CN105308445A - 用于调查目标域中的介电常数的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于调查目标域(13)内的介电常数方法，所述方法包括针对多对接触元件组测量与由一对接触元件组形成的电容器的电容成比例的关注电气量的步骤，所述接触元件组的述接触元件被布置为与所述目标域成电容测量连接；所述接触元件包括被支撑在所述目标域(13)和导电背景体(11)之间的多个电极(12)，所述导电背景体(11)限定所述电极的电容测量区。根据本发明，所述接触元件进一步包括所述导电背景体(11)。

Description

用于调查目标域中的介电常数的方法和装置

技术领域

本申请一般涉及利用无损监控技术监控工业过程、尤其利用电容或一些关注的其他电容依赖电气量的外部测量来监控这样的过程中的介电常数的方法和装置。这样的技术通常被称作电容层析成像(ElectricalCapacitanceTomography,ECT)。

背景技术

电容层析成像是更一般的电学层析成像领域内的一个特殊领域。ECT本身是一种允许对目标域无损监控的公知技术，其以目标域内的介电常数的确定为基础。

一般地，ECT包括提供目标域和测量布置的模型，做出电容相关测量，并且调整数学模型以便减小模拟的和测量的电气量值之间的差异，直到充分的一致性出现，此后目标域中的介电常数被确定。典型地，这通过产生目标域中介电常数分布的图像实现。介电常数，尤其是它的变化提供了目标域内的内部材料的性能和分布的信息。

ECT使用的典型例子是在工业过程中对多相流成像，其中生成的图像示出材料流内的不同相的面积或体积。该类方法的例子和其中包括的不同实践问题在US7496450B2中论述。

最近，发明人已经发现也能使用ECT例如用于在各种工业过程中监控工艺设备表面上不想要的沉积导致的结垢(污垢)以及磨损。

考虑到ECT的基本理念在于测量电容，或更一般性地，测量一些与电容成比例的关注电气量，因此测量传感器设计和实际测量设置在目标域内介电常数的重构中扮演了重要角色。最常见的是，ECT传感器被实施为形成工艺管道或器皿一部分的管状体，其内容物将被分析。电极沿管状体壁被布置在环状组件中。如从板式电容器的基本性质中清楚知道的，板式电容器的电容与电容器板成比例，这些电极应该足够地大以确保足够强的信号。这对于例如为了得到足够的信噪比是重要的。另一方面，在重构介电常数分布中，当电极尺寸增大时，空间分辨率自然地下降。作为折衷，管状传感器体的圆周被典型地分为8到12个等尺寸的电极。

考虑到上文描述的折衷情况，应该清楚新的用于改进待测量的信号的方案被高度期待。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善的方法、以及改善的装置用于调查目标域中的介电常数。

本发明特征在于权利要求1到9中呈现的那些。

根据第一方面，本发明聚焦于一种用于调查目标域中的介电常数的方法。所述目标域可以为任何二维或三维域，在该域内所述介电常数待确定。典型的示例为各种工业工艺，其中液体、气体和/或例如粉状材料被导向或被储存在管道、器皿或其他类型的容器中。

该方法包括对于多对接触元件组来测量与由一对接触元件组形成的电容器的电容成比例的关注电气量的步骤，所述接触元件组的接触元件被布置为与所述目标域成电容测量连接；所述接触元件包括多个电极，被支撑在所述目标域和导电背景体之间，所述导电背景体限定所述电极的电容测量区域。

针对多个接触元件组测量关注电气量的步骤的一般性目的在于提供用于确定所述目标域内的(多种)材料的介电常数的数据。所述确定可以基于，例如比较仿真所述测量并提供用于所述关注电气量的估计的数学模型，并调整所述模型，以便减小所述关注电气量的所述模拟值和所述测量值之间的差异，直到达到期望的一致性。结果，调整后的数学模型提供了关于所述目标域内所述介电常数的分布的信息，进而，所述介电常数分布提供了关于所述目标域内出现的不同材料和它们的分布的信息。典型地，所述介电常数分布被呈现为所述目标域的图像。比较数学模型和准备所述目标域介电常数的估计重构的该一般性过程一般被称作电容层析成像ECT。

在执行如上所述的ECT过程中，关注电气量的测量可以与实际分析分开执行，实际分析即反演问题计算和图像重构。换句话说，测量，即测量的结果可以仅被接收为这样的分析的一个步骤。这允许这样一种实施例，例如，在测量场所执行的测量的结果被电子地发送到执行实际分析的分析场所。另一方面，当然也可能并且处于本发明的范围中来一体执行测量和分析，例如，使用单个的分析系统，其包括带有接触元件的传感器、合适的测量器材、以及用于执行实际计算的计算机装置。

关注电气量可以为任何与一对接触元件组形成的电容器的电容成比例或依赖于该电容的电气量。接触元件和目标域之间的电容测量连接意指接触元件被这样连接到目标域，使得可以执行电容测量或者至少一些与由成对的接触元件组形成的电容器的电容成比例的特征电气量的测量。为了实施这些，例如，不应该有任何在接触元件和目标域之间形成等电位屏障的连续导电体。

电容或一些其他的电容依赖(“成比例”)电气量作为关注电气量意指该方法主要意图用于调查主要包括电绝缘材料的目标域。然而，如在本文中随后所论述的那样，在一些实施例中，也可以分析目标域中存在的物质的电导率特性。

“接触元件组”在这里意指一个或多个接触元件。因此，处于该方法观测下的电容器可以被形成在正好成对的两个接触元件之间，但是一个或两个这样的单个接触元件还可以由一组至少两个单独接触元件来替换。

包括在接触元件中的电极可以根据实施用于电容测量(特别是用于电容层析成像ECT的电容测量)的电极的已知原理来形成。例如，电极可以被形成为布置成环状组件的导电板，环状组件被安装在用作电极支撑体的金属或塑料管道部的管壁上。可替换地，电极可以例如形成为棒状支撑体上的孔环(annularring)。这些类型的传感器和它的电极结构的细节为本技术领域所公知。

电极装置的测量区意指影响电极之间的电容的面积和体积。导电背景体通过形成等电势面来限定该面积，电极处于该等电势面之后不会在电容测量中“看到”。换句话说，当在一对电极(或电极组)之间连接电压时，由此产生的电场没有延伸到导电背景体之后。因此，电极之间的电容并不依赖于导电背景体之后的(多种)材料。典型地，导电背景体是实质上大于电极的连续体。例如，在已知的管状几何形状的ECT传感器中，这样的背景体可以由形成传感器支撑体的导电管道形成，或者，在电绝缘管道作为支撑体的情形中，由围绕该绝缘管道的外部管状屏障形成。

根据本发明，用于测量关注电气量的多对接触元件组的接触元件，进一步包括导电背景体。换句话说，导电背景体形成在测量步骤中使用的其中一个接触元件，所述测量步骤对于多对接触元件组来测量与由一对接触元件组形成的电容器的电容成比例的关注电气量。因此，对于至少一对用于测量关注电气量的接触元件组，接触元件组中的一个包括该导电背景体。该导电背景体可以形成这样的接触元件组，其中该接触元件组单独形成或者与一个或多个电极一起形成。

因此，该方法的基本理念是使用导电背景体作为一个附加的“电极”，即，一个经由其做出测量的接触元件。该基本理念提供了超过现有技术的很大优点。首先，经由增多的可能测量的总体数量和这些使用了导电背景体的测量中的新的测量几何形状，作为附加接触元件的导电背景体提供了关于目标域的更多信息。此外，背景体的尺寸典型地远大于由其限定测量区的电极的尺寸。因此，其中有导电背景元件形成一个接触元件的一对接触元件组的电容大于仅由电极形成的成对接触元件组的电容。增大的电容提高了测量信号强度。这导致许多显著的改进。

首先，当信号水平提高时，测量对外部干扰和干涉的敏感度下降。自然地，改进的信号强度改善了信噪比。所有的这些效果意味着实现测量电子技术的简化实施，并且减少对高成本专用电子部件的需求。另一方面，在一些应用中有可能缩小实际电极的尺寸，从而改进确定目标域的介电常数的空间分辨率(spatialresolution)。进一步地，本发明的理念可以被实施在现有的测量系统中，仅需要很少的器件变动。这是因为导电背景材料存在于所有的现有技术传感器结构中。因此，仅仅需要的是提供一些连接器件来实现将导电背景材料用作其中一个接触元件。

关注电气量的实际测量可以根据为电容测量领域、特别是电容层析成像领域所公知的理念来执行。作为一个优选的替换，在测量关注电气量的步骤中，交流激发电压信号被施加到一个接触元件组，并且从另一个接触元件组测量响应电流信号。响应电流可以被例如用作关注电气量，或者它可以被用来计算实际电容。作为响应电流信号，可以测量例如电流的幅值和/或相位。交流激发电压信号可以具有例如为方形、三角形或锯齿形的波形。如果待测量的响应电流信号是该响应电流的相位，那么优选正弦激发电压信号。

在管状几何形状的传感器的情形中，导电背景体典型地也包括导电管状体。在现有技术的ECT传感器或测量探头中，这样的管状体通常被用来将影响电极对之间电容的测量区与环境隔离。换句话说，这样的体充当屏障，典型地在测量期间被保持在某个恒定电势，以阻止电极经由意图的测量区的外部“看到”彼此。这些电极可以被安装到(然而，与其电气绝缘)这样的导电背景体本身。这是ECT传感器中的情形，其中支撑体为导电管道段的形式。另一方面，电极可以被安装到电绝缘管状支撑体，在该情形中导电体被支撑，以便覆盖安装有电极的电绝缘管状体。换句话说，在该结构中，导电管状体在电绝缘管状体上形成附加的管状护套。

在上面描述的两种情形中，导电管状体可以进一步包括径向延伸的凸缘或分隔壁将邻近的电极彼此分开，使得它们在切线方向不会“看到”彼此。

另一方面，传感器和电极组件的管状几何形状仅为实施本发明的基本理念的一种可能形式。作为该管状结构的替代，导电背景体可包括导电棒。在这种情况下，该电极可以被安装在棒的表面(与其电气绝缘)，例如为一连串环绕该棒的臂部的环状电极。该类型的传感器结构适于调查筒状对称系统，其中用于介电常数分布的重构的待解决的三维反演问题，仅需要在两个方向被解决：沿着该棒的轴线的轴向，以及径向。

作为又一个例子，导电背景体可以包括导电板状体。在该类型的结构中，电极可以位于导电板状体的表面。该类型的结构可以被实施为例如作为该器皿壁的一部分被插入的传感器，该器皿的内容物被监控。

另外，在棒或板状体作为导电背景体的情形中，电极可以被安装到分开的电绝缘支撑体，使得导电背景体处于该绝缘支撑体之后。

一般地，在电绝缘支撑体的情形中，电极可以被安装在支撑体的表面上，或者可以部分地或整体地嵌入到它内部，使得他们可能不直接与支撑体和/或目标域的外部接触。

在上文中，本发明的方法已经被描述为仅聚焦于实际测量步骤。然而，执行更完整的调查方法也在本发明的范围之内，该更完整的调查方法进一步包括以下步骤：提供针对多对接触元件组确定关注电气量的目标域的数学模型；调整该数学模型，从而减小关注电气量的测量值和由该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介电常数。因此，本发明的该实施例包括完整的电容层析成像ECT过程。

一般地，上面限定的数学模型意指二维或三维目标域的物理材料性能和关注电气量之间的关系的数字表示。因此，如上所述，数学模型的一般目的是提供对关注电气量的值的估计，这些值由目标域中的材料性能确定。

影响电容的首要电气量自然是目标域中的介电常数。换句话说，电容以及与形成在接触元件组对之间的电容器的电容成比例的任何电气量，都取决于目标域中(多种)材料的介电常数。相反地，在实践中，数学模型优选地确定目标域中的介电常数。这也许仅可以被确定为一个代表值，但是更优选地，被确定为目标面积或体积中的介电常数分布。

在已经达到关注电气量的期望数量的测量之后，数学模型被调整，从而减小关注电气量的测量值和由该数学模型确定的值之间的差异。这意指比较关注电气量的测量值与由数学模型确定的对应仿真值，并且改变该数学模型的参数，使得仿真值与实际测量值更接近。

当关注电气量的测量值和仿真值之间达到足够的一致性时，将表示真实目标域的调整后模型用作用于确定目标域中的介电常数的基础。

例如，当数学模型确定目标域中的介电常数分布时，调整后的模型提供了能重构目标域中真实介电常数分布的信息。这样的介电常数分布和介电常数的变化可以进一步被用来例如确定目标域中不同材料和/或不同相(phase)的存在。在现有技术中，利用ECT的典型例子是对多相流成像，其中产生示出材料流中不同相的面积或体积的图像。作为另一个例子，在本发明一个具体应用中，介电常数信息可以被用来监控形成在管道表面的固体水垢沉积物的存在，该管道用于引导可流动材料通过该管道。作为又一个例子，确定的介电常数可以被用来评估流过或储存在目标域中的粉状材料中存在的湿气。

在实践中，关注电气量的测量值和对应仿真值的比较以及材料参数的变化，通常称之为反演问题或反演计算。解决反演问题典型地基于相当复杂的计算算法，至少部分自动地借助于安装在合适的处理器中的合适计算程序来执行该计算算法。若干适于本发明的不同算法在本技术领域是公知的。由于这些算法不是本发明的核心，因此在本说明书中没有详细对它们进行论述。

根据器件方面，本发明的理念还可以被实施为用于调查目标域内的介电常数的装置，该装置包括用于针对多对接触元件组测量与由一对接触元件组形成的电容器的电容成比例的关注电气量的传感器，所述接触元件组的接触元件被布置为与目标域成电容测量连接；该传感器包括导电背景体和多个电极，这些电极被支撑得在使用时位于目标域和限定了电极电容测量区的导电背景体之间，所述电极被配置来充当接触元件。

传感器及其例如电极等细节，可以基本根据电容测量领域特别是电容层析成像ECT领域的公知理念来配置。

根据本发明，除了电极，导电背景体也被配置来充当其中一个接触元件。换句话说，根据本发明的装置允许通过使用作为形成电容器的成对接触元件组中的一个接触元件的导电背景体来测量关注电气量。如上所述，在本发明的方法方面中，由于导电背景体与电极相比的大尺寸，这通过增强信号水平提供了大优点。

被配置来充当接触元件首先需要导电背景体与目标域成电容测量连接。因此，应该没有任何连续的导电体或表面位于导电背景体和目标域之间。另外，导电背景体的结构必须允许将合适的测量器材联接到导电背景体，使得电信号可以被提供给它或从它接收。例如，可存在连接器装置被附接到导电背景体用于联接送到/来自它的电信号。这样的连接器装置可以包括，例如，一个或多个标准或专门设计的电缆连接器，用于将测量电缆连接到导电背景体。此外，在一些情形中，还有导电背景体的整体形状和尺寸也可以被专门设计用于优化使用导电背景体作为其中一个接触元件的关注电气量的测量。例如，导电背景体可以包括在电极之间延伸的突出物来充当子屏障，阻止相邻的电极直接地仅经由目标域“看到”彼此。

所有在上面提及和解释的在方法方面中的本发明的优点、细节和优选特征加上必要的变更同样能应用到根据本发明的装置中。因此，这些问题将不在这里重复，只是将一些优选的实施例简短地总结如下。

关于将被执行的一个实际类型的测量，在一个优选选项中，传感器被配置来允许将交流激发电压信号供应给一个接触元件组，并且测量来自另一个接触元件组的响应电流信号。

导电背景体可以包括导电管状体。这是优选的选择，例如，对于将被监控的目标域包括工艺管道内部和传感器将被组装为工艺管道的一部分的应用而言。电极可以被直接安装(然而，与其电绝缘)到导电管状体，其还形成传感器的一般支撑体。这是用于工艺管道由金属形成的应用的实践方案。然后导电背景体优选为由相同的金属形成来确保传感器的位置处和管线其他位置处的管道内部条件相同。

可替换地，电极可以被安装到电绝缘管状支撑体，导电管状体被支撑以便覆盖绝缘管状支撑体。因此在该方法中，具有两个叠加的管状体，电绝缘管状体是更靠内的那个。该方法适于工艺管道由电绝缘材料形成的应用，其中电绝缘管状支撑体优选由相同的电绝缘材料形成。

作为通常为管状的几何形状的替代，导电背景体还可以包括导电棒或导电板状体。

不管导电背景体的基本几何形状和结构如何，传感器优选被配置为使得当被组装为工艺设备的一部分(例如在管状传感器的情形中作为工艺管线的一部分)时，该导体背景体与实际工艺设备电绝缘。这降低了干扰信号对测量的耦合。

在上面，根据本发明的装置仅经由传感器的性能限定。本发明的设备方面还可以被实施为更完整的测量系统，该系统被实施为装置，该装置包括：除了这样的传感器之外，还有至少一个存储器、以及与所述至少一个存储器联接的至少一个处理器；其中所述至少一个存储器包括程序代码指令，当其由至少一个处理器执行时，使得该装置来执行如下步骤：提供针对多对接触元件组确定关注电气量的目标域数学模型；调整该数学模型，从而减小关注电气量的测量值和由该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介电常数的分布。

存储器、处理器以及程序代码可以基本根据电数据处理技术领域、特别根据电容层析成像ECT领域的理念配置。例如，至少一个存储器和至少一个处理器可以被实施成一个或多个计算机的形式，其中合适的计算机程序代码被安装用于执行所述的方法步骤。除了传感器以及至少一个存储器和处理器之外，所述装置还可包括例如执行实际测量所需的任何元件。自然，这样完整的测量系统还可包括用于将系统的不同部件连接在一起的任何有线或其他连接装置，以便例如能够通过所述至少存储器接收测量结果，以及另一方面能够通过所述一个或多个计算机控制测量元件。

附图说明

以下将参考附图来描述本发明，在附图中：

图1示出具有带有电极布置的电绝缘支撑体的传感器示意性截面图；

图2示出具有带有电极布置的导电支撑体的传感器示意性截面图；

图3是示出用于调查目标域中介电常数的方法的流程图；

图4示出另一类型传感器的示意性侧视图；

图5示出又一类型传感器；

图6示出传感器结构的细节视图；

图7示出传感器结构的三维视图；

图8示出用于确定目标域中介电常数的完整系统的示例；

图9示出由本发明提供的灵敏度改进的示例。

具体实施方式

图1的传感器10包括形成支撑体的电绝缘管道1的截面，八个电极2被附接在支撑体的外表面，用于执行目标域3中的一个或多个电容依赖电气量的测量，目标域3包括工艺管道1的内部体积和管道壁。因此，在图1的示例中，目标域3的边界与管道1的外表面以及其上电极2的内表面一致。可替换地，电极可以至少部分地嵌入管道壁中。

电绝缘管道1由筒状(管状)金属鞘5围绕，包括从该鞘径向延伸到管道1的外表面的凸缘6。金属鞘5充当屏障来将电极和目标域的系统与其环境隔开。进一步地，在电极之间延伸的凸缘6阻止了相邻电极经由电绝缘管道的外部彼此“看到”。由此，电极的测量区被限定为电绝缘管道1和它的内部体积。此外，凸缘5在它们位于管道1的外表面上的端部具有横向延伸部。

图1示出传感器被安装为工艺管道一部分的情况。管道1的内部体积被流过该管道的液体工艺材料4填充。固体外部物质7的集群沿着液体流漂流。通过确定目标域中的介电常数，能够针对目标域中出现的材料得出结论，并且因此确定目标域中出现不同的材料4、7。在另一个示例应用中，所述介电常数信息能够用来确定目标域中材料的湿度。这样的材料可以例如为粉末的形式，一个具体的例子为奶粉。

用于调查目标域中的介电常数的传感器和测量设置的可替换示例在图2中示出。作为与图1比较的基本差异，图2的传感器20包括导电管道11的截面，导电管道11例如由某些金属形成。从测量电容依赖电气量值的角度来看，导电管道需要电极12直接接触管道内部体积。在这种情况下，其中待进行测量的目标域13由电极和导电管道内表面18本身限定。此外，由于管道11的导电材料，每个电极借助位于电极和管道壁之间的薄电绝缘层15电绝缘。电极12可以位于形成在管道内表面的空腔中，使得在电极之间，管道壁形成分隔相邻电极的分隔壁16，从而在电容测量中，相邻电极彼此不能直接“看到”，而仅能经由管道内部体积“看到”。

另外在图2中示出的情况下，固体外部物质17的集群沿着在管道内部体积流动的液体工艺材料14漂流。

图1和2中，分别有八个和十个电极被安装在管道上。然而，这些仅为举例，而并不是将本发明的应用限制到任何数量的电极适于被配置来允许测量电极之间的电容或其他电容依赖电气量。此外，图1和2示出工艺管道和仅有一个电极环的横截面视图，因此涉及二维目标域。然而，通过将电极布置成沿着工艺管道轴向的数个环或层，则能够测量和监控三维目标域。

为了执行实际测量，图1传感器中的金属鞘5及其凸缘6，以及图2传感器中的金属管道11被联接到充当激发信号的交流电压V_AC。为此，可以有附接到金属鞘5和金属管道11的任何合适的连接器(没有在图1和2中示出)。进而，每个电极2、12经由电流测量电路(在图2中，为了画面的清楚起见，其仅针对一个电极示出)被连接到参考DC电压V_DC。该测量连接允许经由电流测量间接地测量由成对的导电金属鞘5或金属管道11以及电极2、12形成的电容器的电容。换句话说，当激发电压信号已知时，每个电容器的电容可以通过测量的响应电流信号I_AC计算。

尽管为了使得画面清晰没有在图1和2中示出，但是优选具有附加的导电屏障放置于电极2、12和金属鞘5(图1)或金属管道11(图2)之间。这样的导电屏障形成电极和金属鞘或金属管道之间的等电位面，并且阻止电极和鞘/管道经由它们之间的区域彼此直接“看到”。这样的附加屏障的理念，可应用到根据本发明的任何传感器配置，如图6中所示。

作为对电容器的实际电容的替代，在某些应用中确定其他一些与电容成比例的关注电气量可能是足够的，例如，仅为响应电流信号I_AC的幅值或相位。

电容，或者其他一些与电容成比例的关注电气量，自然地依赖目标域中的介电常数分布。因此，电容测量提供了关于该介电常数分布的信息，进而，如上所述，这可以被用来得出关于目标域中材料情况的结论。

在实践中，材料的介电常数一般为复数赋值量，因此具有实部和虚部。当在AC条件下观测时，材料的复数介电常数影响响应电流的幅值和相位。仅测量电流的幅值则仅给出与介电常数的实部有关的信息，而相位信息将测量关联到介电常数的复数部分。另一方面，复数介电常数意味着电容也是复数量。作为关注问题，如果供应的和测量的信号的相位和幅值信息都被考虑，那么也能够估计目标域内的电导率分布。当要测量相位信息时，优选使用正弦供电电压。

除了通过使用金属鞘5或金属管道11作为激发接触元件和使用电极2作为响应接触元件对关注电气量进行测量之外，还可以分别对于使用每个电极作为激发接触元件反复执行测量。作为一般的规则，如果在测量系统中有N个接触元件(导电背景体加上N-1个电极)，就能够确定出N*(N-1)/2个独立的电容值。

另一方面，在图1和2示出的情况下，电流测量仅对成对的导电背景体和单个的电极执行。可替换地，测量可以对成对的接触元件组执行，其中只要激发接触元件组和响应接触元件组中的至少一个包括若干接触元件。例如，可以对于形成在该背景体和一组若干电极之间的电容来执行测量。

在下文中，参考图3的流程图来阐述通过电容层析成像ECT调查目标域中介电常数的完整过程的示例，还包括计算步骤。

首先，使用包括多个电极和导电背景体的接触元件来测量与目标域成测量连接的成组接触元件之间的电容，其中所述多个电极被支撑在目标域和导电背景体之间，所述导电背景体限定了电极的电容测量区。因此，在至少一个测量中，导电背景体被用来作为形成接触元件组的其中一个接触元件。测量可以例如根据上面参考图1和2描述的原理来执行。可替换地，可以使用任何其他已知的适于提供用于ECT过程的测量的测量布置。

作为ECT过程的重要步骤，目标域的数学模型被提供并存储在例如计算机的存储器中。数学模型被建构为包括足够的信息来确定不同电极对或成对的电极组之间的电容或其他电容依赖电气量。这样的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。在实践中，该模型为物理目标域的数字表示，该模型包括与目标域内材料性能相关的足够信息，使得能够基于这些信息来确定对选择的将通过电极测量的特征电气量值的估计。数字模型被划分为多个离散节点或单元，每个离散节点或单元表示目标域内的特定位置。

当得到所需数量的测量和数学模型时，将由该数学模型确定的电容或其他电容依赖电气量值与测量结果比较，并且该模型，即它的参数被调整使得模型值和测量值之间的差异减小。目的是找到目标域内的介电常数分布，使得对于该目标域数字模型输出与测量值接近一致。在该比较和调整中，可以使用ECT和反演数学领域所公知的原理和算法。例如，当产生完全的目标域内介电常数分布的重构时，图像重构算法一般可以为非迭代和迭代算法。在第一算法组中，一个简单快速的算法是线性反投影(LinearBack-Projection,LBP)算法。在LBP方法中，可以将电容与介电常数分布之间的关系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)，并且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。更进一步的信息可以例如在Almashary等人的“使用FPGA的用于电容层析成像的线性反投影算法的实现”，第四次世界工业工艺层析成像大会，会津，日本2005(“Realizationoflinearback-projectionalgorithmforcapacitancetomographyusingFPGA”byAlmasharyetal,4thWorldCongressonIndustrialProcessTomography,Aizu,Japan2005)中发现。

数学模型的实际调整可以基于贝叶斯反演方法(Bayesianinversionapproach)，其中针对由于几何形状上的变化造成的影响来构建统计学模型。在下文中，其被更详细地论述。

一般地，ECT图像重构的关键步骤包括构建待检查系统的可行数字模型。该模型给出介电常数分布与电极结构的互感电容之间的关系。借助这个模型，目的是确定对介电常数分布的估计，使得模型电容接近测量值。在贝叶斯反演方法中，将介电常数分布和观测的数据建模为随机变量，并且目的是确定受测量值制约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，使得会存在唯一解；因此，对于ε(x)，有必要使用合适的先验密度。

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制约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(MarkovChainMonteCarlo)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介电常数。

在一些应用中，能通过利用对称的优点来降低ECT过程的计算成本。图4示出传感器30，其包括形成支撑体的导电棒31，以及电极结构，其中多个环状电极32被安装在棒状支撑体的表面38上。由环状电极产生的电势场为筒状对称。因此，用于建模目标域的有限元法(FiniteElementMethod,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。另外，在该示例中，形成限制电极32电容测量区的导电背景体的导电棒被配置为在测量中用作一个接触电极。在一些应用中，可以要求该棒和其上的电极与实际的工艺环境隔离而不直接接触。该隔离可以例如通过在该棒和其上的电极上放置电绝缘罩实现。

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5中示出的传感器40中的情形一样。图5的示例性传感器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。传感器的背部包括用于将电极42和板状体41分别连接到合适的测量设备的第一连接器46和第二连接器47，这些测量设备用作用于电容测量的接触元件。在图5的示例中，存在具有不同尺寸的电极42。

板状体48的表面48的形状是弯曲的以便与圆柱形器皿壁的内表面符合。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5示出的弯曲形状外的其他一些非平面形状。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6示出形成传感器50的支撑体的一部分导电背景体51。电极52被安装在导电背景体中形成的凹处。除了电绝缘层55，还有位于电极52和导电背景体51之间的附加导电屏障56。附加的屏障被连接到第二DC电压V_DC2，并且第二DC电压V_DC2可以与连接到电极52的第一DC电压V_DC1相同。因此，从电容测量这一点来说，附加的屏障在电极和导电背景体之间形成等电位面。附加的屏障的目的是阻止测量信号经由导电背景体51和电极52之间的区域直接耦合。这样的附加导电屏障的基本原理可应用于任何几何形状的传感器。例如，优选使用图1、图2、图4、图5和下面的图7中的每一个传感器。

图7示出充当用于传感器60的支撑体的绝缘管道段61，其中多个电极62已经被安装到管道的外部表面上的环状组件。电极62为在管道纵向轴线方向延伸的纵向矩形结构。传感器进一步包括环绕管道和其上的电极组件的金属鞘体65。该金属鞘体具有厚度d，被安装在绝缘管道外表面。它包括用于电极62的凹部68，类似于在图2和6中示出的结构。因此，在电极之间，鞘体包括延伸到该电极的前表面的水平面上的突出部66，类似于在图2中示出的传感器，从而形成阻止在电容测量中相邻电极彼此直接“看到”的分隔壁。位于电极之后的金属鞘体限定电极的测量区，使得电极不能“看到”电极后面。在管道的纵向方向，金属鞘自电极组件起连续一定距离，以便也在该纵向上限定电极的测量区域。自然地，尽管没有在图7的画面中示出，但是金属鞘65必须与电极电绝缘。此外，根据图6的例子，电极和鞘优选为进一步通过放置在它们之间的附加的屏障彼此隔离。

尽管图6示出优选的传感器结构，但是对本发明的基本原理而言，并没有绝对必要直接在绝缘管道的外表面上具有分隔壁和/或鞘。类似于图1，鞘可以与绝缘管道成一距离，并且甚至被配置为平滑结构而没有任何用于形成间隔壁的突出部/凸缘。然而，在这样的情形中，待建模的目标域比上述的传感器设计大，并且此外，测量的电气量中主要的关注区域(即，管道的内部)的贡献可能显著地低于上述的传感器设计。

尽管在图1、图2、图4、图6和图7中，测量布置被示出为其中电压激发信号被供应给传感器的导电背景体(导电鞘、管道、棒、板等)并且响应电流信号经由电极被测量，但是应该清楚本发明的原理不应仅受限于这样的具体情形。相反，导电背景体和电极可以在任何布置和组合中被用作测量的接触元件。此外，信号不限于那些激发电压和响应电流信号。根据本发明仅有的必要要求是导电背景体也被用作经由其进行测量的一个接触元件。

图8示意性示出系统70，通过系统70，如上所述的ECT过程可以被执行。在系统的工作核心中，有计算机71，其包括适当数量的存储电路和处理器用于执行数学模型的存储并执行方法的计算步骤。该系统进一步包括测量电子单元72和传感器73，传感器73包括环状支撑体和多个电极。支撑体和电极可以被配置为例如根据在图2中示出的那样。测量电子单元被连接到计算机，使得测量电子单元可以被计算机控制，并且测量结果可以被发送到计算机并由计算机接收用于进一步的处理。计算机包括程序代码，其被配置为控制计算机来执行如上所述的方法的步骤。作为由该系统执行的该方法的结果，基于处于传感器73的环状支撑体内部的目标域内重构的介电常数分布产生目标域的图像74。该图像示出不同材料的域和它们之间的界面。

图9示出在管道传感器的情形中灵敏度分析的结果。直径为10cm的金属管道被用作基本的几何形状，并且类似于图2，八个电极被安装到导电管道壁。电极与管道绝缘并且在图6中示出的附加屏障被用在管道和电极之间。在仿真中，激发电压被供应给其中一个接触元件，并且响应电流在其他每个接触元件中被测量。这被反复执行直到每个接触元件都已经被用作供电的那个。灵敏度描述了观测的信号由于某个位置的介电常数分布的单位变化而变化了多少。对于其中仅有电极被用于激发和测量的传统测量情形以及对于还有管道壁被用于激发和电流测量的情形来分析灵敏度。曲线图(a)表示对于仅有电极被用作接触元件的传统方法的平均灵敏度(任意单位的灵敏度的3D等值线图)。曲线图(b)示出当管道壁也被用作其中一个接触元件时的结果灵敏度分布。曲线图(a)和(b)清楚地示出当测量中导电背景体也被用作其中一个接触元件时该分析的改进灵敏度。

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实施成各种方式。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 (16)

1.一种用于调查目标域(13)内的介电常数的方法，所述方法包括对于多对接触元件组测量与由一对接触元件组形成的电容器的电容成比例的关注电气量的步骤，所述接触元件组的接触元件被布置为与所述目标域成电容测量连接；

所述接触元件包括被支撑在所述目标域(13)和导电背景体(11)之间的多个电极(12)，所述导电背景体(11)限定所述电极的电容测量区；

其特征在于，所述接触元件进一步包括所述导电背景体(11)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在测量所述关注电气量的步骤中，交流激发电压信号(V_AC)被供应给一个接触元件组，并且响应电流信号(I_AC)从另一个接触元件组被测量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述导电背景体包括导电管状体(5，11)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述电极(12)被安装到所述导电管状体(5，11)。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述电极(2)被安装到电绝缘管状支撑体(1)，所述导电管状体(5)被支撑以便覆盖所述电绝缘管状支撑体。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述导电背景体包括导电棒(31)。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述导电背景体包括导电板状体(41)。

8.根据权利要求1至7任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步骤：

-提供所述目标域的数学模型，所述数学模型针对多对接触元件组来确定所述关注电气量；

-调整所述数学模型以减小所述关注电气量的测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介电常数。

9.一种用于调查目标域(13)内的介电常数的装置，该装置包括传感器(20)，用于针对多对接触元件组测量与由一对接触元件组形成的电容器的电容成比例的关注电气量，所述接触元件组的接触元件被布置为与所述目标域成电容测量连接；

所述传感器包括导电背景体(11)和多个电极，所述多个电极被支撑以在使用中位于所述目标域(13)和所述导电背景体之间，所述导电背景体限定所述电极的电容测量区，所述电极被配置来用作所述接触元件；

其特征在于，所述导电背景体(11)被配置来用作所述接触元件其中之一。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述传感器(20)被配置为允许供应交流激发电压信号(V_AC)给一个接触元件组，并且从另一个接触元件组测量响应电流信号(I_AC)。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其中所述导电背景体包括导电管状体(5，11)。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述电极(12)被安装到所述导电管状背景体。

13.根据权利要求11所述的装置，其中所述电极(2)被安装到电绝缘管状支撑体(1)，所述导电管状体(5)被支撑以覆盖所述电绝缘管状支撑体。

14.根据权利要求9或10所述的装置，其中所述导电背景体包括导电棒(31)。

15.根据权利要求9或10所述的装置，其中所述导电背景体包括导电板状体(41)。

16.根据权利要求9至15任一项所述的装置(70)，该装置进一步包括至少一个存储器(71)，以及与所述至少一个存储器联接的至少一个处理器(71)；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被所述至少一个处理器执行时，使得所述装置执行以下步骤：

-提供所述目标域的数学模型，所述数学模型针对多对接触元件组来确定所述关注电气量；

-调整所述数学模型以减小所述关注电气量的测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介电常数。