austausch in re- gelmäßigen Abständen erforderlich macht. Da für die Funktion der elektrochemischen Zelle Feuchtigkeit benötigt wird, kann die Zelle beim Betrieb in trockener Luft, wie es im Flugzeug angestrebt wird, schnell austrocknen. Dies führt zu einer Verkürzung der Lebensdauer. Daneben ist ein Betrieb bei nied- rigen Temperaturen nicht möglich, weil der Elektrolyt aus- friert.

Pumpsonden mit Festelektrolyt scheiden aus, da diese zum Be- trieb auf mehrere 100° C aufgeheizt werden müssen und somit eine Zündquelle für das Luft/Kraftstoff-Gemisch darstellen.

Paramagnetische Verfahren nutzen ein aufwändiges mechanisches Messsystem mit einer Waage, die gegenüber Vibrationen und Be- schleunigungen, wie sie im Flugzeug auftreten, anfällig ist.

Derzeit werden Anstrengungen unternommen Sensoren nach dem Prinzip des Fluoreszenz Quenching für die angestrebte Anwen- dung zu entwickeln. Dabei werden kurzwellige Lichtpulse mit einem Lichtwellenleiter in einen Bereich der Faser gebracht, die mit einer speziellen fluoreszierenden Substanz beschich- tet ist. Die Fluoreszenzintensität sowie die Abklingzeit der Fluoreszenz hängen von der Sauerstoffkonzentration in der Um- gebung ab. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die fehlende Möglichkeit der Selbst-Überprüfung. Die Korrelation der Sau- erstoffkonzentration mit der Messgröße hängt von der chemi- schen Langzeitstabilitat der Fluoreszenzschicht gegenüber al- len auftretenden Umwelteinflüssen ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, womit die Entstehung von zündfähigen Gemischen innerhalb eines Flugzeugtanks fest- stellbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merk- malskombination der Ansprüche 1 bzw. 10. Vorteilhafte Ausges- taltungen können den jeweiligen abhängigen Ansprüchen entnom- men werden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Laser- absorptionsspektroskopie die Anforderungen an einen Sensor zur Detektion von Sauerstoff in einem Flugzeugtank insgesamt erfüllt. Dabei wird die Laserabsorptionsspektroskopie im sichtbaren und im infraroten Wellenlängenbereich eingesetzt.

Ausgewertet werden insbesondere einzelne, jeweils ausgewählte Absorptionslinien des Sauerstoffmoleküle im Bereich zwischen 758 bis 766 nm.

Die Laserabsorptionsspektroskopie ist ein an sich bekanntes Verfahren. Eingesetzt werden Laser bzw. Laserdioden, die im statischen Betriebszustand monochrom emittieren. Ausgenützt wird dabei die Wellenlängenabstimmbarkeit, indem beispiels- weise die Betriebstemperatur variiert wird. Damit kann ein Wellenlängenintervall überstrichen werden, welches an die Stelle einer ausgewählten Absorptionslinie im Spektrum des Zielgases, hier Sauerstoff, gesetzt wird. Das Laserlicht durchstrahlt eine gezielt positionierte Gasabsorptionsstre- cke, in der sich der Sauerstoff befindet, falls er in dem Tank existent ist. Bei Anwesenheit von Sauerstoff wird eine wellenlängenabhängige Schwächung des durchgehenden Lichtes auftreten. Die Schwächung korreliert immer mit der Konzentra- tion des zu messenden Gases. Ein Fotodetektor nimmt das Spektrum auf, das in einer nachfolgenden Signalverarbeitungs- elektronik aufbereitet und mit entsprechender Software auf einem Prozessor ausgewertet wird. Zur Auswertung verwendbare

Verfahren in der Laserspektroskopie sind entweder die direkte Absorptionsmessung, ein Derivativverfahren oder hochfrequente Modulationsverfahren wie beispielsweise das Heterodyn- Verfahren, wie es in den Literaturstellen [4] und [5] be- schrieben wird.

Die Absorptionsmessstrecke wird am Tank eines Flugzeuges der- art positioniert, dass sämtliche mit elektrischen Leitungen verbundenen Bauelemente des Sensors außerhalb des Tankes bzw. außerhalb der Tankwand platziert sind. In den Innenraum des Tanks ragt lediglich eine Halterung mit einem am Ende vorhan- denen zurückreflektierenden Element hinein. Die gesamte An- ordnung wird im oberen Bereich eines Tanks insbesondere an einer erhabenen Stelle, an der beispielsweise der Tank eine Ausbuchtung aufweist, angebracht. Diese Positionierung ist damit verbunden, dass in der Gasphase gemessen wird. Der Sau- erstoffsensor sollte möglichst nicht von Treibstoff umspült werden bzw. möglichst schnell in einem Gasvolumen messen kön- nen, in dem sich innerhalb eines Flugzeugtanks Gase ansam- meln. Als Ergebnis sitzen somit die Sende-und Empfangsele- mente sowie in der Regel auch ein Temperatursensor außerhalb der Tankwand, eine Durchführungsöffnung in der Tankwand ist mit einem für die im Betrieb verwendeten Lichtwellenlängen durchlässigen Fenster abgeschlossen und Halterung und Reflek- tor reichen in den Tank hinein, so dass eine Absorptionsmess- strecke innerhalb des Tankes dargestellt ist. Der Reflektor kann vorteilhafterweise ein Retroreflektor sein. Weitere Vor- teile werden mittels eines Hohlspiegels erreicht.

Überwacht werden die zündfähigen Gemische durch die Detektion von Sauerstoff mit der zusätzlichen Messung der Sauerstoff- konzentration. In der Regel wird eine untere Zündgrenze eines Gemisches aus Sauerstoff und den möglichen Dämpfen des Treib- stoffes überwacht, indem die Sauerstoffkonzentration gemessen wird.

Im Folgenden werden anhand von schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrie- ben.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Sauerstoffmonitors, angebracht an der Oberseite eines Flugzeugtanks, Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Sauer- stoffmonitors, der in der Tankwand mittels einer Ein- lochmontage mit Gewinde und Dichtung angebracht ist.

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messsonde ange- bracht im oberen Teil des Flugzeugtanks. Laser und Fotodetek- tor befinden sich außerhalb des Tankinnenraumes. Nur der op- tische Laserstrahl gelangt durch ein Fenster 3 in das Innere des Tanks 1, wo in einem Messgasvolumen die Sauerstoffabsorp- tion gemessen werden soll. Durch diese Konstruktion wird ver- hindert, dass zusätzliche elektrische Leitungen in den Tank geführt werden müssen, die grundsätzlich ein potentielles Explosionsrisiko darstellen. In dem Ausführungsbeispiel ent- sprechend Figur 1 reflektiert ein Hohlspiegel das Licht und fokussiert es auf den Fotodetektor, die Fotodiode 7. Der Re- flektor 5 kann auch als einfach diffus spiegelnde Oberfläche dargestellt sein, wobei jedoch eine Sammeloptik im Strahlen- gang zur Aufbereitung des Empfangssignals nötig ist.

Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform relativ zu Fi- gur 1. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der einfachen Montage. Der Monitor wird in eine Gewindebohrung in der Tank- wand eingeschraubt. Der Sensor wird möglichst an der erha- bensten Stelle des Tankes angebracht, so dass die Wahrschein- lichkeit, dass Treibstoffes in den Strahlengang gelangt, ge- ring ist. Solange nicht dauernd Treibstoff den Strahlengang blockiert, wird eine Spektralmessung möglich sein. Denn die Aufnahme eines Spektrums dauert nur wenige Millisekunden.

Spektren, die teilweise oder ganz durch Treibstoff im Strah- lengang der Absorptionsmessstrecke beeinträchtigt sind, kön

nen leicht von ungestörten Spektren unterschieden und so für die Messung herausgefiltert werden.

Da das Verfahren einen hohen dynamischen Bereich für das op- tische Empfangssignal aufweist, siehe Literaturstelle [6], kann auch ein Beschlagen des Fensters 3 bzw. des Reflektors 5 in weiten Grenzen toleriert werden. Da die spektrale Messung immer die ganze Absorptionslinie liefert, insbesondere auch die Bereiche, in denen keine bzw. geringe Absorption auf- tritt, wie beispielsweise ein Bereich neben einer Absorpti- onslinie, ist der Messhintergrund bekannt und eine wellenlän- genunabhängige Änderung der Transmissionen der Messzelle stört die Konzentrationsmessung nicht. Die Konzentration des Gases ist proportional zum Verhältnis der minimalen Transmis- sion im Zentrum der Absorptionslinie zur Transmission neben der Linie.

Weiterhin erlaubt die schmale spektrale Linienbreite der La- seremission, die typischerweise geringer als 1 % der Halb- wertsbreite der Absorptionslinie ist, die Aufnahme eines Spektrums ohne spektrale Verbreiterung durch das Messinstru- ment. Das gemessene Spektrum kann direkt mit einem berechne- ten Spektrum bei Kenntnis der Molekülparameter wie der Über- gangsfrequenz, integrierter Linienstärke, Druckvertei- lungskoeffizienz und Energie des Anfangszustandes sowie Länge des Absorptionsweges, Temperatur und Druck verglichen werden.

Der einzige freie Parameter ist dann die Gaskonzentration. Es gehen also in die Berechnung keine Geräteparameter ein. Da- durch wird das Verfahren zu einem Referenzverfahren und ist damit prädestiniert für die angestrebte Anwendung, bei der es wesentlich auf die Langzeitstabilität der Konzentrationska- librierung ankommt.

Die Parameter der Laserdiode, die in die Messung eingehen, sind die Krümmung der Laserkennlinie und die Korrelation zwi- schen Laserstrom und der Emissionswellenlänge. Die Krümmung der Laserkennlinie wird als parabolisch angenommen. Eine Än

derung der Krümmung wird bei der Auswertung berücksichtigt und beeinflusst das Messergebnis daher nicht. Die Änderung der Korrelation zwischen Laserstrom und Emissionswellenlänge kann durch Messung des Sauerstoffspektrums bei verschiedenen Temperaturen jederzeit nachkalibriert werden.

Zur Selbstjustierung ist anzumerken, dass im Normalfall eine kleine Korrektur durchzuführen ist, für den Fall, dass die gemessene Position der Absorptionslinie nicht mit der gespei- cherten Position übereinstimmt. In diesem Fall verschiebt man die instrumentelle Wellenlängenskala bis beide Positionen der Absorptionslinien wieder übereinstimmen. Wenn die Diskrepanz größer ist, muss ein größerer Bereich des Spektrums gemessen werden (bei verschiedenen Temperaturen), in dem mehrere Ab- sorptionslinien auftreten. Aus dem bekannten Intensitätsver- hältnis der verschiedenen Linien lässt sich dann das gemesse- ne Spektrum eindeutig dem gespeicherten Spektrum bezüglich der Wellenlängenskala zuordnen.

Solange noch eine Restmenge Sauerstoff im Tank vorhanden ist, kann immer eine Sauerstoffabsorption zweifelsfrei identifi- ziert werden. Damit kann sich das System selbst überprüfen.

Solange die Absorption gemessen wird, ist sichergestellt, dass die Laserwellenlänge stimmt und die komplette Auswerte- elektronik und Software korrekt funktioniert. Wenn in der Messzelle kein Sauerstoff zu erwarten ist, kann durch Strahl- teilung ein Referenzweg erzeugt werden, in dem eine Referenz- zelle mit Sauerstoff angebracht ist. Ein Fotodetektor im Re- ferenzzweig nimmt dann das Spektrum auf. Die Auswertung er- folgt wie im vorliegenden Fall. Es werden keine bewegten Tei- le benötigt. Somit tritt auch kein mechanischer Verschleiß und keine Beeinflussung durch Vibrationen und Beschleunigun- gen auf.

Das Verfahren der Laserspektroskopie zur Detektion von Sauer- stoff erfüllt insgesamt die Anforderungen zum Einsatz an ei

nem Flugzeugtank. Dabei treten bestimmte Merkmale besonders hervor. Sehr wichtig ist das Merkmal der Selbstüberprüfung, so dass zu jedem Zeitpunkt automatisch feststellbar ist, ob die aktuelle Messung korrekt ist oder nicht. Dies begründet sich darauf, dass zu jeder Zeit eine vorbestimmte sogenannte Signatur, also ein Absorptionsspektrum der Sauerstofflinie, vorliegen muss, die genügend Merkmale für eine eindeutige Identifikation des Messgasspektrums aufweist.

Figur 1 zeigt im einzelnen einen Tank 1, der teilweise auf- gebrochen ist und von einer Tankwand 2 umrandet ist. Bezogen auf das Messfenster 3 lassen sich die innerhalb des Tankvolu- mens platzierten Teile der Absorptionsmessstrecke, der Re- flektor 5 und eine nicht dargestellte Halterung, klar trennen von den außerhalb des Tankvolumens positionierten Bauteilen der Absorptionsmessstrecke, die eine elektrische Stromversor- gung aufweisen. In diesem Fall wird das Fenster 3 zu einem Teil der Tankwand 2. Eine ebenfalls extern angebrachte Sen- sorelektronik 4, die ebenfalls gegenüber dem Tank isoliert ist, ist über elektrische Verbindungen 9 mit der Absorptions- messstrecke verbunden. Anhand der Übertragung 10 können auf bereitete Messsignale nach außen hin übertragen werden. Die ausreichende Länge 11 der Absorptionsmessstrecke beträgt un- gefähr 2 x 5 cm, wobei der doppelte Durchlauf der Lichtstrah- len berücksichtigt ist.

Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Sauer- stoffmonitors mit einer Bauform, die einen Einbau des Sensors senkrecht zur Tankwand 2 ermöglicht. Dabei wird der Sender senkrecht zur Tankwand 2 durch diese hindurch geführt und festgeklemmt bzw. eingeschraubt. Der Reflektor 5 stellt eben- so wie in Figur 1 zusammen mit den elektrisch angeschlossenen Bauelementen der Laserdiode 6, der Fotodiode 7 und dem Tempe- ratursensor 8 die Absorptionsmessstrecke dar, wobei das Fens- ter 3 eine Trennlinie zwischen innen liegenden und außen lie- genden Bauelementen darstellt. Das Fenster 3 ist in diesem Fall wiederum ein Ersatz zur Tankwand 2.

Literatur : [1] FAA Report Nr. : DOT/FAA/AR-01/6, Inerting of a vented aircraft fuel tank test article with nitrogen-enriched air, M. Barns, W. M. Cavage, April 2001 [2] FAA Report Nr. : FAA-RD-71-42, Inerted fuel tank oxygen concentration requirements, S. V. Zinn, Jr., August 1971 [3] FAA Report Nr. : DOT/FAA/AR-01/63, Ground and flight testing of Boeing 737 center wing fuel tank inerted with nitrogen-enriched air, M. Barns, W. M. Cavage, August 2001 [4] IPM-Forschungsberichte 24-4-92, R. Grisar, Quantitative Gasanalyse mit abstimmbaren IR-Diofenlasern, 1992 [5] Patentschrift US 5,625, 189, McCaul et al.

[6] Takaya Iseki, Hideo Tai, Kiyoshi Kimura, A portable re- mote methane sensor using a tunable diode laser, Meas.

Sci. Technol., 11, 2000,594-602