Способ, устройство и компьютерная программа для определения местоположения поверхности раздела
METHOD, DEVICE AND COMPUTER PROGRAM FOR DETERMINATION OF SURFACE OF SECTION'S LOCATION

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится, в целом, к контролю промышленных технологических процессов, в которых жидкости или, в общем, любые текучие материалы текут или хранятся в трубах, сосудах или емкостях. В частности, данное изобретение относится к решениям для контроля образования твердых осадков и/или износа поверхностей таких труб, сосудов и емкостей.
Предпосылки к созданию изобретения
Загрязнение или так называемое образование твердых осадков представляет собой известную проблему, которая может встречаться во многих различных применениях в обрабатывающей промышленности. Образование твердых осадков, часто называемое также засорением, означает, в общем, осаждение или накопление нежелательного материала на поверхностях труб, сосудов или других емкостей, используемых для транспортировки или хранения текучих материалов.
В результате образования твердых осадков на такой поверхности формируется дополнительный слой твердого материала. Таким образом, изменяется свободный объем внутри трубопровода или другой емкости, доступный для текучего материала. Это может приводить ко многим проблемам. Например, измененная форма свободного объема вызывает возмущения потока текучей среды. По меньшей мере уменьшенная площадь поперечного сечения свободного внутреннего объема технологического трубопровода увеличивает сопротивление потоку через трубопровод. В критическом случае трубопровод может полностью закупориться, и, таким образом, весь рассматриваемый технологический процесс может остановиться. Образование твердых осадков является общей проблемой в различных областях обрабатывающей промышленности, которая вызывает значительное увеличение эксплуатационных затрат и потери производства.
Материал, образованный на поверхностях технологического оборудования при выпадении твердых осадков, нужно время от времени удалять. Это может быть очень обременительно. Особенно когда дополнительный материал образован углеводородным соединением, он является обычно очень твердым, и его чрезвычайно трудно удалить механической обработкой. В качестве альтернативы механическому удалению, были разработаны различные смягчающие и разделяющие реагенты для различных материалов, образующих твердых осадки. Вместо последующего удаления сформированного материала, образующего твердые осадки, часто более предпочтительно действовать упреждающе, предотвращая образование твердых осадков. Например, могут использоваться различные химические препараты как ингибиторы образования твердых осадков, смешиваемые с текучим материалом, для управления образованием неорганических твердых осадков. Использование таких химических препаратов уменьшает скорость образования твердых осадков и изменяет их структуру так, чтобы их было легче удалить. В любом случае, для предотвращения существенных проблем, например вследствие неожиданной забивки технологического трубопровода, или оптимизации использования ингибиторов твердых осадков нужно иметь возможность контролировать образование твердых осадков и развитие ситуации во времени.
Другая проблема, встречающаяся в различном промышленном технологическом оборудовании для транспортировки и/или хранения текучих материалов, заключается в износе стенок трубопроводов и сосудов. Износ может происходить вследствие химически агрессивных материалов, реагирующих с поверхностями технологического оборудования, но он может также возникать в результате простого механического абразивного износа, вызванного, например, песком, содержащимся в потоке жидкости. Как и при образовании твердых осадков, при износе изменяются объемы и условия для потока в технологическом оборудовании, и, таким образом, износ может неблагоприятно воздействовать на технологические процессы. В критическом случае износ стенки трубопровода или сосуда насквозь и последующий внезапный выпуск текучего материала во внешнюю область технологического оборудования может привести к серьезным происшествиям и большим финансовым убыткам, и даже к травмам людей. Поэтому, как и образование твердых осадков на стенках, необходимо иметь возможность непрерывно контролировать износ.
Износ может также возникать одновременно с образованием твердых осадков. Поэтому было бы очень полезно иметь эффективное решение для непрерывного контроля обоих этих явлений.
В известном уровне техники образование твердых осадков и/или износ стенок трубопровода контролировался или диагностировался, например, методами на основе камеры, в которых в анализируемом технологическом оборудовании устанавливается камера, а также акустическими (обычно ультразвуковыми) методами или простыми механическими методами, в которых на стенки трубопровода устанавливаются специальные интеллектуальные тест-объекты. Например, патент EP 2115452 раскрывает в качестве конкретного примера устройство и способ измерения образования твердых осадков в намотанной по спирали мембране путем подачи акустического сигнала в трубопровод, измерения сигнала, отраженного от поверхности раздела материала в трубопроводе, и сравнения результата измерения с опорным сигналом для известного чистого трубопровода.
Ультразвуковые методы и методы с использованием тест-объекта являются практически точечными измерениями, что существенно ограничивает применимость этих методов. В методах на основе камеры технологический процесс должен часто прерываться для выполнения фактических шагов контроля.
В настоящее время нет надежной технологии непрерывного контроля для обнаружения образования твердых осадков и износа на ранней стадии. В частности, нет эффективного коммерчески доступного решения, которое может использоваться для контроля обоих этих вредных явлений.
Сущность изобретения
Целью данного изобретения является создание усовершенствованного способа, а также усовершенствованного устройства для определения образования твердых осадков и/или износа в промышленных технологических процессах. Целью данного изобретения является также создание нового компьютерного программного продукта для выполнения упомянутого способа.
Данное изобретение охарактеризовано в п.п. 1, 8 и 15 формулы изобретения.
Данное изобретение относится к способу определения местоположения поверхности раздела, которая находится в целевой области, между свободным объемом текучего материала и твердым материалом, ограничивающим свободный объем. Промышленный технологический процесс, в котором исследуют поверхность раздела, местоположение которой необходимо определить, может быть технологическим процессом любого вида, в котором может наблюдаться образование твердых осадков и/или износ. Эти виды технологических процессов имеют место, например, при добыче и переработке нефти, в других отраслях промышленности на основе нефти и при производстве энергии, без ограничения этими примерами.
Под “текучим материалом” здесь понимается любой материал, который может течь в технологическом трубопроводе или в сосуде либо емкости. Такой материал может быть в жидкой форме, но также может содержать большее или меньшее количество твердого или газообразного вещества (веществ).
Примерами материала твердых осадков в нефтедобывающей промышленности являются битум и асфальтен, а также различные материалы, образующие твердые осадки, которые охватываются общим термином “минеральные отложения”. Последние включают, например, соединения на основе карбоната кальция и сульфата кальция, включающего, например, гипс. При производстве энергии образование твердых осадков может происходить, например, вследствие осаждения на поверхностях котлов содержащихся в воде загрязняющих примесей. Загрязняющие воду примеси, которые могут формировать накипь, включают, например, кальций, магний, железо, алюминий и кремнезем. Осадок обычно формируется как соли этих материалов.
В случае образования твердых осадков в целевой области твердый материал, ограничивающий свободный объем и, таким образом, определяющий и ограничивающий поверхность раздела, может быть материалом твердых осадков. Другие ситуации рассматриваются ниже.
Способ согласно данному изобретению включает следующие шаги.
Прежде всего, способ включает создание математической модели целевой области, определяющей, для множества пар групп электродов, характеристическую электрическую величину, пропорциональную емкости конденсатора, образованного парой групп электродов, при этом электроды расположены в соединении с целевой областью для измерения емкости и поддерживаются твердым опорным телом, имеющим граничную поверхность в целевой области.
Целевая область, упомянутая выше, означает двумерную или трехмерную область или объем, рассматриваемые в способе.
В целом, математическая модель означает численное представление зависимостей между физическими свойствами материала двумерной или трехмерной целевой области и характеристической электрической величиной. Таким образом, общей целью математической модели является обеспечение оценок значений характеристической электрической величины, причем эти значения определяются свойствами материала в целевой области.
Характеристической электрической величиной может быть любая электрическая величина, которая является пропорциональной или зависящей от емкости конденсатора, образованного парой групп электродов. Соединение между электродами и целевой областью для измерения емкости означает, что электроды связаны с целевой областью так, что могут выполняться измерения емкости или, по меньшей мере, измерения некоторой характеристической электрической величины, пропорциональной емкости конденсаторов, образованных парами групп электродов. Для реализации этого, например, не должно быть сплошного электрического проводника, формирующего эквипотенциальный экран между электродами и целевой областью.
То, что электроды поддерживаются опорным телом, означает, что электроды могут быть закреплены на любой поверхности опорного тела или могут быть частично или полностью встроены в него так, чтобы они по возможности не находились в прямом контакте с внешней областью опорного тела. Выбор наиболее подходящей конфигурации зависит, например, от материала опорного тела, которое может быть выполнено из электроизолирующего или электропроводящего материала. В первом случае электроды могут быть встроены в опорное тело. В случае электропроводящего материала опорного тела электроды должны лежать на поверхности опорного тела.
Граничная поверхность означает здесь поверхность опорного тела, определяющую поверхность раздела между опорным телом и его внешней областью. Местоположение “в” целевой области означает, что граничная поверхность принадлежит двумерной или трехмерной целевой области. Другими словами, это определение охватывает как ситуации, когда граничная поверхность находится в пределах внутренней части двумерной или трехмерной целевой области, так и ситуации, когда граничная поверхность совпадает с границей целевой области, таким образом, определяя границу целевой области.
“Группа электродов” означает здесь один или более электродов. Таким образом, рассматриваемый конденсатор в способе может формироваться только между парой двух электродов, но один или оба из этих одиночных электродов также могут быть заменены группой по меньшей мере из двух отдельных электродов.
Емкость или некоторая другая электрическая величина, зависящая от емкости, как характеристическая электрическая величина, которая будет измеряться, основана на том факте, что материалы твердых осадков являются обычно электроизолирующими материалами, также в случаях, когда сам текучий материал может быть электропроводящим.
Основной электрической величиной, влияющей на емкость, естественно является диэлектрическая проницаемость в целевой области. Другими словами, емкость и, таким образом, любая электрическая величина, пропорциональная емкости конденсатора, образованного парой групп электродов, зависит от диэлектрической проницаемости материала (материалов) в целевой области. В свою очередь, на практике математическая модель предпочтительно определяет также диэлектрическую проницаемость в целевой области. Она может быть определена как только одно репрезентативное значение, но более предпочтительно, как распределение диэлектрической проницаемости в целевой области или объеме.
Способ также включает получение результатов измерений характеристической электрической величины для множества пар групп электродов. “Получение” означает здесь то, что способ данного изобретения не обязательно включает выполнение фактических измерений, но такие измерения могут выполняться отдельно, и измеренные результаты могут только приниматься на шаге способа. Возможна, например, форма осуществления изобретения, в которой результаты измерений, выполняемых на месте измерения, передают в электронном виде в место анализа, где выполняют фактический анализ и определение поверхности раздела. С другой стороны, конечно, возможно также выполнять измерения и анализ вместе, например, используя одну систему анализа, содержащую как электроды и соответствующее измерительное оборудование, так и вычислительные средства для выполнения фактических вычислений.
Измерения могут выполняться согласно принципам, также известным в области электрических измерений, в частности в области измерений электрической емкости. Подробности и примеры возможных характеристических электрических величин, определяемых математической моделью и измеряемых посредством пар групп электродов, рассматриваются ниже в разделе подробного описания данного изобретения.
После получения необходимого числа измеренных значений электрической величины осуществляют подстройку математической модели так, чтобы уменьшить разности между измеренными значениями характеристической электрической величины и значениями, определенными математической моделью. Это означает сравнение измеренных значений электрической величины и соответствующих моделируемых значений, определяемых математической моделью, и изменение параметров математической модели так, чтобы моделируемые значения стали ближе к фактическим измеренным значениям, чтобы основная электрическая величина, например диэлектрическая проницаемость, имела необходимые свойства.
Когда будет достигнута достаточная согласованность между измеренными и моделируемыми значениями электрической величины, подстроенная модель, представляющая реальную целевую область, используется как основа для определения местоположения поверхности раздела.
Например, когда модель определяет распределение диэлектрической проницаемости в целевой области, подстроенная модель обеспечивает реконструкцию истинного распределения диэлектрической проницаемости в целевой области, при этом определение местоположения поверхности раздела может быть выполнено на основе упомянутого распределения диэлектрической проницаемости, определяемого подстроенной моделью. Это является предпочтительной формой осуществления данного изобретения. Резкие изменения реконструируемой диэлектрической проницаемости можно рассматривать как признаки наличия поверхности раздела между двумя материалами, например, текучим материалом в свободном объеме и твердым материалом осадка на граничной поверхности. Когда граничная поверхность лежит во внутренней части целевой области, такое изменение диэлектрической проницаемости может указывать также на местоположение граничной поверхности самого опорного тела. С другой стороны, в случае граничной поверхности, совпадающей с границей целевой области, отсутствие какого-либо явного изменения диэлектрической проницаемости может интерпретироваться как отсутствие материала твердых осадков на граничной поверхности. Таким образом, чтобы подвести итог, в способе данного изобретения поверхность раздела может быть как поверхностью материала твердых осадков, так и граничной поверхностью твердого опорного тела.
Связь между фактическими поверхностями технологического оборудования и граничной поверхностью состоит в том, что опорное тело и его граничная поверхность рассматриваются как моделирующие истинную ситуацию образования твердых осадков и/или износа этих фактических поверхностей. Для хорошей корреляции между образованием твердых осадков и/или износом граничной поверхности, конечно, предпочтительно, чтобы опорное тело было выполнено из того же материала, что и фактическое технологическое оборудование. Например, в случае контроля образования твердых осадков в технологическом трубопроводе, выполненном из некоторого металла, опорное тело предпочтительно также должно быть выполнено из такого же металлического сплава. С другой стороны, в случае электропроводящего опорного тела, электроды должны быть в прямом контакте с целевой областью. Таким образом, электроды предпочтительно также должны быть выполнены из того же электропроводящего материала, что и трубопровод и опорное тело, так чтобы формирование твердых осадков и/или износа происходило на электродах аналогично технологическому трубопроводу и опорному телу вне электродов.
На практике сравнение измеренных и соответствующих смоделированных значений характеристической электрической величины и изменение параметров математической модели, в общем, известно как обратная задача или обратное вычисление. Решение обратной задачи обычно основано на довольно сложных вычислительных алгоритмах, реализуемых, по меньшей мере, частично автоматически посредством соответствующих программ вычисления, установленных в подходящем процессоре. Несколько различных алгоритмов, подходящих для данного изобретения, известны в данной области техники. Некоторые из них рассматриваются ниже в разделе подробного описания данного изобретения.
В общем, вышеупомянутый процесс получения модели целевой области, выполнения связанных с емкостью измерений и подстройки математической модели для уменьшения разности между моделируемыми и измеренными значениями электрической величины, может быть назван томографией на основе электрической емкости (Electrical Capacitance Tomography, ЕСТ). В этой конкретной области более общей электрической томографии принципы, реализация на практическом уровне и различные варианты ЕСТ известны в данной области техники. В известном уровне техники типичным примером использования ЕСТ является отображение многофазного потока, в котором формируется изображение, показывающее области или объемы различных фаз в потоке материала. Пример способа этого вида и различные практические вопросы, связанные с ним, рассмотрены в документе US 7496450 B2.
Таким образом, на общем уровне, основная идея данного изобретения касается использования ЕСТ для контроля образования твердых осадков и/или износа в промышленном технологическом оборудовании, в котором имеется текучий материал. Однако способ данного изобретения не обязательно является истинной томографией в том смысле, что не обязательно формируется законченное изображение, показывающее распределение электрической величины в целевой области. В некоторых случаях поверхность раздела может быть определена на основе подстроенной математической модели, содержащей вместо полного распределения электрической величины во всей целевой области только некоторое упрощенное представление целевой области и поверхности раздела в ней.
В качестве предпочтительной особенности данного изобретения вышеупомянутый шаг подстройки математической модели включает изменение местоположения граничной поверхности, чтобы учесть на шаге определения местоположения поверхности раздела возможный износ граничной поверхности.
Эта особенность основана на наблюдении авторов, которое заключается в том, что в томографии ЕСТ или подобном томографии ЕСТ процессе, применяемом для исследования присутствия возможного слоя твердых осадков на граничной поверхности, оценки для первоначальной электрической величины очень чувствительны к погрешностям в геометрии граничной поверхности. Другими словами, авторы нашли, что уже очень малое неправильное геометрическое моделирование граничной поверхности может приводить к большим погрешностям в оцениваемом распределении диэлектрической проницаемости. На практике это может быть видно в ошибочно определяемом присутствии материала твердых осадков на граничной поверхности в ситуации, когда вместо какого-либо твердого осадка истинное местоположение граничной поверхности было изменено в результате ее износа. Кроме того, авторы нашли, что влияние неправильного геометрического моделирования и влияние лежащего в основе распределения диэлектрической проницаемости могут быть, до некоторой степени, отделены друг от друга; это означает, что возможные изменения граничной поверхности вследствие износа могут быть оценены вместе с распределением диэлектрической проницаемости. Поэтому целевая область должна быть определена с высокой точностью. Независимо от этого, могут возникать значительные погрешности, если местоположение граничной поверхности изменяется относительно начального. На практике это может быть видно в ошибочно определяемой толщине материала твердых осадков на граничной поверхности в ситуации, когда вместо каких-либо твердых осадков истинное местоположение граничной поверхности было изменено в результате ее износа.
Принципом упомянутого изменения граничной поверхности является то, что в дополнение к фактической параметризации, связанной со значениями электрической величины, изменяется также местоположение и/или геометрия граничной поверхности для нахождения математической модели, наилучшим образом согласующейся с измеренными результатами. Другими словами, и параметризация формы граничной поверхности, и параметры, определяющие значения характеристической электрической величины, изменяются одновременно. Это эффективно уменьшает вероятность ошибочных ситуаций, описанных выше, и позволяет обнаруживать изменение местоположения граничной поверхности в результате износа. С другой стороны, упомянутое определение истинного местоположения граничной поверхности позволяет использовать способ также для применений, в которых основной интерес представляет не образование твердого осадка, а износ граничной поверхности, при этом присутствие слоя твердых осадков, возможно, является вторичным объектом, представляющим интерес, или вообще исследуется.
В случае граничной поверхности, лежащей действительно во внутренней части целевой области, упомянутое изменение местоположения граничной поверхности включает изменение геометрии части опорного тела в целевой области. В случае, когда граничная поверхность ограничивает целевую область, упомянутое изменение включает изменение геометрии всей целевой области.
Как известно специалистам в области электрической томографии, математическая модель, используемая в качестве численной аппроксимации целевой области, должна быть разделена на пиксели (двумерный случай) или объемные элементы (воксели) (трехмерный случай), каждый из которых представляет физические свойства целевой области в этом конкретном местоположении. Чем плотнее эта дискретизация, тем более детальная реконструкция целевой области может быть сформирована, но, с другой стороны, тем большая вычислительная мощность требуется для решения обратной задачи.
В предпочтительной форме осуществления данного изобретения, чтобы оптимизировать точность определения местоположения поверхности раздела и, таким образом, осаждения твердых осадков и/или износа граничной поверхности, используется дискретизация, имеющая переменную плотность, которая увеличивается по направлению к граничной поверхности. Это может быть реализовано, например, выбором плотной дискретизации в пределах определенного расстояния от граничной поверхности и другой, более грубой, дискретизации в других местах. Также могут быть несколько различных зон, каждая из которых имеет по-другому устроенную дискретизацию. Плотность дискретизации также может непрерывно изменяться в целевой области.
Геометрия опорного тела, поддерживающего электроды для измерений характеристической электрической величины, может изменяться в зависимости от рассматриваемого применения. В одной форме осуществления изобретения опорное тело выполнено в виде полого тела, а граничная поверхность является внутренней поверхностью этого полого тела. В этой форме осуществления изобретения опорное тело может быть выполнено как часть технологического трубопровода.
В качестве другого примера подходящей геометрии и конфигурации, опорное тело может быть выполнено в виде стержня, при этом граничная поверхность является поверхностью стержня. В качестве еще одного варианта опорное тело может быть выполнено в виде пластинчатого тела, при этом граничная поверхность является одной из двух его основных поверхностей. Основная поверхность пластинчатого тела относится к телу, имеющему две по существу противоположные поверхности, то есть основные поверхности, на расстоянии друг от друга, и одну (например, в случае круглой пластины) или несколько боковых поверхностей, соединяющих основные поверхности; основные поверхности и боковые поверхности определяют границу трехмерного тела. Эти конфигурации делают возможным очень гибкое размещение опорного тела и электродов в технологическом оборудовании. В одной конкретной форме осуществления изобретения, подходящей для контроля осесимметричных процессов, электроды могут располагаться в виде ряда кольцеобразных электродов, окружающих плечо стержня. С электродами этих видов трехмерная обратная задача может быть решена только в двух направлениях: осевом направлении по оси стержня и радиальном направлении. Это упрощает расчет трехмерной системы.
Как уже рассмотрено выше, граничная поверхность может ограничивать целевую область, то есть определять ее границу. Этот подход, в частности, полезен для случаев, когда опорное тело выполнено из электропроводящего материала, например металла. Металлическое опорное тело может использоваться при высоких температурах и давлениях, таким образом, позволяя использовать измерения ЕСТ в различных жестких условиях окружающей среды. Альтернативно, граничная поверхность может лежать во внутренней части целевой области так, чтобы целевая область простиралась позади граничной поверхности. Таким образом, в этом случае по меньшей мере часть опорного тела включена в целевую область. Это размещение является подходящим при использовании электроизолирующего опорного тела.
Выше способ был описан только в отношении фактических вычислительных шагов. Однако, в пределах объема данного изобретения, способ также включает подготовку множества электродов, расположенных в соединении с целевой областью для измерения емкости и поддерживаемых твердым опорным телом, которое имеет граничную поверхность в целевой области, и измерение характеристической электрической величины для множества пар групп электродов.
Согласно аспекту устройства, принципы данного изобретения могут быть реализованы также в устройстве для определения местоположения поверхности раздела в целевой области между свободным объемом текучего материала и твердым материалом, ограничивающим упомянутый свободный объем; устройство содержит по меньшей мере одно запоминающее устройство и по меньшей мере один процессор, соединенный по меньшей мере с одним запоминающим устройством; причем по меньшей мере одно запоминающее устройство содержит команды программного кода, которые при их исполнении по меньшей мере одним процессором обеспечивают выполнение устройством шагов, описанных выше в контексте аспекта способа.
По меньшей мере одно запоминающее устройство и по меньшей мере один процессор могут быть реализованы, например, в виде одного или более компьютеров, причем для выполнения шагов способа устанавливается подходящий код компьютерной программы.
Аналогично способу, предпочтительной особенностью устройства является то, что шаг подстройки математической модели включает изменение местоположения граничной поверхности, чтобы учесть на шаге определения местоположения поверхности раздела возможный износ граничной поверхности.
Все, что описано выше в отношении преимуществ, подробностей и предпочтительных особенностей в контексте аспекта способа данного изобретения, применимо с соответствующими изменениями также к устройству согласно данному изобретению.
Устройство согласно данному изобретению описано выше как содержащее только вычислительные средства. Аспект устройства данного изобретения может быть реализован также в полной измерительной системе, содержащей, в дополнение к такому устройству, также множество электродов, расположенных в соединении с целевой областью для измерения емкости и поддерживаемых твердым опорным телом, которое имеет граничную поверхность в целевой области, и устройство измерения, сконфигурированное для выполнения измерений характеристической электрической величины для множества пар групп электродов.
Наконец, принципы данного изобретения могут быть реализованы также в форме компьютерной программы, содержащей код программы, который, при его исполнении процессором, обеспечивает выполнение процессором описанного выше способа.
Краткое описание чертежей
Ниже данное изобретение описывается со ссылкой на приложенные чертежи.
На фиг. 1 показан схематический вид в разрезе электроизолирующего опорного тела с расположением электродов.
На фиг. 2 показан схематический вид в разрезе электропроводящего опорного тела с расположением электродов.
На фиг. 3 показана блок-схема способа определения образования твердых осадков и/или износа в технологическом оборудовании.
На фиг. 4 показан пример дискретизации целевой области в математической модели, представляющей целевую область.
На фиг. 5 показан схематический вид сбоку другого типа опорного тела с расположением электродов.
На фиг. 6 показан еще один тип опорного тела с расположением электродов.
На фиг. 7 показан пример системы для определения образования твердых осадков и/или износа в технологическом оборудовании.
Подробное описание форм осуществления изобретения
На фиг. 1 схематично показано поперечное сечение электроизолирующего трубопровода 1, формирующего опорное тело, на внешней поверхности которого закреплены восемь электродов 2 для выполнения измерений одной или более зависящих от емкости электрических величин в целевой области 3, содержащей внутренний объем 4 технологического трубопровода 1, а также стенку трубопровода. Таким образом, в примере на фиг. 1 граница целевой области 3 совпадает с внешней поверхностью трубопровода 1 и внутренними поверхностями электродов 2 на нем. В качестве варианта электроды могут быть по меньшей мере частично встроены в стенку трубопровода.
Электроизолирующий трубопровод 1 окружен цилиндрической металлической оболочкой 5, содержащей выступы 6, проходящие радиально от оболочки к внешней поверхности трубопровода 1. Для выполнения измерений металлическая оболочка и ее выступы заземлены (не показано на чертеже) и служат экраном, чтобы изолировать систему электродов и целевую область от окружения и препятствовать электродам “видеть” друг друга прямо через внешнюю область электроизолирующего трубопровода. При отсутствии таких выступов материал (материалы) между металлической оболочкой 5 и внешней поверхностью трубопровода 1 также влияет (влияют) на связанные с емкостью измерения. В таком случае целевая область должна простираться до внутренней границы металлической оболочки для учета этого влияния при вычислениях.
Внутренний объем 4 трубопровода 1 заполнен технологическим материалом, текущим через трубопровод. Материал 7 твердого осадка образуется из веществ, входящих в текущий материал, на внутренней поверхности 8 трубопровода, формирующей граничную поверхность внутреннего объема 4 трубопровода, и, таким образом, изменяет свободный объем для потока материала. Если процесс образования твердых осадков продолжится, то трубопровод может даже полностью закупориться, таким образом, препятствуя потоку через него.
Другое изменение по сравнению с начальной ситуацией может состоять в том, что материал электроизолирующего трубопровода 1 был разрушен в одном месте внутренней поверхности 8 трубопровода так, что на нем сформовалась небольшая выемка 9. Выемка также изменяет режим течения в трубопроводе 1. В дополнение к изменению режима течения, эрозия может, в конце концов, привести к разрушению трубопровода в результате сквозного износа стенки трубопровода.
Альтернативный пример организации измерений, позволяющей определить твердые осадки и износ в технологическом трубопроводе, показан на фиг. 2. Существенным отличием по сравнению с фиг. 1 является электропроводящий технологический трубопровод 11, выполненный, например, из некоторого металла. С точки зрения измерения значений зависящей от емкости электрической величины для электропроводящего трубопровода необходимы электроды 12, находящиеся в непосредственном контакте с внутренним объемом 14 трубопровода. В данной ситуации целевая область 13, в которой должны выполняться измерения, ограничена электродами и самой внутренней поверхностью 18 электропроводящего трубопровода. Кроме того, из-за электропроводящего материала трубопровода 11 каждый электрод электрически изолирован от трубопровода посредством тонкого электроизолирующего слоя 15, расположенного между электродом и стенкой трубопровода.
Также в ситуации, показанной на фиг. 2, имеется твердый осадок 17, сформированный на внутренней поверхности 18 трубопровода, причем процесс износа разрушил внутреннюю поверхность 18 трубопровода и один из электродов, сформировав на нем небольшую выемку 19. Конечно, такая выемка могла простираться также на области, большие, чем только один электрод.
На фиг. 1 и 2 на трубопроводах были установлены восемь и десять электродов, соответственно. Однако они являются только примерами, не ограничивающими применимость данного изобретения к любому числу электродов, соответственно сконфигурированных для измерения емкостей или других зависимых от емкости электрических величин между электродами. Кроме того, фиг. 1 и 2 поясняют виды в разрезе технологических трубопроводов и только одного кольца электродов и, таким образом, относятся к двумерной целевой области. Однако возможно измерять и контролировать трехмерную целевую область посредством расположения электродов в несколько колец или слоев вдоль осевого направления технологического трубопровода.
Определение образования твердых осадков и износа в технологическом оборудовании, таком как трубопроводы, показанные на фиг. 1 и 2, объясняется ниже со ссылкой на блок-схему, показанную на фиг. 3.
Прежде всего, в качестве важного шага способа, создают математическую модель целевой области и сохраняют ее, например, в запоминающем устройстве компьютера. Математическую модель строят так, чтобы она содержала достаточную информацию для определения емкостей или других зависящих от емкости электрических величин между различными парами электродов или парами групп электродов. Информация, необходимая для такого определения, может включать, например, распределение диэлектрической проницаемости в целевой области 3, 13. На практике модель является численным представлением физической целевой области и содержит информацию о свойствах материала в целевой области, достаточную для того, чтобы оценки выбранных значений характеристической электрической величины, которые будут измеряться электродами, могли быть определены на основе этой информации. Численная модель разделена на множество дискретных узлов или ячеек, каждая из которых представляет конкретное местоположение в целевой области. В данном изобретении самой интересной зоной в целевой области является зона, прилегающая к внутренней поверхности 8, 18 технологического трубопровода, которая образует граничную поверхность свободного внутреннего объема 4, 14 трубопровода. Чтобы сделать возможным достаточно точное определение твердых осадков и/или износа, дискретизацию модели осуществляют более плотно в областях вблизи этой граничной поверхности, и, чтобы сэкономить необходимые вычислительные ресурсы, более грубо в центре внутреннего объема трубопровода. Пример геометрии модели 21, соответствующей устройству с десятью электродами, показанному на фиг. 2, и ее дискретизации показан на фиг. 4.
В то время как модель дает оценку истинной целевой области и выбранной физической величины (величин), описывающей (описывающих) материал (материалы) в целевой области, требуется также информация о фактической ситуации. Это реализуется получением, то есть измерением или получением легко измеряемых емкостей между группами электродов 2, 12. Под группой электродов понимается один или более электродов. Например, емкость может измеряться между первой группой только из одного электрода и другой группой, содержащей, например, два, три или более других электродов.
Измерения емкости могут выполняться согласно известным в данной области техники принципам. В общем, в области томографии ЕСТ измерения обычно выполняются следующим образом. К одному из электродов (электроду возбуждения) прикладывается напряжение питания (например, прямоугольной, синусоидальной или пилообразной формы), в то время как другие электроды заземляются. Между всеми парами электродов измеряются емкости (в этом примере каждая “группа” электродов содержит только один электрод). Измерение емкости повторяется так, чтобы каждый из электродов использовался как электрод возбуждения. Поэтому, как правило, если есть N электродов в измерительной системе, то получают N*(N-1)/2 независимых значений емкости. Емкости зависят от распределения диэлектрической проницаемости в целевой области. Распределение диэлектрической проницаемости целевой области затем может быть оценено на основании набора результатов измерений емкости. На основании распределения диэлектрической проницаемости могут быть исследованы поведение и/или некоторые физические величины лежащего в основе процесса.
Хотя емкость используется как электрическая величина, которая должна измеряться в примере процесса на фиг. 3 и в вышеприведенном описании, важно отметить, что любая другая электрическая величина, которая пропорциональна емкости, то есть любая зависящая от емкости электрическая величина, также может быть выбрана для использования в измерениях и вычислениях.
Например, измерение емкости обычно означает подачу напряжения для заряда конденсатора и измерение тока при разряде конденсатора. На практике диэлектрическая проницаемость материала обычно представляет собой комплексную величину, имеющую, следовательно, действительную и мнимую части. При наблюдении в режиме переменного тока комплексная диэлектрическая проницаемость материала влияет как на амплитуду, так и на фазу тока разряда. Измерение амплитуды дает информацию только о действительной части диэлектрической проницаемости, тогда как информация о фазе связывает измерение с комплексной частью диэлектрической проницаемости. В качестве альтернативы комплексной диэлектрической проницаемости можно рассматривать также комплексную емкость. Если учитывается и фазовая, и амплитудная информация в подаваемых и измеряемых сигналах, распределение удельной электропроводности в целевой области потенциально также может быть оценено. Когда нужно получить информацию о фазе, предпочтительно используют синусоидальное напряжение питания.
Когда получены необходимые результаты измерения, значения емкости или другой зависящей от емкости электрической величины, определяемые моделью, сравнивают с измеренными результатами и осуществляют подстройку модели, то есть ее параметров, так, чтобы уменьшить разность между моделируемыми и измеренными значениями. Цель состоит в том, чтобы найти распределение диэлектрической проницаемости в целевой области, для которой результат численной модели близко соответствует измерениям. При сравнении и подстройке могут использоваться принципы и алгоритмы, известные в области томографии ЕСТ и в области математики, связанной с решением обратной задачи. Например, при формировании полной реконструкции распределения диэлектрической проницаемости в целевой области, алгоритмы реконструкции изображения могут быть, в общем, неитерационными или итерационными алгоритмами. Среди первой группы алгоритмов простым и быстрым алгоритмом является алгоритм линейного обратного проецирования (Linear Back-Projection, LBP). В способе LBP зависимость между емкостью и распределением диэлектрической проницаемости может быть аппроксимирована в линейной нормированной форме следующим образом:
где B - нормированный вектор емкости, S - матрица чувствительности преобразователя (отношения нормированной емкости к нормированной диэлектрической проницаемости) и X нормированный вектор диэлектрической проницаемости. Задача анализа заключается в нахождении X, в то время как вектор B известен и матрица S заранее задается требуемым образом.
Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость стенки трубопровода может рассматриваться как неизвестный параметр, который необходимо оценить, но обычно его геометрия и значение диэлектрической проницаемости по меньшей мере приблизительно известны, и эта информация может использоваться при реконструкции изображения.
В качестве существенной особенности, на шаге подстройки математической модели изменяют местоположение граничной поверхности. Целью этого изменения является учет возможного износа граничной поверхности, то есть изменения ее местоположения. Таким образом, принципом является параметризация искомой границы и оценка параметров границы одновременно с фактическим распределением диэлектрической проницаемости. Этот подход основан на том наблюдении авторов, что и геометрия, и диэлектрической проницаемость в целевой области влияют на измерения ЕСТ, и их влияния (по меньшей мере до некоторой степени) ортогональны друг другу. Изменение и оценка параметров формы целевой области и распределения диэлектрической проницаемости могут быть основаны на байесовском подходе к решению обратной задачи, в котором конструируют статистическую модель для влияний вследствие изменений в геометрии. Ниже это рассматривается более подробно.
В общем, ключевой шаг при реконструкции изображения ЕСТ включает построение пригодной численной модели контролируемой системы. Модель дает соотношения между распределением диэлектрической проницаемости и взаимными емкостями конфигурации электродов. Цель состоит в том, чтобы при помощи этой модели определить оценку для распределения диэлектрической проницаемости так, чтобы смоделированные емкости близко соответствовали измеренным значениям. При байесовском подходе к решению обратной задачи распределение диэлектрической проницаемости и наблюдаемые данные моделируют как случайные переменные, и цель состоит в том, чтобы определить функцию плотности вероятности распределения диэлектрической проницаемости, обусловленную измерениями. Измерения обычно не дают достаточной информации для того, чтобы существовало уникальное решение; поэтому необходимо использовать подходящие априорные плотности для ε(x). При определении образования твердых осадков и износа цель состоит в том, чтобы определить местоположение поверхности раздела, то есть границы твердых осадков или граничной поверхности опорного тела, и, таким образом, уместно использовать априорные модели, которые сохраняют края, существующие в фактическом распределении диэлектрической проницаемости. Примерами подходящих непараметрических “сохраняющих края” априорных моделей являются априорная полная вариация и специально разработанное априорное гауссовское распределение. В зависимости от применения и цели, которая будет отображаться, может быть предпочтительным использовать параметрические модели для описания цели. Параметрическая модель выбирают так, чтобы описать быстрые пространственные изменения распределения диэлектрической проницаемости.
Статистические свойства шума измерения влияют на качество реконструированных изображений, и с байесовским подходом статистика шума измерения может быть смоделирована и учтена в вычислениях. Численная модель, необходимая при отображении ЕСТ, является аппроксимацией фактического поведения измерительной системы. По меньшей мере модель страдает из-за погрешностей вследствие численной аппроксимации управляющей непрерывной математической модели. Кроме того, моделирование системы может быть трудным, потому что геометрия обычно полностью не известна из-за механических допусков изготовления. Кроме того, малые изменения внешних условий измерения (являющихся результатом, например, изменения размеров из-за теплового расширения) могут приводить к дополнительным погрешностям в оцениваемых распределениях диэлектрической проницаемости, так как их влияния не связаны непосредственно с используемой моделью. Влияния этих видов неопределенности моделирования можно до некоторой степени компенсировать, используя подход к погрешности аппроксимации, в котором статистическую модель конструируют для влияний неопределенностей модели с использованием численного моделирования. Байесовский подход к решению обратной задачи представляет собой естественную основу для включения информации о погрешностях модели при реконструкции изображения.
Цель байесовского подхода к решению обратной задачи состоит в том, чтобы определить функцию плотности вероятности первоначальной величины, обусловленную наблюдениями. В практических применениях обычно необходимо определить некоторые точечные оценки для определения конкретного вида ситуации на датчике ЕСТ. Вычисление точечных оценок обычно приводит к проблемам оптимизации, которые решаются с использованием метода Ньютона или метода Гаусса-Ньютона. Альтернативно, другая популярная точечная оценка представляет собой (условное) ожидаемое значение, которое обычно ищется с использованием методов интегрирования на основе выборки, таких как методы Монте-Карло с цепями Маркова.
После осуществления подстройки математической модели так, чтобы имелась достаточная согласованность между результатами измерения и моделью, местоположение поверхности раздела в целевой области, то есть граничную поверхность 8, 18 или поверхность 10, 20 материала твердых осадков 7, 17 на ней, определяют на основании подстроенной модели. Практически, его обычно определяют на основе некоторых резких изменений определяемых моделью значений электрических величин, таких как диэлектрическая проницаемость. Отсутствие такого резкого изменения приводит к определению граничной поверхности как поверхности раздела. Эта ситуация является указанием на отсутствие твердых осадков на граничной поверхности.
Опорное тело, такое как трубопроводы 1, 11, показанные на фиг. 1 и 2, не обязательно должно принадлежать фактическому технологическому оборудованию, которое необходимо контролировать, но может предоставляться в виде отдельного измерительного зонда, расположенного в технологическом оборудовании. Чтобы обеспечить достаточно похожее поведение опорного тела и самого фактического технологического оборудования и, таким образом, обеспечить надежность определения образования твердых осадков/износа на основе контроля твердых осадков на опорном теле и/или его износа, опорное тело предпочтительно должно быть выполнено из того же материала, что и фактическое технологическое оборудование.
Таким образом, способ, показанный на фиг. 3, представляет собой надежный способ определения наличия твердых осадков и/или износа в технологическом оборудовании. Скорость образования твердых осадков и/или износа также может быть определена при решении обратной задачи с течением времени с использованием последовательных измерений.
В случаях, когда можно предположить, что образование твердых осадков или износ в технологическом процессе являются равномерными (например, когда твердый материал равномерно осаждается на стенках трубопровода или сосуда), можно уменьшить вычислительные затраты способа, воспользовавшись преимуществом симметрии. На фиг. 5 показан стержень 31, формирующий опорное тело, и конфигурация электродов, в которой множество кольцевых электродов 32 закреплены на поверхности 38 опорного тела, имеющего форму стержня. Потенциальные поля, создаваемые электродами в виде кольца, являются осесимметричными. Таким образом, аппроксимация методом конечных элементов (Finite Element Method, FEM), используемая для моделирования целевой области, может выполняться только в двух измерениях (осевом и радиальном), что заметно уменьшает вычислительную сложность.
В качестве еще одного варианта опорное тело может быть выполнено в виде простого пластинчатого тела 41, как в измерительном зонде 40, показанном на фиг. 6. Приводимый в качестве примера измерительный зонд 40 на фиг. 6 сконфигурирован для установки сквозь стенку цилиндрического сосуда так, чтобы фактическое опорное тело 41, имеющее на себе множество электродов 42, было обращено к внутреннему пространству сосуда. Задняя сторона измерительного зонда имеет соединители 46 для подключения электродов 42 к соответствующей электронной аппаратуре для измерений. В примере, показанном на фиг. 6, имеются электроды 42 различных размеров.
Граничная поверхность 48 опорного тела имеет искривленную форму, совпадающую с внутренней поверхностью стенки цилиндрического сосуда. Конечно, граничная поверхность пластинчатого опорного тела также может быть плоской или иметь некоторую другую неплоскую форму, отличную от искривленной формы, показанной на фиг. 6. Также следует отметить, что толщина “пластинчатого” опорного тела может изменяться согласно условиям соответствующего фактического применения.
Фиг. 7 схематично иллюстрирует систему 50, с помощью которой может выполняться описанный выше способ. В операционном ядре системы имеется компьютер 51, содержащий соответствующее число схем запоминающих устройств и процессоров для хранения математической модели и выполнения вычислительных шагов способа. Кроме того, система содержит электронный измерительный блок 52 и измерительный зонд 53, включающий кольцевое опорное тело и множество электродов. Опорное тело и электроды могут быть сконфигурированы, например, так, как показано на фиг. 2. Электронный измерительный блок подключен к компьютеру так, чтобы этот блок мог управляться компьютером и чтобы результаты измерения могли передаваться в компьютер и приниматься им для дальнейшей обработки. Компьютер содержит программный код, сконфигурированный для управления компьютером для выполнения шагов способа, описанного выше. В результате выполнения системой способа создается изображение 54 целевой области на основе реконструированного распределения диэлектрической проницаемости в целевой области внутри кольцевого опорного тела измерительного зонда 53. На изображении показан твердый осадок на граничной поверхности опорного тела или ее износ.
Специалистам в данной области техники очевидно, что с развитием технологии основная идея изобретения может быть реализована различными путями. Поэтому изобретение и формы его осуществления не ограничены описанными выше примерами; напротив, они могут свободно изменяться в пределах формулы изобретения.