エコー粒子画像流速測定法

Summary

光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、速度の2次元フィールドを取得することが可能なエコー粒子画像流速（EPIV）システムが記載されており、パイプフローの検証測定が報告されています。

Abstract

流体の流れの質量、運動量、エネルギーの輸送、最終的に流体速度場の時空間分布によって決定されます^。1したがって、理解のための前提条件、予測、および流体の流れを制御することにより、十分な空間と速度場を測定するための機能であり、時間分解能²速度測定のために光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、エコー粒子画像流速（EPIV）は速度の"瞬間"二次元のフィールドを生成するための魅力的な診断手法です。これで^3,4,5,6紙、ハーゲン·ポアズイユのオペレーティングソフトウェア^8が記載されている商業用粒子画像流速測定法（PIV）を実行しているPCと、商業、医療用超音波マシン^7を統合^することによって構築EPIVシステムのプロトコル、および検証の測定（ すなわち 、層流管）流れが報告されている。

EPIVメジャーのメンツ、医療用超音波マシンに接続されているフェーズドアレイプローブは、異なる時間に圧電プローブ要素にパルスを与えることにより、二次元超音波画像を生成するために使用されます。各プローブ要素には、流体中に超音波パルスを送信し、流体（天然またはシードのいずれか）のトレーサー粒子はバック彼らが記録されているプローブに超音波エコーを反映しています。伝送に対する反射超音波とその時間遅延の振幅は、Bモード（輝度モード）は、2次元超音波画像と呼ばれるものを作成するために使用されます。具体的には、時間遅延は、流体中の散乱体の位置を決定するために使用されており、振幅は散乱体に強度を割り当てるために使用されます。シングルBモード画像tを得るために必要な時間は、それはフェイズドアレイ探触子のすべての要素をパルス化するのに要する時間によって決定される。複数のBモード画像を取得するため、秒あたりのフレーム数でシステムのフレームレート（fps）= 1 /＆ドLTA;トン。 （超音波イメージングのレビューのために9を参照）。

典型的なEPIV実験では、フレームレートがフローの状態に応じて、20〜60 fpsの間にあり、フロー内のトレーサー粒子の空間分布の100から1000 Bモード画像が取得される。一旦獲得されると、Bモード超音波画像は、PIV商用ソフトウェアを実行しているPCへのイーサネット接続を介して転送されます。 PIVソフトウェア、トレーサ粒子の変位場は、D（x、y）を [ピクセル]を使用することで、（ここで、xとyはそれぞれ、超音波画像の水平方向と垂直方向の空間的な位置を示す）連続超音波に相互相関アルゴリズムを適用することによって取得され、B-モード画像¹⁰速度場は、u（x、y）は [m / s]と、画像のペアの間の時間ステップを知っているので、変位フィールドから決定され、ΔT[s]とし、画像の倍率は、M [メートル/ピクセル]、 すなわち、U（x、y）は = MDの（x、y）/ΔT。タイムステップbetween画像ΔT= 1/fps + D（x、y）はA / B、Bは [ピクセル/ s]は、超音波探触子がイメージの幅を横切って掃引するのにかかる時間である。本研究では、M = 77〔μm/ pixel]で、FPS = 49.5 [1 / s]とし、B = 25047 [画素/秒]。一旦獲得されると、速度場は、関心のある流れの数量を計算するために分析することができます。

Protocol

1。測定可能なフローの作成

1. EPIV検証測定はグリセリン水溶液（ - 50％水50％グリセリン）のパイプフローで実証されます。実験装置の概略を図1に示します。
2. 10μmの呼び径を有する中空のガラス球は百万分の約17重量部の濃度で流体に追加されます。中空ガラス球は、超音波造影剤として機能し、その大きさと密度が、彼 ​​らは受動的に流体の流れをたどるように選択される^。10
3. 固定電圧は、既知の流量を導入するポンプに供給されています。流量はUはパイプ内の平均速度であるU <<ΔX/ΔTは、Δxは EPIV測定体積の直線長さであり、ΔTは、画像間の時間ステップ、 すなわちであるように選択され、流れがある必要が超音波syのFPSに比べて"遅い"ステム^。3

2。超音波のキャリブレーションを

1. 外側パイプ壁に超音波探触子をマウントします。水ベースの局所ゲルは、プローブ面と管壁の間に超音波ビームの伝送損失を最小限にするために、超音波プローブに適用されます。
2. 超音波マシンをパワーオンします。超音波画像のライブストリームは、すべてのシステムの負荷と自動的に開始されます。
3. 超音波マシンのコントロールパネル上の奥行きコン....

Results

瞬時エコー粒子画像流速（EPIV）ベクトル場を図3に示します。ベクトルプロットは、すべての4番目の列の速度ベクトルを示しており、背景色コンターマップは速度の大きさに対応しています。 1000年瞬時EPIVベクトルプロットにわたって平均アンサンブル平均ベクトルプロットを図4に示します。パイプ流と一致して、速度ベクトルは、流れ方向に主に、最大速度はパイプの中心線で発生し、速度は管壁でゼロに減少する。二乗平均平方根（rms）の速度の大きさの変動を図5に示します。ハーゲン·ポアズイユ流れの中で、実効速度は、ゼロでなければなりませんので、非ゼロの実効速度はEPIV測定におけるノイズを測定する方法を提供します高い画像を生成管壁からの超音波ビームの強い反射と屈折から上壁結果に近い高実効値iこの地域でntensitiesます（ 図2を参照）。測定誤差につながる壁の不明瞭な粒子強度の近くにこれらの高強度。行に沿っアンサンブル平均ベクトルプロット（水平方向）を平均化することによって計算された意地悪な流れ方向速度の壁垂直プロ.......

Discussion

光学的に不透明な流体中または光学的に不透明なジオメトリを通じ、速度の2次元フィールドを取得することが可能なエコー粒子画像流速（EPIV）システムの動作プロトコルが記述されていた。 EPIVの実用化は不透明な流体の流れは非常に多くのアプリケーションで発生した産業やバイオフローシステムの研究に適しています。ここに提示され、特定のシステムを意図的にリグノセルロース系エタノールの生産に使用される液化バイオマス流体の流動特性を研究するために建てられました。 EPIVの機能は、パイプ流の代表的な測定値を用いて実証された。具体的には、平均と実効速度プロファイルはEPIVベクトル場から計算した、ハーゲン·ポアズイユ（層）パイプ流は、測定、定量化することが示された。 EPIVの限界は、本質的に低いフレームレート（市販の超音波システムのイメージング機能によって制限される）と低空間分解能、whicアールhは速度、測定することができる一時的な流動挙動の範囲を制限します。我々は記事自己完結型を作るために努力してきたが最後に、商業超音波マシン⁷およびPIVソフトウェア⁸のユーザーマニュアルは、完全を期すために相談されるべ.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
試薬の名称	会社	カタログ番号	コメント（オプション）
超音波装置	GE	鮮やかな7 Proの
リニア超音波アレイ	GE	10リットル
DCの水ポンプ	KNF	NF 10 KPDC
ベクトル処理ソフトウェア	Lavision	デイビス7.2
処理ソフトウェアを投稿	Mathworks社	MATLAB 7.12
アクリルチューブ	マクマスター·カーR	8486K531
超音波ゲル	パーカー	Aquasonic 100