Study of fuel distribution inside cryogenic tanks using capacitive tomographic techniques

This thesis presents a comprehensive investigation into the implementation of Electrical Capacitance Tomography (ECT) as a novel approach for monitoring cryogenic propellants in space propulsion systems. Cryogenic propellants such as liquid hydrogen and liquid oxygen are being used for space propulsion because of their high energy density. However, managing the fuels is a challenging task because the proper storage of propellants in a stable temperature is a tedious task to do. Consequently, when there is fluctuation of temperature, the fluid may exist in multiple phases. Till now there is no proper gauging system for multiple phase fluids in microgravity environments where electrical capacitance tomography poses as a promising option for the measurement of the propellant inside the tank considering its properties of being non-invasive and non-intrusive. The thesis is based on an in-depth literature survey on examining the various aspects of the 3D ECT measurement system including the sensor design, signal conditioning and reconstruction algorithms. By synthesizing the empirical analyses from the previous studies, the thesis outlines the systematic approach for designing an ECT sensor specifically for the given case model. The study also defines the quantitative data of the design parameters such as the thickness of the electrode to be 2.5 mm, 24 electrodes in 3 planes with 8 electrodes in each plane, the length and width of the electrodes of the sensor in propellant tanks to be 78.5 cm and 45 cm respectively and the length and width of the sensor in oxidizer tank to be 78.5 cm and 37 cm respectively through approximation from the empirical analysis. The signal conditioning phase the system of is also defined using theoretical and empirical approach and estimated that an excitation voltage of 24 Vp-p with 2 electrodes excitation mode with a frequency range of 180kHz to 1MHz will produce better results considering the diameter of the sensor. The reconstruction algorithms are comparatively studied to conclude that the projected Landweber algorithm being more aligned with our project. Finally the implementation of the thesis to a prototype is analysed to provide a detailed flow chart to understand and iterate the designing process.

Questa tesi presenta un'indagine completa sull'implementazione della tomografia a capacità elettrica (ECT) come nuovo approccio per il monitoraggio dei propellenti criogenici nei sistemi di propulsione spaziale. I propellenti criogenici come l'idrogeno liquido e l'ossigeno liquido vengono utilizzati per la propulsione spaziale a causa dell'elevata densità di energia, tuttavia la gestione dei combustibili è un compito impegnativo perché il corretto stoccaggio dei propellenti a una temperatura stabile è un compito noioso da svolgere. di conseguenza quando c'è fluttuazione di temperatura, il fluido può esistere in più fasi. Fino ad ora non esiste un sistema di misurazione adeguato per fluidi multifase in ambienti di microgravità dove la tomografia capacitiva elettrica rappresenta un'opzione promettente per la misurazione del propellente all'interno del serbatoio considerando le sue proprietà di essere non invasiva e non intrusiva. La tesi si basa su un'approfondita indagine della letteratura sull'esame dei vari aspetti del sistema di misurazione ECT 3D, inclusa la progettazione del sensore, il condizionamento del segnale e gli algoritmi di ricostruzione. Sintetizzando le analisi empiriche degli studi precedenti, la tesi delinea l'approccio sistematico per la progettazione di un sensore ECT specifico per il modello di caso dato. Lo studio definisce anche i dati quantitativi dei parametri di progettazione come lo spessore dell'elettrodo da 2,5 mm, 24 elettrodi su 3 piani con 8 elettrodi su ciascun piano, la lunghezza e la larghezza degli elettrodi del sensore nei serbatoi di propellente da 78,5 cm e 45 cm rispettivamente e la lunghezza e la larghezza del sensore nel serbatoio dell'ossidatore saranno rispettivamente 78,5 cm e 37 cm attraverso l'approssimazione dell'analisi empirica. Anche la fase di condizionamento del segnale del sistema è definita utilizzando un approccio teorico ed empirico e si stima che una tensione di eccitazione di 24 Vp-p con modalità di eccitazione a 2 elettrodi con un intervallo di frequenza compreso tra 180 kHz e 1 MHz produrrà risultati migliori considerando il diametro del sensore. Gli algoritmi di ricostruzione sono studiati comparativamente per concludere che l'algoritmo di Landweber progettato è più in linea con il nostro progetto. Infine viene analizzata l'implementazione della tesi in un prototipo per fornire un diagramma di flusso dettagliato per comprendere e iterare il processo di progettazione.