用于检测并分析沉积物的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于检测并分析沉积物的装置和方法。
【背景技术】
[0002]诸如发电厂、钢铁厂、造浆或造纸厂的工厂通常包括用于传导或存储流体的器具，例如管道或流体储存器。已知的问题在于，有机或无机物在用于传导或存储流体的器具的内壁上沉积，而污垢或结垢沉积物的积聚至少部分地阻挡了经过传导器具的流。这样，被传导的或被储存的流体可能受到污染。这是一种不期望的情况出现，会造成大量的操作问题例如设备阻塞、化学品的无效利用、增加的应用成本、由于停产造成的生产损失、腐蚀以及由于增加的灰尘数量导致的品质降低的产品。
[0003]本质上，可以在一方面污垢沉积物与另一方面结垢沉积物之间进行区分。污垢沉积物是有机沉积物，经常在含水系统中以生物膜的形式出现。这种生物膜大致包括微生物，例如细菌、藻类、真菌和原生动物。与之相反地，结垢沉积物源自无机物，已经被识别到的无机物包括例如钙的复合物(碳酸盐、草酸盐、硫酸盐、硅酸盐)、铝的复合物(硅酸盐、氢氧化物、磷酸盐)、硫酸钡、以及镁的硅酸盐。
[0004]例如，工厂通常包括多个功能单元，如锅炉、换热器、冷凝器、混合器。这些多个功能单元经由连接管等彼此相连、尤其串联和/或并联。
[0005]用于在工厂内测量污垢或结垢的已知的装置的一个问题在于，由于例如功能单元内部的受限的安装空间或过高的温度而很难将此类测量装置安装在功能单元内部。因此，这些装置通常安装在功能单元之间的连接管上或中，即使功能单元内部的温度经常高于连接管内的温度，尤其是在功能单元例如包括锅炉时。这对于测量的质量而言是不利的，这是因为更高的温度增加了污垢的生长，从而在功能单元内会比在连接管内具有更多的沉积物积聚。因此，连接管内测量的结果是伪的，并且相关区域内的沉积物的厚度无法被正确地确定。
[0006]为了避免污垢沉积物的积聚以及尤其生物膜的生长，生物杀灭剂作为应对措施被添加到所关注的流体中。结垢沉积物可以通过以下措施被去除，即添加基于丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸和天冬氨酸的均聚物、共聚物和三聚物的化学沉积物控制剂。此外，化学沉积物控制剂可以是基于有机膦酸盐及其衍生物以及多磷酸盐。这些生物杀灭剂以及化学沉积物控制剂的剂量必须非常小心地被完成并且是保守的，这是因为它们是非常昂贵的并且对健康有害。
【发明内容】
[0007]因此，本发明的目的是提供用于检测沉积物的装置和方法，从而允许经济上以及生态学上改善地处理载液系统。出于生态学以及经济的原因，因此期望的是将生物杀灭剂和/或化学沉积物控制剂的剂量控制到最小。
[0008]本发明的目的通过用于检测载液系统内的反射区域中的沉积物、尤其污垢和/或结垢沉积物的装置来实现，所述装置包括用于朝向所述反射区域发射超声波发射信号的超声波换能器以及用于检测由所述超声波发射信号在所述反射区域中的反射所获得的超声波反射信号的第一检测器具，第二检测器具在所述反射区域中安置，所述第二检测器具被构造成检测特定种类的沉积物。
[0009]根据本发明，因此有利地可以将特定种类的沉积物与其它种类的沉积物相区分并且对已经由第二检测器具检测的特定种类的沉积物定量。特别地，特定种类的沉积物可以是结垢或污垢沉积物、有机或无机沉积物、生物的或非生物的沉积物、活的或死的沉积物中的一种。当沉积物包含具有发出信号以及自维持过程的组织时，沉积物被认为是“存活的”或“活的”。否则的话，沉积物被认为是“死亡的”或“死的”，如果这种发出信号以及自维持过程无法检测的话、如果此类功能停止和/或如果沉积物的组分缺少此类功能的话。第一检测器具允许分析反射区域中的沉积物，从而特征化物理特性例如沉积物的柔软度、沉积物在反射区域中平行于和垂直于反射信号行进方向的空间延伸度。因而，特别有利地可以定量化沉积物。附加地，第二检测器具允许检测特定种类的沉积物，这意味着特定种类的沉积物能够与其它特定种类的沉积物相区分。特别地，由此可以检测沉积物是否是活的一一这意味着沉积物例如可以是由活的组织组成的生物膜一一或者死的或非生物的，其中，后者指的是死的组织、非生物材料或者其它非活的有机或无机物质中的至少一种。将由第一检测器具获得的物理特性分析与由第二检测器具的分析、尤其是关于特定种类的沉积物从其它种类的沉积物中区分和/或它们的活性的相结合允许特定种类的沉积物的特征化。这种特征化例如包括特定种类的沉积物的识别和定量。由此，污垢和/或结垢沉积物能够以定时且可靠的方式被检测。都检测特定种类的沉积物以及沉积物的物理特性的组合效应在于，可以执行载液系统的目标化处理，从而满足载液系统上的净化标准的特定需求。特别地，载液系统的处理可以针对特定的沉积物被目标化，从而污垢沉积物的积聚、尤其生物膜的生长被高效地避免。附加地，为装置提供有上述的第一检测器具和第二检测器具这两者比具有仅仅第二检测器具的装置更优，原因在于也可以在沉积物是死的情况下检测沉积物。由于处理针对沉积物被目标化，所以能够以经济的且生物高效的方式执行处理。因此，环境保护可以改善，而载液系统的处理成本可以同时被显著降低。另外，出于经济的原因，根据本发明可以将生物杀灭剂和/或化学沉积物控制剂的剂量降低至最少。
[0010]特别地，在本发明的情况中，术语“沉积物”代表在诸如回路、管道或容器的载液系统中出现的任何种类的有机或无机污染物以及沉积物。此类的沉积物例如以膜的形式(也称为“污垢”)出现。它们主要在含水系统中与固相的交界处形成。在微生物造成的膜的情况中，它们由其中嵌入微生物(例如细菌、藻类、真菌、和原生动物)的粘稠层组成。通常，这些膜除了微生物以外还主要包括水和由微生物渗出的胞外聚合物质，所述胞外聚合物质与水联合地形成了水凝胶并包含其它养分或物质。通常，颗粒被包含在最终的粘稠基质中，后者被发现是在相邻交界处的含水媒介中。例如造纸厂中出现的膜其特征在于其包含高比例的纤维、精细物质、以及由有机基质所包围的无机染料。此类膜大体上伴随着微生物源的保护性表多糖(“黏质物”，EPS)，并且出现在这些设备表面和处理水流的交界处。附加地，无机污染物例如碳酸钙(“结垢”)以及有机污染物经常在此类表面上沉积。这些有机污染物大体上被称为“沥青”(例如，源自木材的树脂)以及“胶粘物”(例如，胶、粘合剂、胶带、以及蜡粒)。
[0011]根据本发明的优选实施例，第二检测器具是电化学生物传感器、光学生物传感器、电子生物传感器、压电生物传感器或重量分析式生物传感器或其它生物传感器中的至少一种。生物传感器大体上包括生物学的换能器或生物换能器，例如具有诸如受体的生物识别成分。生物换能器与诸如沉积物中的活细胞的生物学成分相互反应。因而，有利地可以经由沉积物的电化学活性度的检测来例如识别出沉积物的种类。这样，可以确定沉积物是否包括活的组织。生物换能器然后产生检测信号，例如包括关于沉积物是否含有活的组织的信息的活性检测信号。特别地，活性检测信号取决于沉积物与生物换能器的受体之间的相互作用而产生。检测信号然后通过生物传感器的电子系统被进一步处理。因而，有利地可以确定反射区域中的沉积物的覆盖程度和/或确定反应区域中的沉积物的活性。
[0012]根据本发明的优选实施例，第二检测器具被构造成产生包括关于沉积物的活性信息的活性检测信号。由此有利地可以确定反射区域中的沉积物的覆盖程度和/或确定反应区域中的沉积物的活性，因而同时沉积物的物理特性可以利用第一检测器具被分析。因而，有利地可以将特定种类的沉积物与其它种类的沉积物区分。例如，可以确定沉积物是否是活的沉积物，例如载液系统中的生物膜。活性信息包括关于特定种类的沉积物、尤其生物膜是否包括活的组织的信息。组合的信息一一生物膜的物理特性以及生物膜是否包括活的组织一一允许载液系统的目标化处理。
[0013]根据本发明的优选实施例，装置包括分析单元，所述分析单元被构造成取决于活性检测信号确定反射区域内沉积物的覆盖程度和/或反射器具内沉积物的活性。由此有利地能够以不同的操作模式来操作装置。例如，分析单元可以指示阈值模式中给定生物膜覆盖程度达到，而反射区域内细菌覆盖的整体发展能够以测量的模式被监测。因而，有利地可以实时地监测载液系统中的生物膜，从而取决于活性检测信号允许载液系统的定时清洁处理。
[0014]根据本发明的优选实施例，生物传感器是电化学生物传感器，其被构造成取决于沉积物的测量的电化学活性度产生活性检测信号。由此有利地可以提供诸如生物膜的特定种类的沉积物的可靠的检测。特别地，由此有利地可以确定生物膜是否是活的，即是否包括活的组织。这样，可以高灵敏度地确定特定种类的沉积物、尤其沉积物的活性。
[0015]根据本发明的优选实施例，分析单元被构造成分析反射信号，从而确定沉积物是否位于反射区域内和/或确定反射区域内沉积物的类型和/或层厚。由此有利地可以测量沉积物的物理特性，例如沉积物是否包括相对软的或硬的物质，其中柔软度大体上通过弹性模量被定量化。反射区域内的沉积物的物理特性借助于评价反射区域的时域反射信号而被确定。此外，可以测量反射区域内的沉积物覆盖。测量的距离与已经在没有任何沉积物位于反射区域上的初始校准测量步骤中测量的基准位置对比。替代性地，基准测量单元可以为此目的被采用。测量的距离与基准距离之差是一种用于沉积物厚度的测量。提供如上所述具有第一检测器具以及还有第二检测器具的装置与具有仅仅第二检测器具的装置相比的另一优点在于，还可以在沉积物是死的时的情况下检测沉积物。
[0016]根据本发明的优选实施例，装置具有第一测量单元，所述第一测量单元包括超声波换能器和第一检测器具，装置具有第二测量单元，所述第二测量单元包括在反射区域中安置的第二检测器具，第一测量单元和第二测量单元能够拆卸地连接至载液系统，从而