Объемная электрическая емкостная томография - Electrical capacitance volume tomography

Объемная электрическая емкостная томография (ECVT) является неинвазивным 3D-изображения технология применяется в основном к многофазным потокам. Впервые он был представлен В. Варсито, К. Марашде и Л.-С. Поклонник^[1] как продолжение обычного электрическая емкостная томография (ЭСТ). В обычном ВЭТ сенсорные пластины распределены по интересующей поверхности. Измерено емкость между комбинациями пластин используется для восстановления 2D-изображений (томограммы ) распространения материалов. В ECT поле окантовки от краев пластин рассматривается как источник искажения окончательного восстановленного изображения и, таким образом, смягчается защитными электродами. ECVT использует это периферийное поле и расширяет его за счет конструкции 3D-датчиков, которые намеренно создают электрическое поле вариации во всех трех измерениях. Алгоритмы реконструкции изображений по своей природе аналогичны ECT; тем не менее, проблема реконструкции в ECVT более сложна. Матрица чувствительности датчика ECVT хуже кондиционирована, и общая проблема восстановления более некорректно по сравнению с ЭСТ. Подход ECVT к конструкции сенсора позволяет получать прямое трехмерное изображение окружающей геометрии. Это отличается от 3D-ECT, который основан на наложении изображений с отдельных датчиков ECT. 3D-ECT также может быть выполнен путем наложения кадров из последовательности временных интервалов измерений ECT. Поскольку сенсорные пластины ECT должны иметь длину порядка поперечного сечения домена, 3D-ECT не обеспечивает требуемого разрешения в осевом размере. ECVT решает эту проблему, переходя непосредственно к реконструкции изображения и избегая подхода наложения. Это достигается за счет использования датчика, который по своей природе является трехмерным.

История

Объемная томография электрической емкости была впервые представлена W. Warsito и L.-S. Фан на презентации на 3-м Всемирном конгрессе по технологической томографии в Банфе, Канада, в 2003 году.^[2] Термин был введен в обращение в 2005 году в патенте, поданном W. Warsito, Q. Marashdeh и L.S. Поклонник^[3] с акцентом на объем чтобы отличить технологию от более ранней и продолжающейся разработки формы, называемой 3D-ЭСТ где двухмерные томограммы накладываются друг на друга для создания псевдо трехмерного изображения. Этот традиционный подход 3D-ECT ограничивал использование 3D-изображений, поскольку значительная длина электродов ECT значительно ухудшала осевое разрешение таких 3D-изображений. ECVT появился как решение этого ограничения. ECVT обеспечивает прямое трехмерное изображение, используя компоненты X, Y и Z электрического поля, которые являются функцией конструкции датчика. За первоначальной презентацией в 2003 г. последовала публикация К. Марашде и Ф. Тейшейры в 2004 г., в которой они представили метод построения матрицы чувствительности для этих новых датчиков.^[4]^[5] Эта новая развивающаяся форма технологии называлась 3D-ECT вплоть до подачи заявки на патент в 2005 году, где она была обозначена как ECVT. Позже, в 2007 году, была опубликована журнальная статья, в которой подробно описывались научные основы технологии.^[1] и хронологический порядок развития ECVT был также опубликован в журнале в том же году.^[6]

Принципы

Уравнения емкости и поля в ECVT

Два металлических электрода удерживаются на разных электрический потенциал ${ displaystyle V}$ и разделенные конечным расстоянием будут индуцировать электрическое поле ${ displaystyle E}$ в области между ними и вокруг них. Распределение поля определяется геометрией проблемы и основными свойствами среды, такими как диэлектрическая проницаемость ${ displaystyle varepsilon}$ и проводимость ${ displaystyle sigma}$ . Предполагая статический или квазистатический режим и наличие без потерь диэлектрик средний, например идеальный изолятор, в области между пластинами поле подчиняется следующему уравнению:

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

куда ${ displaystyle varphi}$ обозначает распределение электрического потенциала. В однородный средний с униформой ${ displaystyle varepsilon}$ , это уравнение сводится к Уравнение лапласа. В с потерями среды с конечной проводимостью, такой как вода, поле подчиняется обобщенное уравнение Ампера,

${ displaystyle nabla times H = sigma E + j omega varepsilon E}$

Принимая расхождение этого уравнения и учитывая тот факт, что ${ displaystyle E = - nabla varphi}$ , следует:

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

когда пластины возбуждаются гармоническим во времени потенциалом напряжения с частотой ${ displaystyle omega}$ .

Емкость ${ displaystyle C}$ это мера электроэнергия ${ displaystyle W}$ хранится в носителе, что может быть определено количественно с помощью следующего соотношения:

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

куда ${ displaystyle E ^ {2}}$ - квадрат величины электрического поля. Емкость изменяется как нелинейная функция диэлектрической проницаемости. ${ displaystyle varepsilon}$ поскольку распределение электрического поля в приведенном выше интеграле также является функцией ${ displaystyle varepsilon}$ .

Томография мягкого поля

Томография мягкого поля относится к набору методов визуализации, таких как электрическая емкостная томография (ЕСТ), электроимпедансная томография (EIT), томография электросопротивления (ERT) и т. Д., В которых силовые линии электрического (или магнитного) поля претерпевают изменения при наличии возмущения в среде. Это в отличие от томографии с жестким полем, такой как Рентгеновская компьютерная томография, где силовые линии электрического поля не меняются в присутствии испытуемого. Основной характеристикой томографии мягкого поля является ее некорректность.^[7] Это делает реконструкцию более сложной для достижения хорошего пространственного разрешения в томографии мягкого поля по сравнению с томографией жесткого поля. Для решения некорректно поставленной проблемы можно использовать ряд методов, например регуляризацию по Тихонову.^[8] На рисунке справа показано сравнение разрешения изображений между ЭКВТ и МРТ.

Системы сбора данных ECVT

Аппаратное обеспечение систем ECVT состоит из пластин чувствительных электродов, схемы сбора данных и компьютера для управления всей системой и обработки данных. ECVT - это неинвазивный и неинвазивный метод визуализации благодаря его бесконтактной работе. Перед фактическими измерениями необходима процедура калибровки и нормализации, чтобы нейтрализовать влияние паразитной емкости и любой изолирующей стенки между электродами и исследуемой областью, которую необходимо отобразить. После калибровка и нормализации, измерения можно разделить на последовательность измерений, в которой задействованы два отдельных электрода: один электрод (TX) возбуждается источником переменного напряжения в квазиэлектростатическом режиме, обычно ниже 10 МГц, а второй электрод (RX) размещен на потенциале земли, используемом для измерения результирующего тока. Остальные электроды также имеют потенциал земли.

Этот процесс повторяется для всех возможных пар электродов. Обратите внимание, что изменение ролей электродов TX и RX приведет к одинаковой взаимной емкости из-за взаимности. В результате для систем ECVT с количеством пластин N количество независимых измерений равно N (N-1) / 2. Этот процесс обычно автоматизируется с помощью схемы сбора данных. В зависимости от рабочей частоты, количества пластин и частоты кадров в секунду системы измерения один полный цикл измерения может варьироваться; однако это порядка нескольких секунд или меньше. Одной из наиболее важных частей систем ECVT является конструкция датчика. Как следует из предыдущего обсуждения, увеличение количества электродов также увеличивает количество независимой информации об интересующей области. Однако это приводит к меньшим размерам электродов, что, в свою очередь, приводит к низкому соотношению сигнал / шум.^[9] С другой стороны, увеличение размера электрода не приводит к неравномерному распределению заряда по пластинам, что может усугубить некорректность проблемы.^[10] Размер датчика также ограничен зазорами между чувствительными электродами. Это важно из-за побочных эффектов. Было показано, что использование защитных пластин между электродами снижает эти эффекты. В зависимости от предполагаемого применения датчики ECVT могут состоять из одного или нескольких слоев в осевом направлении. Объемная томография с ECVT получается не путем объединения двухмерных сканирований, а скорее на основе чувствительности трехмерных дискретных вокселей.

Конструкция электродов также определяется формой исследуемой области. Некоторые домены могут иметь относительно простую геометрию (цилиндрическая, прямоугольная призма и т. Д.), Где можно использовать симметричное размещение электродов. Однако сложная геометрия (угловые соединения, Т-образные домены и т. Д.) Требует специально разработанных электродов для правильного окружения домена. Гибкость ECVT делает его очень полезным в полевых условиях, где чувствительные пластины не могут быть размещены симметрично. Поскольку уравнению Лапласа не хватает характерной длины (такой как длина волны в уравнении Гельмгольца), фундаментальная физика задачи ECVT масштабируема по размеру, пока сохраняются свойства квазистатического режима.

Методы реконструкции изображения для ECVT

Реконструкция изображения в ECVT (а) датчик ECVT, охватывающий две диэлектрические сферы (

{ displaystyle varepsilon _ {r} = 1,5}

), (б) восстановленное распределение диэлектрической проницаемости с использованием итерации Ландвебера^[11]

Методы реконструкции обращаются к обратной задаче визуализации ECVT, то есть к определению распределения объемной диэлектрической проницаемости из измерений взаимных емкостей. Традиционно обратная задача решается посредством линеаризации (нелинейной) зависимости между емкостью и уравнением диэлектрической проницаемости материала с использованием приближения Борна. Обычно это приближение справедливо только для небольших контрастов диэлектрической проницаемости. В других случаях нелинейный характер распределения электрического поля представляет проблему для восстановления как 2D, так и 3D изображений, что делает методы реконструкции активной областью исследований для повышения качества изображения. Методы реконструкции для ECVT / ECT можно разделить на итерационные и неитеративные (одношаговые) методы.^[8] Примерами неитерационных методов являются линейная обратная проекция (LBP) и прямой метод, основанный на сингулярной декомпозиции и регуляризации Тихонова. Эти алгоритмы недорогие в вычислительном отношении; однако их компромисс - менее точные изображения без количественной информации. Итерационные методы можно условно разделить на методы, основанные на проекции и методы оптимизации. Некоторые из итерационных алгоритмов линейной проекции, используемых для ECVT, включают итерацию Ньютона-Рафсона, итерацию Ландвебера и алгебраическую реконструкцию наискорейшего спуска и методы одновременной реконструкции, а также итерацию на основе модели. Подобно одношаговым методам, эти алгоритмы также используют линеаризованную матрицу чувствительности для проекций, чтобы получить распределение диэлектрической проницаемости внутри области. Итерационные методы на основе проекций обычно обеспечивают более качественные изображения, чем неитерационные алгоритмы, но требуют больше вычислительных ресурсов. Второй тип итерационных методов реконструкции - это алгоритмы реконструкции на основе оптимизации, такие как оптимизация нейронной сети.^[12] Эти методы требуют больше вычислительных ресурсов, чем ранее упомянутые методы, а также дополнительную сложность для реализации. Методы реконструкции оптимизации используют несколько целевых функций и используют итерационный процесс для их минимизации. Полученные изображения содержат меньше артефактов нелинейного характера и имеют тенденцию быть более надежными для количественных приложений.

Фазовая томография смещения тока (DCPT)

Фазовая томография смещения тока - это метод визуализации, в котором используется то же оборудование, что и ECVT.^[13] ECVT не использует действительную часть (составляющую проводимости) полученных измерений взаимной проводимости. Этот компонент измерения связан с материальными потерями в интересующей области (проводимость и / или диэлектрические потери). DCPT использует полную информацию о проводимости посредством малоугловой фазовой составляющей этих комплексных данных. DCPT может использоваться только тогда, когда электроды возбуждаются переменным напряжением. Это относится только к областям, которые включают материальные потери, в противном случае измеренная фаза будет равна нулю (действительная часть проводимости будет равна нулю). DCPT разработан для использования с теми же алгоритмами реконструкции, что и для ECVT. Следовательно, DCPT может использоваться одновременно с ECVT для изображения распределения касательных пространственных потерь среды вместе с его пространственным распределением относительной диэлектрической проницаемости от ECT.

Многочастотный режим ECVT

Многофазные потоки неизменно сложны. Для мониторинга и количественной оценки фазовых задержек в таких многофазных потоках требуются передовые методы измерения. Благодаря относительно высокой скорости сбора данных и незаметности, ECT и ECVT широко используются в промышленности для мониторинга потока. Однако возможности ECT / ECVT по разложению и мониторингу потока для многофазного потока, содержащего три или более фаз (например, комбинацию масла, воздуха и воды), несколько ограничены. Многочастотные возбуждения и измерения были успешно использованы в ЭСТ.^[14] реконструкция изображения в тех случаях. Многочастотные измерения позволяют использовать эффект Максвелла-Вагнера-Силлара (MWS) на отклик измеренных данных (например, проводимость, емкость и т. Д.) В зависимости от частоты возбуждения.^[14] Этот эффект был впервые обнаружен Максвеллом в 1982 году. ^[15] и позже изучался Вагнером и Силлиарсом.^[16]^[17] Эффект MWS является следствием поляризации поверхностной миграции на границе раздела между материалами, когда хотя бы один из них является проводящим.^[14]^[18] Обычно диэлектрический материал проявляет релаксационный эффект дебаевского типа на микроволновых частотах. Однако из-за присутствия эффекта MWS (или поляризации MWS) смесь, содержащая по крайней мере одну проводящую фазу, будет демонстрировать эту релаксацию на гораздо более низких частотах. Эффект MWS зависит от нескольких факторов, таких как объемная доля каждой фазы, ориентация фаз, проводимость и другие параметры смеси. Формула Вагнера^[19] для разбавленной смеси и формулы Брюггемана^[20] для плотных смесей являются одними из наиболее известных формулировок эффективной диэлектрической проницаемости. Формулировка Ханаи для комплексной диэлектрической проницаемости, расширение формулы Бруггемана для эффективной диэлектрической проницаемости, помогает при анализе эффекта MWS для комплексной диэлектрической проницаемости. Формула Ханаи для сложного диэлектрика записывается как

Слева: восстановленные изображения модели потока, проводящей фазы и непроводящей фазы.^[14]

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

куда ${ displaystyle varepsilon _ {1} ^ {*}}$ , ${ displaystyle varepsilon _ {2} ^ {*}}$ , и ${ Displaystyle varepsilon ^ {*}}$ - комплексная эффективная диэлектрическая проницаемость дисперсной фазы, непрерывной фазы и смеси соответственно. ${ displaystyle phi}$ - объемная доля дисперсной фазы.

Зная, что смесь будет демонстрировать диэлектрическую релаксацию из-за эффекта MWS, этот дополнительный измерительный размер может использоваться для разложения многофазных потоков, когда по крайней мере одна из фаз является проводящей. На рисунке справа показаны восстановленные изображения модели потока, проводящей фазы и непроводящей фазы, извлеченные с помощью эффекта MWS из экспериментальных данных.

ECVT Velocimetry

Нормализованное распределение чувствительности, градиент чувствительности между парой электродов, восстановленный профиль скорости при перемещении сфер в 3D-профиле и в 2D-профиле в плоскости.^[11]

Под Velocimetry понимаются методы, используемые для измерения скорости жидкости. Использование градиента чувствительности^[11] позволяет реконструировать трехмерные профили скорости с помощью датчика ECVT, который может легко предоставить информацию о динамике жидкости. Градиент чувствительности определяется как

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

куда ${ displaystyle S}$ - это распределение чувствительности датчика ECVT, как показано справа. После применения градиента чувствительности, как описано в,^[11] 3D и 2D профиль скорости, соответствующий рисунку выше, показан на рисунке справа.

Применение градиента чувствительности обеспечивает значительное улучшение по сравнению с более традиционной (основанной на взаимной корреляции) велосиметрией, демонстрируя лучшее качество изображения и требуя меньше вычислительного времени. Другим преимуществом велосиметрии на основе градиента чувствительности является ее совместимость с традиционными алгоритмами восстановления изображения, используемыми в ECVT.

Преимущества

Модульный

Основные требования к датчикам ECVT просты и поэтому могут иметь модульную конструкцию. Для датчиков ECVT требуются только токопроводящие электроды, которые электрически изолированы друг от друга и не закорочены в среде, контролируемой датчиком ECVT. Кроме того, должен быть способ возбуждения и обнаружения сигнала к каждому электроду и от него. Отсутствие ограничений на конструкцию датчика позволяет изготавливать его из различных материалов и принимать самые разные формы, включая гибкие стенки, высокотемпературные характеристики, характеристики высокого давления, тонкостенные, изогнутые и плоские датчики. С добавлением технологии AECVT конфигурация электродов сенсора также становится модульной, без необходимости изготовления новых сенсоров.

Безопасный

ECVT имеет низкую энергию, низкую частоту и нерадиоактивность, что делает его безопасным для использования в любой ситуации, когда опасны токсичные отходы, высокое напряжение или электромагнитное излучение. Низкое энергопотребление этой технологии также делает ее пригодной для удаленных мест, где не хватает электроэнергии. Во многих случаях простой батареи на солнечной энергии может оказаться достаточно для питания устройства ECVT.

Масштабируемый

ECVT работает на очень больших длинах волн, обычно с использованием частот ниже 10 МГц для возбуждения электродов. Эти длинные волны позволяют технологии работать в квазиэлектростатическом режиме. Пока диаметр датчика намного меньше длины волны, эти предположения остаются в силе. Например, при возбуждении сигналом переменного тока 2 МГц длина волны составляет 149,9 метра. Диаметр сенсора обычно рассчитывается значительно ниже этого предела. Кроме того, сила емкости, ${ displaystyle C}$ , масштабируется пропорционально площади электрода, ${ displaystyle A}$ , и расстояние между пластинами, ${ displaystyle d}$ , или диаметр датчика. Таким образом, если диаметр датчика становится больше, если площадь пластины соответствующим образом масштабируется, любую данную конструкцию датчика можно легко увеличить или уменьшить с минимальным влиянием на мощность сигнала.

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

Низкая стоимость и профиль

По сравнению с другим оборудованием для измерения и визуализации, таким как гамма-излучение, рентгеновские лучи или аппараты МРТ, ECVT остается относительно дешевым в производстве и эксплуатации. Частично это качество технологии связано с ее низким уровнем выбросов энергии, что не требует каких-либо дополнительных механизмов удержания отходов или изоляции высокой выходной мощности. К низкой стоимости добавляется доступность широкого спектра материалов для изготовления датчика. Электроника также может быть размещена удаленно от самого датчика, что позволяет использовать стандартную электронику окружающей среды для сбора данных, даже когда датчик подвергается воздействию экстремальных температур или других условий, которые обычно затрудняют использование электронных приборов.

Высокое временное разрешение (быстро)

В общем, метод сбора данных, используемый вместе с ECVT, очень быстр. Данные могут быть получены с датчика с частотой несколько тысяч раз в секунду в зависимости от количества пар пластин в конструкции датчика и аналоговой конструкции системы сбора данных (т. Е. Тактовой частоты, параллельной схемы и т. Д.). Возможность очень быстрого сбора данных делает эту технологию очень привлекательной для отраслей, в которых процессы происходят очень быстро или передаются с высокой скоростью. Это большой контраст с МРТ, которая имеет высокое пространственное разрешение, но часто очень плохое временное разрешение.

Проблемы пространственного разрешения в ECVT

Как отмечалось выше, пространственное разрешение является фундаментальной проблемой в ECT / ECVT. Пространственное разрешение ограничено природой мягкого поля ECT / ECVT и тем фактом, что электрическое поле запроса в ECT / ECVT имеет квазистатический характер. Последнее свойство означает, что распределение потенциала между пластинами является решением уравнения Лапласа. Как следствие, не может быть каких-либо относительных минимумов или максимумов для распределения потенциала между пластинами, и, следовательно, не может быть никаких фокальных пятен.

Для увеличения пространственного разрешения можно использовать две основные стратегии. Первая стратегия состоит в обогащении данных измерений. Это можно сделать с помощью (а) адаптивного сбора данных с синтетическими электродами,^[10] (b) многочастотный режим для использования изменений диэлектрической проницаемости с частотой из-за эффекта MWS,^[14] и (c) комбинирование ECT / ECVT с другими методами измерения, основанными либо на том же аппаратном обеспечении (например, DCPT), либо на дополнительном оборудовании (таком как микроволновая томография). Вторая стратегия увеличения пространственного разрешения заключается в разработке многоступенчатой реконструкции изображения, которая включает априорную информацию и наборы обучающих данных, а также пространственную адаптивность.

Приложения

Многофазный поток

Многофазный поток относится к одновременному потоку материалов с различным физическим состоянием или химическим составом и широко используется в нефтяной, химической и биохимической промышленности. В прошлом ECVT был тщательно протестирован в широком диапазоне систем многофазного потока как в лабораторных, так и в промышленных условиях.^[9] Уникальная способность ECVT получать в реальном времени неинвазивную пространственную визуализацию систем со сложной геометрией при различных условиях температуры и давления при относительно низких затратах делает его подходящим как для фундаментальных исследований механики жидкости, так и для приложений в крупномасштабных обрабатывающих отраслях. Ниже кратко излагаются недавние исследовательские усилия по изучению этих двух аспектов.

Газ-твердое тело

Иллюстрация реактора CFB (слева), конфигурации датчика ECVT на изгибе (в центре) и реконструированных изображений распределения содержания твердых частиц в изгибе (справа).^[21]

Псевдоожиженный слой газ-твердое тело представляет собой типичную систему потока газ-твердое тело, которая широко используется в химической промышленности благодаря превосходному тепло- и массообмену, а также транспортировке и обращению с твердыми частицами. ECVT был успешно применен к системам с псевдоожиженным слоем газ-твердое тело для измерения свойств системы и визуализации динамических характеристик. Примером может служить исследование явления дросселирования в циркулирующем псевдоожиженном слое твердого и газообразного вещества с внутренним диаметром 0,1 м с помощью 12-канального цилиндрического датчика ECVT.^[22] где образование пробки при переходе к удушению четко регистрируется ECVT. В другом эксперименте изучается псевдоожижение барботажного газа и твердого вещества в колонке с внутренним диаметром 0,05, где удерживание твердых частиц, форма и частота пузырьков, полученные с помощью ECVT, подтверждаются измерениями МРТ.^[23] Гибкость геометрии датчика ECVT также позволяет ему отображать изгиб, сужение и другие неоднородные участки газо-твердых реакторов. Например, горизонтальная струя газа, проникающая в цилиндрический псевдоожиженный слой газа и твердого тела, может быть отображена с помощью модифицированного датчика ECVT, и такая информация, как длина и ширина проникновения струи, а также поведение струи слияния с пузырьками в псевдоожиженном слое, может быть полученным от ECVT.^[24]

Другой пример - это визуализация с помощью ECVT стояка и изгиба газо-твердого циркулирующего псевдоожиженного слоя (CFB).^[21] Структура потока керн-кольцевое пространство как в стояке, так и в отводе, а также твердые скопления в горизонтальной части отвода идентифицируются по количественным изображениям ECVT.

Газ-жидкость

Изображения пузырьковых шлейфов из ECVT (вверху) и фактического столбца (внизу).^[25]

Барботажная колонна газ-жидкость представляет собой типичную систему газожидкостного потока, которая широко используется в нефтехимических и биохимических процессах. Явление пузырящегося потока широко исследовалось с помощью методов вычислительной гидродинамики, а также традиционных инвазивных методов измерения. ECVT обладает уникальной способностью получать количественную визуализацию в реальном времени всего поля газожидкостного потока. Примером может служить исследование динамики спиральных пузырьковых шлейфов в пузырьковых колоннах.^[26]^[25] Показано, что ECVT способен улавливать спиральное движение пузырьковых шлейфов, структуры крупномасштабных жидких вихрей и распределений удержания газа.

Еще одним примером применения ECVT в газожидкостных системах является исследование циклонного газожидкостного сепаратора,^[27] где газожидкостная смесь входит в горизонтальный столб по касательной и создает поле закрученного потока, в котором газ и жидкость разделяются центробежной силой. ECVT успешно фиксирует распределение жидкости внутри емкости и явление смещения газового ядра со смещением от центра. Количественные результаты соответствуют механистическим моделям.

Газ-жидкость-твердое тело

Реактор с тонким струйным слоем (TBR) представляет собой типичную трехфазную систему газ-жидкость-твердое тело и находит применение в нефтяной, нефтехимической, биохимической, электрохимической и водоочистной отраслях. В TBR газ и жидкость одновременно текут вниз через уплотненные твердые материалы. В зависимости от расхода газа и жидкости TBR может иметь различные режимы потока, включая капельный поток, пульсирующий поток и поток с дисперсными пузырьками. ECVT успешно использовался для изображения турбулентного пульсирующего потока в TBR,^[28] а подробную структуру импульса и скорость импульса можно получить из ECVT.

Горение (высокая температура и пламя)

Скорости снаряда при различных Ug-Umf для различных температур: 25 ° C, 300 ° C, 400 ° C и 650 ° C.^[29]

Большинство газо-твердых потоков в химической промышленности работают при повышенных температурах для оптимальной кинетики реакции. В таких суровых условиях многие лабораторные методы измерения больше не доступны. Тем не менее, ECVT имеет потенциал для высокотемпературных применений из-за своей простой и прочной конструкции и неинвазивного характера, что позволяет встраивать изоляционные материалы в датчик для обеспечения термостойкости. В настоящее время высокотемпературная технология ECVT находится в стадии бурного развития, и предпринимаются усилия по исследованию технических проблем, связанных с высокими температурами.

ECVT использовался в средах с высокими температурами до 650 ° C.^[29] для изображения и характеристики псевдоожиженных слоев при высоких температурах, таких как те, которые используются в реакторах с псевдоожиженным слоем, крекинге с псевдоожиженным слоем и сжигании в псевдоожиженном слое. Применение этой технологии к высокотемпературным псевдоожиженным слоям позволило провести углубленный анализ того, как температура влияет на поведение потока в пластах. Например, в закупоренном псевдоожиженном слое с большим отношением высоты колонны к диаметру колонны с частицами Гелдарта группы D повышение температуры до 650 ° C может изменить плотность и вязкость газа, но имеет незначительное влияние на поведение пробки, такое как скорость пробки. и частота.

Неразрушающий контроль (NDT)

В индустрии проверки инфраструктуры желательно использовать оборудование, которое проверяет встроенные компоненты неинвазивно. Такие проблемы, как коррозия стали, проникновение воды и воздушные пустоты, часто возникают внутри бетона или других твердых элементов. Здесь необходимо использовать методы неразрушающего контроля (NDT), чтобы избежать нарушения целостности конструкции. ECVT использовался в этой области для неразрушающего контроля внешних сухожилий на мостах после натяжения.^[30] Эти конструкции заполнены стальными тросами и защитным раствором или смазкой.

В этом приложении подвижное устройство ECVT с дистанционным управлением помещается вокруг внешнего сухожилия и сканирует внутреннюю часть сухожилия. Затем устройство ECVT может расшифровать информацию о качестве цементного раствора или смазки внутри сухожилия в режиме реального времени. Он также может определить размер и расположение любых воздушных пустот или влаги внутри сухожилия. Обнаружение этих проблем является важной задачей для инспекторов мостов, поскольку воздушные и влажные карманы внутри арматуры могут привести к коррозии стальных тросов и разрушению арматуры, что подвергает мост риску повреждения конструкции.