DE102017011176B4 - Capacitive tomography device and capacitive tomography method - Google Patents

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    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/226—Construction of measuring vessels; Electrodes therefor

Abstract

Kapazitives Tomographiegerät, mit einer Kondensatoranordnung (2), welche zwei Kondensatorplatten (3,4) umfasst, zwischen welchen ein Untersuchungsvolumen gebildet ist, wobei jede Kondensatorplatte (3,4) genau eine Öffnung (9,10) aufweist und eine durch die Mittelpunkte (MP) der beiden Öffnungen (9,10) gelegte Gerade mit Flächennormalen (FN) der beiden Kondensatorplatten (3,4) jeweils einen Winkel von maximal 10° einschließt.Capacitive tomography device, with a capacitor arrangement (2), which comprises two capacitor plates (3,4), between which an examination volume is formed, each capacitor plate (3,4) having exactly one opening (9,10) and one through the center points ( MP) of the two openings (9,10) line with surface normals (FN) of the two capacitor plates (3,4) each encloses an angle of maximum 10 °.

Description

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Tomographiegerät sowie ein mit einem solchen Tomographiegerät durchführbares Verfahren.The invention relates to a capacitive tomography device and a method that can be carried out with such a tomography device.

Als Tomographieverfahren werden bildgebende Verfahren bezeichnet, mit welchen Schnittbilder dreidimensionaler Gegenstände erstellt werden können. Beispiele sind die Computertomographie, welche mit Röntgenstrahlung arbeitet, sowie die Magnetresonanztomographie.Imaging methods are referred to as tomography methods, with which sectional images of three-dimensional objects can be created. Examples are computed tomography, which works with X-rays, and magnetic resonance imaging.

Grundsätzlich ist auch die tomographische Bildgebung auf Basis von Kapazitätsmessungen bekannt. Zum technischen Hintergrund wird in diesem Zusammenhang auf folgende Veröffentlichung hingewiesen:

  • HU, Xiaohui ; YANG, Wuquiang: Planar capacitive sensors - designs and applications. In: Sensor Review. 2010, Bd. 30, H. 1, S. 24-39. ISSN 0260-2288 (P); 0260-2288; 1758-6828 (E).
In principle, tomographic imaging based on capacitance measurements is also known. For the technical background, reference is made to the following publication in this context:
  • HU, Xiaohui ; YANG, Wuquiang: Planar capacitive sensors - designs and applications. In: Sensor Review. 2010, Vol. 30, H. 1, pp. 24-39. ISSN 0260-2288 (P); 0260-2288; 1758-6828 (S).

In dieser Publikation werden diverse Geometrien planarer kapazitiver Sensoren erörtert, hierunter auch Sensoren, welche im Ein-Elektroden-Modus betrieben werden. Unter anderem wird auf Sensor-Anordnungen mit rechteckiger Grundform sowie in Form konzentrischer Ringe eingegangen. Kapazitive Sensoren sollen unter anderem in der Lage sein, bei Sicherheitskontrollen Gegenstände zu detektieren, welche in Schuhsohlen versteckt sind.Various geometries of planar capacitive sensors are discussed in this publication, including sensors that operate in single-electrode mode. Among other things, sensor arrangements with a rectangular basic shape and in the form of concentric rings are discussed. Among other things, capacitive sensors should be able to detect objects hidden in shoe soles during security checks.

Ein weiteres kapazitives Tomographiesystem ist in folgender, der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Ilmenau am 31.05.2013 vorgelegten Dissertation beschrieben: Another capacitive tomography system is described in the following dissertation submitted to the Faculty of Electrical Engineering and Information Technology at the Technical University of Ilmenau on May 31, 2013:

GEBHARDT, Stefan: Entwurf und Realisierung eines kapazitiven Tomographie-Systems nach dem Dreielektroden-Messprinzip. Ilmenau: Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Ilmenau, 2014. Dissertation. S. 1-170.GEBHARDT, Stefan: Design and realization of a capacitive tomography system based on the three-electrode measuring principle. Ilmenau: Faculty of Electrical Engineering and Information Technology at the TU Ilmenau, 2014. Dissertation. pp. 1-170.

Als mögliche Anwendungsgebiete eines solchen Tomographie-Systems sind Messungen von strömenden Flüssigkeiten oder Feststoffen in Rohrleitungen genannt. Ein Vorteil sei in der hohen Messrate, Nachteile jedoch in der geringen Auflösung gegeben. Als üblich werden in der Dissertation Messanordnungen mit 6, 8, 12, oder 16 Messelektroden bezeichnet.Measurements of flowing liquids or solids in pipelines are mentioned as possible areas of application for such a tomography system. One advantage is the high measuring rate, but the disadvantage is the low resolution. Measuring arrangements with 6, 8, 12 or 16 measuring electrodes are described as usual in the dissertation.

Die WO 2014 / 030 054 A2 offenbart ein spektroskopisches Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Testobjekten mittels Messung des frequenzabhängigen Wechselstromwiderstandes der zu charakterisierenden Materialien, wie Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase. Bei einem solchen Verfahren fließen Ströme durch das Testobjekt, welche unter anderem kapazitiv über Elektroden eingespeist werden können. Hierbei werden für die Elektrische Impedanz-Spektroskopie (EIS) 2- bzw. 4-Elektroden-Verfahren und für die Elektrische Impedanz-Tomographie (EIT) Mehrelektroden-Verfahren als bekannt vorausgesetzt. Im Rahmen des in der WO 2014 / 030 054 A2 vorgeschlagenen Verfahrens können beispielsweise Elektroden verwendet werden, welche als Klebe- oder Nadelelektroden sowie mit Mikronadeln besetzte Flächen oder als Stab-, Zylinder-, Kugel-, Halbkugel-, oder Plattenelektroden ausgeführt sind. Auch Elektroden in sog. Interdigitalstruktur werden für eine spezielle Anwendung, nämlich Zellanalyse, empfohlen. Die fingerartig ineinander greifenden Elektroden befinden sich bei dieser Anwendung am Boden eines Gefäßes. Zur räumichen Auflösung soll eine Mehr-Elektroden-Konfiguration mit vier Elektroden am Rand eines Gefäßes geeignet sein. Bei diversen Elektrodenausführungen sind Elektroden an der Außen- oder Innenwand eines Gefäßes angebracht. Das Verfahren nach der WO 2014 / 030 054 A2 soll mit optischen und akustischen Amalysemethoden, wie Mikroskopie, IR-Spektroskopie und Ultraschall-Analyse kombinierbar sein.the WO 2014 / 030 054 A2 discloses a spectroscopic method and a device for determining the electrical properties of test objects by measuring the frequency-dependent AC resistance of the materials to be characterized, such as solids, liquids or gases. With such a method, currents flow through the test object, which currents can be fed in capacitively via electrodes, among other things. It is assumed that 2-electrode or 4-electrode methods are known for electrical impedance spectroscopy (EIS) and multi-electrode methods for electrical impedance tomography (EIT). As part of the in the WO 2014 / 030 054 A2 In the proposed method, electrodes can be used, for example, which are designed as adhesive or needle electrodes as well as surfaces covered with microneedles or as rod, cylinder, spherical, hemispherical, or plate electrodes. Electrodes with a so-called interdigital structure are also recommended for a special application, namely cell analysis. In this application, the electrodes, which interlock like fingers, are located at the bottom of a vessel. A multi-electrode configuration with four electrodes at the edge of a vessel should be suitable for spatial resolution. In various electrode designs, electrodes are attached to the outer or inner wall of a vessel. The procedure after WO 2014 / 030 054 A2 should be combinable with optical and acoustic amalysis methods such as microscopy, IR spectroscopy and ultrasonic analysis.

Die DE 43 32 257 A1 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen tomographischer Bilder mit Hilfe von Impedanzmessungen, bei welchem mit zwei verschiedenen Frequenzen Frequenz-differente Bilder eines Zustands erzeugt werden. An einem Messobjekt sind bei diesem Verfahren beispielsweise 16 Oberflächen-Elektroden angebracht, welche sich auf einem sogenannten „Elektrodengürtel“ befinden können. Als mögliche Anordnungen von Elektroden sind in der DE 43 32 257 A1 explizit auch benachbarte oder gegenüberliegende Elektroden genannt.the DE 43 32 257 A1 discloses a method for generating tomographic images using impedance measurements, in which frequency-different images of a state are generated with two different frequencies. In this method, for example, 16 surface electrodes are attached to a measurement object, which can be located on a so-called "electrode belt". As possible arrangements of electrodes are in the DE 43 32 257 A1 explicitly also called adjacent or opposite electrodes.

Kapazitive Messvorrichtungen, welche durch Kanäle oder Leitungen strömendes, festes oder flüssiges Gut erkennen sollen, sind zum Beispiel in den Dokumenten DE 44 42 711 A1 und DE 10 2016 109 102 B3 offenbart.Capacitive measuring devices, which are intended to detect solid or liquid material flowing through channels or lines, are in the documents, for example DE 44 42 711 A1 and DE 10 2016 109 102 B3 disclosed.

Die grundsätzliche Möglichkeit einer elektrischen Tomographie unter Verwendung mehrerer Elektroden ist zum Beispiel in der DE 10 2009 035 156 B4 erwähnt. Konkret wird die Verwendung eines kapazitiven Sensorsystems zur Messung eines Abstands oder zur Erfassung der Position eines Objektes vorgeschlagen.The basic possibility of electrical tomography using multiple electrodes is, for example, in DE 10 2009 035 156 B4 mentioned. Specifically, the use of a capacitive sensor system for measuring a distance or for detecting the position of an object is proposed.

Ein in der DE 20 2016 102 629 U1 beschriebener kapazitiver Sensor ist zur Bestimmung der Permittivitätsverteilung in einem Objekt vorgesehen. Mit diesem Sensor soll es möglich sein, das Verhältnis von Gas- zu Wasseranteil in einer Rohrleitung zu bestimmen.An Indian DE 20 2016 102 629 U1 The capacitive sensor described is intended for determining the permittivity distribution in an object. With this sensor it should be possible to behave to determine the proportion of gas to water in a pipeline.

Ein der EP 2 784 494 A1 offenbartes System soll die Erkennung und/oder Volumenbestimmung von Körpern oder Stoffen aus dielektrischem und/oder leitfähigem Material innerhalb einer Messzelle ermöglichen. Hierbei können sich Gegenstände innerhalb der Messzelle auf einem Förderband befinden.one of the EP 2 784 494 A1 disclosed system is intended to enable the detection and / or volume determination of bodies or substances made of dielectric and / or conductive material within a measuring cell. Objects can be located inside the measuring cell on a conveyor belt.

Ein Verfahren zum kapazitiven und ortsaufgelösten Detektieren einer Annäherung eines Objektes an einen Sensor ist zum Beispiel in der EP 3 166 228 A1 beschrieben.A method for capacitive and spatially resolved detection of an approach of an object to a sensor is, for example, in EP 3 166 228 A1 described.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickeltes kapazitives Tomographie-System anzugeben, welches sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen erreichbarer Auflösung, apparativem Aufwand und Handhabbarkeit auszeichnet.The invention is based on the object of specifying a capacitive tomography system which has been developed further than the prior art and which is characterized by a particularly favorable relationship between achievable resolution, outlay in terms of equipment and ease of handling.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein kapazitives Tomographiegerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Tomographieverfahren gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Tomographiegerät, und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a capacitive tomography device having the features of claim 1. The object is also achieved by a tomography method according to claim 7 the tomography device, and vice versa.

Das kapazitive Tomographiegerät arbeitet mit einer Kondensatoranordnung, welche zwei relativ zueinander unbewegliche Kondensatorplatten umfasst, zwischen denen ein Untersuchungsvolumen gebildet ist, wobei jede Kondensatorplatte genau eine Öffnung aufweist und eine durch die Mittelpunkte der beiden Öffnungen gelegte Gerade mit Flächennormalen der beiden Kondensatorplatten jeweils einen Winkel von maximal 10 Grad einschließt.The capacitive tomography device works with a capacitor arrangement which comprises two capacitor plates which are immovable relative to one another and between which an examination volume is formed, each capacitor plate having exactly one opening and a straight line drawn through the centers of the two openings with surface normals of the two capacitor plates each having an angle of maximum includes 10 degrees.

Die beiden Kondensatorplatten sind somit zumindest annähernd parallel zueinander angeordnet. In bevorzugter Ausgestaltung liegen die beiden Kondensatorplatten in zueinander parallelen Ebenen, wobei eine Gerade, welche durch die Mittelpunkte der beiden Öffnungen gelegt ist, eine Flächennormale jeder Kondensatorplatte darstellt.The two capacitor plates are thus arranged at least approximately parallel to one another. In a preferred embodiment, the two capacitor plates lie in mutually parallel planes, with a straight line which is drawn through the centers of the two openings representing a surface normal of each capacitor plate.

Vorzugsweise entspricht die Form der ersten Kondensatorplatte der Form der zweiten Kondensatorplatte. Auch die Öffnungen in den Kondensatorplatten sind vorzugsweise übereinstimmend konturiert. Die Öffnungen können beispielsweise jeweils kreisrund oder rechteckig, insbesondere quadratisch, sein.The shape of the first capacitor plate preferably corresponds to the shape of the second capacitor plate. The openings in the capacitor plates are also preferably contoured to match. The openings can, for example, each be circular or rectangular, in particular square.

Das kapazitive Tomographiegerät eignet sich sowohl zur Untersuchung eines lebenden Organismus als auch zur Untersuchung von Materialproben. In jedem Fall wird ein Untersuchungsobjekt derart relativ zu zwei jeweils genau eine Öffnung aufweisenden Kondensatorplatten zwischen den Kondensatorplatten bewegt, dass sich die Überlappung zwischen dem Untersuchungsobjekt und den in den Kondensatorplatten befindlichen Öffnungen - in Projektionsrichtung orthogonal zu den Kondensatorplatten betrachtet - ändert, wobei bei Zuständen verschiedener Überlappung Kapazitätsmessungen durchgeführt werden.The capacitive tomography device is suitable both for examining a living organism and for examining material samples. In any case, an examination object is moved relative to two capacitor plates, each of which has exactly one opening, between the capacitor plates in such a way that the overlap between the examination object and the openings in the capacitor plates - viewed in the projection direction orthogonally to the capacitor plates - changes, with states of different Overlap capacitance measurements are performed.

Die mit dem Tomographiegerät durchführbare Bildgebung beruht auf einer Messung der ortsabhängigen Permittivität des Untersuchungsvolumens einschließlich des Untersuchungsobjektes. Dies erfolgt strahlungslos und ohne das Anbringen von Elektroden am Untersuchungsobjekt. Die Beweglichkeit zwischen dem Untersuchungsobjekt und dem Tomographiegerät umfasst lineare sowie rotative Bewegungskomponenten. Wird das zu untersuchende Objekt in verschiedenen Ebenen und unter verschiedenen Winkeln komplett abgetastet, so ermöglichen an sich bekannte Verfahren der Rücktransformation, insbesondere auf Basis der Radon-Transformation, die Generierung von Schnittbildern des Untersuchungsobjektes.The imaging that can be carried out with the tomography device is based on a measurement of the location-dependent permittivity of the examination volume including the examination object. This is done without radiation and without attaching electrodes to the examination object. The mobility between the examination object and the tomography device includes linear and rotational movement components. If the object to be examined is scanned completely in different planes and at different angles, methods of inverse transformation known per se, in particular based on the Radon transformation, enable the generation of sectional images of the examination object.

Das Tomographiegerät ist in Relation zum Untersuchungsobjekt derart dimensioniert, dass eine Projektionsfläche des Untersuchungsobjektes komplett auf einer Kondensatorplatte liegen kann, wobei sich die Öffnung in der Kondensatorplatte außerhalb der genannten Projektionsfläche befindet. Es wird hierbei von einer Projektionsrichtung parallel zu der durch die Öffnungen in den Kondensatorplatten gelegten Gerade ausgegangen. Durch das zwischen den Kondensatorplatten, jedoch nicht zwischen den Öffnungen liegende Untersuchungsobjekt ist die Kapazität des Kondensators im Vergleich zum leeren Kondensator maximal erhöht. Wird das Untersuchungsobjekt in den Bereich zwischen den Öffnungen geschoben, so ergibt sich eine Verminderung der Kapazität, welche messtechnisch erfasst wird. In weiterentwickelten Varianten des Verfahrens kann diese Messung frequenzabhängig durchgeführt werden. Im einfachsten Fall erlaubt bereits der Anschluss der Kondensatorplatten an eine Gleichspannung eine Aussage über die Kapazität der Kondensatoranordnung.The tomography device is dimensioned in relation to the examination object in such a way that a projection surface of the examination object can lie completely on a capacitor plate, with the opening in the capacitor plate being located outside of said projection surface. A projection direction parallel to the straight line drawn through the openings in the capacitor plates is assumed here. Due to the examination object lying between the capacitor plates, but not between the openings, the capacitance of the capacitor is maximally increased in comparison to an empty capacitor. If the object to be examined is pushed into the area between the openings, there is a reduction in the capacitance, which is recorded by measurement. In further developed variants of the method, this measurement can be carried out as a function of frequency. In the simplest case, the connection of the capacitor plates to a DC voltage already allows a statement to be made about the capacitance of the capacitor arrangement.

Unabhängig vom Messverfahren wird mit Hilfe des Tomographiegerätes vorzugsweise ein Objekt untersucht, welches groß im Vergleich zu den Öffnungen in den Kondensatorplatten ist. Bevorzugt ist die geringste Projektionsfläche des Untersuchungsobjektes mindestens doppelt so groß wie die Fläche jeder Öffnung.Regardless of the measurement method, an object that is large compared to the openings in the capacitor plates is preferably examined with the aid of the tomography device. The smallest projection area of the examination object is preferably at least twice as large as the area of each opening.

Der minimale Abstand jeder Öffnung vom Rand der betreffenden Kondensatorplatte ist vorzugsweise größer als der maximale Durchmesser der Öffnung. Im Fall einer quadratischen Öffnung entspricht der maximale Durchmesser der Diagonalen des Quadrats. Die Fläche jeder Öffnung beträgt in bevorzugter Ausgestaltung weniger als 1 % der Fläche der Kondensatorplatte, in welcher sich die Öffnung befindet. Das Tomographie-Verfahren ist mit fest stehenden Kondensatorplatten und bewegtem Untersuchungsobjekt ebenso durchführbar wie mit stillstehendem Untersuchungsobjekt und insgesamt beweglichen Kondensatorplatten. In beiden Fällen können Relativbewegungen zwischen dem Untersuchungsobjekt und den Kondensatorplatten entweder kontinuierlich oder schrittweise vollzogen werden, wobei im letztgenannten Fall die Kapazitätsmessungen vorzugsweise ausschließlich in Stillstandsphasen durchgeführt werden.The minimum distance of each opening from the edge of the relevant capacitor plate is preferably greater than the maximum diameter of the opening. In the case of a square opening, the maximum diameter corresponds to the diagonal of the square. In a preferred embodiment, the area of each opening is less than 1% of the area of the capacitor plate in which the opening is located. The tomography method can be carried out with fixed capacitor plates and a moving examination object as well as with a stationary examination object and capacitor plates that are movable overall. In both cases, relative movements between the object under examination and the capacitor plates can be carried out either continuously or in steps, with the capacitance measurements preferably being carried out exclusively in standstill phases in the latter case.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

  • 1 ein kapazitives Tomographiegerät samt Untersuchungsobjekt in Draufsicht,
  • 2 die Anordnung nach 1 in perspektivischer Ansicht,
  • 3 in einem Diagramm eine mit der Anordnung nach 1 aufgenommene Messung.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. Show in it:
  • 1 a capacitive tomography device including the object to be examined in a top view,
  • 2 according to the arrangement 1 in perspective view,
  • 3 in a diagram one with the arrangement according to 1 recorded measurement.

Die 1 und 2 zeigen nicht maßstäblich ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes kapazitives Tomographiegerät, welches eine Kondensatoranordnung 2 und ein Messgerät 12 umfasst. Die Kondensatoranordnung 2 ist aus zwei zueinander parallelen Kondensatorplatten 3, 4 aufgebaut. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Kondensatorplatten 3, 4 um quadratische Aluminium-Platten mit einer Seitenlänge BK (Breite der Kondensatorplatten) von jeweils 10 cm. Der mit dK bezeichnete Abstand zwischen den Kondensatorplatten 3, 4 beträgt 16 mm. Auf einer Tragkonstruktion 5 befindet sich eine Skala 6, welche den zwischen den Kondensatorplatten 3, 4 gebildeten Untersuchungsbereich in Längsrichtung, im vorliegenden Fall als x-Richtung definiert, durchzieht. An Stelle der Skala 6 oder zusätzlich zur Skala 6 umfasst das Tomographiegerät 1 optional weitere Skalen und/oder automatisierte Längenmesssysteme. Elektrische Leitungen, welche die Kondensatorplatten 3, 4 mit dem Messgerät 12, das zur Durchführung von Kapazitätsmessungen vorgesehen ist, verbindet, sind mit den Bezugszeichen 7, 8 gekennzeichnet.the 1 and 2 12 show, not to scale, a capacitive tomography device, identified overall by the reference numeral 1, which comprises a capacitor arrangement 2 and a measuring device 12. The capacitor arrangement 2 is constructed from two capacitor plates 3, 4 parallel to one another. In the exemplary embodiment, the capacitor plates 3, 4 are square aluminum plates with a side length B K (width of the capacitor plates) of 10 cm each. The distance between the capacitor plates 3, 4, denoted by d K , is 16 mm. A scale 6 is located on a support structure 5 and runs through the examination area formed between the capacitor plates 3, 4 in the longitudinal direction, in the present case defined as the x-direction. Instead of the scale 6 or in addition to the scale 6, the tomography device 1 optionally includes further scales and/or automated length measuring systems. Electrical lines which connect the capacitor plates 3, 4 to the measuring device 12, which is provided for carrying out capacitance measurements, are identified by the reference symbols 7, 8.

Die, bezogen auf die Anordnung nach 1, in der Zeichenebene liegende, zur x-Achse orthogonale Achse ist als y-Achse definiert und stellt eine Flächennormale FN der beiden zueinander parallelen Ebenen dar, in welcher die Kondensatorplatten 3, 4 liegen. Als z-Achse wird diejenige Achse bezeichnet, welche sowohl zur x-Achse als auch zur y-Achse orthogonal ausgerichtet ist und aus der in 1 sichtbaren Zeichenebene senkrecht herausragt. Im tatsächlichen Versuchsaufbau ist die z-Achse, wie in 2 visualisiert, vertikal ausgerichtet. Die Durchführbarkeit des Tomographie-Verfahrens ist von der Ausrichtung der Achsen x,y,z im Raum jedoch nicht abhängig.The, based on the arrangement after 1 , lying in the plane of the drawing, orthogonal to the x-axis axis is defined as the y-axis and represents a surface normal FN of the two mutually parallel planes, in which the capacitor plates 3, 4 lie. The z-axis is that axis which is orthogonal to both the x-axis and the y-axis and from which in 1 visible drawing plane protrudes vertically. In the actual experimental setup, the z-axis is as in 2 visualized, aligned vertically. However, the feasibility of the tomography method does not depend on the orientation of the x,y,z axes in space.

In der Mitte jeder Kondensatorplatte 3, 4 befindet sich eine Öffnung 9, 10. Im Ausführungsbeispiel ist jede Öffnung 9, 10 quadratisch. Alternativ sind zum Beispiel kreisrunde Öffnungen in den Kondensatorplatten 3, 4 zur Durchführung des Tomographie-Verfahrens geeignet.In the middle of each capacitor plate 3, 4 there is an opening 9, 10. In the exemplary embodiment, each opening 9, 10 is square. Alternatively, for example, circular openings in the capacitor plates 3, 4 are suitable for carrying out the tomography method.

Im skizzierten Ausführungsbeispiel befindet sich im Untersuchungsvolumen ein zylindrisches, längs der z-Achse ausgerichtetes Untersuchungsobjekt 11, bei welchem es sich um einen mit ionisiertem Wasser gefüllten Behälter handelt. Der Durchmesser des nicht maßstäblich dargestellten Untersuchungsobjektes 11 beträgt 12 mm. Die Höhe des Untersuchungsobjektes 11, das heißt seine Erstreckung längs der z-Achse, beträgt 60 mm.In the exemplary embodiment outlined, the examination volume contains a cylindrical examination object 11, which is aligned along the z-axis and is a container filled with ionized water. The diameter of the examination object 11, which is not shown to scale, is 12 mm. The height of the examination object 11, ie its extension along the z-axis, is 60 mm.

In der Anordnung nach 1 würde sich durch eine Projektion des Untersuchungsobjektes 11 in y-Richtung eine Projektionsfläche ergeben, welche vollständig innerhalb einer der Kondensatorplatten 3, 4, jedoch außerhalb der Öffnungen 9, 10 liegt. Da die Permittivität des Untersuchungsobjektes 11 größer als die Permittivität von Luft ist, ist die Kapazität der Kondensatoranordnung 2 in der Anordnung nach 1, verglichen mit Anordnungen, in welchen sich kein Objekt zwischen den Kondensatorplatten 3, 4 befindet, maximal erhöht.In the arrangement after 1 a projection of the examination object 11 in the y-direction would result in a projection surface which lies completely within one of the capacitor plates 3, 4, but outside of the openings 9, 10. Since the permittivity of the examination object 11 is greater than the permittivity of air, the capacitance of the capacitor arrangement 2 in the arrangement is as follows 1 , is maximally increased compared to arrangements in which there is no object between the capacitor plates 3,4.

Ausgehend von diesem Zustand wird das Untersuchungsobjekt 11 in Schritten von 2 mm längs der Skala 6, das heißt in x-Richtung, verschoben. Nach jedem Schritt wird eine erneute Kapazitätsmessung mittels des Messgerätes 12 durchgeführt. Der ermittelte Messwert der Kapazität C, angegeben in pF, bleibt, wie aus 3 hervorgeht, näherungsweise konstant, bis der Rand des Untersuchungsobjektes 11 den Bereich zwischen den Öffnungen 9, 10 erreicht. In 3 entspricht der mit MP bezeichnete Mittelpunkt der Öffnungen 9, 10 dem Wert Null auf der X-Achse. Der die Kapazität C der Kondensatoranordnung 2 steigernde Effekt des Untersuchungsobjektes 11 nimmt in dem Maße ab, in welchem das Untersuchungsobjekt 11 näher an der Flächennormale FN, welche beide Mittelpunkte MP schneidet, positioniert ist. Schneidet die Mittelachse des Untersuchungsobjektes 11 die Flächennormale FN, so ist die gemessene, in Pikofarad angegebene Kapazität C minimal. Bei weiterem Vorschub des Untersuchungsobjektes 11 in Richtung der x-Achse ist wieder ein Anstieg der Kapazität C zu beobachten, bis sich das Untersuchungsobjekt 11 erneut in einem Bereich zwischen den Kondensatorplatten 3, 4 befindet, welcher frei von jeglichen Öffnungen ist.Starting from this state, the examination object 11 is shifted in steps of 2 mm along the scale 6, ie in the x-direction. After each step, a new capacitance measurement is carried out using the measuring device 12 . The measured value of the capacitance C, given in pF, remains as off 3 emerges approximately constant until the edge of the examination object 11 reaches the area between the openings 9, 10. In 3 corresponds to the designated MP center of the openings 9, 10 to the value zero on the X-axis. The effect of the object under examination 11, which increases the capacitance C of the capacitor arrangement 2, decreases to the extent that the object under examination 11 is positioned closer to the surface normal FN, which intersects both center points MP. If the central axis of the examination object 11 intersects the surface normal FN, then the measured capacitance C, specified in picofarads, is minimal. With further advance When the examination object 11 is pushed in the direction of the x-axis, an increase in the capacitance C can be observed again until the examination object 11 is once again in an area between the capacitor plates 3, 4 which is free of any openings.

Hätte das Untersuchungsobjekt 11 keinen kreisrunden Querschnitt, so würde der beschriebene Vorgang mit unterschiedlichen Winkelstellungen des Untersuchungsobjektes 11, wobei dieses jeweils um einen definierten Winkelbetrag um die z-Achse geschwenkt wird, wiederholt werden. In analoger Weise könnten weitere Messungen durchgeführt werden, bei welchen die Positionierung des Untersuchungsobjektes 11 längs der z-Achse jeweils um einen definierten Betrag verändert ist. Insgesamt ist damit ein kompletter 3-D-Datensatz des Untersuchungsobjektes 11 generierbar. Aus diesem dreidimensionalen Datensatz können beliebige Schnittbilder des Untersuchungsobjektes 11 generiert werden.If the examination object 11 did not have a circular cross-section, the process described would be repeated with different angular positions of the examination object 11, with the latter being pivoted about the z-axis by a defined angular amount in each case. In an analogous manner, further measurements could be carried out in which the positioning of the examination object 11 along the z-axis is changed by a defined amount in each case. Overall, a complete 3D data record of the examination object 11 can thus be generated. Any sectional images of the examination object 11 can be generated from this three-dimensional data set.

BezugszeichenlisteReference List

11
kapazitives Tomographiegerätcapacitive tomography device
22
Kondensatoranordnungcapacitor arrangement
33
Kondensatorplattecapacitor plate
44
Kondensatorplattecapacitor plate
55
Tragkonstruktionsupporting structure
66
Skalascale
77
elektrische Leitungelectrical line
88th
elektrische Leitungelectrical line
99
Öffnungopening
1010
Öffnungopening
1111
Untersuchungsobjektobject of investigation
1212
Messgerät gauge
BKBK
Breite der Kondensatorplattenwidth of the capacitor plates
dKdK
Abstand zwischen den KondensatorplattenDistance between the capacitor plates
dPdP
Durchmesser des UntersuchungsobjektesDiameter of the examination object
dOedoe
Durchmesser der Öffnungdiameter of the opening
FNFN
Flächennormalesurface normal
MPMP
MittelpunktFocus

Claims (10)

Kapazitives Tomographiegerät, mit einer Kondensatoranordnung (2), welche zwei Kondensatorplatten (3,4) umfasst, zwischen welchen ein Untersuchungsvolumen gebildet ist, wobei jede Kondensatorplatte (3,4) genau eine Öffnung (9,10) aufweist und eine durch die Mittelpunkte (MP) der beiden Öffnungen (9,10) gelegte Gerade mit Flächennormalen (FN) der beiden Kondensatorplatten (3,4) jeweils einen Winkel von maximal 10° einschließt.Capacitive tomography device, with a capacitor arrangement (2), which comprises two capacitor plates (3,4), between which an examination volume is formed, each capacitor plate (3,4) having exactly one opening (9,10) and one through the center points ( MP) of the two openings (9,10) line with surface normals (FN) of the two capacitor plates (3,4) each includes an angle of maximum 10 °. Tomographiegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (9,10) in den Kondensatorplatten (3,4) übereinstimmend geformt sind.tomography device claim 1 , characterized in that the openings (9,10) in the capacitor plates (3,4) are shaped to match. Tomographiegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (9,10) in den Kondensatorplatten (3,4) jeweils kreisrund sind.tomography device claim 2 , characterized in that the openings (9,10) in the capacitor plates (3,4) are each circular. Tomographiegerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (9,10) in den Kondensatorplatten (3,4) jeweils quadratisch sind.tomography device claim 2 , characterized in that the openings (9,10) in the capacitor plates (3,4) are each square. Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Abstand jeder Öffnung (9,10) vom Rand der Kondensatorplatte (3,4) größer als der maximale Durchmesser (dOe) der Öffnung (9,10) ist.Tomography device according to one of claims 2 until 4 , characterized in that the minimum distance of each opening (9,10) from the edge of the capacitor plate (3,4) is greater than the maximum diameter (d Oe ) of the opening (9,10). Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche jeder Öffnung (9,10) weniger als 1% der Fläche der Kondensatorplatte (3,4) beträgt.Tomography device according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the area of each opening (9,10) is less than 1% of the area of the capacitor plate (3,4). Kapazitives Tomographieverfahren, wobei ein Untersuchungsobjekt (11) relativ zu zwei jeweils genau eine Öffnung (9,10) aufweisenden Kondensatorplatten (3,4) derart zwischen den Kondensatorplatten (3,4) bewegt wird, dass sich die Überlappung zwischen dem Untersuchungsobjekt (11) und den Öffnungen (9,10) in den Kondensatorplatten (3,4) ändert, wobei bei Zuständen verschiedener Überlappung, einschließlich eines Zustandes, in welchem eine Projektionsfläche des Untersuchungsobjektes (11) - mit Projektionsrichtung parallel zu einer durch die Mittelpunkte (MP) der beiden Öffnungen (9,10) gelegten Gerade - vollständig innerhalb einer der Kondensatorplatten (3,4), jedoch außerhalb der Öffnung (9,10) liegt, jeweils Kapazitätsmessungen durchgeführt werden.Capacitive tomography method, in which an examination object (11) is moved relative to two capacitor plates (3,4), each having exactly one opening (9,10), between the capacitor plates (3,4) in such a way that the overlap between the examination object (11) and the openings (9,10) in the capacitor plates (3,4) changes, with states of different overlapping, including a state in which a projection surface of the examination object (11) - with a projection direction parallel to a through the centers (MP) of both openings (9.10) laid line - completely within one of the capacitor plates (3.4), but outside of the opening (9.10), capacitance measurements are carried out. Tomographieverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätsmessungen mit einem Untersuchungsobjekt (11) durchgeführt werden, dessen geringste Projektionsfläche mindestens doppelt so groß wie die Fläche jeder Öffnung (9,10) ist.tomography procedure claim 7 , characterized in that the capacitance measurements are carried out with an examination object (11) whose smallest projection area is at least twice as large as the area of each opening (9, 10). Tomographieverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegungen zwischen dem Untersuchungsobjekt (11) und den Kondensatorplatten (3,4) schrittweise vollzogen werden, wobei die Kapazitätsmessungen ausschließlich in Stillstandsphasen durchgeführt werden.tomography procedure claim 7 or 8th , characterized in that the relative movements between the object under examination (11) and the capacitor plates (3,4) are carried out step by step, with the capacitance measurements only be carried out during downtimes. Tomographieverfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersuchungsobjekt (11) kontinuierlich relativ zu den Kondensatorplatten (3,4) bewegt wird.tomography procedure claim 7 or 8th , characterized in that the examination object (11) is continuously moved relative to the capacitor plates (3,4).
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