Построение трехмерного изображения массового потока

ПОСТРОЕНИЕ ТРЕХМЕРНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ МАССОВОГО ПОТОКА В изобретении представлен способ определения электропроводности массового потока в трехмерном целевом объеме (2), включающий этапы размещения электродов (3) в измерительной связи с целевым объемом; приложения переменного напряжения или переменного тока к целевому объему между двумя электродами (3) и измерения тока или напряжения между указанными двумя электродами (3); определения модели пространства состояний, которая определяет соотношения между электропроводностью, напряжением и током в целевом объеме (2) и которая также определяет эволюцию электропроводности как функцию времени; сравнения токов и/или напряжений в соответствии с моделью пространства состояний с приложенными и измеренными значениями; и модификации по мере необходимости модели пространства состояний, чтобы уменьшить различия между вычисленными и измеренными результатами. В соответствии с настоящим изобретением электроды (3) расположены, по существу, в одной плоскости (4); а модель пространства состояний задают таким образом, чтобы она включала нестационарное поле течения массового потока внутри целевого объема (2). Область изобретения Настоящее изобретение относится к построению изображения целевого объема с помощью импедансной томографии. В частности, настоящее изобретение сосредоточено на определении распределения электропроводности массового потока в трехмерном целевом объеме. Предпосылки изобретения Существует множество ситуаций в различных процессах, например, в горной промышленности,пищевой промышленности или целлюлозно-бумажной промышленности, в которых есть необходимость исследовать внутренние свойства массового потока в трубопроводе или в некотором контейнере. Целью исследования может быть, например, количество и вид пузырьков газа в жидкости или смешивание дополнительного вещества, подаваемого в поток. Одним полезным методом для указанного исследования свойств потока является импедансная томография или импедансная спектроскопическая томография. Слово "томография" обычно относится к получению изображения поперечного сечения. Под импедансной томографией в целом понимается выполнение электрических измерений, производимых при помощи электродов, расположенных на поверхности целевой области или в целевой области, и определение распределения электропроводности целевой области на основе этих измерений. Изменения проводимости по площади, определенные в результате проведения импедансной томографии, указывают на изменения качества протекающей массы и, таким образом, могут предоставить информацию, например, о газовых пузырьках или других неоднородностях массы. В обычных измерениях между двумя конкретными электродами подается ток или напряжение,при этом между этими или иными парами электродов измеряется соответственно напряжение или ток. Естественно, одновременно могут быть использованы несколько пар подающих, а также измеряющих электродов. Под импедансной томографией в ее основной форме, как правило, понимаются измерения,осуществляемые на одной частоте. Когда импедансные измерения, в целом, осуществляются на нескольких частотах в заданном диапазоне частот, то обычно используемым термином является импедансная спектроскопия. Настоящее изобретение относится к технологии, цель которой заключается в осуществлении реконструкции, то есть получения томографических изображений в некотором диапазоне частот. Эту технологию часто называют электрической импедансной спектроскопической томографией EIST. В этом документе термин "импедансная томография" используется для обозначения как импедансной томографии в ее обычном значении, так и EIST. Как указывается выше, в импедансной томографии оценку электропроводности целевой области как функцию положения вычисляют на основе результатов измерений. Таким образом, рассматриваемая задача является обратной задаче, где измеряемые наблюдения, то есть напряжение или ток, используются для определения реальной ситуации, то есть распределения наблюдаемой проводимости. Вычисления основаны на математической модели, определяющей соотношения между входными токами (или напряжениями), распределениями электропроводности целевой области, и напряжений (или токов) на электродах. Напряжения и токи, в зависимости от модели, сравнивают с подаваемыми и измеряемыми, а различия между ними сводят к минимуму путем регулирования параметров модели, пока не будет достигнута требуемая точность. Обычная конфигурация датчика, используемого в определении свойств массового потока в трубопроводе, содержит электроды, расположенные симметрично в кольцевом электроде на внутренней поверхности трубы. В этой традиционной конфигурации кольцевой электрод лежит в плоскости, перпендикулярной направлению потока. Такое расположение датчика обеспечивает возможность формирования приблизительных двумерных изображений сечения массового потока. Для получения трехмерного изображения, соответствующего распределению проводимости массового потока в трехмерном целевом объеме, известны конструкции, содержащие несколько последовательных кольцевых электродов, расположенных вдоль трубопровода. Несомненно, и в случае электродов, размещенных в одной плоскости, распределения напряжения и тока проходят в некоторой степени и наружу этой плоскости, но, например, пузырек воздуха снаружи плоскости вызывает отклонение в полях напряжения и тока, которое не зависит от фактической стороны плоскости, на которой находится пузырек. Таким образом, измерение не дает информации о том, на какой стороне плоскости электрода на самом деле расположен пузырек. Когда же в геометрию измерения также включено и направление вдоль направления потока, измерения также дают информацию о распределении электропроводности в этом направлении. Тем не менее, несколько кольцевых электродов делают измерительный датчик довольно сложным и увеличивают его размер. Большее количество электродов, естественно, также и увеличивает стоимость датчика. Кроме того, известны решения, в которых в дополнение к стационарным ситуациям распределение электропроводности определяется как функция времени. В таком случае реконструкция распределения электропроводности на основе модели и измерений представляет собой вопрос динамической инверсии. Изменяющееся во времени распределение электропроводности, порожденное таким образом, может быть использовано для исследования, например, дрейфа пузырьков воздуха или дополнительного материала в потоке. В динамической инверсии также и перемещение массового потока включается в модель проводимости, составляющей основу для вычислений. Перемещение массового потока в трубопроводе может быть смоделировано, например, с помощью подходящей модели потока, в сочетании с конвекционнодиффузионной моделью. Динамика, вовлеченная в массовый поток, также может быть описана более простым образом, используя некоторую простую модель анализа временных рядов. Описанные выше конфигурации датчиков, содержащие несколько последовательных кольцевых электродов, используются также в случаях трехмерной динамической инверсии решений предшествующего уровня техники. Вычисление основано на модели пространства состояний проводимости, причем состояние, которое должно быть рассмотрено, является электропроводностью в целевом объеме. Способ вычисления представляет собой так называемую оценку состояния, принцип которого хорошо известен,например, в области автоматического инженерного управления. Вместо определения только одного стационарного состояния в технике оценки состояния также оценивают следующее состояние на основе предыдущего состояния(ий). В дополнение к модели наблюдения, включающей в случае импедансной томографии распределение напряжения/тока /электропроводности, модель пространства состояний также включает так называемую эволюционную модель, описывающую электропроводимость, изменяющуюся как функция времени. Как и в инверсных задачах в целом, также в ситуации оценки состояния в соответствии с наблюдением и эволюционные модели сравнивают с заданными и измеренными ситуациями, причем модель пространства состояний регулируют по мере необходимости, чтобы минимизировать различия между результатами моделирования и реальностью, то есть заданными и измеренными значениями. Для выполнения вычислений известно несколько альтернативных практических параметрических методов. Примеры решений, использующих динамическую оценку состояния инверсии описаны более подробно, например,в работах [1]-[4], приведенных ниже:[1] A. Seppanen, M. Vauhkonen, P.J. Vauhkonen, E. Sommersalo, J.P. Kaipio: "Оценка состояний с эволюционными моделями динамики текучей среды в процессе томографии - Приложение с импедансной томографией", Inverse Problems 17:467-483, 2001.[2] A. Seppanen, M. Vauhkonen, P.J. Vauhkonen, E. Sommersalo, J.P. Kaipio: "Модели динамики текучей среды и оценка состояний в процессе томографии: Влияние неточностей в полях потока", J. Electr.[3] A. Seppanen, L. Heikkinen, T. Savolainen, A. Voutilainen, E. Somersalo, J.P. Kaipio: "Экспериментальная оценка оценки состояния с моделями динамики текучей среды в процессе томографии", Chemical[4] A. Seppanen, M. Vauhkonen, P.J. Vauhkonen, A. Voutilainen, J.P. Kaipio: "Оценка состояний в трехмерном построении изображений импеданса -Использование эволюционных моделей динамики текучей среды", International Journal for Numerical Methods in Engineering, 73: 1651-1670, 2008. Сущность изобретения Способ, устройство и компьютерная программа, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, отличаются тем, что представлено соответственно в п.1, 7 и 13. Способ, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой способ определения электропроводности массового потока в трехмерном целевом объеме, то есть трехмерное распределение электропроводности в указанном объеме. Массовый поток может состоять из любого жидкого материала, возможно также содержащего твердые и/или газообразные вещества. Термин "поток" в этом документе следует понимать широко. В наиболее типичных применениях масса непрерывно протекает через целевой объем в трубопроводе. Тем не менее, целевой объем также может находиться в контейнере, когда также можно предусмотреть, что не имеется никакого фактического потока, но при этом поток может включать, например, круговое движение вокруг контейнера. Примеры применения настоящего изобретения представляют собой различные типы процессов, например, в горнодобывающей, пищевой или целлюлозно-бумажной промышленности. Способ включает следующие этапы: снятие значений тока или напряжения, создаваемых путем подачи переменного напряжения или переменного тока в целевой объем, и выполнение измерения, соответственно тока или напряжения, индуцированных, тем самым, в целевом объеме; использование модели пространства состояний, которая определяет соотношения между электропроводностью, напряжением и током в целевом объеме и которая также определяет динамику электропроводности как функцию времени; сравнение тока и/или напряжения в соответствии с моделью пространства состояний с заданными и измеренными значениями; модификацию, при необходимости, модели пространства состояний, чтобы уменьшить различия между вычисленными и измеренными результатами, пока не будет достигнуто заранее заданное соответствие между моделью и измеренными значениями; и определение электропроводности массового потока в целевом объеме в соответствии с модифицированной моделью пространства состояний. Этап снятия значений тока или напряжения может быть выполнен с использованием принципов и оборудования, известных в данной области техники. Например, когда измеренные значения представлены в электронной форме, могут быть использованы подходящие средства передачи и хранения данных. Указанные средства могут включать, например, компьютер, подсоединенный к электрическому измерительному оборудованию. Основной принцип математической модели пространства состояний такого типа, который используется в настоящем изобретении, может быть определен, например, следующими уравнениями: где верхнее уравнение относится к модели наблюдении, а нижнее - к эволюционной модели. Величина Vt означает наблюдение(я), например, измеренные напряжения, в момент времени t, Ut(t) определяет математическую модель, на основании которой могут быть рассчитаны соответствующие напряжения, t представляет собой распределение электропроводности в момент времени t, Vt представляет собой так называемый шум наблюдения; ft(t) определяет эволюционную модель, и Wt - шум в этой модели. Реальная модель пространства состояний может быть любым подходящим типом моделей пространства состояний, известным в этой области техники. В целом, цель методики оценки состояния заключается в том, чтобы найти оценку для неизвестных переменных состояния t для t=1, 2, , n. Подход оценки состояния приводит к рекуррентному вычислительному алгоритму. Наиболее распространенные алгоритмы, используемые в способах оценки состояний, в целом, представляют собой фильтры Кальмана и его варианты, такие как предиктор Кальмана, сглаживающий фильтр Кальмана, сглаживающий фильтр с фиксированной задержкой, обобщенный фильтр Кальмана, итерационный обобщенный фильтр Кальмана и тому подобное. Эти алгоритмы применимы в случае линейной модели пространства состояний с Гауссовским шумом. В других видах более сложных случаев переменные состояния, т.е. в этом случае электропроводность, может быть оценена, используя, например, фракционные фильтры. Для указанного сравнения токов и напряжений в соответствии с моделью пространства состояний с заданными и измеренными значениями сигнал возбуждения в модели представляет собой первый набор,соответствующий по-настоящему заданным. Затем вычисляют значения отклика напряжения или тока в местах, соответствующих условиям, используемых в задании и измерении сигналов напряжения и тока, в соответствии с моделью пространства состояний, при этом вычисленные значения сравнивают с на самом деле измеренными значениями. Указанную итерацию путем изменения модели пространства состояний, для того чтобы уменьшить разницу между вычисленными и заданными и измеренными результатами, продолжают до тех пор, пока не будет достигнута согласованность между моделью и измеренными значениями. После выполнения итерационной модификации изменяющееся во времени распределение электропроводности массового потока в трехмерном целевом объеме определяют в соответствии с модифицированной моделью пространства состояний. Это определение основывается на уравнениях,участвующих в модели пространства состояний. С помощью этих уравнений может быть представлено распределение электропроводности, например, как набор данных, включающий вычисленные значения проводимости для дискретных точек в трехмерном целевом объеме. Предпочтительно по меньшей мере часть способа, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, осуществляют автоматически с помощью компьютерного программного обеспечения, то есть компьютерной программы, установленной, например, в системе управления производством промышленного предприятия, где это необходимо. Полученные результаты затем становятся быстро доступны в электронном виде для дальнейшего анализа и в целях управления технологическими процессами. С помощью такого программного обеспечения один или несколько этапов способа можно также выполнять,по меньшей мере, частично вручную. Изобретение основано на удивительном факте, обнаруженном изобретателями, заключающемся в том, что при использовании динамической инверсии и оценки состояний при определении электрической проводимости также можно определить зависящее от времени состояние электропроводности массового потока в трехмерном целевом объеме посредством информации о проводимости, исходящей из одной плоскости. Таким образом, в соответствии с базовым принципами изобретения снятые значения тока или напряжения выбирают так, чтобы они состояли из результатов измерений, выполненных в значительной степени в одной плоскости, а модель пространства состояний используют таким образом, чтобы она включала зависящее от времени поле течения массового потока внутри целевого объема. Таким образом,в отличие от способов определения трехмерной проводимости предшествующего уровня техники, использующих измеренную информацию, собранную в трех измерениях в направлении массового потока, в настоящем изобретении измерения могут быть выполнены только в одной плоскости. Это представляет собой очень преимущественное усовершенствование и открывает большое разнообразие новых и расширенных возможностей для построения изображений массового потока. С точки зрения способа определения настоящее изобретение чрезвычайно повышает эффективность определения проводимости, поскольку трехмерный анализ может быть теперь выполнен на двумерных исходных данных. Другими словами,гораздо больше информации теперь может быть извлечено из двумерных измеренных данных, чем это было возможно при использовании решений предшествующего уровня техники. С точки зрения измерительного оборудования подход по измерению в одной плоскости обеспечивает возможность использования радикально меньших измерительных головок, которые могут быть использованы в местах технологического оборудования, которые были невозможны с традиционными датчиками. С другой стороны, изза меньшего размера и более простой механической конструкции головки датчика, которые обеспечива-3 024212 ются настоящим изобретением, производственные затраты также остаются ниже. Кроме того, также электроника и программное обеспечение, необходимые для питания и измерения электрических сигналов, могут быть проще. Основной особенностью, обеспечивающей возможность определения трехмерной проводимости на основе значений тока или напряжения исключительно из одной плоскости, является указанная модель пространства состояний, содержащая нестационарные поля течения массового потока. Выражение "содержащая нестационарные поля течения массового потока" в этом документе означает, что модель пространства состояний, на самом деле, уравнения эволюционной модели, содержит информацию, необходимую, для того чтобы также и изменяющиеся во времени направления и скорости массового потока в разных точках целевого объема могли быть приняты во внимание при вычислении. Это устраняет связанные с симметрией проблемы идентификации, по существу, имеющиеся в двумерных измерениях, то есть проблемы, связанные с тем, что две разные ситуации, которые симметричны относительно плоскости измерения, дают идентичные результаты измерения. Таким образом, чтобы собрать достаточное количество наблюдений для трехмерного определения проводимости, в настоящем изобретении достаточно того, чтобы конфигурация измерения обеспечивала подачу и измерение токов и напряжений в указанной измерительной плоскости. Итак, настоящее изобретение использует модель для неизвестного параметра, причем этот параметр, то есть проводимость, представлена в виде нестационарного процесса. Модель сформулирована таким образом, чтобы устранить связанную с симметрией неоднозначность проблемы, вытекающую из только одной плоскости наблюдения/измерения в трехмерном целевом объеме. Такие нестационарные модели, как эта, известны в предшествующем уровне техники. Тем не менее, в известных решениях либо 1) измерительная конфигурация была трехмерной, вообще не приводя, таким образом, к связанной с симметрией неоднозначности проблемы, либо 2) для неизвестного параметра была использована не зависящая от времени модель, либо 3) было принято считать неизвестный параметр симметричным (например, так называемая 2,5-мерная модель). Таким образом, настоящее изобретение в первый раз использует нестационарную модель для устранения проблемы неоднозначности. Эволюционная модель как часть модели пространства состояний в соответствии с настоящим изобретением играет важную роль в вычислениях, поэтому правильный выбор типа эволюционной модели является очень важным. Например, не может быть использована обычно используемая модель случайных блужданий. Как уже говорилось выше, связанная с симметрией проблема неидентифицируемости должна быть решена путем указанного включения нестационарного поля течения массового потока в модель пространства состояний. Один предпочтительный выбор представляет собой определение временной вариации проводимости с помощью уравнения конвекции-диффузии. Из модели конвекции-диффузии получают группу дифференциальных уравнений, используя дискретизации с помощью МКЭ (метода конечных элементов) для описания изменений проводимости в узловых точках области вычисления. Использование указанной модели требует того, чтобы проводимости в узловых точках со стороны притока области вычисления были известны. Однако, поскольку требуется оценить распределение электропроводности в целом, и она не известна в любой точке целевого объема, проводимость со стороны притока должна быть задана с помощью некоторой математической модели. Возможные модели для этого многочисленны, но они могут варьироваться по своей эффективности. Один пример приемлемого подхода представляет собой следующее. В данном примере распределение электропроводности со стороны притока представлено с помощью двух компонентов, первый из них представляет собой моделирование флуктуаций проводимости, а второй - моделирование локальных неоднородностей. Первый компонент является локально постоянным со стороны притока (однородным, то есть нет пространственных вариаций), но он моделируется как нестационарный параметр (процесс). Временная эволюция этого компонента описывается моделью временного ряда более высокого порядка (1) или же стохастическим дифференциальным уравнением. В этом примере используется авторегрессионная AR(2) модель. Второй компонент представляет собой отклонения неоднородностей от среднего значения со стороны притока. Кроме того, временная эволюция этого компонента (векторный процесс) описывается моделью временных рядов более высокого порядка или стохастическим дифференциальным уравнением. В этом примере модель второго порядка AR(2) также используется для этого компонента. Распределение проводимости со стороны притока моделируется, таким образом, как сумма этих двух компонентов. В этом примере модельные коэффициенты однородной части выбирают так, что предсказанная проводимость в конкретное время линейно экстраполируется из двух предыдущих значений. Дисперсию шумового члена, связанного с моделью, выбирают на основе ожидаемой скорости изменения средней проводимости целевого объема. Рассматриваемая модель неустойчива, т.е. дисперсия растет неограниченно со временем. Эта модель, тем не менее, полезна, потому что она обеспечивает временное гладкое поведение и не ограничивает значения проводимости, а обеспечивает возможность значительных ее флуктуаций. Поскольку наблюдения дают информацию о средней проводимости в окрестности плоскости измерений, оценка однородной компоненты модели стабилизируется, и она (однородный компонент) не варьируется произвольно во время оценки. Коэффици-4 024212 енты неоднородной составляющей и ковариация выбирают в этом примере так, что этот процесс во временном отношении является гладким/коррелированным, среднее значение равно нулю, а структура ковариации соответствует ожидаемым флуктуации и скорости изменения. Ковариация шумового члена может быть правильно выбрана так, что шум является пространственно коррелированным. Это может быть достигнуто, например, путем построения гладкой двумерной модели процесса через сторону притока. Обсуждаемый здесь пример основан на предположении, что оборудование, используемое для сбора значений тока или напряжения, подсоединено к целевому объему через большое количество отдельных электродов. Если же контактные импедансы электродов представляют собой величины, которые должны быть оценены, подобная эволюционная модель также должна быть определена и для них. Временная эволюция каждого из контактных импедансов, который должен быть оценен, описывается моделью временного ряда высшего порядка, или стохастическим дифференциальным уравнением. Дисперсию шумового члена выбирают в зависимости от ожидаемого поведения скорости изменения контактных импедансов. Если некоторые из электродов не используются для подачи сигналов возбуждения, то полезным является установление очень низкой дисперсии шумового члена, описывающего контактные импедансы электродов. На практическом уровне имеется несколько альтернативных подходов к оценке контактных импедансов. Одна из возможностей заключается в оценке подающих электродов по отдельности и установки значения контактных импедансов остальных электродов (зависящих от времени), которое соответствует среднему предполагаемому контактному импедансу. Эта модель, необходимая в процедуре фактической оценки, формируется путем сбора всех неизвестных членов в описанных выше моделях в одном и том же векторе состояний и путем создания для него одной общей модели на основе отдельных моделей. Таким образом, в зависимости от физической модели, описывающей реальную ситуацию, получают линейную или нелинейную зависящую от времени вычислительную модель, причем указанная модель может быть использована в качестве эволюционной модели состояния в вычислительном алгоритме (например, в фильтре Кальмана, EKF, IEKF). В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения для этапов сравнения токов и/или напряжений в соответствии с моделью пространства состояний с заданными и измеренными значениями и для модификации, по мере необходимости, модели пространства состояний создают набор данных, содержащий соответственно значения тока и/или напряжения в соответствии с моделью пространства состояний в пределах целевого объема. Такой набор данных может храниться и обрабатываться, например обновляться после каждого цикла модификации модели пространства состояний, эффективно и автоматически с помощью электрического устройства обработки данных и подходящего используемого программного обеспечения. В одном из вариантов выполнения настоящего изобретения этап снятия значений тока или напряжения включает использование большого количества электродов в измерительной связи с целевым объемом, причем электроды помещают, по существу, в одной плоскости, подавая переменное напряжение или переменный ток в целевой объем между двумя электродами и измеряя соответственно ток или напряжение между двумя электродами. Большое количество размещенных таким образом электродов и измерения, выполненные с помощью этих электродов, представляют собой эффективный способ осуществления сбора первичных данных. Электроды могут представлять собой электроды любого известного типа и структуры, подходящих для измерения методом импедансной томографии, при этом их детальная конструкция или их количество не входит в сущность изобретения. Измерительная связь означает, что каждый из электродов может подавать сигнал возбуждения и/или измерять ответный сигнал от массового потока. Таким образом, предпочтительно, но не обязательно, электроды находятся в непосредственном контакте с массовым потоком. Электроды могут быть расположены, например, на стенке(ах) или во внутреннем объеме трубопровода или другой конструкции, переносящей массовый поток, который должен быть исследован. В качестве сигнала возбуждения в измерениях, используемых для исследования проводимости, может быть использовано либо напряжение, либо ток. В первом случае измеряемым параметром является наиболее типично ток, а в последнем - напряжение. Тем не менее, также возможно, что измеряемый параметр такой же, что и подаваемый. В этом случае, т.е. когда как подаваемый, так и измеряемый параметр представляет собой напряжение или когда как подаваемый, так и измеряемый параметр представляет собой ток, по меньшей мере один из двух измерительных электродов должен отличаться от двух подающих электродов. Указанное выражение подаваемого напряжения или тока между двумя указанными электродами означает, конечно, что сигнал возбуждения подается, по меньшей мере, между двумя электродами. Естественно,также возможно, а часто также и разумно подавать, например, ток возбуждения одновременно между несколькими парами электродов. В принципе также возможно подавать одновременно ток между одной парой электродов и напряжение между другой парой электродов. Аналогично, измерения, конечно, могут быть выполнены одновременно между несколькими парами электродов, причем измерения могут выполняться дольше, чем подается сигнал возбуждения и/или повторяться несколько раз за каждую подачу сигнала возбуждения. Предпочтительно электроды, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, располагают таким образом, чтобы задать плоскость, которую они ограничивают, по существу, перпендикулярно от-5 024212 носительно среднего направления распространения массового потока в целевом объеме. Перпендикулярное расположение минимизирует пространство, необходимое датчику, составляющему электроды, обеспечивая, тем самым, очень компактную конфигурацию датчика. Электроды могут быть присоединены, например, к продольному измерительному зонду, выполненному с возможностью прохождения в целевой объем. В самом предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения электроды размещают в кольцевой конфигурации, окружающей целевой объем. В этом варианте выполнения очень точные измерения могут быть выполнены во всем поперечном сечении целевого объема, заключенном в кольцевые электроды. Устройство, выполненное в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой устройство для определения электропроводности массового потока в трехмерном целевом объеме. Устройство содержит собирающее средство для снятия значений тока или напряжения, создаваемых в результате подачи переменного напряжения или переменного тока в целевой объем, и измерения соответственно тока или напряжения, индуцированного, тем самым, в целевой объем; первое средство определения для определения модели пространства состояний, которая определяет соотношения между электропроводностью, напряжением и током в целевом объеме и которая также определяет эволюцию электропроводности как функцию времени; средство сравнения для сравнения токов и/или напряжений в соответствии с моделью пространства состояний с задаваемыми и измеряемыми значениями; средство модификации для изменения, по мере необходимости, модели пространства состояний, чтобы уменьшить различия между вычисленными и измеренными значениями; и второе средство определения для определения электропроводности массового потока в целевом объеме в соответствии с модифицированной моделью пространства состояний. Собирающее средство может быть реализовано как любой тип одного или нескольких устройств,пригодных для сбора указанных значений тока или напряжения. В качестве примера собирающее средство может содержать компьютер, выполненный с возможностью получения через какое-либо подходящее соединение передачи данных измеренных данных от внешнего измерительного устройства. Аналогично, первое и второе средства определения, средство сравнения и средство модификации могут содержать оборудование любого типа, известного в уровне техники, и способное выполнять предполагаемые операции. На практике, по меньшей мере, некоторые из первой и второй операций определения, операции сравнения и операции модификации наиболее предпочтительно осуществляют с помощью компьютерной программы (программ), выполняющей указанные операции, по меньшей мере, частично автоматически. Как должно быть понятно специалисту в этой области техники, одна или несколько из указанных предполагаемых операций может быть действительно осуществлена одним и тем же устройством, например компьютером, и одним или несколькими подходящим программным обеспечением, используемом на этом компьютере. Другими словами, указанное отдельно определенное средство не обязательно подразумевает отдельные фактические устройства. В качестве основы изобретения собирающие средства выполнены с возможностью выбора собранных значений тока или напряжения таким образом, чтобы состоять из результатов измерений, выполняемых, по существу, в одной плоскости; а первое средство определения выполнено с возможностью определения модели пространства состояний таким образом, чтобы содержать нестационарное поле течения массового потока внутри целевого объема. Принципы, а также преимущества, которые предоставляет эта основная идея настоящего изобретения, уже обсуждались выше, в контексте способа настоящего изобретения. То же самое касается предпочтительных вариантов выполнения, представленных ниже. Предпочтительно первые средства определения выполнены с возможностью определения эволюции электропроводности как функции времени в модели пространства состояний посредством конвекционнодиффузионной модели. В предпочтительном варианте выполнения для сравнения токов и/или напряжений в соответствии с моделью пространства состояний, с подаваемыми и измеряемыми значениями и модификации, по мере необходимости, модели пространства состояний устройство содержит средство для создания набора данных, содержащего значения соответственно тока и/или напряжения, в соответствии с моделью пространства состояний, внутри целевого объема. В одном предпочтительном варианте выполнения собирающие средства содержат электроды, расположенные в измерительной связи с целевым объемом, причем электроды расположены, по существу, в одной плоскости, а также подающие и измерительные средства для подачи переменного напряжения или переменного тока в целевой объем между двумя электродами и измерения тока или напряжения между двумя электродами. Как уже говорилось выше, в части, касающейся способа, электроды могут представлять собой электроды любого известного типа, подходящего для подачи и измерения сигналов напряжения и/или тока. Подающие и измерительные электроды могут быть представлять собой одинаковые электроды, или же разные группы электродов могут быть использованы для подачи и измерения сигналов. Указанные подающие и измерительные средства могут содержать любую комбинацию известных электрических и электронных устройств, возможно управляемых с помощью компьютерной программы(программ), которая обычно используется для питания, генерации сигналов и электрических измерений. Электроды предпочтительно располагают таким образом, чтобы установить плоскость, которую они ограничивают, по существу, перпендикулярно относительно среднего направления распространения массового потока в целевом объеме. В одном предпочтительном варианте выполнения электроды размещают в кольцевой конфигурации, окружающей целевой объем. Как уже было сказано выше, характерные и предпочтительные признаки устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, направлены на цели и обеспечивают преимущества, описанные выше в отношении способа, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. В дополнение к аспектам способа и устройства, принципы настоящего изобретения могут быть также осуществлены как компьютерная программа. Компьютерная программа в соответствии с этим аспектом настоящего изобретения содержит программный код, выполненный с возможностью выполнения при запуске в подходящем процессоре данных, этапы способа, выполненного в соответствии с настоящим изобретением. В дополнение к импедансной томографии, основной принцип настоящего изобретения, заключающийся в использовании модели пространства состояний, содержащей нестационарное поле течения массового потока внутри целевого объема, обеспечивая, тем самым, возможность выполнения трехмерного анализа на основе измерений только двумерных данных, может быть применен также при анализе массового потока, выполняемого посредством электрической емкостной томографии ЕСТ. В ЕСТ электрическим свойством, которое должно быть определено, является распределение диэлектрической проницаемости, а не проводимости. Типичная установка системы измерения ЕСТ представляет собой кольцо из металлических электродов, расположенное вокруг трубы или сосуда (или внутри трубы или сосуда, например, на поверхности зонда), или либо на внешней или внутренней стенке трубы/сосуда. В большинстве случаев электроды находятся не в контакте с текущим материалом, но при этом между электродом и целевым объемом имеется тонкий слой изоляционного материала. Целью ЕСТ является построение изображения распределения диэлектрических (непроводящих) материалов с помощью различий в диэлектрической проницаемости. В ЕСТ весь измерительный датчик, как правило, заключен в металлический экран для экранировки электромагнитного поля. В стандартной измерительной процедуре напряжение возбуждения подают на один из электродов (источник), тогда как остальные электроды (детекторы) заземляют, при этом измеряют заряд на каждом из электродов-детекторов. Это дает один набор измерений емкости источник/детектор. Этот процесс продолжают до тех пор, пока каждый электрод в сенсорной системе не был задействован хотя бы один раз в качестве электрода-источника, завершая, тем самым, сбор измерений всех взаимных емкостей между всеми парами электродов. Когда этот подход, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, применяют в случае ЕСТ, необходимо сделать небольшие изменения в прямой модели по сравнению с EIT, но основная идея 3D-анализа, основанная на выполнении измерений в одной плоскости, остается неизменной. Таким образом, тот же подход пространства состояний с соответствующей моделью потока и правильной прямой моделью также может быть использован в случае ЕСТ. Подробное описание изобретения Предпочтительные иллюстративные варианты выполнения настоящего изобретения будут теперь более подробно описаны с помощью следующих объяснений:i) о моделировании, выполняемом для проверки применимости измерений с помощью одного слоя электродов для построения изображения для трехмерного целевого объема, иii) об устройстве, выполненном в соответствии с настоящим изобретением. Объяснения иллюстрируются сопроводительными чертежами, на которых фиг. 1 изображает геометрию целевого объема и конфигурацию электродов, используемых при моделировании; фиг. 2-4 показывают результаты, достигнутые при моделировании; и фиг. 5 представляет собой схематический чертеж иллюстративного устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением.i) Моделирование Модель наблюдения, использованная при моделировании, имела вид где V представляют собой измеренные напряжения, а индекспредставляет собой дискретный временной индекс со ссылкой на момент времени (t=t) измерения, f представляют собой вычисленные напряжения, векторсодержит все неизвестные члены, присутствующие в эволюционной модели и модели наблюдения, включая проводимостьи контактный импеданс z , апредставляет собой шум. Эволюционная модель дополненной переменной состояниядается выражением где эволюционную матрицу F получают путем объединения всех отдельных эволюционных моделей. Состояние шума, связанное с дополненной моделью обозначается v. Проблема оценки состояния заключается в нахождении оценок для неизвестных переменных состояния , =1, 2, , при условии что модель наблюдения и эволюционная модель (уравнения (1) и (2 и наблюдения Vk, k I, где I представляет собой набор временных индексов наблюдений, которые являются доступными. Подход оценки состояний приводит к рекурсивному вычислительному алгоритму,примеры которого приведены выше, в разделе "Сущность изобретения". При выполнении указанного моделирования были использованы итерационный обобщенный фильтр Кальмана (IEKF) и фильтр сглаживания на заданном интервале (FIS). В IEKF нелинейная и негауссова модели заменены на линейное и гауссово приближения, и, кроме того, новая модель включает внутреннюю итерацию для нахождения оптимальной точкилинеаризации. Учитывая начальную точку 1/0 и ковариацию 1/0, и предположение о точкелинеаризации,уравнения IEKF, связанные с рассматриваемой выше модели пространства состояний, представляют собой для i=1:n где J=f/ , и n - число внутренних итераций. Если точкалинеаризации фиксирована, то внутренние итерации, т.е. цикл уравнений (3) и (4) аннулируется, и в результате мы имеем уравнения, описывающие фильтр Кальмана. Фильтр сглаживания на заданном интервале (FIS) оценивает /max и связанные ковариации могут быть получены из IEKF результатов с обратной рекурсией: Геометрия, используемая при моделировании, содержала прямую круглую трубу с диаметром 4,8 см. Как показано на фиг. 1, длина целевого объема 2 была 14 см. Электроды 3 были расположены в центре объема и размещены в виде кольцевого электрода, окружающего внутренний объем трубы, то есть целевой объем 2. Фиг. 1 показывает, что кольцевой электрод лежит в плоскости, перпендикулярной относительно продольной оси трубы, причем это направление в этом случае совпадает со средним направлением массового потока. Профиль скорости массового потока был "турбулентного типа" с максимальной скоростью потока 75 см с-1. Фоновая проводимость протекающего в трубе материала была нестационарной и, кроме того,имелись также небольшие резистивные недиффундирующие объекты, дрейфующие с потоком. Проводимость фона была сгенерирована с использованием метода конечных элементов в цилиндрической сетке, так что мы указали пространственно однородное и плавно меняющееся со временем распределение электропроводности на границе притока. Фоновая проводимость изменялась в диапазоне от 0,29 до 0,57 Ом-1 см-1. Недиффундирующие объекты были добавлены к фоновой проводимости путем простого создания эллипсоидов различных размеров и положений поперечного сечения и путем задания распределения электропроводности в эллипсоиде. Эллипсоидальные объекты были добавлены последовательно по одному в целевой объем. Соответствующие области фоновой проводимости были затем заменены этими эллипсоидальными распределениями проводимости, а скорость изменения их положений была задана скоростью потока в центральной точке эллипсоида. Бесшумовые EIT наблюдения были получены с помощью моделирования методом конечных элементов с предположением, что измерения могут быть получены мгновенно. Было также предположено,что контактные импедансы зависят от средней проводимости в области , и при этом все электроды имеют одинаковые контактные импедансы. Число электродов было равно Nel=16, при этом повторно использовался цикл из восьми различных противоположных инжекций тока величиной 2 мА. Напряжения измерялись между соседними электродами, причем количество измерений в каждый момент времени равнялось Nmeas=16. Время между последовательными наблюдениями составляло 10 мс. Приближения метода конечных элементов полной модели электрода и конвекционно-диффузионная модель были реализованы на плотной сетке, которая представлена на фиг. 1. Проблема оценки состояния была решена на другой сетке, меньшего размера, чтобы избежать создания обратных возмущений. Гауссовский шум N(0, ) был добавлен в бесшумовые данные измерений, для того чтобы имитировать ошибки, связанные с измерительной электроникой и окружающей средой. Ковариация измерительного шума имела вид = 2I, где =0,005. Контактные импедансы электродов были оценены по отдельности, так как все они были использованы для инжекций тока. Для инициализации IEFK была вычислена "лучшая однородная оценка" bh=[bh Zbh]T, т.е. оценка по методу наименьших квадратов, когда как распределение проводимости, так и контактные импедансы описываются отдельными параметрами. IEKF была инициализирована путем задания всех контактных импедансов в векторе 1/0 добавленного состояния как Zbh, а всех проводимостей - как bh, в то время как члены, описывающие неоднородную часть, были приравнены нулю.IEKF и FIS оценки были вычислены рекуррентно, как описано выше. Последовательность оценок, а также истинное распределение проводимости для одного эллипсоидального объекта, дрейфующего через целевой объем, показаны на фиг. 2. В левой колонке на чертеже изображено фактическое ("истинное") распределение электропроводности, средняя колонка показывает IEKF оценку, а правая колонка - FIS оценку. Видно, что эллипсоидальный объект не может быть восстановлен с помощью IEKF, пока объект не достиг электродного слоя, в то время как объект наблюдается в каждой FIS оценке. Это различие проистекает из-за разных наборов данных, используемых в IEKF и FIS, как описано далее. Что касается IEKF оценок, поскольку EIT измерения являются чувствительными к распределению электропроводности в непосредственной окрестности электродной плоскости, вариации проводимости,происходящие в других местах, не могут быть видны в этих измерениях. Таким образом, первое отображение объектов получают, когда объект достиг электродного слоя. При прохождении электродной плоскости, протекающий материал "просканирован" EIT измерениями, которые предоставляют информацию о распределении проводимости в окрестности электродного слоя. В случае FIS оценку для каждого момента времени вычисляют также с использованием данных, относящихся к одному или нескольким более поздним моментам времени. Это вызывает задержку между наблюдениями и оценками, но также улучшает качество оценок. Особенно на расположенной выше по потоку стороне электродного слоя оценки значительно более точны, чем оценки IEKF. Для количественной оценки качества оценки проводимости в каждый момент времени были вычислены нормы относительных ошибок оценки, при этом они показаны на фиг. 3. На кривых фиг. 3 каждый пик обозначает один эллипсоидальный объект, дрейфующий через сегмент трубы, формирующий целевой объем. Другими словами, в обеих оценках нормы относительной ошибки являются наименьшими в те моменты времени, когда эллипсоидальный объект не находится в сегменте трубы. Тогда также и точности IEKF и FIS оценок близки друг к другу с типичными значениями в 3-4%. Когда объекты находятся внутри исследуемого сегмента трубы, максимальная норма относительной ошибки IEKF и FIS оценок составляет соответственно приблизительно 13-15% и 6-7%. В дополнение к распределению электропроводности также должны были быть оценены контактные импедансы. При создании данных контактные импедансы всех электродов были одинаковыми. Тем не менее, при обработке данных электроды были описаны с отдельными значениями. Истинный контактный импеданс и оценочные значения приведены на графиках фиг. 4. Верхний график показывает IEKF оценки, а нижний - FIS оценки. Оценки отслеживают фактическое значение, представленное жирной линией, но временные изменения являются довольно быстрыми, особенно для IEKF оценок. Результаты моделирования, изображенные на фиг. 2-4 и обсужденные выше, ясно доказывают возможность технической реализации настоящего изобретения в построении изображений трехмерного массового потока. Как уже говорилось выше, в случае IEKF оценок оценочные ошибки могут быть довольно большими на верхней по потоку стороне электродного слоя, поскольку наблюдения не несут в себе информацию из этой области. Наблюдения обновляют оценки в области электродного слоя и, начиная от него, дальше, то есть на нижней по потоку стороне электродного слоя, причем качество оценок зависит от точности эволюционной модели. Проблема с точностью в верхней по потоку области может быть решена с использованием алгоритмов сглаживания, в которых для оценки состояния системы в какой-либо конкретный момент времени также используются данные из более поздних моментов времени.ii) Устройство. Устройство, изображенное на фиг. 5, содержит электроды 3, расположенные в кольцевой конфигурации, окружающей целевой объем 2 массового потока. Кольцевой электрод лежит в плоскости 4, которая перпендикулярна относительно продольной оси целевого объема, т.е. среднему направлению массового потока. Электроды подсоединены к блоку 5 обработки сигналов, содержащему электронику, необходимую для создания и подачи к электродам сигналов возбуждения, а также для измерения ответных сигналов между выбранными электродами. Генерация сигналов и измерение, а также соединения между блоком 5 обработки сигналов и электродами 3 управляется компьютером 6 с соответствующим установленным в нем программным обеспечением. Кроме того, снятие измерительного сигнала и последующая обработка, для того чтобы окончательно сформировать распределение электропроводности внутри целевого объема, осуществляется с помощью компьютера. Устройство, изображенное на фиг. 5, используется и работает в соответствии с принципами способа, описанного выше в этом документе. Например, компьютер 6 с его программным обеспечением вместе с блоком 5 обработки сигналов формирует средства для определения модели пространства состояний, которая определяет соотношения между электропроводностью, напряжением и током в целевом объеме и которая также определяет эволюцию электропроводности в зависимости от времени; средства для сравнения напряжений и токов в соответствии с моделью пространства состояний с поданными и измеренными значениями и средства модификации для изменения по мере необходимости модели пространства состояний, чтобы уменьшить различия между вычисленными и измеренными результатами. Заявление. Как должно быть понятно специалисту, настоящее изобретение не ограничивается объясненными выше примерами. Вместо этого варианты выполнения настоящего изобретения могут естественным образом свободно варьироваться в пределах объема формулы изобретения. В частности, любые принципы и практика, известные в этой области техники, могут быть использованы в деталях модели пространства состояний, а также в фактических методах вычисления. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ определения трехмерного распределения электропроводности массового потока в трехмерном целевом объеме (2), включающий этапы измерения значений тока или напряжения, индуцированного в целевом объеме после подачи переменного напряжения или переменного тока,сравнения поданных и измеренных значений тока и/или напряжения с токами и/или напряжениями в соответствии с моделью пространства состояний, которая определяет соотношения между электропроводностью, напряжением и током в целевом объеме (2), и эволюцию электропроводности как функцию времени,модификации по мере необходимости модели пространства состояний для уменьшения различий между вычисленными и измеренными результатами, до тех пор пока заранее заданное соответствие не будет достигнуто, и определения трехмерного распределения электропроводности массового потока в целевом объеме в соответствии с модифицированной моделью пространства состояний,отличающийся тем, что собирают значения тока или напряжения, измеренные в точках целевого объема, лежащих, по существу, в одной плоскости (4), и используют модель пространства состояний, содержащую информацию об изменяющемся во времени поле течения массового потока внутри целевого объема (2). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эволюцию электрической проводимости как функцию времени определяют в модели пространства состояний с помощью конвекционно-диффузионной модели. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что на этапах сравнения токов и/или напряжений в соответствии с моделью пространства состояний с приложенными и измеренными значениями и модификации при необходимости модели пространства состояний создают набор данных, содержащий значения соответственно тока и/или напряжения, в соответствии с моделью пространства состояний внутри целевого объема (2). 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что на этапе сбора значений тока или напряжения используют большое количество электродов (3), находящихся в измерительной связи с целевым объемом, причем электроды размещают, по существу, в одной плоскости, прикладывают переменное напряжение или переменный ток к целевому объему между двумя электродами (3) и измеряют соответственно ток или напряжение между двумя электродами (3). 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что электроды (3) размещают таким образом, что они задают ограничиваемую ими плоскость (4), по существу, перпендикулярно относительно среднего направления распространения массового потока в целевом объеме (2). 6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что электроды (3) размещают в кольцевой конфигурации, окружающей целевой объем (2). 7. Устройство (1) для определения трехмерного распределения электропроводности массового потока в трехмерном целевом объеме (2), содержащее средства (3, 5) измерения значений тока или напряжения, созданных путем приложения переменного напряжения или переменного тока к целевому объему и индуцированных таким образом в целевом объеме,вычислительное устройство (6), соединенное с указанными средствами (3, 5) измерения и содержащее программу, которая обеспечивает выполнение вычислительным устройством следующих операций: определение модели пространства состояний, которая определяет соотношения между электропроводностью, напряжением и током в целевом объеме (2), и эволюцию электропроводности как функцию времени,- 10024212 сравнение значений токов и/или напряжений в соответствии с моделью пространства состояний с приложенными и измеренными значениями,изменение по мере необходимости модели пространства состояний для уменьшения различий между вычисленными и измеренными результатами и определение трехмерного распределения электропроводности массового потока в целевом объеме в соответствии с модифицированной моделью пространства состояний,отличающееся тем, что средства (3, 5) измерения выполнены с возможностью измерения значений тока или напряжения в точках целевого объема, лежащих, по существу, в одной плоскости (4), и вычислительное устройство (6) выполнено с возможностью определения модели пространства состояний, содержащей информацию об изменяющемся во времени поле течения массового потока внутри целевого объема (2). 8. Устройство (1) по п.7, отличающееся тем, что вычислительное устройство (6) выполнено с возможностью определения эволюции электропроводности как функции времени в модели пространства состояний с помощью конвекционно-диффузионной модели. 9. Устройство (1) по п.7 или 8, отличающееся тем, что для сравнения токов и/или напряжений в соответствии с моделью пространства состояний с приложенными и измеренными значениями и для модификации при необходимости модели пространства состояний устройство содержит средства для создания набора данных, содержащих значения соответственно тока и/или напряжения, в соответствии с моделью пространства состояний внутри целевого объема (2). 10. Устройство (1) по любому из пп.7-9, отличающееся тем, что средства измерения содержат электроды (3), находящиеся в электрической связи с целевым объемом, причем электроды расположены, по существу, в одной плоскости, а также содержит средства приложения переменного напряжения или переменного тока к целевому объему между двумя электродами (3). 11. Устройство (1) по п.10, отличающееся тем, что электроды (3) расположены таким образом, что они задают ограничиваемую ими плоскость (4), по существу, перпендикулярно относительно среднего направления распространения массового потока в целевом объеме (2). 12. Устройство (1) по п.10 или 11, отличающееся тем, что электроды (3) расположены в кольцевой конфигурации, окружающей целевой объем (2).