W dniach 1-3 września 2015 roku odbyła się w Dreźnie międzynarodowa konferencja „7th International Symposium on Process Tomography”.

Głównym celem tomografii procesowej jest nieinwazyjne obrazowanie i dynamiczny pomiar procesów przemysłowych i przepływów wielofazowych. W ostatnich latach prowadzono szereg badań tomograficznych opartych na pomiarach elektrycznych, rentgenowskich, promieniowaniu gamma i transmisji neutronów, emisyjnych, USG i światła widzialnego. Opracowano szereg rozwiązań technicznych w wielu dziedzinach zastosowań, m.in. takich jak inżynieria chemiczna i procesowa, energetyka, produkcja ropy i gazu.

Sympozjum stanowi platformę dla naukowców i inżynierów do wprowadzenia i dyskusji na temat najnowszych postępów w dziedzinie tomografii procesowej i jej zastosowania w analizie i kontroli procesów przemysłowych, pomiaru przepływu wielofazowego i dynamicznych badań nieniszczących.

Zakres tematyczny konferencji:
•  Urządzenia i systemy tomografii procesowej
•  Zagadnienia odwrotne i metody rekonstrukcji
•  Przetwarzanie i wizualizacji danych pomiarowych
•  Wielo-modalność i wielo-sensorowość
•  Modelowanie matematyczne
•  Wielofazowe badania przepływów
•  Generowanie danych dla obliczeniowej mechaniki płynów
•  Zastosowania przemysłowe
•  Dynamiczne badania nieniszczące

Wykłady inaugurujące konferencję

Sesje prezentacyjne

Sesje posterowe

1.Tomografia procesowa

Tomografia procesowa pozwala na analizę procesów odbywających się wewnątrz badanego obiektu bez zaburzania samego przebiegu produkcji, analizę i wykrywanie przeszkód, defektów oraz różnych anomalii. Rekonstrukcja obrazu i poszczególnych elementów badanych obiektów przy pomocy tomografii jest możliwa nawet wtedy, gdy nie mamy dostępu do jego wnętrza.
Coraz więcej procesów przemysłowych wymaga ciągłego monitorowania i kontroli. Względy bezpieczeństwa nakazują, aby takie substancje jak olej, woda czy gaz były transportowane w sposób bezpieczny dla środowiska. Nowe rozwiązania w dziedzinie tomografii wydają się sprostać tym wymaganiom. Dzięki opracowanym, nieinwazyjnym technikom można nie naruszając procesu technologicznego badać w dwu lub trzech wymiarach przepływ cieczy, koncentrację różnych substancji w pewnym obszarze czy nawet rozkład temperatury. W wielu przypadkach nie można stosować innych technik pomiarowych takich jak tomografia optyczna, która nie nadaje się do monitorowania substancji nieprzepuszczających światła, czy chociażby tomografia rentgenowska, w której czas pomiarów jest na tyle długi, że obserwacja niektórych procesów jest niemożliwa. Wydaje się wówczas, że zastosowanie tomografii impedancyjnej, zdolnej do przestrzennego obrazowania rozkładu parametrów elektrycznych badanego ośrodka, jest jedynym rozwiązaniem.
Technikę tomografii procesowej próbuje się obecnie stosować w różnych gałęziach przemysłu takich jak: chemiczny, farmaceutyczny, spożywczy, rafineryjny, w ochronie środowiska, geologii, archeologii. Przykładowe zastosowania praktyczne to:
• mierzenie jednorodności produktu,
• wizualizacja procesów: mieszania, separacji czy polimeryzacji,
• kontrola przepływu cieczy i gazu,
• monitoring akwenów wodnych,
• topografia skał i gruntu,
• kontrola skażenia wód gruntowych,
• badanie podłoży do planowania gazociągów i przewiertów sterowanych oraz wierceń kierunkowych,
• badaniu stanu pni drzew,
• badanie temperatury płomieni,
• detekcja korozji i uszkodzeń w rurociągach.

Tomografia jest techniką obrazowania wnętrza badanego obiektu, na podstawie pomiarów dokonywanych na jego brzegu. W celu pozyskania informacji o badanym obiekcie wykorzystywane są różne zjawiska fizyczne, gdzie nośnikami informacji są: promienie X, promienie gamma, ultradźwięki, wiązki elektronów, prądy elektryczne, pola magnetyczne, foton. W zależności od specyfiki danej techniki tomograficznej możemy obserwować zarówno zalety jak i wady w obszarach dotyczących dokładności, częstotliwości, czy rozdzielczości rekonstruowanych obrazów. Zapoznanie się z cechami charakterystycznymi poszczególnych technik tomograficznych pozwala na właściwy wybór metody rekonstrukcji obrazu.
Przez szereg lat opracowano wiele interesujących technik tomograficznych, takich jak:
•Tomografia Rentgenowska
•Tomografia Magnetycznego Rezonansu Jądrowego
•Tomografia Emisji Pojedynczego Fotonu
•Tomografia Emisji Pozytronowej
•Tomografia Impedancyjna
•Tomografia Oporowa
•Tomografia Procesowa
•Tomografia Magnetyczna (Indukcyjna)
•Tomografia Ultradźwiękowa
•Tomografia Optyczna
•Tomografia Sejsmiczna
•Tomografia Kwantowa
•Tomografia Sonarowa

W systemach tomograficznych istotnym elementem jest jakość obrazu i jego parametry, takie jak: rozdzielczość obraz, szumy i artefakty, czyli zakłócenia obrazu, które powodowane są przez brak kalibracji wydajności detektorów i błąd odczytu aparatury. Przestrzenną rozdzielczość definiuje się jako zdolność zastosowanej aparatury diagnostycznej do rozróżniania małych obiektów o dużym kontraście. W odniesieniu do technik tomograficznych parametr ten jest zdeterminowany przez: geometrię modelu, przestrzenną rozdzielczość matrycy detektorów, liczbę detektorów, dyskretyzację oraz metodę rekonstrukcji. Nadal prowadzone są badania dotyczące większości metod diagnostycznych związane z uzyskaniem możliwie silnego sygnału, odszumianiem danych, a także poprawą rekonstrukcji obrazu.

2. Tomografia pojemnościowa

Obecnie, w wielu gałęziach przemysłu konieczne jest monitorowanie różnych procesów technologicznych. Stosowane metody wizualizacyjne (np. optyczne) nie pozwalają otrzymać pełnych informacji o samym charakterze przebiegu procesu. Tomografia pojemnościowa umożliwia obserwację zachodzących zjawisk fizycznych i chemicznych bez potrzeby wnikania w ich wnętrze. Źródłem informacji są pojemności elektryczne pomiędzy elektrodami umieszczonymi na obwodzie czujnika pomiarowego. Bardzo ważną cechą pomiaru w przypadku tomografii pojemnościowej jest brak konieczności fizycznej interakcji czujnika z badanym medium, dzięki czemu metoda ta jest bezinwazyjna; czyli nie zaburza odbywającego się procesu przemysłowego. Inną zaletą tej techniki pomiarowej jest duża szybkość zbierania danych pomiarowych. Do pomiarów w pojemnościowej tomografii procesowej stosuję się specjalnie dedykowane systemy. Z uwagi na trudne warunki pomiaru posłużenie się zwyczajnymi pomiarami pojemności jest niemożliwe. Procesy przemysłowe przebiegają z dużą prędkością, więc pomiar musi być szybki. Ponadto mierzone pojemności są rzędu femtofaradów, co wymaga specjalnych technik pomiarowych. System pomiarowy składa się z czujnika, specjalizowanej elektroniki do pomiaru pojemności oraz systemu rekonstrukcji.

 

3. Tomografia impedancyjna

Elektryczna tomografia impedancyjna jest techniką obrazowania, w której wykorzystuje się zróżnicowane właściwości elektryczne różnych rodzajów materiałów, w tym również tkanek biologicznych. W metodzie tej do obiektu dołącza się źródło prądu bądź napięcia, a następnie obserwuje się powstający rozpływ prądów lub rozkład napięcia na brzegu tego obiektu. Zebrane informacje są przetwarzane przez algorytm, który dokonuje rekonstrukcji obrazu. Tomografię impedancyjną charakteryzuje stosunkowo niska rozdzielczość obrazu. Trudności z otrzymaniem wysokiej rozdzielczości wynikają przede wszystkim z ograniczonej liczby pomiarów, przepływu prądu nieliniowego przez dany ośrodek i zbyt małej wrażliwości mierzonych napięć w zależności od zmian konduktywności wewnątrz obszaru.

4. Tomografia rezystancyjna

Metoda tomografii rezystancyjnej polega na rozmieszczeniu odpowiedniej ilości elektrod pomiarowych wzdłuż linii profilu, w równych odległościach od siebie. Rezystancyjna tomografia komputerowa jest techniką dająca najlepsze rezultaty w szczegółowym obrazowaniu właściwości badanego obiektu. Technika ta jest wrażliwa na tymczasowe zmiany temperatur wywołane wprowadzoną parą, przepływy powietrza, zmiany temperatur czy przemieszczanie się płynnych zanieczyszczeń.

5. Tomografia ultradźwiękowa

Metody pomiarowe wykorzystujące informacje zawarte w sygnale ultradźwiękowym po jego przejściu przez badany ośrodek, nazywane są ultradźwiękowymi metodami transmisyjnymi. Podstawową zaletą badań tomograficznych jest nieinwazyjny pomiar w badanym środowisku, niepowodujący zmian parametrów fizyko-chemicznych, które mogłyby zakłócać wyniki pomiaru. Fale ultradźwiękowe dzięki temu, że należą do fal krótkich, posiadają własności propagacji i promieniowania takie, że można traktować ultradźwięki jak promienie. Długości tych fal zależą od ośrodka, do którego są promieniowane i mieszczą się w zakresie od kilku mikrometrów w cieczach do kilkudziesięciu centymetrów w metalach. Można z ich pomocą mierzyć współczynnik tłumienia i czas przejścia sygnału ultradźwiękowego w ośrodku poddanemu ich oddziaływaniu. Ponadto z pomocą ultradźwięków można dokonywać wielokrotnych pomiarów bez obawy uszkodzenia bądź napromieniowania badanych obiektów. Pomiar takich parametrów, jak czasu przejścia sygnałów, współczynnika tłumienia i jego pochodnej po częstotliwości umożliwiają po odpowiednich przekształceniach rekonstrukcyjnych obrazowanie struktury wewnętrznej badanego ośrodka a także takich parametrów przepływu, jak np.: jego prędkości chwilowej, prędkości średniej czy profilu prędkości. Różnice lokalnych wartości określonych parametrów akustycznych są podstawą tego obrazowania. Obraz uzyskiwany odpowiednimi metodami rekonstrukcyjnymi przedstawia, bowiem rozkład lokalnych wartości wybranych parametrów akustycznych, uzyskanych z pomiaru danych techniką skaningową z możliwie wielu kierunków po przejściu impulsów ultradźwiękowych przez badane środowisko. Technika ta pozwala uzyskiwać ilościowe obrazy struktury wewnętrznej, w których wartości liczbowe każdego piksela opisują takie właściwości fizyczne badanych obiektów, jak np.: prędkość przepływu, rozkład temperatury, gęstość, lepkość.

6. Indukcyjna tomografia magnetyczna

Działanie magnetycznej tomografii indukcyjnej polega na wzbudzaniu pola magnetycznego za pomocą prądu płynącego w cewce. Wytworzone pole indukuje w badanych obiektach prądy wirowe. Zaburzenia pola magnetycznego wywołane niejednorodną strukturą próbki są obserwowane za pomocą czujników umieszczonych na zewnątrz obiektu. Dodatkowy pomiar przesunięcia fazowego badanego pola jest wysoce użyteczny w wykrywaniu obiektów metalowych. Rozkład przenikalności magnetycznej jest rekonstruowany na podstawie pomiaru indukcyjności cewek. W magnetycznej tomografii indukcyjnej wykorzystuje się zmienne pole elektromagnetyczne, które przenika badaną przestrzeń, jego rozkład związany jest z własnościami magnetycznymi i elektrycznymi obserwowanego obiektu. Tomografia ta polega na wzbudzaniu pola magnetycznego w pobliżu badanego obiektu tak, aby wytworzone w nim niewielkie prądy wirowe powodowały zmianę pola magnetycznego mierzonego w bliskiej odległości od niego. Magnetyczna tomografia indukcyjna pozwala na wykrywanie różnic konduktywności obiektów słabo przewodzących. Zaletą tego rozwiązania jest przede wszystkim brak bezpośredniego kontaktu z badanym obiektem oraz możliwość osiągnięcia dużej szybkości obrazowania.

7. Tomografia gamma

Tomografia gamma jest bezinwazyjną metodą obrazowania dynamicznych procesów przemysłowych. Rekonstrukcja obrazu polega na odtworzeniu rozkładu osłabień promieniowania na podstawie serii pomiarów pochodzących z detektorów tomografu. Na podstawie, których możliwe jest wyznaczenie rozkładu gęstości. Zależność pomiędzy danymi pomiarowymi, a rozkładem gęstości określa prawo Lamberta-Beera.

8. Tomografia mikrofalowa (radiowa)

Tomografia mikrofalowa jest nieinwazyjną techniką obrazowania. Nieznane obiekty są lokalizowane i ilościowo kategoryzowane według pomiaru rozproszonych pól przy użyciu zestawu sensorów otaczających badane obiekty. Rozproszone pola są znane, dane zbierane są poprzez przesyłanie sygnału z określonych anten. Technika ta stanowi bezpieczne, mobilne i efektywne kosztowo uzupełnienie obecnych metod obrazowania do nieinwazyjnej oceny ostrych i przewlekłych czynnościowych i patologicznych tkanek miękkich. Technika była słabo rozwinięta z wielu przyczyn technicznych, w tym wysokich kosztów unikalnych komponentów sprzętowych i niewystarczającej mocy obliczeniowej. W ostatnich latach ogromny postęp zarówno w technologii telekomunikacyjnych (mobilnych) oraz informatyki otworzyło wyjątkowe możliwości dla dalszych badań i rozwoju tomografii mikrofalowej wobec zastosowań biomedycznych i klinicznych. Czujniki w systemie tomografii mikrofalowej umożliwiają szerokopasmowe wysokie pomiary w zakresie częstotliwości od 0,7 GHz do 5,5 GHz i są przeznaczony dla szerokiej gamy komponentów o różnych skomplikowanych przenikalnościach elektrycznych, w tym komponentów takich jak np. woda.

9. Pozostałe metody tomograficzne

10. Metody hybrydowe