测量热水系统中氧化还原电势和温度的设备的制作方法

专利名称：测量热水系统中氧化还原电势和温度的设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种氧化还原电势和温度的测量设备。更具体地说， 本实用新型涉及一种与热水系统中的腐蚀抑制程序 一起使用的氧化还原 电势和温度的测量和监控设备。本实用新型尤其与氧化还原电势和温度测 量和监控设备有关，该测量和监控设备的输出信号用于确定影响和控制工 业锅炉系统中氧化还原电势的化学品的进给速率。
背景技术：
在热水系统例如工业锅炉中，因增大的氧化还原电势而引起的腐蚀成 为主要关注的问题。氧对锅炉水工业中所使用的合金的亲和力是引起许多 腐蚀现象的原因。这种腐蚀是一个复杂的过程，不但取决于系统中氧的量， 而且还取决于诸如水化学和冶金方面的因素。例如，水中存在的其他物种 能将氧转变成侵蚀性腐蚀力，或者能使冶金钝化。其他重要因素是温度、 压力、流体速度和操作实践。虽然氧可能是腐蚀过程中的主要组分或重要 组分，但它并不是唯一的组分。
减少热水系统中氧腐蚀的常规方法是通过机械化学方法来去除大部 分分子溶解氧。绝大部分溶解氧都是通过采用机械除气而被减少到十亿分 之一的范围的。水通常在通风容器中被加热到沸点温度以上，从而导致溶 解氧的溶解度随温度的升高而减小。除气器所特有的流体动力学和搡作问 题使水中留存了十亿分之一的溶解氧。氧净化剂是用于重复地将溶解氧的 值降到低而恒定的值的化学品。许多这种净化剂还起到钝化腐蚀抑制剂的
作用。除气器并不总是完全有效；如果它们完全有效的话，那么就可能再
也不需要纯净化剂了，不过添加增强金属钝化的化学品是毫无疑问的。在 某些情形中，添加氧净化剂是防止除气器可能出现故障可能性的安全保险 措施。添加净化剂也可以防止空气渗入到系统中。
传统上，供给到锅炉给水的氧净化剂的量基于给水中溶解氧的量加上 一些过量净化剂。供给的过量净化剂的量基于锅炉给水或锅炉水本身期望 的残余净化剂浓度，即过量净化剂的量是净化剂的过量浓度和锅炉周期的 函数。此供给控制方案存在若干问题。第一个问题是不能有效地控制净化 剂的进给速率。在减少残余净化剂并采取纠正措施之前，高氧条件会存在 很长一段时间。
第二个问题是锅炉水中存在的残余净化剂并不能简单地表示系统得 到了令人满意的处理。根据条件(如，低温或短的滞留时间)，给水中可 以同时具有高的氧浓度和足够的净化剂。当这种富氧的给水送达锅炉时， 用蒸汽闪蒸出氧而在锅炉水中留存下未反应的净化剂。在极端情况下，结
果可能是在进锅炉之前和冷凝系统中不能接受的高溶解氧水平，同时在锅 炉本身中具有氧净化剂的期望残余浓度。
在使用超高纯度的水的某些高压锅炉(直流)中，已经采用了不同的 方法。不使用氧净化剂。事实上，少量分子氧是有意添加到给水中的。在 小心控制的锅炉水化学条件下，氧(即，氧化剂)作为碳钢的钝化剂。所
采用的氧浓度远小于空气饱和(8ppm的溶解氧)值，因此使用了 一些除气
法。通常在添加受控量的氧之前，更容易在一定程度上除气。
工业锅炉系统中的腐蚀通常发生在工作(即，高的)温度和压力下。 最有效且最准确的操作和控制数据基于实际工作条件下所得到的测量结 果。在锅炉给水温度和压力下汇总这些标示了对系统的腐蚀应力的数据难 以进行或很少能做到。传统上，已经在室温和压力下对从系统所取的样品 测量了氧化还原电势。这种室温测量结果和其他常规测量结果例如溶解
氧、特定冶金学腐蚀速率(metallurgy-specific corrosion rate)或残余净化 剂测量结果不能够检测多数腐蚀现象和应力。
因此，存在一种持续需要来有效地测量和监控工作温度和压力下热水 系统中的氧化还原电势。这种监控能够主动调整给水化学(如氧、氧净化
剂、还原剂和氧化剂)，而不是在腐蚀发生之后才做出反应性调整。包括 氧净化剂/钝化程序的给水化学的持续、实时优化会预防腐蚀问题，而腐蚀 问题会造成蒸汽量损失、停机时间、资产寿命减少和运营成本增高。

实用新型内容
因此，公开了一种用于在工作温度和压力下测量和监控热水系统中氧
化还原电势("ORP")的设备。在实施方案中，该设备包括流通池 (flow-through cell )、用于检测系统中ORP的电极(此处称作"ORP探针")、 温度检测器和参比电极。在优选实施方案中，这些部件协调作用以测量和 监控ORP和温度，并将这些测得的信号发送至控制器，该控制器确定热水 系统处理化学品例如氧和/或氧净化剂的进给速率。在优选实施方案中，在 流通池内的ORP探针和优选封装在外部压力平衡式参比电极组件(external pressure-balanced reference electrode assembly) ( "EPBRE")内的参比电才及 之间所测得的电势(即，电压差)标示了热水系统例如工业锅炉系统中的 ORP。
在一个方面，本实用新型包括一种用于测量热水系统中氧化还原电势 和温度的设备。在一实施方案中，该设备包括具有多个端口的流通池，所 述多个端口包括第一端口、第二端口、流入端口和流出端口。在一实施方
案中，该设备包括与第 一端口相关联且具有将信息转发至控制器的连接件 (connection )的ORP探针。在一实施方案中，该设备进一步包括热变电 阻传感器(temperature-dependent resistance sensor)(有时称为"电阻式温 度检测器")，该热变电阻传感器与第一端口相关联且具有从流通池延伸到 可操作来将信息转发至控制器的温度检测器电连接件(electrical connection)的连接件。
在一个实施方案中，该设备还包括与第二端口相关联的外部压力平衡 式参比电极组件。所述组件包括在流通池内的所述组件的第一端上的多孔 玻璃料以及含有电解溶液并从所述组件第 一端延伸到所述组件第二端的 管。所述组件的第二端连接到银/氯化银半电池参比电极，该银/氯化银半 电池参比电极具有电连接件且可操作来将信息转发至控制器。
在实施方案中，该设备包括与第一端口相关联且具有第一端和第二端
的ORP探针。铂(或其他贵金属)带连接到所述第一端并放置在流通池内。
防腐线(如，铂)从所述第一端上的铂带延伸到所述第二端。所述第二端 包括可操作来将信息转发至控制器的电连接件。
在另一个方面，本实用新型包括一种通过使用所描述的设备来预防热
水系统中腐蚀的方法。该方法包括确定热水系统的理解ORP范围。在一实 施方案中，该方法包括把工作温度和压力下热水系统的ORP作为ORP探 针和参比电极之间的电势差来测量以及用温度检测器测量温度。所测得的 电势和温度^l转发至控制器系统，该控制器系统解析测量结果并确定所测 得的ORP是否落入理想ORP范围之内。该方法进一步包括若ORP未落入 理想ORP范围之内，那么就向热水系统的给水中添加有效量的氧或有效量 的还原剂。
应当理解，所公开的设备能够测量并监控静止的或流动的含水系统或 蒸汽的ORP和温度，但是主要适用于工作时的热水系统或工业锅炉系统中 存在的极端条件。在这样的系统中，温度可以高达约260°C,而压力可以 高达约3000psi。在一实施方案中，ORP和温度信号被连续监控。可替代 地，可根据时间表监控信号或者间歇地监控信号。
因为ORP探针的极化，所以在热水系统的含水环境中所测得的ORP 信号自然产生。与利用电流施加电压相反，专门设计的ORP测量和监控设 备允许利用系统中无偏移电势(free-floating potential)进行ORP的钝化测 量。合适的电压信号解才斤装置(voltage signal-interpreting unit)例如高输入 阻抗伏特计或其他设备通常需要将这种电势或电压信号解析或转化成可 读取的格式。在优选实施方案中，当垂直安装时，EPBRE的底座(即，多 接头外壳的位置，下面所更详细描述的)处于环境温度，而与系统温度无 关；然而，底座保持在系统压力下。在可替代的实施方案中，EPBRE的底 座可相对于流通池处于任何位置且其温度可以是环境温度和系统温度之 间的任何温度，取决于特定应用。
本实用新型的一个优势是提供一种用于在工作温度和压力下测量热 水系统中实时氧化还原电势的设备。
本实用新型的另 一优势是提供一种能够在工作温度和压力下测量热 水系统中实时氧化还原电势并将所测得的电势转发至控制器以可操作地 调整供给到热水系统给水中的化学品供给例如氧或氧净化剂的设备。
本实用新型的又一优势是提供一种用于在工作温度和压力下测量热 水系统中实时氧化还原电势并为输出数据提供操作器来调节热水系统给 水中的化学品供给例如氧或氧净化剂的设备。
本实用新型进一步的优势是提供一种能够提供防止热水系统中的腐 蚀的新颖而有效方法的设备。
本实用新型的优势还包括提供一种在工作温度和压力下同时或共同 测量热水系统中氧化还原电势和温度的设备。
本实用新型的另 一 优势是提供准确和高灵敏度的测量以检测用传统 室温测量系统不能检测的热水系统中的腐蚀现象。
本实用新型的额外优势是提供一种在高温和高压下测量热水系统中 氧化还原电势的方法，因此允许迅速而又准确地响应系统中的腐蚀应力。
本实用新型的又一优势是提供一种利用此处所描迷的设备通过在工 作溫度和压力下测量热水系统中氧化还原电势并将所测得的电势转发至 控制器以可操作地调节供给到热水系统给水中的氧供给或氧净化剂供给 来防止热水系统中腐蚀的方法。
本实用新型进一步的优势是能够及早地检测给水的腐蚀应力，这允许 对实时氧和/或氧净化剂的含量进行主动调整，因此允许优化此含量。
此处还描述了额外的特征和优势，且从下面的详细描述和附图中将是 显而易见的。
附困说明


图1是氧化还原电势测量设备10的实施方案的侧视图，显示有流通池 25、中间三通接头50和外部压力平衡式参比电极组件75。
图2是流通池25的实施方案的示意图，其具有端口25a、 25b、 25c和
25d、传感器26、高压接头(high-pressure fitting) 78和联接器28。
图3是中间三通接头50的实施方案的示意图，其包括联接器28、温 '度检测器电连接件54、套圈56a和56b、氧化还原电势探针连接件58、 L 型支架60和BNC连接器62a和62b。
图4展示了传感器26的实施方案，其具有温度检测器26a、绝缘热缩 套管(insulating heat shrink) 26b、贵金属带26c、线26d、锚固热缩套管 26e ( anchoring heat shrink)和管26f。
图5是所描述的若干部件之间的空间关系的剖视图，根据优选实施方 案，部件包括温度检测器26a、绝缘热缩套管26b、贵金属带26c、线26d、 锚固热缩套管26e和管26f、中间三通接头50、套圈56b。
图6描绘了外部压力平衡式参比电极组件75的实施方案，其包括外管 76、高压4娄头78、高压连4姿器80、内管82、参比电极84、多孔玻璃料86、 插入件88、多接头外壳90、异径接头(reducing union) 92、 BNC连接器 94、锁紧螺母96、螺栓98和紧固件102。
图7显示了多接头外壳90的实施方案，其具有密封接合IOO、紧固件 102、内管82和参比电极连接件84b。
图8展示了安装在热水系统200中的氧化还原电势测量设备10的实施 方案，其包括给水样品出口 202、可锁定阀204、输送管206、隔离阀208、 通气阀210、第一自由排放出口 (first free drain outlet) 212、三通管213、 压力计量器214、流量计216、流量控制阀218和第二自由排放出口 220。
图9显示了在模拟的工业锅炉给水系统中高温和高压ORP信号变化的 多个实施例。Y轴显示了用此处所描述的ORP设备所获得的ORP数目。X 轴显示了对应于每一次读数的溶解氧读数。
具体实施方式
正如此处所使用的，"热水系统"指热水与金属表面接触的任何系统。 "热水"指具有从约37。C直到约370。C温度的水。热水系统可以在大气压
力或低于大气压力下工作或在高达约3000psi压力下工作。优选的热水系 统是工业锅炉系统，其通常具有约90。C到约260。C的水温和高达约3000psi 的压力。
"ORP"、 "ORP测量结果"、"所测得的ORP"或类似的术语指在工作 温度和压力下所获得的氧化还原电势测量结果。在实施方案中，这类术语 同时包括测得的和转发的温度信号。
"控制器系统"以及类似的术语指具有一些部件的手动操作器或电子 设备，这些部件如处理器、存储设备、阴极射线管、液晶显示器、等离子 显示器、触摸屏或其他监控器、和/或其他部件。在某些情况下，控制器是 可操作的，以用于与一个或更多个特定应用的集成电路、程序或算法、一 个或更多个硬线设备和/或一个或更多个机械设备相结合。控制器系统的一 些或全部功能可以位于中央位置，如位于网络服务器，用来在局域网、广 域网、无线网络、互联网连接、微波链接、红外链接等范围内通信。此外， 诸如信号调节器或系统监控器的部件可以被包括在内以促进信号处理算 法。
在一个实施方案中，使控制方案自动化。在另一实施方案中，控制方 案是手动的或半自动的，其中操作器解析信号并确定给水化学例如氧或氧 净化剂的剂量。在实施方案中，所测得的ORP信号由控制器系统解析，该 控制器系统控制引入系统中的氧或氧净化剂的量以使所测得的ORP保持 在确定的范围内。在实施方案中，控制器系统还解析所测得的温度以确定 添加的氧或氧净化剂的量，如果添加的话。温度;f全测器还可用于信息目的， 如警报方案和/或控制方案。应该理解，控制方案可以结合泵限制器、报警 装置、智能控制和/或类似物，根据进一步的输入例如pH、溶解氧含量和 其他废物组分。
在优选实施方案中，对给水化学所做的变化和调整包括向给水中添加 氧或者一种或更多种氧净化剂。通过定义，氧净化剂是还原剂(reducing agent)(还原剂)，虽然并不是所有还原剂都必须是氧净化剂。适合作为氧 净化剂的还原剂满足热动力学要求，即满足方文热反应与氧一起存在。对实 际应用来说，在低温下要求合理的反应率。也就是说，应该是某些有利的
反应动力学。而且，对诸如用于系统控制和腐蚀控制的给水化学所做的其
他变化和调整可以包括添加其他氧化剂(oxidizing oxidant)(氧化剂)或 其他还原剂(还原剂)。
还高度期望当还原剂和其氧化产物形成在蒸汽产生装置中时，其不是 腐蚀性的且不形成腐蚀性产物。通常，氧净化剂使某些pH范围、温度和 压力发挥最佳作用，且氧净化剂还受到催化作用以一种方式或另一种方式 的影响。选择用于给定系统的合适的氧净化剂可易于根据以上所述标准进 行确认。
优选的还原剂(即氧净化剂)包括肼、亚硫酸盐、碳酰肼、N,N-二乙 基羟胺、氢醌、异抗坏血酸盐、曱基乙基酮肟、羟胺、丙醇二酸、乙氧基 喹、曱基四氮腙、四曱基对苯二胺、半-卡巴肼、二乙基氨基乙醇 (diethylaminoethanal )、 2-酮葡萄酸盐、N-异丙基羟胺、抗坏血酸、没食子酸 和羟基丙酮。
诸如"联接器"、"接头"、"螺母"的术语以及此处所使用的类似术语 并没有区别，相反，它们通常旨在描述和表示相似类型的紧固件机构。这 些术语是为了方便而使用的，并不是因为结构或功能上的限制。任何合适 的连接机构可以用于所描述的联接器、接头和其他紧固件或连接器。通常， 连接机构设计成耐得住在热水系统中所受到的温度和压力。为了有助于密 封此处描述的任何一种联接器、接头等，可以使用密封剂，如Teflor^胶带、 液体Teflon 、管工油灰(plumber，s putty )、硅胶或其他合适的密封剂。而 且，接头被参考为"高压"并不是要将此接头与此处所描述的其他接头区 分开，因为每一种接头是根据特定的热水系统特性来选择的。
接头、联接器、连接器、接合、螺母、螺栓以及此处所描述的类似物 的代表性的、非限制性的实施例包括NPT接头、快卸NPT接头、AN型接 头、扩口式接头、压缩式接头(如利用套圏的那些接头)或其他任何合适 的联接器、转接器、接头或紧固件。焊接、铜焊、粘合(例如，氰基丙烯 酸盐粘合剂、树脂或其他合适的粘合剂)、或其他类型的永久性或半永久 性的连接方式也设想用于某些应用中。可使用联接器、接头、连接器、转 接器或接合的任何合适的尺寸、形状、材料等并根据特定应用场合的特征
和要求来确定。
根据本实用新型的实施方案，此处提供了某种电连接件，如阴极和阳 极连接件。在实施方案中，ORP探针包括阴极连接件，而参比电极包括阳 极连接件。这样的连接件是为了方便且根据惯例来命名的。在可替代的实 施方案中，用于这些连接件的极可以进行调换或改变，如参比电极是阴极
连接件，而ORP探针是阳极连接件。
在一个实施方案中，所有所描述的电接口或与那些接口相关联的连接
件(即，用于ORP探针、参比电极、温度检测器的连接件)包括BNC型 连接器。可替代地，连接件可以包括其他类型的RF连接器、TNC型连接 器、香蕉插头、巻曲连接器(crimpconnector)、其他类型的电连接器、焊 接连接件(soldered connection),单线(direct wire )、或其他任何合适的电 接口或连接件。
设备描述
参考图1到图8，展示并解释了 ORP测量和监控设备(下文称为"ORP 设备")的优选实施方案，其中相同的数字表示相同的部件。在图1中， ORP设备10的实施方案显示有流通池25、传感器26、中间三通接头50 和外部压力平衡式参比电极组件75。流通池("FTC")通常是连接了其他 部件的ORP设备的"基础"，这些其他部件包括温度检测器、传感器和外 部压力平衡式参比电极组件("EPBRE")。然而，在可替代的实施方案中， 其他部件可以与FTC分离，因而并不直接连接到FTC。在此实施方案中， 联接器28将FTC连接到中间三通接头，而接头78将FTC连接到EPBRE。
优选的紧固件包括用于联接器28和接头78的1/4或3/8英寸的NPT
的。例如，3/8英寸的内螺紋转接器(female adaptor)可以用于联接器28， 如零件No.SS-6-TA-7-4，而异径接头(reducing union )零件No.SS-400-R-6BT 可以用于接头78 (都从Solon, OH的Swagelol^购得)。在此实施方案中， EPBRE被描述成"悬挂"在下面且相对于FTC垂直。这样的垂直构型是 一个实施方案，且应该理解，根据本实用新型可替代的实施方案，EPBRE 可按相对于FTC的任何角度进行定位。优选地，ORP设备被安装成使得
EPBRE直接向下指并朝向地面。此向下的位置使EPBRE底座保持在环境 温度并确保电解溶液(下面所述的)中不形成气泡。
图2展示了 FTC25的优选实施方案。尽管此示意图展示了具有四个端 口 25a到25d的实施方案，^f旦是应该i殳想FTC可具有额外端口 ，如用于连 才妾或添加其他部件或用于4妻纳额外流入物或流出物的额外端口 。 一些或全 部端口可以在内部相连或分离，或者在外部相连或分离。优选的四-端口 FTC的例子是3/8英寸的管接头，四通接头零件No.SS-600-4 (从Solon, OH的Swagelol^购得)。在优选实施方案中，FTC构建成3/8英寸的不锈 钢十字管(cross)且包括具有4个连接端口的透孔(bored - through)构型。 设想，FTC的孔尺寸和其他尺寸可选择成容纳任何可能的流速，根据每一 种应用来确定。优选的且通常的流速包括约50ml/min到约1000ml/min。更 优选的流速约100ml/min到约500ml/min。
如图2所示，流入端口 25b接纳来自热水系统的水流入物，流出端口 25a将水引回系统或引入废物流中。在可替代的实施方案中，阀或其他流 量控制设备可用于控制进入FTC的流入物和流出物。这种流量控制系统的 一个实施方案阐释并解释在下面的图8中。应该理解，本实用新型可包括 超过一个的流入端口和/或流出端口，其可设置成一致地、可独立控制的工 作，或者按任何合适的方式设置并操作。此实施方案中的端口 25c包括将 FTC连接到EPBRE的高压接头78。
在实施方案中，传感器26与FTC相关联并伸入到FTC的中心附近。 在一个实施方案中，传感器包括ORP探针。在另一实施方案中，传感器包 括温度检测器。在又一实施方案中，传感器既包括ORP探针又包括温度检 测器。在实施方案中，温度检测器是热变电阻传感器，以下所更详细描述 的。例如，当水流入物接触ORP探针时，在ORP探针和参比电极之间产 生ORP信号，该ORP信号被转发至控制系统。ORP探针通常相对于多孔 玻璃料86定位，如以下所更详细描述的。用于多孔玻璃料的优选材料包括 陶瓷材料或电陶瓷材料，如氧化锆、聚合物材料等或其他任何合适的多孔 材料。最好是多孔玻璃料对热水系统处理和ORP信号测量是惰性的。
在图3中，显示了中间三通接头50的实施方案，包括联接器28、温 度检测器电连接件54、套圈56a和56b、 ORP探4十连接件58、 L型支架60 和BNC连接器62a和62b。联接器28在端口 25d处将FTC连接到中间三 通接头。用于联接器28的优选连接器是零件No.SS-6-TA-7-4 (从Solon, OH的Swagelol^购得)。在优选实施方案中，中间三通接头包括两个1/8 英寸的管连接器，其在连接到联接器28的剩余端(remaining end )上具有 1/4英寸的NPT连接器。在实施方案中，中间三通接头安装在或连接到L 型支架或其他稳定设备或附加装置(attachment)上。在可替代的实施方案 中，中间三通接头可具有其他合适尺寸的接头，此接头可以是标准的、公 制的、小的、大的或任何合适的构型。根据实施方案，中间三通4矣头的一 端连接到流通池。在中间三通接头的另两端连接的是温度检测器电连接件 和ORP探针连接件。虽然可以使用任何合适的中间三通接头，但是优选的 中间三通接头是零件No.SS-200- 4TMT(从Solon, OH的Swagelol^购得)。
图4描绘了传感器26的实施方案，其具有温度^r测器26a (在传感器 的"尖端")、绝缘热缩套管26b、贵金属带26c、线26d、锚固热缩套管26e 和管26f。在该实施方案中，管26f是一端封闭的不锈钢管，其具有约1/8 英寸的外径且从流通池的近中心位置延伸入中间三通接头。应当理解，管 可具有任何合适的直径，根据每种应用来确定。管的作用是为贵金属带26c ("带")提供支撑且可以包括任何抗腐蚀材料，如任何合适的组分的不锈 钢、铝、其他金属和塑料及其组合。在优选实施方案中，带起到钝化ORP 传感器的作用。在钝化面上相对于参比电极来测量样品水的ORP。在实施 方案中，带设置在FTC的近中心位置(如上面的图2所述的)且与含水流 直接4妄触。
在优选实施方案中，温度检测器是热变电阻传感器(如PT100、 PT200、 PT1000、 CU10、 NI120)。在一个实施方案中，热变电阻传感器包封在管 26f中且并不直接暴露于含水流。根据可替代的实施方案，温度^r测器还 可以包括标准热电偶(如J、 K、 T或E型)或其他温度传感设备 (temperature-sensing device )。在实施方案中，传感器26既包括具有贵金 属带的ORP探针，又包括温度检测器，这两个部件组合到一个集成的部件 中。在一个实施方案中，传感器包括两条线，如线26d,其中一条传输ORP
信号，而另一条传输温度信号。在另一实施方案中，温度检测器包括多条 线。
用于温度检测器的可替代构型可包括独立地或彼此相结合使用的一 个、两个或更多个温度检测器。例如，如果采用两个温度检测器，那么一
个检测器可用于监测FTC附近的温度，而另一个检测器监测参比电极附近 的温度。这种构型允许ORP设备的使用者或操作者估计并计算出可沿着 EPBRE长度存在的热电势。然后，此数据将用来相对于温度差和电势纠正 ORP值并对ORP值去巻积。
线和带可包括任何贵金属，如金、银、钽、柏、铑、铜等等。铂是优 选的。在实施方案中，此处所描述的任何线可以包括包封在这种线周围的 绝缘材料，如塑料或Teflo,。线26d连接到带并将电信号传输至阳离子连 接件58。在实施方案中，另一条线(未显示)从放置在尖端26a处的管封 闭端内的电阻式温度检测器的"起作用"部分将电信号传输至温度检测器 电连接件54。图5展示了根据优选实施方案所描述的若干部件之间的空间 关系的详细剖视图。在一个实施方案中，传感器26的尾端穿过中间三通接 头伸出并从FTC进入中间三通接头的相对侧上的空间内(如图5所示)。 在该实施方案中，热变电阻传感器的起作用部分设置在尖端26a处的管26f 内。
参比电极的优选实施方案包括EPBRE75,其起到包封并热绝缘参比电 极的作用。在图6中所展示的是EPBRE75的实施方案，其包括外管76、 高压接头78、高压连接器80、内管82、参比电极84、多孔玻璃料86、插 入件88、多接头外壳90、异径接头92、 BNC连接器94、锁紧螺母96、 螺栓98和紧固件102。此实施方案中的外管是直径1/8到1/2英寸内径的 不锈钢管并罩住内管。在实施方案中，EPBRE包括一个或更多个插入件 88,其起到允许内管被分离以补充、检查、替换、更新电解溶液等的作用， 如以下所更详细描述的。
应当理解，外管、内管和插入件可以由任何合适尺寸的任何合适的材 料制成，例如由不锈钢、铝、Teflon 、塑料、其他合适的聚合物材料或其 他合适的金属制成。优选地，外管是不锈钢管(如从Elmhurst， IL的
McMaster-Car^购得的1/4英寸外径的316不《秀钢管材)，而内管是与外 管过盈配合的Teflon 。在此实施方案中，外管76约5到约25英寸长。优 选地，外管约10到20英寸长。外管的长度起到使参比电极(EPBRE内) 与热水系统热绝缘的作用，同时保持热水系统和参比电极之间大约相等的 压力。外管可由任何合适的管材材料制成，且可采用任何合适的直径或长 度。
多接头外壳或EPBRE的"底座"的实施方案展示在图7中，其包括 密封接合IOO、紧固件102和参比电极的参比电极连接件84b。密封接合优 选地包括非金属的、多套圈材料。在此实施方案中，密封接合的密封材料 包括用3/16英寸的螺母固定到多接头外壳的3个分离的Teflor^套圈。这 种套圈"组件"的实施例包括零件NO.T-303和T-304 (从Solon, OH的 Swagelol^购得)。在其他实施方案中，不同类型的密封件和密封材料可用 于密封接合。例如，密封材料可包括密封垫、高弹体、硅胶、软木塞、扩 口式接头、橡胶衬套、O型圏或任何合适的密封件或密封材料。在此实施 方案中，套圈起到向由内管包封的参比电极84施压的作用。连接器80通 过例如标准不锈钢套圈连接到异径接头92。套圏向外管施加压力，从而将 外管维持在合适的位置并提供压力安全边界。
参比电极优选约2.5到约3.5英寸长且从尖端84a到密封接合100逐渐 变细。在实施方案中，参比电极的直径从密封接合到参比电极连接件84b 保持恒定。参比电极连接件端通常约0.125英寸的直径且尖端通常约0.01 英寸的直径。根据可替代的实施方案，这些直径可以是任何合适的直径。 参比电极(优选银/氯化银半电池，其中锥形的杆型电极包括带有氯化银涂 层的银)从内管内部(即，尖端与电解液填充溶液接触)延伸到外管端部 并接触参比电极连接件。根据实施方案，参比电极连接件端包括凹口以容 纳将参比电极连接到BNC连接器94以可操作地将电信号从参比电极传输 至接收器或控制器的线。螺栓98起到防止参比电极在系统压力下弹出的作 用且通常由诸如尼龙、PVC或其他塑料的任何电绝缘材料制成。
组装
虽然存在用于组装所描述的ORP设备的多种方法，但是示例性的方法
包括用1/8英寸(或匹配管26f尺寸的任何尺寸)的钻钻透中间三通接头 50以允许管26f穿过中间三通接头插入。L型支架60随后连接到(例如， 焊接)中间三通接头，而联接器28连接到中间三通接头的FTC侧。在接 下来的步骤中，联接器用于将中间三通接头固定到FTC上的端口中的一个 端口 ，如端口 25c。
形成ORP探针(在实施方案中，贵金属带26c)包括-使用具有约1/16 到约1/2英寸(优选约1/4英寸)的宽度和大到足以围绕管26f装配的直径 的带(优选铂)。绝缘热缩套管26b热套到管26f上，剩下约l/8英寸的管 封闭端^皮暴露。随后切割出一小部分带，此刻，"C型"带紧紧地包裹或折 叠在绝缘热缩套管周围。最后组装时，带的切掉部分或接缝最终应该面朝 着离开多孔玻璃料86的方向。线26d的一端设置在绝缘热缩套管和带之间， 然后巻曲到绝缘热缩套管上。此巻曲将线26d固定在绝缘热缩套管和带之 间。线通常还通过焊接、软焊等固定到带。此线的直径通常约0.001到约 0.01英寸且具有足够的长度(通常约2.5到约4.5英寸)以到达ORP纟果针 连4妄件58。
在实施方案中，热变电阻传感器放置在管26f内。例如，4-线热变电 阻传感器转变成2 -线连接器并链4妄到BNC温度检测器电连接件54。少 量热缩套管材料或其他稳定性材料可以设置在热变电阻传感器上以提供 支撑和电绝缘。电阻传感器随后插入管26f的开口端直至到达管的封闭端。 随着管外表面的温度相对于含水流变化，热变化触发热变电阻传感器中的 电阻变化，热变电阻传感器再将合适的电信号发送至控制器系统。
因此，艮据实施方案，管26f在内部罩住或包封热变电阻传感器，，且 包括了贵金属带26c的ORP纟笨针存在于管26f的外表面上。管通常约3.5 到约5英寸；然而，任何合适的长度都适合。在将管切割至一定长度并将 绝缘热缩套管放置在管的一部分上时，线和带就被固定在合适的位置。绝 缘热缩套管或者可以几乎覆盖整个管，或者仅部分地覆盖管，因此剩下管 各端的一部分被暴露。例如，封闭端的一小部分例如1/8英寸以及开口端 的稍微长点的部分例如约1/2英寸到约l英寸可以被暴露。
另一部件锚固热缩套管26e起到有助于将带和线固定在合适位置的作用。在实施方案中，锚固热缩套管的第一部分》文置在带的前面(即，带和 管封闭端的尖端之间)，而锚固热缩套管的第二部分放置在带的另一侧上。 锚固热缩套管的第二部分稍微与带重叠并起到进一 步将带和线固定到管 26f的作用。
之后，组装好的管滑入中间三通接头并如下所述锁定在合适的4立置。
从带延伸的线穿过中间三通接头的底部部分朝向套圈56b插入且管端(还 有热变电阻传感器的端)朝向套圏56a插入中间三通接头。然后套圈被锁 住并被密封。从ORP探针和热变电阻传感器延伸的线随后固定到BNC连 接器，优选通过软焊固定到BNC连接器。应当进行电检查以确保带和BNC 接头之间的连续性并确保在带或线与组件的其余部分之间无电导性。
在一个实施方案中，多接头外壳90通常由不锈钢(也可以设想其他合 适的金属、塑料等)制成且具有两个主要作用。第一个作用是罩Y主参比电 极电连接件，第二个作用是提供结构支撑以防止参比电极84在系统压力下 弹出。异径接头螺母被焊接或以其他方式连接到多接头外壳的第 一个接 头。锁紧螺母96固定到多接头外壳的第二个接头内部。螺栓98插入到锁 紧螺母以确保参比电极对压力安全。BNC连接器94连接到多接头外壳的 第三个接头。上述部件的每一个可以采用任何合适的方式包括焊接、软焊、 用环氧树脂粘合等来固定。
组装EPBRE包括制备参比电极，其具有延伸跨过参比电极长度的锥 形，如上所述。参比电极的锥形部分放置在电解溶液中。参比电极优选通 过将其浸入在约l摩尔盐酸溶液中并施加约3.5毫安电流流过参比电极和 对电才及(counter electrode )约4小时来电氯化。
电氯化参比电极的示例性方法包括在l升玻璃池中设置约l升的l摩 尔盐酸溶液。连接在一起的两个碳对电极作为对电极(将被连接到恒电位 仪的对电极引线)。参比电极优选如上所描述的银棒，其悬垂在玻璃池的 中心。两个对电极在玻璃池的相对边以180度隔开。典型的恒电位仪设置 是电流范围100mA,恒电流模式(mode galvanostat);设置扫描i殳置 延迟l到10s;扫描IlmA/s; 12-8.3mA (以0.083mA供给)；延迟2 6500; 扫描2 10s; L3 0A。电氯化后，电极可保存在0.1N的KC1溶液中。
在实施方案中，内管包括一个插入件88,其将内管分成上部部分和底座部分(且从功能上分，还可以将外管分成两部分)。上部部分连4妄到FTC 上的端口的其中一个，而底座部分连接到EPBRE的底座。两部分利用插 入件进行连接。这种分离性允许在内管中維护电解溶液。
为了形成上部部分，约12英寸长的一段Tefloi^热缩套管管材(收缩 到约1/8英寸的外径)在窑中加热到345。C并冷却。通常，设置在Teflon 管材内部的薄的不锈钢(或其他合适的材料)管在加热和冷却过程中提供 结构支撑。冷却后去除支撑管。在此实施例中，多孔玻璃料86具有约1/8 英寸的外径、约1/2英寸的长度和约10%到约20%的孔隙率。收缩管材 (shrunktubing)的一端被削减以获得约11.45英寸的长度，而另一端被稍 微扩口。多孔玻璃料被压入收缩管的切割端约1/2英寸长，多孔玻璃料尖 端约0.05英寸到约0.15英寸通常被暴露超出内管。约1英寸长的插入件将 装配在扩口端内部(直到约1/2英寸)。在实施方案中，插入件也经历如上 所述的收缩过程。可替代地，插入件并不收缩且是将被插入到热缩套管 Tefloi^中的包括内管上部部分的合适尺寸的Teflon 。
内管的底座部分收缩且稍微扩口，如上面对上部部分所描述的。在实 施方案中，连接到多接头外壳的底座部分的端部用额外的Tefloi^热缩套管 管材(或其他类似的材料)增强且在其顶端扩口以使剩余的约1/2英寸的 插入件(即，保持在内管上部部分的底部部分外侧的插入件部分)插入。 增强材料有助于为异径接头92处的内管提供支撑。电氯化参比电才及随后被 压入底座部分的增强端，而参比电极的锥形端被插入内管。
在一个实施方案中，内管82填充有任意浓度的电解溶液，如NaCl、 KC1、氯化亚汞(即，氯化亚汞(I)或Hg2Cl2)等及其组合。在实施方案 中，填充内管包括经由插入件将管分开并利用长针注射器使电解溶液填充 上部部分和底座部分的内体积。这两部分通常被填充略超过容量，从而形 成弯月面。当两部分^皮连接时，电解溶液结合，由此在连接的内管部分内 部无气泡。气泡的存在将造成不准确的和开路测量结果。优选地，内管填 充有约0.1NKC1。可替代地，电解溶液包括约0.001N到约3.8N KC1。在 另一实施方案中，EPBRE并不具有内管，且外管用电解溶液填充。也就是
说， 一个管将统一^l行内管和外管的功能。在可替代的实施方案中，多个
管可被组装或同心组合以执行所描述的功能。在又一实施方案中，EPBRE
包括标准的氬电极或其他合适的参比电极。
一旦组装好的内管滑入外管76中以形成管组件时，管组件的底部端连 接到多接头外壳，而管组件的顶部端连接到FTC。外管的一小部分(例如， 约0.05英寸到约0.25英寸)应当保持暴露超出外管的任一端上的各自的异 径接头。组装异径接头通常涉及型锻、冷压活^接头等以形成密封。
根据实施方案，组装多接头外壳包括焊接或以其他方式将紧固件102 连接到多接头外壳。密封接合100装配到紧固件并为内管的底座部分提供 密封。高压连接器80、异径接头92和紧固件102被组装以将底座部分连 接到多接头外壳。参比电极的一小部分伸入多接头外壳以允许用线或其他 导电材料将参比电极连接到BNC连接器94。锁紧螺母96和螺栓98随后 组装到多接头外壳上以确保参比电极在操作压力下保持压入应有位置。
组装管组件的顶部包括将高压接头78连接到FTC上的其中一个端口 。 在实施方案中，使用了异径接头，如零件No.SS-400-R-6BT (从Solon, OH的Swagelol^购得)。在可替代的实施方案中，任何合适的紧固件、联 接器等可用于将管组件的顶部连接到FTC。在实施方案中，多孔玻璃料86 (多孔玻璃料在FTC端终止了 EPBRE)和带之间的距离或空间间隙约1/64 英寸或更大。优选地，该距离约1/8英寸到约1/2英寸，且最优选地，该距 离约3/16英寸。通常，该距离是参比电极的参比电极连接件端的直径的约 1.5倍且可以是该直径的约1到约2倍。该端的直径优选约1A00到约1英 寸，更优选约1/8英寸到约1/2英寸，且最优选约3/16英寸。在可^,代的 实施方案中，该端可具有任何合适的直径，如约1/100英寸或更小到约几 英寸或更大。在每一个实施方案中，端的直径与空间间隙有关，且ORP 设备的校准(下面将解释)包括容纳空间间隙的调整。
校准和安装
ORP设备的冲交准包括，例如4企查EPBRE对饱和氯化钾标准半电池的 电化学电势。在校准条件下，通常连接到ORP探针(即，在工作条件下) 的电连接器连接到EPBRE，而通常连接到EPBRE的电连接器连接到已知
的标准半电池。两个电极都应当浸入饱和氯化钾溶液中。如果环境温度在
约25。C时，这两个电极之间的电势差应该是约82mV到约92mV (优选约 90mV)。虽然电势差是温度的函数，但是温度效应相对小，即从约0。C到 约5(TC是约2mV。这些图形中的任何明显变化表明，在填充的电解溶液 或损坏的参比电极中有气泡。当通常用于ORP探针的连接件被缩短到通常 用于参比电极的连接器时，校准过的ORP设备应提供0毫伏的读凄t。
图8描绘了安装在热水系统200中的典型ORP设备的实施方案。应当 理解， 一个、两个或更多个ORP设备可用在热水系统中。例如，某些工厂 使用多个除气器，其中给水经由多个锅炉进给泵和备用系统沿路线输送到 多个锅炉。在这些情况中，可能需要安装在若干不同的样品点位置处的若 千ORP设备。在实施方案中，来自这些位置中一处或更多处的ORP信号 被输送至控制器，而控制器计算并确定对系统化学的任何必要的变化。
包括在图8中的阀是为了方便而命名。可在每一处存在阀的位置使用 任何类型的阀，如2向、3向、Y形、旋塞、针、球、球形、防逆、导向、 闸门、蝶形等或任何合适的阀样式的阀。而且，阀可以是自动化的、手动 控制的或按照特定应用所需的任何方式操作，以调整穿过流通池的流速。 在此实施方案中，热水系统包括可锁定阀204,该可锁定阀204在线4妄收 来自给水出口 202的样品并作为通过输送管206和隔离阀208将流体引入 ORP设备的起始点。在此实施例中，给水出口连"l妄到节省器入口，在图8 中标示为"锅炉给水泵之后的节省器入口样品点"。可以采用任何合适的 流速，根据操作器或控制器系统来确定。对图8中所描述的系统的不同部 分来说，流速可以是不同的且受到独立地控制。而且，恒定的流速通常提 供更准确的ORP测量结果。如上所述，流速优选约50ml/min到约 1000ml/min。更优选的流速约100ml/min到约500ml/min。
任何合适材料的任何尺寸的管材或导管可用于IIT送管，虽然1/4或3/8 英寸的不锈钢管材是优选的。三通管213放置在隔离阀和ORP设备之间。 也连接到三通管的是压力计量器214，其可以是简单的计量器或者是能够 将压力数据转发至任何接收器的压力传感设备/组件。在典型安装中，应在 给水出口和ORP i殳备之间的部件上4吏用合适的绝乡彖以减少热量损4毛并确保在ORP设备中维持稳定的温度。随后，取样的给水流过ORP设备，任
选地^皮冷却并降压，或者可替代地^皮返回到系统中或者作为废物通过自由
排放口 220排出。
在工业锅炉应用(如，常规的蒸汽锅炉或电站锅炉)中，ORP设备(及 其部件)通常设置在靠近给水线路样品取出的位置(在工作温度和压力 下)。在常规的蒸汽锅炉情况下，其位置优选在主进给泵之后，但在节省 器之前或除气器之后。在发电的电站锅炉中，样品取出通常在除气器之前。 应当理解，ORP设备的位置根据特定的应用和构型变化。通常应对电站给 水进行彻底地4企查以确定何处的ORP测量结果(即，"氧化还原应力")会 为任何特定的应用提供最大的益处。
实施例
通过参考下面的实施例，可以更好地理解前述内容，此实施例期望用 于阐释的目的，且并不是要限制本实用新型的范围。
图9显示了在模拟的工业锅炉给水系统(@T ORPTM)中高温和高压 ORP信号变化的多个实施例。Y轴显示了用此处所描述的ORP设备所测量 的ORP读数。X轴显示了对应于每一次读数的溶解氧读数。测试条件和可 能导致ORP数目变化的一些变量在图9的图例中给出。在沿着从"A，，到 "B"的线段的移动过程中，逐渐增加的氧量通过机械除气而被从系统中 去除。然而，从点"B"到点"C"，添加逐渐增加的还原剂(此实施例中 的碳酰耕)的量，结果ORP值减小。在这种情况下，图中的标示"1"对 应于添加的0.06ppm (IX)的碳酰肼。点"5"和"10"是添加5X和10X 的石友酰肼。正如所看到的，逐渐减少的溶解氧的量和添加的逐渐增加的氧 净化剂/还原剂的量对温度和压力下测得的ORP值具有显著的影响。
应当理解，对此处所描述的目前优选的实施方案的各种变化和修改对 本领域的技术人员来说是显而易见的。可做出这种变化和修改而不偏离本 实用新型的主旨和范围且不缩减预期的优势。因此，意图是，这种变化和 修改由所附权利要求覆盖。
权利要求1.一种用于在工作温度和压力下测量热水系统中氧化还原电势的设备，其特征是，所述设备可操作来将所测得的氧化还原电势和所测得的温度传输至控制器系统，所述设备包括a、流通池b、氧化还原电势探针，其与所述流通池相关联；c、温度检测器，其与所述流通池相关联以及d、参比电极。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述所测得的氧化还原电 势和所述所测得的温度电子地传输至所述控制器系统。
3. 根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述流通池包括至少一个 流入端口和至少 一个流出端口 。
4. 根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述流通池包括多个流入 端口和/或多个流出端口 。
5. 根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述流通池包括一个或更 多个端口。
6. 根据权利要求5所述的设备，其特征是，所述端口中的至少一个包 括至所述温度检测器的连接件。
7. 根据权利要求5所述的设备，其特征是，所述端口中的至少一个包 括至所述参比电极的连接件。
8. 根据权利要求5所述的设备，其特征是，所述温度检测器连接到与 所述氧化还原电势探针相同的所述端口或者连接到所述端口中的另 一个。
9. 根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述氧化还原电势探针和 所述温度检测器是一集成传感器部件。
10. 根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述流通池包括第一端 口和第二端口 ，且其中包括所述氧化还原电势探针和所述温度检测器的集 成传感器连接到所述第一端口 ，而所迷参比电极连接到所迷第二端口 。
11. 根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述氧化还原电势探针 包括贵金属。
12. 根据权利要求ll所述的设备，其特征是，所述贵金属是铂。
13. 根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述温度检测器是热变 电阻传感器。
14. 根据权利要求1所述的设备，其特征是，包括多个温度检测器。
15. 根据权利要求1所述的设备，其特征是，包括与所述控制器系统通信的多个电连接件。
16. 根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述参比电极放置在包 括电解溶液的外部压力平衡式参比电才及组件中。
17. 根据权利要求16所述的设备，其特征是，所述外部压力平衡式参 比电极组件包括约0.001当量到约3.8当量的氯化钾溶液。
18. 根据权利要求16所述的设备，其特征是，所述外部压力平衡式参 比电极组件包括银/氯化银半电池，所述银/氯化银半电池部分地放置在所 述外部压力平衡式参比电极组件内的电解溶液中。
19. 一种用于在工作温度和压力下测量热水系统中氧化还原电势和温 度的设备，其特征是，所述设备包括a、 具有多个端口的流通池，所述端口包括第一端口、第二端口、流入 端口和Wu出端口 ；b、 与所述第 一端口相关联的氧化还原电势探针和热变电阻传感器， 所述氧化还原电势探针和热变电阻传感器至少部分地放置在所述流通池 内且各具有可操作来将信息转发至控制器的至少 一个电连接件；以及c、 与所述第二端口相关联的外部压力平衡式参比电极组件，所述外部 压力平衡式参比电极组件包括部分地在所述流通池内的所述外部压力平 衡式参比电极组件的第一端上的多孔玻璃料、含有电解溶液并从所述外部 压力平衡式参比电极组件的所述第一端延伸到所述外部压力平衡式参比 电极组件的第二端的管，所述外部压力平衡式参比电极组件的所述第二端 连接到多接头外壳且具有银/氯化银半电池参比电极，所述银/氯化银半电 池参比电极部分地浸入在所述电解溶液中且具有可操作来将信息转发至 所述控制器的电连接件。
专利摘要公开申请了一种用于在工作温度和压力下测量热水系统中氧化还原电势的设备。该设备包括流通池、氧化还原电势探针、温度检测器和外部压力平衡式参比电极组件。该设备的每一个部件与其他部件一起工作，且每一个部件具有将信号传输至控制器的电连接件。控制器计算并确定对用于热水系统的给水化学的调整。
文档编号G01R19/10GK201194017SQ20082000155
公开日2009年2月11日 申请日期2008年1月29日 优先权日2007年1月29日
发明者M·亚历山德拉·科诺斯, 彼得·D·希克斯 申请人:纳尔科公司