Elektryczna pojemnościowa tomografia objętościowa

Elektryczna pojemnościowa tomografia objętościowa ( ECVT ) jest nieinwazyjną technologią obrazowania 3D , pierwotnie opracowaną w Wielkiej Brytanii i Polsce i stosowaną głównie do przepływów wielofazowych. Następnie został ponownie wprowadzony przez W. Warsito, Q. Marashdeh i L.-S. Wentylator zainspirowany wczesnymi publikacjami brytyjskiego i polskiego zespołu rozwinął konwencjonalną elektryczną tomografię pojemnościową (ECT). W konwencjonalnej EW płytki czujnikowe są rozmieszczone wokół interesującej powierzchni. Zmierzona pojemność między kombinacjami płytek jest wykorzystywana do rekonstrukcji obrazów 2D ( tomogramów ) rozkładu materiału. W EW pole otaczające brzegi płytek jest postrzegane jako źródło zniekształcenia ostatecznego zrekonstruowanego obrazu i dlatego jest łagodzone przez elektrody ochronne. ECVT wykorzystuje to pole brzegowe i rozszerza je za pomocą projektów czujników 3D, które celowo ustalają pola elektrycznego we wszystkich trzech wymiarach. Algorytmy rekonstrukcji obrazu mają charakter podobny do EW; niemniej jednak problem rekonstrukcji w ECVT jest bardziej skomplikowany. Matryca czułości czujnika ECVT jest mniej uwarunkowana, a ogólny problem rekonstrukcji jest bardziej źle postawiony w porównaniu z ECT. Podejście ECVT do projektowania czujników umożliwia bezpośrednie obrazowanie 3D zaokrąglonej geometrii. Różni się to od 3D-ECT, które opiera się na układaniu obrazów z poszczególnych czujników ECT. 3D-ECT można również wykonać, układając w stos klatki z sekwencji przedziałów czasowych pomiarów ECT. Ponieważ płytki czujnika ECT muszą mieć długość rzędu przekroju domeny, 3D-ECT nie zapewnia wymaganej rozdzielczości w wymiarze osiowym. ECVT rozwiązuje ten problem, przechodząc bezpośrednio do rekonstrukcji obrazu i unikając podejścia układania. Osiąga się to za pomocą czujnika, który jest z natury trójwymiarowy.

Historia

Elektryczna pojemnościowa tomografia objętościowa została po raz pierwszy wprowadzona przez W. Warsito i L.-S. Fan w prezentacji na 3. Światowym Kongresie Tomografii Procesowej w Banff w Kanadzie w 2003 r. Termin ten został ukuty w 2005 r. W patencie złożonym przez W. Warsito, Q. Marashdeh i LS Fan z naciskiem na objętość w celu odróżnienia technologii od wcześniejszy i ciągły rozwój formy zwanej 3D-ECT , w której tomogramy 2D są układane jeden na drugim w celu utworzenia pseudo-obrazu 3D. To tradycyjne podejście 3D-ECT ograniczyło wykorzystanie obrazowania 3D, ponieważ znaczna długość elektrod ECT wprowadziła poważny spadek rozdzielczości osiowej takich obrazów 3D. ECVT pojawił się jako rozwiązanie tego ograniczenia. ECVT zapewnia bezpośrednie obrazowanie 3D, wykorzystując składowe X, Y i Z pola elektrycznego, które są funkcją konstrukcji czujnika. Po pierwotnej prezentacji z 2003 roku Q. Marashdeh i F. Teixeira opublikowali w 2004 roku publikację, w której przedstawili metodę budowania macierzy czułości dla tych nowych czujników. Ta nowa, pojawiająca się forma technologii była określana jako 3D-ECT aż do zgłoszenia patentu w 2005 roku, kiedy to została wyróżniona jako ECVT. Później, w 2007 roku, opublikowano artykuł w czasopiśmie, szczegółowo opisujący naukowe tło technologii, a chronologiczny porządek rozwoju ECVT został również opublikowany w czasopiśmie tego samego roku.

Zasady

Równania pojemności i pola w ECVT

$elektrody$ utrzymywane przy różnym $w$ elektrycznym i oddzielone skończoną odległością będą indukować pole elektryczne między nimi i wokół nich. $.$ pola jest określony przez geometrię problemu i konstytutywne właściwości ośrodka $jak$ takie przenikalność i przewodność Zakładając reżim statyczny lub quasi-statyczny i obecność bezstratnego ośrodka dielektrycznego , takiego jak doskonały izolator , w obszarze między okładkami, pole jest zgodne z następującym równaniem:

${\ Displaystyle \ nabla. (\ varepsilon \ nabla \ varphi) = 0}$

gdzie $.$ rozkład potencjału elektrycznego W jednorodnym $równaniu$ o jednolitym to sprowadza się do równania Laplace'a . W stratnym o skończonym przewodnictwie, takim jak woda, pole jest zgodne z uogólnionym równaniem Ampera ,

${\ Displaystyle \ nabla \ razy H = \ sigma E + j \ omega \ varepsilon E}$

Biorąc rozbieżność tego równania i wykorzystując fakt, że ${\ Displaystyle E = - \ nabla \ varphi}$ , wynika:

${\ Displaystyle \ nabla. ((\ sigma + j \ omega \ varepsilon) \ nabla \ varphi) = 0}$

gdy płyty są wzbudzane przez harmoniczny czasowo potencjał napięcia o częstotliwości ${\ displaystyle \ omega}$ .

Pojemność jest miarą energii elektrycznej $displaystyle$ w ośrodku, którą można określić ilościowo za pomocą następującej zależności: do { $C}$

${\ Displaystyle W = {\ Frac {1} {2}} \ int _ {} ^ {} \ varepsilon E ^ {2} \, dv = {\frac {1}{2}}CV^{2}}$

gdzie $jest$ pola elektrycznego. Pojemność zmienia się jako nieliniowa funkcja przenikalności dielektrycznej, $varepsilon$ rozkład pola elektrycznego w powyższej całce jest również funkcją $}$ .

Tomografia miękkiego pola

Tomografia miękkiego pola odnosi się do zestawu metod obrazowania, takich jak elektryczna tomografia pojemnościowa (ECT), tomografia impedancyjna elektryczna (EIT), tomografia elektrooporowa (ERT) itp., w których linie pola elektrycznego (lub magnetycznego) ulegają zmianom w obecności perturbacji w ośrodku. Kontrastuje to z tomografią twardego pola, taką jak rentgenowska tomografia komputerowa , w której linie pola elektrycznego nie zmieniają się w obecności badanego. Podstawową cechą tomografii miękkiego pola jest jej zła pozycja. Przyczynia się to do tego, że rekonstrukcja jest trudniejsza do uzyskania dobrej rozdzielczości przestrzennej w tomografii miękkiego pola w porównaniu z tomografią twardego pola. Aby złagodzić źle postawiony problem, można zastosować szereg technik, takich jak regularyzacja Tichonowa. Rysunek po prawej stronie pokazuje porównanie rozdzielczości obrazu między ECVT i MRI.

Systemy akwizycji pomiarów ECVT

Sprzęt systemów ECVT składa się z płytek elektrod czujnikowych, obwodów akwizycji danych oraz komputera do sterowania całym systemem i przetwarzania danych. ECVT jest nieinwazyjną i nieinwazyjną metodą obrazowania ze względu na bezkontaktowe działanie. Przed właściwymi pomiarami konieczna jest procedura kalibracji i normalizacji w celu wyeliminowania wpływu pojemności rozproszonej i ścianki izolacyjnej między elektrodami a obszarem zainteresowania, który ma być zobrazowany. Po kalibracji i normalizacji pomiary można podzielić na sekwencje akwizycji, w których biorą udział dwie oddzielne elektrody: jedna elektroda (TX) jest wzbudzana źródłem napięcia przemiennego w reżimie quasi-elektrostatycznym, zwykle poniżej 10 MHz, natomiast druga elektroda ( RX) jest umieszczony na potencjale ziemi służącym do pomiaru prądu wypadkowego. Pozostałe elektrody są również umieszczone na potencjale ziemi.

Proces ten powtarza się dla wszystkich możliwych par elektrod. Należy zauważyć, że odwrócenie ról elektrod TX i RX skutkowałoby taką samą wzajemną pojemnością ze względu na wzajemność. W rezultacie dla układów ECVT o liczbie N płytek liczba niezależnych pomiarów jest równa N(N-1)/2. Ten proces jest zwykle zautomatyzowany za pomocą obwodów akwizycji danych. W zależności od częstotliwości pracy, liczby płyt i liczby klatek na sekundę systemu pomiarowego, jeden pełny cykl pomiarowy może się różnić; jest to jednak rzędu kilku sekund lub mniej. Jedną z najbardziej krytycznych części systemów ECVT jest konstrukcja czujnika. Jak sugeruje poprzednia dyskusja, zwiększenie liczby elektrod zwiększa również ilość niezależnych informacji o interesującym nas regionie. Jednak skutkuje to mniejszymi rozmiarami elektrod, co z kolei skutkuje niskim stosunkiem sygnału do szumu. Z drugiej strony zwiększenie rozmiaru elektrody nie skutkuje nierównomiernym rozkładem ładunku na płytach, co może zaostrzyć problem. Wymiary czujnika są również ograniczone przez szczeliny między elektrodami czujnikowymi. Są one ważne ze względu na efekty brzegowe. Wykazano, że stosowanie płytek ochronnych między elektrodami zmniejsza te efekty. W zależności od zamierzonego zastosowania czujniki ECVT mogą składać się z jednej lub więcej warstw wzdłuż kierunku osiowego. Tomografia objętościowa z ECVT nie jest uzyskiwana z połączenia skanów 2D, ale raczej z dyskretyzowanych czułości wokseli 3D.

Konstrukcja elektrod jest również podyktowana kształtem badanej domeny. Niektóre domeny mogą mieć stosunkowo prostą geometrię (cylindryczny, prostokątny pryzmat itp.), W których można zastosować symetryczne rozmieszczenie elektrod. Jednak złożone geometrie (połączenia narożne, domeny w kształcie litery T itp.) wymagają specjalnie zaprojektowanych elektrod, aby właściwie otoczyć domenę. Elastyczność ECVT sprawia, że jest on bardzo przydatny w zastosowaniach terenowych, w których płytki czujnikowe nie mogą być umieszczone symetrycznie. Ponieważ równaniu Laplace'a brakuje charakterystycznej długości (takiej jak długość fali w równaniu Helmholtza), podstawowa fizyka problemu ECVT jest skalowalna, o ile zachowane są właściwości reżimu quasi-statycznego.

Metody rekonstrukcji obrazu dla ECVT

Rekonstrukcja obrazu w ECVT (a) czujnik ECVT obejmujący dwie kule dielektryczne (

( b

zrekonstruowany rozkład przenikalności elektrycznej przy użyciu iteracji

Metody rekonstrukcji rozwiązują problem odwrotny obrazowania ECVT, tj. wyznaczania rozkładu przenikalności objętościowej z pomiarów wzajemnych pojemności. Tradycyjnie problem odwrotny jest rozwiązywany poprzez linearyzację (nieliniowej) zależności między pojemnością a równaniem przenikalności materiału przy użyciu przybliżenia Borna. Zazwyczaj to przybliżenie jest ważne tylko dla małych kontrastów przenikalności. W innych przypadkach nieliniowy charakter rozkładu pola elektrycznego stanowi wyzwanie zarówno dla rekonstrukcji obrazu 2D, jak i 3D, czyniąc metody rekonstrukcji aktywnym obszarem badawczym w celu uzyskania lepszej jakości obrazu. Metody rekonstrukcji ECVT/ECT można podzielić na iteracyjne i nieiteracyjne (jednoetapowe). Przykładami metod nieiteracyjnych są liniowa projekcja wsteczna (LBP) oraz metoda bezpośrednia oparta na dekompozycji na wartości osobliwe i regularyzacji Tichonowa. Algorytmy te są niedrogie obliczeniowo; jednak ich kompromisem są mniej dokładne obrazy bez informacji ilościowych. Metody iteracyjne można z grubsza podzielić na metody projekcyjne i optymalizacyjne. Niektóre z iteracyjnych algorytmów projekcji liniowej stosowanych w ECVT obejmują iterację Newtona-Raphsona, Landwebera i algebraiczną rekonstrukcję najbardziej stromego spadku oraz techniki jednoczesnej rekonstrukcji oraz iterację opartą na modelu. Podobnie jak w przypadku metod jednoetapowych, algorytmy te również wykorzystują zlinearyzowaną macierz czułości do projekcji w celu uzyskania rozkładu przenikalności elektrycznej w domenie. Metody iteracyjne oparte na projekcji zwykle zapewniają lepsze obrazy niż algorytmy nieiteracyjne, ale wymagają więcej zasobów obliczeniowych. Drugi rodzaj iteracyjnych metod rekonstrukcji to algorytmy rekonstrukcji oparte na optymalizacji, takie jak optymalizacja sieci neuronowych. Metody te wymagają więcej zasobów obliczeniowych niż metody wspomniane wcześniej, a także zwiększają złożoność implementacji. Metody rekonstrukcji optymalizacyjnej wykorzystują wiele funkcji celu i wykorzystują proces iteracyjny do ich minimalizacji. Uzyskane obrazy zawierają mniej artefaktów z natury nieliniowej i wydają się być bardziej wiarygodne w zastosowaniach ilościowych.

Tomografia fazowo-prądowa (DCPT)

Tomografia fazowo-prądowa to metoda obrazowania, która opiera się na tym samym sprzęcie co ECVT. ECVT nie wykorzystuje części rzeczywistej (składowej konduktancji) otrzymanych pomiarów przenikania wzajemnego. Ta składowa pomiaru związana jest ze stratami materiałowymi w badanym obszarze (przewodnictwo i/lub straty dielektryczne). DCPT wykorzystuje pełną informację o admitancji za pomocą składnika fazowego o małym kącie tych złożonych danych. DCPT można stosować tylko wtedy, gdy elektrody są wzbudzane napięciem przemiennym. Dotyczy to tylko dziedzin, w których występują straty materiałowe, w przeciwnym razie mierzona faza będzie równa zeru (rzeczywista część admitancji będzie równa zeru). DCPT jest przeznaczony do użytku z tymi samymi algorytmami rekonstrukcji, które zostały zaprojektowane dla ECVT. Dlatego DCPT może być używany jednocześnie z ECVT do obrazowania przestrzennego rozkładu strat stycznych w ośrodku wraz z jego przestrzennym rozkładem przenikalności względnej z ECT.

Wieloczęstotliwościowa praca ECVT

Przepływy wielofazowe są niezmiennie złożone. Do monitorowania i określania ilościowego zatrzymań faz w takich przepływach wielofazowych wymagane są zaawansowane techniki pomiarowe. Ze względu na stosunkowo dużą szybkość akwizycji i nieinwazyjną charakterystykę, ECT i ECVT są szeroko stosowane w przemyśle do monitorowania przepływu. Jednak możliwości rozkładu przepływu i monitorowania ECT/ECVT dla przepływu wielofazowego zawierającego trzy lub więcej faz (np. połączenie oleju, powietrza i wody) są nieco ograniczone. Wieloczęstotliwościowe wzbudzenia i pomiary zostały wykorzystane iz powodzeniem wykorzystane w rekonstrukcji obrazu ECT w tych przypadkach. Pomiary wieloczęstotliwościowe umożliwiają wykorzystanie efektu Maxwella-Wagnera-Sillarsa (MWS) na odpowiedź mierzonych danych (np. admitancji, pojemności itp.) w funkcji częstotliwości wzbudzenia. Efekt ten został po raz pierwszy odkryty przez Maxwella w 1982 roku, a później badany przez Wagnera i Silliarsa. Efekt MWS jest konsekwencją polaryzacji migracji powierzchni na granicy między materiałami, gdy co najmniej jeden z nich przewodzi. Zwykle materiał dielektryczny wykazuje efekt relaksacji typu Debye'a przy częstotliwościach mikrofalowych. Jednak ze względu na obecność efektu MWS (lub polaryzacji MWS) mieszanina zawierająca co najmniej jedną fazę przewodzącą będzie wykazywać tę relaksację przy znacznie niższych częstotliwościach. Efekt MWS zależy od kilku czynników, takich jak udział objętościowy każdej fazy, orientacja faz, przewodnictwo i inne parametry mieszaniny. Wzór Wagnera dla rozcieńczonej mieszaniny i wzór Bruggemana dla gęstych mieszanin należą do najbardziej godnych uwagi sformułowań efektywnej stałej dielektrycznej. Sformułowanie przez Hanai złożonej stałej dielektrycznej, będące rozszerzeniem wzoru Bruggemana na efektywną stałą dielektryczną, jest instrumentalne w analizie efektu MWS dla złożonej stałej dielektrycznej. Formuła Hanai dla złożonego dielektryka zapisuje się jako

Od lewej zrekonstruowane obrazy modelu przepływu, faza przewodząca i faza nieprzewodząca.

${\ Displaystyle \ lewo ({\ Frac {\ varepsilon _ {1} ^ {*} - \varepsilon _{2}^{*}}{\varepsilon _{1}^{*}-\varepsilon ^{*}}}\right)^{3}{\frac {\varepsilon ^{*}}{ \varepsilon _{2}^{*}}}={\frac {1}{(1-\fi)^{3}}}}$

gdzie ${\ Displaystyle \ varepsilon _ {1} ^ {*}}$ , ${\ Displaystyle \ varepsilon _ {2} ^ {*}}$ i ${\ Displaystyle \ varepsilon ^ {*}}$ to złożona efektywna przenikalność odpowiednio fazy rozproszonej, fazy ciągłej i mieszaniny. ${\ Displaystyle \ phi}$ jest ułamkiem objętościowym fazy rozproszonej.

Wiedząc, że mieszanina będzie wykazywać relaksację dielektryczną z powodu efektu MWS, ten dodatkowy wymiar pomiarowy można wykorzystać do rozkładu przepływów wielofazowych, gdy co najmniej jedna z faz przewodzi. Rysunek po prawej pokazuje zrekonstruowane obrazy modelu przepływu, fazy przewodzącej i faz nieprzewodzących wyodrębnione przez wykorzystany efekt MWS z danych eksperymentalnych.

Prędkość ECVT

Znormalizowany rozkład czułości, gradient czułości pomiędzy parą elektrod, zrekonstruowany profil prędkości ruchu kul w profilu 3D oraz w profilu 2D w płaszczyźnie.

Velocimetria odnosi się do technik stosowanych do pomiaru prędkości płynów. Zastosowanie gradientu czułości umożliwia rekonstrukcję profili prędkości 3D za pomocą czujnika ECVT, który może łatwo dostarczyć informacji o dynamice płynów. Gradient czułości jest zdefiniowany jako

${\ Displaystyle F = \ nabla S = {\ kapelusz {a}} _ {x} {\ frac {\częściowy S}{\częściowy x}}+{\kapelusz {a}}_{y}{\frac {\częściowy S}{\częściowy y}}+{\kapelusz {a}}_{z} {\ frac {\ częściowe S} {\ częściowe z}}}$

gdzie $.$ rozkładem czułości czujnika ECVT, jak pokazano po prawej stronie Po zastosowaniu gradientu czułości, jak opisano w, profil prędkości 3D i 2D odpowiadający powyższemu rysunkowi jest pokazany na rysunku po prawej stronie.

Zastosowanie gradientu czułości zapewnia znaczną poprawę w stosunku do bardziej tradycyjnej (opartej na korelacji krzyżowej) prędkościomierza, wykazując lepszą jakość obrazu i wymagając krótszego czasu obliczeniowego. Kolejną zaletą prędkościomierza opartego na gradiencie czułości jest kompatybilność z konwencjonalnymi algorytmami rekonstrukcji obrazu stosowanymi w ECVT.

Zalety

Modułowy

Podstawowe wymagania dotyczące czujników ECVT są proste i dlatego mogą mieć bardzo modułową konstrukcję. Czujniki ECVT wymagają tylko elektrod przewodzących, które są elektrycznie odizolowane od siebie i nie są zwarte przez medium badane przez czujnik ECVT. Dodatkowo musi istnieć sposób wzbudzania i wykrywania sygnału do iz każdej elektrody. Brak ograniczeń w konstrukcji czujnika pozwala na wykonanie go z różnych materiałów i przybieranie wielu form, w tym czujników o elastycznych ściankach, odpornych na działanie wysokich temperatur, wysokich ciśnień, cienkościennych, kolankowych i płaskich. Po dodaniu technologii AECVT konfiguracja elektrod czujnika staje się modułowa, bez konieczności wytwarzania nowych czujników.

Bezpieczna

ECVT jest niskoenergetyczny, o niskiej częstotliwości i nieradioaktywny, dzięki czemu można go bezpiecznie stosować w każdej sytuacji, w której odpady toksyczne, wysokie napięcie lub promieniowanie elektromagnetyczne stanowią problem. Niskoenergetyczny charakter tej technologii sprawia, że nadaje się również do odległych lokalizacji, w których brakuje energii. W wielu przypadkach prosta bateria zasilana energią słoneczną może wystarczyć do zasilania urządzenia ECVT.

Skalowalny

ECVT działa na bardzo dużych długościach fal, zazwyczaj wykorzystując częstotliwości poniżej 10 MHz do wzbudzania elektrod. Te długie fale pozwalają technologii działać w warunkach quasi-elektrostatycznych. Dopóki średnica czujnika jest znacznie mniejsza niż długość fali, założenia te są aktualne. Na przykład, podczas wzbudzania sygnałem AC o częstotliwości 2 MHz, długość fali wynosi 149,9 metra. Średnice czujników są zwykle projektowane znacznie poniżej tego limitu. Dodatkowo siła pojemności $skaluje$ $się$ do powierzchni elektrody i odległości $między$ płytkami czujnika. Tak więc, gdy średnica czujnika staje się większa, jeśli powierzchnia płytki odpowiednio się skaluje, dowolny projekt czujnika można łatwo skalować w górę lub w dół przy minimalnym wpływie na siłę sygnału.

${\ Displaystyle C \ varpropto {\ Frac {A} {d}}}$

Niski koszt i profil

W porównaniu z innymi urządzeniami do wykrywania i obrazowania, takimi jak urządzenia do promieniowania gamma, rentgenowskie lub MRI, ECVT pozostaje stosunkowo tani w produkcji i eksploatacji. Część tej jakości technologii wynika z jej niskiej emisji energii, która nie wymaga żadnych dodatkowych mechanizmów ograniczania odpadów lub izolowania dużych mocy wyjściowych. Dodatkową zaletą niskiego kosztu jest dostępność szerokiej gamy materiałów do wytworzenia czujnika. Elektronikę można również umieścić z dala od samego czujnika, co pozwala na wykorzystanie elektroniki w standardowym środowisku do akwizycji danych, nawet gdy czujnik jest narażony na ekstremalne temperatury lub inne warunki, które zwykle utrudniają zastosowanie oprzyrządowania elektronicznego.

Wysoka rozdzielczość czasowa (szybka)

Ogólnie rzecz biorąc, metoda pozyskiwania danych stosowana obok ECVT jest bardzo szybka. Dane mogą być próbkowane z czujnika kilka tysięcy razy na sekundę, w zależności od liczby par płytek w konstrukcji czujnika i konstrukcji analogowej systemu akwizycji danych (tj. szybkości zegara, obwodów równoległych itp.). Możliwość bardzo szybkiego zbierania danych sprawia, że technologia ta jest bardzo atrakcyjna dla branż, w których procesy zachodzą bardzo szybko lub transport odbywa się z dużą prędkością. Jest to wielki kontrast z MRI, który ma wysoką rozdzielczość przestrzenną, ale często bardzo słabą rozdzielczość czasową.

Wyzwania dla rozdzielczości przestrzennej w ECVT

Jak wspomniano powyżej, rozdzielczość przestrzenna jest fundamentalnym wyzwaniem w ECT/ECVT. Rozdzielczość przestrzenna jest ograniczona przez charakter miękkiego pola ECT/ECVT oraz fakt, że badające pole elektryczne w ECT/ECVT ma charakter quasi-statyczny. Ta ostatnia właściwość implikuje, że rozkład potencjału między płytami jest rozwiązaniem równania Laplace'a. W konsekwencji nie może być żadnych względnych minimów ani maksimów dla rozkładu potencjału między płytami, a zatem nie mogą powstać ogniska.

W celu zwiększenia rozdzielczości przestrzennej można zastosować dwie podstawowe strategie. Pierwsza strategia polega na wzbogacaniu danych pomiarowych. Można tego dokonać poprzez (a) akwizycje adaptacyjne za pomocą elektrod syntetycznych, (b) próbkowanie czasoprzestrzenne z wykorzystaniem dodatkowych pomiarów uzyskanych, gdy obiekty znajdują się w różnych pozycjach wewnątrz czujnika, (c) działanie wieloczęstotliwościowe w celu wykorzystania zmian przenikalności elektrycznej z częstotliwością wynikającą z efekt MWS oraz d) łączenie ECT/ECVT z innymi metodami wykrywania, opartymi na tym samym sprzęcie (takim jak DCPT) lub na dodatkowym sprzęcie (takim jak tomografia mikrofalowa). Druga strategia zwiększania rozdzielczości przestrzennej polega na opracowaniu wieloetapowej rekonstrukcji obrazu, która obejmuje informacje a priori i zestawy danych treningowych oraz adaptację przestrzenną.

Aplikacje

Przepływ wielofazowy

Przepływ wielofazowy odnosi się do równoczesnego przepływu materiałów o różnym stanie fizycznym lub składzie chemicznym i jest mocno związany z przemysłem naftowym, chemicznym i biochemicznym. W przeszłości ECVT był szeroko testowany w szerokiej gamie wielofazowych systemów przepływowych, zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i przemysłowych. Wyjątkowa zdolność ECVT do uzyskiwania w czasie rzeczywistym nieinwazyjnej wizualizacji przestrzennej systemów o złożonej geometrii w różnych warunkach temperatury i ciśnienia przy stosunkowo niskich kosztach sprawia, że jest to korzystne zarówno dla podstawowych badań mechaniki płynów, jak i zastosowań w przemyśle przetwórczym na dużą skalę. Poniżej podsumowano ostatnie wysiłki badawcze mające na celu zbadanie tych dwóch aspektów.

gaz-ciało stałe

Ilustracja reaktora CFB (po lewej), konfiguracja czujnika ECVT na zakręcie (w środku) oraz zrekonstruowane obrazy rozkładu zatrzymywania ciał stałych w zakręcie (po prawej).

Złoże fluidalne gaz-ciało stałe jest typowym układem przepływu gaz-ciało stałe i jest szeroko stosowane w przemyśle chemicznym ze względu na doskonałe przenoszenie ciepła i masy oraz transport i obsługę ciał stałych. Technologię ECVT z powodzeniem zastosowano w układach ze złożem fluidalnym typu gaz-ciało stałe do pomiarów właściwości układu i wizualizacji zachowań dynamicznych. Przykładem jest badanie zjawiska dławienia w krążącym złożu fluidalnym typu gaz-ciało stałe o średnicy wewnętrznej 0,1 mz 12-kanałowym cylindrycznym czujnikiem ECVT, gdzie tworzenie się bryły podczas przejścia do dławienia jest wyraźnie rejestrowane przez ECVT. W innym eksperymencie bada się fluidyzację pęcherzyków gaz-ciało stałe w kolumnie o średnicy wewnętrznej 0,05, gdzie zatrzymanie ciała stałego, kształt pęcherzyków i częstotliwość uzyskane z ECVT są potwierdzane za pomocą pomiarów MRI. Elastyczność geometrii czujnika ECVT umożliwia również obrazowanie zgięć, zbieżności i innych niejednorodnych przekrojów reaktorów przepływowych typu gaz-ciało stałe. Na przykład poziomy strumień gazu przenikający do cylindrycznego złoża fluidalnego gaz-ciało stałe można zobrazować za pomocą zmodyfikowanego czujnika ECVT, a informacje, takie jak długość i szerokość wnikania strumienia, a także zachowanie strumienia koalescencji z pęcherzykami w złożu fluidalnym, mogą uzyskać od ECVT.

Innym przykładem jest obrazowanie ECVT pionu i zagięcia cyrkulacyjnego złoża fluidalnego gaz-ciało stałe (CFB). Na podstawie ilościowych obrazów ECVT identyfikuje się strukturę przepływu rdzeń-pierścień zarówno w pionie, jak iw zakręcie oraz akumulację ciał stałych w poziomej części zakrętu.

Gaz-ciecz

Obrazy pióropuszy bąbelków z ECVT (na górze) i rzeczywistej kolumny (na dole).

Kolumna pęcherzykowa typu gaz-ciecz jest typowym układem przepływowym typu gaz-ciecz, który jest szeroko stosowany w procesach petrochemicznych i biochemicznych. Zjawisko przepływu bąbelkowego zostało szeroko zbadane za pomocą metod obliczeniowej dynamiki płynów, a także tradycyjnych inwazyjnych technik pomiarowych. ECVT posiada unikalną zdolność do uzyskiwania ilościowej wizualizacji w czasie rzeczywistym całego pola przepływu gazu i cieczy. Przykładem jest badanie dynamiki spiralnych pióropuszy bąbelkowych w kolumnach bąbelkowych. Wykazano, że ECVT jest w stanie uchwycić ruch spiralny pióropuszy bąbelków, struktury wirów cieczy na dużą skalę i rozkłady zatrzymywania gazu.

Innym przykładem zastosowania ECVT w układach gaz-ciecz jest badanie cyklonowego separatora gaz-ciecz, w którym mieszanina gaz-ciecz wchodzi stycznie do poziomej kolumny i tworzy wirujące pole przepływu, w którym gaz i ciecz są rozdzielane przez siłę odśrodkową. ECVT z powodzeniem rejestruje rozkład cieczy wewnątrz naczynia i zjawisko przemieszczania się rdzenia gazowego poza środkiem. Wyniki ilościowe odpowiadają modelom mechanistycznym.

Gaz-ciecz-ciało stałe

Reaktor ze złożem zraszanym (TBR) jest typowym trójfazowym układem gaz-ciecz-ciało stałe i ma zastosowanie w przemyśle naftowym, petrochemicznym, biochemicznym, elektrochemicznym i uzdatniania wody. W TBR gaz i ciecz płyną jednocześnie w dół przez upakowane materiały stałe. W zależności od natężenia przepływu gazu i cieczy, TBR może mieć różne reżimy przepływu, w tym przepływ zraszany, przepływ pulsacyjny i przepływ z rozproszonymi pęcherzykami. ECVT został z powodzeniem wykorzystany do obrazowania turbulentnego pulsującego przepływu w TBR, a szczegółową strukturę impulsu i prędkość impulsu można uzyskać z ECVT.

Spalanie (wysoka temperatura i płomień)

Prędkości ślimaka przy różnych Ug-Umf dla różnych temperatur, 25°C, 300°C, 400°C i 650°C.

Większość systemów przepływu gaz-ciało stałe w przemyśle chemicznym działa w podwyższonych temperaturach w celu uzyskania optymalnej kinetyki reakcji. W tak trudnych warunkach wiele laboratoryjnych technik pomiarowych nie jest już dostępnych. Jednak ECVT ma potencjał do zastosowań w wysokich temperaturach ze względu na swoją prostą i solidną konstrukcję oraz nieinwazyjny charakter, który pozwala na osadzenie materiałów izolacyjnych w czujniku w celu zapewnienia odporności na ciepło. Obecnie technologia wysokotemperaturowych ECVT jest w fazie szybkiego rozwoju i podejmowane są wysiłki badawcze w celu rozwiązania problemów inżynierskich związanych z wysokimi temperaturami.

ECVT został wykorzystany w środowiskach o wysokich temperaturach do 650 ° C do obrazowania i charakteryzowania złóż fluidalnych w wysokich temperaturach, takich jak te stosowane w reaktorach ze złożem fluidalnym, fluidalnym krakingu katalitycznym i spalaniu w złożu fluidalnym. Zastosowanie tej technologii do wysokotemperaturowych złóż fluidalnych umożliwiło dogłębną analizę wpływu temperatury na zachowanie przepływu w złożach. Na przykład w złożu fluidalnym z ubijaniem z dużym stosunkiem wysokości kolumny do średnicy kolumny z cząstkami Geldart Group D, zwiększenie temperatury do 650 ° C może zmienić gęstość i lepkość gazu, ale ma znikomy wpływ na zachowanie ubijania, takie jak prędkość ślimaka i częstotliwość.

Badania nieniszczące (NDT)

W branży inspekcji infrastruktury pożądane jest stosowanie sprzętu, który sprawdza wbudowane komponenty w sposób nieinwazyjny. Problemy, takie jak skorodowana stal, przenikanie wody i puste przestrzenie powietrzne, są często osadzone w betonie lub innych stałych elementach. W tym przypadku należy zastosować metody badań nieniszczących (NDT), aby uniknąć naruszenia integralności konstrukcji. ECVT był używany w tej dziedzinie do nieniszczących badań cięgien zewnętrznych na mostach sprężonych. Konstrukcje te są wypełnione linkami stalowymi i zaprawą ochronną lub smarem.

W tej aplikacji zmobilizowane, zdalnie sterowane urządzenie ECVT jest umieszczane wokół ścięgna zewnętrznego i skanuje wnętrze ścięgna. Urządzenie ECVT może następnie rozszyfrować informacje o jakości iniekcji lub smaru w obrębie cięgna w czasie rzeczywistym. Może również określić rozmiar i położenie wszelkich pustek powietrznych lub wilgoci w ścięgnie. Znalezienie tych problemów jest krytycznym zadaniem dla inspektorów mostowych, ponieważ pęcherzyki powietrza i wilgoci w cięgnach mogą prowadzić do korozji stalowych linek i uszkodzenia cięgna, co naraża most na ryzyko uszkodzenia konstrukcji.

Zobacz też