CN104011530B - 用于检测和分析沉淀物的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测并且分析在液体承载系统中的沉淀物的方法和设备。具体地，所述方法包括步骤：在第一步骤中，由超声换能器向反射区发射超声发射信号，在第二步骤中，由检测模块来检测通过在所述反射区的区域中对所述超声发射信号的反射而获得的超声反射信号，在第三步骤中，响应于指定变量确定所检测到的超声反射信号的行进时间的分布，以及在第四步骤中分析所述分布，以便确定沉淀物是否至少部分沉积在所述反射区上。

Description

用于检测和分析沉淀物的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于检测和分析在液体承载系统中的沉淀物的方法和设备。
背景技术
例如发电厂、钢厂、制浆厂、或造纸厂的工厂常常包括用于传导或存储流体的装置，例如管道或液体容器。已知的问题是有机和无机物质沉淀在用于传导或存储流体的这些装置的内壁上，由此例如像污垢或水垢的沉淀物的累积至少部分地阻塞通过传导装置的流动，传导的或存储的流体可能受到污染。这是不希望发生的，其导致多个操作问题，例如设备的堵塞、化学品的无效使用、增大的效用成本、由于停工期导致的产量损失、腐蚀、和由于增大的污垢量而降质的产品。
原则上但并非局限于此，可以区分一方面的污垢沉淀物与另一方面的水垢沉淀物。污垢沉淀物是有机沉淀物，其常常以生物薄膜的形式出现在含水的系统中。这种生物薄膜基本上由微生物组成，例如细菌、藻类、真菌类和原生动物。与此相反，水垢沉淀物由于无机物质而出现，已经确定其包括例如钙的复合物(碳酸盐、草酸盐、硫酸盐、硅酸盐)、铝的复合物(硅酸盐、氢氧化物、磷酸盐)、硫酸钡、放射性硫酸镭、和镁的硅酸盐。
为了避免污垢沉淀物的累积，特别是生物薄膜的生长，将抗微生物剂添加到关注的流体中。通过添加基于丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸和天门冬氨酸的均聚物、共聚物和三元共聚物的化学沉淀物控制剂来去除水垢沉淀物。而且，化学沉淀物控制剂可以基于有机膦酸盐及其衍生物，以及聚磷酸盐。
必须仔细且谨慎地实施这些抗微生物剂和化学沉淀物控制剂的剂量，因为它们极为昂贵并且引起健康危害。因而必须区分各类沉淀物，并确定各个沉淀物的厚度。
在现有技术文献WO 2009/141135A1中公开了一种方法和设备，其用于流体容器内部的污垢或水垢沉淀物的特性的高精度测量。由超声换能器向流体容器内部的反射区域发射超声发射信号，借助评估反射区域的或覆盖反射区域的沉淀物的时域反射信号来测量超声换能器与反射区域之间的、或者超声换能器与反射区域上的沉淀物之间的距离。将测量的距离与参考距离相比较，参考距离是在反射区域上没有任何沉淀物的情况下的初始校准测量步骤中测量的。测量的距离与参考距离之间的差异是用于沉淀物的厚度的测量结果。该方法的缺点在于在超声换能器与反射区域之间的真实距离例如随流体容器内部的温度或压力而改变。因此，测量时在超声换能器与反射区域之间的当前距离不能由以前测量的参考距离来准确地定义。结果，沉淀物厚度的测量结果包括了取决于如压力和温度的操作条件的未知偏移。
为了区分水垢和污垢沉淀物，现有技术文献WO2009/141135A1进一步公开了一种设备，其包括两个不同的超声换能器，其中每一个超声换能器都与单独的反射区域协作。为两个反射区域提供不同的声阻抗。由于水垢和污垢沉淀物也具有不同的声阻抗，使得由一个超声换能器测量的时域反射信号的幅值与由另一个超声换能器测量的时域反射信号的幅值之间的比较能够区分污垢和水垢沉淀物。所述设备和方法的缺点在于必须为设备提供两个不同测量部，这导致较高的设备成本，增大的安装空间和进一步的误差源，因为操作条件并非在液体承载系统中的任何位置都相等，而是例如取决于沿流体管道的准确位置。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法和设备，用于检测及分析反射区中的沉淀物，其允许以增大的准确度和对操作条件较低的依赖性来检测沉淀物，并区分不同种类的沉淀物。而且，提供了一种更节省成本的紧凑且鲁棒的设备。
本发明的目的由一种用于检测并且分析反射区上的沉淀物的方法来实现，所述反射区尤其位于液体承载系统的内部，所述方法包括步骤：在第一步骤中，由超声换能器向反射区发射超声发射信号；在第二步骤中，由检测模块检测通过在所述反射区的区域中对所述超声发射信号的反射而获得的超声反射信号；在第三步骤中，响应于指定变量确定所检测到的超声反射信号的行进时间的分布，以及在第四步骤中分析所述分布，以便确定沉淀物是否至少部分沉积在所述反射区上。
由此有利地可以通过响应于指定变量分析行进时间的分布来容易且可靠地确定沉淀物是否沉积在反射区上。而且，如果检测到沉淀物的存在，可以区分不同种类的沉淀物，例如像水垢或污垢沉淀物。这是可能的，因为发现相对于变量(称为分布)描绘的行进时间信号的特性在通过沉淀物的厚度和种类的可测量方式中改变。而且，分布的特性取决于由沉淀物覆盖的范围，以至于甚至可以通过分析分布的位置和形状来确定由于沉淀物层的反射区的覆盖率。例如，可以确定反射区仅部分还是全部由沉淀物层覆盖。优选地，在第四步骤中分析分布以分析分布是否包括平稳点(stationary point)、拐点、断点、极点和/或间断。具体地，在第四步骤中确定平稳点、拐点、断点、极点和/或间断的位置。根据另一个实施例，在第四步骤中分析分布的位置、梯度和/或曲率。有利地，分布的形式包括与沉淀物在反射区上的特性有关的信息像沉淀物的种类、厚度、覆盖度等。可以通过确定特性，尤其是分布的重要数学条件来简单地评估这些信息。指定变量优选地包括超声换能器的发射参数、检测模块的检测参数和/或分析单元的分析参数，在第四步骤中修改它们。
本发明的上述目的还由一种用于检测并且分析反射区中的沉淀物的方法来实现，所述反射区尤其位于液体承载系统的内部，所述方法包括步骤：在第一步骤中，由超声换能器向反射区发射超声发射信号；在第二步骤中，由检测模块检测通过在所述反射区中对所述超声发射信号的反射而获得的超声反射信号；在第三步骤中，由分析单元分析所检测到的超声反射信号是否包括不同行进时间，以便确定污垢沉淀物和/或水垢沉淀物是否沉积在所述反射区上。这个方法是本发明的另一个主题或者本发明的优选实施例。
根据本发明，由此有利地可以在不使用两个单独的测量部或者不必执行用于确定参考距离的校准测量的情况下，区分污垢和水垢沉淀物。污垢沉淀物的声阻抗相比于水垢沉淀物的声阻抗实质上较低。如果反射区由污垢沉淀物的累积物覆盖，那么超声发射信号的小部分由污垢沉淀物反射，其中，所述超声发射信号的主要部分由例如由金属构成的反射区反射。结果，检测到的超声反射信号包括具有由于超声发射信号在污垢沉淀物的反射而出现的较低幅值的第一峰值，以及由于超声发射信号在反射区中的其他反射面的反射而出现的具有较高幅值的第二峰值，例如在液体承载系统的液体管道或容器的壁的内表面。第一峰值在第二峰值的时间意义上的上游，因为在检测模块与污垢沉淀物的反射面之间的距离(第一距离)小于在检测模块与反射面之间的距离(第二距离)。结果，第一峰值的行进时间(具体地，超声反射信号的第一上升沿)短于第二峰值的行进时间(具体地，超声反射信号的第二上升沿)，因为两个峰值都由于超声发射信号的同一第一边沿而出现。这表示所检测到的超声反射信号包括至少两个不同的行进时间。相反，如果以水垢沉淀物覆盖了反射区，就基本上仅在水垢沉淀物的反射面反射超声发射信号。在这种情况下，就不能测量到由于超声发射信号在其他反射面的反射而出现的第二峰值，以使得检测到的超声反射信号仅包括一个行进时间，其对应于在检测模块与水垢沉淀物的反射面之间的第一距离。
具体地，本发明意义上的用词“沉淀物”代表任何种类的有机或无机污染物和沉淀物，其出现在液体承载系统中，例如管道或容器。诸如此类的沉淀物例如以薄膜的形式出现(也称为“污垢”)。这些主要在与固相的分界面的含水系统中形成。在微生物导致薄膜的情况下，它们由嵌入了微生物(例如细菌、藻类、真菌类、和原生动物)的粘稠层组成。通常这些薄膜除了微生物以外，还主要包含水和微生物渗出的细胞外聚合物，其结合水构成水凝胶并包含其他营养物或物质。通常，颗粒包括在得到的粘稠基质中，在与分界面相邻的水介质中发现它。例如在造纸厂中出现的薄膜特征在于以下事实：其包含高比例的纤维、细微物质和无机颜料，它们由有机基质粘合。这种薄膜典型地伴随着微生物源的保护性胞外多糖(“粘质物”，EPS)，出现在这些设备表面和生产用水流的分界面。另外，诸如碳酸钙(“水垢”)的无机污染物和有机污染物常常沉积在这种表面上。这些有机污染物典型地称为“沥青”(例如，来自木头的树脂)和“粘胶”(例如，胶水、粘合剂、胶带、蜡颗粒)。
优选地，在第三步骤中针对检测到的超声反射信号分析第一峰值的幅值是否基本上小于第二峰值的幅值。如果如此，就可以断定第一和第二峰值由超声发射信号中的同一第一峰值产生，以使得第一和第二峰值的相应行进时间不同。优选地，确定两个行进时间之间的差(在识别出污垢沉淀物时)，因为行进时间中的差是对污垢沉淀物的层厚度的度量。例如，污垢沉淀物的厚度可以通过将时间差乘以声音在水中的速度来计算(与声音在污垢沉淀物中的速度类似)。有利地，可以在无需任何前述校准测量和不使用任何参考值的情况下计算污垢沉淀物的厚度。
根据本发明的优选实施例，在第三步骤中确定所检测到的超声反射信号的行进时间的分布，在第四步骤中分析分布以分析分布是否包括间断。
因此有利地可以以相当简单且可靠的方式准确检测在所检测到的超声反射信号中的第一和第二峰值之间的行进时间中的差。优选地，调整影响所检测到的超声反射信号的行进时间的一个调整参数，并监控与调整的参数相关的行进时间的分布。如果检测到分布中的间断，就可以有利地断定检测到从小峰值到较高峰值的转换或者反之亦然(如上所述，小峰值和较高峰值由于超声发射信号的同一峰值而产生)，因为小峰值在较高峰值的时间意义上的上游。间断的存在指示污垢沉淀物覆盖反射区。如果水垢的累积物沉积在反射区上，在分布中就不会出现诸如此类的间断。为了在第四步骤中发现分布中的间断而修改的参数优选的是超声换能器的发射参数，检测模块的检测参数和/或分析单元的分析参数(也称为指定变量)。优选地，当在第四步骤中检测到间断时，在第五步骤中确定分布中间断的位置和/或形状，以便在第四步骤中确定污垢沉淀物在反射区上的程度。针对由沉淀物覆盖的范围测量间断的位置和形状，以便有利地确定例如反射区仅部分地还是全部由沉淀物层覆盖。
根据本发明的特别优选的实施例，在第三步骤中由分析单元的放大器放大所检测到的超声反射信号，其中，在第四步骤期间调整放大器的增益，以便发现间断，优选至少在检测到间断之前连续增大增益。如果将增益设定为较低值，较小的第一峰值的幅值低于测量下限，因此所检测到的超声反射信号的行进时间(例如由输入的超声反射信号的第一上升沿定义)就由较高峰值(第二峰值)来确定，其来自于超声发射信号在反射区的反射。如果连续增大增益，在一些点就达到较小峰值(来自于超声发射信号在反射区上的污垢沉淀物的表面的反射的第一峰值)的幅值达到测量下限(例如由检测模块或分析单元的阈值定义)的时刻。在这个时刻，检测到的超声反射信号的行进时间就由较早的较小峰值来确定，因此行进时间跳跃到较短时间值，相对于放大器的增益而检测到的超声反射信号的分布就包括阶跃形式的间断。如果反射区由水垢沉淀物覆盖，分布就不包括诸如此类的间断，因为超声反射信号主要得自于在水垢沉淀物的表面的反射。在此情况下，分布没有具有明显较低幅值的上游峰值。
根据本发明的另一特别优选的实施例，在第三步骤中与所检测到的超声反射信号的检测的时间相关地确定行进时间，其中，检测的时间由所检测到的超声反射信号超过特定阈值的时间来确定，其中，在第四步骤期间调整阈值，以便发现间断，优选地，连续减小阈值，至少直至检测到间断。借此有利地可以在不调整放大器的增益的情况下搜索分布中的间断，因为阈值的调整在原则上具有相同的效果。至少可以设想调整增益和阈值二者。
根据本发明的另一特别优选的实施例，在第一步骤中由超声换能器以特定输出功率发射超声发射信号，其中，在第四步骤期间增大输出功率，以便发现间断，优选地，连续增大输出功率，至少直至检测到间断。借此有利地可以在不调整放大器的增益或者阈值的情况下搜索分布中的间断，因为输出功率的调整具有类似地效果。优选地，调整输出功率和增益和/或阈值。
根据本发明，优选地，在第五步骤中确定间断的区域中分布的时间偏移，以便当在第四步骤中检测到间断时，在第六步骤中确定污垢沉淀物的厚度。有利地，通过将时间偏移乘以声速值来计算或者至少估计污垢沉淀物的厚度。声速值对应于声音在水中的速度，以便仅仅估计厚度，因为声音在水中的速度与声音在污垢中的速度类似。可替换地，在预先的参考测量中准确地测量声音在污垢中速度的值，特别尤其是针对特定温度的。在此情况下，声速值表示声音在污垢中的准确速度，以便精确计算污垢沉淀物的厚度。优选地，针对不同温度提供不同的声速值，以便与实际温度相关地，通过将时间偏移乘以声速值来确定厚度，以便消除由温度变化导致的不准确。有利地，即使例如温度和/或压力的操作条件改变，也可以确定厚度的量。
根据本发明的另一优选实施例，在第四步骤的第一子步骤中，通过修改发射参数、检测参数和/或分析参数来检测分布中的间断，其中，在第四步骤的第二子步骤中确定间断所位于的分布的进程(course)中的有限间隔，并且其中，在第四步骤的第三子步骤中，仅在有限间隔内再次修改发射参数、检测参数和/或分析参数，优选地，在第五步骤中，仅分析有限间隔，以便确定时间偏移。借此有利地可以减少耗时量，以便在测量过程中可以考虑例如液体温度中的短期变化。在第一子步骤中，仅执行相当粗略且快速的分析，以确定分布是否包括间断。为此，以角度步长修改发射参数、检测参数和/或分析参数。如果检测到间断，就在第二子步骤中确定间断所位于的间隔。这个方案的优点在于代替分析整个分布，在第三子步骤中仅必须进一步准确分析这个有限间隔。结果，可以以较小步长在间隔内修改修改发射参数、检测参数和/或分析参数，以便在相当短的时间中可以准确测量间断。具体地，可以在无需为间断肯定不在的整个分布区域(例如分布的边缘区域)的测量花费过多时间的情况下，定位间断并准确量化。
根据另一优选实施例，当在第三步骤中没有检测到不同的行进时间和/或当在第四步骤中没有检测到间断时，在第七步骤中将行进时间与参考值进行比较，以便确定水垢沉淀物的厚度。有利地，没有不同的行进时间或者分布中的间断指示或者水垢沉淀物沉积在反射区上，或者沉淀物根本不在反射区上。所检测到的超声反射信号的一个行进时间与参考值的比较提供了识别水垢的累积物是否覆盖反射区的可能性。当没有沉淀物位于反射区上时，参考值特别地对应于超声信号的行进时间。例如在工厂的第一次运行前或者紧接着反射区、超声换能器、检测模块和/或分析单元的安装后初始执行的零步骤中的校准测量中测量参考值。如果检测到的超声反射信号的一个行进时间比参考值短，就可以有利地断定反射区被水垢沉淀物覆盖。在确定的行进时间与参考值之间的差是对水垢沉淀物的层厚度的测量。
优选地，在第七步骤中，与发射参数、检测参数、分析参数和/或温度参数相关地将所检测到的超声反射信号的一个行进时间与参考值相比较。借此有利地可以与实际操作条件相关地选择特定参考值。如果在测量过程中，在液体承载系统中的流体具有特定温度和特定压力，就将用于这些温度和压力值的相应参考值与测量的行进时间相比较。具体地，在零步骤中的校准测量过程中，测量用于不同发射参数、检测参数、分析参数、压力参数和/或温度参数的多个参考值。
本发明的另一个主题是一种用于检测并且分析反射区中的沉淀物的设备，所述反射区尤其位于液体承载系统的内部，其中，所述设备包括超声换能器，所述超声换能器用于向所述反射区发射超声发射信号；检测模块，所述检测模块用于检测通过在反射区的区域中对所述超声发射信号的反射而获得的超声反射信号；以及分析单元，所述分析单元用于分析所检测到的超声反射信号是否包括不同的行进时间，以便确定污垢沉淀物和/或水垢沉淀物是否沉积在所述反射区上。有利地，设备能够实施根据本发明的上述方法。因此，有利地可以在无需两个不同测量部的情况下区分污垢或水垢沉淀物。结果，根据本发明的设备相比于现有技术中已知的诸如此类的设备更为节省成本、紧凑且鲁棒。
根据本发明的优选实施例，分析单元被配置为确定所检测到的超声反射信号的行进时间的分布，其中，分析单元进一步被配置为分析分布是否包括间断，以便确定污垢沉淀物和/或水垢沉淀物是否沉积在反射区中。分析单元的配置实现了在所检测到的超声反射信号中发现不同行进时间的方式，其实施相对简单并且无需大量硬件设备，例如计算能力、存储器容量、高频技术等。优选地，设备被配置用于修改超声换能器的发射参数、检测模块的检测参数和/或分析单元的分析参数，以便发现分布中的间断。可替换地或同时，分析单元包括放大器，用于放大所检测到的超声反射信号，其中，分析单元被配置用于连续增大放大器的增益，以便发现分布中的间断。
根据本发明的优选实施例，分析单元优选地被配置为用于确定间断的区域中分布中的时间偏移，并且其中，所述设备包括乘法器，用于当在分布中检测到间断时，将时间偏移与声速值相乘，以便确定污垢沉淀物的厚度。如上所述，声速值可以是声音在水中的速度，或者测量或估计的声音在污垢中的速度。借此有利地可以在不使用两个不同测量部的情况下确定沉积在反射区上的污垢沉淀物的厚度。而且，无需初始执行的校准测量。
根据本发明的另一优选实施例，设备包括参考值存储器，用于存储在初始执行的校准测量中测量的至少一个参考值，以及比较器，用于将行进时间与参考值相比较，以便当在分布中没有检测到间断时，确定水垢沉淀物的厚度。借此有利地可以确定沉积在反射区上的水垢沉淀物的厚度。
根据本发明特别优选的实施例，反射区是液体承载系统的流体管道或流体容器的部分壁。在这个实施例中，设备至少部分地被集成到用于存储液体的流体容器中或用于传导液体的流体管道中。液体优选地是含水流体。超声换能器例如集成到液体管道或液体容器的第一壁中，其中，反射区由液体管道或液体容器的第二壁提供。第一壁和第二壁彼此相对定位。具体地，设备永久安装在液体管道或液体容器的壁中，以便可以完成对水垢和污垢沉淀物的永久且连续的监控。
在本发明的可替换的特别优选实施例中，设备包括支撑模块，其从设备自身或水承载系统的流体管道壁突出到流体管道的内部中，其中，反射区是与超声换能器间隔开提供的支撑模块的部分，借此有利地可以将整个设备仅安装在流体管道或流体容器的一个侧壁。
在本发明的进一步可替换的特别优选实施例中，反射区是可互换试样容器的部分，其可插入到液体承载系统和设备中。在这种情况下，设备与液体承载系统分离。借此有利地可以仅试样容器必须至少暂时位于液体承载系统内部，例如用于存储液体的流体容器中或用于传导流体的管道。为了检测并且分析液体承载系统中的污垢和水垢沉淀物，仅在测量持续期间，将试样容器从液体承载系统移除，并插入到设备中。借此有利地可以作为便携式手持设备提供该设备。而且，设备可以用于控制暂时位于一个或多个工厂中许多不同位置的多个试样容器。
优选地，设备包括温度传感器。还可以设想由通信接口传送借助于温度传感器测量的表示液体的温度的值。
对于根据本发明的方法和设备的进一步的实施例和细节，参考了WO2009/141 135A1的公开内容，在此通过参考将其包含在本文中。
优选地，设备包括通信网络接口，用于测量数据和/或分析数据经由通信网络的传送。可以经由例如互联网、电话网、移动通信网等的通信网络，将测量数据和/或分析数据尤其是硬连线地或无线地传送到中央存储器、中央处理单元、泵或阀门，用于将例如基于丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、天门冬氨酸的均聚物、共聚物、三元共聚物或者基于有机聚磷酸盐或膦酸盐及其衍生物的适当量的抗微生物剂和/或化学沉淀物控制剂引导到液体承载系统中。
依据结合附图的以下详细说明，本发明的这些及其他特性、特征和优点会变得显而易见，附图示例性地示出了本发明的原理。仅是为了示例而给出了说明，并非限制本发明的范围。以下引用的参考图指代附图。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明示例性第一实施例的用于检测并且分析沉淀物的设备和方法。
图2示意性地示出了根据本发明第一实施例的用于检测并且分析沉淀物的方法中检测到的超声反射信号的形状。
图3示意性地示出了根据本发明第一实施例的用于检测并且分析沉淀物的方法中不同的检测到的超声反射信号的行进时间的分布。
图4示意性地示出了根据本发明第二实施例的用于检测并且分析沉淀物的设备。
图5示意性地示出了根据本发明第三实施例的用于检测并且分析沉淀物的设备。
图6、7和8示出了根据本发明进一步的实施例的在反射区上有或没有沉淀物的每一种情况下的行进时间的不同分布。
具体实施方式
将相对于具体实施例并且参考特定附图来描述本发明，但本发明不局限于此，而是仅由权利要求书来限定。描述的附图仅是示意性的，而非限制性的。在附图中，出于说明性的目的，可以将一些元件的尺寸夸大而没有按照比例绘制。
在提到例如“一”、“所述”的单数名词时使用了不定冠词和定冠词，这包括该名词的复数，除非明确表述了另有含义。
而且，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于区分类似的元件，并不一定说明相继的或时间的顺序。应该理解，在适当环境下，如此使用的术语可以互换，本文所述的本发明的实施例能够以除了本文所示的说明以外的其他顺序操作。
在图1中示出了根据本发明的示例性第一实施例的设备16，其用于检测并且分析在液体承载系统11内部的污垢和/或水垢沉淀物33。设备16包括超声换能器12、检测模块13和分析单元14。在本示例中，液体承载系统11包括例如在制冷厂、制浆厂或造纸厂中的用于传导液体介质32’的流体管道32。设备16集成到流体管道32的壁中。由超声换能器12向反射区10发射超声发射信号20。示例性地，反射区10由液体管道32的一部分内侧壁形成。超声换能器12和反射区10彼此位于流体管道32的相对侧上。超声发射信号20优选地包括多个一个接一个发射的离散波包。
为了检测并且分析累积在流体管道32的内壁上的反射区10中的污垢和/或水垢沉淀物33，由检测模块13检测借助超声发射信号20在反射区10中的反射而出现的超声反射信号21。如果在反射区10中根本就没有沉淀物33，则超声发射信号20就由流体管道32的内壁表面反射。在这种情况下，超声反射信号21行进在两倍于超声换能器12与内壁表面之间的距离(第二距离34)。检测到的超声反射信号21需要用于该距离的特定行进时间22。如果存在沉积在流体管道32的内壁和反射区10的内部上的污垢沉淀物33，则超声发射信号20就部分地由污垢沉淀物33反射，并且主要由流体管道32的内壁表面反射，因为污垢沉淀物33仅具有低声阻抗。如果存在沉积在流体管道32的内壁和反射区10的内部上的水垢沉淀物33，则超声发射信号20就由水垢沉淀物33的表面反射，因为水垢沉淀物33提供高声阻抗。基本上可以说，如果至少一部分超声发射信号20由沉淀物33的表面反射，则至少检测到的超声反射信号21的相应部分在两倍于超声换能器12与沉淀物33的表面之间的较短距离(第一距离35小于第二距离34)上传播。因此相应的检测到的超声反射信号21需要较短的行进时间22。
检测到的超声反射信号21由分析单元14进行分析。为此，检测到的超声反射信号21由分析单元14的放大器15进行放大。分析单元14直接或间接地对放大的超声反射信号21分析超声反射信号21是否包括两个不同的行进时间22。如果例如发射的超声发射信号20的第一上升边沿在位于反射区10中的例如生物薄膜的污垢沉淀物的表面部分反射，并主要在流体管道32的内壁表面反射，则检测到的超声反射信号21就包括由在生物薄膜表面的反射而得到的小的第一峰值40以及由在内壁的反射而得到的较高的第二峰值41(图2中详细示出)。第一和第二峰值40、41都具有在超声发射信号20的同一边缘的其起点。在第一和第二峰值40、41之间的时间延迟42仅是由于反射的不同位置而导致，一方面是生物薄膜的表面，另一方面是内壁的表面。结果，如果生物薄膜沉积在内壁上，则检测到的超声反射信号21就包括两个不同行进时间22。换句话说，如果监控到两个不同行进时间22，就可以断定反射区10由污垢沉淀物33覆盖。
第一峰值40的幅值明显低于第二峰值41的幅值，因为生物薄膜的声阻抗低于例如金属或塑料的壁材料的声阻抗。借此可以有利地区分由于生物薄膜而得到的第一峰值40和在内壁反射的波包的“第一峰值”(它在生物薄膜覆盖反射区10时仅是第二峰值41)。优选地以使得可以分辨在第一和第二峰值40、41之间的时间延迟42的方式来设定超声发射信号20的频率。换句话说：超声发射信号20的频率必须足够高，以使得第一峰值40不被第二峰值叠加。时间延迟42的宽度由一方面的生物薄膜的表面和另一方面的内壁之间的实际距离来定义。声音在生物薄膜中的速度类似于公知的声音在水中的速度。结果，可以借助分析单元14的乘法器17通过将时间延迟42乘以声音在水中的速度来计算检测的生物表面的厚度。
如果指示了污垢沉淀物33的层，尤其是确定了层的厚度，则分析单元14优选地产生相应的控制信号，启动适当的对策，如将抗微生物剂增加到液体介质32’中和流体管道32中。优选地，控制信号取决于确定的污垢沉淀物33的厚度，以使得如果确定了较厚的污垢沉淀物33的层，就启动液体介质32’中的较高浓度的抗微生物剂，如果污垢沉淀物33的层较薄，就启动较低浓度的抗微生物剂。可以设想由控制信号直接控制一个或多个泵(未示出)，用于将适当量的抗微生物剂泵送到液体介质32’中。可替换地，可以由控制信号控制一个或多个阀门(未示出)，用于将相应量的抗微生物剂引导到液体介质32’中。优选地，设备16包括通信网络接口31，其经由通信网络发送控制信号和/或测量数据，例如用于记录、监控、控制或维护目的。
如果分析单元14在检测到的超声反射信号21中没有检测到两个不同的行进时间22，则可以断定反射区10中的内壁根本没有被沉淀物33覆盖，或者水垢沉淀物33沉积在内壁上。在这种情况下，不出现第二行进时间22，因为由于水垢沉淀物具有相当高的声阻抗，超声发射信号20几乎完全由暴露的内壁或者水垢沉淀物33的层表面反射。结果，无法测量超声发射信号20的同一边沿在内壁以及水垢沉淀物33的表面的反射。为了分析水垢沉淀物33是否累积在内壁上，由分析单元14确定检测到的超声反射信号21的一个行进时间22，随后由分析单元14的比较器19将所述一个行进时间22与参考值28进行比较。比较器19例如从设备16的参考值存储器18取得参考值28。参考值28表示由超声换能器12发射的由反射区10的内壁反射并由检测模块13检测到的超声信号的行进时间22，由此内壁根本没有由任何沉淀物33覆盖。为了确定参考值28，例如紧接着工厂或管道的第一次启动后，液体介质32’填充到液体承载系统11中后，或者设备16的安装后，执行初始校准测量。如果确定行进时间22小于参考值28，就可以断定检测到的超声反射信号21由水垢沉淀物33的表面反射。在此情况下，行进时间22与参考值28之间的时间差是对于水垢沉淀物33的厚度的度量。可以借助乘法器17通过将时间差乘以声音在水中的速度来直接计算检测到的水垢沉淀物33的层厚度。
如上所述，方法和设备16允许区分一方面的污垢沉淀物与另一方面的水垢沉淀物。污垢沉淀物是有机沉淀物，其常常以生物薄膜的形式出现在含水的系统中。其中这种生物薄膜基本上由微生物组成，例如细菌、藻类、真菌类和原生动物。与此相反，水垢沉淀物由于无机物质而出现，已经确定其包括例如钙的复合物(碳酸盐、草酸盐、硫酸盐、硅酸盐)、铝的复合物(硅酸盐、氢氧化物、磷酸盐)、硫酸钡、放射性硫酸镭、和镁的硅酸盐。
如上已经指出的，图2示意性地示出了在由设备16(图1中示意性示出)执行的用于检测并且分析污垢和/或水垢沉淀物的方法中检测到的超声反射信号21的形状。在图2的图示中，在反射区10由污垢沉淀物33覆盖的情况下，相对于时间25描绘了检测到的超声反射信号21的幅值。此外，在图中显示了分析单元14的阈值26，定义了较低的阈值，由其考虑了检测到的超声反射信号21的峰值。如果输入的超声反射信号21的上升沿超过阈值26，就确定相应边沿的检测的时间25，可以由检测的时间25与发射超声发射信号20的时间之间的时间差来计算检测到的超声反射信号21的行进时间22，由此尤其是发射峰值的时间用于确定行进时间，所发射的峰值启动反射信号21中的相应峰值。
在图2中，示出了由于生物薄膜的表面处的反射导致的具有小幅值的第一峰值40在第二峰值41的时间意义上的上游，其中，第二峰值41具有由于在流体管道32的内壁的反射而出现的较高幅值。较小的第一幅值40的存在指示污垢沉淀物33沉积在反射区10上，其中，第一峰值40与第二峰值41之间的时间延迟42是对于污垢沉淀物33的厚度的度量。如上所述，为了检测第一峰值40的存在，分析单元14直接或间接地分析检测到的超声反射信号21是否包括两个不同的行进时间22。第二峰值41之后是源自发射的超声发射信号20的波包中其他峰值的几个其他峰值43(所有的其他峰值43都具有与第二峰值41基本上相同的行进时间22)。对于本领域技术人员显然的是，第一峰值40可以是相反的，以使得第一峰值40指向下方。实际上，信号由放大器的增益过驱动，使得在第一和第二峰值40、41之间的幅值中不存在可测量的差。更确切地说，第一和第二峰值40、41彼此合并。
可以通过针对超声反射信号22的分布分析分布24是否包括间断24来优化用于发现并分析检测到的超声反射信号22中的不同的行进时间22以便区分污垢沉淀物33与水垢沉淀物33的方法。由于尽管第一峰值40实际上存在，但第一峰值40低于阈值26并且没有考虑，从而存在没有检测到污垢沉淀物33的几种可能性。这例如可以是如果超声换能器12的输出功率或放大器15的增益过低或者如果将阈值设定得过高而出现。其他原因可以是由于第一峰值40被第二峰值41叠加，而不能分辨较小的峰值40。为了避免它，在测量过程中调整例如输出功率(也称为发射参数)、放大器的增益(也称为检测参数)和/或阈值26(也称为分析参数)中的至少一个参数。优选地，增益从低值开始并且连续增大。
图3中示出了与变化的增益相关的得到的超声反射信号21的分布23。由在发射超声发射信号20与检测到超声反射信号21的第一边沿(在第一边沿与阈值26之间的交叉点，也称为检测的时间25)之间的时间差来计算行进时间22。开始，第一峰值40不超过阈值26(参见图2)，因此没有被考虑。行进时间22由第二峰值41的上升沿的检测的时间25来定义。由于新近增大的增益，第二峰值41的幅值增大，因此第二峰值41的上升沿变得更为陡峭。结果，在第二峰值41的上升沿与阈值26之间的交叉点向较短的行进时间22连续移动。为此，检测到的超声反射信号21的行进时间22的分布23随增大的增益46线性下降(参见图3)。在一些点，第一峰值40超过阈值26，从该点开始，行进时间22由在第一峰值40的上升沿与阈值26之间的交叉点来定义。为此，分布23包括陡的阶跃形式的间断24。间断24的存在表明污垢沉淀物33沉积在反射区10中。如果水垢沉淀物33沉积在反射区10中，行进时间22的分布23就不会包括诸如此类的间断。相反，分布23会保持连续，如虚线47所示的。由沿纵轴的分布23中的阶跃的宽度定义的时间偏移27是对于在污垢沉淀物33的表面与流体管道32的内壁之间的距离的度量。因此，可以通过将时间偏移27乘以声音在水中的速度(与声音在生物薄膜中的速度类似)来简单地计算污垢沉淀物的层厚度。
图3中所示的图包括对于液体承载系统11中不同操作条件的行进时间22的不同分布24。例如液体流体32’的温度或压力的不同操作条件影响流体管道32的宽度，以至于至少只要声音在液体介质32’中的速度保持恒定，在超声换能器12与反射区10的内壁之间的第一距离35就改变，因此相应的行进时间22不同。结果，不同分布23彼此平行，仅沿纵轴偏移。两个最上面的分布23’仅为了说明的目的示出了在反射区10上没有污垢沉淀物33的情况下，行进时间22相对于增大的增益46(也称为指定变量50)的图示。为了辨别反射区10是否被水垢沉淀物33覆盖，或者反射区10根本没有被沉淀物覆盖，必须将对于特定增益46和特定操作条件的行进时间22与以所述增益46和操作条件测量的相应参考值28进行比较。通过这种方式，还可以通过计算在参考值28与最近的行进时间22之间的差，并将这个差与声音在水中的速度相乘来计算水垢沉淀物33的厚度。
在图4中，示意性示出了根据本发明第二实施例的用于检测并且分析污垢和/或水垢沉淀物33的设备16。根据第二实施例的设备16在原理上按照与根据图1中所示的第一实施例的设备16相同的方式工作。唯一的区别在于根据第二实施例的设备16没有被集成到液体承载系统11中。相反，可以作为便携式手持装置来提供设备16。由可互换的试样容器30形成反射区10。试样容器30暂时位于液体承载系统11中，其壁应在考虑潜在的污垢和/或水垢沉淀物33的情况下受到监控。为了检测并且分析潜在的水垢或污垢沉淀物33，将试样容器30从液体承载系统11移除，并插入到便携式设备16相应的插槽中(由双箭头28所示的)。随后，执行用于检测并且分析水垢和/或污垢沉淀物33的上述方法，以便区分并量化在试样容器30上的污垢和/或水垢沉淀物33。在本实例中，试样容器30的表面作为本发明意义上的反射区10工作。优选地，设备16用于控制位于一个或多个工厂中不同位置的多个试样容器30(未示出)。通信网络接口31优选地包括发射机，用于硬连线的或无线数据传输。还可以设想，由通信接口发送表示借助于温度传感器测量的液体的温度的值。
在图5中，示意性示出了根据本发明第三实施例的用于检测并且分析污垢和/或水垢沉淀物33的设备16。根据第三实施例的设备16在原理上按照与根据图1中所示的第一实施例的设备16相同的方式工作。唯一的区别在于根据第三实施例的设备16包括L形支撑模块36，其从水承载系统11的流体管道32的壁突出到流体管道32内部。作为支撑模块36的部分提供反射区10，以使得反射区10被定位成与超声换能器12间隔开。
在图6中，显示了根据本发明进一步的实施例的用于检测并且分析沉淀物33的方法中的行进时间的分布23。根据进一步的实施例的方法类似于上述方法，由此由分析单元14分析分布23的形状，以便检测在反射区10上的沉淀物33，如果如此，就确定反射区10上的沉淀物33的层的厚度和程度。在图6中，基于实际测量数据，相对于放大器15的增益46(以分贝为单位)描绘了超声反射信号21的行进时间22(以微秒为单位)(实线)。分布23示出了当污垢沉淀物33(在本示例中是生物薄膜)沉积在反射区10上时，响应于作为变量50的增大的增益26的行进时间22的进程(course)。在本示例中，污垢沉淀物33没有作为覆盖完整反射区10的连续层定位，而是作为沉淀物33的单个岛，其彼此隔离并仅部分地覆盖反射区10。
此外，仅出于说明性目的示出了参考分布51(虚线)。参考分布51示出了如果根本没有沉淀物33位于反射区10中，响应于变化的增益46的超声反射信号21的进程。
可以看出，与参考分布51相比，分布23的第一个断点52沿x轴移位。第一个断点52是由于超声发射信号20在反射区10的金属表面处的反射而引起的。在分布23中，第一个断点52移位到较高增益46，因为反射区10上的污垢沉淀物33衰减了由金属表面反射的超声反射信号21。当然，移位52也可以用作污垢沉淀物33的厚度的指示器。但在这种情况下，为了与分布23相比较，必须监控参考分布51。
在分布23的进一步的进程中，分布23与参考分布51越来越分离开，其中，分离在约50分贝的增益处开始。在此区域中，分布23不具有陡峭的间断或者其他的断点，因为污垢沉淀物33仅零星地位于反射区10上。但可以从分布23见到，诸如此类的沉淀物33的存在至少影响了分布23的梯度。
结果，可以仅通过分析分布23的梯度来检测作为部分覆盖反射区10的单个岛形成的污垢沉淀物33的存在。
图7示出了根据本发明进一步的实施例的用于检测并且分析沉淀物33的方法中的行进时间的类似分布23和参考分布51。在这里，基于实际测量数据，相对于放大器15的增益46(以分贝为单位)描绘了超声反射信号21的行进时间22(以微秒为单位)(实线)，由此在本示例中，反射区10由以更均匀方式分布的污垢沉淀物33的相当厚的层覆盖。可以看出，分布23已经包括非陡峭的第二断点53形式的一种间断。第二断点53的存在是反射区10上污垢沉淀物33更为均匀的层的存在的指示器。通过对分布23分析它是否包括拐点，或者通过分析分布23的梯度和/或曲率来发现第二断点53。
在图8中，示出了分布23的另一个示例。在这个示例中，反射区10由污垢沉淀物33的均匀层覆盖。相应地，分布23包括相当陡峭的第二断点53，以至于可以清晰地见到间断23。例如可以通过查找分布23中局部极大值54的形式的平稳点来发现第二断点53。沿y轴的间断的宽度是对于污垢沉淀物33的层厚度的间接度量(如上所述的)。
参考标记：
10 反射区
11 液体承载系统
12 超声换能器
13 检测模块
14 分析单元
15 放大器
16 设备
17 乘法器
18 参考值存储器
19 比较器
20 超声发射信号
21 超声反射信号
22 行进时间
23 行进时间的分布
24 行进时间的分布中的间断
25 检测的时间
26 阈值
27 时间偏移
30 试样容器
31 通信网络接口
32’ 液体介质
32 流体管道
33 水垢和/或污垢沉淀物
34 第二距离
35 第一距离
36 支撑模块
40 第一峰值
41 第二峰值
42 时间延迟
43 随后的峰值
44 幅值
45 时间
46 增益
50 变量
51 参考分布
52 第一断点
52 第二断点
54 局部极大值

Claims (20)

1.一种用于检测并且分析反射区(10)上的沉淀物(33)的方法，所述方法包括以下步骤：
－在第一步骤中，由超声换能器(12)向所述反射区(10)发射超声发射信号(20)；
－在第二步骤中，由检测模块(13)来检测通过在所述反射区(10)的区域中对所述超声发射信号(20)的反射而获得的超声反射信号(21)；
－在第三步骤中，响应于指定变量(50)来确定所检测到的超声反射信号(21)的行进时间(22)的分布(23)；
－在第四步骤中，分析所述分布(23)，以便确定污垢沉淀物和/或水垢沉淀物(33)是否至少部分地沉积在所述反射区(10)上，
其中，在第四步骤中分析所述分布(23)以分析所述分布(23)是否包括平稳点、拐点、断点、极点和/或间断，从而区分所述沉淀物(33)是污垢沉淀物还是水垢沉淀物。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反射区(10)位于液体承载系统(11)的内部。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在第四步骤中分析所述分布(23)的梯度和/或曲率和/或所述分布(23)的所述平稳点、所述拐点、所述断点、所述极点和/或间断的位置。
4.一种用于检测并且分析反射区(10)上的沉淀物(33)的方法，所述方法包括以下步骤：
－在第一步骤中，由超声换能器(12)向所述反射区(10)发射超声发射信号(20)；
－在第二步骤中，由检测模块(13)来检测通过在所述反射区(10)的区域中对所述超声发射信号(20)的反射而获得的超声反射信号(21)；
－在第三步骤中，由分析单元(14)分析所检测到的超声反射信号(21)是否包括不同的行进时间(22)，以便确定污垢沉淀物和/或水垢沉淀物(33)是否沉积在所述反射区(10)上，
其中，在所述第三步骤中确定所检测到的超声反射信号(21)的行进时间(22)的分布(23)，并且在第四步骤中分析所述分布(23)以分析所述分布(23)是否包括间断(24)，以区分所述沉淀物(33)是污垢沉淀物还是水垢沉淀物，并且
其中，修改所述超声换能器(12)的发射参数、所述检测模块(13)的检测参数和/或所述分析单元(14)的分析参数，以便在所述第四步骤中发现所述分布(23)中的间断(24)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述第三步骤中由所述分析单元(14)的放大器(15)放大所检测到的超声反射信号(21)，其中，在所述第四步骤期间调整所述放大器(15)的增益(46)，以便发现所述间断(24)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述第四步骤期间，至少在检测到所述间断(24)之前连续增大所述增益(46)，以便发现所述间断(24)。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其中，在所述第三步骤中与所检测到的超声反射信号(21)的检测的时间(25)相关地确定所述行进时间(22)，其中，根据所检测到的超声反射信号(21)超过阈值(26)的时间来确定所述检测的时间(25)，其中，在所述第四步骤期间调整所述阈值(26)，以便发现所述间断(24)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述第四步骤期间，至少在检测到所述间断(24)之前连续减小所述阈值(26)，以便发现所述间断(24)。
9.根据权利要求4或5所述的方法，其中，在所述第一步骤中由所述超声换能器(12)以一输出功率发射所述超声发射信号(20)，其中，在所述第四步骤期间增大所述输出功率，以便发现所述间断(24)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述第四步骤期间，至少在检测到所述间断(24)之前连续增大所述输出功率，以便发现所述间断(24)。
11.根据权利要求4或5所述的方法，其中，在第五步骤中确定所述间断(24)的区域中所述分布(23)的时间偏移(27)，以便当在所述第四步骤中检测到所述间断(24)时，在第六步骤中确定污垢沉淀物(33)的厚度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述第四步骤的第一子步骤中，通过修改所述发射参数、所述检测参数和/或所述分析参数来检测所述分布(23)中的所述间断(24)，其中，在所述第四步骤的第二子步骤中确定所述间断(24)所位于的所述分布(23)的进程中的有限间隔，并且其中，在所述第四步骤的第三子步骤中，仅在所述有限间隔内再次修改所述发射参数、所述检测参数和/或所述分析参数。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述第五步骤中仅分析所述有限间隔，以便确定所述时间偏移(27)。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述第六步骤中，通过将所述时间偏移(27)乘以声速值来确定污垢沉淀物(33)的厚度，其中，所述声速值表示声音在水中的速度或者声音在污垢沉淀物(33)中的速度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述第六步骤中与实际温度相关地使用特定声速值，和/或其中，在预先的参考测量中通过测量和/或估计声音在污垢沉淀物(33)中的速度来确定所述声速值。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，当在所述第三步骤中没有检测到不同的行进时间(22)时和/或当在所述第四步骤中没有检测到间断(24)时，在第七步骤中，将所述行进时间(22)与参考值(28)进行比较，以便确定水垢沉淀物(33)的厚度。
17.一种用于检测并且分析反射区(10)中的沉淀物(33)的设备(16)，其中，所述设备(16)包括：
超声换能器(12)，所述超声换能器用于向所述反射区(10)发射超声发射信号(20)；
检测模块(13)，所述检测模块用于检测通过在所述反射区(10)的区域中对所述超声发射信号(20)的反射而获得的超声反射信号(21)；以及
分析单元(14)，所述分析单元用于响应于指定变量(50)来确定所检测到的超声反射信号(21)的行进时间(22)的分布(23)，并且用于分析所述分布(23)，以便确定污垢沉淀物和/或水垢沉淀物(33)是否至少部分沉积在所述反射区(10)上，
其中，分析所述分布(23)以分析所述分布(23)是否包括平稳点、拐点、断点、极点和/或间断，从而区分所述沉淀物(33)是污垢沉淀物还是水垢沉淀物。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述反射区(10)位于液体承载系统(11)的内部。
19.一种用于检测并且分析反射区(10)中的沉淀物(33)的设备(16)，其中，所述设备(16)包括：
超声换能器(12)，所述超声换能器用于向所述反射区(10)发射超声发射信号(20)；
检测模块(13)，所述检测模块用于检测通过在所述反射区(10)的区域中对所述超声发射信号(20)的反射而获得的超声反射信号(21)；以及
分析单元(14)，所述分析单元用于分析所检测到的超声反射信号(21)是否包括不同的行进时间(22)，以便确定污垢沉淀物和/或水垢沉淀物(33)是否沉积在所述反射区(10)上，
其中，所述分析单元(14)被配置成用于确定所检测到的超声反射信号(21)的行进时间(22)的分布(23)，其中，所述分析单元(14)进一步被配置成用于分析所述分布(23)是否包括间断(24)，以便区分是污垢沉淀物还是水垢沉淀物(33)沉积在所述反射区(10)中。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述反射区(10)位于液体承载系统(11)的内部。
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