University of Oulu

Doppler optical coherence tomography in determination of suspension viscosity

Saved in:
Author: Lauri, Janne
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Electrical Engineering, Optoelectronics and Measurement Techniques Laboratory
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526202068
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2013
Publish Date: 2013-09-17
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium TS101, Linnanmaa, on 27 September 2013, at 12 noon
Tutor: Professor Risto Myllylä
Reviewer: Professor Markku Kataja
Associate Professor Igor Meglinski
Opponent: Professor Markku Kataja
Professor Igor Gurov
Description:

Abstract

Doppler optical coherence tomography (DOCT) provides a non-disruptive, high resolution and real-time method for imaging flow velocity profiles inside small channels and capillaries. DOCT has been mostly used in the biomedical field to image blood flow. However, applications in the field of rheology have been rare.

In this thesis, the time domain DOCT (TD-DOCT) was utilized to measure flow velocity profiles inside capillaries with high resolution. Time domain configuration was chosen due to the ability to implement dynamic focusing and, in addition, to have sufficient velocity range, especially at high speeds. The accuracy and reliability of the laboratory-built DOCT device was verified with Newtonian suspension and, further, the performance was compared to the commercial DOCT. In vivo measurements with slime mould Physarum polycephalum showed the versatility of DOCT to measure the flow velocity profile of a different kind of scattering suspension even with very low flow rates.

The effects of multiple scattering on the accuracy of the measured flow velocity profiles were experimentally studied with two phantom configurations. The first case consisted of the static superficial layer, where the plain glass capillary with flowing Intralipid suspension was embedded into a cuvette. In the second case the moving superficial layer was made by introducing a second glass capillary in front of the studied flow. The results showed that multiple scattering has noticeable effect on the accuracy of the measured flow velocity profiles, especially at the deeper regions.

Novel application of the DOCT technique is presented by implementing it to a capillary viscometer. As a result, the absolute viscosity of the Newtonian suspension is derived with high precision directly from the measured flow velocity profile and pressure drop without making any assumption of the flow under study. The results are consistent with the reference values measured with the commercial viscometer.


Tiivistelmä

Doppler optinen koherenssitomografia (DOCT) on tekniikka, jolla on mahdollista mitata suspensioiden virtausnopeusprofiili virtausta häiritsemättömästi, reaaliaikaisesti ja tarkalla resoluutiolla ohuista kapillaareista. DOCT-tekniikkaa on hyödynnetty erityisesti lääketieteen alueella silmän rakenteen kuvantamisessa ja veren virtausmittauksissa. Tekniikan sovellukset nesteiden reologian tutkimuksessa ovat olleet harvinaisia. Tämän työn tarkoituksena on kehittää DOCT-tekniikkaa ja soveltaa sitä kapillaariviskometrissä viskositeetin määritykseen suoraan mitatusta virtausnopeusprofiilista.

Tässä työssä hyödynnettiin laboratoriossa rakennettua aikatason DOCT-laitetta (TD-DOCT), jolla mitattiin virtausnopeusprofiili kapillaarin sisältä mikrometrien resoluutiolla. TD-DOCT valittiin, koska siinä voitiin käyttää dynaamista fokusointia parantamaan sivusuuntaista resoluutiota ja signaali-kohinasuhdetta. Tämän lisäksi se soveltuu laaja-alaisesti eri virtausnopeuksille, erityisesti nopeille virtauksille. Rakennetun DOCT-laitteen tarkkuus ja luotettavuus todennettiin mittaamalla Newtonista suspensiota ja vertaamalla mittaustuloksia kaupallisella DOCT:lla tehtyihin mittauksiin. Mittaukset elävässä organismissa, Physarum polycephalum -limasienessä, osoittavat laitteen soveltuvuuden erilaisten suspensioiden virtausnopeusprofiilin mittaukseen myös hyvin hitaissa virtauksissa.

Moninkertaisen sironnan vaikutusta mitattujen profiilien tarkkuuteen tutkittiin kahdella eri konfiguraatiolla. Ensimmäisessä asetelmassa virtausnopeusprofiili mitattiin kapillaarista, joka oli upotettu valoa sirottavaan Intralipid-suspensioon, ja jonka upotussyvyyttä voitiin säätää. Toisessa asetelmassa muodostettiin dynaaminen valoa sirottava kerros asettamalla toinen Intralipidiä sisältävä kapillaari mitattavan kapillaarin eteen. Tulokset osoittavat, että monikertainen sironta vaikuttaa mitatun virtausnopeusprofiilin tarkkuuteen erityisesti kun valoa sirottava kerroksen paksuus kasvaa.

Tässä työssä DOCT -tekniikkaa käytetään ensimmäistä kertaa kapillaariviskometrin yhteydessä. Newtonisen suspension absoluuttinen viskositeetti määritetään hyvin tarkasti suoraan mitatusta virtausnopeusprofiilista ja painehäviöstä ilman oletuksia virtaavasta nesteestä. Mitatut viskositeettiarvot vastaavat vertailumittauksia, jotka tehtiin kaupallisella rotaatioviskosimetrilla.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0206-8
ISBN Print: 978-952-62-0205-1
Issue: 461
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.