Entwurf und Realisierung eines kapazitiven Tomographie-Systems nach dem Dreielektroden-Messprinzip

Gebhardt, Stefan GND

This thesis is a contribution to the design of electrical capacitance tomography (ECT) systems with compact construction for a specific class of simple industrial applications. The intention is the first design and implementation of a tomographic sensor system utilizing the three-electrodes measuring principle based on developed design guidelines. The investigations are focussing on image reconstruction and position determination of dielectric reference objects in a confined detection area. In spite of a special circuit design, which is applicable to measuring multiple sensor channels simultaneously with different sensitivity, low electromagnetic susceptibility and without mutual interference, the three-electrodes principle was not yet been investigated for applications in the field of ECT. The aim of the work are specific design rules for a square cross-sectional and constructively simplified ECT sensor, which can be derived from a systematic analysis of the influence of different sensor parameters especially on the image quality, taking into account of the used measuring principle's characteristics. Through an efficient reconstruction algorithm and a suitable localisation algorithm, basic requirements for real-time measurements even in limited computing resources are furthermore established. The studies carried out with the developed experimental system consisting of an optimised sensor configuration and a computer program as well as a modular measurement electronics with switching network show that this approach is generally suitable for the targeted applications. The capability and limitations of the system components are described in detail, and necessary means of realising real-time applications are presented. Therefore the three-electrodes principle appears to be a promisingtechnology for the development of compact and cost-feasible ECT sensor systems with a robust and powerful capacitive measurement electronics.

Die vorliegende Dissertation ist ein Beitrag zum Entwurf von ECT-Systemen (engl. Electrical Capacitance Tomography - ECT) in kompakter Bauweise für eine bestimmte Klasse von einfachen industriellen Applikationen. Sie behandelt den erstmaligen Entwurf und Aufbau eines tomographischen Sensorsystems nach dem Dreielektroden-Messprinzip auf Grundlage erarbeiteter Entwurfsrichtlinien. Im Fokus steht hierbei die Rekonstruktion und Positionsbestimmung von dielektrischen Referenzobjekten in einem geschlossenen Detektionsbereich. Trotz des besonderen Schaltungsprinzips, mit dem mehrere Sensorkanäle gleichzeitig mit unterschiedlicher Messempfindlichkeit und geringer Störempfindlichkeit sowie ohne gegenseitige Beeinflussung ausgewertet werden können, wurde das Dreielektrodenprinzip bisher noch nicht für Anwendungen auf dem Gebiet der ECT untersucht. Schwerpunkt der Arbeit sind spezifische Entwurfsregeln für einen im Querschnitt quadratischen und konstruktiv vereinfachten ECT-Sensor, die unter Berücksichtigung der Eigenschaften dieses Messprinzips aus einer systematischen Analyse der Einflüsse verschiedener Sensorparameter, insbesondere auf die Bildqualität, abgeleitet werden können. Durch die Implementierung eines effizienten Rekonstruktionsalgorithmus und eines geeigneten Lokalisierungsalgorithmus werden zudem die Grundvoraussetzungen für Messungen in Echtzeit auch bei begrenzten Rechenressourcen geschaffen. Die Untersuchungen mit der entwickelten Experimentieranordnung bestehend aus einer optimierten Sensoranordnung und einem Auswerteprogramm sowie einer modularen Messelektronik mit Umschaltnetzwerk zeigen, dass sich ein derartiges Sensorsystem generell für die angestrebten Applikationen eignet. Die Leistungsfähigkeit und Anwendungsgrenzen der einzelnen Systemkomponenten sind in der Arbeit ausführlich beschrieben, und es werden die notwendigen Ansätze zur Realisierung echtzeitfähiger Systeme dargelegt. Das Dreielektroden-Messprinzip zeigt sich somit als eine aussichtsreiche Technik für die Entwicklung kompakter und kostengünstig realisierbarer ECT-Sensorsysteme mit einer robusten und leistungsfähigen kapazitiven Messelektronik.

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Gebhardt, Stefan: Entwurf und Realisierung eines kapazitiven Tomographie-Systems nach dem Dreielektroden-Messprinzip. 2014.

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