用于調(diào)查目標(biāo)域中的介電常數(shù)的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請一般涉及利用無損監(jiān)控技術(shù)監(jiān)控工業(yè)過程、尤其利用電容或一些關(guān)注的其他電容依賴電氣量的外部測量來監(jiān)控這樣的過程中的介電常數(shù)的方法和裝置。這樣的技術(shù)通常被稱作電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography, ECT)。
【背景技術(shù)】
[0002]電容層析成像是更一般的電學(xué)層析成像領(lǐng)域內(nèi)的一個特殊領(lǐng)域。ECT本身是一種允許對目標(biāo)域無損監(jiān)控的公知技術(shù)，其以目標(biāo)域內(nèi)的介電常數(shù)的確定為基礎(chǔ)。
[0003]—般地，ECT包括提供目標(biāo)域和測量布置的模型，做出電容相關(guān)測量，并且調(diào)整數(shù)學(xué)模型以便減小模擬的和測量的電氣量值之間的差異，直到充分的一致性出現(xiàn)，此后目標(biāo)域中的介電常數(shù)被確定。典型地，這通過產(chǎn)生目標(biāo)域中介電常數(shù)分布的圖像實現(xiàn)。介電常數(shù)，尤其是它的變化提供了目標(biāo)域內(nèi)的內(nèi)部材料的性能和分布的信息。
[0004]ECT使用的典型例子是在工業(yè)過程中對多相流成像，其中生成的圖像示出材料流內(nèi)的不同相的面積或體積。該類方法的例子和其中包括的不同實踐問題在US7496450B2中論述。
[0005]最近，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)也能使用ECT例如用于在各種工業(yè)過程中監(jiān)控工藝設(shè)備表面上不想要的沉積導(dǎo)致的結(jié)垢(污垢)以及磨損。
[0006]考慮到ECT的基本理念在于測量電容，或更一般性地，測量一些與電容成比例的關(guān)注電氣量，因此測量傳感器設(shè)計和實際測量設(shè)置在目標(biāo)域內(nèi)介電常數(shù)的重構(gòu)中扮演了重要角色。最常見的是，ECT傳感器被實施為形成工藝管道或器皿一部分的管狀體，其內(nèi)容物將被分析。電極沿管狀體壁被布置在環(huán)狀組件中。如從板式電容器的基本性質(zhì)中清楚知道的，板式電容器的電容與電容器板成比例，這些電極應(yīng)該足夠地大以確保足夠強的信號。這對于例如為了得到足夠的信噪比是重要的。另一方面，在重構(gòu)介電常數(shù)分布中，當(dāng)電極尺寸增大時，空間分辨率自然地下降。作為折衷，管狀傳感器體的圓周被典型地分為8到12個等尺寸的電極。
[0007]考慮到上文描述的折衷情況，應(yīng)該清楚新的用于改進待測量的信號的方案被高度期待。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種改善的方法、以及改善的裝置用于調(diào)查目標(biāo)域中的介電常數(shù)。
[0009]本發(fā)明特征在于權(quán)利要求1到9中呈現(xiàn)的那些。
[0010]根據(jù)第一方面，本發(fā)明聚焦于一種用于調(diào)查目標(biāo)域中的介電常數(shù)的方法。所述目標(biāo)域可以為任何二維或三維域，在該域內(nèi)所述介電常數(shù)待確定。典型的示例為各種工業(yè)工藝，其中液體、氣體和/或例如粉狀材料被導(dǎo)向或被儲存在管道、器皿或其他類型的容器中。
[0011]該方法包括對于多對接觸元件組來測量與由一對接觸元件組形成的電容器的電容成比例的關(guān)注電氣量的步驟，所述接觸元件組的接觸元件被布置為與所述目標(biāo)域成電容測量連接；所述接觸元件包括多個電極，被支撐在所述目標(biāo)域和導(dǎo)電背景體之間，所述導(dǎo)電背景體限定所述電極的電容測量區(qū)域。
[0012]針對多個接觸元件組測量關(guān)注電氣量的步驟的一般性目的在于提供用于確定所述目標(biāo)域內(nèi)的(多種)材料的介電常數(shù)的數(shù)據(jù)。所述確定可以基于，例如比較仿真所述測量并提供用于所述關(guān)注電氣量的估計的數(shù)學(xué)模型，并調(diào)整所述模型，以便減小所述關(guān)注電氣量的所述模擬值和所述測量值之間的差異，直到達到期望的一致性。結(jié)果，調(diào)整后的數(shù)學(xué)模型提供了關(guān)于所述目標(biāo)域內(nèi)所述介電常數(shù)的分布的信息，進而，所述介電常數(shù)分布提供了關(guān)于所述目標(biāo)域內(nèi)出現(xiàn)的不同材料和它們的分布的信息。典型地，所述介電常數(shù)分布被呈現(xiàn)為所述目標(biāo)域的圖像。比較數(shù)學(xué)模型和準(zhǔn)備所述目標(biāo)域介電常數(shù)的估計重構(gòu)的該一般性過程一般被稱作電容層析成像ECT。
[0013]在執(zhí)行如上所述的ECT過程中，關(guān)注電氣量的測量可以與實際分析分開執(zhí)行，實際分析即反演問題計算和圖像重構(gòu)。換句話說，測量，即測量的結(jié)果可以僅被接收為這樣的分析的一個步驟。這允許這樣一種實施例，例如，在測量場所執(zhí)行的測量的結(jié)果被電子地發(fā)送到執(zhí)行實際分析的分析場所。另一方面，當(dāng)然也可能并且處于本發(fā)明的范圍中來一體執(zhí)行測量和分析，例如，使用單個的分析系統(tǒng)，其包括帶有接觸元件的傳感器、合適的測量器材、以及用于執(zhí)行實際計算的計算機裝置。
[0014]關(guān)注電氣量可以為任何與一對接觸元件組形成的電容器的電容成比例或依賴于該電容的電氣量。接觸元件和目標(biāo)域之間的電容測量連接意指接觸元件被這樣連接到目標(biāo)域，使得可以執(zhí)行電容測量或者至少一些與由成對的接觸元件組形成的電容器的電容成比例的特征電氣量的測量。為了實施這些，例如，不應(yīng)該有任何在接觸元件和目標(biāo)域之間形成等電位屏障的連續(xù)導(dǎo)電體。
[0015]電容或一些其他的電容依賴(“成比例”)電氣量作為關(guān)注電氣量意指該方法主要意圖用于調(diào)查主要包括電絕緣材料的目標(biāo)域。然而，如在本文中隨后所論述的那樣，在一些實施例中，也可以分析目標(biāo)域中存在的物質(zhì)的電導(dǎo)率特性。
[0016]“接觸元件組”在這里意指一個或多個接觸元件。因此，處于該方法觀測下的電容器可以被形成在正好成對的兩個接觸元件之間，但是一個或兩個這樣的單個接觸元件還可以由一組至少兩個單獨接觸元件來替換。
[0017]包括在接觸元件中的電極可以根據(jù)實施用于電容測量(特別是用于電容層析成像ECT的電容測量)的電極的已知原理來形成。例如，電極可以被形成為布置成環(huán)狀組件的導(dǎo)電板，環(huán)狀組件被安裝在用作電極支撐體的金屬或塑料管道部的管壁上?？商鎿Q地，電極可以例如形成為棒狀支撐體上的孔環(huán)(annular ring)。這些類型的傳感器和它的電極結(jié)構(gòu)的細節(jié)為本技術(shù)領(lǐng)域所公知。
[0018]電極裝置的測量區(qū)意指影響電極之間的電容的面積和體積。導(dǎo)電背景體通過形成等電勢面來限定該面積，電極處于該等電勢面之后不會在電容測量中“看到”。換句話說，當(dāng)在一對電極(或電極組)之間連接電壓時，由此產(chǎn)生的電場沒有延伸到導(dǎo)電背景體之后。因此，電極之間的電容并不依賴于導(dǎo)電背景體之后的(多種)材料。典型地，導(dǎo)電背景體是實質(zhì)上大于電極的連續(xù)體。例如，在已知的管狀幾何形狀的ECT傳感器中，這樣的背景體可以由形成傳感器支撐體的導(dǎo)電管道形成，或者，在電絕緣管道作為支撐體的情形中，由圍繞該絕緣管道的外部管狀屏障形成。
[0019]根據(jù)本發(fā)明，用于測量關(guān)注電氣量的多對接觸元件組的接觸元件，進一步包括導(dǎo)電背景體。換句話說，導(dǎo)電背景體形成在測量步驟中使用的其中一個接觸元件，所述測量步驟對于多對接觸元件組來測量與由一對接觸元件組形成的電容器的電容成比例的關(guān)注電氣量。因此，對于至少一對用于測量關(guān)注電氣量的接觸元件組，接觸元件組中的一個包括該導(dǎo)電背景體。該導(dǎo)電背景體可以形成這樣的接觸元件組，其中該接觸元件組單獨形成或者與一個或多個電極一起形成。
[0020]因此，該方法的基本理念是使用導(dǎo)電背景體作為一個附加的“電極”，即，一個經(jīng)由其做出測量的接觸元件。該基本理念提供了超過現(xiàn)有技術(shù)的很大優(yōu)點。首先，經(jīng)由增多的可能測量的總體數(shù)量和這些使用了導(dǎo)電背景體的測量中的新的測量幾何形狀，作為附加接觸元件的導(dǎo)電背景體提供了關(guān)于目標(biāo)域的更多信息。此外，背景體的尺寸典型地遠大于由其限定測量區(qū)的電極的尺寸。因此，其中有導(dǎo)電背景元件形成一個接觸元件的一對接觸元件組的電容大于僅由電極形成的成對接觸元件組的電容。增大的電容提高了測量信號強度。這導(dǎo)致許多顯著的改進。
[0021]首先，當(dāng)信號水平提高時，測量對外部干擾和干涉的敏感度下降。自然地，改進的信號強度改善了信噪比。所有的這些效果意味著實現(xiàn)測量電子技術(shù)的簡化實施，并且減少對高成本專用電子部件的需求。另一方面，在一些應(yīng)用中有可能縮小實際電極的尺寸，從而改進確定目標(biāo)域的介電常數(shù)的空間分辨率(spatial resolut1n)。進一步地，本發(fā)明的理念可以被實施在現(xiàn)有的測