用于调查目标域中的介电常数的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]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(Electrical Capacitance Tomography, ECT)。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]—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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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】
[0008]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。
[0009]本发明特征在于权利要求1到9中呈现的那些。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]“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。
[0017]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(annular ring)。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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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(spatial resolut1n)。进一步地，本发明的理念可以被实施在现有的测