专利名称：用于测量逆渗透膜元件的渗透流量和渗透电导率的设备的制作方法
技术领域：
本公开涉及一种当反渗透(osmosis)元件安装在压力容器中并在RO列(train)中操作时，允许方便和同时测量反渗透元件所产生的渗透流量(permeate flow)和电导率(conductivity)的设备和系统。
背景技术：
卷式反渗透膜元件广泛地用于生产能力不断增加的工厂的水淡化上。商业用膜元件长1000mm(40英寸)，直径200mm(8英寸)，以及重大约16kg(40 1bs)。单个元件每天产生12m3/d-24m3的渗透流量(每天3200-6400加仑)。每天产生200,000m3(每天5千万加仑的水)渗透的单个淡化工厂可以需要15,000个这样的卷式元件，以产生所设计的渗透能力。单个元件载入设置在架上的玻璃钢压力容器中，以形成单个RO列。在大的RO系统中，一个列可以包括100-200个压力容器。几个列可以在任何单个淡化工厂中独立地操作。6至8个元件载入单个压力容器。相应地，600至1600个元件可以在单个列中操作。一旦载入压入容器中，则只在元件替换(通常每3-10年的操作)时或当需要特殊测试时才去除膜元件。从压力容器中去除膜元件需要完全关闭RO列操作。
通常在安装在RO系统中之前就已知单个元件的性能。在安装之后，由于膜污垢阻塞，元件的性能可以改变。通过测量完整RO列的渗透流量、渗透电导率和压降，观察膜性能降级的效果。在一些情况下，可以测量单独压力容器的渗透电导率。在商业RO单元中使用当前技术测量单个元件的渗透流量和渗透电导率是不实际的。通常，污垢阻塞对元件性能的影响在整个系统中并不均一。在RO系统的性能降级到一定程度之后，通过清洁膜或部分或完全替换新的元件可以提高性能。有效元件替换的主要障碍是当单个元件安装在RO列中并在其中进行操作时，缺少一种用于测量单个元件的性能的便捷方法。
发明内容
在一个方面，提供一种允许评估反渗透膜元件的性能的系统，所述系统包括反渗透膜元件；反渗透膜元件中的渗透管；反渗透膜元件的渗透管内的拉伸探测管；被配置为测量用于评估性能的值、并在所述探测管入口端处放置的至少一个传感器；以及与所述传感器进行电子通信、从而记录测量结果的记录设备。
在另一方面，被配置为测量用于评估性能的值的传感器包括用于测量渗透流量的传感器。
在另一方面，用于测量渗透流量的传感器包括热力式风速仪。
在另一方面，该系统还包括用于测量渗透电导率的传感器。
在另一方面，用于测量渗透电导率的传感器包括具有整体安装的热电偶的电导池(conductivity cell)。
在另一方面，电源给传感器供电。
在另一方面，电源包括至少一个射频标识(RFID)标签。
在另一方面，通过有线连接记录设备和传感器来进行电子通信。
在另一方面，通过无线连接记录设备和传感器来进行电子通信。
在另一方面，传感器还具有RFID标签，并且通过该RFID标签和安装在元件上的RFID标签之间的通信，将所述值与反渗透膜元件链接。
在一个方面，提供一种评估反渗透膜元件性能的方法，所述方法包括在压力容器中提供一系统，所述系统包括反渗透膜元件；反渗透膜元件中的渗透管；反渗透膜元件的渗透管内的拉伸探测管；被配置为测量用于评估性能的值、并在所述探测管入口端处放置的至少一个传感器；以及与所述传感器进行电子通信、从而记录测量结果的记录设备；测量至少一个值；将测量的结果传输至记录设备；以及基于所述结果评估性能。
在该方法的另一方面，至少一个值包括与渗透流量相关的数据。
在该方法的另一方面，至少一个值还包括与渗透电导率相关的数据。
在该方法的另一方面，传感器还具有RFID标签，并且通过该RFID标签和安装在元件上的RFID标签之间的通信，将所述值与反渗透膜元件链接。
在该方法的另一方面，所述方法还包括如果该评估指示需要替换以提高系统性能，则替换元件。
图1是可以在测量系统中采用的热力式风速仪的一个实施例的部分示意图和部分框图。
图2是示出了热力式风速仪中探测器循环操作的曲线图。
图3是热电偶探测器的特性温度衰减的曲线图。
图4是热电偶探测器的正常温度衰减的半对数绘图。
图5是可以在根据本发明的实施例的测量系统中有用的热力式风速仪中采用的一个逻辑电路的框图。
图6-10是可以在热力式风速仪中采用的套管型探测器的实施例。
图11是热力式风速仪操作的流程图。
图12示出了压力容器中反渗透膜元件设置的示意图。
图13示出了安装在支架上的集成热力式风速仪传感器和电导传感器器件的配置。
图14示出了安装在插入RO膜元件的渗透管中的支架管上的热力式风速仪的设置的示意图。
图15示出了根据实施例在测量系统中使用的电导探测器的示意框图。
图16示出图15电导探测器的温度补偿电路的示意图。
具体实施例方式 实施例包括实现同时测量膜元件的渗透管内渗透流量和渗透电导率的集成传感器器件，同时该元件在RO单元中进行操作。特别优选实施例包括安装在拉伸的小直径支架管上的热力式风速仪传感器和电导传感器。该传感器设备可以通过压力容器的渗透口被插入在压力容器中操作并连接在一起的膜元件渗透管。由于传感器沿渗透管移动，所以传感器在沿压力容器的不同的点上产生与渗透流量和渗透电导率相关的电信号。该电信号通过将传感器与外界记录设备连接的导线进行传输，或通过产生和发送所测量数据的无线传输进行传输。
可以通过无线电频率辐射、可充电电池、从射频标识(RFID)标签转换的能量、电磁能、来自安装在小直径支架管上的涡轮的能量、或本领域技术人员已知的其它形式的电源，来提供需要给热力式风速仪传感器和电导传感器(统一描述为“测量设备”)供电的电能。优选实施例的测量设备优选地通过RFID标签供电。优选地，通过从RFID标签检索信息的设备(例如位于压力容器之内或之外的接收机)发射的电磁能来启动RFID标签。当被启动时，RFID标签优选地将电量传输至进行测量的测量设备。在特别优选实施例中，数据存储在RFID标签中，可以同时和/或之后被检索。在其它优选的实施例中，通过可充电电池对测量设备进行供电。例如，这种电池包括但不限于，镍镉电池、锂离子电池、以及本领域技术人员所知的其它电池。在优选的实施例中，可以通过从激活的RFID标签传输的能量将电池再充电。在其它优选的实施例中，可以通过来自外部源的无线电频率(RF)能量启动测量设备。其它实施例包括通过磁能、电磁能、或本领域技术人员已知的其它形式的能量供电的测量设备。
渗透流量测量 在设备的实施例中，使用热力式风速仪测量渗透流量。这种电池的示例在专利5,271,138；4,794,794；4,848,147；4,621,929；和4,537,068中公开，在此一并作为参考。
通常，热力式风速仪通过感知来自暴露给流体的小的电热元件的热转换中的变化，来测量流体流速。
如果导线浸在流体中，且通过电流加热，则导线温度增加以及功率输入是 I2Rw＝hwSw(Tw-Tf) (1) 其中 I电流值， Rw导线电阻 hw导线的热传输系数 Sw导线的表面区域 Tw导线的温度 Tf流体的温度 导线的电阻也是温度的函数 Rw＝R0[1+α(Tw-T0)](2) 其中 R0是在参考温度的导线电阻 α是导线热电阻的系数 T0是参考温度。
根据以下方程，导线的热传输系数hw是流体流速vf的函数 hw＝a+b*vcf(3) 其中，a、b和c是通过校准获得的系数。
将以上三个方程组合，可以去除热传输系数hw，并重新排列以求解流体流速 Vf＝{(I2R0[1+α(Tw-T0)]/Sw(Tw-T0)-α)/b}l/o(4) 通过针对元件的电流来平衡经过元件的流量所产生的冷却效果，从而使元件保持恒定的温度。由于流速的变化所导致的电流的变化显示为风速仪输出处的电压。
现将描述适合在用于测量渗透流量和渗透电导率的设备中使用的热力式风速仪的实施例。参照图1，一般地，通过参考号10指示在优选实施例中有用的热力式转换风速仪流体流动测量设备的一个实施例。设备10包括可以插入流体流动路径(通过箭头14示出)的热电偶传感探测器12，以测量流速。
流体流通14可以包含在导管或电缆槽16(例如渗透管)中。热电偶探测器12包括连接以形成位于探测器12末端附近的传统热电偶结24的一对校准线20、22。
在该实施例中，热电偶12示为套管型探测器，其具体示例在图6-10中示出。也可以使用无套管探测器。套管保护结24不受流体流动14的影响。
在框图中示出简单的、优选电子控制单元26。如图14所示，控制单元26位于距离热电偶探测器12较远的位置，其中热电偶探测器位于支架管173的末端，并且控制单元26可以位于记录设备174之内。单元26包括通过脉冲开关30与导线22之一耦合的电源28。
所述单元包括与电压对时间记录器34耦合的电压测量装置32。电压和时间测量与计算单元36耦合，所述计算单元将流体流速与探测器12的温度衰退或时间常数相关联。计算单元36与可以产生可视和/或硬拷贝输出的输出或显示器单元38耦合。
对于图2，很好地示出了设备10和探测器12的循环操作。在时间t-1处，脉冲开关30关闭，将跨导线20和22的相对高的电压脉冲耦合(t0-t1)的时间段。通过电阻加热，将结24附近的探测器12的温度升高到比要测量的流体的温度高的温度。例如，在典型流体流量测量中，可以将探测器的温度升高比流体温度高5至10℉的温度。如之后所描述，功率脉冲不需要精确的控制或测量。
在时间t0处，打开开关30，以从导线20、22处移除电源。当移除电源时，热电偶12中的温度分布开始衰减。在时间t1处，通过将测量与记录器34耦合的装置32来测量结24的温度T1。在第二时间t2处，通过装置32再次测量结24的温度T2，并再次与记录器34耦合。
然后，根据以后对图3和图4的分析，在单元36中利用两次测量T1和T2来计算流14的对应流速。在时间t3处，如果期望，则可以再次重复循环。温度T1和T3完全不相关，且不需要是相同值。如果流体整体温度实际不恒定，则需要第二传统参考热电偶结。
图3中所示的曲线表以结24的温度衰减的数学分析为特征。开始，在时间t0处，结24具有温度函数f(r)描述的某一任意温度曲线。将探测器12建模为无限长、均匀的圆柱体，通过以下方程5的经典级数解(seriessolution)，可以描述作为半径‘r’和时间‘t’函数的温度分布。在零参考理论下进行该讨论，其中流体问题假设是零，从而探测器温度“T”实际上表示与参考温度的差。在实践中，会测量并获知流体温度，从而可以容易地从数学上将流体和探测器温度之间相应的测量的差相关联。
其中 T＝给定半径和时间的探测器和流体之间的温度微分 r＝半径 a＝圆柱体外径 t＝时间 H＝在圆柱体表面的对流系数(convective coefficient) h＝H/K k＝K/ρC ρ＝密度 C＝热容量 K＝圆柱体内导热性 Jo＝零阶(order zero)贝塞尔函数 αn＝超越方程2的根 在足够的衰减时间(t0-t1)之后，在探测器12中的初始温度条件放松(relax)，并且在相同级数中的所有项接近零，接受1。时间t1之后的衰减方程可以近似为 其中 A1是针对固定初始条件、流条件和辐向位置的常数，r；以及α1是超越方程6的最小的根(特征值)。
在图4中示出在时间t1处开始、并针对T1标准化的方程7的半对数图。该曲线的斜率是不变的，且通过方程8来近似。明显地，初始条件相约，因而斜率独立于功率脉冲的形状、持续时间、辐向位置和幅度。利用方程8，并根据方程6认识到H是α1的函数，可以通过使用方程8A确定对流系数H。
或 从流体动态考虑，使用以方程9的形式的针对流过圆柱体的流体的相关性，可以近似得到探测器表面的对流系数。
H＝CRen(9) 其中 Re＝vd/γ(雷诺数)(9A) d＝圆柱体的外径 v＝局部流体流速 γ＝动态粘滞度 并且C和n是Re数的大范围内的已知经验常数。将方程9A代入方程9得出方程10。
因而，利用所测量的温度值T1和T2，可以使用方程6、8A和10计算局部流速v。
针对小的内部热电阻(毕奥#＝hd<1)，利用方程11，局部流体流速近似与方程8中的斜率相关。因而，针对固定的流体和探测器属性，v对斜率的对数-对数曲线产生具有斜率n的直线。
Vn＝斜率×常数针对毕奥#<1 (11) 上述常数是依据固定探测器和流体属性的校准常数。然后可以开发针对不同流体和/或流体温度的数据库。指数“n”是Re数的大范围内的已知常数，并针对40至4000的范围的Re数被给定为0.466。
因而，利用所测量的标准化斜率值(根据方程8)，可以使用方程11计算局部流体流速v。利用如在许多传统流量测量方法中所使用的流体条件、电缆槽大小、探测器位置等，可以计算基于(一个或多个)局部流速读数的电缆槽16中整体流量。
一般地，通过图5中的参考号40指示可以在一个实施例中使用的风速仪的另一个实施例的一般化的框图和示意性逻辑电路。热电偶结42通过一对校准导线44和46与放大器48相耦合。导线44可以很方便地接地，导线46通过线路52与脉冲开关50耦合。脉冲开关50通过线路56与电源54耦合。
放大器48通过导线58和60与模数转换器(A/D)62耦合。A/D转化器62的输出通过线路66与处理器64耦合。诸如微型计算机或微型处理器的处理器64通过线路68与开关50耦合，并通过线路70与显示器72耦合。虽然未示出，但是可以在针对放大器48的输入处提供适合的过滤，以将放大器48与施加到结42的瞬时功率脉冲隔离(如果期望)。
在设备40中，处理器64通过脉冲开关50和电源54控制施加到结42的脉冲的定时。来自结42的电压通过放大器48进行放大，并转换为数字过程要利用的数字信号，所述数字信号然后可以在显示器72中显示。虽然在利用针对处理器64的微处理器期间数字信号是最优选的，但是也可以利用模拟逻辑处理器，在这种情况下可以删去处理器64和相关电路。
设备10和40具有良好的稳定性、可重复性以及灵敏度。设备10和40易于适应同时的多流量测量技术。热电偶具有稳定、精确和耐用的确定规律，并且设备10和40受益于热电偶概念的结合。在图6-10中示出了特定的热电偶设计。
在传统的热电偶中，通过被施加的足够的功率来加热整个热电偶长度。通过只加热热电偶结周围的热电偶的端头区域可以降低功耗。尤其在图6-10中描述的下列探测器设计用于利用标准的制造技术将生产成本最小化。利用套管状热电偶可以允许热电偶稳定、精确和耐用的确定规律与设备10和40结合。此外，修改热电偶以将减少操作成本的功率需求最小化，并增强便携式电池供电的应用程序。
参照图6，最佳地示出了套管状热电偶探测器74的第一实施例。探测器74包括在封闭的端头(tip)78处结束的套管外部主体76。通过从高导电材料和/或大导线直径形成导线80，第一校准导线80形成具有相对较低的电阻。通过从低导电材料和/或小导线直径形成导线82，第二校准导线82形成具有相对较高的电阻。
在端头78附近形成结84，并且导线82接地(ground)至端头78，因而也接入套管主体76中。邻近结84，局部地加热端头78。通过在低电阻导线80和套管主体76上施加相对高的电压，完成端头78的局部加热。因而，电流流经导线80至结84，可忽略电阻加热。从结84处，电流流经高电阻导线82至接地端头78。因而在结84和端头78之间加热导线82，以局部地加热端头78。经由套管主体76的电流产生最小或可忽略的电阻加热。通过在结84处在导线80和82之间使用赛贝克效应来执行探测器74的温度感测。
在图7中示出了套管型热电偶探测器86的第二实施例。探测器86包括具有端头89的套管主体88。第一低电阻校准导线90在结92处(就在端头89之前)与接地至端头89的高电阻导线部分94相连。第二低电阻校准导线96也接地至端头89。
通过在导线90和96上施加相对高的电压，完成所施加的功率脉冲期间端头89的局部加热。由于导线90和96的高电导性，所以在邻近端头89的高电阻导线部分94中，发生唯一显著的电阻加热。通过利用导线90和96之间的赛贝克效应完成探测器86的温度感测。也可以去除导线96，然后可以在导线90和套管主体88上施加电压。
一般地，通过图8中的数字98指示第三套管型电热偶探测器实施例。探测器98也具有低电阻套管主体100，然而，探测器98具有高电阻材料形成的端头102。一对低电阻校准导线104和106接地至端头102。通过在具有使唯一显著的电阻加热在端头102中发生的高电导性的导线104和106上施加相对高的电压，局部地加热端头102。通过利用导线104和106之间的赛贝克效应再次完成温度感测。可选地，可以在套管主体100和校准导线之一上施加电压，这样就不需要低电阻导线形成的另一根校准导线。
图9中示出另一个套管型探测器实施例108。探测器108包括具有端头112的套管主体110。一对相对低的电阻导线114和116通过一部分高电阻导线118在端头112附近连接。通过在该对导线114和116上施加相对高的电压脉冲，局部地加热端头112，该对导线114和116电阻加热该部分118以加热端头112。通过利用该对导线114和116之间的赛贝克效应再次完成探测器108的温度感测。
图10中示出套管型热电偶探测器120的第五实施例。探测器120包括具有端头124的套管主体122。低电阻导线126接地至端头124。为了完成端头124的局部加热，端头124可以是例如端头102之类的高电阻材料(图8)，或者导线126可以在端头处包括高电阻部分(例如导线部分94)(图7)。通过利用导线128和130之间的赛贝克效应，利用一对校准导线128和130用于温度感测。
可选地，也可以利用四个或更多的多导线配置。例如，可以利用两个导线用于提供功率脉冲，并且可以利用两个单独的校准导线用于赛贝克效应温度感测。另一个可选项是使校准线128和130以与传统不接地的热电偶类似的方式不接地。
在图11中示出了流量测量设备10的操作的流程图。首先如框146所示，使热电偶(t/c)例如在图2中的t0-t-1的时间段产生脉冲。然后，随着结温度的衰减，如框148所示，测量温度至少两次，例如在图2中所示的t1、t2等时间点。然后根据方程8，如框150所示计算衰减曲线的斜率。然后根据方程11，如框152所示，根据斜率确定流体流速。
然后，可以如框154所示显示根据测量的每个功率脉冲集所确定的流速。可选地或此外，如框156所示，可以存储功率脉冲所确定的流速，并使用随后的脉冲测量值进行平均。可以显示每个流速值，并且也可以显示平均值，或只需要显示平均流速。平均可以是连续的平均，或可以针对固定的时间段。在确定每个流速之后，可以如线158所示再重复该序列。
根据上述示教，修改和变化是可能的。如所述，电阻加热(焦耳加热)可以影响探测器的加热。通过珀耳帖加热或冷却也可以影响相对于流体的探测器的加热或冷却。套管状探测器可以包括传统的密封材料(如果期望)。一般地，校准导线由热电偶合金形成。只要结实际上保持相同的温度，则校准导线之间的单独导线部分或探测器端头的一些探测器实施例的中加法不影响测量值。因此可以理解在优选实施例中有用的热力式风速仪包括与具体描述不同的风速仪。
流量计的可选实施例包括可旋转部件。这种液体流量计包括安装在液体流动途径和支架管入口末端的叶轮或涡轮，其中叶轮或涡轮的旋转次数提供流经于此的液体流量的测量。液体流量计可以提供用于检测叶轮或涡轮运动旋转的电路，其中，典型地将磁元件与可旋转轴相连，并提供接近于磁铁的感应或电感传感器电路，其中可旋转磁铁产生不同的磁场以影响与传感器耦合的电路，并因而产生表示轴旋转的电信号。接下来将电信号放大并转化为驱动信号，用于接通某种形式的指示设备(例如RFID标签)。
一个实施例包括液体流量计，其中磁铁附于可旋转叶轮轴上。以防铁磁性电路形式出现的磁场传感器放置在实际接近可旋转磁铁的位置，并且磁场感应(induce)传感器中的电信号，将所述信号放大并整形以驱动服务用于计数所感应的信号以及计算相应的流量读数的适合的逻辑网络。
流量计的另一个实施例利用磁铁。例如，第一磁铁附于可旋转叶轮轴，以及第二磁铁放置在接近第一磁铁的位置，但是在液体流量室之外。第一磁铁的旋转场感应第二磁铁的旋转，并且通过感应传感器检测第二磁铁产生的旋转场，以产生表示轴旋转的电信号。然后利用电信号驱动指示器电路，以提供该设备检测的容积流量的读出。
另一实施例包括利用轴安装磁铁的流量计。例如，测量计具有附于转子轴上的第一磁铁以及附于指示器轴上的第二磁铁，所述第二磁铁与所述第一磁铁可旋转地磁耦合，从而当流体流动通过仪表壳旋转转子轴时，提供指示器轴对应的旋转。
另一个实施例包括可旋转涡轮或叶轮类型的液体流量计，其中，通过测量计的液体流动产生由非磁性材料制成的轴的正可旋转位移。永久磁铁嵌于轴最近的一个末端，并且叶轮末端轴可选地安装在由非磁性材料做成的外壳中。磁性操作的簧片开关放置在嵌入了永久磁铁中的离轴末端最近的外壳之外，并且轴的每次完全旋转产生簧片开关的两次磁感应关闭。该簧片开关与电池操作的逻辑电路电耦合，包括计数器和电子读出器，从而簧片开关的开关闭合转换为提供给例如RFID标签的流量数据。
控制可旋转叶轮和流量计空腔的内部设计以提供预定体积排量特性，其中叶轮的每次旋转与逻辑电路匹配，从而提供在轴单个旋转期间经过的液体流量，其中逻辑电路和显示器适配用于计数和显示单元的测量单元之间的预定的分数(fractional)关系。因此，可以通过只改变可旋转涡轮或叶轮的一个线性维度来修改测量的单元。
渗透电导率测量 优选实施例也包括监视渗透流电子属性的测量设备。测量水分传导度的设备操作优选地基于两个电极之间水分电阻率的测量。电阻率测量传感器可以优选地安装在诸如流量测量设备的某一位置。如上所述，使用热力式风速计测量渗透流量。
渗透电导率测量设备的优选实施例包括监视液体电属性的测量设备。测量水的电导率的设备操作优选地基于对两个电极之间水的电阻率的测量。测量至少两个电极之间的电流的设备优选地放置于反渗透过滤器设备和/或系统的中心管上或内。这种设备的示例在专利3,867,688和4,132,944中公开，且一并引入作为参考。可以通过无线电频率辐射、可充电电池、从RFID标签转换的电力、电磁能、或本领域技术人员已知的其它形式的能量提供需要给这些设备供电的电能。
优选实施例的渗透电导率测量设备包括具有整体安装的热电偶的电导池。如图13所示，电导率测量设备170的电极安装在测量设备的开放罩171内。当电导池连接在a.c.正弦波激励源两端时，所产生的电流与电池导纳成正比。该电流分解为两个正交分量一个为充电电流，导致激励电压改变90°，且与电导池的电极间的液体的介电常数(k)成正比；一个为与激励电压同相的欧姆电流，且与液体的电阻倒数或电导(conductance)成正比。
针对导纳(电导)的实分量的温度补偿可以基于阿列纽斯绝对率模型。相应地，电导优选地是热能(RT)的函数，以及分开导电物质平衡位置的激活能(activation energy)ΔE≠。可以通过以下方程将在过程温度T处的电导G校正为在参考温度T0处的电导G0 Go＝G 10b(To-T)(12) 或 Log Go＝log G+b(To-T) 其中， b＝ΔE≠/[2.303 R Tok2]，其中 ΔE≠＝以卡/摩尔为单位的激活能 R＝以卡/(摩尔°K.)为单位的气体常数，以及 Tok＝To(以绝对温度为单位)。
嵌在渗透电导率测量设备中的热电偶产生与过程液体温度T成正比的信号，而通过适合的电路产生类似于参考温度T0和b的恒定信号。将这些与T、T0和b成正比的模拟信号组合，以形成表示表达式b(To-T)的信号。根据表示电导G的信号产生log G函数，并将log G函数加至表示b(To-T)的信号，并发送到逆对数放大器，所述逆对数放大器的输出信号表示液体所期望的电导值G0。
当除以以弧度每秒为单位的激励频率时，导纳的虚分量是在处理温度T处液体的电容C。基于针对液体的简单的体积膨胀和针对极性分子稀溶液的德拜模型，液体介电常数k的温度相关性采用以下形式 k＝ko-α(T-To)(13) 正如国家标准局通知514中所报告的。就所测量的电容而言， Co＝C-aC(To-T)(14) 其中C0是在参考温度T0处的液体的电容，K0是在参考温度T0处的液体的介电常数，α是体膨胀系数，并且a＝α/K0。
该方程假设在参考温度T0处的空气中电池的电容C’0大约等于所测量的过程温度T处的液体的电容C除以过程温度T的液体的介电常数k。做出该假设以允许使用具有不同C’0值的不同电导池，而不改变任何电路值，并且只要介电常数随温度的变化不多于百分之十的增减，这种假设就是正确的，在RO过滤系统中正常发现的温度和压力的水的情况就是这样。
以与形成电导补偿电路中b(To-T)项所用的相同方法产生与a(To-T)成正比的信号。将与液体的电容C成正比的信号和与a(To-T)成正比的信号提供给模拟乘法器，所述模拟乘法器产生与这两个信号的乘积aC(To-T)成正比的信号。然后，从电容信号C中电减去该乘积信号以产生与参考温度T0处液体的电容C0成正比的信号。
例如，在如图15所示的渗透电导率测量设备的一个优选实施例中，正交振荡器217产生1000Hz正弦波电压，所述电压通过放大器218放大，并施加到通过屏蔽线路处理的浸在液体中的液体传感探测器的电导池219。流经电导池219的电流通过电流变换器222转换为成比例的电压，并通过窄带放大器223放大。然后通过分相器224将该放大的电压信号分为相反极性的两个信号，并将所述两个信号提供给第一乘法器225和第二乘法器226的相应电路。
在第一乘法器225中，分相器输出信号优选地乘以正交振荡器217所产生的、与施加在电导池219上的电压同相的方波电压信号，以产生与流经电导池219的电流的实分量成正比、并因而与液体的电导G成正比的输出信号。
在第二乘法器226中，分相器信号优选地乘以正交振荡器217所产生的、与施加在电导池219上的电压90°异相的第二方波电压信号，以产生与流经电导池219中的液体的电流的虚分量成正比、并因而与过程温度T时液体的电容C成正比的输出信号。
液体传感探测器优选地包括嵌于其中的热电偶228，所述热电偶产生与探测器的液体温度成正比的信号。放大该温度信号，并与放大器和补偿电路230中的温度成线性。
在优选实施例中，该补偿温度信号直接与液体过程温度T成正比，且和与参考温度T0成正比的信号一起在图16的温度补偿电路中使用，以将与在测量温度T处的液体的电导G和电容C成正比的信号转换为在测量温度T0处的液体的电导G0和电容C0成正比相应信号。在该监视设备的大多数应用中，将参考温度T0选择为大约处理操作期间液体的平均温度，从而只在处理操作期间液体的最高和最低温度的范围内做出温度补偿。
在图16中，放大器优选地用于产生与参考温度T0成正比信号，可以从所述信号中电减去与过程液体温度T成正比的信号。放大器232的输入通过参考电压电阻器234与正电压电源相连，且反馈电阻器236在放大器的输入和输出之间连接，并直接与参考温度T0成正比，参考温度电阻器234的值与参考温度T0成反比，并且可以是可变电阻器，以允许选择参考温度T0。此外，由于来自放大器232的输出信号必须等于来自在所选温度T0处的热电偶放大器的输出温度信号，所以通过热电偶放大器230的信号特性确定反馈电阻器236的值。假设热电偶放大器230的电压输出信号在500°C时是10伏特，且以每度C0.02伏特的比率随着温度T变化，则参考温度放大器232的输出电压信号优选地与.02(-T0)伏特成比例。因而，如果正电压电源是15伏特，并且选择温度电阻234的值等于1/To×107欧姆，则反馈电阻器236的值优选地大约为13,300欧姆(13.3K)，以产生0.02(-T0)伏特的输出信号。
将该0.02(-T0)伏特信号优选地通过10K电阻器提供给加法放大器238的输入，且将来自热电偶放大器230的0.02(T)电压信号通过另一个10K电阻器242也提供给放大器的相同输入。100K反馈电阻器244在放大器238的输入和输出之间连接，以产生提供给电导和电容补偿电路的0.2(To-T)伏特的输出温度补偿信号。当所测量的液体温度T等于参考温度T0时，将不会有温度补偿信号。
该0.2(To-T)温度补偿信号优选地通过具有1/b×102欧姆值的电导补偿电阻器248提供给放大器246的输入，所述电阻器可以是可变电阻器，以允许以具有不同“b”值的不同液体使用该设备。10K反馈电阻器250优选地在其输入和输出之间连接。将表示20b(To-T)的放大器246的输出通过200K缩放(scaling)电阻器254提供给加法放大器252的输入。
将与液体电导G成比例的来自第一加法器225的输出信号优选地通过电阻器260提供给对数放大器258的输入。假定该电导信号的最大值是+5伏特最大定标，则可以选择电阻器260具有50K的欧姆值，以允许至对数放大器258的100μA的最大输入电流，并且可以选择对数放大器258以具有μ对数的转移函数(安培输入电流/100μA)，从而对数放大器258的电压输出将优选地是-log G伏。
在优选的实施例中，也将该-log G信号通过10K电阻器255提供给加法放大器252的输入，以产生log G+b(To-T)伏或log G0伏的输出信号，由于如前所讨论，log Go＝log G+b(To-T)。将该log G0电压信号优选地通过10K电阻器259提供给放大器256输入，且10K反馈电阻器260在放大器256的该输入和输出之间连接，以将该输入信号反向，并从-logG0伏的放大器256中产生输出信号。然后将该-logG0信号提供给具有10×10-x转移函数的逆对数放大器262的输入，其中x是输入信号，以产生与液体的电导G0成正比的0到10的输出信号。
在该渗透电导率测量设备中，来自第二乘法器226的电容信号的最大值是-5伏，且由于期望与液体的电容C0成正比的10伏的最大定标正输出，所以来自第二乘法器226的输入信号示为-C/2伏。
也将来自放大器238的0.2(To-T)伏温度补偿信号通过具有1/a×102欧姆值的电容补偿电阻器266提供给另一个放大器264的输入。该电容补偿电阻器266可以是为与具有不同“a”值的不同液体使用而调整的可变电阻器。5K放大器反馈电阻268优选地在另一个放大器264的输入和输出之间连接，以产生提供给模拟乘法器270的第一输入的-10[a(To-T)]伏的放大器的输出信号。将来自第二乘法器226的-C/2伏信号提供给模拟乘法器270的第二输入。模拟乘法器270具有两个输入信号乘积的十分之一的转移函数，以产生a(To-T)C/2伏的输出信号。将模拟乘法器的该输出信号通过10K电阻器274提供给加法放大器272的输入。也将来自第二乘法器226的-C/2伏信号通过10K电阻器276提供给放大器272的相同输入。20K反馈电阻器278优选地在放大器的输入和输出之间连接，以产生与C-aC(T0-T)或液体的电容C0成正比的输出电压信号，由于如前所述，C0＝C-aC(T0-T)。
在渗透电导率测量设备的优选实施例中，针对施加在电导池电极上的电压，选择1000Hz的相对高频以减少电荷转移动力学(感应电流阻抗)和电极极化影响，并提高具有液体的电极(双层电容)的电容耦合。此外，在该操作频率上，操作性放大器和在该实施例中使用的其它电子组件易于商用。然而，本公开不限于采用该频率的设备，可使用在100Hz到107Hz的大概范围内的频率。此外，通过电路组件的选择优选地确定额定操作温度范围、过程温度T偏离参考温度T0的最大偏差、以及最大绝对信号校正。
在渗透电导率测量设备的另一个实施例中，通过无电极设备测量电导。在这种设备中，通过给与第一转换器环形磁芯的一次绕组串联的电容器充电来获得液体的电导的非接触测量。给电容器周期地放电，从而穿过一次绕组，作为电容器、绕组电感和固有电阻率的结果，产生衰减的摆动信号。针对至少一部分路径而包括液体的环路用作针对第一环形磁芯的一圈次级绕组，以及用作针对第二转换器环形磁芯的一圈初级绕组。在放电开始时，跨接环出现恒定电压，而不考虑环的电阻，从而通过测量出现在放电起始并与放电起始时环路中的电流相对应的第二磁芯的次级绕组中的峰值电流，可以使用欧姆定律确定液体的电导。
可以理解，上述电导率测量不限于流经RO过滤装置的液体的盐度评估，但是本领域技术人员可以很容易地应用到溶解总固体(TDS)的测量中。
此外，获得液体的电导以测量盐度和TDS不是绝对必要的；可以采用诸如密度方法或折射(refractance)方法的本领域已知的其它方法。
渗透流量和渗透电导率测量设备 可以在图12中所示的压力容器中采用本公开的系统。压力容器是具有多个膜元件163的圆柱管161。元件使用适配器162与端面板连接，且通过内部连接器164彼此连接。压力容器具有进料口和浓缩口165&166。渗透通过渗透口167离开压力容器。一个渗透口用盖168封闭。压力容器可以是包含多个并行连接的压力容器的压力容器组合(RO列)。如图12所示，膜元件封闭在100-1200psi压力下操作的压力容器中。在RO列操作期间，膜元件是不可接近的。因而，必须通过停止RO列、从压力容器中移除元件并在单独的测试单元中对元件进行测试，才可进行元件性能的任何完整的测量。在操作期间，可以从压力容器测量组合渗透的电导率。也可以通过盖168插入小直径探测管来沿压力容器测量复合电导率。在探测管另一个端收集到的渗透采样与压力容器中的特定位置相对应。然而，电导率结果本身并不足以计算元件性能。为了计算元件性能，还需要沿压力容器的渗透流量的值。渗透流量、渗透电导率测量的结果和进料压力、浓缩压力、进料盐度和温度的数据使得能够进行正常元件性能的计算。直到现在还没有方便的方法来测量在RO单元操作中的单独膜元件的渗透流量。
在一个实施例中，如图13所示的集成传感器包括安装在小直径管上热力式风速仪探测器169和电导率探测器170，并被开放的流罩171保护。如图14所示，为了进行测量，通过插头168中小的开口将安装在支架小直径管173上的集成探测器插入渗透管172。通过导线将传感器连结至至少一个记录设备174。在优选实施例中，记录设备是附于探测器管的入口侧所在的单个反渗透膜元件的RFID标签。可选地，传感器可以产生信号并将其无线地发送到记录设备。通常利用小直径的球阀封闭插头168的开口。渗透通过与渗透集管相连的压力容器的另一端的渗透端口离开压力容器。该设置能够在工厂操作期间使探测器插入管的开口，同时确保在流量和电导率测量过程中渗透水往外泄露最少。传感器安装在其中的支架管逐渐地移入邻近元件的所连接的渗透管中，并且可以记录渗透流量和电导率读数，并将所述读数与压力容器的长度内的特定位置相关联。这可以通过本领域已知的许多方法完成。例如，传感器可以将数据传输到最近的RFID标签，所述标签与探测器所在的入口侧的元件相关联。可选地，可以使用位于压力容器外的磁道上的记录设备所产生的电磁辐射启动各个元件的RFID标签，所述标签当探测器经过每个元件时从传感器接收数据。这种通信使所测量的值直接链接到传感器所在的各个元件中，这会便于各个元件性能的确定。可选地，可以通过测量支架管插入压力容器的长度，将所测量的值链接到单独元件。
在压力容器中的膜元件的所连接的渗透管中的渗透流量具有渗透流量和渗透电导率的聚合率。通过沿所连接的渗透管的长度进行测量，可以计算在给定点渗透针对组合的流量和电导率的作用。与元件过去性能的历史数据组合的所测量的值对系统中元件当前性能的确定十分重要。也提供了对必须被替换以提高系统性能的元件的选择所需的信息。
因为与压力容器中特定位置相对应的渗透电导率可以在探测管的出口端测量，所以不必在探测管的入口端测量电导率。在一个实施例中，探测管仅包括用于在入口端测量渗透流量的机构，而渗透电导率在出口端测量。
尽管没有列出所有可能的实施例，但是本公开包括了基于本领域技术人员的知识并入不同变化、改正和修改的不同实施例。可以理解，本发明的形式只是示意性的，并不仅限于其范围。只要不偏离本公开的精神，这些实施例的修改也可包括在本公开的范围之内。
权利要求
1.一种允许评估反渗透膜元件的性能的系统，包括
反渗透膜元件；
所述反渗透膜元件中的渗透管；
所述反渗透膜元件的渗透管内的拉伸探测管；
被配置为测量用于评估性能的值、并在所述探测管入口端处放置的至少一个传感器；以及
与所述传感器进行电子通信以记录所述测量的结果的记录设备。
2、如权利要求1所述的系统，其中被配置为测量用于评估性能的值的所述传感器包括用于测量渗透流量的传感器。
3、如权利要求2所述的系统，其中用于测量渗透流量的所述传感器包括热力式风速仪。
4、如权利要求1所述的系统，还包括用于测量渗透电导率的传感器。
5、如权利要求4所述的系统，其中用于测量渗透电导率的所述传感器包括具有整体安装的热电偶的电导池。
6、如权利要求1所述的系统，其中电源给所述传感器供电。
7、如权利要求6所述的系统，其中所述电源包括至少一个射频标识(RFID)标签。
8、如权利要求1所述的系统，其中通过有线连接所述记录设备和所述传感器来进行所述电子通信。
9、如权利要求1所述的系统，其中通过无线连接所述记录设备和所述传感器来进行所述电子通信。
10、如权利要求1所述的系统，其中所述传感器还具有RFID标签，并且通过所述RFID标签和安装在所述元件上的RFID标签之间的通信，将所述值与反渗透膜元件链接。
11、一种评估反渗透膜元件性能的方法，所述方法包括
a)在包含至少一个所述元件的压力容器中提供根据权利要求1的系统；
b)测量至少一个所述值；
c)将所述测量的结果传输至所述记录设备；以及
d)基于所述结果评估所述性能。
12、如权利要求11所述的评估反渗透膜元件性能的方法，其中所述至少一个值包括与渗透流量相关的数据。
13、如权利要求12所述的评估反渗透膜元件性能的方法，其中所述至少一个值还包括与渗透电导率相关的数据。
14、如权利要求11所述的评估反渗透膜元件性能的方法，其中所述传感器还具有RFID标签，并且通过所述RFID标签和安装在所述元件上的RFID标签之间的通信，将所述值与反渗透膜元件链接。
15、如权利要求11所述的评估反渗透膜元件性能的方法，还包括
e)如果所述评估指示需要替换以提高系统性能，则替换所述元件。
全文摘要
本公开涉及一种系统，该系统包括当在RO单元中操作时测量各个膜元件(163)的渗透流量和电导率的集成传感器(169，170)。在RO单元操作期间使其插入所连接的膜元件(163)的渗透管(172)的流量和电导率测量集成传感器(169，170)是小型的。将所测量的流量和电导率信息通过电线或无线传输传送至记录设备(174)。
文档编号B01D61/00GK101443098SQ200780017198
公开日2009年5月27日 申请日期2007年3月12日 优先权日2006年3月13日
发明者马克·威尔夫, 瑞奇·弗兰克斯, 克力格·巴特尔斯, 池山则夫 申请人:海德拉罗迪克斯公司