УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОТЛОЖЕНИЙ
DEPOSITS DETECTING DEVICE AND METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и способу 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 механические отложения по меньшей мере частично препятствуют прохождению потока через средства перемещения жидкостей, а 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 механическими 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, механические 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.
Для предотвращения скопления биологических отложений и, в частности, роста биопленок в качестве контрмеры добавляют в поток жидкости биоциды. Механические 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 того, 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. Поэтому возникает необходимость отличить механические и биологические отложения друг от друга и определить толщину этих отложений.
В документе WO 2009/141135 А1, описывающем известный уровень техники, представлены способ и устройство для высокоточного измерения одной из характеристик биологического или механического отложения внутри сосуда с жидкостью. Ультразвуковой преобразователь испускает ультразвуковой сигнал в направлении отражающего участка внутри сосуда с жидкостью, после чего осуществляется измерение расстояния между ультразвуковым преобразователем и отражающим участком или между ультразвуковым преобразователем и отложением на отражающем участке путем оценки временного интервала прохождения сигнала, отраженного от отражающего участка или от отложения, покрывающего отражающий участок. Измеренное расстояние сравнивают с эталонным расстоянием, измеренным на начальном этапе калибровки в отсутствие каких-либо отложений на отражающем участке. Разность между измеренным и эталонным расстояниями представляет собой меру толщины отложения. Недостатком данного метода является то, что 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 не может быть точно определено с помощью эталонного расстояния, измеренного ранее. Следовательно, результат измерения толщины отложений содержит неизвестную ошибку, зависящую от эксплуатационных параметров, таких как давление и температура.
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 механических 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.
Сущность изобретения
Поэтому одной из целей настоящего изобретения является создание устройства и способа для обнаружения биологических и/или механических отложений, которые позволяют выполнить точное измерение биологических и/или механических отложений в рабочем аппарате, даже если это устройство не может быть смонтировано непосредственно внутри этого рабочего аппарата вследствие, например, ограниченности монтажного пространства.
Цель настоящего изобретения достигается посредством устройства для обнаружения отложений на отражающем участке внутри системы, вмещающей жидкость, содержащего ультразвуковой преобразователь для испускания ультразвукового испускаемого сигнала в направлении отражающего участка и регистрирующее средство для регистрации ультразвукового отраженного сигнала, полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала в области отражающего участка, причем данное устройство также содержит нагревательное средство для повышения температуры отражающего участка.
Таким образом, в настоящем изобретении предусмотрена благоприятная возможность повышения температуры отражающего участка, что позволяет эффективно воспроизвести в области монтажа предлагаемого устройства реальные условия, существующие внутри рабочего аппарата, гидравлически сообщающегося с системой, вмещающей жидкость. Если эффективная температура в области отражающего участка устанавливается с помощью нагревательного средства на значение, соответствующее фактической температуре внутри рабочего аппарата, то скопление отложений в области отражающего участка будет очень схожим со скоплением отложений в рабочем аппарате. Благодаря этому можно точно измерить скопление биологических и/или механических отложений внутри рабочего аппарата без необходимости монтажа измерительного устройства непосредственно внутри этого аппарата. Монтаж такого устройства вне рабочего аппарата делает его более доступным для технического обслуживания или ремонта и может иметь следствием снижение затрат на монтажные работы. Другое преимущество данного решения состоит в том, что данное устройство не оказывает влияния на функционирование рабочего аппарата, а существующие установки можно легко модернизировать с помощью подобных измерительных устройств. В контексте настоящего описания система, вмещающая жидкость, в предпочтительном варианте содержит трубу или трубку, которая по меньшей мере временно гидравлически сообщается с рабочим аппаратом и в предпочтительном варианте представляет собой линию подачи жидкости в рабочий аппарат или линию слива жидкости из рабочего аппарата. Ясно также, что эта труба или трубка подсоединена параллельно рабочему аппарату. В альтернативном варианте система, вмещающая жидкость, может также представлять собой жидкостный резервуар, который лишь временно гидравлически сообщается с рабочим аппаратом. В предпочтительном варианте система, вмещающая жидкость, содержит трубку, представляющую собой часть устройства. В частности, в предпочтительном варианте отражающий участок также является частью устройства и расположен внутри трубки и/или внутри стенки трубки. Трубка выполнена с возможностью соединения, например, с вмещающим жидкость трубопроводом рабочего аппарата. В частности, устройство содержит отражающую стенку, содержащую отражающий участок и работающую в качестве последнего.
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 (именуемых 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, известных 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, нагревательное средство непосредственно соединено с отражающим участком, причем в предпочтительном варианте нагревательное средство неподвижно соединено с отражающим участком с помощью теплопроводящего средства, изготовленного из теплопроводящего материала. Тем самым достигается благоприятная возможность эффективной передачи тепла от нагревательного средства к отражающему участку. Благодаря этому может быть снижено потребление энергии устройством. Это обстоятельство является особенно важным в случае непрерывного нагрева отражающего участка с целью моделирования постоянного роста отложений аналогично тому, как это происходит в рабочих аппаратах.
Согласно одному из особенно предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, отражающий участок по меньшей мере частично образован отражающей стенкой, а в предпочтительном варианте отражающая стенка включает части стенки системы, вмещающей жидкость, и/или по меньшей мере функционирует в качестве части стенки системы, вмещающей жидкость. При этом отражающая стенка полностью встроена в стенку системы, вмещающей жидкость, и не создает турбулентности в потоке жидкости через эту систему, когда последняя содержит трубу для прохождения жидкости. В предпочтительном варианте внутренняя сторона отражающей стенки обращена к ультразвуковому преобразователю, а наружная сторона - в сторону от этого преобразователя, причем нагревательное средство соединено с наружной стороной отражающей стенки, так что, во-первых, обеспечивается сравнительно эффективная передача тепла между нагревательным устройством и отражающей стенкой и, во-вторых, это не влияет на поток жидкости.
В предпочтительном варианте устройство содержит отражающий узел, включающий нагревательное средство, теплопроводящее средство и отражающую стенку, причем этот отражающий узел в предпочтительном варианте соединен, с возможностью съема, с системой, вмещающей жидкость, таким образом, что отражающая стенка входит в отверстие в стенке системы, вмещающей жидкость. Тем самым создается благоприятная возможность быстрого и легкого монтажа данного устройства в системе, вмещающей жидкость. В частности, отражающий узел соединяется с системой, вмещающей жидкость, посредством соединительных элементов, в частности посредством резьбового соединительного элемента. В предпочтительном варианте между отражающей стенкой и стенкой системы, вмещающей жидкость, окружающей отражающую стенку, предусмотрено уплотнительное средство для уплотнения отверстия в системе, вмещающей жидкость. Это уплотнительное средство содержит, например, уплотнительное кольцо в форме кольца круглого сечения. Уплотнительное кольцо располагается в канавке в стенке системы, вмещающей жидкость, или в отражающей стенке. С целью упрощения монтажа устройства в последнем в предпочтительном варианте предусмотрен измерительный узел, содержащий ультразвуковой преобразователь и регистрирующее средство, причем измерительный узел соединен, с возможностью съема, с системой, вмещающей жидкость, таким образом, что измерительный узел и отражающий узел находятся на противоположных сторонах системы, вмещающей жидкость.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, теплопроводящее средство содержит держатель, имеющий выемку, в которой размещается нагревательное средство, причем теплопроводящее средство содержит отражающую стенку, внутренняя сторона которой обращена к ультразвуковому преобразователю. В предпочтительном варианте держатель содержит металлический материал, имеющий сравнительно хорошую теплопроводность. Держатель изготавливают, например, из чугуна, стали, меди, латуни, нержавеющей стали, серебра, золота и т.п. Латунь может представлять собой адмиралтейскую латунь, содержащую около 29% цинка, около 1% олова и около 70% меди. В предпочтительном варианте держатель содержит медь или изготовлен из меди, а в особенно предпочтительном варианте держатель содержит сплав или изготовлен из сплава, который включает медь, никель и железо (CuNiFe) или медь, никель, железо и марганец (CuNiFeMn) или медь, никель, железо и кобальт (CuNiFeCo). В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения держатель изготовлен из CuNiFeMn, причем весовое процентное содержание меди находится в диапазоне 86-89,7, никеля - в диапазоне 9-11, железа - в диапазоне 1-2 и марганца - в диапазоне 0,5-1. В одном из наиболее предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения весовое процентное содержание никеля равно 10, а железа - 1,6. В частности, материал держателя соответствует материалу, указанному как "CuNi10Fe1Mn" в официальном листке технических данных на материалы, изданном в 2012 г. Немецким институтом меди (Deutsches Kupferinstitut). Использование указанных материалов обеспечивает очень хорошую теплопроводность и одновременно с этим хорошую водостойкость держателя.
В альтернативном варианте осуществления держатель изготовлен из первого материала и содержит покрытие из второго материала на отражающем участке. В предпочтительном варианте первый материал обладает хорошей теплопроводностью, схожей с теплопроводностью меди, тогда как второй материал в предпочтительном варианте представляет собой более коррозионностойкий материал и/или материал, соответствующий по характеристикам материалу моделируемой системы, вмещающей жидкость, или моделируемого рабочего аппарата. В предпочтительном варианте покрытие изготовлено из нержавеющей стали. В предпочтительном варианте выемка выполнена таким образом, что электрический патронный нагревательный элемент размещается параллельно продольной оси трубки, благодаря чему может быть повышена эффективность передачи тепла от этого нагревательного элемента к отражающей стенке через держатель.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, отражающий узел содержит теплоизолятор, изолирующий нагревательное средство и отражающую стенку от стенки сосуда с жидкостью, окружающей отражающую стенку. В предпочтительном варианте теплоизолятор предусмотрен между отражающей стенкой и соединительными элементами, а в особенно предпочтительном варианте теплоизолятор по меньшей мере частично охватывает нагревательное средство. Теплоизолятор по меньшей мере частично препятствует передаче тепла от нагревательного средства к стенке сосуда с жидкостью, окружающей отражающую стенку, благодаря чему может быть снижено потребление энергии, требуемой для повышения температуры отражающей стенки. Теплоизолятор может быть изготовлен, например, из полимера, например из полиэфироэфирокетона (PEEK).
В предпочтительном варианте устройство содержит датчик температуры, в предпочтительном варианте предусмотренный между нагревательным средством и отражающим участком, так что обеспечивается возможность измерения и контроля фактической температуры на отражающем участке с целью предотвращения перегрева и/или задания конкретной эталонной температуры. В предпочтительном варианте датчик температуры встроен в отражающую стенку. На наружной стороне отражающей стенки может быть предусмотрена полость, которая по меньшей мере частично окружает датчик температуры. В предпочтительном варианте устройство содержит два датчика температуры, расположенных внутри держателя и рядом с отражающей стенкой. Использование двух датчиков температуры позволяет определить температуру у отражающей стенки.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, устройство содержит анализатор, выполненный с возможностью анализа распределения температуры, измеренной датчиком температуры, с целью выявления наличия отложений на отражающем участке и/или определения типа и/или толщины слоя этих отложений на отражающем участке. С помощью простого контроля (посредством датчика температуры) распределения температуры с течением времени в области отражения обеспечивается благоприятная возможность обнаружения наличия отложений в этой области, поскольку при постоянной тепловой мощности и росте слоя отложений на отражающем участке происходит изменение (уменьшение) эффективной теплопроводности отражающей стенки, что отображается соответствующими сигналами в распределении температуры с течением времени, которые могут быть зарегистрированы анализатором. Кроме того, форма изменений в этом распределении является показателем, характеризующим тип отложений, например механических или биологических, поскольку характеристика передачи тепла между отражающей стенкой (например, изготовленной из металла) и биологическим отложением отличается от характеристики передачи тепла между такой же отражающей стенкой и механическим отложением. Аналогичным образом можно также оценить толщину слоя отложений, проанализировав форму изменений в распределении или сравнив фактическое и эталонное распределения (например, полученное в результате эталонных измерений). В предпочтительном варианте толщина слоя механических отложений определяется посредством анализа времени пробега ультразвукового отраженного сигнала.
Еще одним предметом изобретения является способ обнаружения биологических и/или механических отложений на отражающем участке внутри сосуда с жидкостью, включающий испускание ультразвукового испускаемого сигнала ультразвуковым преобразователем в направлении отражающего участка и регистрацию регистрирующим средством ультразвукового отраженного сигнала, полученного в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала в области отражающего участка, причем температура отражающего участка повышается с помощью нагревательного средства.
Данный способ обеспечивает благоприятную возможность осуществления активного контроля температуры на отражающем участке. Благодаря этому можно выполнить моделирование скопления отложений в произвольных и заданных пользователем температурных условиях. В частности, способ, предлагаемый в настоящем изобретении, позволяет косвенным образом оценить скопление отложений внутри рабочего аппарата без монтажа измерительного устройства непосредственно в этом рабочем аппарате, используя моделирование фактических температурных условий на отражающем участке внутри последнего.
В предпочтительном варианте нагрев отражающего участка осуществляется путем непосредственного подвода тепла от нагревательного средства к отражающему участку, причем тепло от нагревательного средства подводится к отражающему участку через теплопроводящее средство, изготовленное из теплопроводящего материала, который неподвижно соединен с отражающим участком и нагревательным средством. Тем самым обеспечивается возможность реализации сравнительно эффективной передачи тепла и снижения потребления энергии.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, температура отражающего участка измеряется датчиком температуры. В предпочтительном варианте нагревательное средство регулируется в зависимости от температуры, определенной датчиком температуры. В предпочтительном варианте нагревательное средство регулируется таким образом, что температура, определенная датчиком температуры, соответствует заданному эталонному значению. Температура отражающего участка устанавливается на требуемое заданное эталонное значение и/или поддерживается на уровне эталонного значения посредством управляющего контура. Эталонное значение в предпочтительном варианте определяется путем измерения фактической температуры внутри соответствующего контролируемого рабочего аппарата, так что температура на отражающем участке всегда соответствует фактической температуре в этом рабочем аппарате.
Кроме того, данный способ в предпочтительном варианте включает анализ наличия биологических и/или механических отложений на отражающем участке и определение толщины биологических и/или механических отложений на этом участке. В особенно предпочтительном варианте способ обеспечивает возможность определения типа отложений (биологические или механические), имеющихся на отражающем участке.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, нагревательное средство регулируется таким образом, что тепловая мощность, обеспечиваемая этим нагревательным средством, остается по существу постоянной. Как уже упоминалось выше, существует благоприятная возможность обнаружения наличия отложений на отражающем участке с помощью простого контроля (посредством датчика температуры) распределения температуры с течением времени в области отражения, поскольку при постоянной тепловой мощности и росте слоя отложений на отражающем участке происходит изменение эффективной теплопроводности отражающей стенки, что отображается соответствующими регистрируемыми сигналами в распределении температуры с течением времени. Поэтому распределение температуры, измеренной датчиком температуры, в предпочтительном варианте анализируется анализатором с целью выявления наличия отложений на отражающем участке и/или определения толщины слоя отложений на отражающем участке и/или определения типа отложений (биологические и/или механические) на отражающем участке. Тем самым обеспечивается благоприятная возможность выявления наличия слоя отложений внутри рабочего аппарата путем простого контроля хода температуры. Кроме того, в случае обнаружения отложений имеется благоприятная возможность определения типа (например, механические или биологические) и количества (например, толщины) скопления этих отложений в рабочих аппаратах путем простого анализа формы изменений в ходе температуры со временем. Следовательно, могут быть приняты, в случае необходимости, соответствующие контрмеры, такие как добавление биоцидов в жидкую среду и в систему, вмещающую жидкость. В предпочтительном варианте толщина слоя механических отложений определяется посредством анализа времени пробега ультразвукового отраженного сигнала.
Работа измерительного узла может осуществляться в соответствии с описанным в публикации WO 2009/141135 А1. Прочие варианты осуществления и отличительные особенности способа и устройства, соответствующих настоящему изобретению, также описаны в публикации WO 2009/141135 А1, включенной в настоящую заявку в качестве ссылки.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, нагревательное средство регулируется таким образом, что тепловая мощность, обеспечиваемая этим нагревательным средством, остается по существу постоянной, причем выполняется контроль хода температуры, измеренной по меньшей мере одним датчиком температуры, с течением времени, а наличие скопления отложений на отражающей стенке выявляется или констатируется в случае обнаружения изменения в ходе температуры с течением времени. Если температура отражающей стенки остается постоянной, то на отражающей стенке 8 отсутствуют скопления отложений, сколько-нибудь поддающихся измерению. Однако если температура отражающей стенки с течением времени изменяется, тогда как температура и скорость потока жидкой среды, а также тепловая мощность остаются постоянными, то это является признаком роста слоя отложений на отражающей стенке, поскольку слой отложений изменяет эффективную теплопроводность держателя и отражающей стенки. Тем самым создается благоприятная возможность обнаружения скопления отложений на отражающей стенке независимо от типа отложений. На основе величины изменения температуры с течением времени можно также выполнить количественную оценку толщины биопленки.
Согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, при выявлении или констатации наличия скопления отложений сравнивается время пробега ультразвукового отраженного сигнала с эталонным временем пробега, причем выявляется или констатируется наличие скопления механических отложений, когда регистрируется как изменение хода температуры с течением времени, так и различие в значениях между временем пробега ультразвукового отраженного сигнала и эталонного времени пробега, и выявляется или констатируется наличие скопления биологических отложений, когда регистрируется изменение хода температуры с течением времени и отсутствие существенного различия в значениях между временем пробега ультразвукового отраженного сигнала и эталонного времени пробега. Если измеренное время пробега по существу равно эталонному, то ультразвуковой испускаемый сигнал отражается отражающей стенкой, а не слоем отложений. Однако изменение температуры, выявленное в отражающей стенке, является признаком наличия отложений на этой стенке. Это означает, что слой отложений, покрывающий отражающую стенку, является прозрачным для ультразвуковых волн и, следовательно, не отражает ультразвуковой испускаемый сигнал. Поэтому можно заключить, что этот слой состоит, в основном, из биологических отложений (также называемых органическими отложениями). Если измеренное время пробега меньше эталонного, то ультразвуковой испускаемый сигнал отражается верхней поверхностью слоя отложений. В этом случае можно заключить, что слой отложений является непрозрачным для ультразвуковых волн. Это означает, что этот слой состоит из механических отложений, содержащих неорганические вещества. Толщину слоя механических отложений можно вычислить непосредственно из разности значений измеренного и эталонного времени пробега с учетом скорости звука в воде. Тем самым создается благоприятная возможность для обнаружения наличия любых отложений на отражающей стенке, определения типа отложений (органические или неорганические), скопившихся на этой стенке, и вычисления толщины слоя этих отложений. Кроме того, можно смоделировать температурные условия внутри рабочего аппарата.
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 чертежах показано:
фиг. 1 - схематическая иллюстрация устройства и способа для обнаружения и анализа биологических и/или механических отложений согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, представленному в качестве примера,
фиг. 2А, 2Б и 2В - схематическое изображение устройства для обнаружения биологических и/или механических отложений согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения, представленному в качестве примера,
фиг. 3А, 3Б и 3В - схематическое изображение устройства для обнаружения биологических и/или механических отложений согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения, представленному в качестве примера,
фиг. 4 - схематическое изображение держателя устройства для обнаружения биологических и/или механических отложений согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения, представленному в качестве примера.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Настоящее изобретение описывается на отдельных примерах 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 и что элементы изобретения в вариантах осуществления, представленных в настоящем описании, могут функционировать в последовательности, отличающейся от описанной или проиллюстрированной.
На фиг. 1 показано устройство 1 для обнаружения биологических и/или механических отложений 2 внутри системы 4, вмещающей жидкость, соответствующее первому варианту осуществления настоящего изобретения, представленному в качестве примера. В данном примере система 4, вмещающая жидкость, представляет собой часть предприятия бумажного производства. Система 4 содержит полую трубу, по которой жидкая среда 23 поступает в рабочий аппарат 22, представляющий собой, например, теплообменник или бойлер. Устройство 1 содержит измерительный узел 16 и отражающий узел 11. Измерительный узел 16 и отражающий узел 11 расположены на противоположных сторонах системы 4 и обращены друг к другу. Измерительный узел 16 содержит ультразвуковой преобразователь 5 и регистрирующее средство 6. Ультразвуковой преобразователь 5 испускает ультразвуковой испускаемый сигнал 20 в направлении отражающего участка 3 и отражающего узла 11, который содержит отражающую стенку 8, расположенную в пределах отражающего участка 3. Для обнаружения и анализа биологических и/или механических отложений 2, скопившихся в области 10 отражения на отражающей стенке 8, осуществляются регистрация посредством регистрирующего средства 6 и анализ посредством анализатора 19 ультразвукового отраженного сигнала 21, возникшего в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала 20 в области 10 отражения. Отражающая стенка 8 функционирует как часть стенки системы 4, вмещающей жидкость, так что внутренняя сторона 9 отражающей стенки 8, обращенная к измерительному узлу 16, может быть покрыта, в зависимости от фактических окружающих условий, механическими и/или биологическими отложениями 2. В отсутствие скопления отложений 2 на отражающей стенке 8 внутренняя сторона 9 последней служит, главным образом, в качестве отражающей поверхности для ультразвукового сигнала. Если механические и/или биологические отложения 2 покрывают отражающую стенку 8, то ультразвуковой сигнал по меньшей мере частично отражается от поверхности этих отложений 2.
Для моделирования определенных температурных условий в области отражающего участка 3 в отражающем узле 11 предусмотрено нагревательное средство 7, обеспечивающее повышение температуры на отражающем участке 3. В данном примере нагревательное средство 7 содержит патронный электрический нагревательный элемент. Патронный нагревательный элемент по меньшей мере частично охватывается теплопроводящим средством 7', в предпочтительном варианте изготовленным из теплопроводящего материала, например металла. В частности, теплопроводящее средство 7' неподвижно соединено с патронным нагревательным элементом и внутренней стороной отражающей стенки 8, чем обеспечивается эффективная передача тепла от патронного нагревательного элемента к отражающей стенке 8. Нагревательное средство 7 соединяется через теплопроводящее средство 7' с наружной стороной 10 отражающей стенки 8, обращенной в сторону, противоположную измерительному узлу 16. Нагревательное средство 7 регулируется таким образом, что его тепловая мощность остается с течением времени по существу постоянной.
Кроме того, отражающий узел 11 устройства 1 содержит датчик 15 температуры, расположенный между отражающим участком 3 и нагревательным средством 7 в полости отражающей стенки 8. Датчик 15 температуры осуществляет непрерывное или периодическое измерение температуры в области отражающей стенки 8. В некоторых вариантах осуществления устройство 1 содержит анализатор 25 для анализа распределения температуры с течением времени с целью выявления наличия отложений 2 в области 10 отражения. Анализатор 25 оценивает, возникло ли в распределении температуры изменение, не зависящее от колебаний температуры жидкости. Если подобные изменения в распределении температуры имеют место, то можно сделать заключение о наличии отложений 2 на отражающей стенке 8. Если анализатор 25 обнаруживает скопление отложений 2, то производится оценка типа и толщины слоя отложений 2 на основе формы изменений в распределении температуры.
В результате обеспечивается возможность повышения температуры отражающей стенки 8 с помощью нагревательного средства 7, так что фактические температурные условия внутри рабочего аппарата 22 могут быть эффективно смоделированы в месте расположения отражающей стенки 8. Если эффективную температуру в области отражающей стенки 8 повысить до фактического значения температуры внутри рабочего аппарата 22, измеренной, например, с помощью датчика температуры (не показан), то скопление отложений 2 на отражающей стенке 8 будет очень похожим на скопление отложений 2 внутри рабочего аппарата 22. Следовательно, скопление биологических и/или механических отложений 2 внутри рабочего аппарата может быть точно измерено посредством измерительного узла 16, хотя устройство 1 не располагается внутри рабочего аппарата 22.
В случае обнаружения наличия биологических или механических отложений 2 генерируется соответствующий управляющий сигнал для принятия необходимых контрмер, например добавления биоцидов в жидкую среду 23 и в систему 4, вмещающую жидкость. В предпочтительном варианте управляющий сигнал зависит от типа отложений 2 (механические или биологические) и вычисленного значения толщины слоя последних. Управляющий сигнал инициирует, например, повышение концентрации биоцидов в жидкой среде 23 в случае обнаружения толстого слоя биологических отложений 2 и снижение концентрации биоцидов, если этот слой тонок. Существует возможность использования одного или более насосов (не показаны), непосредственно управляемых этим управляющим сигналом с целью закачки соответствующего количества биоцидов в жидкую среду 23. В альтернативном варианте можно использовать один или более клапанов (не показаны), управляемых управляющим сигналом с целью подачи соответствующего количества биоцидов в жидкую среду 23. В предпочтительном варианте устройство 1 содержит интерфейс 24 коммуникационной сети для передачи управляющего сигнала и/или данных измерений через эту сеть, например в целях регистрации, мониторинга, управления или технического обслуживания.
На фиг. 2А, 2Б и 2В схематически показано устройство 1 для обнаружения биологических и/или механических отложений 2, соответствующее второму варианту осуществления настоящего изобретения, представленному в качестве примера. В принципе, второй вариант осуществления устройства 1 схож с первым вариантом осуществления, показанным на фиг. 1, с тем отличием, что отражающий узел 11 устройства 1 согласно второму варианту осуществления соединен с системой 4, вмещающей жидкость, посредством соединительных элементов 12 и уплотнительного средства 13. Соединительные элементы 12 включают резьбовой соединительный элемент, так что монтаж отражающего узла 11 можно осуществить, просто вставив и ввинтив отражающую стенку 8 в отверстие в стенке системы 4, вмещающей жидкость. Для уплотнения отверстия в системе 4 предусмотрено уплотнительное средство 13 между отражающей стенкой 8 и стенкой системы 4, окружающей отражающую стенку 8. Уплотнительное средство 13 содержит уплотнительное кольцо в форме кольца круглого сечения, расположенного в канавке в стенке системы 4. Отражающий узел 11 содержит, кроме того, теплоизолятор 14, по меньшей мере частично охватывающий теплопроводящее средство 7' для предотвращения передачи тепла от нагревательного средства к стенкам системы 4, окружающим отражающую стенку. В частности, теплоизолятор 14 частично расположен между теплопроводящим средством 7' и соединительными элементами 12 и между отражательной стенкой 8 и уплотнительным средством 13. Система 4 содержит трубку 17, включающую впускной фитинг 18 и выпускной фитинг 19 для ввинчивания трубки 17 в трубопровод промышленного предприятия или в рабочий аппарат 22. В альтернативном варианте в качестве нагревательного средства 7 может быть использован электрический панельный нагреватель (не показан). В этом случае внутренняя сторона 9 отражающей стенки 8 соединяется непосредственно с нагревательной панелью такого нагревателя.
На фиг. 3А, 3Б и 3В схематически показано устройство 1 для обнаружения биологических и/или механических отложений 2, соответствующее третьему варианту осуществления настоящего изобретения, представленному в качестве примера. Устройство 1 содержит трубку 17 с впускным фитингом 18 и выпускным фитингом 19. Трубка 17 интегрирована в систему 4, вмещающую жидкость, например на предприятии бумажного производства (не показано). Система 4 содержит полые трубы, по которым жидкая среда 23 поступает в рабочий аппарат 22, представляющий собой, например, теплообменник или бойлер на предприятии бумажного производства. Поток жидкой среды 23 проходит, по меньшей мере частично, и через трубку 17.
На фиг. 3А устройство 1 показано в разрезе и с пространственным разделением деталей, тогда как на фиг. 3Б устройство 1 показано в разрезе, перпендикулярном продольному направлению трубки 17, а на фиг. 3В - в разрезе, параллельном продольному направлению трубки 17.
В представленном примере трубка 17 имеет прямоугольное поперечное сечение. В стенке 28 трубки предусмотрены первое отверстие 26 и второе отверстие 27, расположенные на противоположных сторонах трубки 17. Устройство 1 содержит измерительный узел 16, расположенный частично внутри первого отверстия 26. Измерительный узел 16 имеет фланец 29, уплотняемый относительно наружной поверхности стенки 28 посредством первого уплотнительного кольца 30. Кроме того, устройство 1 содержит отражающий узел 11, расположенный частично внутри второго отверстия 27. Измерительный узел 16 и отражающий узел 11 расположены на противоположных сторонах трубки 17. Отражающий узел 11 содержит отражающий участок 3, обращенный к измерительному узлу 16.
Измерительный узел 16 имеет, в принципе, ту же конструкцию, что и измерительный узел 16, описанный применительно к фиг. 1 и фиг. 2А-2В. Измерительный узел 16 содержит ультразвуковой преобразователь 5 и регистрирующее средство 6. Ультразвуковой преобразователь 5 испускает ультразвуковой испускаемый сигнал 20 в направлении отражающего участка 3 и отражающего узла 11, который содержит отражающую стенку 8, расположенную в пределах отражающего участка 3. Отражающая стенка 8 также расположена внутри отверстия 27. Для обнаружения и анализа биологических и/или механических отложений 2, скопившихся на отражающей стенке 8, осуществляются регистрация посредством регистрирующего средства 6 и анализ посредством анализатора 19 ультразвукового отраженного сигнала 21, возникшего в результате отражения ультразвукового испускаемого сигнала 20 в области 10 отражения. Отражающая стенка 8 функционирует как часть стенки системы 4, вмещающей жидкость, так что внутренняя сторона 9 отражающей стенки 8, обращенная к измерительному узлу 16, может быть покрыта, в зависимости от фактических окружающих условий в системе 4, механическими и/или биологическими отложениями 2.
Конструкция отражающего узла 11 отличается от конструкции, показанной на фиг. 1 и фиг. 2А-2В. Отражающий узел 11 содержит нагревательное средство 7 для повышения температуры на отражающем участке 3, что обеспечивает возможность моделирования в области отражающего участка 3 определенных температурных условий, в частности температурных условий внутри рабочего аппарата 22. Нагревательное средство 7 содержит цилиндрический электрический патронный нагревательный элемент, расположенный параллельно главной оси трубки 17 для обеспечения более эффективного подвода тепла от нагретой поверхности нагревательного элемента к отражающему участку. Цилиндрический электрический патронный нагревательный элемент размещен в выемке в держателе 31, фиксирующем этот нагревательный элемент и действующем в качестве теплопроводящего средства 7'. Держатель 31 функционирует в качестве теплопроводящего средства 7'. В частности, держатель 31 изготавливается из металла со сравнительно хорошей теплопроводностью, например чугуна, нержавеющей стали, меди и/или латуни.
В представленном примере держатель 31 изготавливается из сплава меди, никеля и железа (CuNiFe), а в предпочтительном варианте - меди, никеля, железа и марганца (CuNi10Fe1,6Mn). Материал CuNiFeMn обладает сравнительно высокой водостойкостью и одновременно с этим хорошей теплопроводностью. Одна сторона держателя 31 содержит отражающую стенку 8, расположенную внутри второго отверстия 27, так что тепло, генерируемое электрическим патронным нагревательным элементом, передается, благодаря теплопроводности внутри держателя 31, непосредственно к отражающей стенке 8.
Фланец 35 держателя 31 опирается на несущий элемент 32. Несущий элемент 32, в предпочтительном варианте изготовленный из синтетического или керамического материала, действует как теплоизолятор 14, уменьшая передачу тепла от держателя 31 к стенке 28 трубки. Несущий элемент 32 располагается также во втором отверстии 27 и содержит третье отверстие 33, в котором размещается отражающая стенка 8. Фланец 35 держателя 31 уплотнен относительно внутренней поверхности несущего элемента 32 посредством второго уплотнительного кольца 34. Несущий элемент 32 уплотнен относительно наружной поверхности трубки 17 посредством третьего уплотнительного кольца 36. Несущий элемент 32 соединен с корпусом 37 болтами 38. Несущий элемент 32 и корпус 37 полностью охватывают держатель 31 вместе с патронным нагревательным элементом за исключением отражающей стенки 8. Фланец 35 держателя 31 уплотнен относительно корпуса 37 посредством четвертого уплотнительного кольца 39. Кроме того, фланец 35 держателя 31 зажат между корпусом 37 и несущим элементом 32, прижатых друг к другу болтами 38. Второе 34, третье 36 и четвертое 39 уплотнительные кольца препятствуют проникновению воды в корпус 37 и вхождению ее в контакт с патронным нагревательным элементом. Корпус 37 содержит сервисное отверстие 40, сквозь которое прокладываются кабели питания и управления. Внутри корпуса 37 предусмотрено дополнительное уплотнительное средство 41, например водоотражающий щиток. Устройство 1 в целом является сравнительно компактным. Измерительный узел 16 и отражающий узел 11 могут быть прижаты к трубке 17 посредством фиксирующих средств (не показаны), например болтов и т.п., простирающихся перед трубкой 17 и за ней от измерительного узла 16 до отражающего узла 11.
Устройство 1 содержит два датчика температуры (не показаны), расположенных вблизи отражающей стенки 8 и предназначенных для точного определения температуры этой стенки. Устройство 1 может содержать датчик, измеряющий температуру жидкой среды 23, проходящей мимо отражающей стенки 8. Кроме того, устройство 1 может быть снабжено расходомером, измеряющим скорость прохождения потока жидкой среды 23 по трубке 17. Устройство 1 содержит анализатор 24 для анализа по меньшей мере температурных данных от датчиков температуры и данных измерений измерительного узла 16 с целью выявления наличия слоя отложений 2 на отражающей стенке 8 и, если отложения 2 обнаружены, распознавания этих отложений (биологические или механические).
Ниже поясняется, как осуществляется обнаружение отложений 2 и распознавание различных типов этих отложений посредством устройства 1, соответствующего третьему варианту осуществления настоящего изобретения. Жидкая среда 23 проходит по трубке 17. Производится включение электрического патронного нагревательного элемента, который регулируется таким образом, чтобы температура отражающей стенки 8 была установлена на требуемое значение. Требуемое значение температуры соответствует, например, фактической рабочей температуре поверхности теплопередачи внутри рабочего аппарата 22. После этого сохраняется постоянной тепловая мощность и контролируется ход температуры отражающей стенки 8 с течением времени. Если температура остается постоянной, то на отражающей стенке 8 вообще отсутствует скопление отложений 2, сколько-нибудь поддающихся измерению. Однако если температура отражающей стенки 8 с течением времени изменяется, тогда как температура и скорость потока жидкой среды 23 остаются постоянными, то это является признаком роста слоя отложений 2 на отражающей стенке 8, поскольку такой слой изменяет эффективную теплопроводность держателя 31. Другими словами, анализатор 16 констатирует наличие отложений 2 на нагретой отражающей стенке 8, обнаружив изменение температуры последней с течением времени.
При обнаружении наличия отложений 2 приводится в действие измерительный узел 16, определяющий толщину слоя отложений 2 посредством анализа времени пробега ультразвукового отраженного сигнала 21. Измерительный узел 16 содержит ультразвуковой преобразователь 5, испускающий ультразвуковой испускаемый сигнал 20 поперек трубки 17 в направлении отражающей стенки 8. Ультразвуковой испускаемый сигнал 20 отражается на отражающем участке 3 обратно в направлении ультразвукового преобразователя 5 либо отражающей стенкой 8, либо слоем отложений 2, покрывающим отражающую стенку 8. Отраженный сигнал, именуемый ультразвуковым отраженным сигналом 21, измеряется регистрирующим средством 6. Определяется время пробега ультразвукового отраженного сигнала 21, которое сравнивается с эталонным временем пробега. Эталонное время пробега соответствует времени пробега ультразвукового отраженного сигнала в отсутствие скопления отложений 2 на отражающем участке при тех же условиях. Например, эталонное время пробега измеряется измерительным узлом 16 вначале сразу после установки устройства 1 в системе 4, вмещающей жидкость, и после нагрева держателя 31 до требуемой температуры. В этот момент еще отсутствует рост отложений 2 на отражающей стенке 8.
Если измеренное время пробега по существу равно эталонному, то ультразвуковой испускаемый сигнал 20 отражается отражающей стенкой 8, а не слоем отложений 2. Однако зафиксированное изменение температуры отражающей стенки 8 является признаком наличия отложений 2 на этой стенке. Это означает, что слой отложений 2, покрывающий отражающую стенку 8, является прозрачным для ультразвуковых волн и, следовательно, не отражает ультразвуковой испускаемый сигнал 20. Это позволяет сделать заключение, что слой отложений 2 состоит, главным образом, из биологических отложений (также называемых органическими отложениями). В частности, слой отложений 2 может представлять собой биопленку. На основе величины изменения температуры с течением времени можно выполнить количественную оценку толщины биопленки.
Если измеренное время пробега меньше эталонного, то ультразвуковой испускаемый сигнал 20 отражается верхней поверхностью слоя отложений 2. Можно заключить, что слой отложений 2 является непрозрачным для ультразвуковых волн. Это означает, что слой отложений 2 состоит из механических отложений, содержащих неорганические вещества. Толщину слоя механических отложений можно вычислить непосредственно из разности значений измеренного и эталонного времени пробега с учетом скорости звука в воде.
Таким образом, устройство 1 и способ, представленные в настоящем описании, позволяют обнаружить наличие любых отложений 2 на отражающей стенке 8, определить тип этих отложений (органические или неорганические) и вычислить толщину их слоя. Кроме того, могут быть смоделированы температурные условия внутри рабочего аппарата 22.
В случае обнаружения наличия и определения типа и толщины слоя отложений 2 генерируется соответствующий управляющий сигнал для принятия необходимых контрмер, например добавления биоцидов в жидкую среду 23 и в систему 4, вмещающую жидкость. В предпочтительном варианте управляющий сигнал зависит от типа отложений 2 (механические или биологические) и вычисленного значения толщины слоя последних. Управляющий сигнал инициирует, например, повышение концентрации биоцидов в жидкой среде 23 в случае обнаружения толстого слоя биологических отложений 2 и снижение концентрации биоцидов, если этот слой тонок. Существует возможность использования одного или более насосов (не показаны), непосредственно управляемых этим управляющим сигналом с целью закачки соответствующего количества биоцидов в жидкую среду 23 и, в частности, в рабочий аппарат 22. В альтернативном варианте можно использовать один или более клапанов (не показаны), управляемых управляющим сигналом с целью подачи соответствующего количества биоцидов в жидкую среду 23. В предпочтительном варианте устройство 1 содержит интерфейс 24 коммуникационной сети для передачи управляющего сигнала и/или данных измерений через эту сеть, например в целях регистрации, мониторинга, управления или технического обслуживания.
На фиг. 4 приведено схематическое изображение держателя 31 устройства 1 согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения, представленному в качестве примера. Четвертый вариант осуществления изобретения соответствует, в принципе, третьему варианту осуществления, причем держатель 31 изготавливается из металла с высокой теплопроводностью, например меди, а отражающая стенка 8 держателя 31 содержит покрытие 42, включающее более коррозионностойкий материал, например нержавеющую сталь. Покрытие 42 может быть также изготовлено из материала, соответствующего основному металлу, из которого изготовлена моделируемая система, вмещающая жидкость, и/или моделируемый теплообменник, например нержавеющей стали.