CN104969064B - 用于确定关注界面的位置的方法和设备、以及发明的计算程序领域 - Google Patents

Abstract

一种确定目标域(13)中在可流动材料的自由体积(14)与限制所述自由体积的固体材料(11，17)之间关注界面(18，20)的位置的方法，所述方法包括以下步骤：提供所述目标域(13)的数学模型(21)，针对多对电极组来确定与由一对电极组形成的电容器的电容成比例的特征电量；针对多对电极组来接收所述特征电量的测量值；调整所述数学模型(21)以便减小测量到的特征电量值与由所述数学模型确定的值之间的差异；以及基于调整后的数学模型确定所述关注界面(18，20)的所述位置。根据本发明，调整所述数学模型的步骤包括改变所述边界面(18)的所述位置，以便在确定所述关注界面(18，20)的所述位置时考虑所述边界面的可能损耗。

Description

用于确定关注界面的位置的方法和设备、以及发明的计算程 序领域

技术领域

本申请通常涉及监控液体或更一般而言任何可流动的材料流经或被存储在管道、器皿、或容器中的工业过程。特别地，本发明涉及监控这种管道、器皿和容器的表面中的结垢(scaling)和/或损耗。

背景技术

污染物或所谓的结垢是在加工工业的许多不同应用中可能发生的众所周知的问题。结垢，往往也称为污垢(fouling)，一般指在用于引导或存储可流动材料的管道、器皿、或其他容器的表面上不想要的材料的沉积或累积。

由于结垢的结果，在这种表面上形成额外的固体材料层。由此，对可流动材料存在时敞开的管道或其他容器内的自由体积(free volume)改变了。这会导致很多问题。例如，自由体积改变了的形状引起对流体流动的干扰。至少，加工管道的自由内体积减小的横截面积增大了通过管道的流阻。在极端情况下，该管可能被完全堵塞，从而使所讨论的整个加工停止。一般地，结垢是加工工业的多个领域中的常见问题，引起显著增加的操作成本和产量损失。

由于结垢而形成在加工装备的表面上的材料必须被不停的去除。这可能是非常繁重的。特别是当额外材料是由烃类键合(hydrocarbon bonding)形成时，通过机械过程来去除通常是非常艰巨且极其困难的。作为机械去除的可替代选择，对于各种结垢材料已经研发了不同的软化剂和释放剂。代替在之后去除所形成的结垢材料，通过防止结垢来主动地采取行动通常是更优选的。例如，不同的化学制品可以被用作与可流动的材料混合的阻垢剂以控制无机硬质垢的形成。使用这样的化学制品降低了水垢形成的速率并且更改了水垢的结构使得它可以更容易被去除。在任何情况下，为了防止突发问题(例如由于加工管道不可预期的堵塞)，或者为了最优化使用阻垢剂，人们应该能够及时地监控结垢情况和它的演变。

另一方面，在用于引导和/或存储可流动材料的各种工业加工装备中出现的另一个问题是管线和器皿的壁的损耗。损耗可能由于化学腐蚀性材料与加工装备的表面起反应而发生，但也可能由例如包含在液体流中的沙子引起的简单的机械磨损而发生。类似于结垢，损耗也可以改变加工装备内的体积和流动条件，并且可能因此不利地影响加工。在极端情况下，贯穿管线或器皿的壁的损耗、以及作为结果可流动的材料突然排放至加工装备的外部可能导致严重的事故和高经济损失、以及甚至使人员受伤。因此类似于结垢，也应该连续地监控损耗。

损耗还可能与结垢同时发生。因此，具有能够在线监控上述两种现象的有效的解决方案将是非常有用的。

在先前技术中，例如使用基于摄像头的技术(其中摄像头被安装在待分析的加工装备中)、利用声学(通常是超声)方法、或者通过简单的机械方法(其中特殊的智能测试对象被安装在管道壁上)来监控或诊断结垢和/或管道壁损耗。例如，EP 2115452公开了通过发送声信号至管道、测试从管道内部的材料界面反射的信号、以及将测量结果与来自已知的干净管道的参考信号进行比较从而来测量螺旋卷式膜(spiral wound membrane)内结垢的设备和方法和具体示例。

超声和测试对象技术实际上是点测量，严重地限制了技术的适用性。在基于摄像头的技术中，加工会经常被打断以执行实际的监控步骤。

当前，不存在检测早期阶段中结垢和损耗的可靠在线监控技术。特别地，不存在可以被用来监督上述两个有害现象的有效的商业解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善的方法、以及改善的设备用于确定工业过程中的结垢和/或损耗。本发明的目的还在于提供用于执行上述方法的新颖的计算机程序产品。

由权利要求1、8和15来描述本发明的特征。

本发明聚焦于一种用于确定位于目标域中、在可流动材料的自由体积与限制上述自由体积的固体材料之间关注界面的位置的方法。对关注界面进行定位的工业过程可以是可能存在结垢和/或损耗的任何种类的加工。这些种类的加工存在于例如石油生产和提炼、其他基于石油的工业、以及能源生产中，但不限于这些示例。

这里“可流动的材料”指在加工管道中或者在器皿或容器中可以流动的任何材料。这种材料可以是液体形式，但还可以包含或多或少的固体或气体物质。

石油工业中水垢材料的示例是沥青(bitumen)和沥青质(asphaltene)以及一般术语“矿物结垢”所覆盖的各种结垢材料。后者包括例如碳酸钙和基于硫酸钙化合物，基于硫酸钙化合物包括例如石膏。在能源生产中，由于包含在烧水壶表面的水中的污垢物的沉积，可能发生结垢。可以形成烧水壶沉淀物的水污垢物包括例如钙、镁、铁、铝和二氧化硅。水垢通常形成为这些材料的盐。

至于在目标域中形成的结垢，限制自由体积以及因此限定和限制关注界面的固体材料可以是水垢材料。下文讨论其他情形。

本发明的方法包括以下步骤。

首先，该方法包括：提供所述目标域的数学模型，针对多对电极组来确定与由一对电极组形成的电容器的电容成比例的特征电量，所述电极组的电极被配置为与所述目标域成电容测量连接且由所述目标域中具有边界面的固体支撑体来支撑。

在该方法中上文提到的目标域指考虑的二维或三维区域。

一般而言，所述数学模型指二维或三维目标域的物理材料特性与特征电量之间关系的数值表示。由此，数学模型的一般目的是提供特征电量值的估计，根据目标域中的材料特性来确定上述值。

特征电量可以是与由一对电极组形成的电容器的电容成比例或取决于该电容的任何电量。在电极与目标域之间的电容测量连接指将电极如此连接至目标域使得可以执行电容测量、或者至少执行与由多对电极组形成的电容器的电容成比例的一些特征电量的测量。为了实现这个，例如，在电极与目标域之间不应该具有形成等势屏(equipotentialshield)的任何连续导电体。

被支撑体支撑指电极可以被装设在支撑体的任何表面上，或者可以部分地或全部地嵌入其中，使得它们能够不与支撑体的外部直接接触。对最合适的配置的选择取决于例如可以由电绝缘材料或导电材料构成的支撑体的材料。在第一种情况下，电极可以嵌入在支撑体内。在导电支撑体材料的情况下，电极应该位于支撑体的表面上。

这里，边界面指用于限定支撑体与其外部之间的界面的支撑体的表面。目标域“中”的位置指边界面属于二维或三维目标域。换言之，这个定义包含了边界面位于二维或三维目标域的内部范围内的情形、以及边界面与目标域边界重合从而限定目标域的边界的情形。

这里“电极组”指一个或多个电极。因此，在该方法中观察的电容器可以形成在仅仅一对两个电极之间，但是这些单个电极中的一个或两个还可以由一组至少两个单独电极来代替。

待测量的作为特征电量的电容或一些其他基于电容的电量是基于水垢材料通常是电绝缘材料这个事实的，在可流动的材料本身可能是导电的情形下也是如此。

影响电容的主要电量自然是目标域中的介电常数。换言之，在一对电极组之间由该对电极组形成的电容器的电容、以及由此与该电容成比例的任何电量取决于目标域内材料(多种)的介电常数。相反地，实际上，所述数学模型还优选地确定目标域中的介电常数。这可以被确定为仅仅一个代表值，但是更优选地被确定为目标域面积或体积中的介电常数分布。

该方法还包括针对多对电极组来接收特征电量的测量值。这里“接收”指本发明的方法本身不一定包括执行实际测量，但是这种测量(即，测量到的结果)可以被单独地执行且仅仅作为该方法的步骤来接收。这允许实现以下实施例，例如，在测量地点处执行的测量结果被电子地发送至实施实际分析和确定关注界面的分析地点。另一方面，整体地执行测量和分析当然也是可以的，即，使用也包括电极和合适的测量装备的单个分析系统作为执行实际计算的计算机器件。

可以根据在电子测量领域尤其电容测量领域中公知的原理来执行测量。以下在本说明书的具体实施方式部分中讨论了由数学模型确定的以及利用多对电极组测量到的可能的特征电量的其他细节和示例。

在接收到期望数量的测量到的电量值之后，调整数学模型以便减少测量到的特征电量值与由数学模型所确定的那些值之间的差异。这意味着将测量到的电量值与由数学模型确定的相应仿真值进行比较，并且改变数学模型的参数，使得仿真值更接近实际测量到的值，使得主要的电量(例如介电常数)具有所需的特性。

当测量到的电量值与仿真的电量值之间实现充分一致时，使用表示真实目标域的调整后的模型作为确定关注界面的位置的基础。

例如，当所述模型确定目标域中的介电常数分布时，调整后的模型提供目标域中真实介电常数分布的重构，并且可以基于由调整后的模型确定的所述介电常数分布来确定关注界面的位置。这是本发明的一个优选实施例。重构后的介电常数中的突然变化可以被认为是表示存在两种材料(例如，自由体积中的可流动材料和在边界面上的沉积的固体水垢材料)之间的界面。当边界面位于目标域内部范围内时，这种介电常数变化还可能表示支撑体本身的边界面的位置。另一方面，在边界面与目标域边缘重合的情况下，不存在任何清楚的介电常数改变可以被理解为在边界面上没有形成水垢材料。由此，总而言之，在本发明的方法中，关注界面既可以是固体水垢材料的表面也可以是固体支撑体的边界面。

在关注的加工装备的实际表面与边界面之间的联系在于，支撑体与其边界面被认为是仿真那些实际表面上的结垢和/或损耗的真实情形。为了边界面上的水垢和/或损耗之间的良好联系，自然地优选支撑体由与实际加工装备相同的材料构成。例如，在监控由特定金属构成的加工管道中的结垢的情形下，支撑体也优选地由完全相同的金属成分构成。另一方面，在导电支撑体的情形下，电极需要与目标域直接接触。由此，电极也优选地由与管道和支撑体相同的导电材料构成，使得类似于加工管道和电极外的支撑体那样在电极上形成水垢和/或发生损耗。

实际上，测量到的特征电量值和相应的仿真特征电量值的比较、以及改变数学模型的参数通常被称为反演问题或反演计算。反演问题的求解以借助于安装在适当处理器中的适当计算程序来至少部分自动地执行的典型但复杂的计算算法作为基础。本领域中已知适合本发明的几个不同的算法。在本说明书的具体实施方式部分更详细地描述这些算法中的一些。

一般而言，上述提供目标域的模型、进行电容相关的测量、以及调整数学模型以便减小仿真电量值与测量到的电量值之间差异的过程可以称为层析电容成像(electricalcapacitance tomography，ECT)。作为一般层析成像中的一个具体领域，ECT的原理、实际层面实现，以及ECT的不同变型是本领域公知的。在现有技术中，利用ECT的典型示例是对多相流成像，其中产生示出材料流动内不同相的面积或体积的图像。在US 7496450B2中讨论这类方法的示例和包含在其中的不同实际问题。

因此，在一般水平，本发明的基本思想涉及使用ECT来监控存在可流动材料的工业加工装备中的水垢和/或损耗。然而，本发明的方法未必是真实的层析成像，因为不一定产生表示目标域中关注电量分布的完整图像。在一些情况下，基于调整后的数学模型(其不包括贯穿目标域的完整的电量分布，而是仅仅包括目标域以及其中关注界面的一些简化表示)可以确定关注界面。

作为本发明一个非常有利的特征，调整数学模型的上述步骤包括改变边界面的位置，以便在确定关注界面的位置的步骤中，考虑边界面的可能损耗。

这个特征是基于发明人的以下观察的，即在被应用来研究边界面上可能的水垢沉淀物的存在的ECT或类似ECT过程中，主要电量的估计对边界面的几何结构的不精确是非常敏感的。换言之，发明人已经发现，边界面的非常小的几何误建模可能导致所估计的介电常数中大的误差。实际上，这可以在错误地确定边界面上存在水垢材料时看到，这种情况是由于其损耗导致真实的边界面位置已经变化而并非任何水垢。另外，发明人已经发现，几何误建模的影响与潜在的介电常数分布的影响在某种程度上可以彼此分离开，这意味着由于损耗导致的边界面中可能的变化可以与介电常数分布一起估计。因此，应该用高精度来限定目标域。不对此进行考虑的话，如果边界面位置从初始位置改变了，那么可能出现明显的误差。实际上，这可以在错误地确定在边界面上存在一定厚度的水垢材料时看到，这种情况是由于其损耗导致真实的边界面位置已经变化而并非任何水垢。

边界面所述改变的原则在于除电量值相关的实际参数化外，还改变边界面位置和/或几何结构，以便找到与测量到的结果最匹配的数学模型。换言之，同时改变边界面形状的参数化和用于确定特征电量值的参数。这有效地降低了上文描述的误差情形的概率，并且能够检测由于损耗导致的边界面位置的变化。另一方面，真实边界面位置的所述检测使得上述方法的用途也适用于以下应用：主要关注的不是边界面的结垢而是损耗，水垢沉淀物的存在可能是第二关注目标或者根本不是关注目标。

在边界面真正地位于目标域的内部范围内的情形下，所述边界面的位置的变化包括改变目标域内支撑体部分的几何结构。在边界面限制目标域的情形下，所述变化包括改变整个目标域几何结构。

电层析成像领域中的技术人员已知，用作目标域的数值近似的数学模型需要被分为像素(二维情形)或体素(三维情形)，每个表示特定位置处目标域的物理特性。这个离散化越密集，可以产生的目标域的重构越详细，但是另一方面，求解反演问题所需的计算能力越强。

在本发明的优选实施例中，为了最优化确定关注位置的界面的精确度、以及由此边界面的水垢情形和/或损耗，使用具有变化密度的离散化，所述密度朝着边界面增大。这例如可以通过选择距离边界面特定距离内的一个密集离散化，以及在其他地方选择另一个更稀疏的离散化来实现。还可以具有几个不同的区域，每个区域具有不同布置的离散化。在目标域中离散化的密度还可以连续地变化。

支撑用于测量特征电量的电极的支撑体的几何结构可以取决于所讨论的应用而变化。在一个实施例中，支撑体包括管状体，该边界面是所述管状体的内表面。在这个实施例中，支撑体还可以被组装为加工管道的一部分。

作为适当的几何结构和配置的另一个示例，支撑体可以包括杆，边界表面是所述杆的表面。作为另一种可能，支撑体可以包括板状体，边界面是板状体的两个主表面中的一个。板状体的主表面指具有彼此间隔一段距离的两个基本相对表面(即主表面)的本体，并且由一个(例如，在圆形板的情形下)或多个侧表面连接主表面，主表面和侧表面限定三维本体的边界。这些几何结构允许在加工装备中非常灵活的放置支撑体和电极。在适合监控柱面对称加工的一个特别实施例中，电极可以被布置为环绕所述杆的臂的一系列环状电极。利用这些种类的电极，可以仅仅在两个方向(沿着杆的轴的轴向方向、以及径向方向)上求解三维反演问题。这简化了三维系统的计算。

如上面已经讨论的，边界面可以限制目标域，即限定其边界。对于支撑体由导电材料例如金属构成的情形，这种方法是特别有用的。金属支撑体可以被用在高温和高压中，从而能够在各种严酷环境条件下使用ECT测量。可替代地，边界面可以位于目标域的内部范围中，使得目标域在边界面后方延伸。在这种情形下，因此至少部分支撑体被包括在目标域中。当使用电绝缘支撑体时这个布置是适当的。

在上文中，仅仅聚焦于实际计算步骤来描述了该方法。然而，执行还包括下述的方法也是在本发明的范围内：提供以与目标域成电容测量连接来布置的多个电极，所述电极由具有目标域中边界面的固体支撑体来支撑，以及针对多对电极组来测量特征电量。

根据装置方案，本发明的原理还可以被实现为一种确定目标域中在可流动材料的自由体积与限制所述自由体积的固体材料之间关注界面的位置的设备，所述设备包括至少一个存储器、以及与所述至少一个存储器耦合的至少一个处理器；其中所述至少一个存储器包括程序代码指令，当所述程序代码指令由所述至少一个处理器执行时，使得所述设备执行在上文方法方案中描述的步骤。

所述至少一个存储器和至少一个处理器可以实施为例如一个或多个计算机的形式，其中，安装适当的计算机程序代码来执行所述方法步骤。

与方法类似，以下是非常有利的设备的特征：调整数学模型的步骤包括改变边界面的位置，以便在确定关注界面的位置的步骤中，考虑边界面的可能损耗。

在本发明的方法方案中陈述的优点、细节以及优选特征对于根据本发明的设备也是适用的、或稍作变动而适用的。

在上文中，根据本发明的设备被限定为仅仅包括计算器件。本发明的设备方案也可以被实施为完整的测量系统，其包括，除了这种设备，还包括以与目标域成电容测量连接来布置的多个电极、所述电极由具有目标域中边界面的固体支撑体来支撑、以及被配置为针对多对电极组执行特征电量测量的测量设备。

最后，本发明的原理也可以以包括程序代码的计算机程序的形式来实现，当由处理器执行该程序代码时，使得处理器执行如上限定和描述的方法。

附图说明

以下将参考附图来描述本发明，在附图中：

图1示出具有电极布置的电绝缘支撑体的示意性截面图；

图2示出具有电极布置的导电支撑体的示意性截面图；

图3是示出确定加工装备中结垢和/或损耗的方法的流程图；

图4以表示目标域的数学模型示出目标域的离散化的示例；

图5示出具有电极配置的另一种支撑体的示意性侧视图；

图6示出具有电极布置的又一种支撑体；以及

图7示出用于确定加工装备中结垢和/或损耗的系统的示例。

具体实施方式

图1示出形成支撑体的电绝缘管道1的截面的示意性横截面视图，在绝缘管道1的外表面上附着有8个电极2以用于执行目标域3(其包括加工管道1的内体积4以及管道壁)中一个或多个基于电容电量的测量。因此，在图1的示例中，在目标域3的边界上与管道1的外表面和电极2的内表面重合。可替代地，电极可以至少部分地嵌入在管道壁中。

电绝缘管道1被圆柱形金属护套5(其包括从护套径向延伸至管道1的外表面的凸缘6)包围。为了执行测量，将金属护套和其凸缘接地(附图中未示出)，并且作为将电极的系统和目标域与其周围隔离开且防止电极通过电绝缘管道的外部直接“看见”彼此的屏障。在不存在这种凸缘时，在金属护套5与管道1的外表面之间的材料也会影响电容相关的测量。在这种情况下，目标域应延伸至金属护套的内边界以便将这个影响考虑进计算。

管道1的内体积4填充有流经管道的加工材料。表现为固体沉淀物形式的水垢材料7由包含在形成管道内体积4的边界面的管道内表面8上的流动材料中的物质构成，从而改变材料流动的自由体积。如果继续下去，结垢过程甚至可能完全堵塞管道，从而阻止任何流体通过。

作为与初始情形相比较的另一个改变，在管道内表面8的一个位置处，电绝缘管道1的材料已经被侵蚀，使得在其上形成轻微的凹部9。凹部也改变管道1内的流动条件。除了改变该流动条件，由于贯穿管道壁的损耗的结果，侵蚀可能最终导致管道的破裂。

图2中示出能够确定加工管道中水垢和损耗的测量机构的可替代示例。作为与图1相比较的本质区别是存在由例如一些金属构成的导电加工管道11。从测量基于电容电量值的角度来看，导电管道需要使电极12与管道内体积14直接接触。在这种情况下，由电极和导电管道内表面18本身来限制在其中将进行测量的目标域13。此外，由于管道11的导电材料，借助于电极与管道壁之间的薄电绝缘层15将每个电极与管道电绝缘。

另外，在图2的情况中，水垢17形成在管道内表面18上，并且损耗过程已经侵蚀了管道内表面18并且其中一个电极在其上形成一轻微凹部19。当然，这样的凹部也可以延伸至多于仅仅一个电极的区域。

在图1和图2中，分别为8个和10个电极被安装在管道上。然而，这些仅仅是示例，并不将本发明的适用性限制至被适当地配置为允许测量电极之间的电容或其他基于电容电量的任何数量的电极。此外，图1和2示出加工管道和仅仅一个电极环的横截面视图，从而指的是二维目标域。然而，通过沿着加工管道的轴向在几个环或层中布置电极可以测量和监控三维目标域。

在下文中，通过参考图3的流程图来说明确定诸如图1和图2的管道的加工装备内的水垢和损耗。

首先，作为该方法的重要步骤，提供目标域的数学模型并将其存储在例如计算机的存储器中。建立数学模型以便包括充分的信息以确定不同电极对或多对电极组之间的电容或一些其他基于电容的电量。这种确定所需要的信息可以包括例如，目标域3、13内的介电常数分布。实际上，模型是物理目标域的数字表示，所述模型包括关于目标域内材料性质的充分信息，使得基于这个信息可以确定将由电极测量的所选择的特征电量值的估计。数值模型被分为多个离散节点或单元，每个表示目标域内的特定位置。在本发明中，目标域内最令人关注的区域是邻近于形成管道的自由内体积4、14的边界面的加工管道内表面8、18的区域。为了能够充分精确地确定水垢和/或损耗，在接近这个边界面的区域中更密集地离散该模型，并且，为了节省所需的计算能力，在管道内体积的中心更稀疏地离散该模型。图4示出对应于具有10个电极的图2布置的模型21的几何结构的示例、以及其离散化(discretization)。

尽管模型给出了真实目标域和描述目标域中材料(多种)的所选择的物理量(多个量)的估计，还需要关于实际情形的信息。这通过接收即测量或接收电极组2、12之间的容易测量的电容来实现。电极组指一个或多个电极。例如，可以测量在仅仅一个电极的第一组与包括例如两个、三个或多个其他电极的另一组之间的电容。

可以根据本领域已知的原理来执行电容测量。一般而言，在ECT领域，通常按照如下来实施测量。电压源(例如，以方波、正弦或三角形式)被施加到电极中的一个(激励电极)，而另一个电极接地。测量所有电极对之间的电容(在这个示例中，每“组”电极包括仅仅一个单个电极)。重复地进行电容测量，使得每个电极被用作激励电极。因此作为一般规则，如果测量系统中有N个电极，则获得N*(N-1)/2个独立电容值。电容取决于目标域中的介电常数分布。然后可以基于该组电容测量来估计目标域的介电常数分布。基于介电常数分布，可以研究底层加工(underlying process)的行为和/或一些物理量。

虽然在图3的示例性加工和上述说明中将电容用作待测量的电量，但是一定要注意在测量和计算中也可以选择使用与电容成比例的任何其他电量(即，任何基于电容的电量)。

例如，测量电容通常指提供电压以给电容器充电，以及测量电容器放电时的电流。实际上，材料的介电常数一般是复数量，从而具有实部和虚部。当在AC条件下观察时，材料的复介电常数影响放电电流的幅值和相位。仅仅测量幅值只给出关于介电常数的实部的信息，然而相位信息把测量和介电常数的复数部联系起来。作为复介电常数的可替代选择，我们也可以谈论复电容。作为有趣的问题，如果考虑到所提供和测量到的信号的相位和幅值信息，则也可以估计目标域内的导电性分布。当将测量相位信息时，优选地使用正弦电源电压。

当接收到所需测量时，将由模型确定的电容或其他基于电容电量值与测量到的结果进行比较，并调整模型(即调整其参数)以使得仿真值与测量到的值之差减小。目标是找到目标域(对于该目标域，数值模型结果与测量值是非常一致的)内的介电常数分布。在这个比较和调整中，可以使用ECT领域中已知的原理和算法以及反演数学方法。例如，当生成目标域内介电常数分布的完全重构时，图像重构算法一般可以是非迭代或迭代的算法。在第一算法组中，一个简单和快速的算法是线性反投影(Linear Back-Projection,LBP)算法。在LBP方法中，电容与介电常数分布之间的关系可以近似为线性归一化形式：

B＝S·X (1)

其中，B是归一化电容向量，S是换能器灵敏度矩阵(相对于归一化介电常数的归一化电容)，以及X是归一化介电常数向量。分析的任务是找出X，而B是已知的，并且S是根据需要预先确定的。

应当指出的是，管道壁的介电常数可以被视为将要估计的未知参数，但是通常至少它的几何结构和介电常数值是大概已知的，并且这个信息可以被用在图像重构中。

作为基本特征，在调整数学模型的步骤中，边界面的位置是变化的。这个变化的目的是考虑到边界面可能的损耗，即其位置的改变。因此，原理是用实际的介电常数分布来参数化关注边界并且同时估计边界参数。这个方法依赖于发明人的以下观察，目标域的几何结构和其中的介电常数影响ECT测量并且它们的效果(至少在某种程度上)彼此正交。目标域形状参数的变化和估计以及介电常数分布可以是基于贝叶斯反演(Bayesianinversion)方法(其中，对于几何结构中变化的影响来构建统计模型)的。在下文中，将对此进行更详细地讨论。

一般而言，在ECT图像重构中的关键步骤包括建立被检查的系统的可行数值模型。该模型给出了介电常数分布与电极配置的互电容之间的关系。借助于这个模型，目标是确定介电常数分布的估计，使得模拟电容与测量到的电容相差很小。在贝叶斯反演方法中，介电常数分布和观察到的数据被建模为随机变量，并且目的是确定受测量值限制的介电常数分布的概率密度函数。测量通常不提供充分的信息，使得将存在唯一解；因此，对于ε(x)，有必要使用合适的先验密度。在结垢和损耗确定中，目的是确定关注界面的位置，即，水垢的边界或支撑体的边界面，并且因此使用保存有存在于实际介电常数分布中的边缘的先验模型是合适的。合适的非参数“边缘保留”先验模型的示例是全变化先验(total variationprior)和专门设计的高斯先验(Gaussian prior)。根据应用和待成像的目标，使用参数模型来描述目标可能是有利的。选择参数化模型使得它可以描述介电常数分布中的快速空间变化。

测量噪声的统计特性影响所重构的图像的质量，并且利用贝叶斯方法，测量噪声的统计数据可以被建模和用在计算中。ECT成像中所需的数值模型是测量系统的实际行为的近似。由于管理连续数学模型的数值近似，所以模型至少因此而具有不精确性。此外，该系统建模可能是具有挑战性的，因为由于制造的机械公差，其几何结构通常不是完全已知。此外，外部测量条件中的微小变化(由于热膨胀导致例如尺寸变化)可能导致估计的介电常数分布的额外误差，因为它们的效果不与所使用的模型直接相关。使用近似误差方法(其中使用数值仿真为模型不确定性的影响来构造统计模型)可以在一定程度上补偿这些种类的模型不确定性的效果。贝叶斯反演方法是将关于模型误差的信息合并至图像重构的自然框架。

贝叶斯反演的目标是确定受观察值限制的初始量的概率密度函数。在实际应用中，通常需要确定一些点估计以给出关于ECT传感器情况的具体视图。点估计的计算通常导致使用牛顿法或高斯-牛顿法求解的最优化问题。可替代地，另一种流行的点估计是通常使用基于采样的积分法(诸如马尔可夫链蒙特卡罗方法)来求解(条件)期望值。

在调整数学模型使得测量值与模型之间存在充分的一致性之后，基于调整后的模型来确定目标域中关注界面的位置，即边界面8、18或其上水垢材料7、17的表面10、20。实际上，这通常是基于模型所确定的电量值(诸如介电常数)中的一些不连续来确定的。任何这种不连续的缺失导致将边界面确定为关注表面。这种情况表明在边界面上没有水垢。

支撑体，诸如图1和图2的管道1、11不一定属于待监控的实际加工装备，但是它们可以被设置为位于加工装备中的分离测量探针的形式。为了确保支撑体和实际加工装备本身充分相似的行为，以及因此确保基于监控支撑体上的结垢和/或损耗确定水垢/损耗的可靠性，支撑体优选地由与实际加工装备相同的材料构成。

总而言之，图3中的示出方法提供了确定加工装备中存在水垢和/或损耗的可靠方法。当通过使用顺序测量随着时间来求解反演问题时，还可以确定结垢和/或损耗的速率。

在假设加工中的结垢或损耗是均匀的情况下(例如，当水垢材料均匀地沉积于管道的壁或器皿壁上时)，通过利用对称的优点能够降低该方法的计算成本。图5示出形成支撑体和电极配置的杆31，其中多个环形电极32被装设在杆状支撑体的表面38上。由环状电极产生的势场是柱面对称的。因此，被用于建模目标域的有限元法(FEM)近似可以仅仅表达成二维(轴向和径向)，从而显著地降低计算复杂性。

作为又一个可替代选择，支撑体可以形成为简单的板状体41，如图6中示出的测量探针40中的情形一样。图6的示例性测量探针40被配置为通过圆柱形器皿的壁安装，使得其上具有多个电极42的实际支撑体41面向器皿的内部。测量探针的背部包括用于将电极42连接到合适的测量电极的连接器46。在图6的示例中，存在具有不同尺寸的电极42。

支撑体的边界面48形状是弯曲的以便与圆柱形器皿的壁的内表面重合。自然地，板状支撑体的边界面还可以是平面的或者具有除了图6示出的弯曲形状的一些其他非平面形状。另外，应注意的是，“板状”支撑体的厚度可以根据所讨论的实际应用的条件而变化。

图7示意性地示出系统50，通过系统50可以实施如上所述的方法。在系统的操作核心中，存在包括合适数量的存储电路和处理器的计算机51，用于存储数学模型且执行该方法的计算步骤。该系统还包括测量电子单元52和测量探针53，该测量探针53包括环形支撑体和多个电极。可以根据图2所示来配置支撑体和电极。测量电子单元被连接到计算机，从而可以由计算机来控制测量电子单元并且该测量结果可以被发送至计算机并由计算机接收用于进一步处理。计算机包括被配置为控制计算机以实施上述方法的步骤的程序代码。作为由系统执行的方法的结果，基于测量探针53的环形支撑体的目标域内重构的介电常数分布来产生目标域的图像54。图像示出支撑体边界面上的结垢和损耗。

对于本领域技术人员而言，显而易见的是，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以各种方式实施。因此，本发明及其实施例不限于上文描述的示例；而是可以在权利要求的范围内自由地变化。

Claims (15)

1.一种确定目标域中在可流动材料的自由体积(14)与限制所述自由体积的固体材料之间关注界面的位置的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供所述目标域的数学模型(21)，针对多对电极组来确定与由一对电极组形成的电容器的电容成比例的特征电量，所述电极组的电极(12)被配置为与所述目标域成电容测量连接且由所述目标域中具有边界面的固体支撑体(11)来支撑，所述数学模型指所述目标域的物理材料特性与所述特征电量之间关系的数值表示；

-针对多对电极组来接收所述特征电量的测量值；

-调整所述数学模型(21)以便减小测量到的特征电量值与由所述数学模型确定的值之间的差异；以及

-基于调整后的数学模型确定所述关注界面的所述位置；

其中调整所述数学模型的步骤包括改变所述边界面的所述位置，以便在确定所述关注界面的所述位置时考虑所述边界面的可能损耗。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述数学模型(21)被离散化为多个离散元素，每个离散元素表示一个离散位置，所述离散化具有变化的密度，所述密度朝着所述边界面增大。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述支撑体包括管状体，所述边界面是所述管状体的内表面。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述支撑体包括杆(31)，所述边界面是所述杆的表面(38)。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述支撑体包括盘状体(41)，所述边界面是所述盘状体的两个主表面(48)中的一个。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述边界面限制所述目标域。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述边界面位于所述目标域的内部范围内。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中由处理器根据程序代码指令来执行所述方法。

9.一种确定目标域中在可流动材料的自由体积(14)与限制所述自由体积的固体材料之间关注界面的位置的设备，所述设备包括至少一个存储器、以及与所述至少一个存储器耦合的至少一个处理器；其中所述至少一个存储器包括程序代码指令，当所述程序代码指令由所述至少一个处理器执行时，使得所述设备执行以下步骤：

-提供所述目标域的数学模型(21)，针对多对电极组来确定与由一对电极组形成的电容器的电容成比例的特征电量，所述电极组的电极(12)被配置为与所述目标域成电容测量连接且由所述目标域中具有边界面的固体支撑体(11)来支撑，所述数学模型指所述目标域的物理材料特性与所述特征电量之间关系的数值表示；

-针对多对电极组来接收所述特征电量的测量值；

-调整所述数学模型(21)以便减小测量到的特征电量值与由所述数学模型确定的值之间的差异；以及

-基于调整后的数学模型确定所述关注界面的所述位置；

其中调整所述数学模型的步骤包括改变所述边界面的所述位置，以便在确定所述关注界面的所述位置时考虑所述边界面的可能损耗。

10.根据权利要求9所述的设备(50)，其中所述数学模型(21)被离散化为多个离散元素，每个离散元素表示一个离散位置，所述离散化具有变化的密度，所述密度朝着所述边界面增大。

11.根据权利要求9或10所述的设备，其中所述支撑体包括管状体，所述边界面是所述管状体的内表面。

12.根据权利要求9或10所述的设备，其中所述支撑体包括杆(31)，所述边界面是所述杆的表面(38)。

13.根据权利要求9或10所述的设备，其中所述支撑体包括盘状体(41)，所述边界面是所述盘状体的两个主表面(48)中的一个。

14.根据权利要求9或10所述的设备，其中所述边界面限制所述目标域。

15.根据权利要求9或10所述的设备，其中所述边界面位于所述目标域的内部范围内。