使用壓電微量天平傳感器的裝置和方法
【專利說明】使用壓電微量天平傳感器的裝置和方法
[0001]領(lǐng)域
[0002]本公開內(nèi)容涉及含水工業(yè)工藝的處理以及含水工業(yè)工藝中結(jié)垢或誘導的結(jié)垢的測量。
[0003]背景
[0004]含水冷卻系統(tǒng)在其操作期間經(jīng)受壓力。許多含水冷卻系統(tǒng)采用允許熱量經(jīng)由蒸發(fā)從冷卻水消散的冷卻塔。含水冷卻系統(tǒng)的典型的壓力包括冷卻塔中的礦物結(jié)垢累積，從而降低冷卻塔和含水冷卻系統(tǒng)的效率。特定地，隨著含水冷卻系統(tǒng)中的熱量經(jīng)由蒸發(fā)消散，在剩余水中的礦物結(jié)垢的組分變得更濃，這引起礦物結(jié)垢在冷卻塔的內(nèi)部上沉淀并且從而產(chǎn)生操作問題和/或降低的效率。典型地影響結(jié)垢的已知參數(shù)包括結(jié)垢物質(zhì)的濃度、PH、溫度、流速、以及在冷卻水中存在的阻垢的化學品的濃度。與大部分溶解的物質(zhì)不同，冷卻水中發(fā)現(xiàn)的結(jié)垢物質(zhì)的溶解度典型地與溫度成反比(即較高的冷卻水的溫度導致更多結(jié)垢)。離子例如Ca++和Mg++的濃度在含水冷卻系統(tǒng)增加循環(huán)時提高。為戰(zhàn)勝此壓力，含水冷卻系統(tǒng)典型地被卸料并且補充水被添加到系統(tǒng)中，從而將冷卻水的一部分交換成更純的補充水。
[0005]多種類型的監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)被用于含水冷卻系統(tǒng)，包括利用電導計的系統(tǒng)，以及并入處理化學品的熒光監(jiān)測和控制的系統(tǒng)。壓電微量天平傳感器已經(jīng)在若干應(yīng)用中被利用。Kouznetsov等人的美國專利第6，250, 140號，其內(nèi)容通過引用以其整體被并入本文，描述了石英晶體微量天平裝置。Nguyen等人的美國專利第6，143, 800號！Shevchenko等人的美國專利第6，375, 829號；Shevchenko等人的美國專利第6，942, 782號；Shevchenko等人的美國專利第7，842，165號；Kraus等人的美國專利第5，734，098號；Duggirala等人的美國專利申請公布第2006/0281191號以及Duggirala等人的美國專利申請公布第2012/0073775號描述了石英晶體微量天平裝置和應(yīng)用。
[0006]概述
[0007]在第一示例性實施方案中，本公開內(nèi)容涉及監(jiān)測含水冷卻系統(tǒng)的工藝出錯(upset)和恢復的自動化方法。在第二示例性實施方案中，本公開內(nèi)容涉及用于監(jiān)測含水冷卻系統(tǒng)的劑量和工藝響應(yīng)的自動化方法。在第三示例性實施方案中，本公開內(nèi)容涉及用于診斷對使用熒光計地監(jiān)測的且處理的含水冷卻系統(tǒng)中的供水化學的變化的工藝響應(yīng)的自動化方法。
[0008]對于第一、第二、和第三示例性實施方案中的每個，自動化方法包括提供包括冷卻水的含水冷卻系統(tǒng)；熒光計；能夠自清潔的壓電微量天平傳感器；以及中央控制系統(tǒng)。熒光計和壓電微量天平傳感器被可操作地連接至含水冷卻系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)。至少一種水溶性、阻垢的化學品以一定劑量速率被給料到冷卻水中，從而導致冷卻水中一定濃度的所述至少一種水溶性、阻垢的化學品。所述至少一種水溶性、阻垢的化學品選自由以下組成的組:天然發(fā)熒光的處理化學品、熒光標記的處理化學品、已經(jīng)被熒光示蹤的處理化學品、及其組合。冷卻水中所述至少一種水溶性、阻垢的化學品中的至少一種的濃度用熒光計使用熒光計地測量。利用壓電微量天平傳感器測量含水冷卻系統(tǒng)中冷卻水的結(jié)垢率。響應(yīng)于熒光測量和測量的結(jié)垢率中的至少一種來調(diào)整含水冷卻系統(tǒng)的至少一個工藝變量。所述至少一個工藝變量選自由以下組成的組:所述至少一種水溶性、阻垢的化學品的劑量速率；冷卻水循環(huán)速率；閥門開度；流速；體積；液位；冷卻水的PH ;卸料循環(huán)頻率；警報的引發(fā)；警告的引發(fā)；以及其組合。
[0009]本公開內(nèi)容可以涉及包括壓電材料、加熱器、對電極、以及壓力補償間隔器的壓電微量天平傳感器的第四示例性實施方案。壓電材料具有適于接觸液體流的工藝端(processside)和非工藝端。工藝端的至少一部分接合工藝端電極。非工藝端的至少一部分接合非工藝端電極。加熱器能夠從非工藝端加熱壓電材料，從而能夠?qū)崿F(xiàn)壓電材料的溫度控制。對電極具有適于接觸液體流且面向壓電材料的工藝端的第一表面，以及第二相對表面。對電極位于壓電微量天平傳感器中以便允許液體流的至少一部分在壓電材料的工藝端和對電極的第一表面之間的流動。對電極由導電的耐腐蝕材料構(gòu)建。壓力補償間隔器可操作地接觸對電極的第二相對表面。壓力補償間隔器能夠響應(yīng)于例如將由穿過壓電微量天平傳感器的液體流產(chǎn)生的壓力的變化而壓縮和膨脹。
[0010]本公開內(nèi)容還可以涉及第五示例性實施方案，其是用于測量含水工業(yè)工藝中的潮濕的表面上的結(jié)垢率的方法。該方法包括提供包括壓電材料、加熱器、對電極、以及壓力補償間隔器的壓電微量天平傳感器。壓電材料具有適于接觸工業(yè)水流的工藝端和非工藝端。工藝端的至少一部分接合工藝端電極。非工藝端的至少一部分接合非工藝端電極。加熱器能夠從非工藝端加熱壓電材料，從而能夠?qū)崿F(xiàn)壓電材料的溫度控制。對電極具有適于接觸工業(yè)水流且面向壓電材料的工藝端的第一表面，以及第二相對表面。對電極位于壓電微量天平傳感器中以便允許工業(yè)水流的至少一部分在壓電材料的工藝端和對電極的第一表面之間的流動。對電極由導電的耐腐蝕材料構(gòu)建。壓力補償間隔器可操作地接觸對電極的第二相對表面。壓力補償間隔器能夠響應(yīng)于例如將由穿過壓電微量天平傳感器的工業(yè)水流產(chǎn)生的壓力的變化而壓縮和膨脹。壓電材料被保持在恒定溫度。盡管使壓電材料保持在恒定溫度，但壓電材料的工藝端和對電極的第一表面被暴露于工業(yè)水流，所述工業(yè)水流包含至少一種能夠在壓電材料的工藝端上沉淀的結(jié)垢物質(zhì)。測量壓電材料的振蕩頻率持續(xù)一段時間。任選地，在該時間段期間測量的振蕩頻率的任何改變與壓電材料的工藝端上的至少一種結(jié)垢物質(zhì)的沉淀速率相關(guān)。任選地，含水工業(yè)工藝的至少一個工藝變量可以基于測量的振蕩頻率被調(diào)整。
[0011]附圖簡述
[0012]在檢查以下詳細描述和附圖之后，本公開內(nèi)容的優(yōu)點將對相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)人員變得更容易明顯的，在附圖中:
[0013]圖1圖示壓電微量天平傳感器的實施方案的視圖；
[0014]圖2a和2b分別圖示壓電材料的實施方案的工藝端和非工藝端的視圖；
[0015]圖3圖示可以被用于從非工藝端加熱壓電材料的加熱器的實施方案；
[0016]圖4圖示對電極的實施方案；
[0017]圖5圖示壓力補償間隔器的實施方案；
[0018]圖6圖示可以被用于附接且支撐對電極和壓力補償間隔器的支撐物的實施方案；
[0019]圖7a和7b用圖表對比可變液體壓力對在有和沒有壓力補償下產(chǎn)生的頻率測量的影響；
[0020]圖8用圖表圖示壓電微量天平傳感器的實施方案的若干去垢自清潔循環(huán)；
[0021]圖9為比較的目的用圖表圖示電導傳感器在阻垢的化學品處理劑量被中斷時的響應(yīng)；
[0022]圖10用圖表圖示用于圖9中圖示的相同實驗的阻垢處理化學品(S卩，聚合物)消耗；
[0023]圖11用圖表圖示用于圖9和10中圖示的相同的實驗的如由壓電微量天平傳感器測量的結(jié)垢響應(yīng)(標記為“NDM質(zhì)量”)；
[0024]圖12提供圖9-11中圖示的相同實驗的特寫的示意圖，并且另外比較使用熒光計地測量的聚合物消耗、壓電微量天平傳感器的響應(yīng)、以及DATS HTR裝置的響應(yīng)；
[0025]圖13用圖表圖示電導計對pH控制的損失的響應(yīng)；
[0026]圖14用圖表圖示在圖13中圖示的在酸性緩沖中斷之后，聚合物消耗的熒光響應(yīng)；
[0027]圖15用圖表圖示用于圖13和14中圖示的相同實驗的壓電微量天平傳感器響應(yīng)；以及
[0028]圖16比較用于圖13-15中圖示的相同實驗的對DATS HTR裝置的響應(yīng)的熒光響應(yīng)和壓電響應(yīng)。
[0029]詳細描述
[0030]盡管包含一般性發(fā)明的概念的實施方案可以采取多種形式，然而在理解本公開內(nèi)容僅被認為是示例并且不意圖受限于特定的實施方案下，多種實施方案在附圖中被示出并且將在下文中被描述。
[0031]本公開內(nèi)容大體上涉及壓電微量天平傳感器的示例性實施方案及其使用方法。壓電微量天平傳感器包括壓電材料、加熱器、對電極、以及壓力補償間隔器。
[0032]如其從屬于本公開內(nèi)容，“壓電的”意指具有將機械刺激轉(zhuǎn)化成可測量的電信號的能力。對于本公開內(nèi)容的某些實施方案，壓電微量天平傳感器能夠?qū)z測的壓力轉(zhuǎn)化成可測量的電壓信號。
[0033]如其從屬于本公開內(nèi)容，“壓電微量天平傳感器”是能夠通過所測量的振蕩(亦稱振動)頻率的變化，檢測在表面上的塊狀沉積物(例如結(jié)垢)的存在或不存在的裝置。本文第四示例性實施方案公開適用于本文公開的第一、第二、或第三示例性實施方案中的壓電微量天平傳感器的示例性實施方案。然而，應(yīng)該理解，其他壓電微量天平傳感器(即不同于本文公開的第四示例性實施方案的壓電微量天平傳感器)可以在本文公開的第一、第二和第三實施方案的方法的某些實施方案中被替代使用。通常，壓電微量天平傳感器能夠測量含水冷卻系統(tǒng)中冷卻水的結(jié)垢，及從而隨時間的結(jié)垢率。
[0034]如其從屬于本公開內(nèi)容，“耐腐蝕的”被用于描述能夠適度地承受與材料的使用有關(guān)的普通化學條件的材料。例如，在特定的化學條件下“耐腐蝕的”材料可以是特定的不銹鋼合金。如其從屬于本公開內(nèi)容，壓電微量天平傳感器的工藝部件需要由“耐腐蝕的”材料構(gòu)建，特別是對電極，因為其暴露于潛在地極端的化學條件(比如，高度酸性和/或高度堿性的含水液體)。
[0035]如其從屬于本公開內(nèi)容，“壓力補償間隔器”指的是壓電微量天平傳感器的組件，當存在時，該組件允許壓電微量天平傳感器的另一組件或壓電微量天平傳感器的另一組件的一部分在某種程度上自由地移動以便允許接觸該設(shè)備或部分的液體的壓力的變化。合適的壓力補償間隔器的非限制性實例被本文描述，但本公開內(nèi)容不應(yīng)該被認為受限于那些實例。
[0036]如其從屬于本公開內(nèi)容，“采取行動”指的是通過進行物理行為改變工藝變量。工藝變量的實例包括但不限于以下:栗速、閥門位置、流速(包括劑量速率和循環(huán)速率)、液位、溫度、和壓力?！安扇⌒袆印钡姆窍拗菩詫嵗幻枋鋈缦?工藝控制系統(tǒng)決定單元操作太熱并且打開對應(yīng)的閥門，從而允許冷卻水進入單元操作。工藝控制系統(tǒng)通過打開閥門“采取行動”。
[0037]如其從屬于本公開內(nèi)容，“濺射”是金屬原子由于目標材料通過能量粒子的轟擊而被沉積在固體目標材料上所憑借的工藝。“濺射”允許金屬以非常薄的層被沉積在基底上。
[0038]如其從屬于本公開內(nèi)容，“跡線(trace)”指的是圍繞基底的部分的薄的沉積物。在某些實施方案中，“電阻式溫度檢測器跡線”允許經(jīng)由電阻的、基底的溫度測量。
[0039]如其從屬于本公開內(nèi)容，“工藝變量”指的是在處理工業(yè)工藝和/或熱工業(yè)水工藝，例如含水冷卻系統(tǒng)時可以遇到的測量的或計算的值。工藝變量的實例包括但不限于以下:溫度；壓力；流速(包括劑量速率和循環(huán)速率)；一種或更多種化學物質(zhì)的濃度；熒光測量；光或能量吸收測量或計算；離子測量/電勢(比如