BRPI1005188A2 - mÉtodo de determinaÇço das caracterÍsticas de um objeto de multimaterial, mÉtodo de determinaÇço de uma representaÇço de rede elÉtrica de um objeto de multimaterial e sistema de detecÇço de multimaterial - Google Patents
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Abstract
MÉTODO DE DETERMINAÇçO DAS CARACTEÍISTICAS DE UM OBJETO DE MULTIMATERIAL, MÉTODO DE DETERMINAÇçO DE UMA REPRESENTAÇçO DE REDE ELÉTRICA DE UM OBJETO DE MULTIMATERIAL E SISTEMA DE DETECÇçO DE MULTIMATERIAL. Um método (12) para determinar as características de um objeto de multimaterial é fornecido. O método inclui a produção de um campo elétrico giratório pelo fornecimento de um conjunto de sinal elétrico aplicado dos padrões de sinal elétrico individuais aos eletrodos em torno do objeto de multimaterial (122). O método também inclui a obtenção de um conjunto de sinal elétrico medido dos sinais elétricos a partir dos eletrodos correspondentes a cada padrão de sinal elétrico aplicado (124). Uma rede elétrica é determinada com base no conjunto de sinal elétrico aplicado, o conjunto de sinal elétrico medido e um inverso do conjunto de sinal elétrico aplicado. O método inclui ainda a determinação das características do objeto de multimaterial pela análise da rede elétrica (128).
Description
"MÉTODO DE DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DE UM OBJETO DE MULTIMATERIAL, MÉTODO DE DETERMINAÇÃO DE UMA REPRESENTAÇÃO DE REDE ELÉTRICA DE UM OBJETO DE MULTIMATERIAL E SISTEMA DE DETECÇÃO DE MULTIMATERIAL"
Fundamento
Esta invenção refere-se geralmente a um método para determinar a composição e características dos materiais individuais em um objeto de multimaterial, e, especificamente, para uma representação e análise do objeto de multimaterial como uma rede elétrica.
A tomografia de impedância elétrica (TIE) é uma técnica de medição minimamente invasiva, que pode ser usada para mapear quantitativamente distribuições de material dentro dos objetos de.multimaterial. Na TIE1 um mapa da condutividade e permissividade elétrica é utilizado para inferir a distribuição de diferentes materiais dentro desse objeto. Diferentes -padrões de corrente oü pãdrõesde voítagem são aplicados ao objeto por meio de eletrodos ao redor do objeto, e as voltagens ou correntes correspondentes são medidas. Com base nas relações de corrente-voltagem, a impedância interna ou distribuição de entrada interna é determinada.
Um exemplo de um objeto de multimaterial é o fluxo multifásico no qual pelo menos dois materiais ou fases estão fluindo juntos dentro de um tubo ou conduto. Os processos de fluxo multifásico são importantes para uma variedade de indústrias, incluindo, por exemplo, indústrias de petróleo, farmacêutica, de alimentos e química. Há uma necessidade pelo conhecimento direto das características internas nestes tipos de processos de fluxo multifásico para permitir um melhor projeto e maior eficiência operacional dos novos e já existentes equipamentos de processamento. As características utilizadas para prever o desempenho dos processos multifásicos podem incluir, por exemplo, a distribuição espacial das fases (frações da fase volumétricas espaciais), regime de fluxo, área interfacial e velocidades absolutas e relativas ^ entre as fases ou materiais. O conhecimento da distribuição espacial dos
materiais é particularmente útil porque a distribuição não uniforme dos ê materiais tende a diminuir a área interfacial entre os materiais disponíveis para
a reação química ou conversão e pode resultar em fluxos de recirculação criando zonas de reação espacialmente não-uniformes ou concentrações. Além disso, a fração da fase volumétrica e velocidade são importantes parâmetros que permitem o controle adequado e em tempo hábil dos fluxos multifásicos.
Em uma técnica de TIE1 as correntes são aplicadas a pares de eletrodos de fronteira, e um par de cada vez com a corrente entrando em um eletrodo e deixando em outro, e as voltagens são medidas em todos os eletrodos. Em uma técnica análoga, as voltagens são aplicadas.aos pares de - ~ eletrodos de fronteira, um par de cada vez, e as correntes são medidas em
todos os eletrodos. Um dos desafios associados a estas técnicas é a baixa^ ^ ... 15- - razão sinal-ruídor Além"dissoT quando materiais com pequénas variações em relação a permissividades ou condutividades estão envolvidos, a resolução é reduzida.
Em outra técnica de TlE, correntes ou voltagens são aplicadas a todos os eletrodos simultaneamente para produzir os dados necessários para uma medição completa. As correntes ou voltagens aplicadas aos eletrodos estão eletricamente em fase uns com os outros e têm amplitudes diferentes. No entanto, esta técnica é mais demorada porque o número de padrões de corrente ou voltagem aplicado aos eletrodos é alto (normalmente igual a um
menor que o número de eletrodos). Portanto, é desejável fornecer um método e um sistema que vai
abordar as questões acima.
Rreve Descrição
De acordo com uma modalidade da presente invenção, um método para determinar as características de um objeto de multimaterial é Çi» fornecido. O método inclui o fornecimento de um conjunto de sinal elétrico
aplicado de padrões de sinal elétrico individuais para os eletrodos em torno do é objeto de multimaterial para produzir um campo elétrico rotativo dentro do
objeto de multimaterial e obtenção de um conjunto de sinal elétrico medido de sinais elétricos a partir dos eletrodos correspondentes a cada padrão de sinal elétrico aplicado. O método também inclui a determinação de uma rede elétrica com base no conjunto do sinal elétrico aplicado, o conjunto de sinais elétricos medidos, e um inverso do conjunto do sinal elétrico aplicado. O método inclui ainda a determinação das características do objeto de multimaterial pela
análise da rede elétrica.
De acordo com outra modalidade da presente- invenção, um- método para determinar uma rede elétrica de um objeto de multimaterial é fornecido. O método inclui o fornecimento de um conjunto de sinal^ elétrico - - 15 - aplicado de padrões" dê sinaf eíétrico Individuais aos eletrodos para produzir o campo elétrico rotativo. O método também inclui a obtenção de um conjunto do sinal elétrico medido dos sinais elétricos a partir dos eletrodos correspondentes a cada padrão do sinal elétrico aplicado e determinação da rede elétrica com
base no sinal elétrico aplicado. De acordo ainda com outra modalidade da presente invenção, um
sistema de detecção de multimaterial é fornecido. O sistema inclui um fornecimento de energia para o fornecimento de um conjunto de sinal elétrico aplicado de padrões de sinal elétrico individuais para os eletrodos em torno do objeto de multimaterial para produzir um campo elétrico rotativo dentro do objeto e uma unidade de medição para a obtenção de um conjunto de sinal elétrico medido dos sinais elétricos a partir dos eletrodos correspondentes a cada padrão de sinal elétrico aplicado. O sistema inclui ainda um circuito de processamento para estimar as características do objeto de multimaterial com base no conjunto do sinal elétrico aplicado, o conjunto de sinais elétricos medidos e um inverso do conjunto do sinal elétrico aplicado.
Desenhos
Estas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção serão mais bem compreendidos quando a seguinte descrição detalhada for lida com referência aos desenhos anexos nos quais caracteres iguais representam partes iguais ao longo dos desenhos, sendo que:
A FIG. 1 é um diagrama em blocos de uma instalação de produção de óleo de acordo com uma modalidade exemplar;
A FIG. 2 é um esquema de uma tomografia de impedância elétrica (TIE) com base no medidor de fluxo multifásico a ser utilizado de acordo com uma modalidade da presente_inyenção;._ „ - - - — —- = - --" - A FIG. 3 é um diagrama em bloco de um sistema de TIE com voltagem aplicada de acordo com uma modalidade da presente invenção;
------A" FIG. "4 e uma" representação em diagramas dos padrões de
campo rotativo de acordo com uma modalidade da presente invenção;
A FIG. 5 é um esquema dos eletrodos em torno de um objeto de multimaterial em um conduto e uma forma de onda senoidal de referência de acordo com uma modalidade da presente invenção;
A FIG. 6 é um fluxograma representando um método de determinar as características de um objeto de multimaterial usando uma técnica de tomografia de resistência elétrica (ERT) de acordo com uma
modalidade da presente invenção;
A FIG. 7 é um fluxograma representando um método de
determinar as características de um objeto de multimaterial usando uma técnica de TIE de acordo com uma modalidade da presente invenção; e
A FIG. 8 é um fluxograma representando outro método de determinar as características de um objeto de multimaterial usando uma técnica ERT da FIG. 6 de acordo com uma modalidade da presente invenção, φ Descrição Detalhada
Como discutido em detalhe abaixo, as modalidades da presente A invenção funcionam para fornecer um sistema e um método para medir as
características de um objeto de multimaterial. Em um exemplo de um fluxo multifásico, as características do objete podem incluir frações volumétricas e vazões de óleo, água e gás (neste contexto com referência a hidrocarbonetos gasosos) fluindo através dos condutos. Embora a invenção seja descrita com referência ao uso em medições de óleo; gás/água, esta não é de maneira nenhuma limitada a tais aplicações; de preferência, os aspectos da invenção encontram aplicação em uma grande variedade de processos industriais, de cuidados pessoais e químicosjajs conng, por exemplo, diagnóstico do câncer e processos de tratamento de água. As características de tais objetos de multimaterial podem ser um pouco diferentes dos exemplos dados para o fluxo
. . -15 - -multifásico;- " "
A FIG. 1 mostra uma instalação de produção de óleo 10 de
acordo com uma modalidade exemplar. A instalação de produção de óleo tipicamente inclui vários poços de óleo 12 que são cada interconectados a um sistema de tubulação 14. O sistema de tubulação 14 inclui um coletor de produção 16 acoplado aos medidores do fluxo multifásico (MPFMs) 18. Um medidor de fluxo multifásico possibilita a medição de fluxos do poço não processados muito perto do poço e assim pode fornecer o monitoramento contínuo do desempenho do poço, o que pode ser usado para o melhor gerenciamento do reservatório. Os fluidos bombeados a partir dos poços de óleo 12 são enviados para um separador de produção 20 através do coletor de produção 16. Deve-se notar que um separador de teste (não mostrado) pode adicionalmente ser usado ao longo dos MPFMs na instalação 10 ou pode alternativamente ser usado. Uma vantagem de um MPFM sobre um separador de teste é a redução no tempo necessário para executar uma medição. Enquanto o separador de teste deve ser autorizado a preencher e estabilizar quando muda de poços, o MPFM responde mais rapidamente às mudanças nos fluidos do poço e precisa de menos tempo para se estabilizar.
O separador de produção 20 separa óleo, gás e água bombeados dos poços. O separador de produção 20 pode incluir um ou mais dispositivos de medição. Os dispositivos de medição podem incluir, por exemplo, um medidor de água, para medira uma quantidade ou taxa de água extraída de um poço e um medidor de emulsão para medir uma quantidade de óleo extraído do poço. Dispositivos de medição adicionais incluem outros dispositivos tipicamente utilizados para monitorar o desempenho do poço tal como um sensor de pressão de cabeça de poço, .termômetro,, medidor de salinidade e medidor de pH.
A FIG. 2 mostra um sistema de MPFM à base da tomografia de impedância-elétrica'(ΤΙΕ)"40Γ Na" TIÉ, V distribuição de condutividade ou permissividade dentro de um objeto de multimaterial é inferida a partir de medidas elétricas feitas através dos eletrodos que cercam o objeto. Os eletrodos de condução são anexados à periferia do objeto de multimaterial e correntes ou voltagens alternadas são aplicadas a algum ou todos os eletrodos. Os potenciais ou correntes elétricas resultantes são medidos, e o processo é repetido para diferentes configurações ou padrões das correntes e/ou
voltagens aplicadas.
O sistema de MPFM 40 da FIG. 2 inclui um conjunto de eletrodo 42 compreendendo um número de eletrodos 44 distribuídos ao redor do conduto 46. O conduto pode compreender um recipiente, que carrega vários materiais ou fases dentro dele, tal como um tubo ou tanque ou este pode compreender outro vaso tal como uma parte do corpo humano ou um corpo humano inteiro. Em uma modalidade mais específica, o número de eletrodos pode ser oito, doze ou dezesseis, dependendo do tamanho do conduto e 9 precisão necessária. Os eletrodos podem ser anexados diretamente à parede
interior do conduto com uma modalidade incluindo o uso de um revestimento '' adequado para garantir o bom contato elétrico, se necessário. Um material de
isolamento eletricamente apropriado pode ser fornecido entre o eletrodo e a parede do conduto. Os eletrodos são conectados ao circuito de condicionamento eletrônico 48 que pode incluir componentes tais como fontes de corrente ou voltagem, conversores D-para-A, conversores A-para-D, amplificadores diferenciais, filtros, multiplexadores digitais, multiplexadores analógicos, um relógio, e/ou uma unidade de l/O digital acoplada a um computador 50. O computador 50 compreende, em uma modalidade, um computador pessoal equipado com um cartão, do .processador, de sinal digital - usado para o processo de reconstrução de imagem e um monitor adequado 52 para expor as imagens. Outros circuitos de processamento tais como um ^ _ - 15- -arranjo de porta prógramável "em "cãmpõ (FPGA) ou um dispositivo lógico programável complexo (CPLD) também podem ser usados em outras modalidades. De acordo com uma modalidade da presente invenção, os eletrodos 44 são estimulados pela aplicação de um conjunto de voltagem dos padrões de voltagem através deles, o que produz um campo elétrico giratório dentro do objeto de multimaterial no conduto. A qualquer dado momento, um ou mais fontes de voltagem são usadas para aplicar um padrão de voltagens aos eletrodos, e o conjunto correspondente de sinais de corrente em cada um dos eletrodos é medido. Em uma modalidade, ao invés de aplicar as voltagens, uma ou mais fontes de corrente são usadas para estimular os eletrodos pela injeção de correntes dentro deles, e as voltagens correspondentes são
medidas através dos eletrodos.
A FIG. 3 é um diagrama em bloco 60 de um sistema de TIE com
voltagem aplicada com L eletrodos. Cada eletrodo 61 é conectado a um circuito que incluir uma fonte de voltagem 62 para gerar a voltagem aplicada assim como um amperímetro para medir a corrente e um voltímetro para medir diretamente a voltagem aplicada. Uma rede de comutação 63 permite que um único circuito de calibração 64 seja conectado a qualquer um dos circuitos da fonte de voltagem/amperímetro/voltímetro para permitir que todo o sistema seja calibrado para uma única referência. Um controlador digital (não mostrado) pode ter interface com as fontes de voltagem (com amperímetros e voltímetros), comutadores, e o circuito de calibração ajusta a configuração do sistema e coleta as medições digitais da voltagem e corrente. Em outra modalidade sendo que correntes ao invés de voltagens são paliçadas aos eletrodos, as correntes são geradas usando fontes de corrente, que podem compreender fontes de corrente diretas ou um sistema-de -conversores de
voltagem-para-corrente, por exemplo.
Em ambas as modalidades de fonte de corrente e voltagem, as - 15 - medições resultantes "são" processadas pelo computador 50 (FIG. 2), e a representação da distribuição de impedância elétrica ou entrada no objeto de multimaterial é determinada. A distribuição de impedância elétrica ou entrada é então ainda analisada pelo computador 50 para fornecer as características do objeto de multimaterial. As características do objeto de multimaterial podem incluir, por exemplo, a composição e distribuição dos materiais do sistema. Ainda, a distribuição de impedância elétrica ou entrada também pode ser analisada para determinar os regimes de fluxo, fração de fase e velocidade dos materiais individuais do objeto de multimaterial. Os regimes de fluxo incluem, entre outros, o fluxo borbulhante, fluxo rotativo, fluxo lento, ou fluxo anular, por exemplo.
Nas modalidades de fonte de voltagem, a corrente fluindo de um eletrodo para outro é uma função das voltagens relativas aplicadas através de todos os eletrodos e a condutividade e permissividade dos materiais presentes entre todos os eletrodos. Por exemplo, o material pode ser somente óleo ou ^ pode ser uma mistura de óleo e gás. Dependendo dos materiais e suas
< distribuições, a impedância e entrada entre todos os eletrodos variam, e a
3 corrente fluindo entre os eletrodos também varia. Assim a partir do conjunto de
voltagem aplicada e o conjunto de corrente medido, o conjunto de impedância ou matriz de impedância das impedâncias entre todo par de eletrodos podem ser calculadas. Assim a partir do conjunto de voltagem aplicado e o conjunto de corrente medido, o conjunto de entrada ou matriz de entrada das impedâncias entre todo par de eletrodos podem ser alternativamente ou adicionalmente calculados. Porque a impedância e entrada são uma função da condutividade e permissividade dos materiais entre os eletrodos, pela análise da impedância ou rede de entrada, a distribuição do material e suas. características-podem sem- - determinadas.
O conjunto de voltagem dos padrões de voltagem produz um -15 -campo elétrico"giratório~déntrò~do conduto. Um campo elétrico giratório é um campo elétrico, que muda a direção a uma taxa angular constante correspondendo à freqüência do sinal aplicada ou seus múltiplos números inteiros. Isto é similar ao campo magnético giratório, que é um princípio-chave na operação de um motor de corrente alternada polifásico onde o campo magnético giratória muda a direção a uma taxa angular constante.
A FIG. 4 mostra alguns campos elétricos exemplares simulados dentro de um tubo para vários padrões harmônicos espaciais. As plotagens 56, 57, 58 e 59 representam campos elétricos para o primeiro, segundo, quarto e oitavo harmônicos respectivamente. Para o primeiro padrão harmônico, o campo elétrico consiste em linhas retas paralelas, para o segundo padrão harmônico, o campo elétrico consiste em uma família de hipérboles retangulares, para o quarto e oitavo padrão harmônico as curvas da linha do campo elétrico, enquanto não são hipérboles, tem alguma semelhança com elas.
Um campo elétrico giratório pode ser produzido pela aplicação de um conjunto de voltagem dos padrões de voltagem para os eletrodos. Assumindo o número L de eletrodos através do tubo, o padrão de voltagem que será aplicado através dos eletrodos pode ser representado como:
Vk1 =FsinOtf ± — (*-1)) 0)
L
Vk" =Vsinatcos(—(k-l)) + Vcosatsm(^(k-iy) (2) L L
Vkx = V sin tot cos(— (k -Y))-V cos cot sin(^ (k -1)) (3) L L
onde a VkÀ é a voltage aplicada ao k-ésimo eletrodo no padrão de excitação da Mh, a V é um pico de voltagem aplicado, té o tempo e □ é a freqüência angular da onda do seno. As equações (2) e (3)..referem-se,à expansão da equação (1) com relações de + e - separadas. A equação (2) é um padrão de voltage direto para gerar o campo elétrico giratório no sentido horário dentro do objeto, enquanto que a equação"(3)~é um padrão de voltagem reverso para a geração do campo elétrico giratório no sentido anti-horário dentro do objeto. Cada padrão de excitação é seqüencialmente aplicado aos eletrodos até um conjunto completo de padrões dados pelas equações (1) e (2) esteja completo. A variável de λ que corresponde ao padrão de excitação varia de 1 a Np, onde Np = L/2 no caso onde L é um número par e Np = (L-1)/2 no caso onde L é um número ímpar. Em uma modalidade, para uma tomografia de resistência elétrica (ERT) um total de Np padrões de voltage diretos ou Np padrões de voltage reversos são aplicados. Em outra modalidade, ambos os padrões diretos e reverses são aplicados aos eletrodos para obter a informação mais completa sobre o objeto de multimaterial. Os padrões de voltage diretos e padrões de voltage reverses juntos fornecem a informação sobre os components reais e imaginários dos elementos elétricos na representação de rede do objeto de multimaterial. De uma maneira similar às equações (1), (2) e (3), os padrões de corrente direta e de corrente reversa podem ser descritos e calculados.
A FIG. 5 mostra um esquema 80 de eletrodos colocados ao longo da periferia de um conduto e um conjunto de formas de onda 82 de amplitude V= 10V. Pode-se notar que existem 8 formas de onda senoidais que estão defasadas uma da outra por uma extensão igual dentro do conjunto de formas de onda 82. Estas ondas são marcadas V1 a V8 e correspondem aos sinais de voltagem aplicados ao eletrodo correspondente. Por exemplo, V1 corresponde ao sinal de voltagem aplicado ao eletrodo 1 e V7 refere-se ao sinal de voltagem aplicado ao eletrodo 7. O conjunto de formas de onda 82 correspondem a um padrão de voltagem. Vários desses padrões podem ser calculados de acordo com a equação (1) e devem ser aplicados aos.eletrodos.. A utilização de 8 eletrodos é apenas um exemplo, e qualquer outro número desejado de eletrodos pode ser utilizado. O tubo 84, em uma modalidade, inclui materiais ou fases , como óleo 86 e água 88.
Em uma modalidade da invenção, o efeito da permissividade e permeabilidade de alguns ou todos os materiais que compõem o objeto de multimaterial pode ser conhecido a priori para ser significativamente menor do que a condutividade, e, nesses casos, pode-se dizer que a rede elétrica que representa o objeto de multimaterial compreende apenas os elementos resistivos. Este é um caso específico de IET chamado de Tomografia de Resistência Elétrica (ERT). Em tais modalidades, onde apenas o ERT é para ser realizado, o número total de padrões de voltagem ou corrente a ser aplicado para obter as informações completas sobre a distribuição de fase é Np. Os padrões Np podem ser ou padrões diretos, que produzem o campo elétrico giratório, ou os padrões reversos, que produzem o campo elétrico giratório anti- horário.
A FIG. 6 mostra um método 100 para determinar uma impedância ou matriz de entrada em uma ERT. Na etapa 102, um primeiro conjunto de sinal elétrico compreendendo os padrões Np é aplicado aos eletrodos. O segundo conjunto do sinal elétrico correspondente tendo um respectivo segundo padrão de sinal elétrico para cada primeiro padrão de sinal elétrico aplicado é medida na etapa 104. Em uma modalidade, o primeiro padrão do sinal elétrico pode incluir um conjunto de voltagem e o segundo padrão de sinal elétrico pode incluir um conjunto de corrente. Em outra modalidade, o primeiro padrão do sinal elétrico pode incluir um conjunto de corrente e o segundo padrão de sinal elétrico pode compreender um conjunto de voltagem. Na modalidade sendo que o primeiro conjunto do sinal elétrico é um conjunto de voltagem e o segundo conjunto de sinal elétrico é um conjunto de corrente, por exemplo, porque só Np padrões^de vojtagem sãp^aplicados.os eletrodos, pode- se construir uma matriz de voltagem que representa o conjunto aplicado de padrões de tensão e uma matriz de corrente que representa o conjunto de -padrões-de corrente" medidos. "As matrizes de voltagem e corrente teriam o número L de linhas e o número Np de colunas. A voltagem ou a corrente no m- ésimo eletrodo para o n-ésimo padrão seria dada pelo elemento (m, n) da matriz de voltagem ou corrente. Além disso, como um exemplo na mesma modalidade, suponha que o conjunto de padrões de voltagem Np aplicado são os padrões de rotação diretos dados pela equação (2). No caso de L ser um número ímpar, as entradas restantes de uma matriz de voltagem podem ser determinadas a partir da equação (3) e uma nova matriz de voltagem resultante teria o número L de linhas e número de L-1 de colunas. No caso de L ser um número par, o uso da equação (3) resultaria em um padrão de voltagem extra e uma nova matriz de voltagem teria o número L de linhas e o número L de colunas. Deve-se notar aqui que o primeiro padrão calculado através da equação (3) é efetivamente o mesmo que o último padrão calculado pela equação (2), que é o último padrão no conjunto de voltagem aplicado de padrões de voltagem. Assim, a coluna correspondente ao primeiro padrão calculado através da equação (3) pode ser removida e, portanto, uma nova
Yi
■i' matriz de voltagem L tem o número L de linhas e número L-1 de colunas. Da
* mesma forma, as entradas restantes de uma nova matriz de corrente também
podem ser determinadas usando o fato de que as correntes individuais no padrão de corrente medido resultante do i-ésimo padrão de sinal de voltagem aplicado será o conjugado complexo da corrente no mesmo eletrodo correspondente ao (L+1- i)-ésimo padrão de corrente já que os elementos na rede de impedância ou entrada são puramente resistivos, no caso de um ERT. Assim, na etapa 104, as primeiras e segundas matrizes do sinal elétrico são modificadas.
Na etapa 108, com baseno conjuntç> JotaL de. .sinal- elétrico— " ~ ~ aplicado, o conjunto total de sinal elétrico resultante, um inverso do conjunto
total de sinal elétrico aplicado, e uma matriz de impedância ou uma matriz de^ ^ _ _ entrada, representando - a - distribuição" "dè" "material dentro do objeto de multimaterial é determinada. Em uma modalidade, um cálculo pseudo-inverso pode ser utilizado para determinar o inverso do conjunto de sinais aplicado. A matriz calculada é a representação da rede elétrica de distribuição do material dentro do objeto. É uma matriz simétrica com entradas complexas. Em outras palavras, o elemento na i-ésima linha e j-ésima coluna de uma matriz a é igual ao elemento da j-ésima linha e i-ésima coluna da matriz a, para todos os índices i e j:
au = aJJ
onde afJ é a impedância equivalente ou entrada entre os números de eletrodos /' e j. A impedância ou matriz de entrada calculada é então analisada na etapa 110 para determinar as características do objeto de multimaterial. Na matriz de entrada, a soma da linha é zero para toda linha e a soma da coluna é zero para toda coluna quando não há um caminho de fuga para as correntes fluírem. Este fato pode ser utilizado para detectar quaisquer caminhos de corrente presentes no sistema além dos eletrodos e seus circuitos associados a eles.
A FIG. 7 mostra um método 120 para determinar uma impedância ou matriz de entrada em uma TIE em uma modalidade de fonte de voltagem. Em uma modalidade, para o TIE, quando as permissividades dos materiais dentro do objeto de multimaterial que não são conhecidas, tanto os padrões de voltagem diretos e padrões de voltagem inversos são aplicados os eletrodos na etapa 122. Na etapa 124, os sinais de corrente resultantes são medidos a partir dos eletrodos. Note-se que ao invés de aplicar os padrões de voltagem, os padrões de correntes também podem ser aplicados e os padrões de voltagem também podem ser medidos. O número total de.padrões de voltagem aplicado é menor que o número de eletrodos, uma vez que o padrão remanescente é efetivamente redundante. Assim, para os L eletrodos, os padrões de voltagem^ totais aplicadosTâériã C-T A rede eíétricsTé, então, determinada na etapa 126 com base no primeiro conjunto do sinal elétrico, o segundo conjunto de sinal elétrico, e o inverso do primeiro conjunto do sinal elétrico. A rede elétrica é analisada ainda na etapa 128 para determinar as características do objeto de multimaterial.
A FIG. 8 mostra outro método 140 para determinar uma impedância ou matriz de entrada em uma TIE. Nesta modalidade, o procedimento ERT, como explicado na FIG. 6 é realizado primeiro. Um conjunto de voltagem de Np padrões de voltagem é aplicado aos eletrodos na etapa 142 e um conjunto de corrente resultante é medido na etapa 144. Na etapa 146, o conjunto de voltagem e o conjunto de corrente são modificados mediante o preenchimento da metade restante da matriz, como descrito anteriormente em relação à FIG. 6 para torná-las matrizes de voltagem completa e correntes de tamanho (L, L-1). Na etapa 148 com base no conjunto de voltagem aplicado, o conjunto de corrente medido, e o inverso do conjunto
de voltagem aplicado, uma matriz de entrada ou matriz de impedância é
determinada. Além disso, com base no valor dos elementos puramente
resistivos na rede elétrica determinada pela ERT, as condutividades e a
distribuição dos diferentes materiais dentro do objeto são estimadas utilizando
os resultados pré-computados a partir de modelos numéricos e a matriz de
impedância ou entrada que tem apenas elementos puramente resistivos até
esta etapa (números reais na matriz) é agora modificada para uma nova matriz
de impedância ou entrada para ter um elemento capacitivo ou indutivo
(números complexos na matriz). Por exemplo, se o ERT fornece três diferentes
valores de condutividade em três locais diferentes dentro do objeto, pode ser
-6
estimado que, se os valores de_ condutividade estão na- faixa -de 10- siemens/metro, em seguida, o material é semelhante ao óleo e, consequentemente, a permissividade relativa pode estar na faixa de 1 a 5.JDa ^mèsmà"formasse os vaíõres de condutividade na faixa de 10"3 siemens/metro ou mais pode-se determinar que o material é a água e, consequentemente, a permissividade relativa pode estar entre 75 e 80. Uma vez que a permissividade relativa é estimada, a parte capacitiva dos elementos da rede elétrica pode ser estimada. A nova matriz de impedância ou entrada é então simulada com padrões de tensão aplicados conhecidos, e as correntes simuladas são determinadas. A nova rede elétrica é aperfeiçoada na etapa 149 pela minimização iterativa do erro entre o conjunto de corrente medido e o conjunto de corrente simulado. Como explicado anteriormente, a rede elétrica aperfeiçoada é então analisada para determinar as características do objeto de multimaterial na etapa 150. Pode haver outras maneiras de estimar a permissividade relativa dos materiais com base nos valores de condutividade e alternativamente ou adicionalmente usando outras informações de sensor, como por exemplo, usando as informações de um medidor de densidade. Além disso, pode haver conhecimento prévio da distribuição espacial dos diferentes materiais dentro do objeto de multimaterial, como por exemplo, dentro da cabeça humana. A etapa 149 usa todas essas informações para modificar adequadamente a matriz de impedância ou entrada de tal forma que as porções capacitivas ou indutivas sejam adicionadas aos elementos.
O computador 50 (FIG. 2) armazena, processa e comunica as informações sobre os padrões de voltagem aplicados, sinais de corrente medidos e matriz de impedância ou entrada calculada. Os padrões de voltagem, juntos, formam um conjunto de voltagem ou conjunto de sinal aplicado e as correntes medidas formam um conjunto de corrente ou o conjunto de sinal medido. Conforme descrito anteriormente, em outra modalidade, as correntes podem ser injetadas no_s eletrodos e as. voltagens -podem ser medidas. Se o conjunto de sinal aplicado for um conjunto de voltagem e o conjunto de sinal medido for um conjunto de corrente, então o conjunto de sinaj^ aplicado pode ser répreseritado~põr uma matriz Peo conjunto de sinal medido pode ser representado por uma matriz Q. A rede de impedância é então representada por uma matriz Z, onde
Z= P*Q"1 (4)
Q-1 refere-se ao inverso da matriz Q. No entanto, a matriz Q é um conjunto de sinal medido e é tipicamente uma matriz ill-posed matematicamente. Por isso, é difícil encontrar um inversa dessa matriz. Assim, o cálculo de uma matriz de entrada é mais fácil neste caso, já que a matriz de entrada pode ser calculada como dado abaixo:
Y= Q*P"1 (5)
O conjunto de sinal aplicado tem melhor fidelidade do que o conjunto de sinal medido. Além disso, já que o conjunto de sinal aplicado é bem conhecido de antemão, ele pode ser armazenado no computador e o seu inverso também pode ser armazenado no computador. Assim, para a determinação da matriz de entrada, o conjunto de sinal medido é diretamente multiplicado pelo inverso disponível do sinal de voltagem aplicado. Em uma modalidade, o objeto também pode ser representado e calculado por uma matriz de impedância Z, se o conjunto de sinal utilizado é um conjunto de corrente Meo conjunto de sinal medido é um conjunto de voltagem S. A matriz de impedância Z, neste caso é dada por Z= S* M"1 (6)
Novamente, M1 refere-se ao inverso da matriz M. Mais uma vez o cálculo do inverso do conjunto de sinal aplicado M é fácil em comparação ao cálculo do inverso do conjunto de sinal medido S.
Em ambas as equações (5) e (6), em uma modalidade, um pseudo-inverso é utilizado para calcular oa inversos, das matrizes P e M. As- técnicas pseudo-inversas podem incluir, por exemplo, o inverso de um lado, inverso de Drazin, inverso de Grupo, inverso de Bott Duffin ou pseudo-inverso -de Moore-PenroserA"técriicaHe~ cáIcuío Inverso é assim usada para obter o cálculo direto da matriz de impedância ou uma matriz de entrada em vez de usar um método numérico ou um método iterativo. A matriz de entrada Yea matriz de impedância Z das equações (5) e (6) pode ser calculada como: Y=Q*((PhP)"1*Ph) (6)
Z=S*((MHM)"1*MH) (7)
onde, Ph e Mh são transpostos conjugados das matrizes P e M. Em alguns sistemas de processo, os elementos da matriz de entrada ou impedância na representação da rede elétrica de um sistema de multimaterial podem variar com o tempo. No entanto, desde que o conjunto de sinal aplicado seja constante e o conjunto de sinal medido é medido em tempo real, uma matriz de entrada ou matriz de impedância variáveis com o tempo também podem ser calculadas. Em uma modalidade, várias tabelas pré- computadas ou matrizes de diferentes modelos de regime de fluxo aleatório são armazenadas no computador e quando o sistema determina a representação da rede elétrica, é simplesmente em relação às matrizes armazenadas e, assim, o regime de fluxo e distribuição de material dentro do objeto de multimaterial são identificados. Em outra modalidade, a matriz de entrada ou impedância é analisada por um algoritmo heurístico para determinar a distribuição de material e outras características do objeto de multimaterial. O algoritmo heurístico pode incluir um algoritmo de lógica fuzzy ou um algoritmo genético ou um algoritmo de rede neural, por exemplo. O algoritmo de lógica fuzzy fornece uma maneira simples de chegar a uma conclusão com base em informações de entrada vagas, ambíguas, imprecisas, com ruído, ou ausentes. Os resultados do algoritmo de lógica fuzzy são aproximados e não precisos. Além disso, uma rede neural pode ser treinada para. identificar a-distribuição mais provável de material e outras características do objeto com base no comportamento histórico do objeto de multimaterial.
_ ___-Enquanto -apenas "certas "características da invenção foram
ilustradas e descritas aqui, muitas modificações e alterações irão ocorrer para aqueles versados na técnica. Deve-se, portanto, compreender que as reivindicações anexas são destinadas a cobrir todas essas modificações e alterações que se enquadrem no verdadeiro espírito da invenção.
Claims (10)
1. MÉTODO (120) DE DETERMINAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS DE UM OBJETO DE MULTIMATERIAL, que compreende: fornecimento (122) de um conjunto de sinal elétrico aplicado de padrões de sinal elétrico individuais aos eletrodos para produzir o campo elétrico rotativo. obtenção (124) de um conjunto de sinal elétrico medido dos sinais elétricos nos eletrodos correspondentes a cada padrão de sinal elétrico aplicado. determinação (126) de uma rede elétrica do objeto com base no conjunto do sinal elétrico aplicado, o conjunto de sinais elétricos medidos, e um inverso do conjunto do sinal elétrico aplicado; e determinação (128) das características do objeto de multimaterial pela. análise da rede elétrica.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que um número máximo dos padrões de sinal elétrico individuais é no máximo igual a metade de um número de eletrodos e sendo que a rede elétrica compreende elementos puramente resistivos.
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, em que a determinação da rede elétrica compreende converter o conjunto de sinal elétrico aplicado em um conjunto de sinal elétrico total aplicado e conversão do conjunto de sinal elétrico medido em um conjunto total de sinal elétrico medido.
4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, em que a conversão do conjunto de sinal elétrico aplicado compreende a utilização dos padrões de sinal elétrico conhecidos.
5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 3, em que a conversão do conjunto do sinal elétrico aplicado compreende a utilização da natureza puramente resistiva das redes elétricas.
6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, em que a determinação das características compreende a determinação de uma nova rede elétrica quando um número máximo dos padrões de sinal elétrico individuais é no máximo igual a uma metade de um número de eletrodos.
7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, em que a determinação da nova rede elétrica compreende a modificação da rede elétrica com base nos valores de resistência da rede elétrica.
8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 6, em que a determinação das características compreende aperfeiçoar a nova rede elétrica pela simulação desta com o conjunto de sinal elétrico aplicado e minimização do erro entre o conjunto de sinal elétrico medido atual e um conjunto de sinal elétrico medido simulado.
9. MÉTODO DE DETERMINAÇÃO DE UMA REPRESENTAÇÃO DE REDE ELÉTRICA DE UM OBJETO DE MULTIMATERIAL, que compreende: fornecimento de um conjunto de sinal elétrico aplicado de padrões de sinal elétrico individuais aos eletrodos cercando o objeto para produzir o campo elétrico rotativo dentro do objeto; obtenção de um conjunto de sinal elétrico medido dos sinais elétricos nos eletrodos correspondentes a cada padrão de sinal elétrico aplicado; e. determinação de uma representação de rede elétrica do objeto de multimaterial com base no conjunto de sinal elétrico aplicado, o conjunto de sinal elétrico medido, e um inverso do conjunto de sinal elétrico aplicado.
10. SISTEMA DE DETECÇÃO DE MULTIMATERIAL (40), que compreende: uma fonte de energia (62) para fornecer um conjunto de sinal elétrico aplicado dos padrões de sinal elétrico individuais aos eletrodos em torno de um objeto de multimaterial para produzir um campo elétrico giratório; uma unidade de medição (62) para obter um conjunto de sinal elétrico medido dos sinais elétricos nos eletrodos correspondentes a cada padrão de sinal elétrico aplicado; e circuito de processamento (50) para calcular a representação de rede elétrica do objeto e para estimar as características do objeto de multimaterial com base no conjunto de sinal elétrico aplicado, o conjunto de sinal elétrico medido, e um inverso do conjunto de sinal elétrico aplicado.
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