Elektrisk kapacitans volymtomografi

Elektrisk kapacitansvolymtomografi ( ECVT ) är en icke-invasiv 3D-avbildningsteknik som ursprungligen utvecklades i Storbritannien och Polen och tillämpades främst på flerfasflöden. Den återinfördes sedan av W. Warsito, Q. Marashdeh och L.-S. Fan inspirerad av de tidiga publikationerna från brittiska och polska team en förlängning av den konventionella elektriska kapacitanstomografin ( ECT). I konventionell ECT är sensorplattor fördelade runt en yta av intresse. Uppmätt kapacitans mellan plattkombinationer används för att rekonstruera 2D-bilder ( tomogram ) av materialfördelning. I ECT ses kantfältet från plattornas kanter som en källa till distorsion till den slutliga rekonstruerade bilden och mildras således av skyddselektroder. ECVT utnyttjar detta kantfält och expanderar det genom 3D-sensordesigner som medvetet etablerar en elektrisk fältvariation i alla tre dimensionerna. Algoritmerna för bildrekonstruktion liknar ECT till sin natur; Ändå är rekonstruktionsproblemet i ECVT mer komplicerat. Känslighetsmatrisen för en ECVT-sensor är mer dåligt konditionerad och det övergripande rekonstruktionsproblemet är mer dåligt ställt jämfört med ECT. ECVT-metoden för sensordesign möjliggör direkt 3D-avbildning av den avrundade geometrin. Detta skiljer sig från 3D-ECT som förlitar sig på att stapla bilder från individuella ECT-sensorer. 3D-ECT kan också åstadkommas genom att stapla ramar från en sekvens av tidsintervall av ECT-mätningar. Eftersom ECT-sensorplattorna måste ha längder i storleksordningen av domäntvärsnittet, ger 3D-ECT inte den erforderliga upplösningen i den axiella dimensionen. ECVT löser detta problem genom att gå direkt till bildrekonstruktionen och undvika staplingsmetoden. Detta åstadkoms genom att använda en sensor som är tredimensionell.

Historia

Elektrisk kapacitansvolymtomografi introducerades först av W. Warsito och L.-S. Fan i en presentation vid 3rd World Congress in Process Tomography i Banff Kanada 2003. Termen myntades 2005 i ett patent inlämnat av W. Warsito, Q. Marashdeh och LS Fan med tonvikten på volym för att skilja tekniken från tidigare och pågående utveckling av en form som kallas 3D-ECT där 2D tomogram staplas ovanpå varandra för att skapa en pseudo 3D-bild. Detta traditionella 3D-ECT-tillvägagångssätt begränsade användningen av 3D-avbildning eftersom den betydande längden på ECT-elektroder införde ett stort straff för axiell upplösning av sådana 3D-bilder. ECVT dök upp som en lösning på denna begränsning. ECVT tillhandahåller direkt 3D-avbildning genom att utnyttja X-, Y- och Z-komponenterna i det elektriska fältet, som är en funktion av sensordesign. Den ursprungliga presentationen 2003 följdes av en publikation av Q. Marashdeh och F. Teixeira 2004 där de introducerade en metod för att bygga en känslighetsmatris för dessa nya sensorer. Denna nya framväxande form av tekniken kallades 3D-ECT fram till inlämnandet av patentet 2005, där den särskiljdes som ECVT. En tidskrift publicerades senare, 2007, som beskriver den vetenskapliga bakgrunden för tekniken, och den kronologiska ordningen för utvecklingen av ECVT publicerades också i en tidskriftspublikation samma år.

Principer

Kapacitans och fältekvationer i ECVT

Två metallelektroder som hålls vid olika elektrisk potential $V$ och åtskilda av ett ändligt avstånd kommer att inducera ett elektriskt fält $E$ i området mellan och omgivande dem. Fältfördelningen bestäms av problemets geometri och de konstitutiva mediumegenskaperna som permittivitet $\varepsilon$ och konduktivitet $\sigma$ . Om man antar en statisk eller kvasistatisk regim och närvaron av ett förlustfritt dielektriskt medium, såsom en perfekt isolator , i området mellan plattorna, följer fältet följande ekvation:

$\nabla .(\varepsilon \nabla \varphi )=0$

där $\varphi$ anger den elektriska potentialfördelningen. I ett homogent medium med enhetlig $\varepsilon$ reduceras denna ekvation till Laplace-ekvationen . I ett förlustmedium med ändlig konduktivitet, såsom vatten, följer fältet den generaliserade amperekvationen ,

$\nabla \times H=\sigma E+j\omega \varepsilon E$

Genom att ta divergens av denna ekvation och använda det faktum att ${\displaystyle E=-\nabla \varphi } ,$ följer det:

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

när plattorna exciteras av en tidsharmonisk spänningspotential med frekvensen $\omega$ .

Kapacitansen $C$ är ett mått på elektrisk energi $W$ lagrad i mediet, som kan kvantifieras via följande relation:

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

där $E^{2}$ är kvadratstorleken på det elektriska fältet. Kapacitansen ändras som en olinjär funktion av den dielektriska permittiviteten $\varepsilon$ eftersom den elektriska fältfördelningen i ovanstående integral också är en funktion av $\varepsilon$ .

Mjukfältstomografi

Mjukfältstomografi hänvisar till en uppsättning avbildningsmodaliteter såsom elektrisk kapacitanstomografi (ECT), elektrisk impedanstomografi (EIT), elektrisk resistivitetstomografi (ERT), etc., där elektriska (eller magnetiska) fältlinjer genomgår förändringar i närvaro av en störning i mediet. Detta till skillnad från hårdfältstomografi, såsom röntgen-CT , där de elektriska fältlinjerna inte ändras i närvaro av en testperson. Ett grundläggande kännetecken för mjukfältstomografi är dess dåliga ställning. Detta bidrar till att göra rekonstruktionen mer utmanande för att uppnå god rumslig upplösning i mjukfältstomografi jämfört med hårdfältstomografi. Ett antal tekniker, såsom Tikhonov-regularisering, kan användas för att lindra det illa ställda problemet. Bilden till höger visar en jämförelse i bildupplösning mellan ECVT och MRI.

ECVT mätningssystem

Hårdvaran i ECVT-system består av avkännande elektrodplattor, datainsamlingskretsar och datorn för att styra det övergripande systemet och bearbeta data. ECVT är en icke-påträngande och icke-invasiv bildbehandlingsmodalitet på grund av sin kontaktlösa funktion. Före de faktiska mätningarna är en kalibrerings- och normaliseringsprocedur nödvändig för att eliminera effekterna av strökapacitans och eventuell isolerande vägg mellan elektroderna och området av intresse som ska avbildas. Efter kalibrering och normalisering kan mätningarna delas in i en sekvens av förvärv där två separata elektroder är involverade: en elektrod (TX) exciteras med växelspänningskälla i det kvasi-elektrostatiska regimen, vanligtvis under 10 MHz, medan en andra elektrod ( RX) placeras vid jordpotentialen som används för att mäta den resulterande strömmen. De återstående elektroderna placeras också vid jordpotential.

Denna process upprepas för alla möjliga elektrodpar. Observera att omkastning av rollerna för TX- och RX-elektroder skulle resultera i samma ömsesidiga kapacitans på grund av ömsesidigheten. Som ett resultat, för ECVT-system med N antal plattor, är antalet oberoende mätningar lika med N(N-1)/2. Denna process automatiseras vanligtvis genom datainsamlingskretsar. Beroende på driftfrekvens, antal plattor och bildhastighet per sekund för mätsystemet, kan en hel mätcykel variera; detta är dock i storleksordningen några sekunder eller mindre. En av de mest kritiska delarna av ECVT-system är sensordesign. Som den tidigare diskussionen antyder ökar en ökning av antalet elektroder också mängden oberoende information om området av intresse. Detta resulterar emellertid i mindre elektrodstorlekar, vilket i sin tur resulterar i lågt signal/brusförhållande. Att öka elektrodstorleken leder å andra sidan inte till ojämn laddningsfördelning över plattorna, vilket kan förvärra problemets ohälsa. Sensordimensionen begränsas också av mellanrummen mellan avkänningselektroderna. Dessa är viktiga på grund av franseffekter. Användningen av skyddsplattor mellan elektroderna har visat sig minska dessa effekter. Baserat på den avsedda tillämpningen kan ECVT-sensorer vara sammansatta av enstaka eller flera lager längs den axiella riktningen. Volymtomografin med ECVT erhålls inte från sammanslagning av 2D-skanningar utan snarare från 3D-diskretiserade voxelskänsligheter.

Utformningen av elektroderna dikteras också av formen på domänen som undersöks. Vissa domäner kan vara relativt enkla geometrier (cylindriska, rektangulära prisma, etc.) där symmetrisk elektrodplacering kan användas. Komplexa geometrier (hörnfogar, T-formade domäner, etc.) kräver dock specialdesignade elektroder för att korrekt omge domänen. Flexibiliteten hos ECVT gör den mycket användbar för fälttillämpningar där avkänningsplattorna inte kan placeras symmetriskt. Eftersom Laplace-ekvationen saknar en karakteristisk längd (som våglängden i Helmholtz-ekvationen), är den grundläggande fysiken för ECVT-problemet skalbar i storlek så länge som kvasistatiska regimegenskaper bevaras.

Bildrekonstruktionsmetoder för ECVT

Bildrekonstruktion i ECVT (a) en ECVT-sensor som omsluter två dielektriska sfärer (

\varepsilon _{r}=1,5

), (b) rekonstruerad permittivitetsfördelning med Landweber iteration

Rekonstruktionsmetoder tar itu med det omvända problemet med ECVT-avbildning, dvs att bestämma den volymetriska permittivitetsfördelningen från de ömsesidiga kapacitansmätningarna. Traditionellt hanteras det omvända problemet genom lineariseringen av det (icke-linjära) förhållandet mellan kapacitansen och den materiella permittivitetsekvationen med hjälp av Born-approximationen. Vanligtvis är denna approximation endast giltig för små permittivitetskontraster. För andra fall utgör den olinjära karaktären hos den elektriska fältfördelningen en utmaning för både 2D- och 3D-bildrekonstruktion, vilket gör rekonstruktionsmetoderna till ett aktivt forskningsområde för bättre bildkvalitet. Rekonstruktionsmetoder för ECVT/ECT kan kategoriseras som iterativa och icke-iterativa (enstegs) metoder. Exemplen på icke-iterativa metoder är linjär bakprojektion (LBP) och direkt metod baserad på singular värdenedbrytning och Tikhonov-regularisering. Dessa algoritmer är beräkningsmässigt billiga; deras avvägning är dock mindre exakta bilder utan kvantitativ information. Iterativa metoder kan grovt klassificeras i projektionsbaserade och optimeringsbaserade metoder. Några av de iterativa linjära projektionsalgoritmerna som används för ECVT inkluderar Newton-Raphson, Landweber iteration och algebraisk rekonstruktion och simultan rekonstruktionsteknik, och modellbaserad iteration. I likhet med enstegsmetoder använder dessa algoritmer också linjäriserad känslighetsmatris för projektionerna för att erhålla permittivitetsfördelningen inom domänen. Projektionsbaserade iterativa metoder ger vanligtvis bättre bilder än icke-iterativa algoritmer men kräver mer beräkningsresurser. Den andra typen av iterativa rekonstruktionsmetoder är optimeringsbaserade rekonstruktionsalgoritmer såsom neurala nätverksoptimering. Dessa metoder kräver mer beräkningsresurser än de tidigare nämnda metoderna tillsammans med ökad komplexitet för implementeringen. Optimeringsrekonstruktionsmetoder använder flera objektiva funktioner och använder iterativ process för att minimera dem. De resulterande bilderna innehåller färre artefakter från den olinjära naturen och tenderar att vara mer tillförlitliga för kvantitativa tillämpningar.

Displacement-Current Phase Tomography (DCPT)

Displacement-Current Phase Tomography är en bildbehandlingsmodalitet som bygger på samma hårdvara som ECVT. ECVT använder inte den reella delen (konduktanskomponenten) av de erhållna ömsesidiga admittansmätningarna. Denna komponent av mätningen är relaterad till materialförlusterna i området av intresse (konduktivitet och/eller dielektriska förluster). DCPT använder den fullständiga tillträdesinformationen med hjälp av faskomponenten med liten vinkel i dessa komplexa värderade data. DCPT kan endast användas när elektroderna är exciterade med växelspänning. Det gäller endast för domäner som inkluderar materialförluster, annars kommer den uppmätta fasen att vara noll (reell del av tillträdet kommer att vara noll). DCPT är designat för att användas med samma rekonstruktionsalgoritmer designade för ECVT. Därför kan DCPT användas samtidigt med ECVT för att avbilda den rumsliga tangentförlustfördelningen av mediet tillsammans med dess rumsliga relativa permittivitetsfördelning från ECT.

Multi-Frequency ECVT Operation

Flerfasflöden är alltid komplexa. Avancerade mättekniker krävs för att övervaka och kvantifiera fasuppehåll i sådana flerfasflöden. På grund av deras relativt snabba insamlingshastighet och icke-påträngande egenskaper, används ECT och ECVT i stor utsträckning i industrier för flödesövervakning. Flödesnedbrytnings- och övervakningsförmågan hos ECT/ECVT för flerfasflöde som innehåller tre eller flera faser (t.ex. en kombination av olja, luft och vatten) är dock något begränsade. Multifrekventa excitationer och mätningar har utnyttjats och framgångsrikt använts vid ECT-bildrekonstruktion i dessa fall. Flerfrekvensmätningar tillåter utnyttjande av Maxwell-Wagner-Sillars (MWS)-effekten på svaret av de uppmätta data (t.ex. admittans, kapacitans, etc.) som en funktion av excitationsfrekvensen. Denna effekt upptäcktes först av Maxwell 1982 och studerades senare av Wagner och Silliars. MWS-effekten är en konsekvens av ytmigreringspolarisering vid gränsytan mellan material när åtminstone ett av dem leder. Typiskt uppvisar ett dielektriskt material en relaxationseffekt av Debye-typ vid mikrovågsfrekvenser. På grund av närvaron av MWS-effekten (eller MWS-polarisationen) kommer emellertid en blandning som innehåller minst en ledande fas att uppvisa denna relaxation vid mycket lägre frekvenser. MWS-effekten beror på flera faktorer såsom volymfraktion av varje fas, fasorientering, konduktivitet och andra blandningsparametrar. Wagner formel för utspädd blandning och Bruggeman formel för täta blandningar är bland de mest anmärkningsvärda formuleringarna av effektiv dielektricitetskonstant. Hanais formulering av komplex dielektricitetskonstant, en förlängning av Bruggemans formel för effektiv dielektricitetskonstant, är avgörande för att analysera MWS-effekten för komplex dielektricitetskonstant. Hanais formel för komplexa dielektriska skriver som

Från vänster rekonstruerade bilder av flödesmodellen, ledande fas och icke-ledande fas.

$\left({\frac {\varepsilon _}{1}^ \varepsilon _{2}^{*}}{\varepsilon _{1}^{*}-\varepsilon ^{*}}}\right)^{3}{\frac {\varepsilon ^{*}}{ \varepsilon _{2}^{*}}}={\frac {1}{(1-\phi )^{3}}}$

där $\varepsilon _{1}^{*}$ , $\varepsilon _{2}^{*}$ och $\varepsilon ^{*}$ är den komplexa effektiva permittiviteten för den dispergerade fasen, den kontinuerliga fasen respektive blandningen. $\phi$ är volymfraktionen av den dispergerade fasen.

Genom att veta att en blandning kommer att uppvisa dielektrisk relaxation på grund av MWS-effekten kan denna ytterligare mätdimension utnyttjas för att bryta ner flerfasflöden när åtminstone en av faserna är ledande. Figuren till höger visar de rekonstruerade bilderna av flödesmodellen, ledande fas och icke-ledande faser extraherade av utnyttjad MWS-effekt från experimentella data.

ECVT Velocimetri

Normaliserad känslighetsfördelning, känslighetsgradient mellan ett par elektroder, rekonstruerad hastighetsprofil när sfärerna flyttas i en 3D-profil och i en 2D-profil i plan.

Hastighetsmetri hänvisar till tekniker som används för att mäta vätskors hastighet. Användningen av känslighetsgradienten möjliggör rekonstruktion av 3D-hastighetsprofiler med hjälp av en ECVT-sensor, som enkelt kan ge information om vätskedynamik. Känslighetsgradienten definieras som

$F=\nabla S={\hat {a}}_{x}{\ frac {\partial S}{\partial x}}+{\hat {a}}_{y}{\frac {\partial S}{\partial y}}+{\hat {a}}_{z} {\frac {\partial S}{\partial z}}$

där $S$ är känslighetsfördelningen för en ECVT-sensor som visas till höger. Vid applicering av känslighetsgradienten som beskrivs i, visas en 3D- och 2D-hastighetsprofil motsvarande figuren ovan i figuren till höger.

Tillämpningen av känslighetsgradienten ger en betydande förbättring jämfört med mer traditionell (korskorrelationsbaserad) hastighetsmätning, uppvisar bättre bildkvalitet och kräver mindre beräkningstid. En annan fördel med den känslighetsgradientbaserade hastighetsmätningen är dess kompatibilitet med konventionella bildrekonstruktionsalgoritmer som används i ECVT.

Fördelar

Modul

De grundläggande kraven för ECVT-sensorer är enkla och kan därför vara mycket modulära. ECVT-sensorer kräver endast ledande elektroder som är elektriskt isolerade från varandra och som inte heller är kortslutna genom mediet som inspekteras av ECVT-sensorn. Dessutom måste det finnas ett sätt att excitera och detektera signaler till och från varje elektrod. Bristen på begränsningar för sensordesignen gör att den kan tillverkas av en mängd olika material och ta en uppsjö av former, inklusive flexibla väggar, högtemperaturprestanda, högtrycksprestanda, tunnväggiga, armbågade och platta sensorer. Med tillägget av AECVT-teknik blir sensorelektrodkonfigurationen också modulär utan att behöva tillverka nya sensorer.

Säker

ECVT är lågenergi, lågfrekvent och icke-radioaktivt, vilket gör det säkert att använda i alla situationer där giftigt avfall, högspänning eller elektromagnetisk strålning är ett problem. Teknikens lågenergikaraktär gör den också lämplig för avlägsna platser där ström är bristfällig. I många tillfällen kan ett enkelt solcellsdrivet batteri visa sig tillräckligt för att driva en ECVT-enhet.

Skalbar

ECVT arbetar på mycket stora våglängder, vanligtvis använder frekvenser under 10 MHz för att excitera elektroderna. Dessa långa våglängder tillåter tekniken att fungera under det kvasi-elektrostatiska regimen. Så länge sensorns diameter är mycket mindre än längden på vågen, gäller dessa antaganden. Till exempel, vid excitering med 2 MHz AC-signal är våglängden 149,9 meter. Sensordiametrar är vanligtvis utformade långt under denna gräns. Dessutom skalas kapacitansstyrkan, $C$ , proportionellt efter elektrodarea, $A$ , och avståndet mellan plattorna, $d$ , eller sensorns diameter. Så när en sensordiameter blir större, om plattytan skalas i enlighet därmed, kan varje given sensordesign lätt skalas upp eller ned med minimal effekt på signalstyrkan.

$C\varpropto {\frac {A}{d}}$

Låg kostnad & profil

Jämfört med annan avkännings- och bildutrustning såsom gammastrålning, röntgen eller MRI-maskiner är ECVT fortfarande relativt billig att tillverka och använda. En del av denna kvalitet på tekniken beror på dess låga energiutsläpp som inte kräver några ytterligare mekanismer för att hålla avfall eller isolera hög effekt. Till den låga kostnaden bidrar tillgången till ett brett utbud av material för att tillverka en sensor. Elektronik kan också placeras på avstånd från själva sensorn vilket gör att standardmiljöelektronik kan användas för datainsamling även när sensorn utsätts för extrema temperaturer eller andra förhållanden som vanligtvis gör det svårt att använda elektronisk instrumentering.

Hög temporär upplösning (snabb)

Generellt sett är metoden för datainsamling som används tillsammans med ECVT mycket snabb. Data kan samplas från sensorn med flera tusen gånger per sekund beroende på antalet plattpar i sensordesignen och den analoga designen av datainsamlingssystemet (dvs. klockhastighet, parallella kretsar, etc.). Möjligheten att samla in data mycket snabbt gör tekniken mycket attraktiv för industrier som har processer som sker mycket snabbt eller transporterar i höga hastigheter. Detta är en stor kontrast till MRT som har hög rumslig upplösning men ofta mycket dålig tidsupplösning.

Utmaningar för rumslig upplösning i ECVT

Som nämnts ovan är rumslig upplösning en grundläggande utmaning i ECT/ECVT. Den rumsliga upplösningen begränsas av mjukfältskaraktären hos ECT/ECVT och det faktum att det förfrågande elektriska fältet i ECT/ECVT är kvasi-statiskt till sin natur. Den senare egenskapen innebär att potentialfördelningen mellan plattorna är en lösning av Laplace-ekvationen. Som en konsekvens kan det inte finnas några relativa minima eller maxima för potentialfördelningen mellan plattorna och följaktligen kan inga fokalfläckar produceras.

För att öka rumslig upplösning kan två grundläggande strategier följas. Den första strategin består i att berika mätdata. Detta kan göras genom (a) adaptiva förvärv med syntetiska elektroder, (b) spatio-temporal sampling med hjälp av ytterligare mätningar som erhålls när objekt är i olika positioner inuti sensorn, (c) flerfrekvensdrift för att utnyttja permittivitetsvariationer med frekvens p.g.a. MWS-effekten, och (d) att kombinera ECT/ECVT med andra avkänningsmodaliteter, antingen baserat på samma hårdvara (som DCPT) eller på ytterligare hårdvara (som mikrovågstomografi). Den andra strategin för att öka rumslig upplösning består i utvecklingen av bildrekonstruktion i flera steg som inkluderar a priori information och träningsdatauppsättningar, och rumslig anpassningsförmåga.

Ansökningar

Flerfasflöde

Flerfasflöde avser samtidigt flöde av material av olika fysiska tillstånd eller kemiska sammansättningar, och är starkt involverat i petroleum-, kemiska och biokemiska industrier. Tidigare har ECVT testats omfattande i ett brett utbud av flerfasflödessystem i såväl laboratorie- som industriella miljöer. ECVT:s unika förmåga att erhålla icke-invasiv rumslig visualisering i realtid av system med komplexa geometrier under olika temperatur- och tryckförhållanden till relativt låga kostnader gör den gynnsam för både grundläggande strömningsmekanisk forskning och tillämpningar i storskaliga processindustrier. Senare forskningsansträngningar för att utforska dessa två aspekter sammanfattas nedan.

Gas-fast

Illustration av CFB-reaktorn (vänster), ECVT-sensorkonfigurationen vid kröken (mitten) och rekonstruerade bilder av fördelningen av fasta partiklar i kröken (höger).

Gas-fast fluidiserad bädd är ett typiskt gas-fast flödessystem och har använts i stor utsträckning inom kemisk industri på grund av dess överlägsna värme- och massöverföring och fast transport och hantering. ECVT har framgångsrikt tillämpats på gas-fast fluidiserad bäddsystem för mätningar av systemegenskaper och visualisering av dynamiska beteenden. Ett exempel är studien av kvävningsfenomen i en 0,1 m ID gas-fast cirkulerande fluidiserad bädd med en 12-kanals cylindrisk ECVT-sensor, där bildningen av slug under övergången till kvävning registreras tydligt av ECVT. Ett annat experiment studerar bubblande gas-fast fluidisering i en 0,05 ID kolumn, där fasthållningen, bubbelformen och frekvensen som erhålls från ECVT valideras med MRI-mätningar. Flexibiliteten hos ECVT-sensorgeometrin gör den också möjligt för avbildning av böjningar, avsmalnande och andra olikformiga sektioner av gas-fasta flödesreaktorer. Till exempel kan en horisontell gasstråle som tränger in i en cylindrisk gas-fast fluidiserad bädd avbildas med en modifierad ECVT-sensor, och information såsom penetrationslängd och bredd på strålen samt strålens koalescensbeteende med bubblorna i den fluidiserade bädden kan erhållas från ECVT.

Ett annat exempel är ECVT-avbildning av stigaren och böjningen av en gas-fast cirkulerande fluidiserad bädd (CFB). En kärna-annulus-flödesstruktur i både stigaren och kröken och en fast ansamling i den horisontella delen av kröken identifieras från kvantitativa ECVT-bilder.

Gas-vätska

Bilder på bubbelplymer från ECVT (överst) och själva kolumnen (nederst).

Gas-vätskebubbelkolonn är ett typiskt gas-vätskeflödessystem som används i stor utsträckning i petrokemiska och biokemiska processer. De bubblande flödesfenomenen har undersökts omfattande med beräkningsbaserade vätskedynamiska metoder såväl som traditionella invasiva mättekniker. ECVT besitter den unika förmågan att erhålla kvantitativ realtidsvisualisering av ett helt gas-vätskeflödesfält. Ett exempel är studiet av dynamiken hos spiralbubbelplymer i bubbelkolonner. ECVT har visat sig kunna fånga spiralrörelsen hos bubbelplymer, strukturerna i storskaliga vätskevirvlar och gasfördelningar.

Ett annat exempel på tillämpningen av ECVT i gas-vätskesystem är studiet av en cyklonisk gas-vätskeseparator, där en gas-vätskeblandning tangentiellt kommer in i en horisontell kolonn och skapar ett virvlande flödesfält där gas och vätska separeras med centrifugalkraft. ECVT fångar framgångsrikt vätskefördelningen inuti kärlet och det off-centrerade gaskärndriftfenomenet. De kvantitativa resultaten matchar mekanistiska modeller.

Gas-vätska-fast

Drivbäddsreaktorn (TBR) är ett typiskt trefas gas-vätske-fast system och har tillämpningar inom petroleum, petrokemisk, biokemisk, elektrokemisk och vattenreningsindustri. I en TBR strömmar gas och vätska nedåt samtidigt genom packade fasta material. Beroende på gas- och vätskeflödeshastigheter kan TBR ha olika flödesregimer, inklusive sipprande flöde, pulserande flöde och spridd bubbelflöde. ECVT har framgångsrikt använts för att avbilda det turbulenta pulserande flödet i en TBR, och detaljerad pulsstruktur och pulshastighet kan erhållas från ECVT.

Förbränning (hög temperatur och låga)

Snigelhastigheter vid varierande Ug-Umf för olika temperaturer, 25°C, 300°C, 400°C och 650°C.

De flesta av gas-fasta flödessystem i kemisk industri arbetar vid förhöjda temperaturer för optimal reaktionskinetik. Under så tuffa förhållanden är många laboratoriemättekniker inte längre tillgängliga. Emellertid har ECVT potential för högtemperaturapplikationer på grund av sin enkla och robusta design och icke-invasiva natur, vilket gör att isolerande material kan bäddas in i sensorn för värmebeständighet. För närvarande är högtemperatur-ECVT-tekniken under snabb utveckling och forskningsansträngningar görs för att ta itu med tekniska frågor som är förknippade med höga temperaturer.

ECVT har använts i miljöer med höga temperaturer upp till 650 °C för att avbilda och karakterisera fluidiserade bäddar under höga temperaturer, såsom de som används i fluidiserad bäddreaktorer, fluidkatalytisk krackning och fluidiserad bäddförbränning. Tillämpningen av denna teknik på fluidiserade bäddar med hög temperatur har möjliggjort en djupgående analys av hur temperaturen påverkar flödesbeteendet i bäddarna. Till exempel, i en sluggande fluidiserad bädd med stort förhållande mellan kolonnhöjd och kolonndiameter med Geldart Group D-partiklar, kan ökande temperaturer upp till 650 °C ändra gasens densitet och viskositet, men har en försumbar effekt på sluggningsbeteende såsom snigelhastighet och frekvens.

Icke-förstörande testning (NDT)

Inom infrastrukturinspektionsbranschen är det önskvärt att använda utrustning som inspekterar inbäddade komponenter icke-invasivt. Frågor som korroderat stål, vattengenomträngning och lufthål är ofta inbäddade i betong eller andra solida element. Här måste metoder för oförstörande testning (NDT) användas för att undvika att äventyra strukturens integritet. ECVT har använts inom detta område för oförstörande testning av yttre senor på efterspända broar. Dessa strukturer är fyllda med stålkablar och skyddande injektering eller fett.

I den här applikationen placeras en mobiliserad, fjärrstyrd ECVT-enhet runt den externa senan och skannar senans inre. ECVT-enheten kan sedan dechiffrera information om kvaliteten på injekteringen eller fettet i senan i realtid. Det kan också bestämma storleken och placeringen av eventuella lufthål eller fukt i senan. Att hitta dessa problem är en kritisk uppgift för broinspektörer, eftersom luft- och fuktfickor i senor kan leda till korrosion av stålkablar och brott på senan, vilket riskerar att få konstruktionsskador på bron.

Se även