Echo vélocimétrie par images de particules

Summary

Une particule image en écho de vélocimétrie (EPIV) système capable d'acquérir deux dimensions champs de vitesse dans les fluides optiquement opaques ou opaques à travers des géométries est décrite, et des mesures de débit de validation tuyau sont rapportés.

Abstract

Le transport de masse, du moment et de l'énergie dans les flux de fluide est finalement déterminé par les distributions spatio-temporelles du champ de vitesse du fluide. ^{1 Par} conséquent, une condition préalable pour comprendre, prévoir et contrôler les flux de fluide est la capacité de mesurer le champ de vitesse avec spatiale adéquate et résolution temporelle. ² Pour les mesures de vitesse dans les fluides opaques ou par l'intermédiaire des géométries opaques, font écho à la vélocimétrie par images de particules (EPIV) est une technique de diagnostic attractif pour générer des «instantanés» à deux dimensions des champs de vitesse. ^3,4,5,6 Dans ce papier, le protocole de fonctionnement d'un système EPIV construit par l'intégration d'un appareil d'échographie médicale commerciale ⁷ avec un PC exécutant commerciale vélocimétrie par images de particules (PIV) du logiciel ⁸ est décrit, et les mesures de validation de Hagen-Poiseuille (c.-à-laminaire tuyau) flux sont rapportés .

Pour la mesure EPIVments, une sonde à balayage électronique reliée à l'appareil médical à ultrasons est utilisé pour générer une image ultrasonore bidimensionnelle par impulsions les éléments piézo-électriques de la sonde à des moments différents. Chaque élément de sonde émet une impulsion ultrasonore dans le fluide et les particules de traceur dans le fluide (naturels ou graines) reflètent ultrasons échos de retour à la sonde où ils sont enregistrés. L'amplitude des ondes ultrasonores réfléchies et leur temps de retard relatif de transmission sont utilisés pour créer ce qu'on appelle B-mode (mode de luminosité) des images ultrasonores bidimensionnelles. Plus précisément, le temps de retard est utilisé pour déterminer la position du diffuseur dans le fluide et l'amplitude est utilisée pour attribuer à l'intensité du diffuseur. Le temps nécessaire pour obtenir une seule image en mode B, t, est déterminé par le temps qu'il faut pour pulser l'ensemble des éléments de la sonde à balayage électronique. Pour l'acquisition de plusieurs images en mode B, le taux de trame du système en images par seconde (fps) = 1 / et delta, t. (Voir 9 pour un examen d'imagerie par ultrasons.)

Pour une expérience typique EPIV, la vitesse de défilement est comprise entre 20-60 fps, en fonction des conditions d'écoulement et 100-1000 mode B des images de la distribution spatiale des particules de traceur dans l'écoulement sont acquises. Une fois acquis, les images de l'échographie en mode B sont transmises via une connexion Ethernet au PC exécutant le logiciel PIV commerciale. L'utilisation du logiciel PIV, les champs de déplacement des particules traceuses, D (x, y) [pixels], (où x et y désignent horizontal et vertical position spatiale dans l'image ultrasonore, respectivement) sont acquises par l'application d'algorithmes de corrélation croisée à ultrasons successives B- images en mode ^10. champs de vitesse, u (x, y) [m / s], sont déterminées à partir des champs de déplacements, connaissant le pas de temps entre des paires d'images, AT [s], et le grossissement de l'image, M [m / pixel ], soit u (x, y) = MD (x, y) / AT. L'étape b tempsntre images AT = 1/fps + D (x, y) / B, où B [pixels / s] est le temps qu'il faut pour que la sonde d'échographie pour balayer la largeur de l'image. Dans la présente étude, M = 77 [um / pixel], fps = 49,5 [1 / s] et B = [25.047 pixels / s]. Une fois acquis, les champs de vitesse peuvent être analysés pour calculer les quantités de flux d'intérêts.

Protocol

1. Créer un flux mesurable

1. Les mesures de validation EPIV sera démontré dans le flux tuyau d'une solution aqueuse de glycérine (glycérine 50% - 50% d'eau). Un schéma du montage expérimental est illustré à la figure 1.
2. Sphères de verre creuses ayant un diamètre nominal de 10 um sont ajoutés au fluide à une concentration d'environ 17 parties en poids par million. Les billes de verre creuses servent en tant qu'agents de contraste pour ultrasons, et leur taille et leur densité sont choisies de telle sorte qu'elles suivent passivement l'écoulement de fluide. ¹⁰
3. Une tension fixe est fourni à la pompe pour introduire un débit connu. La vitesse d'écoulement est choisie de telle sorte que U << AX / Dt, où U est la vitesse moyenne dans le tube, AX est la longueur linéaire de la mesure du volume EPIV, et At est le pas de temps entre les images, c'est à dire le débit échéant «lente» par rapport aux fps du sy ultrasonsla tige. ³

2. Calibrer l'échographie

1. Monter la sonde à ultrasons pour le mur extérieur du tuyau. Un gel topique à base d'eau est appliquée à la sonde à ultrasons afin de minimiser la perte de transmission du faisceau d'ultrasons entre la sonde et la surface de la paroi de la conduite.
2. Allumez l'appareil à ultrasons. Une diffusion en direct des images de l'échographie commence automatiquement une fois que tous les systèmes de charge.
3. Régler la profondeur de l'image en utilisant le bouton de commande de profondeur sur le panneau de commande de l'appareil à ultrasons.
4. Réglez le gain total de l'image en utilisant le bouton de gain 2D sur le panneau de commande de l'appareil à ultrasons.
5. Régler les temps de compensation de gain (TGC) curseurs pour atténuer dispersion des parois des tuyaux et pour compenser l'atténuation connexes profondeur du signal ultrasonore.
6. La largeur de l'image, mise au point, la fréquence de fonctionnement de la sonde, et la cadence sont ajustés en utilisant les boutons de commande assignables. Cesquatre boutons situés sur la partie supérieure gauche du panneau de commande, varient en fonction du mode dans lequel le système est en cours d'exécution. En mode 2D (tel qu'il est actuellement utilisé), de gauche à droite les boutons correspondent à la largeur, la mise au point, la fréquence et la fréquence d'image, respectivement. Notez qu'en raison des principes fondamentaux de l'imagerie par ultrasons ^9, ces quatre paramètres sont intrinsèquement couplés. Par conséquent, pour une analyse image par ultrasons donnée (c.-à-une expérience EPIV) il ya un compromis entre la résolution spatiale et temporelle.
7. Voir la figure 2 pour une image ultrasonore représentant du tuyau d'écoulement ensemencé avec 10 um billes de verre creuses. Notez qu'en raison de la résolution latérale limitée, les billes de verre sont enduites dans le sens latéral et apparaissent comme des ellipsoïdes dans l'image.

3. Collecte des données

1. Appuyez sur le bouton un nouvel examen sur le panneau de contrôle par ultrasons pour commencer une nouvelle expérience.
2. Créer unnouvelle «patient» en entrant débit de conduit en nom de famille et la date d'aujourd'hui dans le prénom et le numéro d'identification du patient test.
3. Suite à la création du «patient», une échographie commence jusqu'à ce que le maximum préétabli entre 1000-1500 images est atteinte, après quoi une boucle nouveau scan commence. En appuyant sur ​​le bouton Freeze sur le panneau de contrôle par ultrasons deux fois pour redémarrer le balayage à tout moment avant d'atteindre le nombre maximum prédéfini d'images.
4. Une fois une bonne série d'images échographiques a été acquis (c.-à-vives images de particules de graines et de semences suffisantes densité de particules), appuyez sur le bouton Freeze sur le panneau de contrôle par ultrasons pour arrêter l'acquisition des images.
5. Appuyez sur le bouton Cineloop sur le panneau de contrôle par ultrasons. Sélectionner l'ensemble des images de l'échographie pour être analysées à l'aide du bouton de Premier Cycle sur le panneau de contrôle par ultrasons pour sélectionner la première image de la série, et le bouton du dernier cycle pour sélectionner ledernière image de la série.
6. Appuyez sur le bouton Image Store sur le panneau de contrôle par ultrasons pour sauver l'ensemble sélectionné des images ultrasonores.
7. Appuyez sur le bouton Archiver du panneau de contrôle par ultrasons et utiliser le curseur de la souris pour sélectionner l'examen final. Il vous sera demandé à l'utilisateur de sélectionner des images ou cineloops à enregistrer sur le disque dur local. Sélectionnez l'Cineloop (s) d'intérêt puis quittez l'examen.
8. Appuyez sur le bouton Archiver du panneau de contrôle par ultrasons et utiliser le curseur de la souris sélectionnez d'abord Plus, puis sélectionnez Gestion des disques. Gestion du disque va transférer la Cineloop sauvegardé (s) sur le PC exécutant le logiciel PIV.

4. Conversion Type de fichier

1. Une image d'ultrasons est stocké sous forme de communications d'images numériques en médecine (DICOM) de type de fichier sur la machine à ultrasons. Afin d'être ouvert et lu par le logiciel de PIV, les fichiers DICOM doivent être convertis en fichiers image. À l'heure actuelle,DICOM2JPG.m un script Matlab en cours d'exécution est utilisé pour convertir les fichiers DICOM au joint de type Photographic Experts Group fichier (JPEG).
2. Les images échographiques JPEG sont ensuite analysées en utilisant le logiciel de Davis LaVision.

5. Calcul de champs de déplacement, D (x, y), l'aide Davis

1. Souris Double-cliquez sur l'icône de Davis sur le PC. Sélectionnez Nouveau Projet. Sélectionnez PIV.
2. Sélectionnez Importer les images dans la barre d'outils, puis choisissez Importer via des fichiers numérotés. Dans le menu déroulant, localisez le dossier dans lequel les images échographiques JPEG sont stockées, et double-cliquez sur la première image de la série. Cela va importer toutes les images de l'échographie dans cette série numérotée.
3. Généralement un masque d'image est définie pour isoler la région d'intérêt (ROI) de l'image échographique à traiter. Pour écoulement en conduite, le masque est utilisé pour définir le retour sur investissement entre les parois de la conduite (par exemple, le fluide).
4. Allez dans le panneau de contrôle principal à Davis, sélectionnez l'onglet situé sous le projet en cours contenant les images importées, et sélectionnez l'onglet intitulé Traitement par lots. Cela permet à la fenêtre de traitement vectoriel de Davis pour le traitement par lots des images ultrasonores importés.
5. Dans la liste des opérations, en utilisant l'arborescence PIV-Time-Series, sélectionnez les paramètres de calcul vectoriel, et choisissez les paramètres à utiliser pour le traitement de vecteur. Si un masque est utilisé, vérifiez la plage de boîte de données = utiliser la zone masquée dans le menu des paramètres de calcul vectoriel. Notez que la sélection optimale des paramètres de calcul de vecteurs dépend de la géométrie de l'écoulement, propriétés d'écoulement, résolution d'image, la densité des particules de traceur, et souhaité une analyse en flux quantitative ^10.
   Pour les mesures de débit de tuyaux, les paramètres qui ont généralement donné les meilleurs résultats sont multipass avec la taille de l'interrogatoire baisse de 32 x 32 pixels ² à 8 x8 ² pixel, avec un chevauchement de 50%. Relative restriction de gamme vecteurs a été mis à ± tous (taille de la fenêtre / 2) et absolue restriction de gamme vecteurs a été mis à ± 5 pixels. Enfin, un 3 x 3pixel filtre ² médiane a été utilisée pour supprimer le bruit et lisser les champs de vecteurs.
6. Sur la gauche de l'écran de traitement par lots, sélectionnez le montant total des images à traiter et sélectionnez de début de traitement. Cette fonction calcule le champ de déplacement, D (x, y), entre des images ultrasonores successives en utilisant des algorithmes de corrélation croisée.

6. Analyse des champs de vecteurs

1. Pour une analyse post-traitement des données, les champs de vecteurs EPIV sont exportés sous forme de fichiers de Davis. Txt. Ce résultat est obtenu en sélectionnant la branche vecteur de déplacement sous la branche d'image JPEG sur l'écran de projet. Dans la barre d'outils, sélectionnez l'onglet Exporter, sélectionnez le type de fichier ASCII. Txt, choisir / créer un dossier d'exportation, uned sélectionnez Exporter.
2. Les champs de vecteurs exportés sont nommés Bxxxxx.txt, où xxxxx 00001 ≤ ≤ 99999, avec le tampon B désignant. Chaque fichier contient quatre colonnes de données: (1) x-implantation du vecteur dans l'image, (2) y-lieu du vecteur dans l'image, (3) x-composante de déplacement (c.-à-streamwise déplacement), (4) composante y de déplacement (par exemple, le déplacement de paroi normale). Les fichiers sont ouverts Bxxxxx.txt et transformées en MATLAB de première calculer le champ de vitesse, en connaissant le pas de temps entre des paires d'images, AT [s], et le grossissement de l'image, M [m / pixel], à savoir u (x, y ) = MD (x, y) / AT,. Le pas de temps entre les images AT = 1/fps + D (x, y) / B, où B [pixels / s] est le temps qu'il faut pour que la sonde d'échographie pour balayer la largeur de l'image. Dans la présente étude, M = 77 [um / pixel], fps = 49,5 [1 / s] et B = [25.047 pixels / s]. Ensuite, ensembles champs moyens de vitesse vecteur, mur à la normale des profils de vitesse moyenne, entre les quantités de flux d'intérêt sont calculés. (Voir la section Les résultats représentatifs.)

Representative Results

Une particule instantanée image d'écho vélocimétrie vecteur de champ (EPIV) est illustré à la figure 3. L'intrigue montre vecteur vecteurs de vitesse chaque quatrième colonne, et la couleur de fond contour carte correspond à l'amplitude de la vitesse. Une parcelle vecteur ensemble en moyenne en moyenne plus de 1000 instantanées tracés de vecteurs EPIV est illustré à la figure 4. Conformément à écoulement en conduite, les vecteurs de vitesse sont principalement dans la direction de l'écoulement, les plus grandes vitesses se produire à l'axe de tuyau, et les vitesses de réduire à zéro les parois des tubes. La racine carrée moyenne (rms) des fluctuations ampleur de vitesse est illustré à la figure 5. Étant donné que dans de Hagen-Poiseuille écoulement, les vitesses quadratiques moyennes doivent être identiquement nul, les vitesses non nulles rms fournir une mesure du bruit dans les mesures EPIV. Les valeurs quadratiques moyennes élevées proches des résultats de paroi supérieure de forte réflexion et de la réfraction du faisceau d'ultrasons à partir de la paroi du tube qui produisent l'image haute intensities dans cette région (voir Figure 2). Ces intensités élevées près des murs intensités des particules obscurs conduisant à des erreurs de mesure. Le profil de paroi normale de vitesse longitudinale moyenne calculée en calculant la moyenne de l'ensemble vecteur tracé moyenné le long des lignes (direction horizontale) est tracée sur la figure 6. La ligne noire est le profil moyen prévu vitesse longitudinale de Hagen-Poiseuille (laminaire tuyau) de flux pour les conditions expérimentales données. La concordance entre les mesures et la EPIV devrait Hagen-Poiseuille profil est le meilleur tuyau près de la ligne médiane et au pire à proximité des parois, avec les plus grands écarts se produisant à proximité de la paroi supérieure. Nous travaillons actuellement sur les moyens de réduire la réflexion et de la réfraction ultrasons à la paroi de la conduite et à améliorer les mesures quasi-mur EPIV.

Faigure 1. Schéma du dispositif expérimental. Une pompe d'aquarium entraîne le fluide (10 um ensemencée avec des microsphères de verre) dans un système de tuyauterie en boucle fermée. La sonde à ultrasons linéaire est fixé à la paroi extérieur du tuyau et transmet des ondes ultrasonores à travers le tube et reçoit des échos réfléchis à partir de la 10 um microsphères de verre et les parois de la conduite. La machine à ultrasons traite les ondes ultrasonores réfléchies par ultrasons pour former une image en mode B. Les ultrasons en mode B images sont exportées vers un PC exécutant un logiciel commercial PIV.

Figure 2. Raw échographie en mode B image du flux dans les tuyaux. La bande à haute intensité de lignes en haut et en bas de l'image correspond à la paroi de la conduite et les ellipsoïdes intérieur de la paroi 10 correspond à la m microsphères creuses de verre.

Figure 3. Une parcelle vecteur instantané montrant flèches vectorielles chaque quatrième colonne. La couleur de fond contour carte correspond à l'amplitude de la vitesse. D est le diamètre du tuyau, x est la position mesurée streamwise de l'entrée du tube, et d est la position radiale mesurée à partir de la paroi supérieure.

Figure 4. Ensemble parcelle vecteur moyen en moyenne plus de 1000 instantanées tracés de vecteurs EPIV. L'intrigue montre vecteur vecteurs de vitesse chaque quatrième colonne, et la couleur de fond contour carte correspond à l'amplitude de la vitesse. Conformément à écoulement en conduite, le point de vecteurs vitesse dans la directio streamwisen, les plus grandes vitesses de se produire à l'axe tuyau, et diminuer la vitesse à zéro à la paroi du tube.

Figure 5. Tracé de contours de la racine carrée moyenne (rms) fluctuation de vitesse calculé plus de 1000 instantanées tracés de vecteurs EPIV. En Hagen-Poiseuille débit, les fluctuations de vitesse rms fournir une mesure de bruit dans les mesures EPIV.

Figure 6. L'expérimentation moyenne mesurée profil de vitesse longitudinale calculée à partir du champ moyenné ensemble vecteur EPIV le montre la figure 4. La ligne noire est la theoretically profil prévu pour un écoulement de Hagen-Poiseuille avec le même débit volumétrique mesuré expérimentalement. La position radiale mesurée depuis l'axe de tuyau est notée r, où la paroi supérieure correspond à r / D = -0,5. Les différences entre le profil expérimental et le profil attendu illustrent la difficulté des mesures EPIV proche du mur.

Discussion

Le protocole de fonctionnement pour une particule image d'écho vélocimétrie (EPIV) système capable d'acquérir en deux dimensions des champs de vitesse dans les fluides opaques ou par l'intermédiaire des géométries opaques a été décrit. L'application pratique de EPIV est bien adapté pour l'étude des systèmes de flux industriels et biologiques, où l'écoulement de fluides opaques se produit dans une application grand nombre. Le système particulier présenté ici a été délibérément conçu pour étudier les propriétés d'écoulement des fluides biomasse liquéfiés utilisés dans la production d'éthanol ligno-cellulosique. Les capacités de EPIV été démontrée en utilisant des mesures représentatives des flux de tuyau. En particulier, la moyenne et les profils de vitesse ont été efficaces calculées à partir des champs de vecteurs EPIV, Hagen-Poiseuille tube d'écoulement (laminaire) a été montré pour être mesurable et quantifiable. Les limites de EPIV sont les taux de trame intrinsèquement faible (limité par les capacités d'imagerie de l'échographe commercial) et une faible résolution spatiale, which limite la gamme de vitesses et le comportement d'écoulement transitoire qui peut être mesuré. Enfin, bien que nous nous sommes efforcés de rendre l'article autonome, les manuels d'utilisation pour la machine à ultrasons commerciale ⁷ et le logiciel PIV ⁸ devrait être consulté par souci d'exhaustivité. Le lecteur est également renvoyé à ⁹ et ¹⁰ à un examen approfondi des principes fondamentaux d'imagerie par ultrasons et de vélocimétrie par image de particules, respectivement.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ultrasound Machine	GE	Vivid 7 Pro
Linear Ultrasound Array	GE	10 L
DC Water Pump	KNF	NF 10 KPDC
Vector Processing Software	Lavision	DaVis 7.2
Post Processing Software	Mathworks	MATLAB 7.12
Acrylic Tubing	McMaster-Carr	8486K531
Ultrasound Gel	Parker	Aquasonic 100