Способ и устройство для обнаружения и анализа отложений
Использование: для обнаружения и анализа отложений в системе, вмещающей жидкость. Сущность изобретения заключается в том, что способ включает: испускание, на первой стадии, ультразвуковым преобразователем ультразвукового испускаемого сигнала в направлении отражающего участка, регистрацию, на второй стадии, регистрирующим средством ультразвукового отраженного сигнала, полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала в области отражающего участка, определение, на третьей стадии, распределения времени пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала в зависимости от заданной переменной и анализ, на четвертой стадии, распределения с целью выявления по меньшей мере частичного осаждения отложений на отражающем участке. Технический результат: обеспечение возможности обнаружить отложения и провести различие между разными типами отложений с более высокой точностью и с меньшей зависимостью от рабочих условий. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для обнаружения и анализа отложений в системах, вмещающих жидкость.
Уровень техники
На промышленных предприятиях, таких как электростанции, сталелитейные заводы, предприятия целлюлозного или бумажного производства обычно имеются средства для перемещения или хранения жидкостей, например трубопроводы или резервуары. Известно, что на внутренних стенках этих средств для перемещения или хранения жидкостей происходит осаждение органических и неорганических веществ, вследствие чего скопившиеся отложения, например биологические или механические, по меньшей мере частично препятствуют прохождению потока через средства перемещения жидкостей, а перемещаемые или хранящиеся жидкости могут подвергаться загрязнению. Это нежелательное явление создает ряд производственных проблем, таких как засорение оборудования, неэффективное использование химических материалов, повышение затрат на энергию, производственные потери вследствие простоев, коррозия и снижение качества продукции из-за роста числа случаев загрязнения.
В принципе, можно провести, без каких-либо ограничений, различие между биологическими отложениями, с одной стороны, и механическими отложениями, с другой. Биологические отложения представляют собой органические отложения, которые часто возникают в форме биопленок в водных системах. Такие биопленки состоят, главным образом, из микроорганизмов, например бактерий, водорослей, грибков и простейших. В отличие от этого, механические отложения образуются из неорганических веществ, включающих, например, комплексные соединения кальция (карбонаты, оксалаты, сульфаты, силикаты), алюминия (силикаты, гидроксиды, фосфаты), сульфат бария, радиоактивный сульфат радия и силикаты магния.
Для предотвращения скопления биологических отложений и, в частности, роста биопленок в качестве контрмеры в соответствующую жидкость добавляют биоциды. Механические отложения могут быть удалены путем добавления реагентов, предназначенных для борьбы с отложениями, образовавшимися в результате химических реакций (химическими отложениями), и созданных на основе гомополимеров, сополимеров и терполимеров акриловой, метакриловой, малеиновой и аспартовой кислот. Кроме того, реагенты для борьбы с химическими отложениями могут быть созданы на основе органических фосфонатов и их производных, а также полифосфатов.
Дозирование этих биоцидов и реагентов для борьбы с химическими отложениями должно выполняться очень тщательно и осторожно из-за их очень высокой стоимости и способности причинить вред здоровью. Поэтому возникает необходимость отличить механические и биологические отложения друг от друга и определить толщину этих отложений.
В документе WO 2009 / 141135 А1, описывающем известный уровень техники, представлены способ и устройство для высокоточного измерения одной из характеристик биологического или механического отложения внутри сосуда с жидкостью. Ультразвуковой преобразователь испускает ультразвуковой сигнал в направлении отражающего участка внутри сосуда с жидкостью, после чего осуществляется измерение расстояния между ультразвуковым преобразователем и отражающим участком или между ультразвуковым преобразователем и отложением на отражающем участке путем оценки временного интервала прохождения сигнала, отраженного от отражающего участка или от отложения, покрывающего отражающий участок. Измеренное расстояние сравнивают с эталонным расстоянием, измеренным на начальном этапе калибровки в отсутствие каких-либо отложений на отражающем участке. Разность между измеренным и эталонным расстояниями представляет собой меру толщины отложения. Недостатком данного метода является то, что реальное расстояние между ультразвуковым преобразователем и отражающим участком изменяется, например, в зависимости от температуры или давления внутри сосуда с жидкостью. Поэтому текущее расстояние между ультразвуковым преобразователем и отражающим участком в момент измерения не может быть точно определено с помощью эталонного расстояния, измеренного ранее. Следовательно, результат измерения толщины отложений содержит неизвестную ошибку, зависящую от эксплуатационных параметров, таких как давление и температура.
Кроме того, в документе WO 2009 / 141135 А1 описано устройство, позволяющее провести различие между механическими и биологическими отложениями и содержащее два разных ультразвуковых преобразователя, каждый из которых взаимодействует с отдельным отражающим участком. Эти два отражающих участка обладают разными акустическими импедансами. Поскольку механические и биологические отложения тоже имеют разные акустические импедансы, сравнение амплитуды отраженного сигнала, измеренного во временной области одним ультразвуковым преобразователем, и амплитуды отраженного сигнала, измеренного во временной области другим ультразвуковым преобразователем, позволяет провести различие между биологическими и механическими отложениями. Недостатком упомянутых устройства и способа является то, что в этом устройстве должны быть предусмотрены две измерительные секции, что ведет к удорожанию оборудования, увеличению монтажного пространства и появлению дополнительных источников ошибок, поскольку рабочие условия в системе, вмещающей жидкость, не являются везде одинаковыми, а, напротив, зависят от точного положения, например вдоль трубы с жидкостью.
Раскрытие изобретения
Соответственно, целью настоящего изобретения является создание способа и устройства для обнаружения и анализа отложений на отражающем участке, позволяющих обнаружить отложения и провести различие между разными типами отложений с более высокой точностью и с меньшей зависимостью от рабочих условий. Кроме того, требуется разработать более экономичное, компактное и прочное устройство.
Цель настоящего изобретения достигается с помощью способа обнаружения и анализа отложений на отражающем участке, в частности внутри системы, вмещающей жидкость, включающего: испускание, на первом этапе/стадии, ультразвуковым преобразователем ультразвукового испускаемого сигнала в направлении отражающего участка, регистрацию, на втором этапе, регистрирующим средством ультразвукового отраженного сигнала, полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала в области отражающего участка, определение, на третьем этапе, распределения времени пробега зарегистрированного ультразвукового отраженного сигнала в зависимости от заданной переменной и анализ, на четвертом этапе, этого распределения с целью выявления по меньшей мере частичного осаждения отложений на отражающем участке.
Тем самым создается благоприятная возможность для простого и надежного выявления наличия отложений на отражающем участке посредством анализа распределения времени пробега в зависимости от заданной переменной. Кроме того, в случае обнаружения отложений можно провести различие между разными типами последних, например механическими и биологическими отложениями. Эта возможность обеспечивается благодаря тому, что было установлено, что характеристическая кривая времени пробега сигнала, построенная в зависимости от упомянутой переменной (именуемая распределением) изменяется измеримым образом с толщиной и типом отложений. Кроме того, характеристика распределения зависит от степени покрытия отложениями, так что посредством анализа положения и формы распределения можно даже определить степень покрытия отражающего участка слоем отложений. Например, можно определить, покрыт ли отражающий участок слоем отложений лишь частично или полностью. В предпочтительном варианте на четвертом этапе распределение анализируется на наличие у него стационарной точки, точки перегиба, точки перелома, полюса и/или скачка. В частности, на четвертом этапе также определяются положения стационарной точки, точки перегиба, точки перелома, полюса и/или скачка. Согласно другому варианту осуществления изобретения, на четвертом этапе анализируются положение, градиент и/или кривизна распределения. Форма распределения дает информацию о свойствах отложений на отражающем участке, например об их типе, толщине, степени покрытия и т.п. Эту информацию можно простым образом оценить путем определения характеристик и, в частности, математических условий распределения. Заданные переменные в предпочтительном варианте включают параметры испускания ультразвукового преобразователя, параметры регистрации регистрирующего средства и/или аналитические параметры анализатора, изменяемые на четвертом этапе.
Вышеупомянутая цель настоящего изобретения достигается также с помощью способа обнаружения и анализа отложений на отражающем участке, в частности внутри системы, вмещающей жидкость, включающего: испускание, на первом этапе, ультразвуковым преобразователем ультразвукового испускаемого сигнала в направлении отражающего участка, регистрацию, на втором этапе, регистрирующим средством ультразвукового отраженного сигнала, полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала на отражающем участке и анализ, на третьем этапе, регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала посредством анализатора на наличие разных значений времени пробега с целью выявления осаждения биологических и/или механических отложений на отражающем участке. Этот способ представляет собой еще один предмет либо предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения.
Следовательно, настоящее изобретение предоставляет благоприятную возможность провести различие между механическими и биологическими отложениями без использования двух отдельных измерительных секций или без обязательного выполнения калибровочных измерений для определения эталонного расстояния. Акустический импеданс биологических отложений существенно ниже акустического импеданса механических отложений. Если отражающий участок покрыт скоплением биологических отложений, то последние отражают небольшую часть ультразвукового испускаемого сигнала, тогда как основная часть этого сигнала отражается отражающим участком, выполненным, например, из металла. Поэтому регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал содержит первый пик с меньшей амплитудой, возникший в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала биологическим отложением, и второй пик с большей амплитудой, возникший в результате отражения этого ультразвукового испускаемого сигнала еще одной отражающей поверхностью на отражающем участке, например внутренней поверхностью стенки трубы или резервуара системы, вмещающей жидкость. Первый пик располагается по оси времени таким образом, что он предшествует второму пику, поскольку расстояние между регистрирующим средством и отражающей поверхностью биологического отложения (первое расстояние) меньше расстояния между регистрирующим средством и другой отражающей поверхностью (второго расстояния). Соответственно, время пробега первого пика (в частности, первого фронта нарастания ультразвукового отраженного сигнала) короче времени пробега второго пика (в частности, второго фронта нарастания ультразвукового отраженного сигнала), поскольку оба пика возникают из одного и того же первого фронта ультразвукового испускаемого сигнала. Это означает, что у регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала имеется по меньшей мере два разных значения времени пробега. Если, в отличие от этого, отражающий участок покрыт механическими отложениями, то ультразвуковой испускаемый сигнал отражается по существу только отражающей поверхностью механических отложений. В этом случае второй пик, возникающий в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала еще одной отражающей поверхностью, не может быть измерен, так что у регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала имеется только одно время пробега, соответствующее первому расстоянию между регистрирующим средством и отражающей поверхностью механических отложений.
В контексте настоящего описания термин "отложения" означает, в частности, любой вид органических или неорганических загрязняющих веществ и отложений, возникающих в системах, вмещающих жидкость, например в трубопроводах или резервуарах. Подобные отложения возникают, например, в форме пленок (именуемых также "биологическими отложениями"). Эти отложения формируются, главным образом, в водных системах на границе раздела с твердой фазой. Пленки, образованные микроорганизмами, состоят из слоя слизи с погруженными в нее микроорганизмами (например, бактериями, водорослями, грибками и простейшими). Как правило, наряду с микроорганизмами, эти пленки содержат, главным образом, воду и внеклеточные полимерные вещества, выделяемые этими микроорганизмами, образующие в сочетании с водой гидрогели и содержащие другие питательные и иные вещества. Слизистая матрица, образовавшаяся в водной среде на границе раздела, часто включает твердые частицы. Пленки, возникшие, например, на предприятии бумажного производства, характеризуются тем, что они содержат высокую долю волокон, мелкодисперсных веществ и неорганических пигментов, связанных органической матрицей. Такие пленки обычно сопровождаются защитными экзополисахаридами ("слизь", ЭПС), которые вырабатываются микроорганизмами и возникают на границе раздела поверхностей оборудования и технологических водных потоков. Кроме того, на этих поверхностях часто возникают отложения неорганических загрязняющих веществ, таких как карбонат кальция ("накипь"), и органических загрязняющих веществ, известных как "пек" (например, смола из древесины) и "липкая фаза" (например, клейкие и связующие вещества, клейкая пленка и частицы воска).
В предпочтительном варианте на третьем этапе осуществляется анализ регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала с целью определения, превышает ли существенно амплитуда второго пика амплитуду первого пика. Если это так, то можно заключить, что первый и второй пики возникли из одного и того же первого пика ультразвукового испускаемого сигнала, так что соответствующие значения времени пробега первого и второго пиков отличаются друг от друга.
Кроме того, в предпочтительном варианте определяется разность этих двух значений времени пробега (в случае идентификации биологических отложений), поскольку эта разность является мерой толщины слоя биологического отложения. Толщину биологического отложения можно вычислить, например умножив эту разность значений времени на скорость звука в воде (близкую к скорости звука в биологических отложениях). Это создает благоприятную возможность для вычисления толщины биологических отложений без предварительных калибровочных измерений и использования каких-либо эталонных значений.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения на третьем этапе определяется распределение времени пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала, а на четвертом этапе это распределение анализируется на наличие у него скачка.
Это создает благоприятную возможность для высокоточной, сравнительно простой и надежной регистрации разности между значениями времени пробега для первого и второго пиков регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала. В предпочтительном варианте осуществляется регулирование по меньшей мере одного регулируемого параметра, влияющего на время пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала, и контроль распределения времени пробега в зависимости от этого регулируемого параметра. При регистрации скачка в распределении можно сделать вывод об обнаружении перехода от малого пика к большому пику или наоборот (как упоминалось выше, малый и большой пики образуются из одного и того же пика ультразвукового испускаемого сигнала), поскольку первый пик предшествует второму пику на оси времени. Наличие этого скачка указывает на то, что отражающий участок покрыт биологическим отложением. При наличии на отражающем участке скопления механических отложений подобного скачка в распределении не происходит. Параметрами, изменяемыми с целью нахождения скачка в распределении на четвертом этапе, в предпочтительном варианте являются параметры испускания ультразвукового преобразователя, параметры регистрации регистрирующего средства и/или аналитические параметры анализатора (также именуемые заданными переменными). В предпочтительном варианте положение и/или форма скачка в распределении определяются на пятом этапе с целью определения степени покрытия отражающего участка биологическими отложениями, когда скачок регистрируется на четвертом этапе. Положение и форма скачка являются мерой степени покрытия отложениями, что дает благоприятную возможность, например, для определения, покрыт ли отражающий участок слоем отложений лишь частично или полностью.
Согласно одному из особенно предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал усиливается, на третьем этапе, усилителем анализатора, причем на четвертом этапе осуществляется регулирование коэффициента усиления этого усилителя с целью нахождения скачка, и в предпочтительном варианте коэффициент усиления последовательно увеличивается по меньшей мере вплоть до регистрации этого скачка. Если коэффициент усиления установлен на низкое значение, то амплитуда малого первого пика будет меньше нижнего предела измерения и, следовательно, время пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала (определяемое, например, первым фронтом нарастания поступающего ультразвукового отраженного сигнала) будет определяться большим (вторым) пиком, полученным в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала на отражающем участке. При последовательном увеличении коэффициента усиления в определенной точке наступает момент, когда амплитуда малого пика (первого пика, полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала поверхностью биологических отложений на отражающем участке) достигает нижнего предела измерения (определяемого, например, пороговым значение регистрирующего средства или анализатора). В этот момент время пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала определяется более ранним малым пиком и, следовательно, происходит скачок времени пробега до меньшего значения, так что кривая распределения регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала в зависимости от коэффициента усиления усилителя содержит скачок в форме ступеньки. Если отражающий участок покрыт механическими отложениями, то распределение не содержит подобных скачков, поскольку ультразвуковой отраженный сигнал образуется, главным образом, в результате отражения на поверхности этих отложений. В этом случае распределение не содержит предшествующего пика с существенно меньшей амплитудой.
Согласно еще одному из особенно предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения время пробега определяется в зависимости от времени регистрации регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала на третьем этапе, причем время регистрации определяется временем, когда регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал превышает некоторое пороговое значение, причем это пороговое значение регулируется в течение четвертого этапа с целью нахождения скачка, а в предпочтительном варианте - последовательно уменьшается по меньшей мере вплоть до регистрации этого скачка. Тем самым создается благоприятная возможность для поиска скачка в распределении без регулирования коэффициента усиления усилителя, поскольку регулирование порогового значения имеет, в принципе, тот же эффект. Существует также по меньшей мере теоретическая возможность регулирования и коэффициента усиления, и порогового значения.
Согласно еще одному из особенно предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения ультразвуковой испускаемый сигнал испускается, на первом этапе, ультразвуковым преобразователем с некоторой выходной мощностью, причем выходная мощность увеличивается в течение четвертого этапа с целью нахождения скачка, а в предпочтительном варианте - последовательно увеличивается по меньшей мере вплоть до регистрации этого скачка. Тем самым создается благоприятная возможность для поиска скачка в распределении без регулирования коэффициента усиления усилителя или порогового значения, поскольку регулирование выходной мощности имеет тот же эффект. В предпочтительном варианте осуществляется регулирование выходной мощности и/или порогового значения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения на пятом этапе определяется временное смещение в распределении в области скачка с целью определения толщины биологических отложений на шестом этапе, если этот скачок был зарегистрирован на четвертом этапе. В предпочтительном варианте толщина биологических отложений вычисляется или по меньшей мере оценивается путем умножения временного смещения на значение акустической скорости. Для лишь оценочного определения толщины отложений берутся значения акустической скорости, соответствующие скорости звука в воде, поскольку последняя близка к скорости звука в биологических отложениях. В альтернативном варианте значение скорости звука в биологических отложениях предварительно измеряется в ходе точных эталонных измерений, в частности при определенных температурах. В этом случае значение акустической скорости представляет собой точную величину скорости звука в биологических отложениях, что позволяет выполнить высокоточное вычисление толщины этих отложений. В предпочтительном варианте разные значения акустической скорости берутся для разных температур, так что толщина определяется путем умножения временного смещения на значение акустической скорости в зависимости от фактической температуры с целью исключения погрешностей, связанных с температурными колебаниями. Благодаря этому, толщину можно определить количественно даже в изменяющихся рабочих условиях, например при колебаниях температуры и/или давления.
Согласно еще одному из особенно предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения обнаружение скачка в распределении осуществляется, на первом подэтапе четвертого этапа, путем изменения параметров испускания, параметров регистрации и/или аналитических параметров, причем на втором подэтапе четвертого этапа определяется ограниченный интервал в ходе распределения, в котором располагается этот скачок, а на третьем подэтапе четвертого этапа параметры испускания, параметры регистрации и/или аналитические параметры снова изменяются лишь в пределах этого ограниченного интервала, и в предпочтительном варианте анализу подвергается лишь этот ограниченный интервал с целью определения временного смещения на пятом этапе. Тем самым создается благоприятная возможность для снижения затрат времени, так что могут быть учтены, например, краткосрочные изменения температуры жидкости во время измерений. На первом подэтапе выполняется сравнительно грубый экспресс-анализ только с целью выяснения, содержит ли данное распределение скачок или нет. Для этого осуществляется изменение параметров испускания, параметров регистрации и/или аналитических параметров с большим шагом. В случае обнаружения скачка на втором подэтапе определяется интервал его локализации. Преимущество данного подхода состоит в том, что в дальнейшем на третьем подэтапе выполняется высокоточный анализ лишь этого ограниченного интервала вместо анализа всего распределения. Следовательно, параметры испускания, параметры регистрации и/или аналитические параметры можно изменять в пределах этого интервала с меньшим шагом, чем обеспечивается возможность выполнения точных измерений скачка за сравнительно короткое время. В частности, скачок можно точно локализовать и определить количественно, не затрачивая слишком много времени на измерения в тех областях распределения (например, периферийных), в которых обнаружение скачка заведомо маловероятно.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения на седьмом этапе время пробега сравнивается с эталонным значением с целью определения толщины механических отложений, когда на третьем этапе не регистрируются разные значения времени пробега и/или на четвертом этапе не обнаруживается скачок. Отсутствие разных значений времени пробега или скачка в распределении указывает на то, что отражающий участок либо покрыт механическими отложениями, либо отложения на нем вообще отсутствуют. Сравнение одного времени пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала с эталонным значением позволяет выявить наличие скопления механических отложений, покрывающих отражающий участок. Эталонное значение соответствует, в частности, времени пробега ультразвукового сигнала в отсутствие отложений на отражающем участке. Эталонное значение определяется в процессе калибровочных измерений на нулевом этапе, которые первоначально выполняются, например, до первой технологической операции производственной установки или непосредственно после монтажа отражающего участка, ультразвукового преобразователя, средства регистрации и/или анализатора. Если одно время пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала оказывается меньше эталонного значения, то можно заключить, что отражающий участок покрыт механическими отложениями. Разность между определенным временем пробега и эталонным значением является мерой толщины слоя механических отложений.
В предпочтительном варианте одно время пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала сравнивается, на седьмом этапе, с эталонным значением в зависимости от параметров испускания, параметров регистрации, аналитических параметров и/или температурного параметра. Тем самым создается благоприятная возможность для выбора определенного эталонного значения в зависимости от текущих рабочих условий. Если в процессе измерений жидкость во вмещающей ее системе имеет определенную температуру и определенное давление, то соответствующее эталонное значение для этих значений температуры и давления сравнивается с измеренным временем пробега. В частности, в процессе калибровочных измерений на нулевом этапе выполняется определение нескольких эталонных значений для различных параметров испускания, параметров регистрации, аналитических параметров, параметров давления и/или температурных параметров.
Еще одним предметом настоящего изобретения является устройство для обнаружения и анализа отложений на отражающем участке, в частности внутри системы, вмещающей жидкость, содержащее ультразвуковой преобразователь для испускания ультразвукового испускаемого сигнала в направлении отражающего участка, регистрирующее средство для регистрации ультразвукового отраженного сигнала, полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала в области отражающего участка, и анализатор для проведения анализа, показывающего, содержит ли регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал разные значения времени пробега, с целью определения, покрывают ли биологические и/или механические отложения отражающий участок. Данное устройство позволяет благоприятным образом реализовать описанный выше способ, соответствующий настоящему изобретению. Следовательно, обеспечивается благоприятная возможность для проведения различия между биологическими и механическими отложениями без обязательного использования двух отдельных измерительных секций. Поэтому устройство, предлагаемое в настоящем изобретении, является более экономичным, компактным и прочным по сравнению с подобными устройствами, соответствующими известному уровню техники.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения анализатор выполнен с возможностью определения распределения времени пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала, а также проведения анализа, показывающего, содержит ли это распределение скачок, с целью выявления наличия биологических и/или механических отложений на отражающем участке. Конструкция анализатора позволяет найти разные значения времени пробега в регистрируемом ультразвуковом отраженном сигнале, что реализуется сравнительно просто и не требует экстенсивного использования аппаратных средств, например вычислительных ресурсов, запоминающих устройств, высокочастотного оборудования и т.п. В предпочтительном варианте устройство выполнено с возможностью изменения параметров испускания ультразвукового преобразователя, параметров регистрации регистрирующего устройства и/или аналитических параметров анализатора с целью нахождения скачка в распределении. В альтернативном варианте или наряду с упомянутым выше анализатор содержит усилитель для усиления регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала, причем анализатор выполнен с возможностью последовательного увеличения коэффициента усиления с целью нахождения скачка в распределении.
Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения анализатор в предпочтительном варианте выполнен с возможностью определения временного смещения в области скачка в распределении, причем устройство содержит умножитель для умножения временного смещения на значение акустической скорости с целью определения толщины биологических отложений в случае обнаружения скачка в распределении. Значение акустической скорости может представлять собой, как было упомянуто выше, скорость звука в воде либо измеренную или оцененную скорость звука в биологических отложениях. Тем самым создается благоприятная возможность для определения толщины биологических отложений, осаждающихся на отражающем участке, без использования двух отдельных измерительных секций. Кроме того, отпадает необходимость в обязательных предварительных калибровочных измерениях.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения устройство содержит блок памяти для хранения по меньшей мере одного эталонного значения, полученного в процессе предварительных калибровочных измерений, и компаратор для сравнения времени пробега с этим эталонным значением с целью определения толщины механических отложений в случае, если скачок в распределении не обнаружен. Тем самым создается благоприятная возможность для определения толщины механических отложений, осаждающихся на отражающем участке.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения отражающий участок является частью стенки трубы или резервуара с жидкостью системы, вмещающей жидкость. В этом варианте осуществления устройство по меньшей мере частично встроено в резервуар для хранения жидкости или в трубу для прохождения жидкости. В предпочтительном варианте жидкость представляет собой жидкость на водной основе. Ультразвуковой преобразователь встроен, например, в первую стенку трубы или резервуара с жидкостью, причем отражающий участок образован второй стенкой трубы или резервуара с жидкостью. Первая и вторая стенки расположены друг против друга. В частности, устройство на постоянной основе вмонтировано в стенку трубы или резервуара с жидкостью, чем обеспечивается возможность постоянного и непрерывного контроля механических и биологических отложений.
В альтернативном особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения устройство содержит держатель, выступающий из самого устройства или из стенки трубы системы, вмещающей жидкость, вовнутрь этой трубы, причем отражающий участок является частью держателя и расположен на некотором расстоянии от ультразвукового преобразователя. Это создает благоприятную возможность для монтажа устройства в целом только на одной стенке трубы или резервуара с жидкостью.
Еще в одном альтернативном и особенно предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения отражающий участок является частью съемной подложки для образца, вставляемой в систему, вмещающую жидкость, и в устройство. Тем самым создается благоприятная возможность для по меньшей мере временного размещения только этой подложки для образца внутри системы, вмещающей жидкость, например внутри резервуара для хранения жидкости или трубы для прохождения жидкости. Для обнаружения и анализа биологических и механических отложений в системе, вмещающей жидкость, подложку для образца извлекают из этой системы и вставляют в устройство только на время проведения измерений. Благодаря этому обеспечивается возможность исполнения данного устройства в виде переносного ручного прибора. Кроме того, данное устройство можно использовать для контроля многочисленных подложек для образцов, временно размещенных в самых разных местах одной или более промышленных установок.
В предпочтительном варианте устройство содержит датчик температуры. Существует также возможность передачи посредством коммуникационного интерфейса значения, представляющего температуру жидкости и измеренного с помощью этого датчика температуры.
Прочие варианты осуществления и отличительные особенности способа и устройства, соответствующих настоящему изобретению, описаны в публикации WO 2009 / 141135 А1, включенной в настоящую заявку в качестве ссылки.
В предпочтительном варианте устройство содержит коммуникационный интерфейс для передачи данных измерений и/или анализа через коммуникационную сеть. Данные измерений и/или анализа могут быть переданы, в частности проводным или беспроводным способом, через коммуникационную сеть, например интернет, стационарную телефонную сеть, сеть мобильной связи и т.п., в центральное запоминающее устройство, центральный процессор, насос или клапан для подачи в систему, вмещающую жидкость, соответствующего количества биоцидов и/или химических реагентов, предназначенных для борьбы с отложениями и созданных на основе, например, гомополимеров, сополимеров и терполимеров акриловой, метакриловой, малеиновой и аспартовой кислот либо на основе органических полифосфатов или фосфонатов и их производных.
Эти и другие характеристики, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясны из приведенного ниже подробного описания изобретения, представленного в сочетании с приложенными чертежами, иллюстрирующими, в качестве примера, основные идеи изобретения. Данное описание приведено только в качестве примера и не ограничивает объем настоящего изобретения. Указанные ниже ссылочные численные обозначения относятся к приложенным чертежам.
Краткое описание чертежей
На чертежах показано:
фиг. 1 - схематическая иллюстрация устройства и способа для обнаружения и анализа биологических и/или механических отложений согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, представленному в качестве примера,
фиг. 2 - схематическое изображение, иллюстрирующее форму регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала в способе обнаружения и анализа отложений согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг.3 - схематическое изображение, иллюстрирующее распределение времени пробега различных регистрируемых ультразвуковых отраженных сигналов в способе обнаружения и анализа отложений согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 4 - схематическое изображение устройства для обнаружения и анализа отложений согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 5 - схематическое изображение устройства для обнаружения и анализа отложений согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения,
фиг. 6, 7 и 8 - различные распределения времени пробега, представленные на каждом графике для случаев наличия и отсутствия отложений на отражающем участке и соответствующие другим вариантам осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Настоящее изобретение описывается на отдельных примерах осуществления и со ссылками на конкретные чертежи, что, однако, не ограничивает изобретение, объем которого определяется только формулой изобретения. Описанные чертежи являются лишь схематическими и носят неограничивающий характер. Размеры некоторых элементов на чертежах могут быть в иллюстративных целях завышены и не даны в масштабе.
Если специально не указано иное, то сказанное в отношении какого-либо элемента в единственном числе относится и к группе таких элементов.
Кроме того, встречающиеся в описании и формуле изобретения термины "первый", "второй", "третий" и т.д. используются для проведения различия между схожими элементами, а не обязательно для упоминания в порядке очередности или в хронологическом порядке. Следует иметь в виду, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми и что элементы изобретения в вариантах осуществления, представленных в настоящем описании, могут функционировать в последовательности, отличающейся от описанной или проиллюстрированной.
На фиг. 1 показано устройство 16 для обнаружения и анализа биологических и/или механических отложений 33 внутри системы 11, вмещающей жидкость, соответствующее первому варианту осуществления настоящего изобретения, представленному в качестве примера. Устройство 16 содержит ультразвуковой преобразователь 12, регистрирующее средство 13 и анализатор 14. В представленном примере система 11, вмещающая жидкость, содержит трубу 32 для прохождения жидкой среды 32', например в холодильной установке, на предприятиях целлюлозного или бумажного производства. Устройство 16 встроено в стенку трубы 32. Ультразвуковой испускаемый сигнал 20 испускается ультразвуковым преобразователем 12 в направлении отражающего участка 10. Отражающий участок 10 сформирован, например, как часть внутренней боковой стенки трубы 32. Ультразвуковой преобразователь 12 и отражающий участок 10 расположены на противоположных сторонах трубы 32 и обращены друг к другу. В предпочтительном варианте ультразвуковой испускаемый сигнал 20 содержит несколько испускаемых друг за другом дискретных волновых пакетов.
Для обнаружения и анализа биологических и/или механических отложений 33, скопившихся в области отражающего участка 10 на внутренней поверхности стенки трубы 32, осуществляется регистрация, посредством регистрирующего средства 13, ультразвукового отраженного сигнала 21, возникшего в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала 20 на отражающем участке 10. Если на отражающем участке 10 вообще нет отложений 33, то ультразвуковой испускаемый сигнал 20 отражается внутренней поверхностью стенки трубы 32. В этом случае ультразвуковой отраженный сигнал 21 дважды проходит расстояние (второе расстояние 34) между ультразвуковым преобразователем 12 и внутренней поверхностью стенки. Для прохождения этого расстояния регистрируемому ультразвуковому отраженному сигналу 21 требуется определенное время 22 пробега. Если на внутренней поверхности стенки трубы 32 имеются биологические отложения 33 в пределах отражающего участка 10, то ультразвуковой испускаемый сигнал 20 отражается частично этими биологическими отложениями 33, а в основном - внутренней поверхностью стенки трубы 32, поскольку биологические отложения 33 обладают низким акустическим импедансом. Если на внутренней поверхности стенки трубы 32 имеются механические отложения 33 в пределах отражающего участка 10, то ультразвуковой испускаемый сигнал 20 отражается поверхностью этих механических отложений 33, поскольку последние обладают высоким акустическим импедансом. В принципе, можно сказать, что если по меньшей мере часть ультразвукового испускаемого сигнала 20 отражается поверхностью отложений 33, то по меньшей мере соответствующая часть регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала 21 дважды проходит более короткое расстояние (первое расстояние 35, которое короче второго расстояния 34) между ультразвуковым преобразователем 12 и поверхностью отложений 33. Поэтому соответствующему регистрируемому ультразвуковому отраженному сигналу 21 требуется меньшее время 22 пробега.
Регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал 21 анализируется анализатором 14. С этой целью регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал 21 усиливается усилителем 15 анализатора 14. Анализатор 14 выполняет непосредственный или косвенный анализ усиленного ультразвукового отраженного сигнала 21 с целью выяснения, содержит ли этот сигнал 21 два разных значения времени 22 пробега. Если, например, первый фронт нарастания поступившего ультразвукового испускаемого сигнала 20 отражается частично на поверхности биологических отложений, например биопленки, расположенной на отражающем участке 10, а в основном - на внутренней поверхности стенки трубы 32, то регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал 21 содержит малый первый пик 40, полученный в результате отражения на поверхности биопленки, и большой второй пик 41, полученный в результате отражения на внутренней поверхности стенки (подробно показано на фиг. 2). Оба этих пика, первый 40 и второй 41, возникают из одного и того же фронта ультразвукового испускаемого сигнала 20. Временной разрыв 42 между первым 40 и вторым 41 пиками обусловлен только разными местами отражения: поверхностью биопленки, с одной стороны, и внутренней поверхностью стенки - с другой. Следовательно, регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал 21 содержит два разных значения времени 22 пробега, если на внутренней поверхности стенки имеется отложение в виде биопленки. Другими словами, в случае фиксации двух разных значений времени 22 пробега можно заключить, что отражающий участок 10 покрыт биологическими отложениями 33.
Амплитуда первого пика 40 существенно меньше амплитуды второго пика 41, поскольку акустический импеданс биопленок ниже акустического импеданса материала стенки, например металла или пластика. Тем самым создается благоприятная возможность для проведения различия между первым пиком 40, полученным в результате отражения от биопленки, и "первым" пиком волнового пакета, отраженного от внутренней поверхности стенки (который является лишь вторым пиком 41 в случае, когда биопленка покрывает отражающий участок 10). Частоту ультразвукового испускаемого сигнала 20 в предпочтительном варианте устанавливают таким образом, чтобы можно было выделить временной разрыв 42 между первым 40 и вторым 41 пиками. Другими словами: частота ультразвукового испускаемого сигнала 20 должна быть достаточно высокой, чтобы первый пик 40 не перекрывался вторым пиком 41. Ширина временного разрыва 42 определяется фактическим расстоянием между поверхностью биопленки, с одной стороны, и внутренней поверхностью стенки - с другой. Скорость звука в биопленке близка к хорошо известной скорости звука в воде. Следовательно, толщину обнаруженной биопленки можно вычислить, умножив временной разрыв 42 на скорость звука в воде с помощью умножителя 17 анализатора 14.
В случае идентификации слоя биологических отложений 33 и, в частности, определения толщины этого слоя анализатор 14 в предпочтительном варианте генерирует соответствующий управляющий сигнал для принятия необходимых контрмер, например добавления биоцидов в жидкую среду 32' и в трубу 32 с жидкостью. В предпочтительном варианте управляющий сигнал зависит от определяемого значения толщины слоя биологических отложений 33, инициируя повышение концентрации биоцидов в жидкой среде 32' в случае обнаружения толстого слоя биологических отложений 33 и снижение концентрации биоцидов, если этот слой тонок. Существует возможность использования одного или более насосов (не показаны), непосредственно управляемых этим управляющим сигналом с целью закачки соответствующего количества биоцидов в жидкую среду 32'. В альтернативном варианте можно использовать один или более клапанов (не показаны), управляемых управляющим сигналом с целью подачи соответствующего количества биоцидов в жидкую среду 32'. В предпочтительном варианте устройство 16 содержит интерфейс 31 коммуникационной сети для передачи управляющего сигнала и/или данных измерений через эту сеть, например в целях регистрации, мониторинга, управления или технического обслуживания.
Если анализатор 14 не обнаруживает два разных значения времени 22 пробега в регистрируемом ультразвуковом отраженном сигнале 21, то можно заключить, что внутренняя поверхность стенки на отражающем участке вообще не покрыта отложениями 33 или покрыта механическими отложениями 33. В этом случае второе значение времени 22 пробега отсутствует, поскольку ультразвуковой испускаемый сигнал 20 почти полностью отражается непокрытой внутренней поверхностью стенки или поверхностью слоя механических отложений 33 вследствие того, что механические отложения имеют сравнительно высокий акустический импеданс. Следовательно, отражение одного и того же фронта ультразвукового испускаемого сигнала 20 на внутренней поверхности стенки и на поверхности механических отложений 33 не поддается измерению. Для выполнения анализа с целью выявления наличия или отсутствия скопления механических отложений 33 на внутренней поверхности стенки осуществляется определение с помощью анализатора 14 одного времени 22 пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала 21 и последующее сравнение этого времени 22 пробега с эталонным значением 28 с помощью компаратора 19 анализатора 14. Компаратор 19 извлекает эталонное значение 28, например, из предназначенного для хранения этих значений блока 18 памяти устройства 16. Эталонное значение 28 представляет собой время 22 пробега ультразвукового сигнала, испускаемого ультразвуковым преобразователем 12, отраженного внутренней поверхностью стенки на отражающем участке 10 и зарегистрированного регистрирующим средством 13, когда внутренняя поверхность стенки вообще не покрыта никакими отложениями 33. Для определения этого эталонного значения 28 выполняют предварительные калибровочные измерения, например непосредственно после первого ввода в эксплуатацию установки или трубы, после заполнения системы 11 жидкой средой 32' или после монтажа устройства 16. Если определенное время 22 пробега меньше эталонного значения 28, то можно заключить, что регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал 21 отражается поверхностью механических отложений 33. В этом случае разность между временем 22 пробега и эталонным значением 28 является мерой толщины механических отложений 33. Толщина обнаруженного слоя механических отложений 33 может быть непосредственно вычислена путем умножения этой разности значений времени на скорость звука в воде посредством умножителя 17.
Как упоминалось выше, способ и устройство 16 позволяют провести различие между биологическими отложениями, с одной стороны, и механическими отложениями - с другой. Биологические отложения представляют собой органические отложения, которые часто возникают в форме биопленок в водных системах, причем такие биопленки состоят, главным образом, из микроорганизмов, например бактерий, водорослей, грибков и простейших. В отличие от этого, механические отложения образуются из неорганических веществ, включающих, например, комплексные соединения кальция (карбонаты, оксалаты, сульфаты, силикаты), алюминия (силикаты, гидроксиды, фосфаты), сульфат бария, радиоактивный сульфат радия и силикаты магния.
Как уже упоминалось выше, на фиг. 2 схематически показан, с целью иллюстрации его формы, регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал 21, получаемый в способе обнаружения и анализа биологических и/или механических отложений, реализуемом посредством устройства 16 (пример которого приведен на фиг. 1). На фиг. 2 представлен график зависимости амплитуды регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала 21 от времени 25 для случая, когда отражающий участок 10 покрыт биологическими отложениями 33. Кроме того, на графике показано пороговое значение 26 анализатора 14, определяющее нижний предел, после которого учитывается пик регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала 21. Если фронт нарастания поступающего ультразвукового отраженного сигнала 21 переходит через пороговое значение 26, то это определяет время 25 регистрации соответствующего фронта, и для регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала 21 можно вычислить время 22 пробега из разности между временем 25 регистрации и временем испускания ультразвукового испускаемого сигнала 20, в соответствии с чем для определения времени 22 пробега используется, в частности, время испускания пика, приводящего к образованию соответствующего пика в отраженном сигнале 21.
На фиг. 2 показано, что первый пик 40, имеющий малую амплитуду и возникающий вследствие отражения на поверхности биопленки, предшествует на оси времени второму пику 41, причем второй пик 41 имеет большую амплитуду и возникает вследствие отражения на внутренней поверхности стенки трубы 32 с жидкостью. Присутствие малого первого пика 40 указывает на наличие биологических отложений 33 на отражающем участке 10, причем временной разрыв 42 между первым пиком 40 и вторым пиком 41 является мерой толщины биологических отложений 33. Для обнаружения присутствия первого пика 40 анализатор 14 выполняет, как описано выше, непосредственный или косвенный анализ регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала 21 с целью выяснения, содержит ли этот сигнал 21 два разных значения времени 22 пробега. За вторым пиком 41 следуют несколько дополнительных пиков 43, образующихся из других пиков волнового пакета поступающего ультразвукового испускаемого сигнала 20 (все дополнительные пики 43 имеют по существу такое же время 22 пробега, как и у второго пика 41). Специалистам в данной области будет ясно, что первый пик 40 мог бы быть ориентированным и в противоположном направлении, то есть вниз. Данные сигналы получены фактически при максимальном коэффициенте усиления усилителя, так что разность амплитуд между первым 40 и вторым 41 пиками не поддается измерению. Первый 40 и второй 41 пики в значительной степени сливаются друг с другом.
Способ нахождения и анализа разных значений времени 22 пробега в регистрируемом ультразвуковом отраженном сигнале 22 с целью проведения различия между биологическими отложениями 33 и механическими отложениями 33 можно оптимизировать путем выполнения анализа распределения ультразвукового отраженного сигнала 22 на наличие в этом распределении 23 скачка 24. Имеется несколько возможностей, что биологические отложения 33 не будут обнаружены из-за того, что первый пик 40 находится ниже порогового значения 26 и поэтому не учитывается, хотя реально существует. Это может произойти, например, если выходная мощность ультразвукового преобразователя 12 или коэффициент усиления усилителя 15 являются слишком низкими или установлено слишком высокое пороговое значение. Еще одна причина может состоять в невозможности выделения малого пика из-за того, что первый пик 40 перекрывается вторым пиком 41. Во избежание этого осуществляют, в процессе измерений, регулирование по меньшей мере одного параметра, например выходной мощности (именуемой также параметром испускания), коэффициента усиления усилителя (именуемого также параметром регистрации) и/или порогового значения 26 (именуемого также аналитическим параметром). В предпочтительном варианте коэффициент усиления вначале устанавливается на низкое значение и затем последовательно повышается.
На фиг. 3 представлено распределение 23 результирующего ультразвукового отраженного сигнала 21 в зависимости от изменяющегося коэффициента усиления. Время 22 пробега вычисляется из разности между временем испускания ультразвукового испускаемого сигнала 20 и временем регистрации первого фронта ультразвукового отраженного сигнала 21 (на пересечении между первым фронтом и пороговым значением 26, также именуемым временем 25 регистрации). Вначале первый пик 40 не переходит пороговое значение 26 (см. фиг. 2) и поэтому не учитывается. Время 22 пробега определяется временем 25 регистрации фронта нарастания второго пика 41. Благодаря недавнему повышению коэффициента усиления происходит увеличение амплитуды второго пика 41, вследствие чего фронт нарастания второго пика 41 становится более крутым. Поэтому точка пересечения между фронтом нарастания второго пика 41 и пороговым значением 26 последовательно смещается в сторону меньших значений времени 22 пробега. По этой причине с ростом коэффициента 46 усиления происходит линейное падение кривой распределения 23 времени 22 пробега регистрируемого ультразвукового сигнала 21 (фиг. 3). В некоторый момент первый пик 40 переходит через пороговое значение 26, и начиная с этого момента время 22 пробега определяется пересечением между фронтом нарастания первого пика 40 и пороговым значением 26. По этой причине распределение 23 содержит скачок 24 в форме резкой ступеньки. Присутствие скачка 24 указывает на наличие биологических отложений 33 на отражающем участке 10. Если бы на отражающем участке 10 имелись механические отложения 33, то распределение 23 времени 22 пробега не содержало бы подобного скачка. Напротив, ход кривой распределения 23 остался бы неизменным как показано пунктирными линиями 47. Временное смещение 27, определяемое шириной ступеньки в распределении 23 вдоль вертикальной оси, является мерой расстояния между поверхностью биологических отложений 33 и внутренней поверхностью стенки трубы 32. Следовательно, толщину слоя биологических отложений можно просто вычислить, умножив временное смещение 27 на скорость звука в воде (близкую к скорости звука в биопленках).
График, показанный на фиг. 3, содержит разные кривые распределения 24 времени 22 пробега для разных рабочих условий в системе 11, вмещающей жидкость. Разные рабочие условия, например температура или давление жидкой среды 32', влияют на ширину трубы 32 с жидкостью, что имеет следствием изменение первого расстояния 35 между ультразвуковым преобразователем 12 и внутренней поверхностью стенки на отражающем участке 10. Поэтому время 22 пробега, соответствующее этим разным условиям, имеет разные значения, по меньшей мере до тех пор, пока скорость звука в жидкой среде 32' остается постоянной. В результате разные кривые распределения 23 параллельны друг другу и лишь смещены вдоль вертикальной оси. Две самые верхние кривые распределения 23' представляют график зависимости времени 22 пробега от увеличивающегося коэффициента 46 усиления (также именуемого заданной переменной 50) в отсутствие биологических отложений 33 на отражающем участке 10. Эти распределения 23' не содержат скачков 24. С целью выявления наличия механических отложений 33 на отражающем участке 10 или отсутствия на последнем каких-либо отложений вообще время 22 пробега при определенном коэффициенте 46 усиления и определенных рабочих условиях сравнивается с соответствующим эталонным значением 28, полученным посредством измерения при этих же коэффициенте 46 усиления и рабочих условиях. Таким путем можно также определить толщину механических отложений 33, вычислив разность между эталонным значением 28 и текущим временем 22 пробега и умножив эту разность на скорость звука в воде.
На фиг. 4 представлено схематическое изображение устройства 16 для обнаружения и анализа биологических и/или механических отложений 33 согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство 16 согласно второму варианту осуществления изобретения работает, в принципе, так же, как и устройство 16 согласно первому варианту осуществления, показанное на фиг. 1. Единственное отличие состоит в том, что устройство 16 согласно второму варианту осуществления не встроено в систему 11, вмещающую жидкость. Напротив, устройство 16 может быть выполнено в виде переносного ручного прибора. Отражающий участок образован съемной подложкой 30 для образца. Подложку 30 для образца временно располагают внутри вмещающей жидкость системы 11, стенки которой необходимо контролировать с учетом возможного осаждения на них биологических и/или механических отложений 33. Для обнаружения и анализа возможно имеющихся механических или биологических отложений 33 подложку 30 извлекают из системы 11, вмещающей жидкость, и вставляют в соответствующий вырез (слот) переносного устройства 16 (эта операция показана двойной стрелкой 48). Затем выполняются операции в соответствии описанным выше способом обнаружения и анализа механических и/или биологических отложений 33 с целью идентификации и количественного определения биологических и/или механических отложений 33 на подложке 30. В данном примере поверхность подложки 30 служит в качестве отражающего участка 10 в смысле настоящего изобретения. В предпочтительном варианте устройство 16 используется для контроля нескольких подложек 30 (не показано), расположенных в разных местах одной или более производственных установок. Интерфейс 31 коммуникационной сети в предпочтительном варианте содержит передающее устройство для проводной или беспроводной передачи данных. Существует также возможность передачи посредством коммуникационного интерфейса значения, представляющего температуру жидкости, измеренную с помощью датчика температуры.
На фиг. 5 представлено схематическое изображение устройства 16 для обнаружения и анализа биологических и/или механических отложений 33 согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство 16 согласно третьему варианту осуществления изобретения работает, в принципе, так же, как и устройство 16 согласно первому варианту осуществления, показанное на фиг. 1. Единственное отличие состоит в том, что устройство 16 согласно третьему варианту осуществления содержит L-образный держатель 36, выступающий из стенки трубы 32 системы 11, вмещающей жидкость, вовнутрь трубы 32. Отражающий участок 10 представляет собой часть держателя 36 и расположен на некотором расстоянии от ультразвукового преобразователя 12.
На фиг. 6 представлено распределение 23 времени пробега, используемое в способе обнаружения и анализа отложений 33 согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Этот способ схож со способами, описанными выше, в соответствии с которыми форма распределения 23 анализируется анализатором 14 с целью обнаружения отложений 33 на отражающем участке 10, а в случае их обнаружения - определения толщины слоя этих отложений 33 на отражающем участке 10 и степени покрытия этим слоем данного участка. На фиг. 6 показан построенный на основе реальных данных измерений график зависимости времени 22 пробега (в микросекундах) ультразвукового отраженного сигнала 21 от коэффициента 46 усиления (в децибелах) усилителя 15 (сплошная линия). Распределение 23 определяется ходом кривой зависимости времени 22 пробега от возрастающего коэффициента 46 усиления как переменной 50, когда на отражающем участке 10 имеются биологические отложения 33 (в данном примере - биообрастание). В данном примере биологические отложения 33 располагаются не как сплошной слой, покрывающий весь отражающий участок 10, а скорее как отдельные островки, изолированные друг от друга и покрывающие отражающий участок 10 лишь частично.
Кроме того, на данном графике показана, лишь в иллюстративных целях, кривая эталонного распределения 51 (пунктирная линия). Эталонное распределение 51 определяется ходом кривой зависимости времени пробега ультразвукового отраженного сигнала 21 от изменяющегося коэффициента 46 усиления, когда на отражающем участке 10 вообще отсутствуют отложения 33.
Можно видеть, что первая точка 52 перелома кривой распределения 23 смещена вдоль оси X по сравнению с эталонным распределением 51. Первая точка 52 перелома обусловлена отражением ультразвукового испускаемого сигнала 20 на металлической поверхности отражающего участка 10. В распределении 23 первая точка 52 перелома смещена в сторону более высоких значений коэффициента 46 усиления вследствие того, что биологические отложения 33 на отражающем участке 10 ослабляют ультразвуковой отраженный сигнал 21, который отразила металлическая поверхность. Конечно, смещение 52 может быть также использовано в качестве показателя толщины биологических отложений 33. Однако в данном случае необходимо контролировать эталонное распределение 51 с целью сравнения с распределением 23.
В дальнейшем кривые распределения 23 и эталонного распределения 51 все больше и больше расходятся, причем это расхождение начинается в области значения коэффициента усиления, приблизительно равного 50 децибел. Кривая распределения 23 не содержит в этой области резкого скачка или еще одной точки перелома, поскольку биологические отложения располагаются на отражающем участке 10 лишь спорадически. Однако из распределения 23 можно видеть, что присутствие подобных отложений 33 оказывает влияние по меньшей мере на градиент этого распределения 23.
Следовательно, присутствие биологических отложений 33, сформированных в виде отдельных изолированных островков, частично покрывающих отражающий участок 10, можно обнаружить лишь путем анализа градиента распределения 23.
На фиг. 7 представлены аналогичное распределение 23 и эталонное распределение 51 времени 22 пробега, используемые в способе обнаружения и анализа отложений 33 согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. В данном случае тоже показан построенный на основе реальных данных измерений график зависимости времени 22 пробега (в микросекундах) ультразвукового отраженного сигнала 21 от коэффициента 46 усиления (в децибелах) усилителя 15 (сплошная линия), причем в представленном примере отражающий участок 10 покрыт сравнительно толстым слоем биологических отложений 33, распределенных более равномерно. Можно видеть, что в данном случае кривая распределения 23 уже содержит своего рода скачок в форме размытой области второй точки 53 перелома. Наличие второй точки 53 перелома является показателем присутствия слоя биологических отложений 33, более равномерно распределенных на отражающем участке 10. Вторую точку 53 перелома можно найти путем анализа распределения 23 на наличие в нем точки перегиба или скачка либо анализа градиента и/или кривизны этого распределения.
На фиг. 8 представлен еще один пример распределения 23. В данном примере отражающий участок 10 равномерно покрыт слоем биологических отложений 33. В соответствии с этим, распределение 23 содержит сравнительно резкий второй перелом в области точки 53, так что наличие скачка в распределении 23 ясно выражено. Вторую точку 53 перелома можно найти, например, путем поиска стационарной точки в форме локального максимума 54 в распределении 23. Ширина скачка вдоль оси Y является, как упоминалось выше, косвенной мерой толщины слоя биологических отложений 33.
| Список ссылочных номеров | |
| 10 - отражающий участок | 41 - второй пик |
| 11 - вмещающая жидкость система | 42 - временной разрыв |
| 12 - ультразвуковой преобразователь | 43 - дополнительные пики |
| 13 - регистрирующее средство | 44 - амплитуда |
| 14 - анализатор | 45 - время |
| 15 - усилитель | 46 - коэффициент усиления |
| 16 - устройство | 50 - переменная |
| 17 - умножитель | 51 - эталонное распределение |
| 18 - блок памяти для хранения | 52 - первая точка перелома |
| эталонных значений | 53 - вторая точка перелома |
| 19 - компаратор | 54 - локальный максимум |
| 20 - ультразвуковой испускаемый сигнал | |
| 21 - ультразвуковой отраженный сигнал | |
| 22 - время пробега | |
| 23 - распределения времени пробега | |
| 24 - скачок в распределении времени пробега | |
| 25 - время регистрации | |
| 26 - пороговое значение | |
| 27 - временное смещение | |
| 30 - подложка для образца | |
| 31 - интерфейс коммуникационной сети | |
| 32' - жидкая среда | |
| 32 - труба для прохождения жидкой среды | |
| 33 - отложения | |
| 34 - второе расстояние; 35 - первое расстояние | |
| 36 - держатель | |
| 40 - первый пик |
1. Способ обнаружения и анализа отложений (33) на отражающем участке (10), в частности, внутри системы (11), вмещающей жидкость, включающий:
испускание, на первой стадии, ультразвуковым преобразователем (12) ультразвукового испускаемого сигнала (20) в направлении отражающего участка (10);
регистрацию, на второй стадии, регистрирующим средством (13) ультразвукового отраженного сигнала (21), полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала (20) в области отражающего участка (10);
определение, на третьей стадии, распределения (23) времени (22) пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала (21) в зависимости от заданной переменной (50);
анализ, на четвертой стадии, распределения (23) для выявления по меньшей мере частичного осаждения отложений (33) на отражающем участке (10), причем распределение (23) анализируют на наличие у него стационарной точки, точки перегиба, точки перелома, полюса и/или скачка.
2. Способ по п. 1, в котором на четвертой стадии выполняют анализ положения, градиента и/или кривизны распределения (23), и/или положения стационарной точки, точки перегиба, точки перелома, полюса и/или скачка распределения (23).
3. Способ по п. 1 или 2, в котором на седьмой стадии время (22) пробега сравнивают с эталонным значением (28) для определения толщины механических отложений (33), когда на третьей стадии не регистрируются разные значения времени (22) пробега и/или на четвертой стадии не обнаруживается скачок (24).
4. Способ обнаружения и анализа отложений (33) на отражающем участке (10), в частности, по одному из предыдущих пунктов, включающий:
испускание, на первой стадии, ультразвуковым преобразователем (12) ультразвукового испускаемого сигнала (20) в направлении отражающего участка (10);
регистрацию, на второй стадии, регистрирующим средством (13) ультразвукового отраженного сигнала (21), полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала (20) на отражающем участке (10); и
анализ, на третьей стадии, регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала (21) посредством анализатора (14) на наличие разных значений времени (22) пробега для выявления осаждения биологических и/или механических отложений (33) на отражающем участке (10),
причем на третьей стадии определяют распределение (23) времени (22) пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала (21), а на четвертой стадии это распределение (23) анализируют на наличие у него скачка (24), и
на четвертой стадии осуществляют изменение параметров испускания ультразвукового преобразователя (12), параметров регистрации регистрирующего средства (13) и/или аналитических параметров анализатора (14) для нахождения скачка (24) в распределении (23).
5. Способ по п. 4, в котором на третьей стадии регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал (21) усиливают посредством усилителя (15) анализатора (14), а на четвертой стадии осуществляют регулирование коэффициента (46) усиления усилителя (15) для нахождения скачка (24), причем предпочтительно коэффициент (46) усиления последовательно увеличивается по меньшей мере вплоть до регистрации скачка (24).
6. Способ по п. 4, в котором время (22) пробега определяют в зависимости от времени (25) регистрации регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала (21) на третьей стадии, причем время (25) регистрации определяется временем (45), когда регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал (21) превышает некоторое пороговое значение (26), которое регулируется в течение четвертой стадии для нахождения скачка (24), и, предпочтительно, пороговое значение (26) последовательно уменьшается по меньшей мере вплоть до регистрации скачка (24).
7. Способ по п. 5, в котором время (22) пробега определяют в зависимости от времени (25) регистрации регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала (21) на третьей стадии, причем время (25) регистрации определяется временем (45), когда регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал (21) превышает некоторое пороговое значение (26), которое регулируется в течение четвертой стадии для нахождения скачка (24), и, предпочтительно, пороговое значение (26) последовательно уменьшается по меньшей мере вплоть до регистрации скачка (24).
8. Способ по п. 4, в котором на первой стадии ультразвуковой испускаемый сигнал (20) испускают ультразвуковым преобразователем (12) с выходной мощностью, которая увеличивается в течение четвертой стадии для нахождения скачка (24), причем предпочтительно увеличивается последовательно по меньшей мере вплоть до регистрации этого скачка (24).
9. Способ по п. 5, в котором на первой стадии ультразвуковой испускаемый сигнал (20) испускают ультразвуковым преобразователем (12) с выходной мощностью, которая увеличивается в течение четвертой стадии для нахождения скачка (24), причем предпочтительно увеличивается последовательно по меньшей мере вплоть до регистрации этого скачка (24).
10. Способ по одному из пп. 4-9, в котором на пятой стадии определяют временное смещение (27) в области скачка (24) в распределении (23) для определения толщины биологических отложений (33) на шестой стадии в случае регистрации скачка (24) на четвертой стадии.
11. Способ по одному из пп. 4-9, в котором обнаружение скачка (24) в распределении (23) осуществляют на первом подэтапе четвертой стадии путем изменения параметров испускания, параметров регистрации и/или аналитических параметров, на втором подэтапе четвертой стадии определяют ограниченный интервал в ходе распределения (23), в котором располагается этот скачок (24), а на третьем подэтапе четвертой стадии параметры испускания, параметры регистрации и/или аналитические параметры снова изменяют лишь в пределах этого ограниченного интервала, и предпочтительно анализу подвергают лишь этот ограниченный интервал для определения временного смещения (27) на пятой стадии.
12. Способ по п. 10, в котором на шестой стадии определяют толщину биологических отложений (33) путем умножения временного смещения (27) на значение акустической скорости, которая предпочтительно представляет собой скорость звука в воде или в биологических отложениях (33).
13. Способ по п. 11, в котором на шестой стадии определяют толщину биологических отложений (33) путем умножения временного смещения (27) на значение акустической скорости, которая предпочтительно представляет собой скорость звука в воде или в биологических отложениях (33).
14. Способ по п. 12 или 13, в котором на шестой стадии используют определенное значение акустической скорости в зависимости от фактической температуры и/или в котором значение акустической скорости определяют путем измерения и/или оценки скорости звука в биологических отложениях (33) в процессе предварительных эталонных измерений.
15. Способ по одному из пп. 4-9, 12, 13, в котором на седьмой стадии время (22) пробега сравнивают с эталонным значением (28) для определения толщины механических отложений (33), когда на третьей стадии не регистрируются разные значения времени (22) пробега и/или на четвертой стадии не обнаруживается скачок (24).
16. Устройство (16) для обнаружения и анализа отложений (33) на отражающем участке (10), в частности, внутри системы (11), вмещающей жидкость, содержащее ультразвуковой преобразователь (12) для испускания ультразвукового испускаемого сигнала (20) в направлении отражающего участка (10), регистрирующее средство (13) для регистрации ультразвукового отраженного сигнала (21), полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала (20) в области отражающего участка (10), и анализатор (14) для определения распределения (23) времени (22) пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала (21) в зависимости от заданной переменной (50) и для выполнения анализа распределения (23) для выявления, по меньшей мере частичного, осаждения отложений (33) на отражающем участке (10).
17. Устройство (16) по п. 16, выполненное с возможностью изменения параметров испускания ультразвукового преобразователя (12), параметров регистрации регистрирующего средства (13) и/или аналитических параметров анализатора (14), как переменной (50), для определения распределения (23).
18. Устройство (16) по п. 16, в котором анализатор (14) выполнен с возможностью проведения анализа, показывающего, содержит ли регистрируемый ультразвуковой отраженный сигнал (21) разные значения времени (22) пробега, для выявления осаждения биологических и/или механических отложений (33) на отражающем участке (10), и анализатор (14) выполнен с возможностью определения распределения (23) времени (22) пробега регистрируемого ультразвукового отраженного сигнала (21), а также проведения анализа, показывающего, содержит ли это распределение (23) скачок (24), для выявления наличия биологических и/или механических отложений (33) на отражающем участке (10).
