使用壓電微量天平傳感器的裝置和方法
【專利說(shuō)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(kāi)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(dǎo)的結(jié)垢的測(cè)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(wèn)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(xué)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(dǎo)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(shí)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(bǔ)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(bǔ)充水。
[0005]多種類型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)被用于含水冷卻系統(tǒng)，包括利用電導(dǎo)計(jì)的系統(tǒng)，以及并入處理化學(xué)品的熒光監(jiān)測(cè)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(guó)專利第6，250, 140號(hào)，其內(nèi)容通過(guò)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(guó)專利第6，143, 800號(hào)！Shevchenko等人的美國(guó)專利第6，375, 829號(hào)；Shevchenko等人的美國(guó)專利第6，942, 782號(hào)；Shevchenko等人的美國(guó)專利第7，842，165號(hào)；Kraus等人的美國(guó)專利第5，734，098號(hào)；Duggirala等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公布第2006/0281191號(hào)以及Duggirala等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公布第2012/0073775號(hào)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(shí)施方案中，本公開(kāi)內(nèi)容涉及監(jiān)測(cè)含水冷卻系統(tǒng)的工藝出錯(cuò)(upset)和恢復(fù)的自動(dòng)化方法。在第二示例性實(shí)施方案中，本公開(kāi)內(nèi)容涉及用于監(jiān)測(cè)含水冷卻系統(tǒng)的劑量和工藝響應(yīng)的自動(dòng)化方法。在第三示例性實(shí)施方案中，本公開(kāi)內(nèi)容涉及用于診斷對(duì)使用熒光計(jì)地監(jiān)測(cè)的且處理的含水冷卻系統(tǒng)中的供水化學(xué)的變化的工藝響應(yīng)的自動(dòng)化方法。
[0008]對(duì)于第一、第二、和第三示例性實(shí)施方案中的每個(gè)，自動(dòng)化方法包括提供包括冷卻水的含水冷卻系統(tǒng)；熒光計(jì)；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(jì)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(xué)品以一定劑量速率被給料到冷卻水中，從而導(dǎo)致冷卻水中一定濃度的所述至少一種水溶性、阻垢的化學(xué)品。所述至少一種水溶性、阻垢的化學(xué)品選自由以下組成的組:天然發(fā)熒光的處理化學(xué)品、熒光標(biāo)記的處理化學(xué)品、已經(jīng)被熒光示蹤的處理化學(xué)品、及其組合。冷卻水中所述至少一種水溶性、阻垢的化學(xué)品中的至少一種的濃度用熒光計(jì)使用熒光計(jì)地測(cè)量。利用壓電微量天平傳感器測(cè)量含水冷卻系統(tǒng)中冷卻水的結(jié)垢率。響應(yīng)于熒光測(cè)量和測(cè)量的結(jié)垢率中的至少一種來(lái)調(diào)整含水冷卻系統(tǒng)的至少一個(gè)工藝變量。所述至少一個(gè)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(xué)品的劑量速率；冷卻水循環(huán)速率；閥門開(kāi)度；流速；體積；液位；冷卻水的PH ;卸料循環(huán)頻率；警報(bào)的引發(fā)；警告的引發(fā)；以及其組合。
[0009]本公開(kāi)內(nèi)容可以涉及包括壓電材料、加熱器、對(duì)電極、以及壓力補(bǔ)償間隔器的壓電微量天平傳感器的第四示例性實(shí)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(duì)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(duì)表面。對(duì)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(duì)電極的第一表面之間的流動(dòng)。對(duì)電極由導(dǎo)電的耐腐蝕材料構(gòu)建。壓力補(bǔ)償間隔器可操作地接觸對(duì)電極的第二相對(duì)表面。壓力補(bǔ)償間隔器能夠響應(yīng)于例如將由穿過(guò)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(kāi)內(nèi)容還可以涉及第五示例性實(shí)施方案，其是用于測(cè)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(duì)電極、以及壓力補(bǔ)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(duì)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(duì)表面。對(duì)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(duì)電極的第一表面之間的流動(dòng)。對(duì)電極由導(dǎo)電的耐腐蝕材料構(gòu)建。壓力補(bǔ)償間隔器可操作地接觸對(duì)電極的第二相對(duì)表面。壓力補(bǔ)償間隔器能夠響應(yīng)于例如將由穿過(guò)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(duì)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(cè)量壓電材料的振蕩頻率持續(xù)一段時(shí)間。任選地，在該時(shí)間段期間測(cè)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(gè)工藝變量可以基于測(cè)量的振蕩頻率被調(diào)整。
[0011]附圖簡(jiǎn)述
[0012]在檢查以下詳細(xì)描述和附圖之后，本公開(kāi)內(nèi)容的優(yōu)點(diǎn)將對(duì)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(shí)施方案的視圖；
[0014]圖2a和2b分別圖示壓電材料的實(shí)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(shí)施方案；
[0016]圖4圖示對(duì)電極的實(shí)施方案；
[0017]圖5圖示壓力補(bǔ)償間隔器的實(shí)施方案；
[0018]圖6圖示可以被用于附接且支撐對(duì)電極和壓力補(bǔ)償間隔器的支撐物的實(shí)施方案；
[0019]圖7a和7b用圖表對(duì)比可變液體壓力對(duì)在有和沒(méi)有壓力補(bǔ)償下產(chǎn)生的頻率測(cè)量的影響；
[0020]圖8用圖表圖示壓電微量天平傳感器的實(shí)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(dǎo)傳感器在阻垢的化學(xué)品處理劑量被中斷時(shí)的響應(yīng)；
[0022]圖10用圖表圖示用于圖9中圖示的相同實(shí)驗(yàn)的阻垢處理化學(xué)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(shí)驗(yàn)的如由壓電微量天平傳感器測(cè)量的結(jié)垢響應(yīng)(標(biāo)記為“NDM質(zhì)量”)；
[0024]圖12提供圖9-11中圖示的相同實(shí)驗(yàn)的特寫的示意圖，并且另外比較使用熒光計(jì)地測(cè)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(dǎo)計(jì)對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的對(duì)DATS HTR裝置的響應(yīng)的熒光響應(yīng)和壓電響應(yīng)。
[0029]詳細(xì)描述
[0030]盡管包含一般性發(fā)明的概念的實(shí)施方案可以采取多種形式，然而在理解本公開(kāi)內(nèi)容僅被認(rèn)為是示例并且不意圖受限于特定的實(shí)施方案下，多種實(shí)施方案在附圖中被示出并且將在下文中被描述。
[0031]本公開(kāi)內(nèi)容大體上涉及采用熒光計(jì)與至少一種壓電微量天平傳感器組合以控制含水冷卻系統(tǒng)和/或其處理的示例性方法。
[0032]如其從屬于本公開(kāi)內(nèi)容，“壓電的”意指具有將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化成可測(cè)量的電信號(hào)的能力。對(duì)于本公開(kāi)內(nèi)容的某些實(shí)施方案，壓電微量天平傳感器能夠?qū)z測(cè)的壓力轉(zhuǎn)化成可測(cè)量的電壓信號(hào)。
[0033]如其從屬于本公開(kāi)內(nèi)容，“壓電微量天平傳感器”是能夠通過(guò)所測(cè)量的振蕩(亦稱振動(dòng))頻率的變化，檢測(cè)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(shí)施方案公開(kāi)適用于本文公開(kāi)的第一、第二、或第三示例性實(shí)施方案中的壓電微量天平傳感器的示例性實(shí)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(kāi)的第四示例性實(shí)施方案的壓電微量天平傳感器)可以在本文公開(kāi)的第一、第二和第三實(shí)施方案的方法的某些實(shí)施方案中被替代使用。通常，壓電微量天平傳感器能夠測(cè)量含水冷卻系統(tǒng)中冷卻水的結(jié)垢，及從而隨時(shí)間的結(jié)垢率。
[0034]如其從屬于本公開(kāi)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(xué)條件的材料。例如，在特定的化學(xué)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(kāi)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(duì)電極，因?yàn)槠浔┞队跐撛诘貥O端的化學(xué)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(kāi)內(nèi)容，“壓力補(bǔ)償間隔器”指的是壓電微量天平傳感器的組件，當(dāng)存在時(shí)，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(dòng)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(bǔ)償間隔器的非限制性實(shí)例被本文描述，但本公開(kāi)內(nèi)容不應(yīng)該被認(rèn)為受限于那些實(shí)例。
[0036]如其從屬于本公開(kāi)內(nèi)容，“采取行動(dòng)”指的是通過(guò)進(jìn)行物理行為改變工藝變量。工藝變量的實(shí)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?dòng)”的非限制性實(shí)例被描述如下:工藝控制系統(tǒng)決定單元操作太熱并且打開(kāi)對(duì)應(yīng)的閥門，從而允許冷卻水進(jìn)入單元操作。工藝控制系統(tǒng)通過(guò)打開(kāi)閥門“采取行動(dòng)”。
[0037]如其從屬于本公開(kāi)內(nèi)容，“濺射”是金屬原子由于目標(biāo)材料通過(guò)能量粒子的轟擊而被沉積在固體目標(biāo)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(kāi)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(shí)施方案中，“電阻式溫度檢測(cè)器跡線”允許經(jīng)由電阻的、基底的溫度測(cè)量。
[0039]如其從屬于本公開(kāi)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(shí)可以遇到的測(cè)量的或計(jì)算的值。工藝變量的實(shí)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(xué)物質(zhì)的濃度；熒光測(cè)量；光或能量吸收測(cè)量或計(jì)算；離子測(cè)量/電勢(shì)(比如，電極測(cè)量等);沉降速率/時(shí)間；浮選速率(flotat1n rate) /時(shí)間；熱交換速率；密度；池度；澄清度；結(jié)垢可能性(scalingpotential);滴定值；閃點(diǎn)；露點(diǎn)；體積；質(zhì)量；統(tǒng)計(jì)計(jì)算；設(shè)備變量(栗速、閥門開(kāi)度等)；工藝變量(體積、液位等)；卸料循環(huán)頻率；警報(bào)或警告等等。
[0040]如其從屬于本公開(kāi)內(nèi)容，“自清潔”和“自清潔循環(huán)”描述一件設(shè)備在無(wú)或?qū)嵸|(zhì)上無(wú)使用者干預(yù)下清潔其自身的能力。實(shí)質(zhì)上的使用者干預(yù)意味著使用者除了該件設(shè)備自身以外將需要引入清潔化學(xué)品或裝置，或拆卸該件設(shè)備或第二直接連接