KR102230735B1 - 침착물을 검출 및 분석하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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솔레니스 테크놀러지스 케이맨, 엘.피.
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Abstract

본 발명은, 액체 수용 시스템 내부의 반사 영역의 침착물을 검출하기 위한 장치로서, 반사 영역을 향해 초음파 방출 신호를 방출하기 위한 초음파 변환기 및 반사 영역의 초음파 방출 신호의 반사에 의해 획득되는 초음파 반사 신호를 검출하기 위한 제1 검출 수단을 포함하는 장치에 관한 것이며, 제2 검출 수단이 반사 영역에 배치되고, 제2 검출 수단은 특정 종류의 침착물을 검출하도록 구성된다.

Description

침착물을 검출 및 분석하기 위한 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DETECTING AND ANALYZING DEPOSITS}
본원 발명은 침착물을 검출 및 분석하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
발전소, 제강소(steel mills), 펄프 또는 제지 공장과 같은 산업적 공장은 일반적으로 유체를 안내 또는 저장하기 위한 수단, 예를 들어, 파이프 라인 또는 유체 컨테이너를 포함한다. 유기 및 무기 물질이 이러한 유체 안내 또는 저장 수단의 내측 벽에 침착되고, 그에 의해서 포울링(fouling) 또는 스케일링(scaling) 침착물의 축적이 안내 수단을 통한 유동을 적어도 부분적으로 차단하게 된다는 것이 알려져 있다. 이러한 방식으로, 안내되거나 저장되는 유체는 오염될 수 있다. 이는, 장비의 막힘, 화학물질의 불충분한 이용, 증가된 설비 비용, 가동 중단으로 인한 생산 손실, 부식, 및 증가된 오물 합계(dirt count)로부터의 품질 저하된 제품과 같은 많은 동작 문제를 유발하는 원치않는 사건이다.
원칙적으로, 한편의 포울링 침착물과 다른 한편의 스케일링 침착물 사이의 구분이 가능하다. 포울링 침착물은 수성 시스템에서 생물막 형태로 종종 발생하는 유기 침착물이다. 이러한 생물막은 실질적으로 미생물, 예를 들어, 박테리아, 조류, 균류, 및 원생동물을 포함한다. 대조적으로, 확인된 무기 물질로부터 발생하는 스케일 침착물은, 예를 들어, 칼슘(탄산염, 옥살산, 황산염, 규산염), 알루미늄(규산염, 수산화물, 인산염), 황산 바륨, 방사성 라듐 황산염, 및 마그네슘의 규산염의 복합물을 포함한다.
산업 플랜트는 일반적으로, 예를 들어, 보일러, 열 교환기, 응축기, 혼합기 같은 복수의 기능적 유닛을 포함한다. 이러한 복수의 기능적 유닛은 연결 파이프 등을 통해서, 특히 직렬로 및/또는 병렬로 서로 연결된다.
산업 플랜트에서 포울링 또는 스케일링 침착물을 측정하기 위한 알려진 장치의 문제점은, 예를 들어, 기능적 유닛 내부의 제한된 설치 공간 또는 과다하게 높은 온도로 인해서, 기능적 유닛의 내부에 그와 같은 측정 장치를 설치하기가 어렵다는 것이다. 결과적으로, 특히 기능적 유닛이 예를 들어 보일러를 포함하는 경우에, 기능적 유닛 내부의 온도가 일반적으로 연결 파이프 내부 보다 더 높더라도, 상기 장치는 일반적으로 기능적 유닛들 사이의 연결 파이프에 또는 연결 파이프 내에 제공된다. 이는, 온도가 높을수록 포울링의 성장이 증가되고, 그에 따라 연결 파이프의 내부 보다 기능적 유닛의 내부에서 침착물이 보다 많이 축적되는 경우가 빈번하기 때문에, 측정 품질에 있어서 바람직하지 못하다. 결과적으로, 연결 튜브 내에서 측정된 결과는 왜곡되고 그리고 관련 영역 내의 침착물의 두께가 정확하게 결정될 수 없다.
포울링 침착물의 축적, 특히 생물막의 성장을 피하기 위해, 살생물제가 대응책으로서 관련된 유체 내로 첨가된다. 스케일링 침착물은 아크릴산, 메타크릴산, 말레산 및 아스파르트산의 단일중합체, 공중합체 및 삼원중합체를 기초로 하는 화학 침착물 제어제를 첨가함으로써 제거될 수 있다. 또한, 화학 침착물 제어제는 유기 포스포네이트 및 그 유도체뿐만 아니라 폴리포스페이트를 기초로 할 수 있다. 이러한 살생물제 및 화학 침착물 제어제의 투여(dosage)는 매우 주의 깊고 보수적으로 이루어져야 하는데, 이는 살생물제 및 화학 침착물 제어제가 매우 고가이고 건강 위험을 야기하기 때문이다.
그러므로, 본 발명의 목적은 경제적으로 그리고 생태학적으로 향상된 액체 수용 시스템(liquid bearing system)의 처리를 가능케 하기 위해 침착물을 검출하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 생태학적 및 경제적 이유로, 살생물제 및/또는 화학 침착물 제어제의 투여량을 최소로 감소시키는 것이 바람직하다.
본원 발명의 목적은, 반사 영역을 향해서 초음파 방출 신호를 방출하기 위한 초음파 변환기 및 상기 반사 영역의 초음파 방출 신호의 반사에 의해서 획득되는 초음파 반사 신호를 검출하기 위한 제1 검출 수단을 포함하는, 액체 수용 시스템 내부의 반사 영역의 침착물, 특히 포울링 및/또는 스케일링 침착물을 검출하기 위한 장치에 의해서 달성되고, 상기 반사 영역에는 제2 검출 수단이 배치되고, 제2 검출 수단은 특정 종류의 침착물을 검출하도록 구성된다.
본 발명에 따르면, 바람직하게는 다른 종류로부터 특정 종류의 침착물을 구별하는 것 및 제2 검출 수단에 의해 검출된 특정 유형의 침착물을 정량화하는 것이 가능하다. 특히, 특정 종류의 침착물은 스케일링 또는 포울링 침착물, 유기 또는 무기 침착물, 생물 또는 비생물 침착물, 살아 있는 또는 죽어 있는 침착물 중 하나일 수 있다. 침착물은 침착물이 송신(signaling) 및 자립 프로세스를 갖는 유기체를 포함할 때 "생존하는" 또는 "살아 있는" 것으로 고려된다. 그와 달리, 이러한 송신 및 자립 프로세스가 검출될 수 없는 경우, 이러한 기능이 중단된 경우, 및/또는 침착물의 구성요소가 이러한 기능이 부족한 경우, 침착물은 "죽어 있는" 또는 "비생명인(inanimate)" 것으로 고려된다. 제1 검출 수단은 반사 신호의 이동 방향에 평행 및 수직인 반사 영역에서의 침착물의 공간적인 범위, 침착물의 연성과 같은 물리적인 특성을 특징짓기 위해 반사 영역의 침착물의 분석을 가능케 한다. 이에 의해, 특히 바람직하게는 침착물을 정량화하는 것이 가능하다. 추가적으로, 제2 검출 수단은 특정 종류의 침착물의 검출을 가능케 하며, 이는 특정 종류의 침착물이 다른 특정 종류의 침착물로부터 구별되는 것을 의미한다. 특히, 이에 의해 침착물이 생존하거나-이는 침착물이 예를 들어 살아 있는 유기체를 포함하는 생물막일 수 있음을 의미함- 또는 죽어 있거나 비생명인지를 검출하는 것이 가능하며, 죽어 있거나 비생명인 경우는 죽어 있는 유기체, 비생명인 생물-재료 또는 다른 살아 있지 않은 유기 또는 무기 물질 중 적어도 하나를 말한다. 제1 검출 수단으로부터 취득된 물리적인 특성의 분석과 제2 검출 수단의 분석을 조합하는 것은, 특히 다른 종류의 침착물로부터의 특정 종류의 침착물의 구별 및/또는 그들의 생존과 관련하여, 특정 종류의 침착물의 특징짓기를 가능케 한다. 이러한 특징짓기는 예를 들어 특정 종류의 침착물의 식별 및 정량화를 포함한다. 이에 의해, 포울링 및/또는 스케일링 침착물은 적시에 그리고 신뢰할 수 있는 방식으로 검출될 수 있다. 특정 종류의 침착물 및 침착물의 물리적인 특성의 양자 모두를 검출하는 것의 조합된 효과는, 액체 수용 시스템에 있어서의 순도 표준에 대한 소정 요구가 충족되도록 액체 수용 시스템의 목표된 처리를 수행하는 것이 가능하다는 것이다. 특히, 액체 수용 시스템의 처리는 포울링 침착물의 축적, 특히 생물막의 성장이 효율적으로 회피되도록 특정 침착물을 목표로 할 수 있다. 추가적으로, 제2 검출 수단만을 갖는 장치에 비해 위에서 설명된 바와 같이 제1 검출 수단 및 제2 검출 수단의 양자 모두를 갖는 장치를 제공하는 것의 이점은 침착물이 죽어 있는 경우에도 침착물을 검출하는 것이 가능하다는 것이다. 따라서, 상기 침착물을 목표로 한 처리에 있어서, 경제적으로뿐만 아니라 생태학적으로 효과적인 방식으로 처리를 수행하는 것이 가능하다. 이에 의해, 환경의 보호가 향상될 수 있으며, 동시에 액체 수용 시스템의 처리 비용이 상당히 감소될 수 있다. 또한, 생태학적인 이유로, 본 발명에 따르면, 살생물제 및/또는 화학 침착물 제어제의 투여량을 최소로 감소시키는 것이 가능하다.
특히, 본원 발명의 의미에서 "침착물"이라는 표현은, 예를 들어, 회로, 파이프 또는 컨테이너와 같은, 액체 수용 시스템 내에서 발생하는 임의 종류의 유기 또는 무기 오염물질 및 침착물을 나타낸다. 이와 같은 침착물은 예를 들어 막("포울링"이라고도 함) 형태로 발생된다. 이들은 주로 수성 시스템에서 고체 상과의 계면에서 형성된다. 미생물로부터 형성된 막의 경우에, 이들 막은 미생물(예를 들어, 박테리아, 조류, 균류 및 원생동물)이 매립되어 있는 슬림한 층을 포함한다. 일반적으로, 이러한 막은, 미생물 이외에, 주로 물 및 물과 연계되어 히드로겔을 형성하고 다른 영양물 또는 물질을 포함하는 미생물에 의해 발상되는 세포 밖 중합 물질을 포함한다. 종종, 계면에 인접한 수성 매질 중에서 발견되는 결과적인 슬림한 매트릭스 중에 입자가 포함된다. 예를 들어, 종이 제조 플랜트에서 발생되는 막은, 그러한 막이 유기 매트릭스에 의해서 경계 지어지는 높은 비율의 섬유, 미세 물질, 및 무기 색소(pigment)를 포함한다는 사실에 의해 특징지어 진다. 이러한 막은, 전형적으로 미생물 공급원의 보호(protective) 엑소폴리싸카라이드(exopolysaccharide)("점액", EPS)를 수반하고 이러한 장비 표면과 프로세스 물 스트림의 계면에서 발생된다. 추가적으로, 무기 오염물, 예컨대 탄산칼슘("스케일") 및 유기 오염물이 종종 이러한 표면에 침착된다. 이러한 유기 오염물은 전형적으로 "피치"(예를 들어, 목재로부터의 수지) 및 "점착성 물질"(예를 들어, 아교, 접착제, 테이프 및 왁스 입자)로 알려져 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 제2 검출 수단은 전기화학 바이오센서, 광학 바이오센서, 전자 바이오센서, 압전성 바이오센서 또는 중량측정식 바이오센서, 또는 다른 바이오센서 중 적어도 하나이다. 바이오센서는 정형적으로 예를 들어 수신기와 같은 바이오-인식 구성요소를 갖는 생물학적 변환기 또는 바이오-변환기를 포함한다. 생물학적 변환기는 침착물의 살아 있는 세포와 같은 생물학적 구성요소와 상호작용한다. 이에 의해, 바람직하게는 예를 들어 침착물의 전기화학적 활동의 검출을 통해 침착물의 종류를 인식하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 침착물이 살아 있는 유기체를 포함하는지의 여부를 결정하는 것이 가능하다. 생물학적 변환기는 그 후 검출 신호, 예를 들어 침착물이 살아 있는 유기체를 포함하는지의 여부에 대한 정보를 포함하는 생존 검출 신호를 발생시킨다. 특히, 생존 검출 신호는 침착물과 생물학적 변환기의 수신기와의 사이의 상호작용에 따라 발생된다. 검출 신호는 그 후 추가로 바이오센서의 전자 시스템에 의해 처리된다. 따라서, 바람직하게는 반사 영역의 침착물의 커버링(covering) 수준을 결정하는 것 및/또는 반사 영역의 침착물의 생존을 결정하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 제2 검출 수단은 침착물에 대한 생존-정보를 포함하는 생존 검출 신호를 발생시키도록 구성된다. 이에 의해, 바람직하게는 반사 영역의 침착물의 커버링 수준을 결정하는 것 및/또는 반사 영역의 침착물의 생존을 결정하는 것이 가능하고, 이에 의해 동시에 침착물의 물리적인 특성이 제1 검출 수단에 의해 분석될 수 있다. 따라서, 바람직하게는 다른 종류의 침착물로부터 특정 종류의 침착물을 구별하는 것이 가능하다. 예를 들어, 침착물이 살아 있는 침착물, 예를 들어 액체 수용 시스템의 생물막인지를 결정하는 것이 가능하다. 생존 정보는 특정 종류의 침착물, 특히 생물막이 살아 있는 유기체를 포함하는지의 여부에 대한 정보를 포함한다. 조합된 정보-생물막의 물리적인 특성 및 생물막이 살아 있는 유기체를 포함하는지의 여부-는 액체 수용 시스템의 목표된 처리를 가능케 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 장치는, 생존 검출 신호에 따라, 반사 영역의 침착물의 커버링 수준 및/또는 반사 영역의 침착물의 생존을 결정하도록 구성되는 분석 유닛을 포함한다. 이에 의해, 바람직하게는 상이한 동작 모드에서 장치를 동작시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 분석 유닛은 임계 모드에서 주어진 생물막 커버링 수준의 도달을 나타낼 수 있고, 반사 영역의 전체적인 박테리아 커버링의 전개가 측정 모드에서 감시될 수 있다. 이에 의해, 바람직하게는 생존 검출 신호에 따라 액체 수용 시스템의 적시 클리닝 처리를 가능케 하도록 액체 수용 시스템에서 실시간으로 생물막을 감시하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 바이오센서는 침착물의 측정된 전기화학적 활동에 따라 생존 검출 신호를 발생시키도록 구성되는 전기화학 바이오센서이다. 이에 의해, 바람직하게는 생물막과 같은 특정 종류의 침착물의 신뢰할 수 있는 검출을 제공하는 것이 가능하다. 특히, 이에 의해 바람직하게는 생물막이 살아 있는지, 즉 살아 있는 유기체를 포함하는지의 여부를 결정하는 것이 가능하다. 이러한 방식으로, 특정 종류의 침착물, 특히 침착물의 생존을 높은 감도로 검출하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 분석 유닛은 침착물이 반사 영역에 위치되는지의 여부를 결정하기 위해 그리고/또는 반사 영역의 침착물의 층의 두께 및/또는 유형을 결정하기 위해 반사 신호를 분석하도록 구성된다. 이에 의해, 바람직하게는 침착물의 물리적인 특성, 예를 들어 침착물이 비교적 연질의 또는 경질의 물질을 포함하는지의 여부를 측정하는 것이 가능하며, 연성은 전형적으로 탄성계수에 의해 정량화된다. 반사 영역의 침착물의 물리적인 특성은 반사 영역의 시간-영역 반사 신호를 평가하는 것에 의해 결정된다. 또한, 반사 영역의 침착물 커버링을 측정하는 것이 가능하다. 측정된 거리는 반사 영역에 임의의 침착물이 없는 상태에서 초기 캘리브레이션(calibration) 측정 단계에서 측정된 기준 거리와 비교된다. 대안적으로, 이러한 목적을 위해 기준 측정 유닛이 채용될 수 있다. 측정된 거리와 기준 거리와의 사이의 차이는 침착의 두께에 대한 척도이다. 제2 검출 수단만을 갖는 장치와 비교하여 위에서 설명된 바와 같이 장치에 제2 검출 수단 이외에 제1 검출 수단을 제공하는 것의 추가적인 이점은 침착물이 죽어 있는 경우에 침착물을 검출하는 것이 가능하다는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 장치는 제1 검출 수단 및 초음파 변환기를 포함하는 제1 측정 유닛을 갖고, 장치는 반사 영역에 배치되는 제2 검출 수단을 포함하는 제2 측정 유닛을 가지며, 제1 측정 유닛 및 제2 측정 유닛은 제1 측정 유닛 및 제2 측정 유닛이 액체 수용 시스템의 반대측에 위치되도록 액체 수용 시스템에 탈착가능하게 연결된다. 이에 의해, 바람직하게는 액체 수용 시스템의 매우 다양한 구성요소에서 유연하게 채용될 수 있는 스케일링 및/또는 포울링 침착물의 검출을 위한 장치를 제공하는 것이 가능하며, 동작 비용은 상당히 감소될 수 있다. 또한, 탈착가능한 연결은 예를 들어 액체 수용 시스템 또는 검출 구성요소의 유지보수 동안 용이한 교환을 가능케 한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 장치는 추가적인 추가적인 초음파 변환기 및 제1 검출 수단을 포함하는 제1 기준 측정 유닛을 갖고, 장치는 추가적인 반사 영역 및 추가적인 반사 영역에 배치되는 추가적인 제2 검출 수단을 포함하는 제2 기준 측정 유닛을 가지며, 분석 유닛은 제1 및/또는 제2 기준 측정 유닛에 의해 제공되는 기준 정보에 따라 반사 영역의 침착물의 특성을 결정하도록 구성된다. 이에 의해, 바람직하게는 반사 영역에 임의의 침착물이 없는 상태에서 제1 및/또는 제2 기준 측정 유닛을 사용하여 캘리브레이션 측정 단계에서 측정되는 기준 거리에 대해 거리를 비교함으로써 거리를 측정하는 것이 가능하다. 초음파 변환기와 반사 영역과의 사이의 실제 거리는 예를 들어 유체 용기 내의 온도 또는 압력에 따라 변한다. 그러므로, 측정시의 초음파 변환기와 반사 영역과의 사이의 현재 거리는 동시 측정된 기준 거리에 의해서 정확하게 규정될 수 있다. 결과적으로, 침착물의 두께 측정은 압력 및 온도 같은 동작 조건에 따른 미지의 오프셋을 포함하지 않는다. 이러한 방식으로, 침착물의 물리적인 특성이 비교적 높은 감도로 결정될 수 있다.
본원 발명의 다른 주제는, 초음파 변환기에 의해 반사 영역을 향해 초음파 방출 신호를 방출시키는 제1 단계, 제1 검출 수단에 의해 반사 영역에서 초음파 방출 신호의 반사에 의해 획득되는 초음파 반사 신호를 검출하는 제2 단계, 및 반사 영역에 배치되는 제2 검출 수단에 의해 특정 종류의 침착물을 검출하는 제3 단계를 포함하는, 액체 수용 시스템 내부의 반사 영역의 포울링 및/또는 스케일링 침착물을 검출하는 방법이다.
본 발명에 따르면, 이에 의해 바람직하게는 제1 검출 수단으로부터 획득된 물리적인 특성의 분석을 제2 검출 수단의 분석과 조합하는 것이 가능하다. 특히, 다른 종류의 침착물로부터의 특정 종류의 침착물의 구별이 이루어질 수 있으며, 이는 침착물의 생존을 포함할 수 있다. 침착물의 생존이라는 표현은 침착물이 박테리아와 같은 살아 있는 유기체를 포함하는지의 여부에 대한 정보를 포함한다. 따라서, 예를 들어 특정 종류의 침착물의 식별 및 정량화를 포함하여 특정 종류의 침착물을 특징짓는 것이 가능하다. 추가로, 포울링 및/또는 스케일링 침착물은 적시에 그리고 신뢰할 수 있는 방식으로 검출될 수 있다. 특정 종류의 침착물 및 침착물의 물리적인 특성의 양자 모두를 검출하는 것의 조합된 효과는 액체 수용 시스템에 있어서의 순도 표준에 대한 소정 요건이 충족되도록 액체 수용 시스템의 목표된 처리를 수행하는 것이 가능하다는 것이다. 추가적으로, 특정 종류의 침착물만이 검출되는 방법과 비교하여 위에서 설명된 바와 같이 침착물의 물리적인 특성의 검출 및 특정 종류의 침착물의 검출 또는 식별의 양자 모두의 단계를 수행하는 이점은 침착물이 죽어 있는 경우에도 침착물을 검출하는 것이 가능하다는 것이다. 본 발명에 따른 방법은 스케일링 및/또는 포울링 침착물, 특히 액체 수용 시스템의 유체 파이프에 포함되는 침착물의 검출을 위한 적어도 2개의 상이한 측정 방법의 조합을 가능케 한다. 이는 유체 파이프의 클리닝 처리의 최적화를 가능케 한다. 제2 단계에 따르면, 침착물의 층의 두께로부터 결정된 양과 같은 물리적인 특성이 측정될 수 있고, 제3 단계에서는 제2 단계에서 규명된 특정 종류의 침착물이 다른 종류의 침착물로부터 구별될 수 있다. 특히, 제2 및 제3 단계는 동시에 수행될 수 있다. 이에 의해, 특히 바람직하게는 침착물이 살아 있는지, 즉 살아 있는 유기체를 포함하는지의 여부가 결정된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제3 단계에서 침착물의 생존은 전기화학 바이오센서, 광학 바이오센서, 전자 바이오센서, 압전성 바이오센서, 중량측정식 바이오센서 또는 다른 바이오센서 중 적어도 하나에 의해 검출된다. 이에 의해, 바람직하게는 침착물의 생물학적 특징, 특히 예를 들어 침착물이 살아 있거나 죽어 있는지의 여부를 검출하는 것이 가능하다. 특히, 침착물이 살아 있는 유기체를 포함하는지의 여부 및/또는 어떤 유형의 살아 있는 유기체가 침착물에 포함되어 있는지를 결정하는 것이 가능하다. 이러한 정보는 액체 수용 시스템의 목표 특정 클리닝 처리를 수행하기 위해 채용될 수 있고, 이에 의해 클리닝 처리 동안 사용되는 살생물제 및/또는 화학물질의 투여량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 제3 단계의 생존 검출은, 침착물이 바이오센서의 생물학적 변환기에 의해 인식되는 제1 검출 단계, 생존 검출 신호가 침착물과 생물학적 변환기의 수신기와의 사이의 상호작용에 따라 발생되는 제2 검출 단계, 생존 검출 신호가 반사 영역의 침착물의 커버링 수준을 결정하기 위해 그리고/또는 반사 영역의 침착물의 생존을 결정하기 위해 분석 유닛에 의해 처리되는 제3 검출 단계를 포함한다. 이에 의해, 바람직하게는 침착물이 살아 있는 유기체를 포함하는지의 여부 및/또는 어떤 유형의 살아 있는 유기체가 침착물에 포함되는지를 결정하는 것이 가능하다. 이러한 정보는 액체 수용 시스템의 목표 특정 클리닝 처리를 수행하기 위해 채용될 수 있고, 이에 의해 클리닝 처리 동안 사용되는 살생물제 및/또는 화학물질의 투여량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 제2 검출 수단은 전기화학 바이오센서이며, 제3 단계에서 침착물의 전기화학적 활동이 바이오센서에 의해 측정되고 생존 검출 신호가 침착물의 측정된 전기화학적 활동에 따라 발생된다. 이에 의해, 바람직하게는, 반사 영역의 침착물의 커버링 수준을 결정하는 것 및/또는 반사 영역의 침착물의 생존을 결정하는 것이 가능하며, 이에 의해 침착물의 물리적인 특성이 동시에 분석된다. 따라서, 바람직하게는 다른 종류의 침착물로부터 특정 종류의 침착물을 구별하는 것이 가능하다. 예를 들어, 액체 수용 시스템에서 침착물이 살아 있는 침착물, 예를 들어 생물막인지를 결정하는 것이 가능하다. 생존 정보는 특정 종류의 침착물, 특히 생물막이 살아 있는 유기체를 포함하는지의 여부에 대한 정보를 포함한다. 조합된 정보-생물막의 물리적인 특성 및 생물막이 살아 있는 유기체를 포함하는지의 여부-는 액체 수용 시스템의 목표 특정 클리닝 처리를 가능케 한다. 이에 의해, 클리닝 처리 동안 사용되는 살생물제 및/또는 화학물질의 투여량이 효과적으로 감소될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 제2 단계에서, 반사 신호는 침착물이 반사 영역에 위치되는지의 여부를 결정하기 위해 그리고/또는 반사 영역의 침착물의 층의 유형 및/또는 두께를 결정하기 위해 분석 유닛에 의해 분석된다. 이에 의해, 바람직하게는 침착물의 물리적인 특성을 측정하는 것이 가능하다. 예를 들어, 이러한 측정에 의해 침착물이 비교적 연질의 또는 경질의 물질을 포함하는지의 여부를 결정하는 것이 가능하다. 연성 또는 경도는 전형적으로 탄성계수에 의해 정량화될 수 있다. 반사 영역의 침착물의 물리적인 특성은 반사 영역의 시간-영역 반사 신호를 평가하는 것에 의해 결정된다. 침착물의 물리적인 특성은 초음파 신호의 지속 시간, 반사 신호의 강도 및/또는 방출 신호의 주파수에 비교되는 반사 신호의 주파수에 따라 결정된다. 제2 검출 수단만을 갖는 장치에 비교하여 위에서 설명된 바와 같이 제2 검출 수단장치 이외에 제1 검출 수단을 제공하는 것의 추가적인 이점은 침착물이 죽어 있는 경우에도 침착물을 검출하는 것이 가능하다는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 제4 단계에서, 액체 수용 시스템의 액체는 검출된 침착물의 생존에 따라, 반사 영역의 침착물의 층의 유형 및/또는 두께에 따라, 그리고/또는 침착물이 반사 영역에 위치되는지의 여부에 따라 처리된다. 이에 의해, 바람직하게는 경제적으로뿐만 아니라 생태학적으로 효과적인 방식으로 침착물을 목표로 한 액체 수용 시스템의 처리를 수행하는 것이 가능하다. 이에 의해, 환경의 보호가 향상될 수 있고, 동시에 액체 수용 시스템의 처리 비용이 상당히 감소될 수 있다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특성, 특징 및 장점이 첨부 도면과 연계된 이하의 상세한 설명으로부터 자명해질 것이고, 상기 도면은 예로서 본원 발명의 원리를 도시한다. 그러한 설명은 단지 예로서 주어진 것이고, 본원 발명의 범위를 제한하지 않는다. 하기 인용된 참고 도면은 첨부된 도면을 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 스케일링 및/또는 포울링 침착물을 검출하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 장치의 제2 검출 수단의 몇 개의 실시형태를 개략적으로 도시한다.
본 발명은 특정 실시예들과 관련하여 그리고 소정의 도면들을 참조하여 설명되지만, 본 발명은 그에 한정되는 것이 아니라 청구항들에 의해서만 한정된다. 설명된 도면들은 단지 개요이고 제한적인 것이 아니다. 도면들에서, 요소들 중 일부의 크기는 예시의 목적을 위해 과장될 수 있고 축척대로 도시되지 않을 수 있다.
단수형 명사를 언급할 때 정관사 또는 부정관사(예를 들어 "a", "an", "the")가 이용되는 곳에서, 특별히 다른 설명이 진술되지 않는 한 이는 복수의 명사를 포함한다.
또한, 설명에서 및 청구항들에서 용어 제1, 제2, 제3 등은 유사한 요소들을 구별하기 위해 사용되고 반드시 순차적인 또는 연대순의 순서를 묘사하기 위해 사용되는 것은 아니다. 이렇게 사용된 용어는 적절한 상황 하에서는 교환가능하고, 본원에 설명된 본 발명의 실시형태는 본원에 예시된 것의 설명과 다른 순서로 동작할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1에, 본 발명에 따른 스케일링 및/또는 포울링 침착물(31)을 검출하기 위한 장치(1)가 개략적으로 도시되어 있다. 장치(1)는 바람직하게는 특히 액체 수용 시스템의 유체 파이프(30)에서, 특히 발전소, 제강소, 펄프 또는 종이 제조 플랜트 같은 산업 플랜트의 냉각 회로에서 침착물(31)의 검출을 가능케 한다. 액체는 액체 수용 시스템의 유동 파이프(30) 내에서 유동 방향(100)을 따라 유동할 수 있다. 침착물(31)의 검출은, 유기, 무기, 생물, 비생물, 살아 있는 또는 죽어 있는 침착물(31)과 같은 특정 종류의 침착물(31)의 검출과 침착물(31)의 밀도, 연성-탄성계수의 의미에서-과 같은 침착물(31)의 물리적인 특성의 측정을 포함할 수 있다. 따라서, 장치(1)는, 다른 침착물(31)-예를 들어, 무기 침착물(31)-로부터의 특정 종류의 침착물(31)-예를 들어, 살아 있는 박테리아 또는 다른 유기체를 포함하는 생물막-의 구별을 가능케 하며, 또한 동시에 특정 종류의 침착물(31)의 물리적인 특성의 구별을 가능케 한다.
장치(1)는 유체 파이프(30) 내부의 반사 영역(20)의 스케일링 및/또는 포울링 침착물(31)을 검출하기 위해 액체 수용 시스템의 유체 파이프(30)에 탈착가능하게 연결될 수 있다. 장치(1)는 반사 영역(20)을 향해 초음파 방출 신호(12)를 방출하기 위한 초음파 변환기(10) 및 반사 영역(20)의 초음파 방출 신호(12)의 반사에 의해 획득된 초음파 반사 신호(13)를 검출하기 위한 제1 검출 수단(10)을 포함한다. 초음파 변환기(10) 및 제1 검출 수단(10)은 하나의 유닛(10)으로 통합되거나 대안적으로는 별도의 유닛으로 구성될 수 있으며, 하나의 유닛은 초음파 방출 신호(12)를 방출하도록 구성되고 다른 유닛은 초음파 반사 신호(13)를 검출하도록 구성된다. 또한, 장치(1)는 특정 종류의 침착물(31)을 검출하기 위한 제2 검출 수단(21)을 포함하며, 제2 검출 수단(21)은 반사 영역(20)에 배치된다. 반사 영역(20)에 제2 검출 수단(21)을 배치함으로써, 바람직하게는, 침착물(31)의 물리적인 특성을 결정하기 위해 제2 반사 신호(13)를 검출함으로써 제1 검출 수단(10)에 의해 규명되어 되는 동일한 침착물(31)을 특히 동시에 검출하는 것이 가능하다. 제2 검출 수단(21)은 특히 다른 종류의 침착물(31)로부터의 특정 종류의 침착물(31)의 구별을 가능하게 하는 정보를 포함하는 검출 신호를 발생시키도록 구성된다. 예를 들어, 제2 검출 수단(21)은 바이오센서(21), 특히 전기화학 바이오센서, 광학 바이오센서, 전자 바이오센서, 압전성 바이오센서, 중력측정식 바이오센서 및/또는 다른 바이오센서를 포함할 수 있다. 특히, 제2 검출 수단(21) 또는 바이오센서(21)는 침착물에 대한 생존 정보를 포함하는 생존 검출 신호를 발생시키도록 구성된다. 추가적으로, 장치는, 생존 검출 신호에 따라, 반사 영역의 침착물의 커버링 수준 및/또는 반사 영역의 침착물의 생존을 결정하도록 구성되는 분석 유닛(11)을 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면 제2 검출 수단(21)은 침착물(31)의 측정된 전기화학 활동에 따라 생존 검출 신호를 발생시키도록 구성되는 전기화학 바이오센서(21)를 포함하는 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 제2 검출 수단(21) 및 특히 추가적인 제2 검출 수단(21')은 침착물(31), 특히 생물막(31)이 살아 있거나 죽어 있는지의 여부를 검출하도록 구성된다. 예를 들어, 제2 검출 수단(21)은 생물학적 변환기의 수신기와 침착물(31), 특히 생물막 또는 포울링 침착물과의 사이의 상호작용에 따라 제2 검출 신호를 발생시키는 생물학적 변환기를 갖는 바이오센서를 포함한다. 초음파 방출 신호(12) 및 반사 신호(13)는 대안적으로는 액체 수용 시스템의 액체의 속도를 결정하기 위해 분석될 수 있다. 침착물의 밀도와 같은 물리적인 특성의 검출은 반사 영역(20)으로부터 반사되는 반사 신호(13)의 분석에 기초한다. 특히, 반사 영역(20)의 침착물(31)은 방출 신호(12)에 비해 반사 신호(13), 특히 반사 신호(13)의 지속-시간, 강도 및/또는 주파수를 변화시킬 수 있다. 이에 의해, 바람직하게는 침착물(31)의 종류, 즉 침착물(31)이 유기 또는 무기, 생물 또는 비생물뿐만 아니라 살아 있거나 죽어 있는 침착물(31)을 포함하는지의 여부를 인식하는 것이 가능하다. 이는 다른 종류의 침착물(31)로부터의 특정 종류의 침착물(31)의 구별 및 동시에 특정 종류의 침착물(31)의 양의 결정을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 장치(1)는 추가적인 초음파 변환기(10') 및 추가적인 제1 검출 수단(10')을 포함하는 제1 기준 측정 유닛, 및 특히 추가적인 분석 유닛(11')을 갖고, 장치(1)는 추가적인 반사 영역(20') 및 추가적인 반사 영역(20')에 배치되는 추가적인 제2 검출 수단(21')을 포함하는 제2 기준 측정 유닛을 가지며, 분석 유닛(11)제1 및/또는 제2 기준 측정 유닛에 의해 제공되는 기준 정보에 따라 반사 영역(20)의 침착물(31)의 특성을 결정하도록 구성된다. 추가적인 초음파 변환기(10')는 추가적인 반사 영역(20')을 향해 추가적인 초음파 방출 신호(12')를 방출하도록 구성된다. 추가적인 제1 검출 수단(10')은 추가적인 반사 영역(20')의 추가적인 초음파 방출 신호(12')의 반사에 의해 획득되는 추가적인 초음파 반사 신호(13')를 검출하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 바람직하게는 반사 영역(20)과 초음파 변환기(10)와의 사이의 거리를 추가적인 초음파 변환기(10')와 추가적인 반사 영역(20')과의 사이의 기준 거리와 비교함으로써 반사 영역(20)과 초음파 변환기(10)와의 사이의 거리를 측정하는 것이 가능하다. 추가적인 반사 영역(20')은 이에 의해 예를 들어 추가적인 초음파 변환기(10')에 의해 방출되는 추가적인 방출 신호(12')에 의해 추가적인 반사 영역(20')을 클리닝함으로써 임의의 침착물(31)로부터 깨끗하게 유지될 수 있다. 초음파 변환기(10)와 반사 영역(20)과의 사이의 실제 거리는 예를 들어 유체 파이프(30) 내부의 온도 또는 압력에 따라 변한다. 그러므로, 측정시의 초음파 변환기(10)와 반사 영역(20)과의 사이의 거리는 위에서 설명된 동시 측정 기준 거리에 의해 정확하게 결정될 수 있다. 결과적으로, 침착물(31)의 두께의 측정은 압력 및 온도 같은 동작 조건에 따른 미지의 오프셋을 포함하지 않고, 따라서 침착물(31)의 물리적인 특성이 비교적 높은 감도로 결정될 수 있다.
도 2 내지 도 4에는, 본 발명에 따른 장치(1)의 제2 검출 수단의 몇 개의 실시형태가 개략적으로 도시되어 있다. 바람직하게는, 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된 실시형태의 설명은 또한 추가적인 제2 검출 수단(21')에 적용된다. 여기서, 제2 검출 수단(21)은 화학 영상화 센서(21)이며, 이는 본원에서는 마이크로피지오미터(microphysiometer)(21) 또는 광-지시형 전위차 센서(light-addressable potentiometric sensor:LAPS)라 칭하기도 한다. 바람직하게는, 분석 유닛(11) 및/또는 제2 검출 수단(21)을 포함하는 반도체-기반 화학 영상화 시스템(11, 21)이 제2 검출 수단(21)의 감지 표면(203)과 접촉하고 있는 화학 종(31) 또는 침착물(31)의 2차원 분포의 가시화를 위한 검출 신호를 생성하도록 구성된다. 바람직하게는, 화학 영상화 시스템(11, 21)은 칩-카드, 바람직하게는 웨이퍼에 통합된다.
도 2에서, 제2 검출 수단(21)은 반도체 기판(201), 특히 실리콘에 배치되는 절연 수단(202) 및 반도체 기판(201)을 포함하는 전해질-절연체-반도체(electrolyte-insulator-semiconductor:EIS) 구조물을 갖는다. 바람직하게는, 직류(dc) 전압이 접촉 전극(204')을 통해 전압 발생 수단(214)에 의해 반도체 기판(201)에 인가되고, 따라서 공핍층(depletion layer)(도시되지 않음)이 기판(201)에서 유발된다. 특히, 공핍층은 용액(200), 바람직하게는 전해질 용액(200)의 pH 값에 따라 변하는 감지 표면(203)에서의 표면 전위에 의존한다는 것을 발견하였다. pH 값은 전해질 용액의 수소 농도 또는 이온 농도에 대한 척도이다. 특히, 용액은 감지 표면(203)과 접촉하는, 본원에서는 분석물(analyte)(31) 또는 침착물(31)이라고도 칭하는 화학 종을 포함한다. 바람직하게는, 제2 검출 수단(21)은 용액(200)과 접촉하는 기준 전극(204) 및 반도체 기판(201)과 접촉하는 접촉 전극(204')을 포함한다. 본원에서, 공핍층의 커패시턴스가 광전류(204'')(도 3 참조), 특히 교류(ac)의 형태로 판독된다. 본원에서, 광전류(204'')는 광 포인터(209), 바람직하게는 레이저(209)의 조절된 광 빔(210)으로 반도체 기판(201)을 조명함으로써 기판(201)에서 유발된다. 본원에서, 조절된 광 빔(210)은 레이저 빔(210)이다. 이러한 방식으로, 표면 전위 및 그에 따른 용액의 pH 값 또는 이온 농도는 기준 전극(204)에 의해 측정되는 제1 전위와 접촉 전극(204')에 의해 측정되는 제2 전위와의 사이의 차이를 측정함으로써 결정된다. 바람직하게는, 측정된 광전류(204'')는 증폭 수단(205)에 의해 증폭되고 아날로그-대-디지털 전환 수단(206)을 통해 연산 수단(207)으로 보내진다.
바람직하게는, 집속 레이저 빔(210)이 광학 수단(211)에 의해 발생되며, 광학 수단(211)은 감지 표면(203) 또는 감지 영역(203)을 스캔하도록 구성된다. 바람직하게는, 레이저 광 공급원(209)은 광학 수단(211), 특히 집속 광학계와 함께 센서 스테이지 아래에 설치된다. 본원에서, 광학 수단(211)은 감지 표면(203)의 각각의 광 포인트(209'')에 레이저 빔(210)을 위치설정시키도록 구성된다. 본원에서, 광 포인터(209)에 의해 조명되는 광 포인트(209'')는 또한 측정 스폿(209'')(도 4 참조)이라고도 칭한다. 바람직하게는, 감지 표면(203) 상의 레이저 빔(210)의 위치는 연산 수단(208)으로부터 수신되는 신호 및/또는 광학 수단(211)으로부터의 피드백 신호에 따라 광학 수단(211)을 작동시키는 제어 수단(208)에 의해 제어된다.
바람직하게는, 연산 수단(207)은, 전압 발생 수단(214)에 의해 발생되는 dc 전압을 제어하기 위한, 특히 디지털-대-아날로그 전환 수단(212)을 통해 전환되는, 전압 제어 신호(213)를 발생시킨다. 바람직하게는, 인가된 dc 전압 및 레이저 빔(210)의 위치는 양자 모두 연산 수단(207)에 의해 제어되며, 연산 수단(207)은 동기화된 방식으로 광전류(204'')의 측정을 실행하도록 구성된다. 특히, 광전류(204'')는 각각의 측정 스폿(209'')에서 별도로 측정되고, 바람직하게는 감지 표면(203)의 화학 종(31)의 2차원 분포의 맵이 각각의 측정 스폿(209'')에서의 개별 측정에 따라 발생된다. 감지 시스템(21, 11)의 공간 분해능은 반도체(203)의 소수 캐리어의 확산 거리 및 감지 플레이트(202, 202')의 두께와 같은 몇 개의 파라미터에 의존한다. 바람직하게는, 제2 검출 수단(21)은 1 내지 10 마이크로미터, 바람직하게는 3 내지 7 마이크로미터, 훨씬 더 바람직하게는 5 마이크로미터의 폭을 갖는 라인 패턴을 분해하도록 구성된다. 바람직하게는, 측정 속도는 1초당 100픽셀이다.
바람직하게는, 감지 표면(203)에는 폴리머가 포함되고 그리고/또는 마이크로-구조 재료가 제공된다. 바람직하게는, 마이크로-구조 재료는 다공성 실리콘을 포함하고, 10 마이크로미터 미만, 바람직하게는 5 마이크로미터 미만, 훨씬 더 바람직하게는 대략 1 마이크로미터의 평균 직경을 갖는 매크로-세공(macro-pore)이 형성된다. 이에 의해, 바람직하게는 감지 표면(203)에 대한 생물 세포(31)의 부착을 향상시키고 그리고/또는 용액(200)의 표면 전위, pH 값 및/또는 이온 농도 및/또는 배지(200)의 pH 값의 변화의 연속적인 측정을 할 수 있게 하는 것이 가능하다. 이에 의해 또한 바람직하게는 감지 표면(203)에 배치된 생물 시스템(31)의 생화학 활동을 가시화 및/또는 정량화하는 것이 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 장치(1)의 제2 검출 수단(21)의 실시형태를 도시한다. 본원에서, 제2 검출 수단(21)은 LAPS(21), 바람직하게는 필드-효과 기반 센서(21), 특히 이온-선택 필드-효과 변환기(ion-selective field-effect transistor:ISFET) 또는 전해질-절연체 반도체 센서이다. 본원에서, 제2 검출 수단(21)은 기판 층(201), 바람직하게는 실리콘 웨이퍼, 특히 p-도프(p-doped)의 실리콘 기판(201), 절연 수단(202), 바람직하게는 실리콘 산화물을 포함하는 절연 층(202), 및 변환 수단(202'), 바람직하게는 Ta205을 포함하는 변환기 층(202')을 포함하는 층 구조를 갖는다. 본원에서, 접촉 전극(204'), 바람직하게는 옴 접촉부(204'), 바람직하게는 Al은, 감지 표면(203)의 주 연장 평면에 수직인 방향을 따라 감지 표면(203) 반대의 후방측에 배치된다. 바람직하게는, 접촉 전극(204')은 링 형상이다. 본원에서, 접촉 전극(204')은 제2 검출 수단(21)의 층 구조에 전기적인 연결을 제공한다. 바람직하게는, 접촉 전극(204')은 기준 전극(204), 바람직하게는 Ag/AgCl 액체 접합 전극에 전기적으로 연결된다. 바람직하게는, 기준 전극(204) 및 제2 전극(204')은 반도체 기반 화학 영상화 시스템의 인터페이스 전자 시스템(11) 또는 분석 유닛(11)에 연결되며, 인터페이스 전자 시스템(11)은 제2 검출 수단(21)을 동작시키기 위한 그리고/또는 제2 검출 수단(21)으로부터의 센서 신호(204''), 바람직하게는 광전류(204'')를 판독하기 위한 신호를 제공하도록 구성된다.
바람직하게는, 제2 검출 수단(21)의 변환 수단(202')은, 감지 표면(203)에 배치되는 고정 수단(202''')(도 4 참조)에 의해 고정되며 그리고/또는 감지 표면(203)과 접촉하는 용액에서 감지 표면(203)의 침착물(31) 또는 분석물(31)과 전기화학적 상호작용을 하도록 구성된다. 특히, 표면 전위가 변환 수단(202')과 분석물(31)과의 사이의 전기화학적 상호작용으로 인해 생성된다. 표면 전위는 용액(200) 안의 그리고/또는 감지 표면(203) 상의 분석물(31)의 농도에 의존한다는 것을 발견하였다. 바람직하게는, 광전류(204'')는 감지 표면(203)의 광 포인트(209'') 또는 측정 스폿(209'')에 따라 측정된다. 이에 의해, 바람직하게는 감지 표면(203)의 침착물의 공간 분해능을 얻는 것이 가능하다. 본원에서, 제2 검출 수단(21)은 광 포인터(209)로서 광 포인터 어레이(209'), 바람직하게는 적외선(IR) 광 방출 다이오드(LED) 어레이(209')를 포함한다. 특히, IR-LED 어레이(209')는 감지 표면(203)의 상이한 센서 영역 또는 측정 스폿(209'')을 향하도록 구성된다. 바람직하게는, 4×4 IR-LED 어레이(209')가 사용되어 감지 표면(203)에 16개의 측정 스폿(209'')을 생성한다.
제1 동작 모드에 따라, IR-LED는 고정된 타이밍 순서로 모든 16개의 측정 스폿의 측정을 허용하는 배치 모드 방식으로 하나씩 조명된다. 이에 의해, 바람직하게는, 소프트웨어 및 하드웨어 요구와 관련하여 더 간단한 실행을 제공하는 것이 가능하다. 제2 동작 모드에 따르면, 몇 개의 측정 스폿이 병렬로 판독된다. 바람직하게는, IR-LED 어레이(209')의 각각의 IR-LED는 하나의 측정 스폿(209'')과 연관되고, 각각의 IR-LED는 조절된 광을 방출하며, 각각의 IR-LED는 조절된 광의 고유 조절 주파수와 연관된다. 바람직하게는, 광전류(204'')는 IR-LED와 연관되는 상이한 주파수를 갖는 개별 광전류에 따라 발생된다. 광전류(204'')의 기록에 의해, 모든 측정 스폿(209'')의 정보가 바람직하게는 동시에 가용하다. 바람직하게는, 빠른 푸리에 변환 알고리즘(fast Fourier Transform algorithm)이 광전류(204'')의 각각의 개별 광전류로의 분리를 위해 사용된다. 이에 의해, 바람직하게는 제2 검출 수단(21)의 간단한 실행을 장치(1)에 제공하는 것이 가능하다.
바람직하게는, 제2 검출 수단(21)은 칩-카드에 배치되는 광-지시형 전위차 센서(LAPS) 또는 마이크로피지오미터(21)이며, 광-포인터 어레이(209')는 바람직하게는 칩-카드와 통합된다. 이에 의해, 바람직하게는 측정될 침착물(31)에 따른 장치(1)의 제2 검출 수단(21)의 용이한 교환 및 상이한 센서 칩의 용이한 핸들링을 허용하는 것이 가능하다. 이에 의해, 바람직하게는 장치에 제2 검출 수단을 제공하는 것이 가능하며, 단일 칩-카드 유닛으로의 제2 검출 수단(21)의 전자적 및 기계적 설치의 통합은 휴대성 및 낮은 요구 공간의 이점을 갖는 콤팩트한 설계를 가져온다.
도 4에는, 광 포인터 어레이(209'), 바람직하게는 IR-LED 어레이(209')에 의해 감지 표면(203)에 발생되는 4개의 측정 스폿(209'')이 도시되어 있다. 본원에서, 포토레지스트 층(202'')이 감지 표면(203)의 변환 수단(202')과 연결된다. 바람직하게는, 포토레지스트 층(202'')은 폴리머, 바람직하게는 SU-8을 포함하는 에폭시계 음성(negative) 포토레지스트를 포함한다. 바람직하게는, 포토레지스트 층(202'')에 우물(203')이 생성되며, 우물(203')은 바람직하게는 대략 6×13 mm2의 크기를 갖는다. 바람직하게는, 우물(203')은 고정 수단(202'''), 바람직하게는 겔(202'''), 특히 폴리아크릴아미드 겔로 충전된다. 본원에서, 우물(203')의 제1 우물은 고정 수단(202''')만을 포함하고, 우물(203')의 제2 우물은 고정 수단(202''') 및 분석물(31) 또는 침착물(31)을 포함한다. 이에 의해, 바람직하게는 제2 검출 수단(21)의 온-칩 차별 설치를 제공하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 우물(203')의 제1 우물은 기준 측정을 위한 추가적인 검출 수단(21')으로서의 역할을 한다. 이에 의해, 바람직하게는 측정에 대한 외부 영향 예를 들어 센서 드리프트, 온도 및/또는 외부 pH 변화를 감소시키는 것이 가능하다. 외부 영향은 우물(203') 내의 감지 표면(203)의 양 영역 모두에 영향을 주며 차별적인 측정에 의해 보상될 수 있다는 것을 발견하였다. 바람직하게는, 고정 수단(202''')은 효소, 세포, 박테리아 및/또는 생물-기능 폴리머를 포함한다. 예를 들어, 고정 수단은 높은 셀 양을 갖는 균일한 세포 분포를 생성하기 위해 겔 내에 매트릭스 덫을 포함한다. 대안적으로, 세포는 부착 성장 또는 공유 고정에 의해 고정된다. 본원에서, 예를 들어 알기네이트, 아가로오스 또는 폴리아크릴아미드 겔은 우물(203')에서 겔 매트릭스로서 사용된다. 이에 의해, 바람직하게는 광-지시형 전위차 센서(LAPS)(21)의 감지 표면(203)에 고정되는 살아 있는 세포에 기초하는 제2 검출 수단(21)으로서 바이오센서를 제공하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 제2 검출 수단(21)은 박테리아에 의해, 특히 세포 밖 산성화에 의해 대사되는 영양물의 농도에 민감하다. 바람직하게는, 제2 검출 수단(21) 또는 LAPS(21)는 칩에 제공되고, LAPS는 영양물 농도의 차별적인 측정을 위해 구성된다. 이에 의해, 바람직하게는, 차별적인 측정에 의해 외부 영향을 감소시키는 것이 가능하다.
1 장치
10 초음파 변환기/제1 검출 수단
11 분석 유닛
12 초음파 방출 신호
13 초음파 반사 신호
20 반사 영역
21 제2 검출 수단
10' 추가적인 초음파 변환기/제1 검출 수단
11' 추가적인 분석 유닛
12' 추가적인 초음파 방출 신호
13' 추가적인 초음파 반사 신호
20' 추가적인 반사 영역
21' 추가적인 제2 검출 수단
30 유체 파이프
31 침착물
100 유동 방향
200 용액
201 기판
202 절연 수단
202' 변환 수단
202'' 포토레지스트 층
202''' 고정 수단
203 감지 표면
203' 우물
204 기준 전극
204' 접촉 전극
204'' 광전류
205 증폭 수단
206 아날로그-대-디지털 전환 수단
207 연산 수단
208 제어 수단
209 광 포인터
209' 광 포인터 어레이
209'' 측정 스폿
210 광 빔
211 광학 수단
212 디지털-대-아날로그 전환 수단
213 전압 제어 신호
214 전압 발생 수단

Claims (14)

  1. 액체 수용 시스템 내부의 반사 영역(20) 내의 침착물(31)을 검출하기 위한 장치(1)이며, 반사 영역(20)을 향해서 초음파 방출 신호(12)를 방출하기 위한 초음파 변환기(10) 및 반사 영역(20)의 초음파 방출 신호(12)의 반사에 의해서 획득되는 초음파 반사 신호(13)를 검출하기 위한 제1 검출 수단(10)을 포함하는 장치(1)로서,
    제2 검출 수단(21)이 반사 영역(20)에 배치되고, 제2 검출 수단(21)은 특정 종류의 침착물(31)을 검출하도록 구성되며,
    제2 검출 수단(21)은 침착물(31)에 대한 생존-정보 및/또는 침착물(31)의 세포 밖 산성화 정보 및/또는 제2 검출 수단(21)의 감지 표면(203)의 주 연장 평면을 따른 침착물(31)의 위치 종속적인 분포에 대한 정보를 포함하는 생존 검출 신호를 발생시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 제2 검출 수단(21)은 전기화학 바이오센서, 광학 바이오센서, 전자 바이오센서, 압전성 바이오센서 또는 중력측정식 바이오센서, 다른 바이오센서, 및/또는 광-지시형 전위차 센서(LAPS) 중 하나 이상이며, LAPS가 칩 카드에 통합될 수 있는 것인, 장치(1).
  3. 제1항에 있어서, 장치(1)는, 생존 검출 신호에 따라, 반사 영역(20)의 침착물(31)의 커버링 수준 및/또는 반사 영역(20)의 침착물(31)의 생존을 결정하도록 구성되는 분석 유닛(11)을 포함하고, 여기서, 커버링 수준은 제2 검출 수단(21)의 감지 표면(203)의 침착물의 위치 종속적인 분포일 수 있고, 분석 유닛(11)은 LAPS(21)을 포함하는 칩 카드 상에 배치될 수 있는, 장치(1).
  4. 제2항에 있어서, 바이오센서는 침착물(31)의 측정된 전기화학적 활동에 따라 생존 검출 신호를 발생시키도록 구성되는 전기화학 바이오센서인, 장치(1).
  5. 제3항에 있어서, 분석 유닛(11)은, 침착물(31)이 반사 영역(20)에 위치되는지의 여부를 결정하기 위해 그리고/또는 반사 영역(20)의 침착물(31)의 층의 유형 및/또는 두께를 결정하기 위해 반사 신호(13)를 분석하도록 구성되는, 장치(1).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 장치(1)는 초음파 변환기(10) 및 제1 검출 수단(10)을 포함하는 제1 측정 유닛을 갖고, 장치는 반사 영역(20) 및 제2 검출 수단(21)을 포함하는 제2 측정 유닛을 가지며, 제1 측정 유닛 및 제2 측정 유닛은 제1 측정 유닛 및 제2 측정 유닛이 액체 수용 시스템의 반대측에 위치되도록 액체 수용 시스템에 탈착가능하게 연결되는, 장치(1).
  7. 제3항에 있어서, 장치(1)는 추가적인 초음파 변환기(10') 및 추가적인 제1 검출 수단(10')을 포함하는 제1 기준 측정 유닛을 갖고, 장치(1)는 추가적인 반사 영역(20') 및 추가적인 반사 영역(20')에 배치되는 제2 검출 수단(21')을 포함하는 제2 기준 측정 유닛을 가지며, 분석 유닛(11)은 제1 및/또는 제2 기준 측정 유닛에 의해 제공되는 기준 정보에 따라 반사 영역(20)의 침착물(31)의 특성을 결정하도록 구성되는, 장치(1).
  8. 액체 수용 시스템 내부의 반사 영역(20)의 포울링 및/또는 스케일링 침착물(31)을 검출하기 위한 방법이며, 초음파 변환기(10)에 의해 반사 영역(20)을 향해 초음파 방출 신호(12)를 방출하는 제1 단계, 제1 검출 수단(10)에 의해 반사 영역(20)의 초음파 방출 신호(12)의 반사에 의해 획득되는 초음파 반사 신호(13)를 검출하는 제2 단계, 및 반사 영역(20)에 배치되는 제2 검출 수단(21)에 의해 특정 종류의 침착물(31)을 검출하는 제3 단계를 포함하고,
    제3 단계에서, 침착물(31)의 생존은 전기화학 바이오센서, 광학 바이오센서, 전자 바이오센서, 압전성 바이오센서, 중력측정식 바이오센서 또는 다른 바이오센서 중 적어도 하나에 의해 검출되는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 제3 단계의 생존 검출은, 반사 영역(20)의 침착물(31)이 바이오센서의 생물학적 변환기에 의해 인식되는 제1 검출 단계, 생존 검출 신호가 생물학적 변환기의 수신기와 침착물(31)과의 사이의 상호작용에 따라 발생되는 제2 검출 단계, 생존 검출 신호가 반사 영역(20)의 침착물의 커버링 수준을 결정하기 위해 그리고/또는 반사 영역(20)의 침착물(31)의 생존을 결정하기 위해 분석 유닛(11)에 의해 처리되는 제3 검출 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 제2 검출 수단(21)은 전기화학 바이오센서이고, 제3 단계에서 침착물(31)의 전기화학적 활동이 전기화학 바이오센서에 의해 측정되고, 생존 검출 신호는 침착물(31)의 측정된 전기화학적 활동에 따라 발생되는, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 제2 단계에서, 반사 신호(13)는 침착물(31)이 반사 영역(20)에 위치되는지의 여부를 결정하기 위해 그리고/또는 반사 영역(20)의 침착물(31)의 층의 유형 및/또는 두께를 결정하기 위해 분석 유닛(11)에 의해 분석되는, 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 제4 단계에서, 액체 수용 시스템의 액체는 검출된 침착물(31)의 생존에 따라, 반사 영역(20)의 침착물(21)의 종류 및/또는 층의 두께에 따라, 그리고/또는 침착물(31)이 반사 영역(20)에 위치되는지의 여부에 따라 처리되는, 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
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