A Novel Approach to High-Speed Electrical Impedance Tomography with Frequency Division Multiplexing : From Theoretical Development to Industrial Application - TEL - Thèses en ligne
Thèse Année : 2020

A Novel Approach to High-Speed Electrical Impedance Tomography with Frequency Division Multiplexing : From Theoretical Development to Industrial Application

Une Nouvelle Approche de la Tomographie par Impédance Electrique Ultra-Rapide avec Multiplexage en Division de Fréquence : du Développement Théorique à l’Application Industrielle

Mathieu Darnajou
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1214063
  • IdRef : 25534192X

Résumé

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 32 250 fps. These novel ultra high rate systems open EIT toward new domains of application.
L'analyse des régimes d'écoulement évoluant rapidement dans des plateformes hydrauliques à haute pression et haute température est cruciale du fait de certains risques intrinsèques. Il est urgent de développer une technique d'imagerie non intrusive et à haut rendement d'images pour identifier les phénomènes d'écoulements caractéristiques et palier ces risques. La Tomographie par Impédance Electrique (EIT) permet de reconstruire la distribution de l'admittance du ou des milieu(x) en écoulement, facilitant sa/leur caractérisation.Hormis le développement du système d'Acquisition de Données (DAQ), un intérêt crucial concerne la conception du détecteur lui-même, qui contient un anneau d'électrodes, tangentiel à la surface interne du conduit hydraulique. La principale préoccupation est de déterminer la longueur des électrodes qui maximise leur énergie de surface.Une simulation numérique a été menée pour quantifier les fuites de courant qui dépendent de la surface des électrodes, ainsi que de l'épaisseur d'isolation entre les électrodes et les brides conductrices en amont et en aval. Un maximum de l'énergie de mesure a été trouvé pour des électrodes dont la longueur est de 84 % la longueur du détecteur EIT. Un autre intérêt également développé dans ce travail concerne le comportement contre-intuitif de la carte de sensibilité des mesures. Ce comportement est validé par une méthode de calcul indépendante.La nécessité d'acquérir des images à haut taux a amené à considérer des excitations simultanées en voltage imposées sur les électrodes en périphérie de l'écoulement. Ces excitations sont associées au Multiplexage en Division de Fréquences (FDM) selon la méthode ONE-SHOT (ONe Excitation for Simultaneous High-speed Operation Tomography). Une première approche démontre la possibilité d'une implémentation complète de stratégies d'excitations et de mesures simultanées pour l'EIT, qui maximise le nombre de mesures pour 16 électrodes. Ces résultats préliminaires confirment la pertinence et la faisabilité d'excitations et de mesures simultanées et Multi-Fréquentielles (MF) en EIT comme moyen pour augmenter significativement le taux d'images.Ce travail détaille la méthode proposée ainsi que le système DAQ contenant un firmware pour la génération/acquisition des signaux basé sur un Réseau Logique Programmable (FPGA). L'intégration des logiciels et du matériel informatique ainsi que le traitement du signal impliqué dans l'implémentation de la méthode ONE-SHOT pour l'EIT est également détaillée. Il est démontré que 240 signaux simultanés ont été générés, discriminés avec succès et utilisés pour reconstruire des images, au taux de 3906 images par secondes (fps). Le signal-sur-bruit associé varie de 55.6 dB à 69.1 dB, en fonction de la fréquence générée de 3,906 kHz à 468,7 kHz. La méthode ONE-SHOT a été exploitée avec succès dans deux expériences pour mesurer les caractéristiques des écoulements dans la branche chaude d'un Réacteur à Eau Pressurisée (PWR) en scénario d'Accident de Fuites de Réfrigérant Primaire (LOCA).Finalement, la nouvelle méthode COLTRANE (Continuous Overlapping operations with Linear Trigonometric Response ANalysis for EIT) est introduite et implémentée dans un système DAQ basé sur FPGA pour des détecteurs EIT de 16 et 32 électrodes. Cette nouvelle méthode utilise des patrons d'excitations trigonométriques et simultanées dans le but d'augmenter le taux d'acquisition jusqu'à 32 250 fps. Ces nouveaux systèmes à taux ultra rapides ouvrent l'EIT vers de nouveaux domaines d'application.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03934574 , version 1 (11-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03934574 , version 1

Citer

Mathieu Darnajou. A Novel Approach to High-Speed Electrical Impedance Tomography with Frequency Division Multiplexing : From Theoretical Development to Industrial Application. Instrumentation and Detectors [physics.ins-det]. Ecole Centrale Marseille, 2020. English. ⟨NNT : 2020ECDM0007⟩. ⟨tel-03934574⟩

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