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Die Erfindung betrifft ein Tomografiegerät zur elektrischen Impedanztomografie in einem Messvolumen mit mindestens zwei Messtoren.
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Elektrische Impedanztomografie leistet eine ortsaufgelöste Analyse von elektrischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Permittivität und Leitfähigkeit, eines mehrphasigen Mediums in einem Messvolumen, wobei das Medium auch durch das Messvolumen strömen kann. Das Ergebnis einer ortsaufgelösten Analyse eines strömenden mehrphasigen Mediums ist zum Beispiel eine räumliche Visualisierung der einzelnen Phasen des Mediums in dem Messvolumen. Eine ortsaufgelöste Analyse erfordert zunächst die Bestimmung einer räumlichen Verteilung einer elektrischen Eigenschaft im Messvolumen. Zur Bestimmung dieser weist ein Tomografiegerät zur elektrischen Impedanztomografie mindestens zwei Messtore und eine Steuerungseinrichtung auf. Messtore sind grundsätzlich an einer Umrandung des Messvolumens angeordnet. Ein Messtor umfasst mindestens eine Messelektrode, die zur Einkopplung von elektrischen Anregungssignalen in ein Medium und zur Auskopplung eines elektrischen Messsignals aus einem Medium, welches von einem Anregungssignal im Medium hervorgerufen worden ist, ausgebildet ist. Zumeist weist ein Messtor jedoch zwei Messelektroden auf. Die Bestimmung einer räumlichen Verteilung einer elektrischen Eigenschaft erfolgt, indem die Steuerungseinrichtung zum Beispiel Anregungssignale erzeugt, diese abwechselnd mit einem der Messtore in das Medium einkoppelt, mit dem anderen Messtor oder, wenn das Tomografiegerät mehr als zwei Messtore umfasst, mit den anderen Messtoren von den Anregungssignalen hervorgerufene Messsignale aus dem Medium auskoppelt und aus den Anregungssignalen und den Messsignalen die räumliche Verteilung der elektrischen Eigenschaft bestimmt.
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Tomografiegeräte zur elektrischen Impedanztomografie bieten sich für Anwendungen bei der Förderung von Erdöl und in der Prozesstechnik insbesondere in der chemischen Industrie an. Erdöl ist ein mehrphasiges Medium mit den Phasen Öl, Gas und Wasser, welches bei der Förderung mit hoher Geschwindigkeit strömt. Gattungsgemäße Tomografiegeräte leisten zum Beispiel die räumliche Visualisierung der einzelnen Phasen des Erdöls in Echtzeit. In der Prozesstechnik ist eine Anwendung die Kontrolle zum Beispiel von Misch- und Trennprozessen.
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Im Stand der Technik bekannte gattungsgemäße Tomografiegeräte zur elektrischen Impedanztomografie weisen elektrische Leitungen zur Verbindung von Messtoren und Steuerungseinrichtungen auf. Durch die elektrischen Leitungen und die an den Steuerungseinrichtungen für diese notwendigen Steckverbinder ist die Anzahl der Messtore begrenzt und eine Anpassung eines gattungsgemäßen Tomografiegeräts an eine Anwendung aufwendig. Weiter führen oftmals notwendige lange Leitungen aufgrund von mit ihrer Länge einhergehenden parasitären Kapazitäten und Induktivitäten zu Messfehlern. Vielfach müssen bei langen Leitungen auch Verstärker in die Leitungen integriert werden, welche die Anpassung weiter erschweren.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Angabe eines Tomografiegeräts der beschriebenen Art, welches eine Anpassung an eine Anwendung mit einem geringeren Aufwand und/oder eine höhere Anzahl an Messtoren ermöglicht.
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Die Aufgabe ist bei einem Tomografiegerät zur elektrischen Impedanzmessung der beschriebenen Art durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Das Tomografiegerät weist mindestens zwei Messmodule auf. Dabei weist jedes der Messmodule jeweils eine Modulsteuerungseinrichtung, eine Modulfunkeinrichtung und eines der Messtore auf. Die Messmodule sind über die jeweilige Modulfunkeinrichtung und Modulsteuerungseinrichtung steuerbar ausgebildet und das jeweilige Messtor ist an einer frei wählbaren Position auf einer Umrandung des Messvolumens anordenbar. Die Modulsteuerungseinrichtungen sind ausgebildet, unter Verwendung des jeweiligen Messtors Messungen zur elektrischen Impedanztomografie auszuführen.
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Ein Messmodul ermöglicht demnach auch eine räumlich getrennte Anordnung von Modulsteuerungseinrichtung, Modulfunkeinrichtung und Messtor. Wenn Modulsteuerungseinrichtung und Modulfunkeinrichtung einerseits und Messtor andererseits separat sind, bietet sich eine Steckverbindung zwischen beiden an. Ein solches Messmodul weist jedoch vorzugsweise ein Messmodulgehäuse auf, wobei im Messmodulgehäuse die Modulsteuerungseinrichtung, die Modulfunkeinrichtung und das Messtor des Messmoduls angeordnet sind. Die Steuerbarkeit eines Messmoduls über seine Modulfunkeinrichtung und Modulsteuerungseinrichtung umfasst insbesondere die Steuerung von Messungen zur elektrischen Impedanztomografie durch dieses Messmodul.
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Das Messvolumen ist durch die Umrandung begrenzt. Strömt zum Beispiel ein Medium durch ein Messrohr, so ist ein Abschnitt des Messrohrs ein Teil der Umrandung. Die Anordnung der Messmodule oder der Messtore des Tomografiegeräts auf der Umrandung erfolgt dann durch Anordnung am Messrohr und bestimmt den Abschnitt des Messrohrs, der Teil der Umrandung ist. Die Positionen der Messmodule oder Messtore sind insofern frei wählbar, als dass die Positionen zur Ausführung von Messungen geeignet sind. Mit Tomografiegeräten sind grundsätzlich solche zur elektrischen Impedanztomografie und mit Messungen sind grundsätzlich Messungen zur elektrischen Impedanztomografie gemeint.
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Das erfindungsgemäße Tomografiegerät weist verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Das Ersetzen von elektrischen Leitungen zur Verbindung von Messtoren und Steuerungseinrichtungen durch Modulfunkeinrichtungen ermöglicht insbesondere eine höhere Anzahl an Messtoren und reduziert den Aufwand einer Anpassung an eine Anwendung. Die Anzahl der Messtore, also der Messmodule, kann in vielen Anwendungen erhöht werden, da die elektrischen Leitungen entfallen sind, welche Raum benötigt haben, der in vielen Anwendungen nicht zur Verfügung steht und auf diese Weise die Anzahl der Messtore begrenzt hat. Auch ist im Stand der Technik oftmals die begrenzte Anzahl an vorhandenen elektrischen Anschlüssen an Steuerungseinrichtungen, die für die Leitungen notwendig sind, die Grenze für die Anzahl der Messtore. Der Aufwand zur Anpassung an eine Anwendung ist insbesondere dadurch reduziert, dass die Anordnung von Messmodulen an der Umrandung eines Messvolumens aufgrund des Entfalls des Anordnens von den elektrischen Leitungen vereinfacht ist.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Tomografiegeräts ist vorgesehen, dass die Modulfunkeinrichtungen einen Bluetooth- oder einen WLAN-Standard umsetzen, welcher die Synchronisierung von Zeitbasen umsetzt. Vorzugsweise wird ein WLAN-Standard mit TimeSync umgesetzt. Durch die Synchronisierung von Zeitbasen in den Messmodulen sind die Wirkungen von Latenzen in Kommunikationskanälen kompensierbar. Latenz ist vorliegend eine zeitlich schwankende Verzögerung, die sich bei einer Übertragung von Daten über einen Kommunikationskanal ergibt. Synchronisierte Zeitbasen gewährleisten synchrone Messungen, sodass Latenzen in Kommunikationskanälen keinen negativen Einfluss auf die Messungen haben.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Tomografiegerät eine Zentralsteuerungseinrichtung und eine Zentralfunkeinrichtung aufweist. Dabei sind die Zentralfunkeinrichtung und die Modulfunkeinrichtungen ausgebildet, jeweils einen Kommunikationskanal zwischen der Zentralfunkeinrichtung und einer der Modulfunkeinrichtungen zu errichten. Weiter ist die Zentralsteuerungseinrichtung zur Steuerung und Auswertung von Messungen ausgebildet. Vorzugsweise sind die Zentralsteuerungseinrichtung und die Zentralfunkeinrichtung separat von den Messmodulen angeordnet. Zum Beispiel sind sie ein einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Vorzugsweise setzen nicht nur die Modulfunkeinrichtungen, sondern setzt auch die Zentralfunkeinrichtung einen Bluetooth- oder einen WLAN-Standard, insbesondere einen WLAN-Standard mit TimeSync um. Die Kommunikationskanäle ersetzen demnach die elektrischen Leitungen zwischen der Zentralsteuerungseinrichtung und den Messtoren. Die Kommunikationskanäle sind bidirektional. Somit können Daten sowohl von der Zentralsteuerungseinrichtung zu einem beliebigen der Messmodule als auch von einem beliebigen der Messmodule zur Zentralsteuerungseinrichtung übertragen werden.
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Messungen zur elektrischen Impedanztomografie umfassen insbesondere solche zur Bestimmung der räumlichen Verteilung einer elektrischen Eigenschaft im Messvolumen. Bei diesen Messungen werden Anregungssignale von einem Messmodul in ein Medium eingekoppelt und von den Anregungssignalen im Medium hervorgerufene Messsignale von dem anderen Messmodul oder, falls mehr als zwei Messmodule vorhanden sind, den andren Messmodulen ausgekoppelt. Die Spannungen und/oder Ströme der Anregungssignale und/oder der Messsignale werden von dem Tomografiegerät, zum Beispiel der Zentralsteuerungseinrichtung oder den Modulsteuerungseinrichtungen, nach Betrag und/oder Phase bestimmt. Deshalb ist eine ausreichend genaue Synchronisierung der Zeitbasen der einzelnen Messmodule notwendig, da andernfalls die zeitliche Kohärenz eines Anregungssignals und der durch das Anregungssignal hervorgerufenen Messsignale beeinträchtigt wäre. Infolgedessen wäre auch eine Genauigkeit einer ortsaufgelösten Analyse beeinträchtigt. Eine Synchronisierung ist dann ausreichend genau, wenn die Beeinträchtigung einer ortsaufgelösten Analyse in einer Anwendung noch akzeptabel ist. Ein Maß für eine in einer Anwendung noch akzeptable Ungenauigkeit der Synchronisierung sind die in der Anwendung vorgesehenen Frequenzen der Anregungs- und Messsignale. Vorzugsweise liegen die Frequenzen im Bereich zwischen 100 kHz und 10 MHz.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Tomografiegeräts ist vorgesehen, dass die Modulfunkeinrichtungen ausgebildet sind, Kommunikationskanäle untereinander zu errichten. Die vorstehenden Ausführungen zur Synchronisierung von Zeitbasen und somit von Messungen gelten entsprechend. Diese Ausgestaltung kann alternativ oder zusätzlich zur vorstehenden Ausgestaltung vorgesehen sein.
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Wenn sie zusätzlich vorgesehen ist, dann bestehen nicht nur Kommunikationskanäle zwischen der Zentralfunkeinrichtung und den einzelnen Modulfunkeinrichtungen, sondern bestehen auch Kommunikationskanäle zwischen den Modulfunkeinrichtungen untereinander. Wenn sie alternativ vorgesehen ist, dann bestehen nur Kommunikationskanäle zwischen den Modulfunkeinrichtungen untereinander. In einer auf dieser Ausgestaltung aufbauenden Ausgestaltung ist dann vorgesehen, dass die Messmodule über die Kommunikationskanäle als ein sich selbstorganisierendes Netzwerk und zur Steuerung und Auswertung von Messungen ausgebildet sind. Die Modulsteuerungseinrichtungen übernehmen dann die Funktionalität der Zentralsteuerungseinrichtung. Die Funktionalität ist zum Beispiel auf eine einzige Modulsteuerungseinrichtung übertragen oder auf mehrere Modulsteuerungseinrichtungen aufgeteilt.
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Wenn die Modulfunkeinrichtungen ausgebildet sind, untereinander Kommunikationskanäle zu errichten, dann ist es vorteilhaft, wenn die Messmodule ausgebildet sind, Daten von einem der Messmodule über einen der Kommunikationskanäle zu einem anderen der Messmodule zu übertragen. Durch die Ausbildung zur Übertragung von Daten untereinander können die Messmodule unterschiedliche Aufgaben der Zentralsteuerungseinrichtung übernehmen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Tomografiegeräts ist vorgesehen, dass mindestens zwei der Messmodule identisch ausgebildet sind. Die identische Ausbildung der Messmodule senkt deren Herstellungskosten aufgrund höherer Stückzahlen und ermöglicht eine weitere Modularisierung des Tomografiegeräts, da identisch ausgebildete Messmodule alle Funktionen von den verschiedenen zuvor verwendeten unterschiedlichen Messmodulen aufweisen müssen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass wenigstens eines der Messtore ausgebildet ist, in galvanischem oder in kapazitivem Kontakt mit einem Medium in dem Messvolumen zu stehen. Bei einem galvanischen Kontakt steht die mindestens eine Messelektrode eines Messtors in unmittelbaren Kontakt mit einem Medium. Bei einem kapazitiven Kontakt ist zwischen der mindestens einen Messelektrode und einem Medium eine Trennschicht, welche auch als ein Dielektrikum wirkt. Vorzugsweise sind die Modulsteuerungseinrichtungen sowohl für einen galvanischen als auch kapazitiven Kontakt ausgebildet.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Tomografiegerät einen Cloudspeicher aufweist und dass der Cloudspeicher zur Verwaltung von Daten ausgebildet ist. Somit ist eine dezentrale Speicherung von Daten, wie zum Beispiel den Daten, welche die Messsignale wiedergeben, möglich.
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Die vorstehenden Ausführungen haben zumeist nur zwei Messmodule zum Gegenstand. Jedoch gelten diese Ausführungen für eine beliebige Anzahl von Messmodulen analog.
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Im Einzelnen ist eine Vielzahl von Möglichkeiten gegeben, das Tomografiegerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines Tomografiegeräts in einer teilweise perspektivischen Darstellung,
- 2 das Ausführungsbeispiel in einer Vorderansicht und
- 3 einen Ausschnitt des Ausführungsbeispiels in einer geschnittenen Vorderansicht.
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1 zeigt in einer abstrahierten teilweise perspektivischen Darstellung und 2 in einer abstrahierten Vorderansicht wesentliche Merkmale eines Ausführungsbeispiels eines Tomografiegeräts 1 zur elektrischen Impedanztomografie. Das Tomografiegerät 1 weist vier Messmodule 2, eine Zentralsteuerungseinrichtung 3, eine Zentralfunkeinrichtung 4, eine Antenne 5 und einen Cloudspeicher 6 auf.
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3 zeigt in einer geschnittenen Vorderansicht wesentliche Merkmale eines der vier Messmodule 2, wobei alle Messmodule 2 identisch ausgebildet sind. Das Messmodul 2 weist eine Modulsteuerungseinrichtung 7, eine Modulfunkeinrichtung 8, eine Antenne 5, ein Messtor 9 und ein Messmodulgehäuse 10 auf. Das Messtor 9 weist zwei Messelektroden 11 auf. Die Modulsteuerungseinrichtung 7, die Modulfunkeinrichtung 8 und das Messtor 9 mit den zwei Messelektroden 11 sind in dem Messmodulgehäuse 10 angeordnet, wohingegen die Antenne 5 außerhalb des Messmodulgehäuses 10 angeordnet ist. Die Modulsteuerungseinrichtung 7 ist zum einen mit der Modulfunkeinrichtung 8 und zum anderen mit den Messelektroden 11 des Messtors 9 elektrisch leitend verbunden. Die Modulfunkeinrichtung 8 ist weiterhin mit der Antenne 5 elektrisch leitend verbunden. Das Messmodul 2 ist über die Modulfunkeinrichtung 8 und Modulsteuerungseinrichtung 7 steuerbar ausgebildet. Die Modulsteuerungseinrichtung 7 ist ausgebildet, unter Verwendung des Messtors 9 Messungen zur elektrischen Impedanztomografie auszuführen.
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Die Messmodule 2 sind an frei gewählten Positionen an einem Messrohr 12 angeordnet, siehe 1 und 2. In einer alternativen Ausgestaltung sind die Messtore 9 separat von den Modulsteuerungseinrichtungen 7 und Modulfunkeinrichtungen 8 und am Messrohr 12 angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung erfolgt das Anordnen der Messtore 9 vorzugsweise schon während der Fertigung des Messrohrs 12, sodass die Herstellung des Tomografiegeräts 1 vereinfacht ist. Die Modulsteuerungseinrichtungen 7 und Modulfunkeinrichtungen 8 im Messmodulgehäuse 10 und die Messtore 9 werden dann mit Steckverbindern elektrisch verbunden.
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Das Messrohr 12 weist eine Messrohrlängsachse 13 auf und wird von einem mehrphasigen Medium 14 in Strömungsrichtung 15 durchströmt. Das Messrohr 12 und die Messelektroden 11 der Messmodule 2 bilden zusammen eine Umrandung 16 eines Messvolumens 17. Die Innenwand des Messrohrs 12 bildet die Umrandung 16 des Messvolumens 17 in zur Messrohrlängsachse 13 radialer Richtung und die Ausdehnung der Messelektroden 11 in zur Messrohrlängsachse 13 axialer Richtung bildet die Umrandung 16 des Messvolumens 17 in zur Messrohrlängsachse 13 axialer Richtung. Die Messelektroden 11 der Messtore 9 sind mit dem Medium 14 kapazitiv gekoppelt, wobei die Wand des Messrohrs 13 als ein Dielektrikum wirkt.
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Die Zentralfunkeinrichtung 4 und die Modulfunkeinrichtungen 8 sind ausgebildet, jeweils einen Kommunikationskanal 18 zwischen der Zentralfunkeinrichtung 4 und einer der Modulfunkeinrichtungen 8 zu errichten. Die Kommunikationskanäle 18 zwischen Zentralfunkeinrichtung 4 und den Modulfunkeinrichtungen 8 weisen kein physisches Medium zur Übertragung von Daten auf. Zur Kompensation der Wirkung der Latenz der Kommunikationskanäle 18, sodass eine ausreichende Synchronisierung der Messungen mit den Messmodulen 2 gegeben ist, sind die Zentralfunkeinrichtung 4 und die Modulfunkeinrichtungen 8 nach einem WLAN-Standard mit TimeSync ausgebildet. Da die Frequenzen der Anregungs- und Messsignale im Bereich zwischen 100 kHz und 10 MHz liegen, ist dadurch eine ausreichende Synchronisierung der Zeitbasen der Messmodule 2 gewährleistet.
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Die Zentralsteuerungseinrichtung 3 und der Cloudspeicher 6 sind über einen weiteren Kommunikationskanal 18 miteinander verbunden. Dieser Kommunikationskanal 18 kann ebenfalls frei von einem physischen Medium sein. Der Cloudspeicher 6 ist zur Verwaltung von Daten ausgebildet, welche insbesondere von den Messmodulen 2 bei Messungen bestimmt werden. Zu diesen Daten zählen insbesondere Anregungs- und Messsignale und die Ergebnisse von ortsaufgelösten Analysen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tomografiegerät
- 2
- Messmodul
- 3
- Zentralsteuerungseinrichtung
- 4
- Zentralfunkeinrichtung
- 5
- Antenne
- 6
- Cloudspeicher
- 7
- Modulsteuerungseinrichtung
- 8
- Modulfunkeinrichtung
- 9
- Messtor
- 10
- Messmodulgehäuse
- 11
- Messelektrode
- 12
- Messrohr
- 13
- Messrohrlängsachse
- 14
- Medium
- 15
- Strömungsrichtung
- 16
- Umrandung
- 17
- Messvolumen
- 18
- Kommunikationskanal
