УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И АНАЛИЗА ОТЛОЖЕНИЙ
DEVICE AND METHOD FOR DETECTING AND ANALYZING DEPOSITS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для обнаружения и анализа отложений.
Уровень техники
На промышленных предприятиях, таких как электростанции, сталелитейные заводы, предприятия целлюлозного или бумажного производства, обычно имеются средства для перемещения или хранения жидкостей, например трубопроводы или резервуары. Известно, что на внутренних стенках этих средств для перемещения или хранения жидкостей происходит осаждение органических и неорганических веществ, вследствие чего скопившиеся биологические или солевые (механические) отложения по меньшей мере частично препятствуют прохождению потока через средства перемещения жидкостей. В результате этого перемещаемые или хранящиеся жидкости могут подвергаться загрязнению. Это нежелательное явление создает ряд производственных проблем, таких как засорение оборудования, неэффективное использование химических материалов, повышение затрат на энергию, производственные потери вследствие простоев, коррозия и снижение качества продукции из-за роста числа случаев загрязнения.
В принципе, можно провести различие между биологическими отложениями, с одной стороны, и солевыми отложениями - с другой. Биологические отложения представляют собой органические отложения, которые часто возникают в форме биопленок в водных системах. Такие биопленки состоят, главным образом, из микроорганизмов, например бактерий, водорослей, грибков и простейших. В отличие от этого, солевые отложения образуются из неорганических веществ, включающих, например, комплексные соединения кальция (карбонаты, оксалаты, сульфаты, силикаты), алюминия (силикаты, гидроксиды, фосфаты), сульфат бария, радиоактивный сульфат радия и силикаты магния.
На промышленных предприятиях обычно имеются различные рабочие аппараты, например бойлеры, теплообменники, холодильники и смесители. Эти аппараты соединяются друг с другом, в частности последовательно и/или параллельно, посредством соединительных труб и т.п.
Одна из проблем известных устройств для измерения биологических или солевых отложений на промышленном предприятии состоит в сложности монтажа подобных измерительных устройств внутри рабочих аппаратов, например из-за ограниченности монтажного пространства или чрезмерно высоких температур. Поэтому эти устройства устанавливают, как правило, на соединительных трубах между рабочими аппаратами или внутри этих труб, несмотря на то, что температура внутри рабочих аппаратов обычно выше, чем внутри соединительных труб, в частности в случаях, когда рабочий аппарат представляет собой, например, бойлер. Это отрицательно влияет на качество измерений, поскольку высокие температуры способствуют росту биологических отложений, так что зачастую внутри рабочих аппаратов наблюдаются большие скопления отложений, чем внутри соединительных труб. Следовательно, результаты измерений в соединительных трубах искаженно отражают действительность, и толщина отложений в соответствующих областях не может быть точно определена.
Для предотвращения скопления биологических отложений и, в частности, роста биопленок в качестве контрмеры в соответствующую жидкость добавляют биоциды. Солевые отложения могут быть удалены путем добавления реагентов, предназначенных для борьбы с отложениями, образовавшимися в результате химических реакций (химическими отложениями), и созданных на основе гомополимеров, сополимеров и терполимеров акриловой, метакриловой, малеиновой и аспартовой кислот. Кроме тою, реагенты для борьбы с химическими отложениями могут быть созданы на основе органических фосфонатов и их производных, а также полифосфатов. Дозирование этих биоцидов и реагентов для борьбы с химическими отложениями должно выполняться очень тщательно и осторожно из-за их очень высокой стоимости и способности причинить вред здоровью.
Раскрытие изобретения
Соответственно, задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа для обнаружения отложений с целью обеспечения экономически и экологически усовершенствованной обработки вмещающей жидкость системы. Таким образом, по экологическим и экономическим причинам желательно свести к минимуму дозы биоцидов и/или реагентов для борьбы с химическими отложениями.
Указанная задача настоящего изобретения решается с помощью устройства для обнаружения отложений, в частности биологических и/или солевых отложений на отражающем участке внутри вмещающей жидкость системы, содержащего ультразвуковой преобразователь для испускания ультразвукового испускаемого сигнала в направлении этого отражающего участка и первое регистрирующее средство для регистрации ультразвукового отраженного сигнала, полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала на этом отражающем участке, причем на этом отражающем участке расположено второе регистрирующее средство, выполненное с возможностью обнаружения отложения конкретного вида.
Таким образом, настоящее изобретение предоставляет благоприятную возможность отличить один конкретный вид отложений от другого и определить количество отложения конкретного вида, обнаруженного с помощью второго регистрирующего средства. В частности, отложение конкретного вида может быть солевым или биологическим, органическим или неорганическим, образовавшимся в результате воздействия биотических или абиотических факторов, живым или мертвым. Отложение считается "живым", или "проявляющим признаки жизни", если оно содержит организмы, характеризующиеся наличием процессов подачи сигналов и самоподдержания. Отложение считается "мертвым", или "не проявляющим признаков жизни", в случае отсутствия регистрируемых процессов подачи сигналов и самоподдержания, если действие этих функций прекращено и/или если эти функции отсутствуют у составных частей данного отложения. Первое регистрирующее средство позволяет выполнить анализ отложения на отражающем участке с целью описания таких физических свойств отложения как мягкость и пространственная протяженность на отражающем участке в направлениях, параллельном и перпендикулярном направлению распространения отраженного сигнала. Тем самым создается, в частности, благоприятная возможность определения количества отложения. Кроме того, второе регистрирующее средство позволяет обнаружить отложение конкретного вида, что означает возможность проведения различия между конкретными видами отложений. В частности, благодаря этому становится возможным определить, является ли данное отложение живым (в этом случае отложение может представлять собой, например, биопленку, состоящую из живых организмов) или мертвым / не проявляющим признаков жизни (последнее относится по меньшей мере к одному мертвому организму, биоматериалу, не проявляющему признаков жизни, или другому неживому органическому или неорганическому материалу). Комбинируя результаты анализа физических свойств, полученных с помощью первого регистрирующего средства, с результатами анализа, полученными с помощью второго регистрирующего средства и касающимися, в частности, проведения различия между данным конкретным видом и другими видами отложений и/или наличия признаков жизни у последних, можно получить характеристики отложения данного конкретного вида. Получение этих характеристик включает, например, идентификацию и количественное определение отложения конкретного вида. Тем самым обеспечивается возможность своевременного и надежного обнаружения биологических и/или солевых отложений. Совокупным эффектом от определения обеих этих характеристик, а именно конкретного вида и физических свойств отложения, является возможность выполнения целевой обработки вмещающей жидкость системы, обеспечивающей выполнение определенных требований стандартов чистоты, предъявляемых к подобным системам. В частности, обработка вмещающей жидкость системы, может быть нацелена на отложение конкретного вида, благодаря чему эффективно предотвращается скопление биологических отложений, в частности рост биопленок. Кроме того, преимущество предлагаемого устройства, оснащенного как первым, так и вторым регистрирующим средством в соответствии с описанным выше, по сравнению с устройством, содержащим только второе регистрирующее средство, состоит в обеспечении возможности обнаружения отложения и в том случае, когда это отложение является мертвым. Благодаря тому, что обработка нацелена на конкретное отложение, она может быть эффективной как в экономическом, так и в экологическом отношении. Таким путем можно повысить уровень защиты окружающей среды при одновременном значительном снижении затрат на обработку систем, вмещающих жидкость. Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает возможность сведения к минимуму, по экологическим соображениям, дозировки биоцидов и/или реагентов для борьбы с химическими отложениями.
В контексте настоящего описания термин "отложения" означает, в частности, любой вид органических или неорганических загрязняющих веществ и отложений, возникающих в системах, вмещающих жидкость, например в контурах, трубопроводах или резервуарах. Подобные отложения возникают, например, в форме пленок (называемых также "биологическими отложениями"). Эти отложения формируются, главным образом, в водных системах на границе раздела с твердой фазой. Пленки, образованные микроорганизмами, состоят из слоя слизи с погруженными в нее микроорганизмами (например, бактериями, водорослями, грибками и простейшими). Как правило, наряду с микроорганизмами, эти пленки содержат, главным образом, воду и внеклеточные полимерные вещества, выделяемые этими микроорганизмами, образующие в сочетании с водой гидрогели и содержащие другие питательные и иные вещества. Слизистая матрица, образовавшаяся в водной среде на границе раздела, часто включает твердые частицы. Пленки, возникшие, например, на предприятии бумажного производства, характеризуются тем, что они содержат высокую долю волокон, мелкодисперсных веществ и неорганических пигментов, связанных органической матрицей. Такие пленки обычно сопровождаются защитными экзополисахаридами ("слизь", ЭПС), которые вырабатываются микроорганизмами и возникают на границе раздела поверхностей оборудования и технологических водных потоков. Кроме того, на этих поверхностях часто возникают отложения неорганических загрязняющих веществ, таких как карбонат кальция ("накипь"), и органических загрязняющих веществ. Последние известны как "пек" (например, смола из древесины) и "липкая фаза" (например, клейкие и связующие вещества, клейкая пленка и частицы воска).
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения второе регистрирующее средство представляет собой по меньшей мере одно из следующего: электрохимический биосенсор, оптический биосенсор, электронный биосенсор, пьезоэлектрический биосенсор, гравиметрический биосенсор или другой биосенсор. Биосенсор обычно состоит из биологического преобразователя (биопреобразователя), содержащего, например, биологически чувствительный компонент, такой как рецептор. Биологический преобразователь взаимодействует с биологическим компонентом, таким как живая клетка отложения. Таким образом, возникает благоприятная возможность распознания, например, вида отложения путем регистрации электрохимической активности отложений. Таким способом можно определить, содержит ли данное отложение живые организмы. Затем биологический преобразователь генерирует сигнал обнаружения, например сигнал обнаружения признаков жизни, содержащий информацию о том, содержит ли данное отложение живые организмы. В частности, сигнал обнаружения признаков жизни генерируется в зависимости от взаимодействия между отложениями и рецептором биологического преобразователя. После этого сигнал обнаружения подвергается дальнейшей обработке электронной системой биосенсора. Таким образом, возникает благоприятная возможность определения степени покрытия отражающего участка отложениями и/или выявления признаков жизни у отложений на этом участке.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения второе регистрирующее средство выполнено с возможностью генерирования сигнала обнаружения признаков жизни, содержащего информацию о наличии признаков жизни у данных отложений. Тем самым возникает благоприятная возможность определения степени покрытия отражающего участка отложениями и/или определения признаков жизни у отложений на этом участке с одновременным выполнением анализа физических свойств отложения посредством первого регистрирующего средства. Это создает благоприятную возможность проведения различия между конкретными видами отложений. Например, можно определить, является ли данное отложение живым (например, представляет собой биопленку во вмещающей жидкость системе). Информация о наличии признаков жизни включает информацию о том, содержит ли отложение конкретного вида, в частности биопленка, живые организмы. Комбинирование информации о физических свойствах биопленки с информацией о содержании в последней живых организмов позволяет выполнить целевую обработку вмещающей жидкость системы.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения устройство содержит анализатор, выполненный с возможностью определения, в зависимости от сигнала обнаружения признаков жизни, степени покрытия отражающего участка отложениями и/или выявления признаков жизни у отложений на этом участке. Этим обеспечивается благоприятная возможность эксплуатации данного устройства в разных рабочих режимах. Например, в режиме индикации порогового значения анализатор может выполнять индикацию достижения заданной степени покрытия биопленкой, тогда как в режиме измерения можно осуществлять контроль всего процесса образования бактериального покрытия на отражающем участке. Тем самым создается благоприятная возможность контроля биопленки во вмещающей жидкость системе, в режиме реального времени с целью своевременной обработки этой системы для ее очистки в зависимости от сигнала обнаружения признаков жизни.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения биосенсор представляет собой электрохимический биосенсор, выполненный с возможностью генерирования сигнала обнаружения признаков жизни в зависимости от измеренной электрохимической активности отложений. Тем самым создается благоприятная возможность обеспечения надежного обнаружения отложения конкретного вида, такого как биопленка. В частности, благодаря этому можно определить, является ли биопленка живой, то есть содержит ли она живые организмы. Таким путем можно с высокой точностью обнаружить отложения конкретного вида и, в частности, выявить признаки жизни у этих отложений.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения анализатор выполнен с возможностью анализа отраженного сигнала с целью выявления отложений на отражающем участке и/или определения типа и/или толщины слоя этих отложений на отражающем участке. Тем самым создается благоприятная возможность измерения физических свойств отложений с целью определения, состоит ли данное отложение из сравнительно мягкого или твердого вещества, причем обычно мягкость количественно определяется модулем упругости. Физические свойства отложений на отражающем участке определяют путем оценки во временной области сигнала, отраженного от отражающего участка. Кроме того, можно измерить толщину слоя отложения на отражающем участке. Измеренное расстояние сравнивают с эталонным расстоянием, измеренным на начальном шаге калибровки в отсутствие каких-либо отложений на отражающем участке. В альтернативном варианте для этой цели можно использовать эталонный измеритель. Разность между измеренным и эталонным расстояниями представляет собой меру толщины отложения. Еще одно преимущество устройства, содержащего первое регистрирующее средство дополнительно ко второму регистрирующему средству, по сравнению с устройством, содержащим только второе регистрирующее средство, заключается, как описано выше, в возможности обнаружения отложения даже в том случае, когда оно является мертвым.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения устройство содержит первый измеритель, включающий в себя ультразвуковой преобразователь и первое регистрирующее средство, а также содержит второй измеритель, включающий в себя второе регистрирующее средство, расположенное на отражающем участке, причем первый и второй измерители разъемным образом соединены с вмещающей жидкость системой таким образом, что эти измерители находятся на противоположных сторонах упомянутой системы. Тем самым создается благоприятная возможность получения устройства для обнаружения солевых и/или биологических отложений, которое можно гибким образом использовать в самых разнообразных компонентах систем, вмещающих жидкость (например, трубопроводов), причем затраты на выполнение работ могут быть значительно снижены. Кроме того, разъемное соединение позволяет легко произвести замену, например во время технического обслуживания вмещающей жидкость системы, или компонентов устройства обнаружения.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения устройство содержит первый эталонный измеритель, включающий в себя дополнительный ультразвуковой преобразователь и дополнительное первое регистрирующее средство, а также содержит второй эталонный измеритель, включающий в себя дополнительный отражающий участок и дополнительное второе регистрирующее средство, расположенное на дополнительном отражающем участке, причем анализатор выполнен с возможностью определения свойств отложений на отражающем участке в зависимости от эталонной информации, получаемой предоставляемой первым и/или вторым эталонным измерителем. Тем самым создается благоприятная возможность измерения расстояния путем сравнения его с эталонным расстоянием, измеренным посредством первого и/или второго эталонного измерителя на этапе калибровочного измерения в отсутствие каких-либо отложений на отражающем участке. Реальное расстояние между ультразвуковым преобразователем и отражающим участком изменяется, например, в зависимости от температуры или давления внутри сосуда с жидкостью. Поэтому текущее расстояние между ультразвуковым преобразователем и отражающим участком в момент измерения может быть точно определено с помощью эталонного расстояния, измеренного одновременно с ним. Следовательно, результат измерения толщины отложений не содержит неизвестной погрешности, зависящей от условий эксплуатации, таких как давление и температура. Таким путем можно определить физические свойства отложений со сравнительно высокой точностью.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ обнаружения биологических и/или солевых (механических) отложений на отражающем участке внутри вмещающей жидкость системы, включающий: первый шаг - испускание ультразвуковым преобразователем ультразвукового испускаемого сигнала в направлении отражающего участка, второй шаг - регистрацию первым регистрирующим средством ультразвукового отраженного сигнала, полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала на отражающем участке, и третий шаг - обнаружение отложения конкретною вида вторым регистрирующим средством, расположенным на отражающем участке.
Таким образом, настоящее изобретение предоставляет благоприятную возможность комбинирования результатов анализа физических свойств, полученных с помощью первого регистрирующего средства, с результатами анализа, полученными с помощью второго регистрирующего средства. Это обеспечивает, в частности, проведение различия между данным конкретным видом и другими видами отложений, что может включать выявление наличия признаков жизни у последних. Термин "признаки жизни у отложений" включает информацию о том, состоят ли данные отложения из живых организмов, таких как бактерии. Следовательно, можно получить характеристики отложения данного конкретного вида, что включает, например, идентификацию и количественное определение этого отложения. Далее, обеспечивается возможность своевременного и надежного обнаружения биологических и/или солевых отложений. Совокупным эффектом от определения обеих этих характеристик, а именно конкретного вида и физических свойств отложения, является возможность выполнения целевой обработки вмещающей жидкость системы, обеспечивающей выполнение определенных требований стандартов чистоты, предъявляемых к подобным системам. Кроме того, преимущество выполнения обоих этих этапов, а именно определения физических свойств отложений и обнаружения или идентификации отложения конкретного вида, по сравнению со способом, в котором осуществляется только обнаружение отложения конкретного вида, заключается, как описано выше, в возможности обнаружения отложения даже в том случае, когда оно является мертвым. Способ, предлагаемый в настоящем изобретении, позволяет скомбинировать по меньшей мере два различных способа измерения с целью обнаружения солевых и/или биологических отложений, в частности таких отложений, содержащихся в трубе для прохождения жидкости, являющейся частью вмещающей жидкость системы. Это позволяет оптимизировать обработку таких труб с целью их очистки. На втором шаге можно выполнить измерение физических свойств, например количества, определяемого по толщине слоя отложений, тогда как на третьем шаге можно провести различие между отложением конкретного вида, исследованным на втором шаге, и другими видами отложений. В частности, второй и третий шаги могут выполняться одновременно. При этом, в частности, предпочтительно определить, является ли данное отложение живым, то есть содержит ли оно живые организмы.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения на третьем шаге выполняют обнаружение признаков жизни у отложений, осуществляемое посредством по меньшей мере одного из следующего: электрохимического биосенсора, оптического биосенсора, электронного биосенсора, пьезоэлектрического биосенсора, гравиметрического биосенсора или другого биосенсора. Этим обеспечивается благоприятная возможность выявления биологических особенностей отложений, в частности того, является ли данное отложение живым или мертвым. В частности, можно определить, содержит ли данное отложение живые организмы и/или какие типы живых организмов присутствуют в этом отложении. Такую информацию можно использовать при выполнении целевой конкретной обработки вмещающей жидкость системы, для ее очистки, что позволяет уменьшить дозы биоцидов и/или реагентов, используемых во время такой обработки.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения обнаружение признаков жизни на третьем шаге включает первый шаг обнаружения, на котором отложения распознаются биологическим преобразователем биосенсора, второй шаг обнаружения, на котором в зависимости от взаимодействия между отложениями и рецептором биологического преобразователя генерируется сигнал обнаружения признаков жизни, третий шаг обнаружения, на котором сигнал обнаружения признаков жизни обрабатывается анализатором с целью определения степени покрытия отложениями отражающего участка и/или выявления признаков жизни у отложений на отражающем участке. Тем самым обеспечивается благоприятная возможность определения, содержат ли данные отложения живые организмы и/или какой тип живых организмов присутствует в этих отложениях. Такую информацию можно использовать при выполнении целевой конкретной обработки вмещающей жидкость системы, для ее очистки, что позволяет уменьшить дозы биоцидов и/или реагентов, используемых во время такой обработки.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения второе регистрирующее средство представляет собой электрохимический биосенсор, причем на третьем шаге посредством этого биосенсора измеряется электрохимическая активность отложений и в зависимости от измеренной электрохимической активности отложений генерируется сигнал обнаружения признаков жизни. Тем самым обеспечивается благоприятная возможность определения степени покрытия отражающего участка отложениями и/или определения признаков жизни у отложений на этом участке с одновременным анализом физических свойств. Таким образом, настоящее изобретение предоставляет благоприятную возможность отличить один конкретный вид отложений от других. Например, можно определить, является ли данное отложение живым (например, представляет собой биопленку во вмещающей жидкость системе). Информация о наличии признаков жизни включает информацию о том, содержит ли отложение конкретного вида, в частности биопленка, живые организмы. Комбинирование информации о физических свойствах биопленки с информацией о содержании в последней живых организмов позволяет выполнить целевую обработку вмещающей жидкость системы, для ее очистки. Это позволяет эффективно уменьшить дозы биоцидов и/или реагентов, используемых во время такой обработки.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения на втором шаге анализатор выполняет анализ отраженного сигнала с целью выявления отложений на отражающем участке и/или определения типа и/или толщины слоя этих отложений на отражающем участке. Тем самым создается благоприятная возможность измерения физических свойств отложений. Например, с помощью такого измерения можно определить, состоит ли данное отложение из сравнительно мягкого или твердого вещества. Мягкость или твердость количественно определяется, как правило, модулем упругости. Физические свойства отложений на отражающем участке определяются путем оценки во временной области сигнала, отраженного от отражающего участка. Физические свойства отложений определяются в зависимости от времени пробега ультразвукового сигнала, интенсивности отраженного сигнала и/или частоты отраженного сигнала сравнительно с частотой испускаемого сигнала. Еще одно преимущество устройства, содержащего первое регистрирующее средство дополнительно ко второму регистрирующему средству, по сравнению с устройством, содержащим только второе регистрирующее средство, заключается, как описано выше, в возможности обнаружения отложения даже в том случае, когда оно является мертвым.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения в зависимости от обнаруженных признаков жизни у отложений, в зависимости от вида и/или толщины слоя отложений на отражающем участке и/или в зависимости от того, находятся ли отложения на отражающем участке, на четвертом шаге производят обработку жидкости во вмещающей жидкость системе. Тем самым обеспечивается благоприятная возможность выполнения такой обработки вмещающей жидкость системы, которая нацелена на конкретное отложение и является эффективной как в экономическом, так и в экологическом отношении. Таким путем можно повысить уровень защиты окружающей среды при одновременном значительном снижении затрат на обработку систем, вмещающих жидкость.
Эти и другие характеристики, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут ясны из приведенного ниже подробного описания изобретения, представленного в сочетании с приложенными чертежами, иллюстрирующими, в качестве примера, основные идеи изобретения. Данное описание приведено только в качестве примера и не ограничивает объем настоящего изобретения. Указанные ниже ссылочные численные обозначения относятся к приложенным чертежам.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведено схематическое изображение предлагаемого в изобретении устройства для обнаружения солевых и/или биологических отложений.
На фиг. 2-4 приведены схематические изображения, иллюстрирующие несколько вариантов выполнения второго регистрирующего средства предлагаемого в изобретении устройства.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение описывается на отдельных примерах его осуществления и со ссылками на конкретные чертежи, что, однако, не ограничивает изобретение, объем которого определяется только формулой изобретения. Описанные чертежи являются лишь схематическими и носят неограничивающий характер. Размеры некоторых элементов на чертежах могут быть в иллюстративных целях завышены и не даны в масштабе.
Если специально не указано иное, то сказанное в отношении какого-либо элемента в единственном числе относится и к группе таких элементов.
Кроме того, встречающиеся в описании и формуле изобретения термины "первый", "второй", "третий" и т.д. используются для проведения различия между схожими элементами, а не обязательно для упоминания в порядке очередности или в хронологическом порядке. Следует иметь в виду, что используемые таким образом термины являются взаимозаменяемыми при соответствующих обстоятельствах и что элементы изобретения в вариантах его осуществления, представленных в настоящем описании, могут функционировать в последовательности, отличающейся от описанной или иллюстрируемой.
На фиг. 1 схематически показано устройство 1 для обнаружения солевых и/или биологических отложений 31 согласно настоящему изобретению. Устройство 1 позволяет обнаружить отложения 31, в частности в трубах 30 для прохождения жидкости в системах, вмещающих жидкость, в частности в охлаждающих контурах промышленных предприятий, таких как электростанции, сталелитейные заводы, предприятия целлюлозного или бумажного производства. Поток жидкости проходит в направлении 100 внутри трубы 30 вмещающей жидкость системы. Обнаружение отложений 31 может включать измерение физических свойств этих отложений, таких как плотность и мягкость (определяемую модулем упругости), а также выявление отложений 31, относящихся к конкретным видам: органическим, неорганическим, биологическим, небиологическим, живым или мертвым отложениям. Таким образом, устройство 1 позволяет отличить отложение 31 конкретного вида (например, биопленку, содержащую живые бактерии или другие организмы) от других отложений 31 (например, неорганических) и, кроме того, одновременно позволяет определить физические свойства этого отложения 31 конкретного вида.
Устройство 1 можно соединить разъемным образом с трубой 30 вмещающей жидкость системы, с целью обнаружения солевых и/или биологических отложений 31 на отражающем участке 20 внутри трубы 30. Устройство 1 содержит ультразвуковой преобразователь 10, испускающий ультразвуковой испускаемый сигнал 12 в направлении отражающего участка 20, и первое регистрирующее средство 10 для регистрации ультразвукового отраженного сигнала 13, возникшего в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала 12 на отражающем участке 20. Ультразвуковой преобразователь 10 и первое регистрирующее средство 10 могут быть объединены в один узел 10 либо, в альтернативном варианте, представлять собой отдельные узлы, один из которых выполнен с возможностью испускания ультразвукового испускаемого сигнала 12, а другой - с возможностью регистрации ультразвукового отраженного сигнала 13. Кроме того, устройство 1 содержит второе регистрирующее средство 21 для обнаружения отложения 31 конкретного вида, причем это второе регистрирующее средство 21 расположено на отражающем участке 20. Благодаря размещению второго регистрирующего средства 21 на отражающем участке 20 обеспечивается благоприятная возможность обнаружения этого же отложения 31, которое исследуется, в частности одновременно, первым регистрирующим средством 10 путем регистрации второго отраженного сигнала 13 с целью определения физических свойств отложений 31. Второе регистрирующее средство 21 выполнено, в частности, с возможностью генерирования сигнала обнаружения, содержащего информацию, позволяющую отличить отложение 31 конкретного вида от других отложений 31. Например, второе регистрирующее средство 21 может содержать биосенсор 21, в частности электрохимический биосенсор, оптический биосенсор, электронный биосенсор, пьезоэлектрический биосенсор, гравиметрический биосенсор и/или другой биосенсор. В частности, второе регистрирующее средство 21 или биосенсор 21 выполняется с возможностью генерирования сигнала обнаружения признаков жизни, содержащего информацию о наличии признаков жизни у этих отложений. Кроме того, данное устройство может содержать анализатор 11, выполненный с возможностью определения, в зависимости от сигнала обнаружения признаков жизни, покрытия отражающего участка отложениями и/или выявления признаков жизни у отложений на этом участке. В частности, в одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения второе регистрирующее средство 21 содержит электрохимический биосенсор 21, выполненный с возможностью генерирования сигнала обнаружения признаков жизни в зависимости от измеренной электрохимической активности отложений 31.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения второе регистрирующее средство 21 и, в частности, дополнительное второе регистрирующее средство 21' выполнены с возможностью определения, является ли отложение 31, в частности биопленка 31, живым или мертвым. Например, второе регистрирующее средство 21 содержит биосенсор, включающий биологический преобразователь, который в зависимости от взаимодействия между рецептором биологического преобразователя и отложениями 31, в частности биопленкой или другими биологическими отложениями, генерирует второй сигнал обнаружения. Ультразвуковые сигналы (испускаемый 12 и отраженный 13) могут попеременно анализироваться с целью определения скорости жидкости во вмещающей жидкость системе. Определение физических свойств отложений, таких как плотность, основано на анализе отраженного сигнала 13, который отражается от отражающего участка 20. В частности, отложения 31 на отражающем участке 20 могут изменять отраженный сигнал 13, в частности время пробега, интенсивность и/или частоту отраженного сигнала сравнительно с испускаемым сигналом 12. Поэтому существует благоприятная возможность распознания вида отложений 31, то есть определения, являются ли эти отложения органическими или неорганическими, биологическими или небиологическими, живыми или мертвыми. Это позволяет отличить отложение 31 конкретного вида от других отложений 31 и одновременно определить количество этого отложения 31, относящегося к конкретному виду.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения устройство 1 содержит первый эталонный измеритель, включающий в себя дополнительный ультразвуковой преобразователь 10', дополнительное первое регистрирующее средство 10' и, в частности, дополнительный анализатор 11', а также содержит второй эталонный измеритель, включающий в себя дополнительный отражающий участок 20' и дополнительное второе регистрирующее средство 21', расположенное на этом втором отражающем участке 20', причем анализатор 11 выполнен с возможностью определения свойств отложений 31 на отражающем участке 20 в зависимости от эталонной информации, получаемой предоставляемой первым и/или вторым эталонным измерителем. Дополнительный ультразвуковой преобразователь 10' выполнен с возможностью испускания дополнительного ультразвукового испускаемого сигнала 12' в направлении дополнительного отражающего участка 20'. Дополнительное первое регистрирующее средство 10' выполнено с возможностью регистрации дополнительного ультразвукового отраженного сигнала 13', полученного в результате отражения дополнительного ультразвукового испускаемого сигнала 12' на дополнительном отражающем участке 20'. Тем самым обеспечивается благоприятная возможность измерения расстояния между отражающим участком 20 и ультразвуковым преобразователем 10 путем сравнения его с эталонным расстоянием между дополнительным ультразвуковым преобразователем 10' и дополнительным отражающим участком 20'. При этом дополнительный отражающий участок 20'можно поддерживать свободным от отложений 31, например, путем очистки этого участка посредством дополнительного испускаемого сигнала 12', получаемого с помощью дополнительного ультразвукового преобразователя 10'. Реальное расстояние между ультразвуковым преобразователем 10 и отражающим участком 20 изменяется, например, в зависимости от температуры или давления внутри трубы 30 для прохождения жидкости. Поэтому расстояние между ультразвуковым преобразователем 10 и отражающим участком 20 в момент измерения может быть точно определено путем одновременного измерения эталонного расстояния, описанного выше. Следовательно, результат измерения толщины отложений 31 не содержит неизвестную погрешность, зависящую от эксплуатационных параметров, таких как давление и температура, так что физические свойства отложений 31 могут быть определены со сравнительно высокой точностью.
На фиг. 2-4 представлены схематические изображения, иллюстрирующие несколько вариантов выполнения второго регистрирующего средства устройства 1 согласно настоящему изобретению. Описание вариантов осуществления, содержащее ссылки на фиг. 2-4, относится также к дополнительному второму регистрирующему средству 21'. В данном случае второе регистрирующее средство 21 представляет собой сенсор визуализации химических соединений, называемый в настоящем описании также микрофизиометром или светоуправляемым потенциометрическим сенсором (LAPS - от англ. light-addressable potentiometric sensor). Полупроводниковая система 11, 21 визуализации химических соединений, включающая анализатор 11 и/или второе регистрирующее средство 21, предпочтительно выполняется с возможностью генерирования сигнала обнаружения для визуализации двумерного распределения химических соединений, или отложений, 31, контактирующих с чувствительной поверхностью 203 второго регистрирующего средства 21. Система 11, 21 визуализации химических соединений предпочтительно группируется на печатной плате, предпочтительно представляющей собой кристаллическую пластину.
Второе регистрирующее средство 21, показанное на фиг. 2, содержит структуру "электролит-изолятор-полупроводник" (EIS - от англ. electrolyte-insulator-semiconductor), включающую полупроводниковую подложку 201 и изолирующее средство 202, в частности из кремния, расположенное на этой полупроводниковой подложке 201. К полупроводниковой подложке 201 предпочтительно прикладывается напряжение постоянного тока, подаваемое средством 214 генерирования напряжения через контактный электрод 204', так что в подложке 201 индуцируется обедненный слой (не показан). В частности, установлено, что обедненный слой зависит от поверхностного потенциала на чувствительной поверхности 203, который изменяется со значением pH раствора 200, предпочтительно раствора 200 электролита. Значение pH представляет собой меру концентрации ионов водорода в растворе электролита. В частности, этот раствор содержит химические соединения, называемые в настоящем описании также аналитами 31 или отложениями 31 и контактирующие с чувствительной поверхностью 203. Второе регистрирующее средство 21 предпочтительно содержит эталонный электрод (электрод сравнения) 204, контактирующий с раствором 200, и контактный электрод 204', контактирующий с полупроводниковой подложкой 201. Здесь осуществляется считывание емкости обедненного слоя в форме фототока 204'' (см. фиг. 3), в частности переменного тока. В данном случае фототок 204'' индуцируется в полупроводниковой подложке 201 в результате освещения последней модулированным световым лучом 210, испускаемым световым указателем 209, предпочтительно лазером 209. Модулированный световой луч 210 в данном случае представляет собой лазерный луч 210. Таким образом, поверхностный потенциал и, следовательно, значение pH, или концентрацию ионов в растворе, определяют путем измерения разности между первым потенциалом, измеренным эталонным электродом 204, и вторым потенциалом, измеренным контактным электродом 204'. Измеренный фототок 204'' предпочтительно усиливается средством 205 усиления и через средство 206 аналого-цифрового преобразования направляется в вычислительное средство 207.
Сфокусированный лазерный луч 210 предпочтительно генерируется оптическим средством 211, выполненным с возможностью сканирования чувствительной поверхности, или области, 203. Лазерный источник света 209 предпочтительно монтируется вместе с оптическим средством 211, в частности с фокусирующей оптикой, располагаемой под схемой сенсора. В данном случае оптическое средство 211 выполнено с возможностью позиционирования лазерного луча 210 в каждой освещаемой точке 209'' чувствительной поверхности 203. Точка 209'', освещаемая лазерным указателем 209, в настоящем описании называется также пятном 209'' измерения (см. фиг. 4). Положение лазерного луча 210 на чувствительной поверхности 203 предпочтительно регулируется средством 208 управления, которое приводит в действие оптическое средство 211 в зависимости от сигнала, поступающего из вычислительного средства 207, и/или сигнала обратной связи, поступающего из оптического средства 211.
Вычислительное средство 207 предпочтительно генерирует сигнал 213 регулирования напряжения, который преобразуется, в частности средством 212 цифроаналогового преобразования, с целью регулирования напряжения постоянного тока, генерируемого средством 214 генерирования напряжения. Приложенное напряжение постоянного тока и положение лазерного луча 210 предпочтительно регулируются вычислительным средством 207, выполненным с возможностью проведения синхронизированного измерения фототока 204''. В частности, фототок 204'' измеряется отдельно в каждом пятне 209'' измерения, в результате чего получается карта двумерного распределения химических соединений 31 на чувствительной поверхности 203, зависящая от отдельных измерений в каждом пятне 209''. Установлено, что пространственная разрешающая способность чувствительной системы 21, 11 зависит от нескольких параметров, таких как толщина чувствительной пластины 202, 202' и диффузионная длина неосновных носителей заряда в полупроводнике 203. Второе регистрирующее средство 21 предпочтительно выполнено с возможностью получения линейного разрешения с шириной от 1 до 10 микрометров (мкм), более предпочтительно - от 3 до 7 мкм, еще более предпочтительно - 5 мкм. Скорость измерения предпочтительно составляет 100 пикселей в секунду.
Чувствительная поверхность 203 предпочтительно содержит полимер и/или снабжена микроструктурированным материалом. Микроструктурированный материал предпочтительно содержит пористый кремний, в котором сформированы микропоры со средним диаметром менее 10 мкм, более предпочтительно - менее 5 мкм, еще более предпочтительно - приблизительно 1 мкм. Тем самым создается благоприятная возможность увеличения способности прилипания биологических клеток 31 к чувствительной поверхности 203 и/или обеспечения непрерывного измерения поверхностного потенциала, значения pH и/или концентрации ионов в растворе 200 и/или изменения значения pH в питательной среде 200. Кроме того, обеспечивается благоприятная возможность визуализации и/или количественного определения биохимической активности биологических систем 31, расположенных на чувствительной поверхности 203.
2
2
На фиг. 3 представлен пример исполнения второго регистрирующего средства 21 устройства 1 согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. В данном случае второе регистрирующее средство 21 представляет собой светоуправляемый потенциометрический сенсор 21, предпочтительно сенсор 21 на основе полевого эффекта, в частности ионоселективный полевой транзистор (ISFET - от англ. ion-selective field-effect transistor) или сенсор со структурой электролит-изолятор-полупроводник. Второе регистрирующее средство 21 имеет здесь слоистую структуру, включающую нижний слой 201, предпочтительно представляющий собой кремниевую подложку 201 в виде пластины из кремния, в частности кремния р-типа, изолирующее средство 202, представляющее собой изолятор 202, предпочтительно из окиси кремния, и преобразующий слой 202', представляющий собой преобразующее средство 202', предпочтительно из окиси тантала (TaO). На задней стороне, противоположной чувствительной поверхности 203, здесь предусмотрен контактный электрод 204', предпочтительно представляющий собой омический контакт 204', предпочтительно выполненный из алюминия (Аl) и расположенный вдоль направления, перпендикулярного плоскости основной протяженности чувствительной поверхности 203. Контактный электрод 204' имеет предпочтительно кольцеобразную форму. В данном случае контактный электрод 204' обеспечивает электрическое соединение со слоистой структурой второго регистрирующего средства 21. Контактный электрод 204' предпочтительно электрически соединяется с эталонным электродом 204, предпочтительно представляющим собой хлоридсеребряный (Ag/AgCl) электрод с жидкостным соединением. Эталонный электрод 204 и второй электрод 204' предпочтительно соединяются с промежуточной электронной системой 11 или анализатором 11 полупроводниковой системы визуализации химических соединений, причем промежуточная электронная система 11 выполнена с возможностью генерирования сигнала для приведения в действие второго регистрирующего средства 21 и/или считывания сигнала 204'' сенсора, предпочтительно фототока 204'', со второго регистрирующего средства 21.
Преобразующее средство 202'второго регистрирующего средства 21 предпочтительно выполнено с возможностью электрохимического взаимодействия с отложением, или аналитом, 31 на чувствительной поверхности 203, контактирующей с раствором, и/или иммобилизуется с помощью иммобилизующего средства 202''' (см. фиг. 4), расположенного на чувствительной поверхности 203. В частности, поверхностный потенциал образуется в результате электрохимического взаимодействия между преобразующим средством 202' и аналитом 31. Установлено, что поверхностный потенциал зависит от концентрации аналита 31 на чувствительной поверхности 203 и/или в растворе 200. Фототок 204'' предпочтительно измеряется в зависимости от положения освещаемой точки, или пятна измерения, 209'' на чувствительной поверхности 203. Этим обеспечивается благоприятная возможность получения пространственного разрешения отложения на чувствительной поверхности 203. Второе регистрирующее средство 21 содержит здесь светоуказательную решетку 209', предпочтительно решетку 209' инфракрасных (ИК) светоизлучающих диодов (СИД), служащих в качестве светоуказателей 209. В частности, решетка 209' ИК-СИД выполнена с возможностью освещения различных чувствительных областей, или пятен 209'' измерения, на чувствительной поверхности 203. Предпочтительно используемой модификацией решетки 209' ИК-СИД является решетка с конфигурацией диодов 4×4, в результате чего на чувствительной поверхности 203 возникает шестнадцать пятен 209'' измерения.
В первом рабочем режиме происходит последовательное включение одного ИК-СИД за другим в составе группы, что позволяет выполнить измерения во всех 16 пятнах измерения в пределах фиксированной временной последовательности. Это создает благоприятную возможность более простого выполнения требований, относящихся к программному и аппаратному обеспечению. Во втором рабочем режиме происходит параллельное считывание в нескольких пятнах измерения. Каждый ИК-СИД решетки 209' предпочтительно сопряжен с одним пятном 209'' измерения и излучает модулированный свет с уникальной частотой модуляции, характерной для данного ИК-СИД. Фототок 204'' предпочтительно генерируется в зависимости от отдельных фототоков с разными частотами, характерными для каждого ИК-СИД. Регистрация фототока 204'' благоприятным образом позволяет одновременно получить информацию обо всех пятнах 209'' измерения. Для разделения фототока 204'' на отдельные фототоки предпочтительно используется алгоритм быстрого преобразования Фурье. Тем самым создается благоприятная возможность обеспечения простой реализации второго регистрирующего средства 21 в устройстве 1.
Второе регистрирующее средство 21 предпочтительно представляет собой светоуправляемый потенциометрический сенсор (LAPS), или микрофизиометр, 21, расположенный на печатной плате, причем светоуказательная решетка 209'предпочтительно объединена с этой печатной платой. Это упрощает работу с разными печатными платами сенсоров и облегчает замену второго регистрирующего средства 21 устройства 1 в зависимости от измеряемого отложения 31. Тем самым создается благоприятная возможность получения устройства, содержащего второе регистрирующее средство 21, в котором электронная и механическая части объединены в единый узел на печатной плате, чем обеспечивается компактное техническое исполнение, обладающее преимуществами портативности и малых потребностей в конструктивном пространстве.
2
На фиг. 4 показаны четыре пятна 209'' измерения, образованные посредством светоуказательной решетки 209', предпочтительно решетки 209' ИК-СИД, на чувствительной поверхности 203. В данном случае фоторезистивный слой 202'' соединен с преобразующим средством 202' на чувствительной поверхности 203. Фоторезистивный слой 202'' предпочтительно содержит негативный фоторезист на эпоксидной основе с полимером, предпочтительно SU-8. В фоторезистивном слое 202'' предпочтительно формируют ячейки 203', предпочтительно имеющие размер приблизительно 6×13 мм. Ячейки 203' предпочтительно заполняют иммобилизующим средством 202''', предпочтительно гелем 202''', в частности полиакриламидным гелем. Первая ячейка из ячеек 203'содержит здесь только иммобилизующее средство 202''', а вторая ячейка из ячеек 203'содержит иммобилизующее средство 202''' и аналит, или отложение, 31. Этим обеспечивается благоприятная возможность создания на печатной плате дифференциальной схемы второго регистрирующего средства 21. Первая ячейка из ячеек 203' предпочтительно служит в качестве дополнительного регистрирующего средства 21' для эталонных измерений. Этим обеспечивается благоприятная возможность ослабления воздействия на измерение внешних факторов, например дрейфа сенсора, изменения температуры и/или pH окружающей среды. Установлено, что внешние факторы воздействуют на обе области чувствительной поверхности 203 внутри ячеек 203', и это воздействие может быть скомпенсировано посредством дифференциального измерения. Иммобилизующее средство 202''' содержит ферменты, клетки, бактерии и/или биофункционализированные полимеры.
Например, иммобилизующее средство содержит матричную ловушку в геле для получения равномерного распределения клеток при большом количестве последних. В альтернативном варианте клетки иммобилизуются методом роста на носителе или ковалентной иммобилизации. Например, в данном случае в качестве гелевой матрицы в ячейках 203'используется, например, альгинат, агароза или полиакриламидный гель. Тем самым создается благоприятная возможность реализации в качестве второго регистрирующего средства 21 биосенсора на основе живых клеток, иммобилизованных на чувствительной поверхности светоуправляемого потенциометрического сенсора 21. Второе регистрирующее средство 21 предпочтительно является чувствительным к концентрациям питательных веществ, метаболизируемых бактериями, в частности вследствие внеклеточной ацидификации. Второе регистрирующее средство, или светоуправляемый потенциометрический сенсор, 21 предпочтительно реализуется на интегральной микросхеме и выполняется с возможностью дифференциального измерения концентрации питательных веществ. Тем самым обеспечивается благоприятная возможность ослабления воздействия внешних факторов путем проведения дифференциального измерения.
Список ссылочных номеров
1
устройство для обнаружения отложений
10
ультразвуковой преобразователь / первое регистрирующее средство
11
анализатор
12
ультразвуковой испускаемый сигнал
13
ультразвуковой отраженный сигнал
20
отражающий участок
21
второе регистрирующее средство
10'
дополнительный ультразвуковой преобразователь/дополнительное первое регистрирующее средство
11'
дополнительный анализатор
12'
дополнительный ультразвуковой испускаемый сигнал
13'
дополнительный ультразвуковой отраженный сигнал
20'
дополнительный отражающий участок
21'
дополнительное второе регистрирующее средство
30
труба для прохождения жидкости
31
отложения
100
направление потока
200
раствор
201
подложка
202
изолирующее средство
202'
преобразующее средство
202''
фоторезистивный слой
202'''
иммобилизующее средство
203
чувствительная поверхность
203'
ячейка
204
эталонный электрод
204'
контактный электрод
204''
фототок
205
средство усиления
206
средство аналого-цифрового преобразования
207
вычислительное средство
208
средство управления
209
световой указатель
209'
светоуказательная решетка
209''
пятно измерения
210
световой луч
211
оптическое средство
212
средство цифроаналогового преобразования
213
сигнал регулирования напряжения
214
средство генерирования напряжения.