CN102483393A - 用于检测流体管道中的沉积物的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测流体管道中的沉积物的系统(2)，包括：测量体(4)、超声换能器(6)、超声接收器(8)以及连接至所述超声换能器(6)和超声接收器(8)的至少一个估计单元(12)。所述超声换能器(6)发射超声信号并且所述超声接收器(8)捕获来自流体管道中的反射的响应信号。随后从响应信号序列中滤掉由于流体管道(28)的已知几何形状改变产生的响应信号，并根据剩余的响应信号即与沉积物相关联的响应信号来计算超声换能器(6)与沉积物之间的距离。因此，可以在不必拆卸流体管道的情况下以简单方式检测沉积物。

Description

用于检测流体管道中的沉积物的系统及方法

相关申请

本申请要求于2009年9月10日提交的第61/241,278号美国临时申请和2009年9月10日提交的第102009040999.8号德国专利申请的优先权，通过引用将这些申请的公开内容并入本申请中。

技术领域

本发明涉及一种用于检测流体管道中的沉积物的系统及方法。

背景技术

当不再获得通过管道的流体的常规流量时经常检测到所述的流体管道中的沉积物和堵塞物。当发生这种情况时，很清楚存在沉积物或堵塞物。为了去除这些沉积物，尤其在过长的流体管道或复杂流体管道系统的情况下，有利的是能够确定这些沉积物的精确位置，使得可以通过机械装置来采取适当的行动。通过连续地拆卸流体管道的部件可以确定精确位置。可替代地，可以通过将延伸的管道清洁设备插入到所述的管道中来识别并去除所述的流体管道中的沉积物。

然而，在复杂流体管道系统或在存在管道的方向或横截面的许多变化的情况下，或在存在特别结实的堵塞物的情况下，这不可能在短时间间隔内被解决。例如，运送大量乘客的大型交通工具如商用飞机可以包含可能遭遇堵塞物的许多流体管道。这涉及所有类型的流体管道，特别涉及来自卫生间和盥洗池的排泄管道。由于交通工具中的流体管道和流体引导系统的复杂性和长度，并且也由于在这些管道的附近安装的大量另外的机上部件，所以不可能在不长期停止交通工具服务的情况下通过连续地拆卸流体管道系统的部件来追踪这样的流体管道中的沉积物和堵塞物，长期停止交通工具服务在经济上将是不可行的。以商用飞机的维护手册中推荐的方式按照严格规定的时间间隔使用可能不是普遍被认为安全的化学物质来对流体管道进行任何预防性的清理或清洁将导致购买所述的化学物质的另外的成本，并甚至会是腐蚀流体管道本身和流体管道内或周围的密封物的原因。

发明内容

因此，本发明的目的可以被认为是提出一种用于检测流体管道内的沉积物的系统，在该系统中，不需要连续拆卸流体管道来确定沉积物的位置。本发明的另外的目的可以是对借助化学物质且在必要时也就是说在检测到了沉积物的情况下预防性维护流体管道的时间间隔进行控制。

该目的通过根据权利要求1的系统来实现。另外的有利的实施例可以在随后的权利要求中找到。

根据本发明的第一方面，根据本发明的系统包括：测量体，该测量体具有超声换能器和超声接收器；以及至少一个估计单元，该至少一个估计单元连接至超声换能器和超声接收器。超声换能器和超声接收器布置在测量体上。估计单元适于存储流体管道的方向和横截面的变化的数据。同时，能够确定发出的超声信号与接收的响应的信号之间的时间段，并能够过滤与流体管道的横截面和方向的变化的存储的数据独有地相关的响应信号。最后，估计单元适于根据与沉积物有关的剩余信号来计算超声换能器的自由端与沉积物之间的距离。

换句话说，从测量单元将超声信号发送到流体管道中并接收产生的响应信号。如果可以沿着管道轴向方向将超声信号直接插入到流体管道中使得超声信号基本上沿着流体管道的方向轴行进，这是特别有利的。由超声接收器捕捉到的响应信号在管道的每个方向或弯曲的变化处、在流体管道的横截面的显著有效的变化处和在遇到流体管道中的沉积物时出现。根据情况的严重性，经由流体管道返回对应的强反射信号，在后文中称作“响应信号”，并最终由超声接收器捕获该强反射信号。在捕获到几何形状的大量变化和/或沉积物的情况下，超声接收器接收一些响应信号，以下称作“响应信号序列”。超声信号发射与反射的时间点也就是说生成相应响应信号的时间点之间的时间段对应于超声换能器的位置与所述的反射发生的地点之间的距离。

为了确定独有地从沉积物发出的响应信号，估计单元适于存储所述的流体管道的、与在安装状态下的流体管道内遭遇的与形状的所有可能的几何变化有关的所有数据。形状的所有这些几何变化可以与具有特性持续时间和特性幅度的特性响应信号匹配。估计单元适于根据该数据集合借助模式识别或借助差异识别的系统从响应信号序列中滤掉所有特性响应信号。这也意味着在响应信号序列中仅剩余与沉积物或堵塞物有关的响应信号而没有与流体管道形式的任何几何变化有关的响应信号。通过获知超声信号的发送与剩余的响应信号的捕捉之间经过的时间段，可以确定流体管道内的每个沉积物的位置。最后，通过估计剩余的响应信号的相应幅度模式，将可以计算不同沉积物的大小和层厚度。

在根据本发明的系统的有利的另外的发展中，估计单元适于基于存储的数据进行自校准。以此方式，如果在使测量体就位时没有精确地定位超声换能器和超声接收器，则不能获得关于沉积物的精确位置的精确的信息作为根据超声换能器和超声接收器在流体管道中的相对位置建立的位置。基于确定的与包含流体管道的几何变化的存储数据进行比较的响应信号序列，可以相对于流体管道建立超声换能器和超声接收器的精确相对位置。由于在后来的检测中或已经在沉积物的接收的响应信号序列中考虑相对位置，所以可以使用这些确定的相对位置来对估计单元或在估计单元中为了识别沉积物执行的算法进行校准。

尤其优选的是，测量体由弹性材料制成并包括长形形式。这使得测量体能够被插入到流体管道的开口端，诸如马桶或盥洗池等等。通常可以将测量体实现为柔性软管部件。

在根据本发明的系统的尤其优选的另外的发展中，估计单元适于分别确定响应信号的切向斜率即幅度随时间的发展、和响应信号的包络曲线、或另外的重要特征，并适于通过所确定的切向斜率来检测沉积物的范围。

在根据本发明的系统的特别有利的另外的发展中，估计单元适于生成用于空间上分解地(solved)表示流体管道中的沉积物的显示数据。以此方式，可以给出从超声换能器到沉积物和从超声接收器到沉积物的距离二者，并可以将该距离二者标记在所述的流体管道的刻度尺上。这意味着可以创建显示器，操作者可以在该显示器上清楚地看到需要被去除的沉积物在流体管道中位于哪里。

根据本发明的系统的另外的优点是实现为移动便携式单元。

特别有利地，可以将超声换能器和超声接收器构造为所谓的超声收发器，以单个紧凑型结构单元形式的超声收发器可以执行发射超声信号的功能并也可以执行接收响应信号的功能。

本发明的目的也通过根据另外的独立权利要求的方法来实现。此外，该目的也通过将根据本发明的系统用在飞机的流体管道中来实现。

附图说明

根据实施例的以下描述并根据附图，本发明的另外的特征、优点和可能的应用选项将变得明显。在这方面，所有描述的和/或示意性表示的特征以本身和任意可能的组合的方式二者构成本发明的目的，而与其在各个权利要求中或在其追补的应用中的实际组成无关。在图中，相同的附图标记用于表示相同或相似的对象。

图1示出了根据本发明的系统的示意图。

图2示出了带有沉积物的流体管道和随时间产生的响应信号的图示对照。

图3以示意形式示出了根据本发明的方法。

图4示出了具有多个流体管道的飞机，可以将根据本发明的系统用在这些流体管道中以实现根据本发明的方法。

具体实施方式

图1示意地示出了根据本发明的系统2，该系统2包括测量体4，该测量体4连接至超声换能器(transducer)6和超声接收器8。超声换能器6和超声接收器8也可以以所谓的“超声收发器”的形式来实现，其中，超声信号可以由单个部件来发送和接收。

超声换能器6和超声接收器8被布置在测量体4的一端10处，其中，所述测量体4具有长形形状，并且优选地具有允许超声波通过的类软管形状。测量体4由于其形状能够容易地插入到需要测试的流体管道中而不需要流体管道的任何局部拆卸。弹性材料的使用意味着测量体4可以承受流体管道的形状上甚至相当大的变化，可以例如在通往盥洗池或马桶中的通道中找到流体管道，测量体4可以被引入到流体管道中。

超声换能器6和超声接收器8连接至估计单元12，该估计单元12可以使超声换能器6将超声波发送到流体管道中。类似地，由超声接收器8接收的响应信号序列可以被转发给估计单元12，可以在估计单元12中对响应信号序列进行进一步处理。

估计单元12包括中央数据处理单元14，在中央数据处理单元14中可以借助适合的算法进行以模式识别、差异考虑或相关性形式的响应信号序列的估计。估计单元12连接至存储单元16，该存储单元16包含与所述的流体管道的形状的所有相关几何变化有关的所有数据，该几何变化具体包括流体管道的方向的变化和横截面的变化。因此，估计单元12能够滤掉包含在响应信号序列中的、与由安装因数确定的、流体管道的形状的已知几何变化有关的任何响应信号。为了估计，可以以没有任何沉积物的“干净的”流体管道的接收响应信号序列的仿真形式生成参考信号序列。通过从由超声接收器8实际接收的响应信号序列中减去该参考信号序列可以获得“净化的”响应信号序列，在该“净化的”响应信号序列中，由流体管道的形状的几何变化所产生的响应信号不再存在，从而该“净化的”响应信号序列中的信号独有地表示不期望的沉积物。

根据这些计算出的响应信号并基于流体管道中的超声波的扩散速度可以计算到能够触发响应信号的所有事物的距离，这些响应信号与到各个沉积物的距离相对应。

此外，估计单元12适于分别计算响应信号的切向斜率和包络曲线或任何其他重要特征。在这方面，应当注意，沉积物在流体管道的纵向方向上的延伸量与切向斜率成反比。

同时，估计单元12也可以包括显示单元18，该显示单元18适于示出与已被确定的沉积物有关的显示数据。已知流体管道的几何形状和到所述的沉积物的距离，可以以空间上分解的方式示出沉积物在流体管道内的位置。这可以例如通过示出流体管道的图形表示来实现，在该流体管道的图形表示中，以标记的形式示出检测到的沉积物。

此外，估计单元12可以包括读设备20，存储卡、磁盘或任何其他的存储介质可以插入到读设备20中，并且读设备20可以读出以向存储单元16提供相应流体管道的最新数据。

最后，根据本发明的系统也可以包括数据发送系统22，该数据发送系统22连接至估计单元12。因此，估计单元12可以适于与交通工具的外部维护系统通信。这对于用在被定期维护的商用飞机中特别相关，并且针对该商用飞机可以提供包含与所有相关交通工具数据有关的信息的维护系统。以此方式，即使在没有外部存储介质的情况下，估计单元12也可以接收与相应的流体管道的形状的几何变化有关的存储数据，并同时通过数据发送单元22将与检测到的沉积物有关的信息传送给维护系统，使得可以向技术人员示出需要从各个流体管道的哪些地点去除沉积物或堵塞物。数据发送单元优选地是无线数据发送单元，以便确保根据本发明的系统的移动性。

最后，根据本发明的系统2也可以包括显示器24和控制元件26，使用者可以借助显示器24和控制元件26来选择飞机等中可能的流体管道中的哪个流体管道要被测试沉积物。为了简化，可以在流体管道中的适当设备例如盥洗池或马桶的隐藏位置处标记条形码或射频识别(RFID)标签，利用该条形码或RFID标签可以在必要时通过适合的扫描器(图1中未示出)来检测根据本发明的系统以确定目前在检验哪个流体管道，使得可以加载或调用相关的数据。同时，如果由于堵塞或测量体4的不正确定位等等操作错误已经发生，则可以借助显示器24将来自根据本发明的系统(2)的确认发送给使用者。

图2示出了连接至盥洗池30的流体管道28。此类盥洗池和流体管道28可以容置在现代商用飞机中，在现代商用飞机中非常难于检测流体管道中的沉积物和堵塞物，将需要连续拆卸流体管道以检验横截面。

在流体管道28下面，示出了相对于在当前的“0”时的发送超声信号32之后的时间、根据流体管道28内的反射沿着流体管道28的长度定标的响应信号序列。

为了检测沉积物，测量体4通过盥洗池30被引入到流体管道中。在那里例如相对于流体管道28轴向地发送输出信号。如果初始信号32进入流体管道28中并遇到第一弯曲部34，则初始信号32被反射并回到测量体4。这将产生具有特性幅度和特性切向斜率的第一响应信号36。

在信号的未被反射部分前进到第二弯曲部38之后，然后被反射回测量体4，又产生具有特性幅度和特性切向斜率的第二响应信号40。

声波在流体管道28内部基本上沿着轴向方向的扩散具有的结果是，在具有形状的几何变化的所有位置处生成特性响应信号，该特性响应信号由形状的相应的几何变化独有地引起。由于完全已知流体管道28的几何构造，所以能够根据进入的响应信号序列计算出产生的响应信号。

流体管道28示意地示出了两个沉积物42和44以及创面波(woundwave)不能通过的完全堵塞物46。沉积物42沿纵向方向延伸并形成沉积物44，使得与沉积物42有关的第三响应信号50的切向斜率48相比第四响应信号54的切向斜率52较平坦。

与堵塞物46有关的第五响应信号58的幅度56显著大于剩余的响应信号的幅度，这表示可以认定这里有完全堵塞物。

图3包含根据本发明的方法以框图形式的示意表示。在通过超声换能器6将超声信号发送59到流体管道28中之后，通过超声接收器8接收60由于流体管道28内的反射产生的响应信号。最后，从接收的响应信号序列中滤掉62与形状的几何变化有关的响应信号。确定64超声信号的发出与响应信号的接收之间的时间间隔，以及根据该时间间隔计算66超声换能器6与沉积物之间的距离。

在实施根据本发明的方法之前，可以借助控制元件26和显示器24来选择68必须被检验的流体管道28。同时，根据本发明的方法提供自校准70以确定超声换能器对于流体管道的相对位置。作为示例，在不将本发明的核心特征限制于此的情况下，自校准可以在滤掉62以流体管道28形式的几何变化的响应信号之前发生。

根据与沉积物有关的响应信号也可以确定72切向斜率，并根据切向斜率可以计算74相应沉积物的大小，即，厚度和沿方向轴的延伸量。最后，可以生成76用于空间上分解地表示在流体管道中检测到的沉积物的显示数据。

可选地，可以将显示数据发送78给维护系统，通过该维护系统也可以接收80与流体管道28的形状的几何变化有关的数据。

图4示出了安装有多个流体系统28的飞机82。通过根据本发明的系统2实现的根据本发明的方法特别适合于检测飞机中的流体管道28中的沉积物和堵塞物，由于不需要连续拆卸流体管道28的部件，从而可以根据需要对利用化学物质保持流体管道无沉积物和堵塞物所需要的时间间隔进行控制。

最后，必须强调，词语“包括”不意在排除其他元件或步骤，“一个”或“一种”不排除复数形式。也强调，借助参照以上实施例中的一个实施例描述的特征或步骤也可以结合以上描述的其他实施例的其他特征或步骤来使用。权利要求中包含的附图标记不视为限制。

附图标记

2根据本发明的系统

4测量体

6超声换能器

8超声接收器

10测量体的端部

12估计单元

14数据处理单元

16存储单元

18显示单元

20读装置

22数据发送单元

24显示器

26控制元件

28流体管道

30盥洗池

32超声信号

34第一弯曲部

36第一响应信号

38第二弯曲部

40第二响应信号

42沉积物

44沉积物

46完全堵塞物

48切向斜率

50第三响应信号

52切向斜率

54第四响应信号

56幅度

58第五响应信号

59发送超声信号

60接收超声信号

62滤掉

64确定传播时间

66计算距离

68选择流体管道

70进行自校准

72确定切向斜率

74计算厚度和延伸量

76生成显示数据

78发送给维护系统

80接收数据

82飞机

Claims (14)

1.一种用于检测流体管道(28)中的沉积物的系统(2)，包括：

-测量体(4)；

-用于发送超声信号的超声换能器(6)和用于接收响应信号的超声接收器(8)；以及

-至少一个估计单元(12)，所述至少一个估计单元(12)连接至所述超声换能器(6)和所述超声接收器(8)；

其中，所述超声换能器(6)和所述超声接收器(8)布置在所述测量体(4)上，

其中，所述测量体(4)适于插入到所述流体管道(28)的开口端中，用于耦接超声信号并用于相对于所述流体管道(28)沿轴向方向发出超声信号，

其中，所述估计单元(12)适于存储与所述流体管道(28)的形状的几何变化有关的数据、根据所述流体管道(28)内的反射来确定发送的超声信号与所述接收器接收到的响应信号之间的传播时间、滤掉与存储的形状的几何变化有关的响应信号、并根据与沉积物有关的剩余的响应信号来计算所述超声换能器(6)与沉积物之间的距离。

2.根据权利要求1所述的系统(2)，其中，所述估计单元(12)适于基于存储的数据进行自校准。

3.根据权利要求1或2所述的系统(2)，其中，所述测量体(4)包括长形形状并由弹性材料制成。

4.根据以上权利要求中的任一项所述的系统(2)，其中，所述估计单元(12)适于确定关于沉积物的响应信号的切向斜率或其他重要特征并适于根据这些特征来计算相应沉积物的大小。

5.根据以上权利要求中的任一项所述的系统(2)，还包括数据发送单元(22)，所述数据发送单元(22)适于与外部部件交换关于计算的沉积物的数据和/或关于形状的几何变化的数据。

6.根据以上权利要求5所述的系统(2)，其中，所述外部部件是维护系统。

7.根据以上权利要求中的任一项所述的系统(2)，还包括显示器(24)和至少一个操作元件(26)以控制所述估计单元(12)。

8.根据以上权利要求中的任一项所述的系统(2)，其中，所述估计单元(12)适于生成用于空间上分解地表示在所述流体管道(28)中检测到的沉积物的显示数据。

9.一种用于检测流体管道(28)中的沉积物的方法，包括以下步骤：

-借助超声换能器(6)将超声信号发送到所述流体管道(28)中；

-借助超声接收器(8)接收由于所述流体管道(28)内的反射产生的响应信号；

-滤掉与所存储的所述流体管道(28)的形状的几何变化有关的响应信号；

-确定发送的超声信号与进入的响应信号之间的传播时间；以及

-根据所述传播时间计算所述超声换能器(6)与沉积物之间的距离。

10.根据以上权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：

-借助至少一个控制元件(26)在所述估计单元(12)处选择待被检验的流体管道。

11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括以下步骤：

-进行自校准以确定所述超声换能器(6)对于所述流体管道(28)的相对位置。

12.根据权利要求9至11中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

-确定来自沉积物的响应信号的特性特征；以及

-根据所述特性特征来计算相应沉积物的大小。

13.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法，还包括以下步骤：

-生成用于空间上分解地表示在所述流体管道(28)中检测到的沉积物的显示数据。

14.一种根据以上权利要求1至8中任一项所述的系统(2)来检测飞机(82)的流体管道(28)中的沉积物的用途。

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