CN102257376B - 用于探测覆层的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装置和一种方法，用于探测壁部(2)上的覆层(9)，壁部(2)由介质覆盖。根据本发明，传感器(1)集成在壁部(2)中，其中传感器(1)的构件(3)局部加热区域(4)中的介质，并采集围绕该构件(3)的介质的温度。传感器(1)将其信号传输至评估单元(8)，评估单元(8)通过与参考数据比较来确定覆层形成的程度。

Description

用于探测覆层的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种装置和一种方法，用于探测壁部上的覆层(Belag)，壁部由介质覆盖。
背景技术
设备单元(Anlagenteil)的壁部上的覆层的形成在许多情况下是重大的经济和技术问题。例如，在覆层中可能形成细菌，其使产品质量恶化。覆层也可能导致影响接头(Armatur)处的流动特性。对于管路，覆层引起压力损失升高，并对于较小的内径甚至可能导致堵塞。根据覆层的种类，也可能损伤制成壁部的材料。
壁部(在其上形成覆层)可以由不同的材料制成，例如，不锈钢或塑料。壁部的表面结构影响覆层形成(Belagbildung)。粗糙的表面比光滑的表面为覆层提供更好的接合面。壁部(在其上形成覆层)可以是平的或拱形的。尤其接头、泵、管路或容器的内壁是技术上相关的。
介质(利用其覆盖壁部，且覆层由其沉积)可以是液态或气态的。也可以考虑的是，膏状的材料覆盖壁部。本发明优选地在液体的情况下应用，其中本发明的应用尤其适合水溶液的情况。
覆层既可以是无机材料，也可以是有机材料。对于无机覆层，重要的示例是碳酸盐、氧化物或氢氧化物，其作为垢、锈或矿物沉淀(Verockerung)沉积在设备单元的壁部上。
最重要的有机覆层是生物膜。在卫生技术的领域中，例如，生产食品、制药或生物技术，生物膜的形成是重要的问题。通过生物质(Biomasse)和通过包含在生物质中的污染物引起生长(Bewuchs)。细菌、真菌、酵母、硅藻类和原生动物类仅是一些引起生物质的聚集(Aufbau)的有机体。当通过这些有机体引起的生物污垢(Biobewuchs)不受控制时，其可能干扰程序进程(Prozessvorgang)并负面影响产品质量。在生产食品和制药学的产品时，必须保持严格的清洁度。细菌或微生物的代谢产物的污染可能导致损害健康。
卫生技术中的许多程序不连续地作为分批处理(Batchprozess)进行操作。在一定的时间间隔(其常常基于经验值)中，生产程序被中断，以便清洁覆层的设备。清洁程序的持续时间同样常常基于经验值。为了在经济上优化生产程序，生产阶段应进行得尽可能长，而清洁阶段应尽可能短。但在此不能接受产品质量的恶化。
发明内容
本发明的目的是，提供一种装置和一种方法，在该方法中，连续地采集并定量地评估设备单元的内壁上的覆层形成。覆层形成应被识别，并且覆层形成的程度应被确定。通过使生产时间尽可能长地持续，而清洁阶段仅持续必要长的时间，通过应用本发明，程序在经济上和环保上被优化。
根据本发明，该目的由此实现：传感器集成到壁部中或位于壁部上，其中传感器的构件局部加热在该构件附近的区域中的介质，并且介质的温度和/或该构件的温度由传感器采集，其中传感器将其信号传输至评估单元(Ausweteeinheit)，评估单元通过与参考数据比较而确定覆层形成的程度。
根据本发明的传感器可以由多个构件组成，其除了纯粹的测量功能之外也可以执行其它任务。传感器优选地构造成紧凑的单元，在该单元中包含单个的构件。按照这种方式，传感器容易操纵，并能够作为单元集成在接头、泵、管路或容器的壁部中。壁部设有孔，传感器配合准确地插入到该孔中证明是有利的。传感器优选地构造成柱形的单元。
在本发明的一个特别有利的实施形式中，传感器齐平地(bündig)插入到壁部的侧向内表面中。为了使传感器的介质侧的表面示出覆层形成的代表性的位置，其可以由与相应的设备单元的壁部相同的材料制成。也可以考虑的是，传感器应承担覆层形成的预警功能。然后有利的是，传感器的介质侧的表面由覆层优选地在其上形成的材料形成。例如，传感器的表面可以粗糙化，或传感器可以附加地利用网状材料覆盖。将传感器安装在设备的优选地形成覆层的坏点处证明是有利的。
根据本发明，传感器局部加热介质。该加热优选地直接在介质侧的传感器表面附近进行，这是因为覆层形成应直接在该位置采集。如果传感器齐平地插入到壁部的侧向内表面中，则该位置对于壁部上的覆层形成在地点上有代表性。
通过在介质的局部位置处的加热而出现的温度同样由传感器采集。传感器传输其加热过程和温度测量的数据至评估单元。评估单元接收传感器的信号，并将其在必要时转换为单元信号(Einheitssignal)。附加地，评估单元为传感器供应能量。评估单元采集用来加热传感器的构件的电流强度证明是特别有利的。从传感器传输至评估单元的信号也可以数字化，用于进一步的处理。评估单元可以应用为控制器(Regler)或计算机。
对于确定覆层形成而言决定性的是比较测量数据与参考数据。通常使用没有覆层的传感器表面的数据作为参考。优选地，在参考测量中，程序条件符合在进行覆层形成的测量中的条件。
覆层形成的程度可以例如通过在传感器上形成的覆盖层的高度进行说明。也可以想象的是，随着发展的遮盖层形成，覆层的结构改变，并且变得更加紧密。在这种情况下，作为物理量，覆盖层的密度为覆层形成的程度的度量。
传感器的信号被评估，其中通过算法能够确定覆层形成的程度。传感器传输至评估单元的数据作为参数流入到算法中。例如，热强度(以该热强度加热介质)、温度(介质在一定的热强度下加热至该温度)或在预设的热强度下达到一定温度所需的时间段可以作为参量保存在算法中。该算法建立传感器数据和覆层形成的程度之间的关联。算法的各个参数可以通过回归计算来确定。在此，算法的各个参数的系数匹配测量数据。目的是通过数学函数尽可能准确地模拟系列试验。确定系数(Bestimmtheitsmass)可用于匹配的质量。
为了评估而取得直至达到恒定的温度水平所需要的时间段证明是有意义的。在该变型中热强度保持恒定。在应用电阻作为加热构件时这意味着，始终以相同的电流强度加热构件，无论构件是否没有覆层或已形成覆层。有覆层时用于建立温度水平的时间段与没有覆层时用于建立温度水平的时间段不同。评估单元能够通过该区别确定覆层形成的程度。特别地，用于冷却所需的时间段的区别适合对覆层形成得出结论。
在本发明的一个特别有利的实施形式中，用于确定覆层形成的测量以与在参考测量中相同的热强度进行。这意味着，无论传感器是否没有覆层或在传感器上已形成覆层，在传感器的构件附近的介质以相同的热强度被加热。如果覆层围绕该构件形成，则其绝缘地起作用。然后温度在被加热的区域中比当构件未被覆层包围时上升得更强烈。当介质围绕构件流动时，与参考测量的区别特别大。在这种情况下，流动不能如此强烈冷却在构件附近的区域，这是因为覆层绝缘地起作用。如果使用电阻作为构件，则流动通过构件的电流强度可以用来作为热强度的度量。电流强度对于该变型始终彼此相等，无论有或没有覆层。通过在有覆层时的测量与没有覆层时的测量的比较中出现的温度水平的区别，评估单元能够确定覆层形成的程度。
在本发明的另一特别有利的实施形式中，围绕构件的介质所被加热到的温度水平保持恒定。在该变型中匹配为了达到一定温度水平所需的热强度。当应用电阻作为构件时这意味着，为了达到相同的温度水平，对于围绕构件的覆层形成的情况，相比构件无覆层时，仅需要更小的电流强度。相比参考测量的电流强度的区别用于覆层形成的程度的度量。
在本发明的一个特别有利的变型中，在该传感器的构件附近的介质的加热和该区域中温度的采集利用相同的构件完成。优选地，为此应用热敏电阻(temperaturabhaengiger Widerstand)。在该电阻上施加电压，使得电流流过该电阻，并加热该电阻。如果覆层围绕该构件形成，则温度升高，并且该构件的电阻增加。由此流过该构件的电流强度降低。电流强度的降低可用来作为覆层形成的程度的度量。
在本发明的一个特别有利的实施形式中，传感器附加地包括在未被传感器加热的位置处测量介质的温度的构件。由此可以补偿不是以覆层形成为基础的测量效果。为了排除该效果，利用第二构件始终建立对于温度测量的参考。由此防止通过程序相关的(prozessbedingt)过程引起的加热过程使得错误地确定覆层形成。优选地，应用热敏电阻作为附加的构件。如果介质中的温度升高，则该电阻增加。电阻的升高可以通过测量电压或通过测量流过构件的电流强度来确定。电阻的升高是对介质的温度的度量。
一种测量装置证明是有利的，在该测量装置中，加热介质的并在该区域中测量温度的构件与测量未被传感器加热的区域中的介质的温度的构件彼此测量技术地联接。由此可以直接补偿通过程序相关的温度升高而产生的错误。
对于本发明的一种特别有利的变型，由评估单元在超过覆层形成的一定的程度的限值时发出信号，其中该信号激活引起清洁壁部的程序证明是特别有利的。传感器信号的处理和清洁程序的激活可以通过程序控制系统实现。由此生产设备的操作者不再必须依赖经验值，而是拥有可靠的、被连续采集的测量数据。由此降低操作成本，这是因为当超过一定的覆层形成的程度时然后才引入清洁程序。此外防止因为程序运行过长时间没有清洁，产品质量通过覆层形成受到负面影响。
清洁过程的持续时间也可以通过应用根据本发明的装置来优化。在清洁程序期间，连续地测量覆层形成的程度。随着清洁进行，覆层减少。一直执行清洁过程，直至完全去除覆层，或不超过预设的限值。由此防止清洁过程进行不必要长的时间，既浪费清洁剂，也浪费生产时间。反之确保当管路很大程度上没有覆层时清洁过程才结束。这保证高的产品质量。
本发明的一个特别的优点在于，该传感器不仅可以用于确定覆层形成，而且同时可以用于流量测量。根据本发明涉及一种装置，其将两种测量方法集成地联合在一种装置中。同样，传感器可以用于流速测量和温度测量。
附图说明
从根据附图的实施例说明中和从附图本身中得出本发明的进一步的特征和优点，其中：
图1示出装置在没有覆层的管道段中的应用；
图2示出装置在有覆层的管道段中的应用；
图3a示出有覆层的温度-时间图；
图3b示出无覆层的温度-时间图。
具体实施方式
在图1中示出传感器1，该传感器1集成在管道的壁部2中。介质通过该管道流动。该传感器1包含构件3，构件3被加热并且其热量散发至介质。构件3为热敏电阻，其构造成针状。构件3的尖端凸入到介质中。在构件3处施加有电压，使得电流流过电阻并加热构件3。在构件3接触介质的位置处，实现介质在构件3的尖端附近的区域4中的局部加热。在实施例中，位置4处的介质的温度同样由构件3测量。构件3因此具有双重功能。其局部加热介质并同时测量区域4中的温度。
传感器1包含第二构件5，该第二构件5测量位置6处的介质的温度，位置6未被传感器1加热。构件5同样为热敏电阻，其构造成针状，并以其尖端凸入到介质中。通过测量未被传感器1加热的位置6处的温度，能够计算出归因于介质基于变化的程序条件的通常的加热的而不是依据通过传感器1的加热的效果。
在图1中示出本发明的一种特别有利的实施形式，在其中构件3和构件5彼此相邻布置。构件3和构件5构造成彼此相邻地处于平行的针状物，其中两个针状物布置成彼此相距距离7。
图1示出评估单元8，传感器1将其信号传输至评估单元8，并借助评估单元8控制传感器1。评估单元8用于为传感器供应电流。
图2仅仅通过在管路的壁部2上形成有覆层9而区别于图1。传感器1的构件3被电加热。在构件3与介质接触的位置，构件3以覆层9覆盖。覆层9绝缘地起作用。其遮蔽介质围绕构件3的尖端的流动。通过覆层9的绝缘的作用，在区域4中出现更高的温度水平。直到出现恒定的温度水平所需的时间段也不同于没有覆层9时的测量。
评估单元8通过比较有覆层形成的测量数据与没有覆层形成的测量数据(作为参考数据)来确定传感器上覆层形成的程度。传感器上覆层形成的程度可以用作对管路的壁部2上的覆层形成的程度的度量。
在图3a和3b中示出利用构件3测得的在介质的区域4中的温度关于时间的变化曲线。图3a示出带有覆层时的变化曲线。图3b示出没有覆层时的变化曲线。在时间点t1，在传感器1的构件3上突然施加电压。在确定的时间点t5(对于没有覆层的操作)或t3(对于有覆层的操作)切断电压。电压的接通和切断以有规律的循环重复，证明是特别有利的。对于该脉冲操作，在每个循环中采集测量数据。在评估时利用多个循环的测量数据的平均值进行计算证明是有利的。
构件3为热敏电阻。只要电流流过构件3，构件3就升温。图3a和图3b示出在介质的区域4中的温度的变化曲线，介质直接位于构件3的尖端的周围。
图3b示出，在没有覆层的传感器的情况下需要时间段t4-t1直至出现恒定的温度水平T2。在该阶段中，温度从介质的温度T1上升至值T2。在时间点t5，构件3上的电压关断。温度下降，直至温度在时间点t6再次达到恒定的温度水平T1。
图3a示出，在有覆层的传感器的情况下需要时间段t2-t1直至出现恒定的温度水平T3。在带有覆层的测量中的温度水平T3高于没有覆层的温度水平T2。对于带有覆层的测量，直至出现恒定的温度所需的时间段t2-t1小于没有覆层的时间段t4-t1。在时间点t3构件3处的电压关断。温度下降直至其在时间点t6再次达到恒定的温度水平T1。在带有覆层的测量中直至出现恒定的温度所需的时间段t6-t3显著大于没有覆层的时间段t6-t5。
评估单元8能够以不同的方式确定覆层形成的程度。一种可能性在于比较冷却所需的时间段，其中覆层形成越强烈地发展，带有覆层的时间段t6-t3与没有覆层的时间段t6-t5区别越明显。
第二种可能性在于比较加热所需的时间段，其中覆层形成越强烈地发展，带有覆层的时间段t2-t1与没有覆层的时间段t4-t1区别越明显。
第三种可能性在于比较用于加热至在没有覆层的测量中作为恒定的水平出现的温度T2所需的时间段，其中覆层形成越强烈地发展，带有覆层的时间段t2′-t1与没有覆层的时间段t4-t1区别越明显。
第四种可能性在于比较在加热构件3后出现的温度水平，其中覆层形成越强烈地发展，带有覆层的温度水平T3与没有覆层的温度水平T2区别越明显。

Claims (22)

1.一种用于探测设备单元的壁部(2)上的覆层(9)的装置，所述壁部(2)由介质覆盖，其特征在于，所述装置包括传感器(1)，该传感器(1)集成到所述壁部(2)中、由多个构件组成并且齐平地插入到所述壁部(2)的侧向内表面中，其中所述传感器(1)的构件(3)局部加热围绕所述构件(3)的区域(4)中的所述介质，而所述介质的温度和/或所述构件(3)的温度由所述传感器(1)采集；并且其中所述装置还包括评估单元(8)，所述传感器(1)将其信号传输至评估单元(8)，所述评估单元(8)通过与参考数据比较来确定覆层形成的程度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在测量中用来加热所述构件(3)的热强度符合参考测量的值，而所述评估单元通过在所述测量中用于加热的时间段(t2-t1)和/或用于冷却的时间段(t6-t3)与在所述参考测量中用于加热的时间段(t4-t1)和/或用于冷却的时间段(t6-t5)的区别来确定覆层形成的程度。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在测量中用来加热所述构件(3)的热强度符合参考测量的值，而所述评估单元(8)通过在所述测量中出现的温度水平(T3)相比在所述参考测量中出现的温度水平(T2)的区别来确定覆层形成的程度。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在测量中所述传感器局部加热所述介质所达到的温度符合所述参考测量的值(T2)，而所述评估单元通过为了建立一定的温度(T2)而所需的热强度的区别来确定覆层形成的程度。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述介质的局部加热和所述区域(4)中温度的采集利用构件(3)实现。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述构件(3)为热敏电阻。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器(1)的附加的构件(5)测量在位置(6)处的所述介质的温度，所述位置(6)未被所述传感器(1)加热。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述构件(5)为热敏电阻。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述评估单元(8)在超过覆层形成的程度的限值时发出信号。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述信号激活引起清洁所述壁部(2)的程序。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器(1)除了确定覆层形成以外，同时能够应用于流量测量、温度测量或流速的测量。
12.一种用于探测设备单元的壁部(2)上的覆层(9)的方法，所述壁部(2)由介质覆盖，其特征在于，传感器(1)集成在所述壁部(2)中或放置在所述壁部(2)上，其中所述传感器(1)齐平地插入到所述壁部(2)的侧向内表面中，并且所述传感器(1)的构件(3)局部加热围绕所述构件(3)的区域(4)中的所述介质，而所述介质的温度和/或所述构件(3)的温度由所述传感器(1)采集，其中所述传感器(1)将其信号传输至评估单元(8)，所述评估单元(8)通过与参考数据比较来确定覆层形成的程度。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在测量中用来加热所述构件(3)的热强度符合参考测量的值，而所述评估单元通过在所述测量中用于加热的时间段(t2-t1)和/或用于冷却的时间段(t6-t3)与在所述参考测量中用于加热的时间段(t4-t1)和/或用于冷却的时间段(t6-t5)的区别来确定覆层形成的程度。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在测量中用来加热所述构件(3)的热强度符合所述参考测量的值，而所述评估单元(8)通过在所述测量中出现的温度水平(T3)相比在所述参考测量中出现的温度水平(T2)的区别来确定覆层形成的程度。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在测量中所述传感器局部加热所述介质而达到的温度符合所述参考测量的值(T2)，而所述评估单元通过为了建立一定的温度(T2)而所需的热强度的区别来确定覆层形成的程度。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述介质的局部加热和所述区域(4)中温度的采集利用构件(3)实现。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述构件(3)为热敏电阻。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述传感器(1)的附加的构件(5)测量在位置(6)处的所述介质的温度，所述位置(6)未被所述传感器(1)加热。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述构件(5)为热敏电阻。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述评估单元(8)在超过覆层形成的程度的限值时发出信号。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述信号激活引起清洁所述壁部(2)的程序。
22.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述传感器(1)除了确定覆层形成以外，同时能够应用于流量测量、温度测量或流速的测量。
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