利用电容传感器对系统和过程进行成像、监测或测量的多维方法技术方案

一种系统和方法，用于仅利用从电容传感器提供的数据来对系统和过程进行成像、监测或测量。本发明专利技术结合了ECVT/AECVT和DCPT的多频率方法来成像或测量过程和系统，比单独的方法更高效和准确。本系统分析在多个频率处获取的电容和电流相位，一次性确定单相和多相系统的多个特性。ECVT和DCPT在多相流中的联合使用也可以通过使用电容、电流相位或两者皆有的多个频率来扩展，以测量涉及多于三相的流体的体积分数和相位分布。

【技术实现步骤摘要】
利用电容传感器对系统和过程进行成像、监测或测量的多维方法
本专利技术涉及一种仅利用从电容传感器提供的数据来对系统和过程进行成像、监测或测量的系统和方法。
技术介绍
电容层析成像(ElectricalCapacitanceTomography,ECT)是通过反转从电容传感器获得的电容数据来对成像域中的材料密度进行横截面图像重建。电容体积层析成像(ElectricalCapacitanceVolumeTomography，ECVT)是利用电容传感器设计中的3D特征对成像域中的材料进行非侵入式体积图像重建。ECVT系统通常由传感器，数据采集系统、计算机系统和用于重建表示由传感器检查的体积的3D图像的软件组成。ECVT传感器通常包括放置在兴趣区域周围或附近的多个(n)电极或极板，其在一个实施例中提供用于图像重建的n(n-1)/2个独立电容测量值。使用从兴趣区域周围或附近放置的电极或板收集的电容数据来实现图像重建。在Warsito等人的美国专利第8,614,707号中描述了ECVT技术。在此通过引用将其并入。ECVT应用涵盖广泛的行业。ECVT最近适用于许多工业过程中常用的多相流应用，但也可应用于需要非侵入式成像，测量或监测的单相和固定应用。在ECVT中，传感器极板沿圆周或沿着查询时的柱、物体、体积或容器的边缘分布。用于采集数据的传感器极板的数量可以增加以获取更多的电容数据。但是，如果传感器极板可能占用固定的表面积，则增加传感器极板的数量会相应地减小每个传感器极板的面积。对于给定的物体直径或长度，传感器极板的最小面积有限制，因此限制了ECVT传感器中可以使用的最大的板数量。这个极限值是通过数据采集系统所需的信噪比来确定的，因为传感器极板对的电容电平与极板的维度成正比。此外，需要最小电容电平来感测感测区域中的变化。当增加ECVT传感器中传感器极板的数量时，传感器极板的最小维度的限制是通过ECVT获得高分辨率成像系统的主要障碍之一。为了克服这个挑战，创造了自适应电容体积层析成像(AdaptiveElectricalCapacitanceVolumeTomography，AECVT)的专利技术，其中通过使用由许多较小传感器极板组成的可修改的元传感器极板(meta-sensorplate)可以增加独立电容测量的数量。这些元传感器极板保留了给定信噪比的最小面积，同时还允许多元配置的元传感器极板制作更大的传感器极板对。自适应电容体积层析成像(AECVT)基于传感器极板片段上的不同激活水平的电平来提供电容传感器的更高分辨率的体积成像。在AECVT系统中，电极由一组较小的电容片段组成，可以单独寻址。例如，可以用不同的振幅、相移或频率激活每个片段以提供期望的灵敏度矩阵分布。本专利技术的传感器电子设备被设计为检测和测量本专利技术的自适应ECVT传感器的电容。例如，存储在自适应ECVT传感器中的电能差将在空状态和物体被引入成像域(例如，电极之间)的状态之间测量。在本专利技术的优选实施例中，术语“自适应”是指通过将电压或电压分布施加到具有电容片段阵列的极板上来提供可选择的或较高的分辨率控制的能力。由于在成像域中引入介电材料而引起的系统整体能量的变化被用于计算与介电材料相关的电容变化。电容的变化可以通过储存能量的变化来计算。传感器电子元件也可以通过并行放置各个片段电路来设计，产生代表查询时各片段之间总电容的电流总和。通过单独寻址本专利技术的电极的电容片段，可以控制成像域内的电场分布以提供期望的灵敏度矩阵，聚焦电场并且提高重建图像的整体分辨率。电压分布也可以通过使用带传感器的传统测量电路来实现，该传感器通过分压器分配电压。在AECVT系统中，电容测量电路连接到自适应传感器的电极(检测或接收电极)，使得可以针对所选源和检测电极获得电容测量值。传感器的电容器Cx1-Cxn表示所选源电极和检测电极的n个电容片段。电极的每个电容片段可以通过分离的电压源单独寻址。这些电压源用于调节自适应传感器上每个电极的电容片段上的电压电平和相移。每个电容片段(Vxn)上的电压是电压源Vi和连接到每个电容片段(Vn)的电压源的组合。因此，所测量的Vo可以用于计算激活电极的电容片段的每个等效电容(Cxn)。相关公式适用于Cxn＝Cx1＝Cx2...＝Cxi。对于具有不同电容值的部分，等效电容使用以下公式计算：如所讨论的，在一个实施例中，测量n(n-1)/2个独立互电容测量值并将其用于图像重建。例如，依次测量传感器的每个电极之间的电容，并使用该电容数据执行图像重构。换句话说，电容测量值是从传感器的每对或电极组合中获得，进而用于图像重建。可以理解，这里讨论的电压源可以使用已知的开关技术连接到传感器阵列的每个电极的电容片段。使用开关，系统可以通过开关将电压源连接到选定的电极，从而选择性地选择激活哪些电极。在另一个实施例中，可以使用开关或多路复用电路元件将适当的电压源连接到所选电极的每个电容片段，从而允许根据期望的聚焦和灵敏度将各个元件选择性地连接到每个电容片段。例如，较大幅度的电压源可以被切换或连接到电极或成像域中心的电容片段，以便将测量值聚焦到电极或成像域的中心。在替代实施例中，代替使用不同的振幅，可以使用不同的频率来激活电极段，使得能够同时测量由不同频率的电场光束引入的不同电容值。在又一个替代实施例中，可以使用不同的相移来激活能够控制成像域内的电场的电极段。所测量的输出电压变化可用于计算电容片段之间的电容电平的变化，然后该电容片段用于重构传感器之间的物体或材料的体积图像。在美国专利申请公开文件US2013/0085365A1和Marashdeh等人的美国专利号9,259,168中描述了AECVT。在此通过引用将其并入。在将感测区域的材料分布和诱电率与由电容传感器接收的信号相关联时，非线性常常是一个问题，特别是在诸如水的较高诱电率材料的应用中。该高诱电率即介电常数放大了图像重建问题中的非线性，这可能使从测量信号中提取图像和其他信息的过程进一步复杂化。为了克服这一挑战，创造了位移电流相位层析成像(DisplacementCurrentPhaseTomography，DCPT)的专利技术，其中利用来自电容传感器的测量电流的相位来重建被检查的体积或物体的3D图像。与ECVT类似，DCPT是一种低成本成像技术，对于图像系统和过程非常有用，其中系统或过程中所涉及的材料之间的介电常数具有高对比度，或者由于存在导电性或介电损耗，成像材料是有损耗的。在常规ECVT中，测量电容器极板上的电流幅值，然后将其用于计算极板对之间的互电容，然后用于重建3D图像。当成像域中的物体是有损的(即，具有导电性或介电损耗)时，在电流的相位中还包含还可以用于图像重建的附加信息。当前相位的变化与许多有损耗材料的体积分数几乎成线性关系。在ECVT中，灵敏度图基于当前的相位信息。灵敏度映射通过线性近似将电容(电流振幅)与诱电率分布以及因此在成像域中的材料分布相结合。由于当前相位也与材料分布线性相关，因此它可以使用类似的线性灵敏度矩阵提供替代成像过程。与传统的ECVT相比，为所有像素位置计算的相位灵敏度矩阵与电流相位的测量结合使用，以重建感测区域中的材料分布(导电率或介电损耗的空间分布)的体积图像。相位信息也可以用于推断穿过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对容器内部或其他物体的体积内的材料、材料组合或流体进行成像、监测、测量或以其它方式量化的系统，所述系统包括：传感器，包括：多个电极，被配置为放置在材料、容器内部或物体附近或周围，每个电极包括多个电容极板片段；以及，电压源；测量电路，耦合到所述传感器与所述传感器装置通信，用于接收从所述传感器装置输出的电流并用于输出所述电流的相位数据；以及处理系统，与所述测量电路通信，处理系统被编程有指令，用于在所述处理系统上执行以将检测到的电容数据和相位数据转换成图像或量化被感测的体积。其中，所述多个电极包括：第一电极，具有多个电容极板片段，所述多个电容极板片段可由所述电压源寻址；第二电极，具有多个电容极板片段，所述第二电极的所述电容极板片段电耦合到所述测量电路；其中，所述第一电极的电容极板片段在被激活时与所述第二电极的至少一个电容极板片段形成电容对；其中，所述系统用于通过以下来收集电容数据：通过使用所述第一电极上的电容极板片段作为源电极，使用所述第二电极上的电容极板片段作为检测电极来限定电容器，通过将预定电压从电压源引导到所述源电极来充电和放电所限定的电容器；通过检测在所述检测电极中感应的电流来检测所限定的电容器的电容。...

【技术特征摘要】
2017.05.31 US 15/610,0911.一种用于对容器内部或其他物体的体积内的材料、材料组合或流体进行成像、监测、测量或以其它方式量化的系统，所述系统包括：传感器，包括：多个电极，被配置为放置在材料、容器内部或物体附近或周围，每个电极包括多个电容极板片段；以及，电压源；测量电路，耦合到所述传感器与所述传感器装置通信，用于接收从所述传感器装置输出的电流并用于输出所述电流的相位数据；以及处理系统，与所述测量电路通信，处理系统被编程有指令，用于在所述处理系统上执行以将检测到的电容数据和相位数据转换成图像或量化被感测的体积。其中，所述多个电极包括：第一电极，具有多个电容极板片段，所述多个电容极板片段可由所述电压源寻址；第二电极，具有多个电容极板片段，所述第二电极的所述电容极板片段电耦合到所述测量电路；其中，所述第一电极的电容极板片段在被激活时与所述第二电极的至少一个电容极板片段形成电容对；其中，所述系统用于通过以下来收集电容数据：通过使用所述第一电极上的电容极板片段作为源电极，使用所述第二电极上的电容极板片段作为检测电极来限定电容器，通过将预定电压从电压源引导到所述源电极来充电和放电所限定的电容器；通过检测在所述检测电极中感应的电流来检测所限定的电容器的电容。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述测量电路用于从所述第一电极和所述第二电极的多个电容对接收电流并将其转换为输出电压(Vo)。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理系统利用在所述处理器上执行的一个或多个软件例程来编程，以从所述输出电压(Vo)确定体积图像。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述测量电路包括：运算放大器电路，用于从所述第一电极和所述第二电极的多个电容对接收电流并将其转换为输出电压(Vo)。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述输出电压(Vo)是具有幅度、相位和频率的信号；其中，所述处理器被编程有在所述处理器上执行的一个或多个软件例程以确定所述第一电极与所述第二电极之间的电容。6.根据权利要求1所述的系统，还包括：多...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲萨·马拉什德，本杰明·斯特里顿，克里斯托弗·祖卡雷利，
申请(专利权)人：泰克福成像有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US