用于热水系统的高温和高压氧化还原电势测量和监控设备的制作方法

专利名称：用于热水系统的高温和高压氧化还原电势测量和监控设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化还原电势测量设备。更具体地说，本发明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测量和监控设
备。本发明尤其与氧化还原电势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纟合速率。
背景
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。其他重要的因素是温度、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，〗旦它并不是"#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(mechanicaldeaeration )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操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，其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。在残余净化剂减少并采取纠正措施之前，高氧条件会存在4艮长一段时间。
第二个问题是锅炉水中存在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
可能是预锅炉(pre-boiler)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(once through ))中，已经釆用了不同的方法。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
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，已经在室温和室压下针对从系统所取得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角孕氧.特定冶金学腐蚀速率(metallurgy-specific corrosion rate)或歹《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。
概述
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。在一个实施方案中，该设备包括流通池(flow-through cell )、用于感测系统中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，诸如氧和/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")内的参比电极之间所测得的电势(即，电压差)标示了热水系统，诸如工业锅炉系统中的ORP。
在 一个方面，本发明包括一种用于测量热水系统中氧化还原电势和温度的"i殳备。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P且4专感器(temperature-dependent resistance sensor )(有日寸牙尔为"电卩且式')显度检测器")，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(electricalconnection)的连才妄〈牛。
在一个实施方案中，该设备还包括与第二端口相关Jf关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，以及含有电解液并从所述组件的第 一端延伸到所述组件的第二端的管。所迷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。柏(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，本发明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想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被转发至控制器系统，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，溫度可以高达约26(TC，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。可选择地，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的无偏移电势(f、ree-float川g potential)进行ORP的钝化测量。合适的电压信号解析装置(voltage signal-interpreting unit), i者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。在可选择的实施方案中，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，这取决于特定应用。
本发明的 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。本发明的另 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，诸如氧或氧净化剂的设备。
本发明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操作器提供输出数据来调节热水系统给水中的化学品供给，诸如氧或氧净化剂的设备。
本发明进一 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的途径的^殳备。
本发明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。
本发明的另 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。
本发明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。
本发明的又一优势是提供一种利用此处所描述的设备通过在工作温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。
本发明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，从而允许优化此含量。
此处还描述了额外的特征和优势，且这些额外的特征和优势从下面的详细描述和附图中看将是明显的。
附图简述


图1是氧化还原电势测量设备10的实施方案的侧视图，显示为具有流通池25、中间三通接头(union tee ) 50，以及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(ferrule) 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阐释了传感器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是所描述的若千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、管26f、中间三通"^姿头50和套圈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(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，其具有密封接合件100、紧固件102、内管82和参比电极连接件84b。
图8阐释了安装在热水系统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,以及第二自由排放出口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。
详细描述正如此处所使用的，"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的压力下工作。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，这类术语包括同时测得和转发的温度信号。
"控制器系统"以及类似的术语指具有例如以下所述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，以用于与一个或多个特定应用的集成电路、程序或算法、一个或多个硬线设备和/或一个或多个机械设备相结合。控制器系统功能的一些或全部可以位于中央位置，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其他部件可以被包括在内以促进信号处
在一个实施方案中，控制方案是自动化的。在另一实施方案中，控制方案是手动的或半手动的，其中操作器解析信号并确定给水化学，诸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氣或氧净化剂的量，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。温度检测器还可用于信息目的，诸如警报方案和/或控制方案。应该理解，根据进一步的输入，诸如pH、溶解氧含量和其他废物组分，控制方案可以结合泵限制器、报警装置、智能控制和Z或类似物。
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多种氧净化剂。通过定义，氧净化剂是还原剂(reducingagent),但未必所有还原剂都是氧净化剂。适合作为氧净化剂的还原剂须满足热动力学要求，即满足放热反应与氧一起存在。对实际应用来说，在低温下需要合理的反应率。也就是说，应该存在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)或其他还原剂。
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。对用于给定系统的合适的氧净化剂的选择可容易地根据上述标准进行确认。
优选的还原剂(即氧净化剂)包括肼、亚Ai酸盐、碳酰肼、N,N-二乙基羟胺、氢醌、异抗坏血酸盐、甲基乙基酮肟、羟胺、丙醇二酸、乙氧基喹、甲基四氮腙、四曱基对笨二胺、半-卡巴肼、二乙氨基乙醇(diethylaminoetlianal )、 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Tef!oi,胶带、液体Tefloir、管工油灰(plumber'sputty)、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、接合件，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(如利用套圈的那些接头)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、转接器或接合件的任何合适的尺寸、形状、材料等，并根据特定应用场合的特征和要求来确定。
根据本发明的实施方案，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。在可选择的实施方案中，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。可选择地，连接件可以包括其他类型的RF连接器、TNC型连接器、昏蕉插头、巻曲连接器(crimp connector )、其他类型的电连接器、焊4妻连接件(soldered connection)、单线(direct wire )，或其他任何合适的电才妻口或连4妄件。
设备描述
参考图I到图8，阐释并解释了 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的实施方案显示为具有流通池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ORP设备的连接其他部件的"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，在可选择的实施方案中，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接头。这些连接器可以是任何合适的尺寸，且此处的实施例并不是用来限制的。例如,3/8英寸的阴转接器(female adaptor )可以用于联接器28,如零件No.SS-6-TA-7-4，而异径接头零件No.SS-400-R-6BT可以用于接头78 (都从Solon， OH的Swagelok衝购得)。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，根据本发明可选择的实施方案，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，并确保电解液(下面所述的)中不形成气泡。
图2阐释了 FTC25的优选实施方案。尽管此示意图阐释了具有四个端口 25a到25d的实施方案，但是应该设想FTC可具有额外端口 ，如用于连才矣或添加其他部件或用于接纳额外流入物和/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掘-4 (从Solon，OH的Swagelok"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^^约50 ml/min到约1000ml/min。更优选的流速约100 ml/min到约500 ml/min。
如图2所示，流入端口 25b接纳来自热水系统的水流入物，而流出端口 25a将水引回系统或引入废物流中。在可选4奪的实施方案中，阀或其他流量控制设备可用于控制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，本发明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连才妻到EPBRE的高压才妻头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，如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被转发至控制系统的ORP信号。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资材料，如氧化锆、聚合物材料等或其他任何合适的多孔材料。优选多孔玻璃料对热水系统处理和ORP信号测量是惰性的。
14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探针连接件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(remainingend)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。在可选择的实施方案中，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，中间三通接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Swagelok'"'购得)。
图4描绘了传感器26的实施方案，其具有温度检测器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，如任何合适组成的不锈钢、紹、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4妄4妻触。
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、 N1120)。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。根据可选择的实施方案，温度检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，这两个部件组合成为一个集成的部件。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。
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、鉑、铑、铜和/或类似物。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裹在这种线周围的绝缘材料，如塑料或Teflon 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)将电信号从电阻式温度检测器的放置在尖端26a处的管封闭端内的"起作用"部分传输至温度检测器电连接件54。图5阐释了根据优选实施方案所描述的若千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恻上的空间内(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位于尖端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中所阐释的是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、更新电解液等的作用，如以下所更详细描述的。
制成，例如由不锈钢、铝，Teflon气塑料、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-Can^购得的1/4英寸外径的316不锈钢管材)，而内管是与外管过盈配合的Teflot^。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)与热水系统热隔绝的作用，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"的实施方案阐释在图7中，其包括密封接合件100、紧固件102和参比电极的参比电极连接件84b。密封接合件优选地包括非金属的多套圈材料。在此实施方案中，密封接合件的密封材料包括用3/16英寸的螺母固定到多接头外壳的3个分离的Tefloi^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Swagelok"'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件。例如，密封材料可包括密封垫、弹性体、硅胶、软木塞、扩口式接头、槔胶衬套、O型圏或任何合适的密封件或密封村料。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。套圈向外管施加压力，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到密封接合件100逐渐变细。在实施方案中，参比电极的直径从密封接合件到参比电极连接件84b保持恒定。参比电极连接件端的直径通常约0.125英寸，且尖端的直径通常约0.01英寸。根据可选择的实施方案，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，尖端与填充的电解液接触)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(例如，焊接)到中间三通接头，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/]6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英寸的管封闭端被暴露。随后切割出一小部分带，此刻，"C型"带紧紧地包裏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英寸到约0.01英寸，且具有足够的长度(通常约2.5英寸到约4.5英寸)以到达ORP探针连接件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，并链接到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，热变电阻传感器又将合适的电信号发送至控制器系统。
因此，根据实施方案，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探针存在于管26f的外表面上。管通常约3.5英寸到约5英寸；然而，任何合适的长度都将起作用。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1Z8英寸以及开口端的稍微长点的部分例如约1/2英寸到约1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放置在带的前面(即，带
18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位置。
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)朝向套圈56a插入中间三通接头。然后套圈被锁住并密封。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。第一个作用是罩住参比电极电连接件，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％固定到多接头外壳的第二个接头的内部。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液中。参比电极优选通过将其浸入在约1摩尔盐酸溶液中并施加约3.5毫安电流流过参比电极和辅助电才及(counter electrode )纟々4小时来电IU匕。
电氯化参比电极的示例性方法包括在1升玻璃池中设置约1升的l摩尔盐酸溶液。连接在一起的两个碳辅助电极用作辅助电极(将被连接到恒电位仪的辅助电极引线)。参比电极优选为如上所描述的银棒，其悬垂在玻璃池的中心。两个辅助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);设定扫描设置II OA;延迟ls到IOs;扫描HmA/s; 12-8.3raA (以0.083mA供给)；延迟2 6500;扫描2 10s; 13 0A。电氯化后，电极可保存在0.1N的KCl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)。上部部分连接到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维护电解液。
为了形成上部部分，约12英寸长的一段Teflo,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(shrunk tubing )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，多孔玻璃料尖端的约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。可选择地，插入件并不收缩，且是将要被插入到热缩套管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，底座部分的连接到多接头外壳的端部用额外的Tefloi严热缩套管管材(或其他类似的材料)增强，且在其顶端扩口以使剩余的约/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。电氯化参比电极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液，如NaCl、 KC1、氯化亚汞(即，氯化亚汞(I)或Hg2Cl2 )、类似物及其组合。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。当两部分被连接时，电解液结合，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。可选择地，电解液包括约0.001N到约3.8N KC1。在其他实施方案中，EPBRE并不具有内管，且外管用电解液填充。也就是说，一个管将执行组合的内管和外管的功能。在可选择的实施方案中，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
括标准的氩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。密封接合件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Swagelok"购得)。在可选择的实施方案中，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1/100英寸到约l英寸，更优选约/8英寸到约1/2英寸，且最优选约3/16英寸。在可选择的实施方案中，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设备的校准包括，例如检查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。两个电才及都应当浸入饱和氯化钾溶液中。如果环境温度在
约25°C,那么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O"C到约5(TC是约2mV。这些图形中的任何明显变化通常表明，在填充的电解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O毫伏的读数。
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，可能需要安装在若千不同的样品点位置处的若干ORP设备。在实施方案中，来自这些位置中一处或多处的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向阀、3向阀、Y形阀、旋塞阀、针阀、球阀、截止阀、止回阀、导向阀、闸门阀、±莱形阀、类似物或任何合适的岡样式的阀。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在线接收来自给水出口 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，给水出口连接到节省器入口，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50 ml/min到约1000 ml/min。更优选的流速约100 ml/min到约500ml/mhi。
任何合适材料的任何尺寸的管材或导管可用于输送管，虽然1/4或3/8英寸的不锈钢管材是优选的。三通管2L3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
22给水出口和ORP设备之间的部件上使用合适的绝缘，以减少热量损耗并确保在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^L冷却并降压，或者可选择地被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设备的位置可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检查，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，且并不是要限制本发明的范围。
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(此实施例中的碳酰肼)的量，结果ORP值减小。在这种情况下，图中的标示'T'对应于添加的0.06ppm (IX)的碳酰肼。点"5"和"10"是添加5X和10X的碳酰肼。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并不偏离本发明的主旨和范围且不会削弱本发明预期的优势。因此，期望这种变化和修改由所附权利要求覆盖。
权利要求
1.一种设备，其用于在工作温度和压力下测量热水系统中的氧化还原电势(“ORP”)，且可操作来将所测得的ORP和所测得的温度传输至控制器系统，所述所测得的ORP和所述所测得的温度任选地电子传输至所述控制器系统，所述设备包括(a)流通池；(b)ORP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. 如权利要求1所述的设备，其中，所述流通池包括至少一个流入端 口和至少一个流出端口 。
3. 如权利要求1所述的设备，其中，所述流通池包括多个流入端口和 /或多个流出端口 。
4. 如权利要求1所述的设备，其中，所述流通池包括一个或多个端口 。
5. 如权利要求4所述的设备，其中，所述端口中的至少一个包括至所 述温度检测器的连接件。
6. 如权利要求4所述的设备，其中所述端口中的至少一个包括至所述 参比电极的连接件。
7. 如权利要求4所述的设备，其中，所述温度检测器连接到与所述 ORP探针相同的端口或者连接到所述端口中的另 一个。
8. 如权利要求I所述的设备，其中，所述ORP探针和所述温度检测 器是一集成传感器部件。
9. 如权利要求1所述的设备，其中，所述流通池包括第一端口和第二 端口 ，且其中包括所述ORP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 ，而所述参比电极连接到所述第二端口 。
10. 如权利要求l所述的设备，其中，所述ORP探针包括贵金属。
11. 如权利要求IO所述的设备，其中，所述贵金属是铂。
12. 如权利要求l所述的设备，其中，所述温度检测器是热变电阻传感器。
13. 如权利要求l所述的设备，其包括多个温度检测器。
14. 如权利要求1所述的设备，其包括与所述控制器系统通信的多个 电连4妄件。
15. 如权利要求1所述的设备，其中，所述参比电极放置在包括电解 液的外部压力平衡式参比电极组件中。
16. 如权利要求15所述的设备，其中，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。
17. 如权利要求15所述的设备，其中，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组件 内的电解液中。
18. —种方法，其通过使用如权利要求1所述的设备来防止热水系统 中的腐蚀，所述方法包括(a )确定所述热水系统的理想的氧化还原电势("ORP")范围；(b)在工作温度和压力下，测量所述热水系统的实时ORP;(c )测量所述热水系统的实时温度；(d)将所述所测得的ORP和所述所测得的温度转发至控制器系统； (e )确定所述所测得的ORP是否落入理想的ORP范围之内；(f) 任选地，调整通过流通池的流速；以及(g) 若所述所测得的ORP未落入所述理想的ORP范围之内，那么就 手动地和/或自动地向所述热水系统的给水中添加有效量的氧或有效量的 一种或多种还原剂。
19. 一种设备，其用于在工作温度和压力下测量热水系统中的氧化还原电势("ORP")和温度，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 、流入端口禾口;危出端口 ；(b) 与所述第一端口相关联的ORP探针和热变电阻传感器，传感器至少部分地放置在所述流通池内，且每一种传感器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，所述组 件包括位于部分地在所述流通池内的所述组件的第一端上的多孔玻璃料、 含有电解液并从所述组件的所述第一端延伸到所述组件的第二端的管，所 述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。
全文摘要
公开并要求保护一种用于在工作温度和压力下测量热水系统中的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C23F11/08GK101595247SQ200880003298
公开日2009年12月2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