Определение электрического свойства материалов в целевой области
DETERMINATION OF ELECTRIC PROPERTIES OF MATERIALS IN TARGET AREA

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в общем, к контролю технологических процессов, в которых перерабатываемый материал хранят или транспортируют в трубопроводах, резервуарах или контейнерах. А именно, настоящее изобретение относится к способам и устройствам, а также программным кодам для реализации упомянутых способов, предназначенных для контроля различных внутренних условий в технологическом оборудовании, за счет определения представляющего интерес электрического свойства одного или более материалов, находящихся в целевой области. Упомянутые внутренние условия могут относиться, например, к границам раздела фаз, смешиванию или границам материалов в упомянутом технологическом оборудовании, и/или к контролю осадка или образования других типов отложений на поверхности подобного оборудования.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способы исследования, основанные на электрической томографии, например, с формированием изображений электрической томографии, включают различные способы исследования, или контроля, целевой области на основе определения оценки представляющего интерес электрического свойства для одного или более материалов, находящихся в целевой области, путем не инвазивных измерений представляющего интерес электрического свойства, или вторичной измеримой электрической величины, зависящей от первичного представляющего интерес электрического свойства. Таким представляющим интерес электрическим свойством может быть, например, диэлектрическая проницаемость или проводимость материалов, находящихся в целевой области.
Подобные способы основаны на сравнении измеренных значений измеримой электрической величины и соответствующих результатов моделирования, проведенного с использованием модели наблюдений для аппроксимации условий в целевой области, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области.
Представляющее интерес электрическое свойство также может использоваться в качестве индикатора различных состояний материала в целевой области. К примеру, когда определяют оценку диэлектрической проницаемости в целевой области, резкие пространственные изменения диэлектрической проницаемости, могут указывать на границы раздела между различными материалами или фазами материала.
В некоторых областях применения одним конкретным типом состояния материала в целевой области может быть потенциальное наличие так называемого осадочного материала на поверхности оборудования. В некоторых областях техники, например, в нефтегазовой отрасли, соответствующее явление может называться просто осаждением. Образование осадков представляет собой общеизвестную проблему засорения, которая может возникать во множестве различных применений в перерабатывающей промышленности. Под образованием осадка, которое также часто называют засорением, в общем случае понимают нежелательное отложение или накопление материала на поверхности труб, резервуаров или других контейнеров, используемых для транспортировки или хранения текуче-сыпучих материалов.
В результате образования осадков, или в общем случае, осаждения, на поверхности технологического оборудования образуется дополнительный слой твердого материала. Соответственно, свободная внутренняя зона (площадь или объем) в трубопроводе или другом контейнере, доступная для заполнения текуче-сыпучим материалом, изменяется. Это может приводить к множеству различных проблем. Так, например, изменение формы свободного внутреннего объема вызывает завихрения в потоке текучей среды. Уменьшение поперечного сечения свободного внутреннего объема технологического трубопровода как минимум повышает гидродинамическое сопротивление трубопровода. В предельном случае трубопровод может быть полностью засорен, и тогда соответствующий технологический процесс будет остановлен.
Для предотвращения серьезных проблем, например, в связи с внезапным засорением технологического трубопровода, или для оптимизации расхода ингибиторов отложений или периода очистки трубопровода, предпочтительно иметь возможность контролировать ситуацию с отложениями и ее развитие во времени.
С точки зрения определения представляющего интерес электрического свойства в свободной внутренней зоне, внутри целевой области, осадок или другие типы отложений, могут приводить к ошибочным оценкам условий, связанных с представляющим интерес электрическим свойством в свободной внутренней зоне. Соответственно, их воздействие на измерения необходимо компенсировать. В других областях применения основной интерес могут представлять сами отложения и их свойства.
На существующем уровне техники осадок или другие типы отложений контролируют или диагностируют с использованием технологий, подразумевающих использование камер, которые устанавливают в контролируемое технологическое оборудование, с использованием акустических (как правило, ультразвуковых) методов, или при помощи чисто механических методов, подразумевающих установку специальных интеллектуальных тестовых объектов на стенки технологического трубопровода. Недавно, в заявке WO 2014/118425 А1 было предложено решение, обеспечивающее контроль осадка с использованием процесса электрической емкостной томографии (ЕСТ).
Помимо осадка другим примером явления, которое может мешать определению свойств материала во внутренней зоне целевой области, является кольцевое течение, образующее граничный слой материала, отличного от основного материала во внутренней зоне, на внутренней поверхности технологического трубопровода или другого технологического оборудования. В качестве конкретного примера, в нефтегазовой отрасли, такое кольцевое течение может быть образовано водой. Аналогично осадку, кольцевое течение материала, отличного от материала (или материалов) во внутреннем объеме, необходимо учитывать при анализе, чтобы исключить ложные выводы об условиях во внутренней зоне.
В некоторых областях применения было бы предпочтительно, если бы одновременно, в одной процедуре, достоверно могли бы быть определены свойства осадка, или граничного слоя иного типа, а также условия материалов во внутреннем объеме, ограниченном этим граничным слоем.
Во всех рассмотренных выше вариантах осуществления настоящего изобретения важным является следующее: модель наблюдений и аппроксимации представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области, должны учитывать реальную применяемую конфигурацию и геометрию измерений. Потенциальные расхождения в деталях конфигурации и геометрии, используемых для аппроксимации, от фактических, с большой вероятностью приведут к значительным ошибкам в оценке представляющего интерес электрического свойства, и, следовательно, в выводах о состоянии материала в целевой области.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Аспекты, относящиеся к определению представляющего интерес электрического свойства в целевой области, заданы п.п. 1, 9 и 13 формулы изобретения.
В одном из аспектов настоящего изобретения может быть реализован способ определения представляющего интерес электрического свойства в целевой области, в технологическом трубопроводе или контейнере, при этом целевая область расположена в пределах граничной поверхности или, альтернативно, охватывает граничную поверхность, образованную телом технологического трубопровода или контейнера.
Представляющее интерес электрическое свойство может быть любой прямо или косвенно измеримой электрической величиной, например, диэлектрической проницаемостью (которая может быть действительной или комплексной величиной) или удельной проводимостью, или свойством, комбинирующим обе эти величины, таким как удельная комплексная проводимость материала (или материалов), находящегося в целевой области. В случае диэлектрической проницаемости или удельной проводимости, или параметра, комбинирующего эти две величины, предложенный способ может относиться, в общем, к области электрической томографии. Однако представляющее интерес электрическое свойство не ограничено рассмотренными выше примерами. В общем случае предложенный способ может применяться для контроля любых представляющих интерес электрических свойств, которые могут быть измерены, прямо или косвенно, и предпочтительно не инвазивно, т.е. извне целевой области.
Под «целевой областью» понимается представляющая интерес двумерная область или пространственный объем внутри технологического трубопровода или контейнера, где необходимо определить внутренние состояния. Под «технологическим процессом» понимается окружение промышленных процессов любого типа, в особенности тех, где может возникать эффект граничного слоя, например, осадок или кольцевое течение на поверхности технологического оборудования. Подобные типы промышленных процессов существуют, например, в нефтегазодобыче, переработке и транспортировке, других отраслях, основанных на нефтегазовой продукции, в производстве энергии, целлюлозно-бумажной промышленности и пищевой промышленности, без ограничения объема настоящего изобретения только этими примерами.
Телом, образующим упомянутую граничную поверхность, может быть любая конструктивная деталь технологического трубопровода или контейнера. К примеру, им может быть стенка трубопровода или контейнера, и в этом случае граничной поверхностью может быть, например, внутренняя поверхность стенки, или внутренние элементы конструкции, расположенные внутри трубопровода или контейнера.
Технологический трубопровод или контейнер могут быть трубопроводом, контейнером или резервуаром любых типов, подходящими для транспортировки или хранения перерабатываемого материала (или материалов). Перерабатываемые материалы могут иметь жидкую, твердую или газообразную форму.
Способ может быть реализован в виде процедуры электрической томографии, в которой реконструируют условия в целевой области, например, представляющее интерес электрическое свойство материала (или материалов), находящегося в целевой области. Представляющее интерес электрическое свойство, определяемое посредством предложенного способа, может быть представлено в виде изображений, например, в виде двумерных изображений поперечного сечения целевой области. В этом случае способ может относиться к области формирования изображений электрической томографии.
Базовые принципы электрической томографии, включая, например, электрическую импедансную томографию (electrical impedance tomography, EIT) и электрическую емкостную томографию (electrical capacitance tomography, ЕСТ), и их применение в различных областях, должны быть хорошо известны специалистам в данной области техники. При формировании изображений электрической томографии могут применяться различные алгоритмы восстановления изображений, известные на существующем уровне техники. В то же время, описанный выше способ не обязательно должен быть чисто «визуальным» и включать такую реконструкцию изображений. В некоторых областях применения может быть достаточным определить всего лишь один или более характеристических параметров, являющихся указанием или представлением условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству, в целевой области.
Для рассмотренного примера с диэлектрической проницаемостью в качестве представляющего интерес электрического свойства способ может быть, в целом, основан на известных принципах электрической емкостной томографии (ЕСТ). ЕСТ-томография позволяет определять диэлектрическую проницаемость в целевой области. Это может быть реализовано путем конечного восстановления изображения распределения диэлектрической проницаемости в целевой области. Диэлектрическая проницаемость, и в частности, ее изменение может давать информацию о свойствах и распределении материалов внутри целевой области. Типовым примером использования ЕСТ-томографии является формирование изображения многофазного потока в технологическом процессе, при этом формируют изображение, на котором отображены области, или объемы, различных фаз в потоке материала. Один из примеров способа такого типа и различные связанные с ним практические вопросы рассмотрены в документе US 7496450 В2. Недавно авторы настоящего изобретения обнаружили, что ЕСТ-томографию также можно использовать для контроля осаждения (обрастания) нежелательных отложений на поверхности технологического оборудования (а также их возможного износа) в различных технологических процессах.
Предложенный способ включает прием данных измерений, при этом данные измерений представляют измеренные значения измеримой электрической величины, зависящей от представляющего интерес электрического свойства одного или более материалов, находящихся в целевой области, при этом измеренные значения измеряют, или они были измерены, посредством измерительного зонда, имеющего множество измерительных элементов, связанных, с возможностью измерения, с целевой областью.
«Прием» данных измерений, т.е. результатов измерений, измеримой электрической величины может означать просто прием результатов, в форме электронных данных, уже выполненных измерений. Другими словами, способ сам по себе не обязательно должен включать выполнение фактических измерений, то есть, измеренные значения физической величины могут формироваться отдельно и просто приниматься, в качестве составной части способа, в виде данных измерений. Измерения могут выполняться, например, посредством измерительного зонда, с которого результаты измерений передают в устройство, фактически выполняющее анализ. Результаты измерений, или данные измерений, также могут храниться в любых подходящих средствах памяти в составе измерительного зонда, и считываться, или передаваться, из него впоследствии. Такие подходы позволяют, например, получить варианты осуществления настоящего изобретения, в которых результаты измерений, выполненных на измерительном участке, передают электронными средствами в местоположение анализа, где выполняют фактический анализ и определение искомой величины.
Альтернативно, способ также может включать выполнение измерений измеримой электрической величины, в результате чего получают ее измеренные значения. Соответственно, способ также может включать формирование измеренных значений, которые затем принимают собственно для операций анализа в предложенном способе. Такие измерения могут выполняться в соответствии с принципами, известными в области методов томографического контроля, в частности, формирования томографических изображений, например, формирования изображений электрической томографии. Примеры подобных методов включают электрическую импедансную томографию и электрическую емкостную томографию.
Измерения могут выполняться по существу в соответствии с упомянутыми принципами, например, принципами, которые общеизвестны в области различных измерительных технологий и методов томографического контроля. К примеру, в случае, когда в роли представляющего интерес электрического свойства выступают действительные или комплексные значения диэлектрической проницаемости, результаты измерений могут включать сигналы тока, полученные в качестве реакции на различные сигналы возбуждающего напряжения.
Зависимость от представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области, подразумевает также, что само это представляющее интерес электрическое свойство может быть измеримой электрической величиной. Альтернативно, измеримая электрическая величина может быть вторичной электрической величиной, зависящей от, или пропорциональной представляющему интерес электрическому свойству материала (или материалов), находящегося в целевой области. В этом случае представляющее интерес электрическое свойство измеряют косвенно, путем измерения упомянутой измеримой электрической величины.
Под связью, с возможностью измерений, между измерительными элементами и целевой областью понимается способность измерительных элементов подавать измерительные сигналы в целевую область и принимать их из целевой области, в которой находятся один или более материалов, в результате чего на основе этих сигналов могут быть получены наблюдения, т.е. измеренные значения измеримой электрической величины.
Измерительные элементы могут включать, например, проводящие электроды, способные подавать зондирующие сигналы напряжения и/или тока, в целевую область и принимать их из нее. Измерительные элементы могут иметь непосредственный контакт с целевой областью и материалом (или материалами) в ней. Альтернативно, в некоторых областях применения, может присутствовать, например, слой электрически изолирующего материала, или любого другого подходящего материала, не препятствующего связи, с возможностью измерений, между измерительными элементами и целевой областью.
Предложенный способ также включает получение модели наблюдений, описывающей отношение между наблюдениями измеримой электрической величины, соответствующими измерениям, выполненным посредством измерительного зонда, и представляющим интерес электрическим свойством материала (или материалов), находящегося в целевой области. Модель наблюдений может быть получена, например, в соответствии с принципами, известными в области электрической томографии. В общем случае модель наблюдений может описывать упомянутое отношение посредством любых подходящих математических функций, элементов и операций.
Специалистам в данной области техники должно быть известно, что в методах томографического контроля, на практике, необходимо построение предварительной модели оцениваемых параметров. Такая предварительная модель включает модель наблюдений, а также, возможно, одну или более априорных моделей для задания конкретных предварительных или граничных условий для одного или более выражений, параметров или величин в модели наблюдений. Граничные условия могут быть заданы, например, исходя из информации о физических условиях и состояниях материалов реального анализируемого технологического оборудования. Как и модель наблюдений, упомянутые априорные модели, которые могут применяться, также могут быть сформированы в соответствии с принципами, известными на существующем уровне техники. С более широкой точки зрения реализация априорных моделей может пониматься как использование виртуальных наблюдений при моделировании.
Специалистам в области методов электрической томографии должно быть очевидно, что выражение «соответствуют измерениям, выполненным посредством измерительного зонда» означает, что моделированные значения должны соответствовать измеренным в том смысле, что их моделируют для той же самой конфигурации измерений с конкретной схемой размещения измерительных элементов и заданной геометрией измерений, а также для той же самой процедуры измерений с конкретными типами возбуждающих и ответных сигналов, которые предполагаются для использования в фактических, реальных измерениях. Способ также включает получение моделированных данных наблюдений, представляющих моделированные значения измеримой электрической величины, сформированные посредством модели наблюдений для первоначальной аппроксимации представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области.
«Получение» означает, что способ сам по себе не обязательно должен включать определение или формирование упомянутых элементов, то есть, модели наблюдений и/или моделированных данных, но эти элементы также могут формироваться независимо и, в качестве одной из операций способа, может выполняться их прием. Это позволяет, например, создать вариант осуществления настоящего изобретения, в котором модель наблюдений и/или моделированные данные заранее сохраняют, электронным образом, в устройстве, сконфигурированном для выполнения операций предложенного способа. С другой стороны, подобные элементы могут быть сформированы, или определены, собственно в предложенном способе.
Первоначальная аппроксимация представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области, может формироваться в соответствии с известными, типовыми или вероятными условиями, относящимися к искомому электрическому свойству, в целевой области. Эти условия могут зависеть от типа технологического процесса и анализируемых деталей.
После получения измерений и моделированных данных способ включает определение целевой функции, включающей разницу в наблюдениях между измеренными и моделированными значениями измеримой электрической величины, а также одну или более априорных моделей, и определение, на основе целевой функции, скорректированной аппроксимации представляющего интерес электрического свойства материалов, находящихся в целевой области. То есть, целевая функция может быть задана с использованием предварительной модели, описанной выше.
Определение скорректированной аппроксимации на основе целевой функции может включать определение скорректированной аппроксимации образом, дающим уменьшение значения целевой функции. В этом случае целевая функция может рассматриваться как функция минимизации. В случае минимизации значения целевой функции скорректированная аппроксимация может давать уменьшение разницы в наблюдениях. Однако учет в целевой функции также априорной модели (или моделей) может приводить к ситуациям, в которых скорректированная аппроксимация не уменьшает разницу в наблюдениях.
Таким образом, аналогично общим принципам методов томографической реконструкции, измеренные значения измеримой электрической величины могут сравниваться с соответствующими моделированными значениями, вычисленными для заданной первоначальной аппроксимации представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области. На основе сравнения и полученной в результате разницы в наблюдениях, а также с учетом априорной модели (или моделей), определяют новую, скорректированную аппроксимацию условий, относящихся к электрической величине в целевой области, т.е. представляющему интерес электрическому свойству материала (или материалов), находящегося в целевой области. Скорректированная аппроксимация может быть определена таким образом, чтобы для скорректированной аппроксимации модель наблюдений давала моделированные значения измеримой электрической величины, более приближенные к соответствующим измеренным значениям, чем моделированные значения для первоначальной аппроксимации. То есть, скорректированная аппроксимация позволяет добиться уменьшения разницы в наблюдениях. Однако это не всегда так, поскольку целевая функция также включает априорную модель (или модели).
Целевая функция и ее значение, таким образом, является мерой соответствия между наблюдениями, определенными посредством модели наблюдений, с ограничениями согласно априорной модели (или моделям), и фактическими измеренными значениями, на которые влияют реальные условия в целевой области.
На практике сравнение измеренных значений и соответствующих наблюдений согласно аппроксимирующей математической модели и изменение параметров аппроксимирующей математической модели, называют, как правило, обратной задачей или обратными вычислениями. Решение обратной задачи основано, как правило, на достаточно сложных алгоритмах вычислений, выполняемых по меньшей мере частично автоматически посредством подходящих вычислительных программ, установленных на подходящем процессоре. На существующем уровне техники известны несколько различных алгоритмов, пригодных для настоящего изобретения.
Упомянутая коррекция аппроксимации может быть повторяемой, то есть, эта процедура может продолжаться итеративно с дальнейшим понижением значения целевой функции. По достижении достаточно низкого значения, исходя из (последней) скорректированной аппроксимации, получают данные оценки, представляющие оценку представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области.
Определение скорректированной аппроксимации представляющего интерес электрического свойства материалов, находящихся в целевой области, для понижения значения целевой функции является лишь одной из различных возможностей. В альтернативном подходе, например, когда используют байесовский инверсный подход к решению обратной задачи, целевая функция может рассматриваться как апостериорная плотность вероятности, включающая плотности вероятности, заданные моделью наблюдений и априорной моделью (моделями). В этом случае определение скорректированной аппроксимации означает формирование зависимых отсчетов на основе апостериорной плотности для аппроксимации математического ожидания апостериорной плотности.
Данные оценки могут включать оценку в форме множества значений искомой величины, представляющей распределение представляющего интерес электрического свойства в целевой области. Эти данные могут затем использоваться, например, для иллюстрации упомянутого распределения в виде изображения. Альтернативно, данные оценки могут включать только одно или более индикаторных значений представляющего интерес электрического свойства, которые отражают условия, относящиеся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области.
Описанный выше способ может выполняться для определения представляющего интерес электрического свойства одного или более материалов, находящихся в целевой области, в каждый конкретный момент времени. Альтернативно, также возможна реконструкция условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству, в динамике, что позволяет определять развитие условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству, в целевой области во времени.
Оценка представляющего интерес электрического свойства, представленная данными оценки, может рассматриваться как указание на реальные, то есть, истинные условия, относящиеся к представляющему интерес электрическому свойству, в целевой области. Представляющее интерес электрическое свойство, в свою очередь, может рассматриваться как указание на состояние различных материалов в целевой области, например, на смешивание или поверхности раздела между различными материалами или фазами материала, на содержание твердых веществ в жидкости, если упомянуть только несколько примеров. К примеру, резкое изменение в распределении условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству, вблизи граничной поверхности может интерпретироваться как осадок или другой тип граничного слоя, отложенный или иным способом сформированный на этой поверхности.
К примеру, в нефтегазовой промышленности, примеры материалов осадка/отложений могут включать битум, воск, парафин, асфальтен или другие осадочные материалы, попадающие под общий термин «минеральный осадок». Последний может включать, например, смеси на основе карбоната кальция и сульфата кальция, последний может включать, например, гипс. В энергетической отрасли осадок может возникать из-за отложения загрязняющих примесей в воде на поверхности бойлеров. Загрязняющие примеси в воде могут образовывать в бойлерах отложения, включающие, например, кальций, магний, алюминий, сульфат бария и оксид кремния. Осадок образуется, как правило, в виде солей этих веществ.
В качестве одного из примеров граничного слоя другого типа, на внутренней поверхности технологического трубопровода может образовываться кольцевое течение первого материала, при этом первый материал отличается от второго материала, протекающего во внутренней зоне, ограниченной кольцевым потоком в трубопроводе. К примеру, в нефтегазовой промышленности, кольцевое течение может формироваться из воды.
Следует отметить, что области применения предложенного способа не ограничены рассмотренными выше примерами контроля наличия и свойств граничного слоя.
Предложенный способ также включает получение моделированных статистических данных по позиционной погрешности в наблюдениях измеримой электрической величины, вызванной отличием действительной позиции измерительного зонда, определяемой относительно граничной поверхности, от заранее заданной эталонной позиции.
Под «моделированными статистическими данными» понимают статистическую информацию о моделированном воздействии реальной позиции на наблюдения измеримой электрической величины. Моделированные статистические данные по позиционной погрешности формируют, предпочтительно, в соответствии с вероятными действительными позициями в реальной анализируемой целевой области. В принципе, такие статистические данные могут быть сформированы любым образом. Ниже будут более подробно рассмотрены некоторые из предпочтительных примеров, в которых статистические данные формируют, моделируя множество различных действительных позиций и тестовых аппроксимаций условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству. Моделированные статистические данные могут включать, например, информацию о среднем значении и ковариации отклонения позиции вследствие отличий между действительной позицией и эталонной позицией.
«Получение» означает, что способ сам по себе не обязательно должен включать определение или формирование моделированных статистических данных, но моделированные статистические данные могут формироваться независимо и, в качестве одной из операций способа, может выполняться их прием. Это позволяет, например, создать вариант осуществления настоящего изобретения, в котором моделированные статистические данные заранее сохраняют, электронным образом, в устройстве, сконфигурированном для выполнения шагов предложенного способа. С другой стороны, также возможно формирование или определение моделированных статистических данных в предложенным способе, возможно, с использованием одного отдельного устройства, или системы, служащих также для определения моделированных статистических данных.
«Эталонная позиция» означает предопределенную или предполагаемую, нормальную или целевую позицию измерительного зонда относительно базовой поверхности. Под «действительной» же позицией понимают фактическую позицию измерительного зонда, которая может отличаться от эталонной позиции.
Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что если моделированные данные наблюдений формируют, предполагая, что измерительный зонд находится в эталонной позиции, тогда как действительная позиция измерительного зонда во время снятия реальных измерений будет отличаться, то выводы на основе сравнения моделированных и измеренных значений измеримой электрической величины могут приводить к серьезным ошибкам при определении представляющего интерес электрического свойства. Описанный выше отличительный признак, представляющий собой включение в модель наблюдений также позиционной погрешности, к которой упомянутая действительная позиция приводит в наблюдениях измеримой электрической величины, может в значительной мере решить эту проблему, и дать в результате значительное повышение достоверности определения представляющего интерес электрического свойства.
Моделированные статистические данные предназначены для использования в предложенном способе в качестве предварительных или граничных условий для позиционной погрешности, что позволяет учесть возможную разницу между действительной позицией измерительного зонда в ходе измерений и эталонной позицией.
Итак, для учета возможных отклонений измерительного зонда от его эталонной позиции, в предложенном способе получают модель наблюдений, таким образом, чтобы заданные наблюдения измеримой электрической величины соответствовали измерениям, выполненным с использованием измерительного зонда в эталонной позиции, и зависели от позиционной погрешности, которую вносит в наблюдения действительная позиция, и при этом определяют, что позиционная погрешность ведет себя в соответствии с моделированными статистическими данными по позиционной погрешности.
Соответствие наблюдений измеримой электрической величины измерениям, выполненным с использованием измерительного зонда в его эталонной позиции относительно граничной поверхности, означает, что в модели наблюдений конфигурация и геометрия измерений совпадают с целевой или нормальной ситуацией, когда измерительный зонд с измерительными элементами расположен в эталонной позиции. Очевидно, действительная позиция измерительного зонда в ходе измерений может не совпадать с этим предположением. В этом смысле модель наблюдений является «приблизительной» поскольку в ней непосредственно не моделируется отклонение от эталонной позиции. Вместо этого воздействие потенциального отклонения от эталонной позиции моделируют посредством позиционной погрешности, которую действительная позиция вносит в наблюдения. Когда действительная позиция совпадает с эталонной позицией, позиционная погрешность, очевидно, равна нулю.
Другими словами, фактические моделированные значения могут вычисляться, возможно ошибочно, по сравнению с фактической конфигурацией и геометрией измерений, в соответствии с предполагаемой конфигурацией, в которой измерительный зонд находится в заранее заданной эталонной позиции относительно граничной поверхности. Затем, влияние реальной позиции измерительного зонда, потенциально отличающейся от эталонной позиции, может быть учтено посредством позиционной погрешности, включенной в модель наблюдений.
За счет ограничения поведения позиционной погрешности в предложенном способе, в соответствии с моделированными статистическими данными по позиционной погрешности, появляется возможность сократить количество степеней свободы оцениваемой позиционной погрешности. На практике позиционная погрешность может оцениваться путем выбора моделированных статистических данных по позиционной погрешности в качестве априорной модели позиционной погрешности. То есть, еще до того, как появляется какая-либо информация о предмете исследования, принимается допущение о том, что позиционная погрешность следует моделированной статистике.
Априорная модель (или модели), таким образом, может иметься в наличии и может использоваться в способе, как для определения позиционной погрешности, так и для аппроксимации условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области.
Моделированные статистические данные, в соответствии с которыми описываемая ими позиционная погрешность должна себя вести, могут в некоторых случаях требовать скорректированной аппроксимации, которая дает увеличение разницы в наблюдениях, хотя общее значение целевой функции при этом понижается. Также как упоминалось выше, определение скорректированной аппроксимации для уменьшения значения целевой области является лишь одной из возможностей.
Помимо использования в модели наблюдений составляющей позиционной погрешности, в общем случае, в предложенном способе могут использоваться принципы, процедуры и алгоритмы, которые сами по себе известны на существующем уровне техники.
В том, что касается описанного конкретного отличительного признака модели наблюдений - определения измеримой электрической величины в зависимости от позиционной погрешности, поведение которой соответствует моделированным статистическим данным, используемый принцип заключается в получении оценки, отличающейся следующим: i) высокое соответствие моделированных и измеренных наблюдений, то есть, моделированных и измеренных значений измеримой электрической величины; ii) оценка обладает свойствами, соответствующими предположениям на основе априорных знаний о целевой области; iii) оценка основана на позиционной погрешности, используемой при моделировании, при этом позиционная погрешность соответствует моделированным статистическим данным.
Таким образом, в результате можно получить реалистичную оценку условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области.
Помимо оценки представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области, также обеспечивается возможность определить, на основе скорректированной аппроксимации представляющего интерес электрического свойства, оценку позиционной погрешности в измеренных значениях, возникающей вследствие того, что действительная позиция измерительного зонда отличается от его эталонной позиции. Исходя из оценки позиционной погрешности, также можно оценить реальную позицию измерительного зонда в ходе измерений.
При получении моделированных статистических данных могут применяться принципы и методы, известные на существующем уровне техники. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения получение моделированных статистических данных по позиционной погрешности включает получение имитационной модели, описывающей отношение между наблюдениями измеримой электрической величины, соответствующими измерениям, выполненным посредством измерительного зонда, и представляющим интерес электрическим свойством материала (или материалов), находящегося в целевой области; и получение моделированных данных по позиционной погрешности в наблюдениях, представляющих моделированные значения измеримой электрической величины, полученные посредством имитационной модели для множества тестовых аппроксимаций представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области, при этом упомянутые данные включают первый набор моделированных значений для измерительного зонда в эталонной позиции и второй набор моделированных значений для измерительного зонда в действительной позиции, и используют множество действительных позиций. Модель наблюдений с позиционной погрешностью, установленной равной нулю, фактически представляет собой модель наблюдений без составляющей позиционной погрешности. Такая версия модели наблюдений, используемая для моделирования позиционной погрешности, может называться имитационной моделью и рассматриваться в качестве таковой.
Имитационная модель может по существу соответствовать модели наблюдений. К примеру, геометрия измерений может быть такой же. Однако, например, в ней может не требоваться составляющая позиционной погрешности.
Таким образом, может быть выбрано множество тестовых аппроксимаций для условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области, и для каждой из них, может быть вычислено два различных набора моделированных значений с использованием модели наблюдений.
Упомянутое использование различных действительных позиций, означает, что по меньшей мере две, и предпочтительно, более, различных смоделированных действительных позиций используют при формировании моделированных значений измеримой электрической величины для множества тестовых аппроксимаций представляющего интерес электрического свойства. К примеру, для каждого типа тестовых аппроксимаций может использоваться уникальная действительная позиция, то есть, в этом случае одну действительную позицию используют только для одного типа тестовой аппроксимации. Альтернативно, каждая отдельная действительная позиция может использоваться для различных тестовых аппроксимаций представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области.
Множество действительных позиций, используемых для получения моделированных данных наблюдений, может выбираться в соответствии с вероятными действительными позициями, ожидаемыми в конкретном анализируемом применении.
Путем получения моделированных значений, моделирующих наблюдения измеримой электрической величины для каждой конкретной тестовой аппроксимации: для случая, когда измерительный зонд расположен в эталонной позиции, и для случая, когда измерительный зонд расположен вне эталонной позиции, в действительной позиции, может быть смоделировано влияние этой конкретной действительной позиции на наблюдения. На основе множества тестовых аппроксимаций и множества различных смоделированных действительных позиций может быть определена статистическая информация по позиционной погрешности, которую предельная погрешность действительной позиции вносит в моделированные наблюдения.
Также, в рассмотренном здесь варианте осуществления настоящего изобретения, получение моделированных статистических данных включает определение, на основе первого и второго наборов моделированных значений, моделированных статистических данных по позиционной погрешности, которую отличие действительной позиции измерительного зонда от его эталонной позиции вносит в моделированные значения измеримой электрической величины.
Как отмечалось выше, моделированные статистические данные затем могут использоваться в предложенном способе для учета возможного отклонения действительной позиции измерительного зонда от его эталонной позиции в ходе измерений. Благодаря этому может быть достигнута высокая точность определения условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области, в форме данных оценки.
С другой стороны, моделированные статистические данные по позиционной погрешности, которую действительная позиция вносит в моделированные наблюдения измеримой электрической величины, и известные смоделированные действительные позиции, используемые при формировании упомянутых моделированных наблюдений физической величины, могут использоваться для определения оценки действительной позиции, которая соответствует реальному положению измерительного зонда, которое, возможно, отличается от его эталонной позиции. Упомянутое определение последней упомянутой выше оценки может фактически означать определение наиболее вероятного действительного положения, внесшего позиционную погрешность, равную полученной оценке, в наблюдения измеримой электрической величины.
В рассмотренных выше операциях все следующие данные: данные измерений, моделированные данные наблюдений, данные оценки, и данные наблюдений позиционной погрешности, могут приниматься и/или предоставляться в походящей электрической форме и формате, позволяющем получить доступ к представленным ими значениям.
Предложенный способ был описан выше только в отношении одной конкретной мгновенной, или стабильной ситуации в целевой области. Очевидно, предложенный способ также может применяться для непрерывного контроля целевой области, при этом ситуацию в целевой области, а именно, условия, относящиеся к представляющему интерес электрическому свойству, определяют непрерывно, или динамически, т.е. для различных, последовательных моментов времени. Также, модель наблюдений может включать информацию не только об отношениях между наблюдениями и условиями, относящимися к представляющему интерес электрическому свойству, и позиционной погрешности, но и о временных зависимостях этих факторов.
Граничная поверхность может охватывать целевую область, т.е. определять по меньшей мере часть ее границы. То, что граничная поверхность охватывает целевую область, означает, что по меньшей мере часть целевой области является ограниченной и ее протяженность, таким образом, задана граничной поверхностью. Такой подход особенно удобен в случаях, когда граничная поверхность выполнена из электрически проводящего материала, например, металла. Металлические поверхности могут использоваться при высоких температурах и давлениях, и в целом, в различных неблагоприятных условиях окружающей среды.
Альтернативно, граничная поверхность может пролегать внутри целевой области, то есть, целевая область может простираться за пределы граничной поверхности. В этом случае по меньшей мере часть тела, поверхность которого образует граничную поверхность, содержится внутри целевой области. Такая конфигурация удобна, например, для использования в случае электрически изолирующей граничной поверхности.
Описанный выше способ может быть реализован для любых подходящих конфигураций и геометрий измерений. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения целевая область может быть расположена во внутреннем объеме технологического трубопровода, при этом измеренные значения измеримой электрической величины могут измеряться посредством измерительного зонда поршневого типа, расположенного внутри технологического трубопровода.
Специалисты в данной области техники должны понимать, что измерительный зонд «поршневого» типа относится к внутритрубным измерениям, при которых используют измерительный зонд, вставляемый и перемещаемый по трубопроводу, т.е. среди материалов, находящихся в трубопроводе, и возможно, протекающих по нему. Таким образом, в отличие от измерительного зонда, неподвижно закрепленного на технологическом трубопроводе или контейнере, позиция измерительного зонда поршневого типа может меняться, поскольку такой измерительный зонд не крепят к неподвижным деталям конструкции.
Вследствие того, что местоположение измерительного зонда поршневого типа в технологическом трубопроводе может все время меняться, позиция измерительного зонда относительно заранее заданной граничной поверхности также может меняться. Соответственно, предложенный способ позволяет получить особые преимущества при внутритрубном применении, за счет учета, при определении условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству, того, что позиция измерительного зонда может отличиться от предполагаемой или типовой эталонной позиции.
В вариантах осуществления настоящего изобретения, где используют измерительный зонд поршневого типа, граничная поверхность может включать, например, внутреннюю поверхность технологического трубопровода.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения измерительный зонд поршневого типа в своей эталонной позиции может располагаться в центре технологического трубопровода.
Измерительный зонд поршневого типа может иметь удлиненную форму, при этом может потребоваться, чтобы его продольная ось, при фактическом использовании, была расположена вдоль продольного направления технологического трубопровода. Таким образом, в данном варианте осуществления настоящего изобретения, эталонная позиция измерительного зонда означает позицию, в которой продольная ось измерительного зонда расположена вдоль продольного направления технологического трубопровода. Также, в данном варианте осуществления настоящего изобретения, эталонная позиция может означать позицию в центре технологического трубопровода.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения, где измеренные значения измеримой электрической величины измеряют посредством измерительного зонда поршневого типа, расположенного внутри технологического трубопровода, измерительный зонд поршневого типа может иметь деформируемую внешнюю поверхность, имеющую эталонную форму, при этом измерительные элементы расположены на этой внешней поверхности. То есть, под эталонной формой понимают исходную, или желаемую, форму внешней поверхности измерительного зонда. Деформируемость может быть следствием эластичности или гибкости материала, из которого выполнено тело измерительного зонда. К примеру, подобный материал может включать резину или уретан.
В данном варианте осуществления настоящего изобретения предложенный способ также включает получение моделированных статистических данных по погрешности формы в наблюдениях измеримой электрической величины, вызванной отличием действительной формы внешней поверхности измерительного зонда от эталонной формы. При этом модель наблюдений получают таким образом, чтобы описать наблюдения измеримой электрической величины как зависимые также от погрешности формы, которую действительная позиция вносит в наблюдения, при этом определяют, что погрешность ведет себя в соответствии с моделированными статистическими данными по погрешности формы. На практике, аналогично позиционной погрешности, погрешность формы может оцениваться путем выбора моделированных статистических данных по погрешности формы в качестве априорной модели погрешности формы.
Таким образом, в данном варианте осуществления настоящего изобретения, модель наблюдений определяет, что измеримая электрическая величина зависит одновременно от позиционной погрешности и погрешности формы. То есть, при определении представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области, могут учитываться одновременно потенциальные отклонения, как от эталонной позиции, так и от эталонной формы внешней поверхности измерительного зонда.
Позиционная погрешность и погрешность формы могут быть включены в модель наблюдений в одной составляющей погрешности, или в виде отдельных составляющих позиционной погрешности и погрешности формы.
Такой вариант осуществления настоящего изобретения более эффективен в случаях, когда, например, из-за контакта измерительного зонда со стенками узкого технологического трубопровода, меняется внешняя форма, а, следовательно, и расположение измерительных элементов измерительного зонда поршневого типа. Изменения внешней формы измерительного зонда могут быть как обратимыми, так и необратимыми, в зависимости от материала тела измерительного зонда и/или его внешней поверхности.
Сказанное выше относительно подробностей и шагов получения моделированных статистических данных по позиционной погрешности применимо, с соответствующими изменениями, также и для моделированных статистических данных по отклонению формы.
Операции предложенного способа и различные варианты его осуществления, рассмотренные выше, предпочтительно выполняют по меньшей мере частично автоматически посредством соответствующих вычислительных средств и/или средств обработки данных. Подобные средства могут включать, например, по меньшей мере один процессор и по меньше мере одну память, соединенную с процессором. В упомянутой по меньшей мере одной памяти могут храниться инструкции программного кода, которые, при запуске их по меньшей мере на одном процессоре, обеспечивают выполнение, этим процессором, операций, соответствующих различным операциям предложенного способа. Альтернативно, или в дополнение, по меньшей мере некоторые из этих операций могут выполняться, по меньшей мере частично, посредством аппаратных логических элементов, или компонентов, например, заказных интегральных схем (Application-specific Integrated Circuits, ASIC), специализированных стандартных микросхем (Application-specific Standard Products, ASSP) или однокристальных систем (System-on-a-chip systems, SOC), без ограничения этими примерами.
Сказанное выше касательно деталей, методов реализации, предпочтительных признаков и преимуществ предложенного способа остается применимым, с необходимыми изменениями, также и к рассмотренному ниже аспекту настоящего изобретения, относящемуся к устройству. Применимо и обратное.
В еще одном из аспектов настоящего изобретения, относящемся к устройству, может быть реализовано устройство для определения представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области, в технологическом трубопроводе или контейнере, при этом целевая область расположена в пределах граничной поверхности или, альтернативно, охватывает граничную поверхность, образованную телом технологического трубопровода или контейнера. Устройство включает вычислительную систему, которая сконфигурирована для выполнения шагов способа по любому из рассмотренных выше вариантов осуществления настоящего изобретения, относящихся к способу.
Такая вычислительная система может включать любое подходящие оборудование, элементы или компоненты обработки данных и связи, способные выполнять операции рассмотренного выше способа.
С использованием другой терминологии, если вычислительная система «сконфигурирована» для выполнения некоторой операции способа, это фактически означает, что такая вычислительная система включает «средства» выполнения этой операции. Вычислительная система может включать различные средства для различных операций. Альтернативно, любые из подобных средств выполнения различных операций, описанных выше, могут комбинироваться, то есть, одни средства могут выполнять более чем одну операцию. Допускается также, что все эти операции могут выполняться одним средством, например, одним устройством обработки данных.
Любые из средств выполнения любых из описанных выше операций могут включать один или более компьютеров или других вычислительных компонентов, блоков, устройств или аппаратуры и/или вычислительных компонентов, блоков, устройств или аппаратуры для обработки данных. Помимо реальных вычислительных средств и/или средств обработки данных средства выполнения упомянутых выше операций, очевидно, также могут включать средства передачи данных или сигналов, а также средства связи, а также средства памяти или хранения для хранения сформированных и/или принятых данных.
Вычислительные средства и/или средства обработки данных, служащие в качестве средств выполнения одной или более из описанных выше операций могут включать, например, по меньшей мере одну память и по меньшей мере один процессор, соединенный с упомянутой по меньшей мере одной памятью, при этом такая память может содержать машиночитаемые инструкции программного кода, которые, при исполнении упомянутым по меньшей мере одним процессором, обеспечивают выполнение, устройством, необходимых операций. В дополнение к комбинации из процессора, памяти и инструкций программного кода, исполняемых процессором, или вместо них, средства выполнения одной или более операций могут включать аппаратные логические компоненты, элементы или блоки, например, соответствующие приведенным выше примерам в отношении предложенного способа.
В приведенном выше описании предложенное устройство было описано как включающее только вычислительные средства. Однако может быть реализована также комплексная система, или устройство контроля, в которой устройство включает, в дополнение к вычислительной системе, также и измерительную систему, сконфигурированную для проведения измерений измеримой электрической величины, зависящей от представляющего интерес электрического свойства. Таким образом, при подобном подходе устройство также может включать средства выполнения измерений физической величины. Такие средства, т.е. измерительная система, могут входить в состав средств приема измеренных значений или могут быть реализованы как отдельная система, или оборудование, сконфигурированное исключительно для выполнения измерений, которые могут затем приниматься упомянутыми средствами приема.
Такая измерительная система может быть реализована согласно принципам и средствами, известным в области методов томографического контроля, таких как электрическая томография, например, электрическая импедансная томография или электрическая емкостная томография.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения измерительная система может включать измерительный зонд, имеющий множество измерительных элементов, и размещаемый таким образом, чтобы измерительные элементы были связаны, с возможностью измерений, с целевой областью. Как отмечалось выше в отношении предложенного способа, измерительные элементы могут включать, например, металлические электроды, способные подавать электрические сигналы, например, напряжение и/или ток, в целевую область и принимать их из целевой области.
В дополнение к измерительному зонду измерительная система также может включать любые соответствующие средства управления для управления работой измерительного зонда.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения измерительный зонд может быть внутритрубным. Детали конструкции и другие свойства внутритрубного измерительного зонда могут быть сконфигурированы в соответствии с принципами, которые известны на существующем уровне техники.
В еще одном из аспектов настоящего изобретения может быть реализован компьютерный программный продукт, включающий инструкции программного кода, которые, при исполнении процессором, обеспечивают исполнение этим процессором способа по любому из вариантов осуществления способа, рассмотренных выше. Такие инструкции программного кода могут храниться на любом подходящем машиночитаемом носителе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже будут рассмотрены различные варианты осуществления настоящего изобретения, со ссылками на приложенные чертежи.
Фиг. 1 представляет собой блок-схему алгоритма, иллюстрирующую способ определения представляющего интерес электрического свойства материалов, находящихся в целевой области.
Фиг. 2 представляет собой эскизное изображение, в поперечном разрезе, конфигурации измерений для проведения измерений измеримой электрической величины в целевой области.
Фиг. 3 и фиг. 4 представляют собой виды сбоку, в частичном разрезе, конфигураций измерений для проведения измерений измеримой электрической величины в целевой области.
Фиг. 5 представляет устройство для определения представляющего интерес электрического свойства материала в целевой области.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ, проиллюстрированный блок-схемой алгоритма на фиг. 1, может использоваться для определения представляющего интерес электрического свойства одного или более материалов, находящихся в целевой области, которая располагается в технологическом трубопроводе или контейнере и расположена в пределах граничной поверхности, или охватывает граничную поверхность, образованную телом технологического трубопровода или контейнера. Граничной поверхностью может быть, например, внутренняя поверхность трубопровода или контейнера.
В предложенном способе используют измерения измеримой электрической величины, зависящей от представляющего интерес электрического свойства.
Представляющее интерес электрическое свойство может быть любым электрическим свойством, которое может наблюдаться посредством измеримой электрической величины, зависящей от этого представляющего интерес электрического свойства. Одним из примеров такого представляющего интерес электрического свойства может быть диэлектрическая проницаемость. Другие примеры включают удельную проводимость и удельную комплексную проводимость, причем последняя включает одновременно диэлектрическую проницаемость и удельную проводимость.
Целевая область может располагаться, например, внутри технологического оборудования для хранения и/или транспортировки различных перерабатываемых материалов, например, нефти и/или газа.
Измерения выполняют посредством измерительного зонда, имеющего множество измерительных элементов посредством которых могут быть получены наблюдения, в форме измеренных значений измеримой электрической величины. Измерительный зонд имеет предполагаемую позицию, которую далее называют эталонной позицией, относительно граничной поверхности.
В процессе выполнения способа получают моделированные статистические данные по позиционной погрешности, вносимой в наблюдения измеримой электрической величины из-за действительной позиции измерительного зонда относительно граничной поверхности, при этом действительная позиция отличается от эталонной позиции.
Моделированные статистические данные могут включать, например, информацию о среднем значении и ковариации некоторых из характеристических параметров позиционной погрешности. Моделированные статистические данные могут получаться заранее или в процессе выполнения способа, в качестве одной из его операций.
Также, в предложенном способе получают модель наблюдений, которая описывает отношение между наблюдениями измеримой электрической величины и условиями, относящимися к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области. Модель получают таким образом, чтобы наблюдения измеримой электрической величины соответствовали измерениям измеримой электрической величины, которая по своей природе зависит от условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области, а также, чтобы они зависели от позиционной погрешности, вносимой действительной позицией измерительного зонда, при этом определено, что позиционная погрешность ведет себя в соответствии с моделированными статистическими данными по позиционной погрешности, описанными выше.
Модель наблюдений может быть описана посредством одного или более математических уравнений, описывающих взаимоотношения между наблюдениями измеримой электрической величины, измеряемой посредством измерительного зонда, и условиями, относящимися к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области, с учетом позиционной погрешности.
Моделированные статистические данные, упомянутые выше, определяют, предпочтительно, путем операций, включающих, к примеру, получение моделированных данных по позиционной погрешности в наблюдениях, которые представляют собой моделированные значения измеримой электрической величины, полученные посредством имитационной модели для множества заранее заданных тестовых аппроксимаций искомого электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области, при этом моделированные данные по позиционной погрешности в наблюдениях включают первый набор моделированных значений, вычисленных для измерительного зонда в эталонной позиции, и второй набор моделированных значений, вычисленных для измерительного зонда в действительной позиции, при этом упомянутые данные предоставляют с использованием множества действительных позиций. Также, упомянутые операции включают определение, на основе первого и второго наборов моделированных значений, моделированных статистических данных по позиционной погрешности, которую отличие действительной позиции измерительного зонда от его эталонной позиции вносит в моделированные значения измеримой электрической величины.
Измеренные значения измеримой электрической величины затем принимают, а моделированные наблюдения, соответствующие измеренным, получают посредством модели наблюдений для первоначальной аппроксимации условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области. Упомянутое соответствие означает, что моделированные наблюдения определяют, или вычисляют, для той же конфигурации и геометрии измерений, а также измерительных сигналов, с использованием которых проводят реальные измерения.
Затем определяют целевую функцию, которая включает разность наблюдений между измеренными значениями и соответствующими наблюдениями согласно модели наблюдений, а также одной или более априорных моделей.
Затем получают скорректированную аппроксимацию условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области. Скорректированную аппроксимацию определяют на основе целевой функции, например, таким образом, чтобы скорректированная аппроксимация давала уменьшенное значение целевой функции, по сравнению с предыдущим значением, определенным для исходной аппроксимации условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству.
Коррекция аппроксимаций условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области, может продолжаться итеративно. В случае определения скорректированной аппроксимации таким образом, чтобы получалось уменьшение значения целевой функции, это может продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут заранее заданный критерий останова.
Затем может быть определена оценка представляющего интерес электрического свойства в целевой области, на основе (последней) скорректированной аппроксимации представляющего интерес электрического свойства. Оценку определяют в виде данных оценки, которые могут включать оценки значений представляющего интерес электрического свойства для различных точек, или подобластей, целевой области. Оценки, взятые из данных оценки, могут использоваться, например, для реконструкции, двумерного или трехмерного изображения (или изображений) распределения представляющего интерес электрического свойства в целевой области.
Порядок операций способа не ограничен проиллюстрированным порядком на фиг. 1 и описанным выше. Порядок операций может быть любым подходящим. К примеру, операция приема измеренных значений представляющего интерес электрического свойства может выполняться на любом этапе до определения разности наблюдений и целевой функции.
В рассмотренной выше процедуре при определении представляющего интерес электрического свойства учитывают позиционную погрешность. Измерительный зонд при этом может быть поршневого типа.
В других вариантах осуществления настоящего изобретения, где измерительный зонд является зондом поршневого типа, измерительный зонд поршневого типа может иметь деформируемую внешнюю поверхность, имеющую эталонную форму, при этом измерительные элементы могут располагаться на упомянутой внешней поверхности. В этом случае способ также может включать получение моделированных статистических данных по погрешности формы в наблюдениях измеримой электрической величины, вызванной отличием действительной формы внешней поверхности измерительного зонда от эталонной формы. Погрешность формы затем, соответствующим образом может быть включена в модель наблюдений, в дополнение к позиционной погрешности. Эти погрешности могут быть включены в модель наблюдений в виде одной составляющей погрешности, или в виде отдельных составляющих позиционной погрешности и погрешности формы. Таким образом, модель наблюдений может быть определена так, чтобы наблюдения измеримой электрической величины соответствовали измерениям измеримой электрической величины, которая по своей природе зависит от условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области, а также, чтобы они зависели одновременно от позиционной погрешности и погрешности формы, вносимых действительной позицией и действительной формой измерительного зонда, соответственно.
В приведенном выше описании способ, показанный на фиг. 1, был рассмотрен на уровне концепции. Далее же способ, который может по существу соответствовать фиг. 1, будет описан с математической точки зрения. Рассмотренный ниже пример относится к методу электрической емкостной томографии (ЕСТ). Однако следует отметить, что принципы этого метода также применимы и для томографического анализа без формирования изображений, а также к методам, в которых используют измерения измеряемых электрических величин, отличных от измеряемых в ЕСТ-измерениях.
При фиксированной геометрии измерений зависимость наблюдений от искомой величины (т.е. распределения диэлектрической проницаемости в области измерений) может быть описана как
где, e - шум в измерениях, а γ - включает параметры позиции и/или формы измерительного зонда. Когда данные измерений доступны с измерительного зонда, подобная модель может использоваться для реконструкции распределения диэлектрической проницаемости. В зависимости от конкретного случая может требоваться включение априорных моделей в процедуру реконструкции, для нахождения уникального и стабильного решения. При байесовском подходе к решению обратной задачи оптимальным решением задачи реконструкции является «апостериорная плотность», которая дает полную картину в отношении анализируемой величины. Однако в многомерных случаях апостериорная плотность может быть не достаточно иллюстративной, и поэтому для визуализации решения на основе апостериорной плотности определяют оценки для различных точек. Определение наиболее популярной оценки для точки сводится к задаче минимизации, в которой целевая функция по существу включает составляющие, описывающие расхождение между наблюдаемыми и моделированными данными, а также составляющие, которые придают больше веса решениям, заданным априорными моделями.
Если геометрия, т.е. позиция и/или форма зонда, может, изменяться, то модель должна быть записана в следующем виде:
где, параметр γ содержит информацию о позиции и форме измерительного зонда, которые совместно влияют на геометрию измерений. Однако в некоторых ситуациях γ определить сложно. К примеру, в случае, когда измерительный зонд имеет внешнюю поверхность, выполненную из мягкого материала, и свободно движется в протекающей жидкости, не имея внешних механических элементов конструкции, которые могли бы фиксировать его относительно трубопровода/резервуара, то знать точную геометрию измерений в каждый момент времени невозможно. Следовательно, из-за неизвестной геометрии измерений оценка представляющей интерес величины будет иметь низкую точность, и соответственно, будет бесполезной. С другой стороны, даже если бы точная геометрия для каждого шага измерений была известной, стоимость создания геометрических моделей для реализации модели (2) была бы слишком высокой.
Для решения проблемы, возникающей из-за недостатка знаний о геометрии, используется идея, основанная на построении модифицированной модели для использования при обработке данных, в которой предполагаются неизменные позиция и форма зонда, или фиксированная геометрия изменений, а также вводится новая составляющая для учета погрешности в данных измерений, возникающей из-за допущения фиксированной геометрии. В терминах уравнения (2) такая модель может быть записана следующим образом:
0
где γ фиксированное эталонное значение параметров геометрии, а ν - компенсационная составляющая, или составляющая погрешности, для учета влияния неточных значений параметров геометрии.
Поскольку ν зависит от ε и γ, очевидно, уравнение (3) не может использоваться для такой оценки. Однако, поскольку ν по определению
можно проанализировать статистику по ν и ее зависимость от других переменных, сформировав наборы тестовых значений для ε и γ, и затем оценив ν по уравнению (4) для каждой пары тестовых значений. Статистическая модель ν и ее взаимная статистика с другими переменными, может называться моделированными статистическими данными.
Статистическая информация ν по является ключевой для использования модели (3) при реализации модели, необходимой для оценки представляющей интерес величины. К примеру, моделированные статистические данные являются средством определения априорных моделей для ν, а также инструментами для описания их путем аппроксимации меньшей размерности. Упомянутые априорные модели и аппроксимации низкой размерности позволяют получить модели, которые могут использоваться для одновременной оценки представляющей интерес величины, а также погрешности (или ее параметров, в задачах параметризации), без информации о точной геометрии измерений, когда, в зависимости от конкретного случая, заданы качественные или количественные априорные модели представляющей интерес величины.
В детерминистских методах решения обратной задачи модель (3) и априорные модели представляющей интерес величины или других величин могут комбинироваться, с получением целевой функции, минимизация значения которой может считаться наилучшей оценкой представляющей интерес величины. При байесовском подходе одни и те же модели могут использоваться для формирования апостериорной плотности распределения, на основе которой можно найти наиболее вероятное решение, что представляет собой задачу оптимизации, аналогичную или идентичную минимизации при детерминистическом подходе. Еще одной распространенной оценкой, которая может быть определена на основе апостериорной плотности, является апостериорное математическое ожидание, получаемое либо аналитически (особенно в случаях малой размерности), либо с использованием методов на основе выборки тестовых значений.
Конфигурации (200, 300) измерений на фиг. 2 и 3 могут применяться, например, для выполнения измерений в предложенном способе, согласно приведенному выше описанию в отношении фиг. 1.
На фиг. 2 показан эскизный вид поперечного сечения технологического трубопровода (201), который может представлять собой, трубопровод для транспортировки нефти. Внутренний объем трубопровода образует целевую область (202), которая может включать одну двумерную плоскость или некоторый пространственный объем.
В примере фиг. 2 трубопровод включает стенку (204) трубопровода, имеющую внутреннюю поверхность (203). Стенка трубопровода, или по меньшей мере часть ее внутренней поверхности, могут быть электропроводными.
Стенка (204) трубопровода образует тело, внутренняя поверхность (203) которого ограничивает в своих пределах целевую область (202). В других вариантах осуществления настоящего изобретения целевая область также может включать по меньшей мере часть толщины стенки (204) трубопровода. В этом случае посредством предложенного способа могут контролироваться также свойства стенки трубопровода, которая может быть электроизолирующей, а также ее электрические свойства.
На внутренней поверхности (203) стенки трубопровода образован граничный слой из материала (205) граничного слоя. Материалом граничного слоя может быть, например, по существу твердый материал осадка. В другом варианте осуществления настоящего изобретения граничный слой может включать, например, кольцевое течение материала граничного слоя, отличающегося от текучего-сыпучего материала (206), находящегося и протекающего во внутренней свободной зоне, заключенной в пределах материала граничного слоя.
Измерительный зонд (207), который может быть зондом поршневого типа, расположен во внутреннем объеме технологического трубопровода (201). Измерительный зонд имеет тело с, по существу, круглым поперечным сечением и включает множество измерительных элементов в форме электродов (208) на внешней поверхности (209) тела, расположенных в виде кольца электродов, охватывающего по периферии внешнюю поверхность тела измерительного зонда. Смежные электроды электрически изолированы друг от друга промежуточными изоляторами (210).
Измерительный зонд (207) распложен со смещением от центра (211) технологического трубопровода (201), то есть, его действительная позиция (212b) смещена относительно эталонной позиции (212а), располагающейся в центре трубопровода.
Электроды (208) измерительного зонда (207) на фиг. 2 могут использоваться для подачи и приема, например, сигналов напряжения и/или тока для измерения емкости между различными парами электродов, при этом емкость выступает в роли измеримой электрической величины, зависящей от диэлектрической проницаемости, являющейся представляющим интерес электрическим свойством материалов (205, 206) в целевой области (2).
С использованием конфигурации измерений, показанной на фиг. 2, измерения емкости могут выполняться в соответствии с принципами, известными на существующем уровне техники. Ниже будет описан общий случай выполнения измерений в области электрической емкостной томографии (ЕСТ). На один из электродов (возбуждающий электрод) подают сигнал напряжения (например, прямоугольной, синусоидальной или треугольной формы), тогда как остальные электроды заземлены. Измеряют емкости между всеми парами электродов (в данном примере каждая «группа» электродов включает только один отдельный электрод). Измерение емкости повторяют таким образом, чтобы каждый из электродов был использован в качестве возбуждающего. Соответственно, как правило, если в измерительной системе имеются N электродов, получают N*(N-1)/2 независимых измерений емкости. Емкости зависят от распределения диэлектрической проницаемости в целевой области. Затем на основе набора измеренных значений емкости определяют распределение диэлектрической проницаемости в целевой области. На основе распределения диэлектрической проницаемости может быть проанализированы поведение и/или требуемые физические количественные показатели соответствующего технологического процесса.
Значения емкости, измеренные с использованием конфигурации (200) измерений на фиг. 2, могут применяться в способе определения условий, относящихся к диэлектрической проницаемости в целевой области (202). Такой способ может соответствовать способу, описанному выше на примере фиг. 1. С помощью этого способа можно получить оценку распределения диэлектрической проницаемости в целевой области (202) технологического трубопровода (201). Эта оценка затем может использоваться для определения, например, наличия и свойств граничного слоя из материала (205) граничного слоя на внутренней поверхности (203) технологического трубопровода.
Конфигурация (300) измерений на фиг. 3 может по существу соответствовать конфигурации на фиг. 2. Измерительный зонд (307), который может по существу соответствовать фиг. 2, расположен в трубопроводе (301). Измерительный зонд имеет удлиненную форму в направлении своей воображаемой продольной оси (313). Измерительный зонд (307) имеет действительную позицию (312b), которая повернута относительно технологического трубопровода (301), в результате чего его продольная ось находится под углом относительно центральной оси (314), и соответственно, относительно продольного направления технологического трубопровода (301). Следовательно, измерительный зонд лежит под углом относительно эталонной позиции (312а), которая задана как расположенная вдоль продольного направления технологического трубопровода (301).
В измерительном зонде (307) на фиг. 3 имеются два кольца электродов (309), расположенных последовательно по продольной оси измерительного зонда.
Как отмечалось в отношении фиг. 2, смещение измерительного зонда относительно эталонной позиции, например, проиллюстрированное на фиг. 2 и 3, может учитываться в способе, где измерения, выполненные посредством измерительного зонда, используют для определения условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области.
В других вариантах осуществления настоящего изобретения действительная позиция измерительного зонда может быть, как смещена от центра трубопроводы, так и повернута относительного него.
Конфигурация (400) измерений на фиг. 3 может по существу соответствовать конфигурации на фиг. 2 и 3. Измерительный зонд (407), который может по существу соответствовать фиг. 2 и 3, расположен в трубопроводе (401). Измерительный зонд (407) включает внешнюю поверхность (408), имеющую действительную форму (415b), которая имеет углубление, вызванное контактом со стенкой трубопровода. Электроды (409) расположены на внешней поверхности измерительного зонда. Действительная форма (415b) отличается, за счет углубления, от исходной, т.е. эталонной формы (415а), которая может быть, например, по существу цилиндрической. Из-за наличия углубления конфигурация электродов несколько отличается от исходной, в соответствии с иллюстрацией на фиг.4, то есть, позиция одного из электродов слегка повернута.
Любой тип отклонения измерительного зонда от эталонной позиции или эталонной формы изменяет геометрию измерений.
Аналогично сказанному выше относительно фиг. 2, в случае отклонения измерительного зонда от эталонной позиции, а также отклонения от эталонной формы внешней поверхности измерительного зонда, в соответствии с иллюстрацией на фиг.4, это может быть учтено в способе, где измерения, выполненные посредством измерительного зонда, применяют для определения условий, относящихся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области.
Измерительные зонды (207, 307, 407) на фиг. 2-4 могут быть соединены посредством любых подходящих проводных или беспроводных средств с внешней вычислительной системой, сконфигурированной для управления измерительным зондом и для приема результатов измерений от него, а также для выполнения вычислений и других операций предложенного способа.
Следует отметить, что диэлектрическая проницаемость в качестве представляющего интерес электрического свойства и емкость (или сигнал тока или напряжения в ответ на возбуждение напряжением или током, соответственно) в качестве измеримой электрической величины являются лишь одним из возможных примеров. Основные принципы рассмотренных выше способов могут быть реализованы при определении любых искомых электрических свойств, анализируемых посредством одной или более измеримых электрических величин, зависящих от представляющего интерес электрического свойства. К примеру, в дополнение к диэлектрической проницаемости, или вместо нее, томографические методы могут использоваться для определения удельной проводимости или удельной комплексной проводимости материала (или материалов), находящихся в целевой области.
На фиг. 5 эскизно проиллюстрировано устройство (50), посредством которого может выполняться способ, соответствующий приведенному выше описанию, где применяют измерительный зонд (53) поршневого типа.
В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг. 5, измерительный зонд (53) расположен в технологическом трубопроводе (56), имеющем тело, которое образует граничную поверхность (57). Граничная поверхность определяет целевую область (55) внутри технологического трубопровода.
В функциональном ядре системы имеется компьютер (51), служащий в качестве вычислительной системы и включающий соответствующее количество схем памяти и процессоров для приема, передачи и/или хранения модели наблюдений, измеренных данных, моделированных данных наблюдений, данных оценки, а также для выполнения вычислительных операций в составе предложенного способа.
Устройство также включает блок (52) измерительной электроники, а также удлиненный измерительный зонд (53) поршневого типа, имеющий на себе множество электродов (58). Электроды и несущее их тело могут, например, по существу соответствовать приведенному выше описанию в отношении фиг. 2. Блок измерительной электроники и измерительный зонд являются частями измерительной системы в устройстве (50). В примере, показанном на фиг. 5, блок измерительной электроники и измерительный зонд связаны двунаправленным информационным соединением (59), посредством которого блок измерительной электроники может управлять работой измерительного зонда, и посредством которого данные измерений, собранные измерительным зондом, могут передаваться в блок измерительной электроники и далее в компьютер (51).
На фиг. 4 информационное соединение показано как беспроводное. Однако, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники, это лишь один из примеров, и между блоком измерительной электроники и измерительным зондом может применяться любой тип соединения, включая проводное, позволяющего управлять измерительным зондом и принимать от него результаты измерений.
При этом измерительная система, включающая именно блок измерительной электроники, является лишь одним из вариантов осуществления настоящего изобретения. В других вариантах осуществления настоящего изобретения измерительный зонд, который может быть зондом поршневого типа, может быть сконфигурирован для независимого выполнения измерений, под непрерывным управлением от внешних средств управления или без него, и для передачи данных измерений по проводному или беспроводному соединению передачи данных, или для хранения их для последующей передачи, в вычислительную систему. В подобных вариантах осуществления настоящего изобретения измерительный зонд поршневого типа может быть реализован как компактный элемент небольшого веса, который может перемещаться в технологическом оборудовании, не имея физической связи с вычислительной системой, и может проводить измерения. В случае беспроводной передачи данных между измерительным зондом и вычислительной системой данные измерений могут передаваться непрерывно, через заданные интервалы времени или по завершении процедуры измерений, или их определенного этапа. В качестве альтернативы беспроводной или проводной передаче данных данные измерений могут сохраняться на любых подходящих съемных запоминающих средствах, которые могут сниматься с измерительного зонда и устанавливаться в вычислительную систему для приема с них данных.
Также следует отметить, что независимые друг от друга компьютер (51) и блок (52) измерительной электроники представляют собой лишь один из возможных методов реализации устройства. Очевидно, может быть реализовано комбинированное устройство, включающее любые подходящие типы вычислительных блоков и измерительной электроники. В этом случае измерительная система, за исключением собственно измерительного зонда, и вычислительная система, таким образом, могут быть по меньшей мере частично скомбинированы. Возможны также варианты осуществления настоящего изобретения, где в составе измерительной системы отсутствует специальный внешний блок измерительной электроники вне измерительного зонда. Также, возможно полностью комбинированное устройство, включающее все части вычислительной системы и измерительной системы в одном устройстве, реализованном, например, в форме измерительного устройства поршневого типа.
В примере, показанном на фиг. 5, блок (52) измерительной электроники соединен с компьютером таким образом, чтобы компьютер мог управлять блоком измерительный электроники, и чтобы результаты измерений могли передаваться и приниматься компьютером для дальнейшей обработки. Компьютер может содержать инструкции программного кода, хранимые в памяти и сконфигурированные, при их исполнении на процессоре, для управления компьютером для выполнения операций предложенного способа.
В результате выполнения способа посредством упомянутого устройства может быть реконструировано изображение (54), иллюстрирующее условия, относящиеся к представляющему интерес электрическому свойству в целевой области внутри технологического трубопровода. Представляющим интерес электрическим свойством может быть, например, диэлектрическая проницаемость или проводимость. Изображение может быть сформировано в соответствии с данными оценки, представляющими оценку представляющего интерес электрического свойства материала (или материалов), находящегося в целевой области. В соответствии с иллюстрацией на фиг. 4, в такой оценке могут наблюдаться различные подобласти целевой области, имеющие различные условия, относящиеся к представляющему интерес электрическому свойству, что указывает, например, на различные материалы в соответствующих подобластях. Такими различными материалами могут быть, например, отложение осадка или граничный слой другого типа, в форме кольцевого течения, образующегося на внутренней поверхности трубопровода и выступающего в роли граничной поверхности, а также один или более материалов, находящихся в свободной внутренней зоне, заданной упомянутым граничным слоем.
Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что с развитием технологий могут появляться новые различные пути реализации замысла настоящего изобретения. Настоящее изобретение и варианты его осуществления, таким образом, не ограничены описанными выше примерами и могут свободно меняться, в пределах объема приложенной формулы изобретения.