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]領域
[0002]本公開內容涉及含水工業工藝的處理以及含水工業工藝中結垢或誘導的結垢的測量。
[0003]背景
[0004]含水冷卻系統在其操作期間經受壓力。許多含水冷卻系統采用允許熱量經由蒸發從冷卻水消散的冷卻塔。含水冷卻系統的典型的壓力包括冷卻塔中的礦物結垢累積，從而降低冷卻塔和含水冷卻系統的效率。特定地，隨著含水冷卻系統中的熱量經由蒸發消散，在剩余水中的礦物結垢的組分變得更濃，這引起礦物結垢在冷卻塔的內部上沉淀并且從而產生操作問題和/或降低的效率。典型地影響結垢的已知參數包括結垢物質的濃度、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不同，冷卻水中發現的結垢物質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垢)。離子例如Ca++和Mg++的濃度在含水冷卻系統增加循環時提高。為戰勝此壓力，含水冷卻系統典型地被卸料并且補充水被添加到系統中，從而將冷卻水的一部分交換成更純的補充水。
[0005]多種類型的監測系統已經被用于含水冷卻系統，包括利用電導計的系統，以及并入處理化學品的熒光監測和控制的系統。壓電微量天平傳感器已經在若干應用中被利用。Kouznetsov等人的美國專利第6，250, 140號，其內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用。
[0006]概述
[0007]在第一示例性實施方案中，本公開內容涉及監測含水冷卻系統的工藝出錯(upset)和恢復的自動化方法。在第二示例性實施方案中，本公開內容涉及用于監測含水冷卻系統的劑量和工藝響應的自動化方法。在第三示例性實施方案中，本公開內容涉及用于診斷對使用熒光計地監測的且處理的含水冷卻系統中的供水化學的變化的工藝響應的自動化方法。
[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；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。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和中央控制系統。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:天然發熒光的處理化學品、熒光標記的處理化學品、已經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中冷卻水的結垢率。響應于熒光測量和測量的結垢率中的至少一種來調整含水冷卻系統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；冷卻水循環速率；閥門開度；流速；體積；液位；冷卻水的PH ;卸料循環頻率；警報的引發；警告的引發；以及其組合。
[0009]本公開內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，從而能夠實現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于例如將由穿過壓電微量天平傳感器的液體流產生的壓力的變化而壓縮和膨脹。
[0010]本公開內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工藝中的潮濕的表面上的結垢率的方法。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，從而能夠實現壓電材料的溫度控制。對電極具有適于接觸工業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于例如將由穿過壓電微量天平傳感器的工業水流產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水流，所述工業水流包含至少一種能夠在壓電材料的工藝端上沉淀的結垢物質。測量壓電材料的振蕩頻率持續一段時間。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垢物質的沉淀速率相關。任選地，含水工業工藝的至少一個工藝變量可以基于測量的振蕩頻率被調整。
[0011]附圖簡述
[0012]在檢查以下詳細描述和附圖之后，本公開內容的優點將對相關領域中的技術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；
[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；
[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垢響應(標記為“NDM質量”)；
[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、以及DATS HTR裝置的響應；
[0025]圖13用圖表圖示電導計對pH控制的損失的響應；
[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；
[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；以及
[0028]圖16比較用于圖13-15中圖示的相同實驗的對DATS HTR裝置的響應的熒光響應和壓電響應。
[0029]詳細描述
[0030]盡管包含一般性發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容，“壓電的”意指具有將機械刺激轉化成可測量的電信號的能力。對于本公開內容的某些實施方案，壓電微量天平傳感器能夠將檢測的壓力轉化成可測量的電壓信號。
[0033]如其從屬于本公開內容，“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中冷卻水的結垢，及從而隨時間的結垢率。
[0034]如其從屬于本公開內容，“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，但本公開內容不應該被認為受限于那些實例。
[0036]如其從屬于本公開內容，“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速率)、液位、溫度、和壓力。“采取行動”的非限制性實例被描述如下:工藝控制系統決定單元操作太熱并且打開對應的閥門，從而允許冷卻水進入單元操作。工藝控制系統通過打開閥門“采取行動”。
[0037]如其從屬于本公開內容，“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”允許經由電阻的、基底的溫度測量。
[0039]如其從屬于本公開內容，“工藝變量”指的是在處理工業工藝和/或熱工業水工藝，例如含水冷卻系統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速率)；一種或更多種化學物質的濃度；熒光測量；光或能量吸收測量或計算；離子測量/電勢(比如