Imaging and fast features extraction of two-phase flows using electrical impedance tomography

par Chuihui Dang

Thèse de doctorat en Physique (Instrumentation)

Sous la direction de Salah Bourennane et de Guillaume Ricciardi.

Soutenue le 01-10-2020

à l'Ecole centrale de Marseille , dans le cadre de Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille) , en partenariat avec Institut Fresnel (Marseille, France) (laboratoire) et de Institut FRESNEL / FRESNEL (laboratoire) .

Le président du jury était Horst-Michael Prasser.

Le jury était composé de Uwe Hampel, Nicolas Polydorides, Cédric Bellis, Maya de Buhan, Saba Mylvaganam.

Les rapporteurs étaient Uwe Hampel, Nicolas Polydorides.

  • Titre traduit

    Imagerie et extraction rapide de caractéristiques de fluides diphasique à l'aide d'une tomographie à impédance électrique


  • Résumé

    Avec les avantages de la non-intrusion, d'un taux d'acquisition élevé et d'un faible coût, la tomographie par impédance électrique (EIT) a été appliquée avec succès dans plusieurs cas d'instrumentation de flux polyphasique et d'imagerie clinique. La plupart des systèmes EIT actuellement utilisés reposent sur une excitation séquentielle aux électrodes voisines avec des mesures sur les autres, c'est-à-dire la stratégie adjacente, tandis que certaines stratégies d'excitation alternatives se sont révélées efficaces et faciles à mettre en œuvre en utilisant des matériels modernes. Parmi elles, la stratégie « full-scan » présente certains avantages en termes de robustesse au bruit de mesure et de qualité de l'image reconstruite. L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'applicabilité d'un système EIT mettant en œuvre une stratégie de balayage complet à un taux d'acquisition élevé dans les mesures de débit diphasiques. La première étape consiste à évaluer les quatre stratégies d'excitation, à savoir les stratégies adjacentes, opposées, full-scan et trigonométriques, sur un certain nombre de critères pratiques et de qualité des images reconstruites, et à évaluer les influences de la taille des électrodes sur les performances d'un système EIT. Les résultats sont utiles à la conception de systèmes EIT et aux sections de test associées. La deuxième étape développe une nouvelle approche basée sur les valeurs propres pour l'estimation du taux de vide tirant parti des mesures redondantes de la stratégie de balayage complet : la reconstruction d'image EIT mal conditionnée est ainsi contournée. La troisième étape passe en revue et évalue diverses méthodes de reconstruction d'images pour les profils de conductivité à contraste élevé et à évolution rapide. Plusieurs stratégies de reconstruction réalisables, à savoir la méthode 2.5D en une itération, les méthodes 2D itératives et la méthode GREIT, sont sélectionnées pour effectuer des reconstructions de référence pour un ensemble d’expériences statiques. Enfin, le mode de mesure EIT complet, composé du système EIT développé, de la procédure de reconstruction d'image et de l'approche basée sur les valeurs propres, est appliqué aux mesures de débit en deux phases horizontales en laboratoire et environnements industriels. L'analyse des données donne un aperçu des avantages et des inconvénients de ces méthodes de mesure.


  • Résumé

    With the advantages of non-intrusiveness, high acquisition rate and low-cost, Electrical Impedance Tomography (EIT) has been successfully applied in several cases in multiphase flow instrumentation and clinical imaging. Most EIT systems currently in use rely on a sequential excitation at neighboring electrodes with measurements at the remaining ones, i.e. the adjacent strategy, while some alternative excitation strategies have proven to be effective and easy to implement using modern hardwares. Amongst the so-called full-scan strategy shows certain advantages in terms of the robustness to measurement noise and the quality of reconstructed image. The objective of this thesis is to assess the applicability of an EIT system implementing full-scan strategy at a high acquisition rate in two-phase flow measurements. The first stage consists of evaluating the four excitation strategies, namely the adjacent, opposite, full-scan and trigonometric strategies, on a number of practical criteria and quality of the reconstructed images, and assessing the influences of electrode size on the performance of an EIT system. The results are worthwhile to the design of practical EIT systems and the associated test sections. The second stage develops a novel eigenvalue-based approach for phase fraction estimation leveraging the redundant measurements from full-scan strategy, the ill-posed EIT image reconstruction is circumvented. The third stage reviews and evaluates various image reconstruction methods for high contrast and fast evolving conductivity profiles, several feasible reconstruction strategies, namely one-step 2.5D method, iterative 2D methods, and GREIT method, are selected to make benchmark reconstructions for a set of static experiments. Finally, the comprehensive EIT measurement mode comprised by the developed EIT system, the image reconstruction procedure and the proposed eigenvalue-based approach, is applied to horizontal two-phase flow measurements under both laboratory and industrial environments. The analysis of the measurement data provides insights on the merits and deficiencies of the measurement mode.


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