NL2006802C2 - Gecombineerd sensor-actuator systeem en werkwijze voor het detecteren en/of bestrijden van aanslag op een oppervlak. - Google Patents

Description

Gecombineerd sensor-actuator systeem en werkwijze voor het detecteren en/of bestrijden van aanslag op een oppervlak

De uitvinding betreft een gecombineerd sensor-5 actuator systeem. Een dergelijk systeem is in het bijzonder geschikt voor het detecteren en/of bestrijden van aanslag op een oppervlak, meer in het bijzonder op een oppervlak van bijvoorbeeld een reactor, warmtewisselaar of leiding.

Uit de praktijk is bekend dat veel oppervlakken 10 gevoelig zijn voor aanslag. Dit heeft bijvoorbeeld betrekking op aanslag van ijs, "scaling" of kalkaanslag, "fouling" en neerslaan van zouten. Hieronder wordt onder meer aanslag, aangroei, en aankorsting verstaan. Door aanwezigheid van aanslag loopt de effectiviteit van de 15 inrichting of proces als geheel terug. Het is eveneens uit de praktijk bekend om bijvoorbeeld ijs te verwijderen met behulp van een schraper. Ook is uit de praktijk bekend aanslag te bestrijden met behulp van het periodiek toevoegen van chemicaliën en/of het doorstromen of doorspoelen van het 20 systeem met het oppervlak waarop de aanslag aanwezig is of wordt verondersteld. Een dergelijke periodieke reinigingsactie kan op basis van verstreken tijd als ook op basis van een drukvalmeting of verminderde warmteoverdracht worden uitgevoerd. Dit heeft tot gevolg dat periodiek 25 maatregelen genomen dienen te worden waarbij een installatie, waarin een oppervlak waarop aanslag kan optreden, tijdelijk uit bedrijf wordt genomen. Zo kan het in geval van ijsvorming nodig zijn de installatie te gaan "opsmelten". Vervolgens dient een dergelijke installatie 30 weer opnieuw opgestart te worden.

Een doel van de uitvinding is bovengenoemde problemen tegen te gaan.

2

Dit doel wordt bereikt met behulp van het gecombineerde sensor-actuator systeem volgens de uitvinding, het systeem omvattende: - een sensormatrix aanbrengbaar op of aan een 5 oppervlak, - een op het oppervlak acteerbare actuator voor het bestrijden van de aanslag; en - met de sensormatrix werkzaam verbonden besturingsmiddelen geschikt voor het op basis van een 10 sensorsignaal detecteren van een locale aanslag en het aansturen van de actuator.

Door een sensormatrix aan te brengen op of aan een oppervlak, waarbij dit oppervlak gevoelig kan zijn voor het vormen van een aanslag daarop, wordt bewerkstelligd dat 15 reeds in een vroeg stadium dergelijke aanslagvorming gedetecteerd kan worden. Door het voorzien van een matrix over het oppervlak kan deze vorming lokaal en daarbij reeds in een vroegtijdig stadium worden geconstateerd. Voorts is een actuator voorzien die geschikt is om deze gevormde 20 aanslag te bestrijden. Door deze lokale aanslag met behulp van de actuator te bestrijden kan deze in een vroegtijdig stadium met een betrekkelijk eenvoudige en korte activatie van de actuator de aanslag worden bestreden. Hiermee blijft de effectiviteit van de gehele inrichting behouden. Bij 25 voorkeur wordt de activering voor de bestrijding van de locaal gedetecteerde aanslag on-line uitgevoerd, eventueel tijdens bedrijf. Een bijkomend voordeel hiervan is dat aanslag bestrijding meer continu kan worden uitgevoerd, zodanig dat optredende pieken of dalen in de effectiviteit 30 van de totale inrichting of proces worden tegengegaan.

Verder bijkomende voordelen betreffen de afstemming in de tijd van de bestrijdende acties waardoor deze niet te vroeg (verlies chemicaliën, stilstand proces), of te laat (verlies 3 effectiviteit) worden uitgevoerd, of op te grote schaal (verlies effectiviteit) worden uitgevoerd.

Een dergelijke inrichting waarbij de sensormatrix toepasbaar is betreft bijvoorbeeld een warmtewisselaar, 5 reactor, leiding of buis. De optredende aanslag betreft bijvoorbeeld ijs, "scaling" zoals kalkaanslag, "fouling" en op het oppervlak neergeslagen zouten zoals natriumchloride of een ander oplosbaar zout. Overigens behoren andere inrichtingen en andere soorten aanslag eveneens tot de 10 mogelijkheden.

Zo behoort het zelfs tot de mogelijkheden om ijsvorming op windmolens of vliegtuigvleugels te bestrijden. Overige voorbeelden van mogelijke toepassingen zijn detectie van precipitatie van zouten en toepassing in zogeheten 15 "Eutectic Freeze Crystallisation" of kristallisatie. Naast het voorkomen van kalkaanslag in een reactor kan dergelijke aanslag ook in een waterzuivering worden bestreden met het systeem volgens de uitvinding. Voorts behoort het tot de mogelijkheden om, bijvoorbeeld in geval van een koelend 20 oppervlak, de sensormatrix te integreren in een warmtegeleidende structuur of laag zodat de sensoren metingen uit kunnen voeren en de koeling naar het medium in de betreffende inrichting toe behouden blijft.

Een bijzonder bijkomend voordeel van het systeem 25 volgens de vinding is dat optredende aanslag lokaal kan worden bepaald en bij voorkeur ook lokaal kan worden bestreden. Bij voorkeur wordt hierbij op het meest kritische locale punt de aanslag bestreden om daarmee een effectieve bestrijding mogelijk te maken. Hierdoor kan op zeer 30 efficiënte wijze het gebruik van een minimale hoeveelheid energie worden opgetreden tegen de vorming van aanslag. Hiermee blijft de effectiviteit van de installatie waarvan het betreffende oppervlak een onderdeel uitmaakt zo optimaal 4 mogelijk behouden. Een verder bijkomend voordeel is dat de bestrijdende actie afgestemd kan worden op de lokale hoeveelheid aanslag en dat niet onnodig en/of te veel actie wordt uitgevoerd. Dit komt de algehele effectiviteit en 5 efficiency van de installatie ten goede.

Bij voorkeur wordt de sensormatrix gebruikt voor het detecteren van de aanslag en wordt vervolgens met de actuator de opgetreden lokale aanslag bestreden. Aanvullend of als alternatief behoort ook tot de mogelijkheden volgens 10 de vinding om de met de actuator een actie uit te voeren waarmee met behulp van de sensormatrix een responsmeting kan worden uitgevoerd om daarmee bijvoorbeeld de lokale aanslag te detecteren. Desgewenst behoort tot de mogelijkheden om de actuator nogmaals in te zetten voor het bestrijden van deze 15 aanslag.

Optioneel kunnen de locale meetwaarden visueel worden weergegeven. Hierdoor wordt het bedrijven van de betreffende inrichting of het voeren van het proces verder verbeterd.

20 In een voordelige uitvoeringsvorm omvat de sensormatrix temperatuursensoren. Hiermee kunnen temperatuurgradiënten en/of temperatuurverschillen binnen de matrix worden bepaald en eventueel worden gevolgd in de tijd. Uit gedetecteerde veranderingen is op te maken of er 25 sprake is van een vorming van een aanslag. Vervolgens kan met de actuator deze aanslag worden bestreden.

Aanvullend, of als alternatief, kan de sensormatrix worden voorzien van geleidingsmeters, capacitieve sensoren, optische sensoren, druksensoren en/of 30 pH, ionselectieve elektroden.

In een voordelige uitvoeringsvorm volgens de onderhavige uitvinding omvat de actuator verwarmingsmiddelen .

5

Door de actuator te voorzien van verwarmingsmiddelen behoort het tot de mogelijkheden om een hoeveelheid energie toe te voegen aan het oppervlak waarop de aanslag is ontdekt. Bij voorkeur is de actuator zodanig uitgevoerd dat 5 de energie toegevoerd kan worden ter plaatse van de gedetecteerde lokale aanslag. Hierdoor kan met een relatief kleine hoeveelheid energie de gedetecteerde aanslag worden bestreden op een zeer effectieve wijze.

Bij voorkeur omvatten de verwarmingsmiddelen 10 elektrische verwarmingsmiddelen. Door het gebruik van elektriciteit kan lokaal een hoeveelheid energie aan een oppervlak worden toegeleverd. Het is gebleken dat hiermee een effectieve bestrijding van gedetecteerde lokale aanslag mogelijk is.

15 In een voordelige voorkeursuitvoering volgens de onderhavige uitvinding omvat de actuator een toevoerkanaal geschikt voor het naar het oppervlak voeren van een aanslagbestrijdend fluïdum.

Door ten minste één en bij voorkeur meer 20 toevoerkanalen te voorzien kan een aanslagbestrijdend fluïdum, bijvoorbeeld zuren, chemische bestrijdingsmiddelen etcetera, worden vervoerd naar bij voorkeur de positie van de gedetecteerde lokale aanslag. De kanalen worden bij voorkeur gevormd als zogeheten microkanalen.

25 In een voordelige voorkeursuitvoering volgens de onderhavige uitvinding activeert de actuator een chemisch proces.

Een dergelijk chemisch proces heeft bijvoorbeeld betrekking op een elektrolyse proces zodanig dat reagentia 30 op een specifieke plaats gedoseerd kunnen worden. Op deze wijze kan bijvoorbeeld kalkaanslag lokaal worden verwijderd.

6

In een verder voordelige voorkeursuitvoering volgens de onderhavige uitvinding is de sensormatrix voorzien in/of aan een foliemateriaal.

Door de sensormatrix te voorzien in of aan een 5 foliemateriaal wordt bewerkstelligd dat een dergelijke sensormatrix op effectieve wijze vervaardigd kan worden en eveneens op een effectieve wijze aangebracht kan worden op een oppervlak. Door gebruik te maken van een warmtegeleidend foliemateriaal, bijvoorbeeld een metaal, behoort toepassing 10 in of op een koelend of verwarmend oppervlak eveneens tot de mogelij kheden.

Bij voorkeur omvat het foliemateriaal ten minste een deel van de actuator. Op deze wijze kan een gecombineerde sensor-actuator systeem volgens de vinding op 15 effectieve wijze worden voorzien door deze gecombineerd te vervaardigen en bij voorkeur ook gecombineerd aan te brengen op het oppervlak.

Door de sensor-actuator integraal te voorzien met het foliemateriaal kan de productie hiervan relatief 20 eenvoudig worden opgeschaald. Hierdoor wordt een kosteneffectieve vervaardiging mogelijk waardoor de mogelijke toepassing in de praktijk wordt vergroot. Desgewenst is ook een combinatie van printen/drukken en anderszins opbrengen van componenten mogelijk. Zo kunnen de 25 elektronische onderdelen (bijvoorbeeld sensoren en actuatoren) worden meegedrukt of in een later stadium worden geassembleerd.

De uitvinding heeft verder betrekking op een folie voorzien van een gecombineerd sensor-actuator systeem zoals 30 bovenstaand beschreven.

Een dergelijke folie biedt gelijke effecten en voordelen als beschreven voor het sensor-actuator systeem. Door het gebruik van de folie kan het gecombineerde sensor- 7 actuator systeem op betrekkelijk eenvoudige wijze worden geproduceerd en bij voorkeur ook op eenvoudige manier worden aangebracht op het oppervlak of daar zelfs onderdeel van uitmaken.

5 De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voorzien van sensor-actuator systeem zoals bovenstaand beschreven.

Een dergelijke inrichting biedt gelijke effecten en voordelen als beschreven voor het gecombineerde sensor-10 actuatorsysteem en/of de folie. Een dergelijke inrichting omvat bij voorkeur ten minste één van een warmtewisselaar, verwarmingsketel, waterleiding en reactor.

De uitvinding heeft voorts tevens betrekking op een werkwijze voor het detecteren en/of bestrijden van 15 aanslag op of aan een oppervlak, omvattende het voorzien van een sensor-actuator systeem zoals bovenstaand beschreven.

Een dergelijke werkwijze biedt dezelfde voordelen en effecten als bovenstaand beschreven voor het gecombineerde sensor-actuator systeem, de folie en/of de 20 inrichting.

In een voordelige uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de vinding wordt met de actuator een signaal gegeven dat vervolgens met de sensormatrix als respons wordt gemeten om daarmee een lokale aanslag te detecteren. Hiermee kan op 25 effectieve wijze lokaal de aanslag worden gedetecteerd. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om na een korte warmtetoevoer de locale temperatuurstijging te meten om een indicatie van de thermische constante te bepalen. Deze constante kan als maat worden gebruikt voor het bepalen of aanslag, en in 30 welke mate, aanwezig is. Optioneel is het mogelijk om vervolgens de actuator nogmaals te gebruiken voor het bestrijden van de gedetecteerde aanslag.

8

Verdere voordelen, kenmerken en details van de uitvinding worden toegelicht aan de hand van voorkeursuitvoeringsvormen daarvan, waarbij wordt verwezen naar de bijgevoegde tekeningen: 5 - figuur 1, een schematische weergave van het sensor systeem volgens de vinding; - figuur 2, een overzicht van gebruikte elektrische onderdelen uit het systeem van figuur 1; - figuur 3, een visualisatie van een 10 temperatuurprofiel; - figuur 4, een schematisch overzicht van een matrix van het systeem uit figuur 1; en - figuur 5, een schematisch overzicht van een mogelijke uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de vinding.

15 Een sensorsysteem 2 (figuur 1 en 2) omvat een folie 4 waarop een koperlaag 6 als deklaag is aangebracht. Gebruik van andere materialen als deklaag, zoals andere metalen of kunststof, behoort volgens de vinding eveneens tot de mogelijkheden. Schakelingen kunnen desgewenst worden 20 ingebed in een meerlaags-folie materiaal. De getoonde uitvoeringsvorm met koperlaag 6 is uitermate geschikt gebleken voor toepassing bij een warmtewisselaar in verband met de goede warmtegeleiding.

In de getoonde uitvoeringsvorm is op koperlaag 6 25 een aantal sensoren 8 aangebracht. Voorts zijn metalen actuatoren 10 op of in folie 4 aangebracht. Actuatoren 10 zijn via openingen 12 verbonden met de andere zijde van folie 4 en worden op deze wijze bijvoorbeeld aangestuurd.

Een uitleeseenheid 14 leest sensoren 8 uit en via regelaar 30 16 worden actuatoren 10 aangestuurd, bijvoorbeeld via eenzelfde datalijn. In een voordelige voorkeursuitvoeringsvorm leest eenheid 14 sensoren 8 in een specifieke sequentie uit. Bij toepassing op een matrix 18 van temperatuursensoren 9 kan hiermee een visualisatie 20 (figuur 3) van een oppervlak van een inrichting, bijvoorbeeld van een warmtewisselaar, worden gerealiseerd.

In een getoonde uitvoeringsvorm van een 5 sensormatrix 22 (figuur 4) volgens de vinding zijn de afzonderlijke sensoren 24 verbonden met de aarde A, eventueel hiervoor onderling verbonden. Matrix 22 wordt voorzien van vermogen door de zogeheten "power MUX array"-component 26. Meetdata wordt uitgelezen door uitleeseenheid 10 ("read/drive MUX") 28. In de getoonde uitvoeringsvorm is het gehanteerde uitgangsvoltage zo'n 2,5 Volt bij 0°C. In een mogelijke uitvoeringsvorm is een zogeheten MOSFET schakelaar 30 (figuur 5) voorzien voor het activeren van een verwarmingselement 32, waarbij de "gate treshold" van 15 schakelaar 30 in de getoonde uitvoeringsvorm 2,5 Volt bedraagt. Gedurende de uitlezing is de verwarming 32 uitgeschakeld. Tijdens het verwarmen wordt een Voltage van zo'n 5 Volt vanuit eenheid 28 gevoerd naar schakelaar 30 voor activatie daarvan. Component 26 stuurt stroom met 20 behulp van een halfgeleider schakelaar die door de regelaar wordt aangestuurd. Eenheid 28 analyseert de ontvangen meetdata met behulp van AD-omzetters die door de regelaar worden uitgelezen. Desgewenst wordt verwarming 32 van voeding voorzien vanuit eenheid 28. Het zal duidelijk zijn 25 dat andere uitvoeringsvormen volgens de vinding eveneens tot de mogelijkheden behoren.

Volgens de vinding zijn diverse combinaties van sensoren en actuatoren mogelijk. Onderstaande tabellen vermelden een aantal mogelijke, onderling combineerbare, 30 varianten. Hierbij wordt opgemerkt dat volgens de vinding ook andere combinaties, sensoren en/of actuatoren gebruikt kunnen worden.

10

Tabel: Sensor

Sensor Sensor element Actie Toepassingsvoorbeeld type_

Tempe- Resistor, Weerstand is maat voor Ijsdetectie, ratuur temp. afhank. temperatuur temperatuurprofiel weerstand

Geïntegreerd Uitsturen van een Ijsdetectie, circuit Voltage, of digitale temperatuurprofiel uitlezing

Thermokoppel Uitlezing Voltage Ijsdetectie, verschil temperatuurprofiel

Stromingsmeter Stroming en Ijsdetectie, stromingsprofiel temperatuurprofiel

Geleiding Electroden Impedantie meting (AC Chemische compositie, or DC) ijsdetectie

Capaci- Geïsoleerde Toepassing van AC Chemische detectie, tief electrode potentieel, capaciteit "scaling" detectie, tussen electrode kan ijsdetectie worden uitgelezen

Optisch LED and Lichttransmissie wordt "Scaling" detectie optische gedetecteerd detector

Druk Microfoon,druk Druk (verschil) "Scaling" ijs, sensor detectie in combinatie luchtbellen detectie met geluidsbron

Tabel: Actuator

Actuator Actuator Actie Toepassingsvoorbeeld type element

Thermisch Resistor/weer- Door toepassing van Smelten van ijs, locale stand elektrisch vermogen temperatuur-verandering wordt het element van het medium, smelten verwarmd of oplossen van zouten of organische stoffen

Electro- Bare/kale Door toepassing van Verandering chemische lyse electrodes elektrisch vermogen samenstelling bij treedt een chemische interface. Vrij chloor, reactie op koper.

Licht LED/anders Door toepassing van Visualisatie van meet- vermogen licht de resultaten, meer activatieplek in kleuren mogelijk bepaalde kleur op UV LED Toepassen vermogen zal Desinfectie UVstraling verschaffen

Geluid Piezo/anders Toepassing beweging, "Scaling" verwijdering, sonische energie interface mixen

Thermisch Verwarming, Detectie van uitlees- warmteverliezen: inrichting stroomsnelheid.

Detectie van warmte pulssnelheid: medium detectie etc.

11

Een verder voorbeeld van een mogelijke toepassing is gelegen op het gebied van smeltkristallisatie, waarbij een organische smelt (denk aan gesmolten boter) 5 uitkristalliseert. Indien de kristallisatie in suspensievorm wordt beoogd is aangroei van gestolde smelt op de warmtewisselaar ongewenst. Op deze wijze behoren toepassingen met organische stoffen, of zouten waarvan de oplosbaarheid sterk afneemt met de temperatuur 10 (ammoniumnitraat, natriumsulfaat etc.) tot de mogelijkheden.

Voor het meten van een vervuiling etc. wordt een sensormatrix 18,22 uitgelezen. Hiermee wordt informatie over de locale vervuiling etc. verkregen. Bij voorkeur wordt vervolgens met behulp van locale actuatoren 10 de vervuiling 15 etc. bestreden om op deze wijze locaal de gewenste actie uit te voeren. Een dergelijke locale detectie en bestrijding resulteert in een effectieve en efficiënte bedrijfsvoering.

De onderhavige uitvinding is geenszins beperkt tot de bovenbeschreven voorkeursuitvoeringsvormen daarvan. De 20 gevraagde rechten worden bepaald door het navolgende conclusies binnen de strekkingen waarvan veel modificaties denkbaar zijn. Zo behoort het tevens tot de mogelijkheden om het gecombineerde sensor-actuator systeem in te zetten voor het (indicatief) meten van vloeistofstromen, bijvoorbeeld op 25 basis van temperatuur of geleidbaarheid. Hierbij kan op voordelige wijze gebruik worden gemaakt van een uitvoering gebaseerd op de folie zoals bovenstaand beschreven.

Claims (14)

1. Gecombineerd sensor-actuatorsysteem voor het detecteren en/of bestrijden van aanslag op een oppervlak, 5 omvattende: - een sensormatrix aanbrengbaar op of aan het oppervlak, - een op het oppervlak acteerbare actuator voor het bestrijden van de aanslag; en 10. met de sensormatrix werkzaam verbonden besturingsmiddelen geschikt voor het op basis van een sensorsignaal detecteren van een locale aanslag en het aansturen van de actuator.

2. Gecombineerd sensor-actuatorsysteem volgens conclusie 1, waarin de sensormatrix temperatuursensoren omvat.

3. Gecombineerd sensor-actuatorsysteem volgens 20 conclusie 1 of 2, waarin de sensormatrix is voorzien van één of meer sensoren uit de groep van geleidingsmeters, capacitieve sensoren, optische sensoren, druksensoren en/of pH, ionselectieve elektroden.

4. Gecombineerd sensor-actuatorsysteem volgens conclusie 1, 2 of 3, waarin de actuator verwarmingsmiddelen omvat.

5. Gecombineerd sensor-actuatorsysteem volgens 30 conclusie 4, waarin de verwarmingsmiddelen elektrische verwarmingsmiddelen omvat.

6. Gecombineerd sensor-actuatorsysteem volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarin de actuator een toevoerkanaal omvat geschikt voor het naar het oppervlak voeren van een aanslag bestrijdend fluïdum. 5

7. Gecombineerd sensor-actuatorsysteem volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarin de actuator activeringsmiddelen oomvat voor het activeren van een chemisch proces. 10

8. Gecombineerd sensor-actuatorsysteem volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarin de sensormatrix is voorzien in of aan een foliemateriaal.

9. Gecombineerd sensor-actuatorsysteem volgens één of meer van de voorgaande conclusies, waarin het foliemateriaal ten minste een deel van de actuator omvat.

10. Folie voorzien van een sensor-actuator systeem 20 volgens één of meer van de voorgaande conclusies.

11. Inrichting voorzien van een sensor-actuator systeem volgens één of meer van de conclusies 1-9.

12. Inrichting volgens conclusie 11, waarin de inrichting ten minste één van een warmtewisselaar, verwarmingsketel, waterleiding, en reactor omvat.

13. Werkwijze voor het detecteren en/of bestrijden van 30 aanslag op of aan een oppervlak, omvattende het voorzien van een sensor-actuator systeem volgens één of meer van de conclusies 1-9.

14. Werkwijze volgens conclusie 13, waarin met de actuator een signaal wordt gegeven en vervolgens met de sensormatrix een respons wordt gemeten voor het detecteren van de aanslag. 5