使用压电微量天平传感器的装置和方法
【专利说明】使用压电微量天平传感器的装置和方法
[0001]领域
[0002]本公开内容涉及含水工业工艺的处理以及含水工业工艺中结垢或诱导的结垢的测量。
[0003]背景
[0004]含水冷却系统在其操作期间经受压力。许多含水冷却系统采用允许热量经由蒸发从冷却水消散的冷却塔。含水冷却系统的典型的压力包括冷却塔中的矿物结垢累积，从而降低冷却塔和含水冷却系统的效率。特定地，随着含水冷却系统中的热量经由蒸发消散，在剩余水中的矿物结垢的组分变得更浓，这引起矿物结垢在冷却塔的内部上沉淀并且从而产生操作问题和/或降低的效率。典型地影响结垢的已知参数包括结垢物质的浓度、PH、温度、流速、以及在冷却水中存在的阻垢的化学品的浓度。与大部分溶解的物质不同，冷却水中发现的结垢物质的溶解度典型地与温度成反比(即较高的冷却水的温度导致更多结垢)。离子例如Ca++和Mg++的浓度在含水冷却系统增加循环时提高。为战胜此压力，含水冷却系统典型地被卸料并且补充水被添加到系统中，从而将冷却水的一部分交换成更纯的补充水。
[0005]多种类型的监测系统已经被用于含水冷却系统，包括利用电导计的系统，以及并入处理化学品的荧光监测和控制的系统。压电微量天平传感器已经在若干应用中被利用。Kouznetsov等人的美国专利第6，250, 140号，其内容通过引用以其整体被并入本文，描述了石英晶体微量天平装置。Nguyen等人的美国专利第6，143, 800号！Shevchenko等人的美国专利第6，375, 829号；Shevchenko等人的美国专利第6，942, 782号；Shevchenko等人的美国专利第7，842，165号；Kraus等人的美国专利第5，734，098号；Duggirala等人的美国专利申请公布第2006/0281191号以及Duggirala等人的美国专利申请公布第2012/0073775号描述了石英晶体微量天平装置和应用。
[0006]概述
[0007]在第一示例性实施方案中，本公开内容涉及监测含水冷却系统的工艺出错(upset)和恢复的自动化方法。在第二示例性实施方案中，本公开内容涉及用于监测含水冷却系统的剂量和工艺响应的自动化方法。在第三示例性实施方案中，本公开内容涉及用于诊断对使用荧光计地监测的且处理的含水冷却系统中的供水化学的变化的工艺响应的自动化方法。
[0008]对于第一、第二、和第三示例性实施方案中的每个，自动化方法包括提供包括冷却水的含水冷却系统；荧光计；能够自清洁的压电微量天平传感器；以及中央控制系统。荧光计和压电微量天平传感器被可操作地连接至含水冷却系统和中央控制系统。至少一种水溶性、阻垢的化学品以一定剂量速率被给料到冷却水中，从而导致冷却水中一定浓度的所述至少一种水溶性、阻垢的化学品。所述至少一种水溶性、阻垢的化学品选自由以下组成的组:天然发荧光的处理化学品、荧光标记的处理化学品、已经被荧光示踪的处理化学品、及其组合。冷却水中所述至少一种水溶性、阻垢的化学品中的至少一种的浓度用荧光计使用荧光计地测量。利用压电微量天平传感器测量含水冷却系统中冷却水的结垢率。响应于荧光测量和测量的结垢率中的至少一种来调整含水冷却系统的至少一个工艺变量。所述至少一个工艺变量选自由以下组成的组:所述至少一种水溶性、阻垢的化学品的剂量速率；冷却水循环速率；阀门开度；流速；体积；液位；冷却水的PH ;卸料循环频率；警报的引发；警告的引发；以及其组合。
[0009]本公开内容可以涉及包括压电材料、加热器、对电极、以及压力补偿间隔器的压电微量天平传感器的第四示例性实施方案。压电材料具有适于接触液体流的工艺端(processside)和非工艺端。工艺端的至少一部分接合工艺端电极。非工艺端的至少一部分接合非工艺端电极。加热器能够从非工艺端加热压电材料，从而能够实现压电材料的温度控制。对电极具有适于接触液体流且面向压电材料的工艺端的第一表面，以及第二相对表面。对电极位于压电微量天平传感器中以便允许液体流的至少一部分在压电材料的工艺端和对电极的第一表面之间的流动。对电极由导电的耐腐蚀材料构建。压力补偿间隔器可操作地接触对电极的第二相对表面。压力补偿间隔器能够响应于例如将由穿过压电微量天平传感器的液体流产生的压力的变化而压缩和膨胀。
[0010]本公开内容还可以涉及第五示例性实施方案，其是用于测量含水工业工艺中的潮湿的表面上的结垢率的方法。该方法包括提供包括压电材料、加热器、对电极、以及压力补偿间隔器的压电微量天平传感器。压电材料具有适于接触工业水流的工艺端和非工艺端。工艺端的至少一部分接合工艺端电极。非工艺端的至少一部分接合非工艺端电极。加热器能够从非工艺端加热压电材料，从而能够实现压电材料的温度控制。对电极具有适于接触工业水流且面向压电材料的工艺端的第一表面，以及第二相对表面。对电极位于压电微量天平传感器中以便允许工业水流的至少一部分在压电材料的工艺端和对电极的第一表面之间的流动。对电极由导电的耐腐蚀材料构建。压力补偿间隔器可操作地接触对电极的第二相对表面。压力补偿间隔器能够响应于例如将由穿过压电微量天平传感器的工业水流产生的压力的变化而压缩和膨胀。压电材料被保持在恒定温度。尽管使压电材料保持在恒定温度，但压电材料的工艺端和对电极的第一表面被暴露于工业水流，所述工业水流包含至少一种能够在压电材料的工艺端上沉淀的结垢物质。测量压电材料的振荡频率持续一段时间。任选地，在该时间段期间测量的振荡频率的任何改变与压电材料的工艺端上的至少一种结垢物质的沉淀速率相关。任选地，含水工业工艺的至少一个工艺变量可以基于测量的振荡频率被调整。
[0011]附图简述
[0012]在检查以下详细描述和附图之后，本公开内容的优点将对相关领域中的技术人员变得更容易明显的，在附图中:
[0013]图1图示压电微量天平传感器的实施方案的视图；
[0014]图2a和2b分别图示压电材料的实施方案的工艺端和非工艺端的视图；
[0015]图3图示可以被用于从非工艺端加热压电材料的加热器的实施方案；
[0016]图4图示对电极的实施方案；
[0017]图5图示压力补偿间隔器的实施方案；
[0018]图6图示可以被用于附接且支撑对电极和压力补偿间隔器的支撑物的实施方案；
[0019]图7a和7b用图表对比可变液体压力对在有和没有压力补偿下产生的频率测量的影响；
[0020]图8用图表图示压电微量天平传感器的实施方案的若干去垢自清洁循环；
[0021]图9为比较的目的用图表图示电导传感器在阻垢的化学品处理剂量被中断时的响应；
[0022]图10用图表图示用于图9中图示的相同实验的阻垢处理化学品(S卩，聚合物)消耗；
[0023]图11用图表图示用于图9和10中图示的相同的实验的如由压电微量天平传感器测量的结垢响应(标记为“NDM质量”)；
[0024]图12提供图9-11中图示的相同实验的特写的示意图，并且另外比较使用荧光计地测量的聚合物消耗、压电微量天平传感器的响应、以及DATS HTR装置的响应；
[0025]图13用图表图示电导计对pH控制的损失的响应；
[0026]图14用图表图示在图13中图示的在酸性缓冲中断之后，聚合物消耗的荧光响应；
[0027]图15用图表图示用于图13和14中图示的相同实验的压电微量天平传感器响应；以及
[0028]图16比较用于图13-15中图示的相同实验的对DATS HTR装置的响应的荧光响应和压电响应。
[0029]详细描述
[0030]尽管包含一般性发明的概念的实施方案可以采取多种形式，然而在理解本公开内容仅被认为是示例并且不意图受限于特定的实施方案下，多种实施方案在附图中被示出并且将在下文中被描述。
[0031]本公开内容大体上涉及采用荧光计与至少一种压电微量天平传感器组合以控制含水冷却系统和/或其处理的示例性方法。
[0032]如其从属于本公开内容，“压电的”意指具有将机械刺激转化成可测量的电信号的能力。对于本公开内容的某些实施方案，压电微量天平传感器能够将检测的压力转化成可测量的电压信号。
[0033]如其从属于本公开内容，“压电微量天平传感器”是能够通过所测量的振荡(亦称振动)频率的变化，检测在表面上的块状沉积物(例如结垢)的存在或不存在的装置。本文第四示例性实施方案公开适用于本文公开的第一、第二、或第三示例性实施方案中的压电微量天平传感器的示例性实施方案。然而，应该理解，其他压电微量天平传感器(即不同于本文公开的第四示例性实施方案的压电微量天平传感器)可以在本文公开的第一、第二和第三实施方案的方法的某些实施方案中被替代使用。通常，压电微量天平传感器能够测量含水冷却系统中冷却水的结垢，及从而随时间的结垢率。
[0034]如其从属于本公开内容，“耐腐蚀的”被用于描述能够适度地承受与材料的使用有关的普通化学条件的材料。例如，在特定的化学条件下“耐腐蚀的”材料可以是特定的不锈钢合金。如其从属于本公开内容，压电微量天平传感器的工艺部件需要由“耐腐蚀的”材料构建，特别是对电极，因为其暴露于潜在地极端的化学条件(比如，高度酸性和/或高度碱性的含水液体)。
[0035]如其从属于本公开内容，“压力补偿间隔器”指的是压电微量天平传感器的组件，当存在时，该组件允许压电微量天平传感器的另一组件或压电微量天平传感器的另一组件的一部分在某种程度上自由地移动以便允许接触该设备或部分的液体的压力的变化。合适的压力补偿间隔器的非限制性实例被本文描述，但本公开内容不应该被认为受限于那些实例。
[0036]如其从属于本公开内容，“采取行动”指的是通过进行物理行为改变工艺变量。工艺变量的实例包括但不限于以下:栗速、阀门位置、流速(包括剂量速率和循环速率)、液位、温度、和压力。“采取行动”的非限制性实例被描述如下:工艺控制系统决定单元操作太热并且打开对应的阀门，从而允许冷却水进入单元操作。工艺控制系统通过打开阀门“采取行动”。
[0037]如其从属于本公开内容，“溅射”是金属原子由于目标材料通过能量粒子的轰击而被沉积在固体目标材料上所凭借的工艺。“溅射”允许金属以非常薄的层被沉积在基底上。
[0038]如其从属于本公开内容，“迹线(trace)”指的是围绕基底的部分的薄的沉积物。在某些实施方案中，“电阻式温度检测器迹线”允许经由电阻的、基底的温度测量。
[0039]如其从属于本公开内容，“工艺变量”指的是在处理工业工艺和/或热工业水工艺，例如含水冷却系统时可以遇到的测量的或计算的值。工艺变量的实例包括但不限于以下:温度；压力；流速(包括剂量速率和循环速率)；一种或更多种化学物质的浓度；荧光测量；光或能量吸收测量或计算；离子测量/电势(比如，电极测量等);沉降速率/时间；浮选速率(flotat1n rate) /时间；热交换速率；密度；池度；澄清度；结垢可能性(scalingpotential);滴定值；闪点；露点；体积；质量；统计计算；设备变量(栗速、阀门开度等)；工艺变量(体积、液位等)；卸料循环频率；警报或警告等等。
[0040]如其从属于本公开内容，“自清洁”和“自清洁循环”描述一件设备在无或实质上无使用者干预下清洁其自身的能力。实质上的使用者干预意味着使用者除了该件设备自身以外将需要引入清洁化学品或装置，或拆卸该件设备或第二直接连接