在流体处理应用中确定表面上的水垢厚度的装置和方法制造方法及图纸

提供用于确定暴露于液体介质的表面上的累积水垢的厚度的装置和方法。更具体地，其为用于确定水处理应用中的冷表面或热表面上的水垢(诸如，钙垢或镁垢以及碳酸盐垢、草酸盐垢、硫酸盐垢或磷酸盐垢)的可比累积的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在流体处理应用中确定表面上的水垢厚度的装置和方法本申请要求2016年9月15日提交的美国临时申请号62/394,888的权益，该美国临时申请的全部内容在此以引用方式并入。
技术介绍
本专利技术提供了一种用于确定暴露于液体介质的表面上的累积水垢(scale)的厚度的方法。更具体地，本专利技术涉及通过使用超声波信号来确定工业水处理应用(例如冷却塔、热交换器和蒸发设备，诸如那些在工业市场和受管制市场中发现的设备)中的加热或未加热表面上水垢(诸如，钙垢或镁垢以及碳酸盐垢、草酸盐垢、硫酸盐垢或磷酸盐垢)的可比累积。结垢形成主要是由于在处理的过饱和条件下存在的水性体系中存在溶解的无机盐。当在热传递设备(诸如热交换器，冷凝器，蒸发器，冷却塔，锅炉和管道壁)中加热或冷却液体(往往是水)时，形成了盐。温度或pH的变化通过界面处不希望的固体材料的累积而导致结垢(scaling)和生垢(fouling)。在加热表面上累积水垢会导致传热系数随时间下降，并且将最终在严重生垢的情况下导致生产率无法得到满足。最终，唯一的选择往往是停止处理并执行清除。这需要停止生产以及使用昂贵的螯合剂或腐蚀性酸。由于生垢造成的经济损失是所有涉及热传递设备的行业中最大的问题之一。结垢是导致设备故障、生产损失、昂贵的维修、更高的运营成本和维护停工的原因。水垢可导致非热传递问题，包括阀门或旋转设备堵塞，由于水垢磨损导致的密合间隙表面磨损，由于与水垢相关的生物活动导致的腐蚀等。在一些用于测量没有热传递的处理中的水垢累积的当前方法中，将电阻温度检测器(RTD)安装在还含有超声波发射器-接收器的探头内。使用RTD来测量大致在进行超声波厚度测量的点和时间处的整体水温。然后，使用内部算法(即，数学模型)来校正由于体积或处理液体温度变化而导致的通过水或其它液体介质的声速的变化。然而，对超声波速度与温度的该估计可能不够精确并且仅仅是部分校正，因为液体介质的变化(诸如盐度的变化)可影响液体介质密度并因此影响声波通过液体介质的速度。在整个申请中，处理液体和处理流体可互换使用。处理流体和处理液体在下文中还指工业流体和工业液体。目前使用的超声波测量方法未考虑由盐度变化引起的液体密度差异，从而导致错误的水垢厚度指示。一些较新的超声波水垢测量装置测量温度和电导率作为超声波速度的预测因子，但是包含温度和电导率的最佳可用的水中超声波速度模型对于良好的超声波水垢厚度测量而言不够精确。该装置的一种流行的建议应用是关于工业冷却塔或自结垢处理，在所述工业冷却塔或自结垢处理中预期电导率或密度或盐组成具有大变化。在自结垢环境中，根据定义，形成水垢的盐的浓度处于或高于其溶解度极限。在这种情况下，水密度以及由此超声波速度受到电导率(盐浓度的替代性测量)和盐度性质(在相等ppm时，不同离子物质在不同程度上影响电导率)，以及温度效应的影响。美国专利申请号4,872,347涉及一种用于对热传递管进行水垢厚度测量的自动超声波检查系统。然而，该方法涉及适于放入圆柱形集管中的插入管，并且包括管移动装置、水泵、缆线、超声波探头和超声波检查单元。由Labreck、Kass和Nelligan发表于ECNDT2006-Mo.2.8.3中的文章“对蒸汽锅炉管中的内部氧化皮的超声波厚度测量(UltrasonicThicknessMeasurementofInternalOxideScaleinSteamBoilerTubes)”；论述了使用超声波技术测量蒸汽锅炉管中的内部氧化皮(oxidescale)的厚度。然而，该方法使用示波器作为测量超声波或声学信号的手段，并且具有有限的灵敏度。最小可检测的水垢厚度为125μm至250μm，其将导致冷却水应用中的热传递极端减少。本专利技术能够检测小于2-3μm厚的水垢。GeneralElectric,InspectionTechnologies在2006年发布了一份销售公告(参见ge.com/inspectiontechnologies)，概述了使用超声波技术进行氧化皮测量。与紧接在上面的技术非常相似，其是基于从钢/水垢界面与管内直径反映的信号之间的差异，并列明了130μm的最小水垢厚度测量能力。同样，该检测能力显著低于本专利技术的检测能力。另一篇论文“用于测量管道内表面上的水垢厚度的超声波技术(UltrasonicTechniqueforMeasuringtheThicknessofScaleontheInnerSurfacesofPipes)”，K.Lee，JournaloftheKoreanPhysicalSociety，第56卷，第2期，2010年2月，第558-561页，公开了原位测量管道内表面上的水垢厚度。然而，该技术无法用于测量在钢管道表面上形成的水垢。SensoTech公司，Steinfeldstraβe1,39179Barleben,Germany制造了在连续处理中测量超声波速度的测量装置。这些装置由超声波在线浓度分析仪组成，所述超声波在线浓度分析仪使用发射器与接收器之间的超声波信号飞行时间(timeofflight)来测量彼此之间可混溶的液体的浓度，并使用信号衰减来检测悬浮固体粒子。这些装置使用单一超声波发射器-接收器组件并且主要用于检测相位变化和确定浓度，而不是用于测量水垢层厚度或提供校正信号给另一个超声波测量系统。目前使用的其它装置可以在约16毫米(mm)至约36毫米的单向距离上测量水垢。然而，上面论述的方法都不允许对液体处理设备中的水垢积累进行高精度的实时测量。目前的方法解决了对液体处理设施中的水垢积累进行准确实时测量的需求。
技术实现思路
提供了一种用于确定倾向于积累水垢的加热表面上的水垢积累的装置。该装置包括具有超声波发射器-接收器齐平表面的第一或测量超声波发射器-接收器组件，其中该测量超声波发射器-接收器组件能够通过处理流体或液体发射和接收超声波信号。该装置包括加热的靶组件，该加热的靶组件具有加热的靶水垢累积表面，其中发射的超声波信号被从所述加热的靶水垢累积表面反射出或者从在所述加热的靶水垢累积表面上的水垢积累反射出，并且返回至超声波发射器-接收器齐平表面。存在第二或参考超声波发射器-接收器组件，其具有超声波发射器-接收器齐平表面，其中所述参考超声波发射器-接收器组件能够经由与测量超声波信号相同的工业流体发射和接收超声波信号；以及未加热的抗结垢超声波反射表面。该未加热的抗结垢超声波反射表面与参考超声波发射器-接收器齐平表面相距已知且固定的距离。该装置还包括一个或多个信号处理器，该一个或多个信号处理器用于测量超声波信号行进过从参考超声波发射器-接收器组件通过处理流体到达未加热的抗结垢超声波反射表面并通过所述处理流体返回至所述参考超声波发射器-接收器的已知距离的渡越时间，所述渡越时间与已知的分离距离一起用于计算超声波信号通过所述处理流体的实时速度；以及还测量超声波信号移动从测量超声波发射器-接收器组件通过处理流体到达加热的靶水垢累积表面或所述加热的靶水垢累积表面上的水垢层并通过处理流体返回至所述测量超声波发射器-接收器的渡越时间。使用超声波通过处理流体的渡越时间和实时速度来计算测量超声波发射器-接收器与加热的靶水垢累积表面或所述加热的靶水垢累积表面上的水垢层之间的距离。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定倾向于积累水垢的加热表面上的水垢积累的装置，其包括：第一或测量超声波发射器‑接收器组件，其具有超声波发射器‑接收器齐平表面，其中所述测量超声波发射器‑接收器组件能够经由工业流体发射和接收超声波信号；加热的靶组件，其具有加热的靶水垢累积表面；其中发射的超声波信号被从所述加热的靶水垢累积表面反射出，或者从在所述加热的靶水垢累积表面上的水垢积累反射出，并返回至所述测量超声波发射器‑接收器齐平表面；第二或参考超声波发射器‑接收器组件，其具有超声波发射器‑接收器齐平表面，其中所述参考超声波发射器‑接收器组件能够经由与测量超声波信号相同的工业流体发射和接收超声波信号；以及未加热的抗结垢超声波反射表面，其中所述未加热的抗结垢超声波反射表面与所述参考超声波发射器‑接收器齐平表面相距已知且固定的距离；一个或多个信号处理器，其用于测量所述超声波信号行进过从所述参考超声波发射器‑接收器组件经由所述工业流体到达所述未加热的抗结垢超声波反射表面并经由所述工业流体返回至所述参考超声波发射器‑接收器的所述已知距离的渡越时间，所述渡越时间与已知的分离距离一起用于计算所述超声波信号经由所述工业流体的实时速度；以及还测量所述超声波信号从所述测量超声波发射器‑接收器组件经由所述工业流体到达所述加热的靶水垢累积表面、或到达所述加热的靶水垢累积表面上的所述水垢层并经由所述工业流体返回至所述测量超声波发射器‑接收器组件的渡越时间，其中使用所述超声波经由所述工业流体的所述渡越时间和所述实时速度来计算所述测量超声波发射器‑接收器与所述加热的靶水垢累积表面或所述加热的靶水垢累积表面上的所述水垢层之间的距离。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.15 US 62/394,8881.一种用于确定倾向于积累水垢的加热表面上的水垢积累的装置，其包括：第一或测量超声波发射器-接收器组件，其具有超声波发射器-接收器齐平表面，其中所述测量超声波发射器-接收器组件能够经由工业流体发射和接收超声波信号；加热的靶组件，其具有加热的靶水垢累积表面；其中发射的超声波信号被从所述加热的靶水垢累积表面反射出，或者从在所述加热的靶水垢累积表面上的水垢积累反射出，并返回至所述测量超声波发射器-接收器齐平表面；第二或参考超声波发射器-接收器组件，其具有超声波发射器-接收器齐平表面，其中所述参考超声波发射器-接收器组件能够经由与测量超声波信号相同的工业流体发射和接收超声波信号；以及未加热的抗结垢超声波反射表面，其中所述未加热的抗结垢超声波反射表面与所述参考超声波发射器-接收器齐平表面相距已知且固定的距离；一个或多个信号处理器，其用于测量所述超声波信号行进过从所述参考超声波发射器-接收器组件经由所述工业流体到达所述未加热的抗结垢超声波反射表面并经由所述工业流体返回至所述参考超声波发射器-接收器的所述已知距离的渡越时间，所述渡越时间与已知的分离距离一起用于计算所述超声波信号经由所述工业流体的实时速度；以及还测量所述超声波信号从所述测量超声波发射器-接收器组件经由所述工业流体到达所述加热的靶水垢累积表面、或到达所述加热的靶水垢累积表面上的所述水垢层并经由所述工业流体返回至所述测量超声波发射器-接收器组件的渡越时间，其中使用所述超声波经由所述工业流体的所述渡越时间和所述实时速度来计算所述测量超声波发射器-接收器与所述加热的靶水垢累积表面或所述加热的靶水垢累积表面上的所述水垢层之间的距离。2.一种用于确定倾向于积累水垢的未加热表面上的水垢积累的装置，其包括：第一或测量超声波发射器-接收器组件，其具有超声波发射器-接收器齐平表面，其中所述超声波发射器-接收器组件能够经由工业流体发射和接收超声波信号；以及超声波反射器/水垢采集靶，其具有水垢累积表面，其中所述发射的超声波信号被从所述水垢累积表面或在所述靶水垢累积表面上的所述水垢反射出并经由所述工业流体返回至所述测量超声波发射器-接收器组件的所述测量超声波发射器-接收器齐平表面；第二或参考超声波发射器-接收器组件，其具有超声波发射器-接收器齐平表面，其中所述超声波发射器-接收器组件能够经由工业流体发射和接收超声波信号；以及超声波信号反射靶，其具有抗结垢超声波反射表面，其中所述发射的超声波信号被从所述抗结垢超声波反射表面反射出并返回至所述参考发射器-接收器组件的所述超声波发射器-接收器齐平表面，所述抗结垢超声波反射表面与所述参考发射器-接收器组件相距已知且固定的距离；一个或多个信号处理器，其用于测量所述超声波信号行进过从具有超声波发射器-接收器齐平表面的所述参考超声波发射器-接收器组件经由所述工业流体到达所述抗结垢超声波信号反射靶、并经由所述工业流体返回至具有超声波发射器-接收器齐平表面的所述参考超声波发射器-接收器组件的所述已知距离的渡越时间，所述渡越时间与所述已知的分离距离一起用于计算所述参考超声波信号经由所述工业流体的实时速度；以及还测量所述超声波信号从所述测量超声波发射器-接收器组件经由所述工业流体到达具有水垢累积表面的所述超声波反射器/水垢采集靶、并经由所述工业流体返回至所述测量超声波发射器-接收器齐平表面的渡越时间，其中使用所述参考超声波信号的所述渡越时间和所述实时速度来计算所述测量超声波发射器-接收器齐平表面与所述加热的靶水垢累积表面或所述加热的靶水垢累积表面上的所述水垢之间的距离。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热的靶组件还包括加热器、加热的靶、加热的靶水垢累积表面、温度传感器1、温度传感器2、绝缘体和绝缘间隔件。4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述装置还包括一个或多个测量装置，所述一个或多个测量装置用于测量所述工业流体的温度变化、离子浓度或组成变化、溶解或悬浮的非离子组分的浓度或组成的变化，和/或密度变化。5.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述超声波信号是脉冲形式，并且可以在所述参考超声波发射器-接收器组件与所述测量超声波发射器-接收器组件之间交替。6.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述工业流体的离子浓度为约1ppm至约40,000ppm。7.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述工业流体液体的密度为约0.8g/cm至约1.5g/cm3。8.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述倾向于积累水垢的表面选自以下组中：钢、不锈钢、铜、黄铜的各组合物、钛、两种或更多种材料的复合物，以及其它导热材料或易于累积水垢的材料。9...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·L·布利斯，T·F·帕特森，
申请(专利权)人：索理思科技公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH