用于監(jiān)測流體和壁之間的相互作用的設備和方法
【專利摘要】一種可與具有壁（10）并包含流體的結構部件一起使用的傳感器設備（2）包括機械振蕩器（32）。所述機械振蕩器（32）包括配置成易受流體的影響的浮動構件（6）和配置成不易受流體的影響的支撐構件（18）。所述機械振蕩器（32）固定在殼體（4）內(nèi)，該殼體（4）適應性地緊固到所述結構部件，使得浮動構件（6）與流體接觸。機械響應感測系統(tǒng)（2）配置成測量組合的浮動構件（6）和支撐構件（18）的機械特征。所述機械特征配置成指示流體和壁（10）之間的相互作用。在使用中，流體沿著浮動構件（6）被導向。機械振蕩器（32）振蕩，機械特征的第一值被測量，且流體接觸浮動構件（6）引起對浮動構件（6）的效應。所述支撐構件（18）被保護而免受流體的影響，且在所述浮動構件（6）與流體接觸后的一段預定的時間之后，測量機械特征的第二值。
【專利說明】用于監(jiān)測流體和壁之間的相互作用的設備和方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2011年6月21日提交的美國臨時專利申請序列號61/499，575的權益，該臨時專利申請通過引用被全部并入本文。
【技術領域】
[0003]本公開總體涉及傳感器的領域，且更具體地涉及用于測量流體和固體壁之間的相互作用效應的設備和方法。
【背景技術】
[0004]在一些工程應用中，結構部件被它們接觸的流體影響。例子包括化學工藝設備和管線系統(tǒng)、水處理和分布系統(tǒng)以及油和煤氣管道。在許多這些應用中，監(jiān)測損壞累積、預測部件壽命并控制流體特性以最小化對系統(tǒng)結構部件的損壞是有利的。來自流體的對結構部件的損壞可包括腐蝕、侵蝕、積垢、氧化或其它化學效應。很多結構部件可能難以檢查、可能被隱藏而不被觀察到、可能在故障的情況下引起健康和環(huán)境損壞、和/或可能維修起來昂貴。需要高級傳感器來有效監(jiān)測與結構部件接觸的流體的物理效應并最小化它們的影響。例如，這樣的傳感器可用于在控制系統(tǒng)中提供對綠色處理化學制劑和腐蝕抑制劑的注入的反饋以控制腐蝕、生物生長、在水處理中的結垢、化學工藝和鍋爐系統(tǒng)。有害的物理和化學效應的高級監(jiān)測將導致降低的維修成本、延長的部件使用壽命和更加安全的操作。
[0005]在使用流體和結構部件之間的物理接觸的各種類型的系統(tǒng)當中，能夠在流體流經(jīng)管路時監(jiān)測物理和化學過程是特別合乎需要的。在這樣的系統(tǒng)中，流可影響管路表面的侵蝕、腐蝕和/或積垢，潛在地導致通過流體對管路的破壞或?qū)е伦枞苈?。因此，能夠測量管路表面的金屬損失或質(zhì)量沉積是重要的，特別是在管路彎曲處，此處金屬損失或沉積率最大。有限的測量技術通常被用于確定損壞部件的效應的速率和類型。這些技術可被分組成三個一般類別:1)金屬損失方法，2)電化學方法,3)聲方法。
[0006]金屬損失測量方法包括電阻設備和質(zhì)量損失取樣片。電阻探針可連續(xù)地監(jiān)測金屬元件的累積腐蝕速率。這樣的探針具有暴露于流體流的采樣元件。在采樣元件和流體之間的物理和化學相互作用改變采樣元件的厚度、并因此改變采樣元件的電阻。電阻探針的使用壽命與探針厚度成正比，而分辨率與它成反比，最高分辨率以傳感器壽命為代價來達到。對于IMPY的腐蝕速率，更敏感的電阻探針具有大約100小時的響應時間。分辨率通過熱電電壓和電磁噪聲減小。電阻探針提供連續(xù)的監(jiān)測，而沒有在很多流體中的工藝中斷，除了高導電環(huán)境例如熔融金屬或?qū)щ娙埯}以外。例如在美國專利N0.6，693，445或N0.6，946，855中描述了現(xiàn)有技術的電阻探針。
[0007]質(zhì)量損失取樣片可由與所監(jiān)測的結構部件相同的合金制成，或可以是標準材料，包括鋼、不銹鋼、銅和黃銅。它們插入工藝流中一段預定的時間，此后它們干凈地被取回并被稱重。質(zhì)量損失取樣片被認為對在較長的時間段內(nèi)以離散的間隔測量腐蝕是可靠的。它們幾乎可用在任何工藝中，但不允許實時監(jiān)測，是勞動力密集的并需要在被監(jiān)測的工藝系統(tǒng)或結構內(nèi)的工藝中斷或相當大的空間。在美國專利公布號201110066388中描述了現(xiàn)有技術的質(zhì)量取樣片腐蝕速率監(jiān)測系統(tǒng)。
[0008]電化學方法(包括線性極化電阻(LPR)、電化學阻抗光譜(EIS)和電化學噪聲(EN))被用于監(jiān)測腐蝕。這些測量技術用于量化與腐蝕相關的電化學反應的動力學。應用被局限于導電溶液，且性能被局限在不含水環(huán)境中。與電阻傳感器一樣，電化學方法的分辨率由于熱和電磁噪聲而減小。與電阻和質(zhì)量損失取樣片方法不同，電化學技術由于侵蝕而不能探測金屬損失，或不能提供累積材料損失的直接測量。
[0009]已描述了用于在產(chǎn)生碳氫化合物的井和類似環(huán)境中感測金屬損失或垢的形成的各種聲學方法。幾種方法基于穿過流體、結構元件或兩者傳播的聲波的渡越時間的長度的測量(美國專利N0.4，669，310,N0.4，872，347,N0.5，072，388)，或基于通過結構元件對聲能的衰減的測量(美國專利N0.5，092, 176、N0.5,661, 233)。這些方法通常具有差的空間分辨率和靈敏度。
[0010]更靈敏的聲諧振方法是已知的。在這些方法中，壓電諧振器系統(tǒng)或機械諧振器系統(tǒng)在外部被激發(fā)，且諧振器的諧振頻率的變化與諧振器表面上被移除的或沉積的材料的質(zhì)量變化有關。例如，在美國專利N0.5，734，098中描述了應用在線石英晶體微量天平以監(jiān)測和控制從碳氫化合物和水形成的有機沉淀物和無機沉淀物。在該方法中，與諧振器表面的質(zhì)量損失或沉積有關的諧振頻率變化被測量。壓電聲學諧振器在提供高靈敏度(大約I微米的厚度變化的探測被報告)時不允許用戶簡單地區(qū)分開由從液體沉積的材料的質(zhì)量的變化引起的效應和液體的特性(溫度、壓力、密度和粘度)的變化引起的效應。
[0011]例如在美國專利N0.5，969，235 或 N0.7，721，605,N0.7，681，449,N0.7，866，211 中公開了較簡單的機械諧振器系統(tǒng)，其利用音叉或類似的諧振器用于測量表面工藝系統(tǒng)中的質(zhì)量損失或積垢。在壓電諧振器中，激勵器用于激發(fā)諧振器的自然振動頻率。質(zhì)量損失或在音叉的齒上的垢的累積引起音叉的自然振蕩頻率的移動，如通過由適當?shù)脑O備(例如壓電傳感器)激發(fā)力而測量的。通常，這些傳感器的頻率響應通過對具有單個自由度的稍微衰減的諧波振蕩器得到的理論關系來描述。對于自由振蕩，或如果強制函數(shù)是正弦函數(shù)時，諧振頻率fo和品質(zhì)因數(shù)Q (系統(tǒng)阻尼和能量耗散的度量)可由下式表示:
[0012]
【權利要求】
1.一種用于測量流體和包含所述流體的結構部件的壁之間的相互作用效應的設備，所述設備包括: 機械振蕩器，所述機械振蕩器包括: 浮動構件，所述浮動構件至少部分地由配置成易受到所述流體的物理效應或化學效應中的至少一個效應的影響的材料形成；以及 支撐構件， 其中，所述浮動構件安裝到所述支撐構件并具有組合的機械特征； 殼體，所述機械振蕩器固定在所述殼體內(nèi)，所述殼體適應性地緊固到所述結構部件，使得所述浮動構件與所述流體接觸；以及 機械響應感測系統(tǒng)，所述機械響應感測系統(tǒng)配置成測量所述機械特征， 其中，所述機械特征的測量配置成指示在所述流體和所述壁之間的所述相互作用效應的測量。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述殼體具有遠端，并且還包括: 在所述殼體的所述遠端處的開口，所述開口穿過所述結構部件的壁；以及 底座，所述底座與所述遠端相對。
3.如權利要求2所述的設備，其中，所述浮動構件位于所述開口內(nèi)，并沿著流體流動的方向與所述結構部件的壁齊平，所述支撐構件固定到所述底座，使得所述浮動構件不進行在流體流動的法向方向上的運動。
4.如權利要求2所述的設備，其中，所述浮動構件位于所述開口內(nèi)，并沿著流體流動的方向與所述結構部件的壁齊平，所述浮動構件和所述壁限定圍繞所述浮動構件的至少一部分的間隙。
5.如權利要求4所述的設備，其中，所述機械振蕩器的所述浮動構件配置成能夠基本上平行于流體流動的方向在所述間隙內(nèi)移動。
6.如權利要求5所述的設備，其中，所述機械響應感測系統(tǒng)可操作地連接到所述支撐構件以測量所述機械特征。
7.如權利要求1所述的設備，其中，所述殼體還包括底座，所述浮動構件從所述底座以懸臂式伸出。
8.如權利要求1所述的設備，其中，所述機械響應感測系統(tǒng)是光纖布拉格光柵計量器、耳語回廊模式光學計量器或電阻應變計中的至少一個。
9.如權利要求1所述的設備，其中，所述機械特征是所述浮動構件的移位、支撐構件的偏轉、所述機械振蕩器的諧振頻率和所述機械振蕩器的品質(zhì)因數(shù)中的至少一個。
10.如權利要求1所述的設備，其中，所述浮動構件具有質(zhì)量，且所述支撐構件具有彈性常數(shù)，所述質(zhì)量配置成隨著所述流體的物理效應或化學效應而減小，且所述彈性常數(shù)配置成保持不變。
11.如權利要求1所述的設備，其中，所述浮動構件是金屬材料或金屬合金材料。
12.如權利要求1所 述的設備，其中，所述浮動構件由配置成與接觸所述壁的所述流體的物理效應或化學效應相關的材料構成。
13.如權利要求12所述的設備，其中，所述浮動構件由與包含所述流體的所述結構部件的壁相同的材料構成。
14.如權利要求1所述的設備，還包括用于主動致動的致動器，所述致動器配置成主動產(chǎn)生由所述機械響應感測系統(tǒng)測量的所述機械特征。
15.如權利要求1所述的設備，還包括配置成測量所述流體的溫度的參考傳感器。
16.如權利要求1所述的設備，具有配置成補償影響所述機械特征的流體溫度的變化的多個所述機械響應感測系統(tǒng)。
17.如權利要求1所述的設備，還包括: 入口通道，所述入口通道具有入口和出口，所述出口定位成相鄰于流體的流，所述入口位于所述殼體內(nèi)， 其中，流體配置成從所述入口流動并進入所述殼體中以在操作上凈化所述設備，去除可移除的顆粒物質(zhì)。
18.一種利用機械振蕩器 測 量流體和包含所述流體的結構部件的壁之間的相互作用效應的方法，所述機械振蕩器具有浮動構件和支撐構件，所述方法包括: 沿著所述浮動構件導向所述流體； 使所述機械振蕩 器振蕩； 在振蕩時測量所述機械振蕩器的機械特征的第一值； 使所述流體與所述浮動構件接觸； 利用所述流體引起對所述浮動構件的物理效應或化學效應中的至少一個效應； 保護所述支撐構件免受物理效應和化學效應；以及 在使所述流體接觸所述浮動構件后，經(jīng)預定的時間段之后，測量所述機械特征的第二值。
19.如權利要求18所述的方法，還包括: 比較所述第一值與所述第二值；以及 使所述第一值和所述第二值的比較與所述流體和包含所述流體的所述結構部件的壁之間的相互作用效應相關聯(lián)。
20.如權利要求18所述的方法，還包括: 減少所述浮動構件的質(zhì)量；以及 維持所述支撐構件的彈性常數(shù)。
21.如權利要求18所述的方法，還包括: 利用致動器主動地使所述機械振蕩器振蕩。
22.如權利要求18所述的方法，其中，所述機械特征的所述第一值和所述第二值通過光纖布拉格光柵計量器、耳語回廊模式光學計量器或電阻應變計中的至少一個測量。
23.如權利要求18所述的方法，其中，所測量的所述機械特征是所述支撐構件的偏轉、所述支撐構件的應變、所述機械振蕩器的諧振頻率和所述機械振蕩器的品質(zhì)因數(shù)中的至少一個。
24.如權利要求18所述的方法，還包括: 在所述機械振蕩器上施加剪切力。
25.原文缺失
26.如權利要求18所述的方法，還包括: 凈化所述機械振蕩器從中清除顆粒物質(zhì)。
【文檔編號】G01N17/04GK103907008SQ201280039660
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年6月20日 優(yōu)先權日:2011年6月21日
【發(fā)明者】瓦萊里·A·舍維列夫, 斯爾詹·內(nèi)?？? 申請人:俄亥俄州立大學, 瓦萊里·A·舍維列夫