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AbstractAbstract
[en] The investigation of quickly-evolving flow patterns in high-pressure and high-temperature flow rigs is crucial due to inherent hazards. There is a dire need for a high-speed, non-intrusive imaging technique to identify characteristic flow phenomena to alleviate these hazards. Electrical Impedance Tomography (EIT) enables reconstruction of the admittivity distribution of the flowing medium(s), facilitating the characterisation of its/their flow. Apart from the development of the Data Acquisition (DAQ) system, a crucial interest is the design of the detector device which contains a ring of electrodes, tangential with the inner surface of the pipe. The main concern is the determination of the electrode length to maximise the energy at their surface. A numerical simulation was carried out to quantify the leakage of current which depends on the electrode area and the isolation layer thickness between the up-stream and down-stream conductive pipes and the electrodes. A maximum of the measurement energy was found for electrodes with 84% of the length of the EIT device. Another interest also developed in this work is the counterintuitive behaviour of the sensitivity map of measurements. This behaviour is validated by an independent computational method. The requirement for images at high frame-rates led to simultaneous voltage excitations over electrodes on the periphery of the flow associated to Frequency Division Multiplexing (FDM), doped One Excitation for Simultaneous High-speed Operation Tomography (ONE-SHOT) method. A first approach demonstrates the possibility of the full implementation of simultaneous excitations and measurements strategies for EIT, which maximise the number of measurements for 16 electrodes. These preliminary results confirm the relevance and the feasibility of simultaneous Multi-Frequency (MF) excitations and measurements in EIT as a means to significantly increase the imaging rate. This work details the proposed method and the signal generation/acquisition firmware based on a Field Programmable Gate Array (FPGA) DAQ system. The hardware and software integration and the signal processing involved in implementing the ONE-SHOT method for EIT are also detailed. It is shown that the 240 simultaneously generated signals are successfully discriminated and used for image reconstruction, at a rate up to 3906 frames per second (fps). The associated signal-to-noise ratio varies in the 55.6 dB - 69.1 dB range, depending on the generated frequency in the range of 3.906 kHz-468.7 kHz. The ONE-SHOT method were successfully operated in two experiments to measure flow characters in a Loss-Of-Coolant Accident (LOCA) in the hot leg of a Pressurised Water Reactor (PWR). Finally, the novel Continuous Overlapping operations with Linear trigonometric Response Analysis for EIT (COLTRANE) method is introduced and implemented for a 16 and a 32 electrodes EIT sensor in a FPGA based DAQ system. This novel method uses simultaneous trigonometric excitation patterns to increase the DAQ rate of EIT up to 32250 fps. These novel ultra high rate systems open EIT toward new domains of application. (author)
[fr]
L'analyse des regimes d'ecoulement evoluant rapidement dans des plateformes hydrauliques a haute pression et haute temperature est cruciale du fait de certains risques intrinseques. Il est urgent de developper une technique d'imagerie non intrusive et a haut rendement d'images pour identifier les phenomenes d'ecoulements caracteristiques et palier ces risques. La Tomographie par Impedance Electrique (EIT) permet de reconstruire la distribution de l'admittance du ou des milieu(x) en ecoulement, facilitant sa/leur caracterisation. Hormis le developpement du systeme d'Acquisition de Donnees (DAQ), un interet crucial concerne la conception du detecteur lui-meme, qui contient un anneau d'electrodes, tangentiel a la surface interne du conduit hydraulique. La principale preoccupation est de determiner la longueur des electrodes qui maximise leur energie de surface. Une simulation numerique a ete menee pour quantifier les fuites de courant qui dependent de la surface des electrodes, ainsi que de l'epaisseur d'isolation entre les electrodes et les brides conductrices en amont et en aval. Un maximum de l'energie de mesure a ete trouve pour des electrodes dont la longueur est de 84% la longueur du detecteur EIT. Un autre interet egalement developpe dans ce travail concerne le comportement contre-intuitif de la carte de sensibilite des mesures. Ce comportement est valide par une methode de calcul independante. La necessite d'acquerir des images a haut taux a amene a considerer des excitations simultanees en voltage imposees sur les electrodes en peripherie de l'ecoulement. Ces excitations sont associees au Multiplexage en Division de Frequences (FDM) selon la methode ONE-SHOT (ONe Excitation for Simultaneous High-speed Operation Tomography). Une premiere approche demontre la possibilite d'une implementation complete de strategies d'excitations et de mesures simultanees pour l'EIT, qui maximise le nombre de mesures pour 16 electrodes. Ces resultats preliminaires confirment la pertinence et la faisabilite d'excitations et de mesures simultanees et Multi-Frequentielles (MF) en EIT comme moyen pour augmenter significativement le taux d'images. Ce travail detaille la methode proposee ainsi que le systeme DAQ contenant un firmware pour la generation/acquisition des signaux base sur un Reseau Logique Programmable (FPGA). L'integration des logiciels et du materiel informatique ainsi que le traitement du signal implique dans l'implementation de la methode ONE-SHOT pour l'EIT est egalement detaillee. Il est demontre que 240 signaux simultanes ont ete generes, discrimines avec succes et utilises pour reconstruire des images, au taux de 3906 images par secondes (fps). Le signal-sur-bruit associe varie de 55.6 dB a 69.1 dB, en fonction de la frequence generee de 3,906 kHz a 468,7 kHz. La methode ONE-SHOT a ete exploitee avec succes dans deux experiences pour mesurer les caracteristiques des ecoulements dans la branche chaude d'un Reacteur a Eau Pressurisee (PWR) en scenario d'Accident de Fuites de Refrigerant Primaire (LOCA).Finalement, la nouvelle methode COLTRANE (Continuous Overlapping operations with Linear Trigonometric Response ANalysis for EIT) est introduite et implementee dans un systeme DAQ base sur FPGA pour des detecteurs EIT de 16 et 32 electrodes. Cette nouvelle methode utilise des patrons d'excitations trigonometriques et simultanees dans le but d'augmenter le taux d'acquisition jusqu'a 32250 fps. Ces nouveaux systemes a taux ultra rapides ouvrent l'EIT vers de nouveaux domaines d'applicationOriginal Title
Une nouvelle approche de la tomographie par impedance electrique ultra-rapide avec multiplexage en division de frequence: du developpement theorique a l'application industrielle
Primary Subject
Source
1 Oct 2020; 350 p; 213 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Physique, Instrumentation
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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