Sensors for measuring levels of aircraft fuel

Fuel in aircraft is subjected to be transferred between the tanks during flight for different reasons. This requires a reliable fuel management system which mainly relies on fuel level probes. In such huge mobile tank, fuel probe contamination due to turbulence during flight and inaccuracy as result of fuel property variation as function of temperature are on the top of the list for existing challenges. In accordance to this, aim of the research is to develop a reliable fuel level instrument to address not only the dynamic operating condition issues but also design issues in currently available fuel probes. First, a fuel probe base on differential pressure sensing approach is developed. The phase-sensitive demodulation of the signal is performed by discrete Fourier transform. Despite of linear response in both AC and DC under steady state condition, the performance is evaluated in presence of weak and strong turbulences. In addition, thermal behavior of the proposed instrument is characterized and compensated. The obtained results show a combined uncertainty lower than 1 mm, mainly limited by sloshing conditions. It should be noted that the proposed design does not include any compensation for sloshing. It is the differential pressure sensor itself that is more robust to sloshing, with respect to standard capacitive probes. However, the error can be reduced drastically by applying mechanical compensation. In proposed design, probe contamination issue either by liquid itself or creation of foam mainly due to the sloshing is eliminated where it is source of inaccuracy in current capacitive probe and non-contact Time of Flight (ToF) based systems. In addition, its flexible design eliminates the concern related to tank damage in case of a crash in capacitive probes due to their rigid design. Contact based fuel probes should consider the change of the fuel density as function of temperature. In addition, presenting alternative fuels such as biofuel results in growing interest to seek into an instrument to measure fuel properties such as density during the flight. To achieve this, the fuel probe is equipped with proposed in-flight densitometer. The characterization of the proposed densitometer is determined experimentally where linear response is observed. Relative density measurement shows very good agreement with reference values measured by a reference instrument (error less than 1%). Although the proposed instrument is capable to address most of the challenges, its electronics are placed into the tank. It is desired to place the probe excitation outside the fuel tank for safety issue. To achieve this, a novel fuel probe based on phase shifting technique is proposed as second fuel probe in this thesis. In contrast with typical Time domain Reflectometry (TDR) system where the end of cable is open or short-circuited, here, line folds and returns to the measurement electronics which is placed outside the tank. The level measurement is determined due to two physically independent observation. In fact, greater dielectric constant of the liquid with respect to the air, results in variation in the capacity per unit of length and the transmission speed of the electromagnetic wave. Therefore, the proposed system has an intrinsic redundancy and both phase shifting measurements provide a result that varies linearly with the liquid level. As primarily design, twisted pair cable is utilized as waveguide. The instrument is characterized under lumped model where the sensitivity is 0.025 °/mm with resolution of 2.6x10^(-3) ° (0.1 mm). Despite linear behavior, the sensitivity is improved by factor 7 in case of twisting homogeneously magnet wire instead of twisted pair cable. Achieving to such higher sensitivity results in capability to work with liquid with very low dielectric constant such as diesel with the dielectric constant of 2.1. Considering distributed model and twisted pair cable, the instrument shows 9.6 ps/mm for water while 2.2 ps/mm for fuel. To compare with guided wave radar, or generally TDR techniques where the cost for overall data-acquisition system is high, the proposed instrument includes two different sensing approaches in one design providing compact and cost-effective solution while addressing safety issue of probe excitation.

Durante il volo, il carburante presente nei velivoli viene necessariamente spostato fra i diversi serbatoi presenti al loro interno. Ciò richiede un sistema di gestione del combustibile molto affidabile, basato principalmente su sonde che effettuano la misura del livello del carburante nei diversi serbatoi. Le sfide principali di un sistema di questo tipo sono rappresentate dalla contaminazione delle sonde che può succedere a causa delle turbolenze incontrate durante il volo e l’inaccuratezza dei risultati dovuta alla variazione di alcune delle proprietà fisiche del combustibile al variare della temperatura. Scopo di questa Ricerca è lo sviluppo di un nuovo strumento di misura di livello del carburante che si dimostri non solo affidabile anche delle fasi di volo nell’aeromobile ma che al tempo stesso sopperisca alle mancanze degli strumenti attualmente in uso. Il primo strumento per la misura del livello del carburante sviluppato si basa sulla misura differenziale di pressione. È stato impiegato un sensore di pressione piezoresistivo testandone il comportamento sia in continua che in alternata. Le performance dello strumento sono state valutate sia con il carburante in condizioni di quiete che in presenza di perturbazioni deboli e forti. Il sistema ha mostrato una risposta lineare sia in DC che in AC, ma la misura in alternata si è dimostrata più robusta in presenza perturbazioni dello stato del combustibile. Si è inoltre provveduto a caratterizzare e compensare il comportamento dello strumento al variare della temperatura. L’incertezza combinata è inferiore al millimetro e limitata principalmente dalle condizioni di sloshing. È bene notare come il sistema proposto non disponga di alcuna compensazione dello sloshing; è la natura stessa del sensore differenziale di pressione a renderlo più robusto rispetto ai sensori capacitivi standard. L’errore residuo può quindi essere drasticamente ridotto applicando una compensazione meccanica. Nella soluzione proposta i problemi dati dalla contaminazione della sonda da parte del carburante stesso e dalla formazione della schiuma sulla superficie dovuta allo sloshing non sono presenti mentre costituiscono le principali cause di inaccuratezza nei sensori di livello capacitivi o senza contatto come ad esempio i sistemi basati sulla misura del tempo di volo (Time Of Fligth - ToF). In aggiunta, lo strumento può essere realizzato con una struttura flessibile eliminando la possibilità di danneggiare il serbatoio in caso di incidenti come avviene invece con i sensori capacitivi a causa della loro struttura rigida. Le sonde che implementano la misura di livello del carburante mediante contatto devono tener conto della variazione della densità del fluido al variare della temperatura. Inoltre, la presenza sul mercato di nuovi tipi di combustibile, ad esempio i biocarburanti, provoca un sempre maggiore interesse verso la ricerca di nuovi strumenti in grado di misurare anche durante il volo alcune proprietà del carburante come ad esempio la sua densità. Per soddisfare questi requisiti, è stato sviluppato in densitometro in grado di funzionare anche durante il volo da combinare allo strumento per la misura del livello del carburante. Il densitometro proposto in questo Lavoro è stato caratterizzato sperimentalmente mostrando una risposta lineare. La misurazione della densità relativa segue l’andamento dei valori forniti dallo strumento di riferimento con un errore inferiore all’1%. Lo strumento proposto è in grado di confrontarsi con la maggior parte dei limiti degli attuali strumenti per la misura di livello in ambito avionico ma prevede che i componenti elettronici necessari al suo funzionamento vengano alloggiati all’interno del serbatoio. Per motivi di sicurezza sarebbe preferibile un sensore in grado di avere tutte le parti elettroniche al di fuori del serbatoio. Per soddisfare anche questa specifica si è provveduto a sviluppare in innovativo sensore di livello per il carburante basato sullo sfasamento di un segnale elettromagnetico; il secondo strumento proposto all’interno di questo Lavoro di Tesi. Questo strumento vede l’impiego di una linea di trasmissione immersa nel carburante. A differenza della classica tecnica di Time Domain Reflectometry (TDR), in cui la linea termina all’interno del liquido cortocircuitata o come circuito aperto, in questo caso la linea viene piegata su sé stessa e la parte terminale riportata al circuito elettronico posto al di fuori del serbatoio. La misurazione del livello è possibile grazie all’osservazione di due fenomeni fisicamente indipendenti. La maggiore costante dielettrica del liquido rispetto a quella dell’aria determina infatti sia una variazione della capacità per unità di lunghezza che un cambiamento della velocità di propagazione dell’onda elettromagnetica all’interno del fluido stesso. Entrambi questi fenomeni danno luogo a una variazione di fase lineare con il livello del liquido fra la fase misurata all’inizio ed al termine della linea, offrendo quindi una ridondanza intrinseca nella misura di livello. Come guida d’onda è stato utilizzato inizialmente un doppino intrecciato. Caratterizzato a parametri concentrati lo strumento a mostrato una sensibilità di 0.025°/mm con una risoluzione di 2.6x10-3 °(0.1 mm). Realizzando un doppino custom, intrecciando omogeneamente un filo smaltato, è stato possibile aumentare di 7 volte la sensibilità. L’aumento di sensibilità ha reso possibile l’utilizzo dello strumento proposto anche per la misura di liquidi con costante dielettrica molto bassa come ad esempio il carburante diesel che ha una costante dielettrica relativa pari a 2.1. Considerando la linea di trasmissione con un modello a parametri distribuiti, lo strumento ha mostrato una sensibilità di 9.6 ps/mm per l’acqua e una sensibilità di 2.2 ps/mm per il carburante. Confrontata con i sistemi guided-wave radar e con quelli basati su tecniche TDR, caratterizzati da un costo elevato per la parte di sistema deputata all’acquisizione del segnale, la soluzione proposta fornisce in un unico sistema la misura di livello ottenuta con due diversi approcci mantenendo bassi i costi e soddisfacendo al tempo stesso i requisiti di sicurezza legati all’alloggiamento dell’elettronica al di fuori della tank.