专利名称：用于热水系统的高温度和压力的氧化还原电位测量和监控装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化还原电位测量装置。更具体而言，本发明涉及一种在热水 系统中与防腐蚀程序协同使用的氧化还原电位测量和监控装置。本发明特别是关于一种 氧化还原电位测量和监控装置，该装置的输出信号用于确定在工业锅炉系统中影响并控 制氧化还原电位的化学制剂的供给速率。
背景技术：
在诸如工业锅炉等热水系统中由于增加的氧化还原电位造成的腐蚀是一个主要 关注问题。在锅炉水工业中使用的合金的氧的亲合性是许多腐蚀现象的原因。该腐蚀是 既取决于系统中氧的量又取决于诸如水化学和冶金等因素的复杂过程。例如，水中其他 物质的存在可将氧转变为有侵蚀性的腐蚀力，或者可破坏耐冶金性。其他重要的因素有 温度、压力、流体速度和操作颗粒。尽管氧可能为腐蚀过程中的主要或关键组分，但其 不一定是唯一的一个。用于在热水系统中减少氧腐蚀的常规手段是通过机械和化学手段来移除大部分 分子溶解氧。绝大部分的溶解氧利用机械脱气被减少为十亿分之几的范围。水典型地在 排气式容器中被加热为超过沸腾温度，从而随着温度的增加而引起溶解氧的溶解性的减 小。脱气器所特有的流动动力学和操作问题在水中留下十亿分之几的溶解氧。氧清除剂 为用于可再生地将溶解氧的值减少到低且恒定的值的化学制剂。这些清除剂中的许多种 还用作钝化防腐蚀剂。脱气器并不总是理想地工作；如果脱气器理想地工作，则可永远 无需纯清除剂，虽然提高金属钝化的化学组成可为积极的添加物。在一些情况下，氧清 除剂作为保险策略而添加，以防备脱气器可能故障的可能性。清除剂也可被添加用于防 止空气泄漏到系统中。传统上，供给到锅炉给水的氧清除剂的量基于给水中的溶解氧的量加上一些多 余清除剂的量。供给的多余清除剂的量基于锅炉给水或锅炉水自身中的期望的剩余清 除剂浓度，其为清除剂和锅炉循环的多余浓度的函数。关于该供给控制机制存在若干问 题。第一个是无法主动控制清除剂的供给速率。在减少剩余清除剂和进行腐蚀行为之 前，高氧条件可长期存在。第二个问题是在锅炉水中存在的剩余清除剂并不简单地意味着该系统得到满意 地处理。根据条件(例如，低温度或短滞留时间)，在给水中可以同时具有高的氧浓度和 充足的清除剂。当该富氧给水到达锅炉时，氧随着蒸汽急骤馏掉，从而在锅炉水中留下未反应的清除剂。在极端情况下，结果可能是在预锅炉和冷凝系统中存在不可接受的高 溶解氧水平，而在锅炉自身中具有预期的剩余的氧清除剂浓度。 在使用超高纯净水的某些高压锅炉(单程的)中，采取不同的方法。不再使用氧 清除剂。实际上，少量分子氧被故意添加到给水中。氧(即，氧化剂)在锅炉水化学组 成的精细控制条件下用作碳钢的钝化剂。所用的氧浓度远小于空气饱和(8ppm溶解氧) 值，因此使用一些脱气。通常在添加受控的量的氧之前在一定程度上较易于脱气。工业锅炉系统中的腐蚀典型地在操作(即，升高的)温度和压力下发生。最有 效和准确的操作和控制数据基于在实际操作条件下采取的测量。在锅炉给水温度和压力 下收集这种代表系统的腐蚀应力的数据是困难的且很少可以完成。传统上，氧化还原电 位必须在从系统采集的样本中在室温和室压下测量。这种室温测量和其他常规测量，例 如溶解氧、特定冶金腐蚀率或者清除剂剩余测量，无法检测许多腐蚀事件和应力。因此，仍然存在对于有效测量和监控热水系统中的处于操作温度和压力下的氧 化还原电位的需求。这种监控可实现给水化学组成(例如，氧、氧清除剂、还原剂和氧 化剂)的前期调节，而不是在腐蚀已经发生之后的反应调节。进一步，包括氧清除剂/钝 化方案的给水化学组成的实时优化可防止腐蚀问题，这些腐蚀问题导致损失蒸汽产品、 停产、缩短的资产寿命和较高的操作成本。

发明内容
因此，公开了一种用于测量和监控热水系统中的处于操作温度和压力下的氧化 还原电位(“ORP” )的装置。在一实施例中，该装置包括流通单元、用于感应该系统 中的ORP的电极(这里指“ORP探针”)、温度检测器和参考电极。在优选实施例中， 这些部件协调作业，以测量和监控ORP和温度，并将这些测量的信号发送到确定热水系 统处理化学制剂(例如，氧和/或氧清除剂)的供给速率的控制器。在优选实施例中， 所述流通单元内的ORP探针与优选封装在外部压力平衡参考电极组件(“EPBRE” )内 的参考电极之间的测量到的电位(即，电压差)表示诸如工业锅炉系统等热水系统中的 ORP。按照一方面，本发明包括用于测量热水系统中的氧化还原电位和温度的装置。 在一实施例中，该装置包括具有多个端口的流通单元，所述多个端口包括第一端口、第 二端口、入流端口和出流端口。在一实施例中，该装置包括ORP探针，所述ORP探针 与所述第一端口相关联并具有将信息传递到控制器的连接部。在一实施例中，该装置进 一步包括随温度而变的电阻传感器(有时称为“电阻温度检测器”)，其与所述第一端口 相关联并具有从所述流通单元延伸到温度检测器电连接部的连接部，所述温度检测器电 连接部能操作以将信息传递到控制器。在一个实施例中，该装置还包括与所述第二端口相关联的外部压力平衡参考电 极组件。该组件包括位于所述组件的在所述流通单元内部的第一端上的多孔熔块以及包 括电解质溶液并从所述组件的第一端延伸到所述组件的第二端的管。所述组件的第二端 被附接到银/氯化银半电池参考电极，该半电池参考电极具有电连接部并能操作以将信 息传递到所述控制器。在一实施例中，该装置包括与所述第一端口相关联并具有第一端和第二端的ORP探针。钼(或其他贵金属)带被附接到所述第一端并位于所述流通单元内。抗腐蚀 金属线(例如，钼)从所述第一端上的所述钼带延伸到所述第二端。所述第二端包括能 操作以将信息传递到控制器的电连接部。
按照另一方面，本发明包括一种通过使用上述装置防止热水系统中的腐蚀的方 法。该方法包括确定所述热水系统的理想ORP范围。在一实施例中，该方法包括根 据所述ORP探针与所述参考电极之间的电位差来测量处于操作温度和压力下的所述热水 系统的ORP，以及利用所述温度检测器来测量温度。测量到的电位和温度被传递到控制 器系统，该控制器系统解译该测量结果并确定测量到的ORP是否在理想的ORP范围内。 该方法进一步包括如果所述ORP不在理想的ORP范围内，则将有效量的氧或有效量的 还原物添加到所述热水系统的给水。
应该理解的是，被公开的所述装置能够在任何静止或流动的含水系统或蒸汽中 测量和监控ORP和温度，而不是主要适用于在操作热水系统或工业锅炉系统中出现的极 端条件。在这种系统中，温度可高达约^0°C，压力可高达约3000psi。在一实施例中， 所述ORP和温度信号连续受到监控。可替换地，所述信号可根据时间表来监控或间歇监 控。
测量到的ORP信号由于所述ORP探针的极化而自然地发生在热水系统的含水 环境中。专门设计的ORP测量和监控装置允许使用系统中的自由浮动电位来无源测量 ORP (passive measurement of ORP)，而不是使用电流来施加电压。典型地需要合适的电压 信号解译单元(例如高输入阻抗伏特计或其他装置)以将这种电位或电压信号解译或转换 为可读取形式。在优选实施例中，EPBRE的基底(即，在下文更为详细描述的多配件壳 体的位置)在竖直安装时处于环境温度下，而与系统温度无关；然而，该基底保持处于 系统压力。在可替换实施例中，EPBRE的基底可位于相对于流通单元的任何位置，且其 温度可根据特定应用而处于环境与系统温度之间的任何水平。
本发明的优点在于提供一种用于测量热水系统中的处于操作温度和压力下的实 时氧化还原电位的装置。
本发明的另一优点在于提供一种装置，其能够在热水系统中实时测量处于操作 温度和压力下的氧化还原电位并将测量到的电位传递到控制器，该控制器能操作以调节 供给到该热水系统的给水中的化学制剂(例如氧或氧清除剂)。
本发明的另一优点在于提供一种用于在热水系统中实时测量处于操作温度和压 力下的氧化还原电位的装置，并为操作者提供输出数据，以调节该热水系统的给水中的 化学制剂供给(例如氧或氧清除剂)。
本发明进一步的优点在于提供一种装置，其能够提供新的且有效的方法以防止 热水系统中的腐蚀。
本发明的优点还包括提供一种装置，其同时或共同地测量处于操作温度和压力 下的热水系统的氧化还原电位和温度。
本发明的另一优点在于提供准确且高度灵敏的测量，以检测无法利用传统室温 测量系统进行检测的热水系统中的腐蚀事件。
本发明的另外的优点在于提供一种测量热水系统中的处于高温度和压力下的氧 化还原电位的方法，从而允许快速且准确地响应系统中的腐蚀应力。
本发明的又一优点在于提供一种使用本文所述的装置的方法，以通过测量处于 操作温度和压力下的热水系统的氧化还原电位并将测量到的电位传递到控制器来防止热 水系统中的腐蚀，所述控制器能操作以调节向所述热水系统的给水的氧供给或氧清除剂供给。
本发明的进一步的优点在于使早期检测给水腐蚀应力成为可能，这容许前期调 节实时的氧和/或氧清除剂水平，从而允许优化这种水平。
通过以下详细描述和附图，另外的特征和优点在本文中进行描述并将明显。


图1为氧化还原电位测量装置10的实施例的侧视图，其被示出有流通单元25、 活接丁字管50和外部压力平衡参考电极组件75。
图2为流通单元25的实施例的示意图，其具有端口 25a、25b、2 和25d、传感 器沈、高压配件78和联结器观。
图3为活接丁字管50的实施例的示意图，其包括联结器观、温度检测器电连接 部M、套圈5 和56b、氧化还原电位探针连接部58、L形托架60和BNC连接器6 和 62b。
图4例示出传感器沈的实施例，其具有温度检测器^a、绝热收缩部^b、贵金 属带沈C、金属线^d、锚定热收缩部26e和管沈f。
图5示出电阻温度检测器300的优选实施例，其包括两个正电引线303和304以 及两个负电引线305和306。
图6为根据优选实施例的多个所述部件之间的空间关系的剖视图，这些部件包 括温度检测器^a、绝热收缩部^b、贵金属带^c、金属线^d、锚定热收缩部^e、管 26f、活接丁字管50和套圈56b。
图7示出外部压力平衡参考电极组件75的实施例，其包括外管76、高压配件 78、高压连接器80、内管82、参考电极84、多孔熔块86、插件88、多配件壳体90、异 径活接管92、BNC连接器94、锁定螺母96、螺栓98和固定件102。
图8示出多配件壳体90的实施例，其具有密封接头100、固定件102、内管82 和参考电极连接部84b。
图9例示出安装在热水系统200中的氧化还原电位测量装置10的实施例，该 热水系统200包括给水样本出口 202、可锁定阀204、传送管206、隔离阀208、通气阀 210、第一自流排放出口 212、丁字管213、压力计214、流量计216、流量控制阀218和 第二自流排放出口 220。
图10示出在模拟工业锅炉给水系统中的高温度和压力ORP信号变型的多个示 例。Y轴示出利用本文所述的ORP装置取得的ORP数值。X轴示出对应于每个读数的 溶解氧读数。
具体实施方式
本文所用的“热水系统”表示其中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的温度的水。热水系统可在处于或低于环境压力或高达约3000psi的压力下操作。优选的热水系统为工业锅炉系统，其典型地具有约901至沈01 的水温和高达约3000psi的压力。
“ORP”、“ORP测量”、“测量到的ORP”或类似术语表示在操作温度和压力下进行的氧化还原电位测量。在实施例中，该术语包含同时测量和传递的温度信号。
“控制器系统”和类似术语表示手动操作者或电子装置，电子装置具有诸如处 理器、记忆装置、阴极射线管、液晶显示器、等离子体显示器、触摸屏或其他监控器等 部件和/或其他部件。在某些环境下，控制器可操作以与一个或多个应用(集成电路、 程序或算法)、一个或多个硬接线装置和/或一个或多个机械装置集成。一些或所有控 制器系统功能可处于中心位置，例如网络服务器，用于在局域网络、广域网络、无线网 络、因特网联通、微波链路、红外链路等进行通信。另外，例如信号调整器或系统监控 器等其他部件可被包括以利于信号处理算法。
在一个实施例中，控制机制是自动的。在另一实施例中，控制机制为手动或半 手动，其中操作者解译信号并确定给水化学组成，例如氧或氧清除剂剂量。在一实施例 中，测量到的ORP信号通过控制器系统解译，该控制器系统控制引入到系统中的氧或氧 清除剂的量，以将测量到的ORP保持在确定范围内。在一实施例中，控制器系统还解译 测量到的温度，以确定添加的氧化物(例如，氧)或还原物(例如，氧清除剂)的量(如 果有的话)。温度检测器也可出于信息目的使用，例如警报机制和/或控制机制。应该 理解的是，控制机制可并入泵限制器、警报、智能控制和/或类似物，其基于进一步的 输入，例如pH、溶解氧水平和其他废物成分。
在优选实施例中，给水化学组成的改变和调节包括将氧或一种或多种氧清除剂 添加到给水。通过限定，氧清除剂为还原剂(还原物)，但不是所有的还原剂一定都是氧 清除剂。适于作为氧清除剂的还原剂满足利用氧而存在的放热反应的热力学要求。对于 实际的应用，合理的反应要求处于低温下。也就是，应该存在一些有利的反应动力学。 而且，对给水化学组成的其他改变和调节(例如系统控制和腐蚀控制)可包括添加其他氧 化剂(氧化物)或其他还原剂(还原物)。
还高度期望的是，还原剂及其氧化产物为非腐蚀性的，且不会形成在蒸汽生成 设备中形成腐蚀性的产物。典型地，氧清除剂最好在特定pH范围、温度和压力下作用， 并还以一种方式或另一方式受催化剂影响。为给定系统选择合适的氧清除剂可基于以上 论述的标准来容易地确定。
优选的还原物(即，氧清除剂)包括胼、亚硫酸盐、碳酸胼(carbohyrazide)、 N，N-二乙基羟胺、对苯二酚、异抗坏血酸盐、甲乙酮肟、羟胺、丙醇二酸、乙氧喹、 甲基四氮月宗(methyltetrazone)、四甲基苯二胺(tetramethylphenylenediamine)、氨基脲、二乙基氨基乙醛、2-酮葡糖酸、N-异丙基羟胺、抗坏血酸、五倍子酸和羟丙酮。
本文所用的诸如“联结器”、“配件”、“螺母”等术语并不意欲有变化，相 反它们意欲概括地描述和表示相似类型的固定件机制。这种术语出于方便而使用，并非 出于结构或功能限制而使用。任何合适的附接机构可用于所述联结器、配件和其他固定 件或连接器。典型地，附接机构被设计为耐用于在热水系统中遇到的温度和压力。为了 帮助密封本文所述的任何联结器、配件等，密封剂(诸如聚四氟乙稀 带、液态聚四氟 乙稀 、管工油灰、硅)或其他合适的密封剂可被使用。进一步，称为“高压”的配件并不意欲区别于本文所述的其他配件，这是因为每一配件均根据特定热水系统特性而选择。
本文所述的配件、联结器、连接器、接头、螺母、螺栓等代表性的非限制性的 示例包括NPT配件、快速松脱NPT配件、AN式配件、扩口式配件、压缩型配件(例如 利用套圈的配件)或任何其他合适的联结器、适配器、配件或固定件。对应一些应用也 考虑使用焊接、铜焊、胶接(例如，氰丙烯酸酯、树脂或其他合适的粘合剂)或其他类型 的永久或半永久性附接。联结器、配件、连接器、适配器或接头的任何合适的尺寸、形 状、材料等可被使用，并基于特定应用的特性和要求而确定。
例如阴极和阳极连接部等特定电连接部根据本发明的实施例被提供在此。在一 实施例中，ORP探针包括阳极连接部，参考电极包括阴极连接部。这种连接部出于方便 和传统而命名。在可替换实施例中，这些连接部的极点可被转换或切换，例如其中参考 电极为阳极连接部，ORP探针为阴极连接部。
在一个实施例中，与这些交界部相关联的所有所述的电交界部或连接部(即， ORP探针、参考电极、温度检测器的连接部)包括BNC型连接器。可替换地，连接部可 包括其他类型的RP连接器、TNC型连接器、香蕉插头、折边连接器、其他类型的电连接 器、钎焊连接部、单线电路、或任何其他合适的电交界部或连接部。
装置说明
参见图1至9，例示并阐释ORP测量和监控装置(以下称为“ORP装置”)的优 选实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件。在图1中，ORP装置10的实施例被示 出有流通单元25、传感器沈、活接丁字管50和外部压力平衡参考电极组件75。流通单元 (flow-through cell, “FTC” )典型地为供其他部件连接于其上的ORP装置的“基础”， 所述其他部件包括温度检测器、传感器和外部压力平衡参考电极组件(“EPBRE”)。 然而，在可替换实施例中，其他部件可与FTC分离，因而不直接连接到FTC。在该实施 例中，联结器观将FTC连接到活接丁字管，配件78将FTC连接到EPBRE。
优选的固定件包括用于联结器28的1/4或3/8英寸NPT配件和配件78。这些 连接器可为任何合适的尺寸，且本文的示例不意欲为限制性的。例如，3/8英寸凹形适 配器可用于联结器28，例如编号SS-6-TA-7-4的零件，且编号SS-400-R-6BT的零件的 异径活接管可用于配件78 (均可从俄亥俄州的梭伦的思维治洛克Mwagelok) 获得)。 在该实施例中，EPBRE被例示为“悬挂”在下面并相对于FTC竖直。这种竖直构造为 一个实施例，应该理解的是EPBRE根据可替换实施例可被定位在相对于FTC的任何角 度处。优选地，ORP装置被安装为使得EPBRE点直接向下并朝向地面。该向下位置将 EPBRE基底保持在环境温度，并确保防止气泡形成在电解质溶液内(在下文中阐释)。 如果EPBRE的基底不处于环境温度，则通常进行修正以针对电极内的热势调节。EPBRE 的基底的温度可使用任何合适的温度传感装置确定。
图2例示出FTC 25的优选实施例。尽管该示例例示出具有四个端口 25a至25d 的实施例，但可以设想到FTC可具有另外的端口，例如用于附接或添加其他部件或用于 容纳另外的入流和/或出流的端口。 一些或所有端口可被内部或外部连接或分离。优选 的四端口 FTC的示例为3/8英寸管配件、活接十字管(编号SS-600-4的零件(可从俄亥 俄州的梭伦的思维治洛克Mwiigelok) 获得))。在优选实施例中，FTC由3/8英寸不锈钢十字管构成，并包括具有4个连接端口的通孔构造。可以设想到，FTC的膛孔尺寸和 其他尺寸可被选择为容纳任何可能的由每一应用确定的流速。优选且典型的流速包括从 约50ml/min至约1000ml/min。更优选的流速从约100ml/min至约500ml/min。
如图2所示，入流端口 2 接纳来自热水系统的水入流，出流端口 25a将水引导 回系统或至废流中。在可替换实施例中，阀或其他流量控制装置可用于控制入流和出流 至FTC中。这种流量控制系统的一个实施例在以下被例示和阐释在图9中。应该理解的 是本发明可包括多于一个入流和/或出流端口，其可被构造为协同作业、能独立控制或 者以任何合适的方式构造和操作。端口 2 在该实施例中包括将FTC连接到EPBRE的 高压配件78。
在一实施例中，传感器沈与FTC相关联并突出为接近FTC的中心。在一个实 施例中，传感器包括ORP探针。在另一实施例中，传感器包括温度检测器。在进一步 的实施例中，传感器包括ORP探针和温度检测器。在一实施例中，温度检测器为在下文 更为详细描述的随温度而变的电阻传感器。当水入流接触ORP探针时，例如被传递到控 制系统的ORP信号在ORP探针与参考电极之间产生。ORP探针典型地相对于多孔熔块 86定位，如以下更为详细所述。多孔熔块的优选材料包括陶瓷或电陶瓷材料，例如氧化 锆、聚合材料等，或任何其他合适的多孔材料。优选的是，多孔熔块对于热水系统过程 和ORP信号测量呈惰性。
在图3中，活接丁字管50的实施例被示出为包括联结器观、温度检测器电连接 部M、套圈56a和56b、ORP探针连接部58、L形托架60和BNC连接器6 和62b。 联结器28将端口 25d处的FTC连接到活接丁字管。联结器28的优选连接器为编号为 SS-6-TA-7-4的零件(可从俄亥俄州的梭伦的思维治洛克Mwiigelok) 获得)。在优 选实施例中，活接丁字管包括两个1/8英寸管连接器，其在连接到联结器观的保持端具 有1/4英寸NPT连接器。在一实施例中，活接丁字管被安装在或附接到L形托架或其 他稳定装置或附接部上。在可替换实施例中，活接丁字管可具有其他合适尺寸的配件， 其可为标准的、公制的、小型的、大型的，或任何合适的构造。活接丁字管的一端根 据一实施例被连接到流通单元。温度检测器电连接部和ORP探针连接部被连接至活接 丁字管的另外两端。尽管可以使用任何合适的活接丁字管，但优选的活接丁字管为编号 SS-200-3-4TMT的零件(可从俄亥俄州的梭伦的思维治洛克Mwiigelok) 获得)。
图4示出传感器沈的实施例，其具有温度检测器^a(在传感器的“末梢”)、 绝热收缩部26b、贵金属带沈0、金属线^d、锚定热收缩部266和管沈〖。在该实施例 中，管^f为一端闭合的不锈钢管，其具有约1/8英寸的外直径并从流通单元的近似中心 延伸到活接丁字管中。应该理解的是，管可具有任何合适的为每一应用确定的直径。管 用于为贵金属带26c( “带”)提供支撑，并可包括任何抗腐蚀材料，例如任何合适的合 成物的不锈钢、铝、其他金属和塑料、以及它们的组合。在优选实施例中，带用作无源 ORP传感器(passive OPR sensor)。样本水的ORP在相对于参考电极的无源表面(passive surface)上测量。在一实施例中，带被定位为接近FTC的中心(如以上针对图2所述)， 并与含水流直接接触。
在优选实施例中，温度检测器为随温度而变的电阻传感器(例如PTIOO、 PT200、PT1000、CU10、NI120)。在一个实施例中，随温度而变的电阻传感器被封装在管^^内，且没有直接暴露于含水流。根据可替换实施例，温度检测器也可包括标准热电 偶(例如型号J、K、T或E)或其他温度传感装置。在一实施例中，传感器沈包括具有 贵金属带的ORP探针和温度检测器，这二者组合成一个集成式部件。在一个实施例中， 传感器包括多个金属线。例如，金属线可传送ORP信号，一个或多个其他金属线传 送温度信号。
在更为优选的实施例中，温度检测器包括多个金属线或电引线。这种构造克服 由于电引线的固有电阻引起的误差。图5例示出电阻温度检测器，其具有两个正电引线 303和304以及两个负电引线305和306。配件309对应于图3中的BNC配件62a。为 了保证电阻器300周围区域的温度，电压(或电流)被施加在该电阻器上，其中最终的电 压下降用于确保温度(由关于基于电阻的温度检测器的现有技术已知)。从已知电压的任 何偏离与作为温度的函数的电阻器300的电阻的变化有关。
如图5中的构造(其中电阻温度检测器包括多个正电引线和多个负电引线)允许 使用者或控制器析出固有测量误差。例如，测量正电引线303和304与负电引线305和 306之间的电压下降允许控制器更为准确地测量任何一对正/负电引线上的电压下降。最 终的测量提供对电阻器300上的电压下降的准确读数，这相应地提供更为准确的温度读数。
在图5所示的实施例中，电阻器300对应于图4的温度传感器^a。正电引线 303和304在点302处连接到配件309，负电引线305和306在点307处连接到配件309。 正引线301将点309连接到电阻器300，负引线308将点307连接到电阻器300。
温度检测器的可替换构造可包括独立或彼此结合使用的一个、两个或更多个温 度检测器。例如，如果采用两个温度检测器，则一个检测器可用于监控FTC附近的温 度，而另一个监控参考电极附近的温度。这种构造允许ORP装置的使用者或操作者评估 和计算沿EPBRE的长度可能存在的热势。该数据然后可用于相对于温差和电位来对ORP 值进行修正和去卷积。
金属线和带可包括任何贵金属，例如金、银、钽、钼、铑、铜和/或类似物。 钼是优选的。在一实施例中，本文所述的任何金属线可包括卷绕在这种金属线周围的 绝缘材料，例如塑料或聚四氟乙稀 。金属线26d连接到带并将电信号传送到阳极连接部 58。在一实施例中，其他金属线(未示出)将电信号从电阻温度检测器的位于管的在末梢 2 处的闭合端内的“有源”部分(“active” portion)传送到温度检测器电连接部Μ。 图6例示出根据优选实施例的多个所述部件之间的空间关系的细部剖视图。在一个实施 例中，传感器沈的尾端突出通过活接丁字管并从FTC突出至活接丁字管的相对侧上的空 间中(如图6所示)，在该实施例中，随温度而变的电阻传感器的有源部分(activeportion) 位于末梢2 处的管26f内。
参考电极的优选实施例包括EPBRE 75，其用于封装和热隔离参考电极。图7的 例示为EPBRE 75的实施例，其包括外管76、高压配件78、高压连接器80、内管82、参 考电极84、多孔熔块86、插件88、多配件壳体90、异径活接管92、BNC连接器94、锁 定螺母96、螺栓98和固定件102。外管在该实施例中为1/8至1/2英寸内直径的不锈钢 管并收纳内管。在一实施例中，EPBRE包括一个或多个插件88，插件88用于允许内管被 分离以对电解质溶液进行重新充实、检查、更换、重新更新等，如下文更为详细所述。
应该理解的是，外管、内管和插件可由任何合适的尺寸的任何合适的材料制 成，例如不锈钢、铝、聚四氟乙婦 、塑料、其他合适的聚合材料、或其他合适的金 属。优选地，外管为不锈钢(例如可从依利诺斯州的埃尔姆赫斯特的麦克马斯特-卡尔 (McMaster-Carr) 获得的1/4英寸外直径316不锈钢管道)，内管为与外管紧配合的聚 四氟乙稀 。在该示例中，外管76为约5至约25英寸长。优选地，外管为约10至约20 英寸长。外管的长度用于将参考电极(在EPBRE内)与热水系统热隔离，并使热水系统 与参考电极之间保持大致相等的压力。其由任何合适的管道材料制成，且可使用任何合 适的直径或长度。
用于多配件壳体或EPBRE的“基底”的实施例例示于图8中，其包括密封接头 100、固定件102和参考电极的参考电极连接部84b。该密封接头优选包括非金属的多套 圈材料。在该实施例中，密封接头中的密封材料包括3个分立的且与3/16英寸的螺母一 起紧固到多配件壳体的聚四氟乙稀套圈。这种套圈“组件”的示例包括编号T-303和 T-304的零件(可从俄亥俄州的梭伦的思维治洛克Mwagelok) 获得)。在其他实施例 中，不同类型的密封件和密封材料可用于密封接头。例如，密封材料可包括垫圈、弹性 体、硅、软木、扩口式配件、橡胶套筒、O形圈或任何合适的密封件或密封材料。在该 实施例中，套圈用于将压力作用于被内管封装的参考电极84上。连接器80例如通过标 准不锈钢套圈被附接到异径活接管92上。套圈将压力作用于外管上，由此将外管保持在 适当位置并提供压力安全边界。
参考电极优选为约2.5至约3.5英寸长，并从末梢8 渐缩到密封接头100。在 一实施例中，参考电极直径从密封接头到参考电极连接部84b保持恒定。参考电极连接 部端部典型地具有约0.125英寸的直径，且末梢典型地具有约0.01英寸的直径。根据可 替换实施例，这些直径可为任何合适的直径。参考电极(优选银/氯化银半电池，其中 渐缩的杆形电极包括带有氯化银涂层的银)从内管的内部(即，与电解质填充溶液接触的 末梢)延伸到外管的端部，并接触参考电极连接部。根据一实施例，参考电极连接部端 部包括切槽，以容纳将参考电极连接到BNC连接器94的金属线，所述BNC连接器能操 作以将电信号从参考电极传送到接收器或控制器。螺栓98用于防止参考电极在系统压力 下射出，并典型地由任何电隔离材料(例如尼龙、PVC或其他塑料)制成。
组装
尽管存在用于组装所述ORP装置的多种方法，但一个示例性方法包括利用1/8 英寸(或任何与管^f的尺寸配合的尺寸)钻头钻通活接丁字管50以允许管^f插入通过 活接丁字管。L形托架60然后被附接(例如，焊接)到活接丁字管，联结器观被附接 到活接丁字管的FTC侧。在随后的步骤中，联结器将用于将活接丁字管固定到FTC上的 端口之一，例如端口 25c。
形成ORP探针(在一实施例中，贵金属带^c)包括使用宽度为约1/16至约1/2 英寸(优选约1/4英寸)且直径大到足以配合在管^f周围的带(优选钼)。绝热收缩 部2 在管^fi收缩，从而留下约1/8英寸的管的闭合端露出。然后带的一小部分被 切除，现在“C形”带紧密卷绕或折叠在绝热收缩部周围。带的切除部或接缝最后应该 背离最终组件上的多孔熔块86朝向。金属线的一端被放置在绝热收缩部与带之间， 然后金属线26d被折边到绝热收缩部上。该折边将金属线26d紧固在绝热收缩部与带之间。金属线典型地进一步通过焊接、钎焊等被紧固到带。金属线典型地具有约0.001至 约0.01英寸的直径，且具有长到足以到达ORP探针连接部58的长度(典型的约2.5至约 4.5英寸)。
在一实施例中，随温度而变的电阻传感器位于管26f内。例如，4金属线式的随 温度而变的电阻传感器被转换为2金属线式的连接器，且链接到BNC温度检测器电连接 部M。少量热收缩部或其他稳定材料可被放置在随温度而变的电阻传感器上以提供支撑 和电隔离。电阻传感器然后插入管26f的打开端，直达管的闭合端。由于管的外表面的 温度相对于含水流变化，因此热变化触发随温度而变的电阻传感器中的电阻变化，这相 应地由控制器系统感知。
因此，根据一实施例，管26f内部收纳或封装随温度而变的电阻传感器，且包括 贵金属带26c的ORP探针位于其外表面上。管典型地为从约3.5至约5英寸；然而，任何 合适的长度也可以。在切割管至适当长度并将绝热收缩部放置在管的一部分上时，金属 线和带被紧固在适当位置。绝热收缩部可或者覆盖几乎整个管，或者仅部分地覆盖管， 由此留下管的每一端的一部分露出。例如，一小部分的闭合端(例如1/8英寸)和稍长 部分的打开端(例如约1/2英寸至约1英寸)可被露出。
另一部件(锚定热收缩部^e)用于帮助将带和金属线保持在适当位置。在一实 施例中，锚定热收缩部的第一部分被放置在带的前面(即，带与管的闭合端之间)，锚定 热收缩部的第二部分被放置在带的另一侧。锚定热收缩部的第二部分与带稍微重叠，并 用于进一步将带和金属线紧固到管26f上。
组装的管然后如下述被滑到活接丁字管中并被锁定在适当位置。从带延伸的金 属线朝向套圈5 被插入通过活接丁字管的底部，且管的端部(也具有随温度而变的电阻 传感器的端部)朝向套圈5 被插入活接丁字管。套圈然后被锁定和密封。从ORP探 针和随温度而变的电阻传感器延伸的金属线然后优选通过钎焊被固定到BNC连接器。电 检查应该被执行以确保带与BNC配件之间的连续性，并确保带或金属线与其余组件之间 没有电导性。
在一个实施例中，多配件壳体90典型地由不锈钢(其他合适的金属、塑料等也 可设想到)制成并具有两个主要功能。第一功能为收纳参考电极电连接部，第二功能为 提供结构支撑以防止参考电极84在系统压力下射出。异径活接管螺母被焊接或以其他方 式附接到多配件壳体的第一配件。锁定螺母96被紧固到多配件壳体的第二配件的内部。 螺栓98被插入锁定螺母，以确保参考电极压力安全。BNC连接器94附接到多配件壳体的 第三配件。以上部件的每一个可使用任何合适的手段(包括焊接、钎焊、环氧(epoxying) 等)来紧固。
组装EPBRE包括预备参考电极，其具有在参考电极的长度上延伸的渐缩部，如 上所述。参考电极的渐缩部分位于电解质溶液中。参考电极优选通过将其浸泡在约1摩 尔的盐酸溶液中并在参考电极和对电极上通过约3.5毫安的电流4小时而被电氯化。
电氯化该参考电极的示例性方法包括利用约1升的1摩尔盐酸溶液设立1升的玻 璃试池。两个连接到一起的碳对电极用作对电极(以备连接到稳压器对电极引线上)。 参考电极优选为如上所述的银杆，其悬浮在玻璃试池的中心。两个对电极在玻璃试池的 相对边缘处分开180度。典型的稳压器设立为电流范围100mA，模式恒电流仪；设13定扫描设置IlOA ；延迟1至IOs;扫描IlmA/s; I2_8.3mA(供给在0.083mA)；延迟 26500 ；扫描210s ； I30A。在电氯化之后，电极可存放在0.1NKCI溶液中。
在一实施例中，内管包括一个插件88，其将内管分离为上部和基部(且在功能 上也将外管分离为两个部分)。上部被附接到FTC上的端口之一，基部被附接到EPBRE 的基底。两个部分使用插件相连。这种分离允许修复内管内的电解质溶液。
为了形成上部，选择约12英寸长的一段聚四氟乙稀 热收缩管道(收缩为约 1/8英寸外直径)在窑炉中被加热到345°C并冷却。典型地，放置在聚四氟乙婦 管道内 部的细不锈钢(或其他合适的材料)管在加热和冷却过程期间提供结构支撑。该支撑管 在冷却后被移除。在该示例中，多孔熔块86具有约1/8英寸的外直径、约1/2英寸的长 度和约10%至约20%的孔隙率。收缩管道的一端被修整为具有约11.45英寸的长度，另 一端为略微扩口式。多孔熔块被压制约1/2英寸至收缩管的切割端中，其中多孔熔块的 约0.05英寸至约0.15英寸的末梢典型地被保留为露出内管。约1英寸长的插件将配合在 扩口式端部的内部(达约1/2英寸)。在一实施例中，插件还经受如上的收缩过程。可 替换地，插件未被收缩，且为合适尺寸的聚四氟乙稀 以被插入包括内管上部的热收缩 聚四氟乙烯 。
内管的基部收缩且针对上部如上所述地稍微扩口。在一实施例中，基部的附接 到多配件壳体的端部被另外的聚四氟乙稀 热收缩管道(或其他类似材料)加固，并在 其顶端扩口以允许剩余的约1/2英寸的插件(即，插件的保持在内管上部的底部之外的部 分)插入。加固材料帮助在异径活接管92处为内管提供支撑。电氯化的参考电极然后 被压制到基部的加固端中，且参考电极的扩口端被插入内管。
在一个实施例中，内管82被任何浓度的电解质溶液填充，例如NaCl、KCL氯 化亚汞(即，氯化汞⑴或Hg2Cl2)等，以及其组合。在一实施例中，填充内管包括经 由插件分离管并使用长针型注射器用电解质溶液填充上部和基部的内部体积。两个部分 典型地被稍过量填充从而形成弯液面。当两个部分连接时，电解质溶液合并，由此在连 接的内管部分内部未留下空气气泡。空气气泡的存在将引起不准确和开路的测量。优 选地，内管被约0.IN KCl填充。可替换地，电解质溶液包括约0.001N至约3.8NKC1。 在其他实施例中，EPBRE不具有内管，外管被电解质溶液填充。也就是，一个管执行内 管和外管的结合的功能。在可替换实施例中，多个管可被组装或同心合并以执行所述功 能。在进一步的实施例中，EPBRE包括标准氢电极或其他合适的参考电极。
一旦组装的内管滑到外管76中以形成管组件，则管组件的底端被附接到多配件 壳体，管组件的顶端被附接到FTC。一小部分的外管(例如，约0.05英寸至约0.25英 寸)应该在外管的任一端保持露出在相应的异径活接管之外。组装异径活接管典型地包 括对活接管进行锻压、冷压制等以形成密封件。
根据一实施例，组装多配件壳体包括将固定件102焊接或以其他方式附接到多 配件壳体。密封接头100配合到固定件中并针对内管的基部提供密封。高压连接器80、 异径活接管92和固定件102被组装以将基部附接到多配件壳体。一小部分参考电极突出 到多配件壳体中，以允许利用金属线或其他导电材料将参考电极连接到BNC连接器94。 锁定螺母96和螺栓98然后被组装到多配件壳体上，以确保参考电极在操作压力下保持被 压到适当位置。14
组装管组件的顶部包括将高压附件78附接到FTC上的端口之一。在一实施例 中，可使用异径活接管，例如编号SS-400-R-6BT的零件(可从俄亥俄州的梭伦的思维治 洛克Mwiigelok) 获得)。在可替换实施例中，任何合适的固定件、联结器等可用于将 管组件的顶部附接到FTC。在一实施例中，多孔熔块86(多孔熔块在FTC端终止EPBRE) 与带之间的距离或空间间隔为约1/64英寸或更大。优选地，该距离为约1/8英寸至约 1/2英寸，最优选地，该距离为约3/16。典型地，该距离为参考电极的参考电极连接部 端部的直径的约1.5倍，并可为该直径的约1至约2倍。端部直径优选为约1/100至约1 英寸，更优选为约1/8英寸至约1/2英寸，最优选约3/16英寸。在可替换实施例中，端 部可具有任何合适的直径，例如从约1/100英寸或更小至约几英寸或更大。在每个实施 例中，端部直径与空间间隔有关，ORP装置的标定(下文阐释)包括调节以容纳空间间 隔。
标定和安装
ORP装置的标定包括例如检查相对于饱和氯化钾标准半电池的EPBRE的电化学 电位。在标定条件下，通常(即，在操作条件下)连接到ORP探针的电连接器被连接到 EPBRE,通常连接到EPBRE的电连接器被连接到标准已知半电池。两个电极应该被浸 没在饱和氯化钾溶液中。如果环境温度为约25°C，则这两个电极之间的电位差应该为约 82mV至约92mV(优选约90mV)。尽管电位差为温度的函数，但温度的影响相对较小， 从约0°C至约50°C为约2mV。来自这些图表的任何显著的变化典型地显示电解质填充溶 液中的空气气泡或损坏的参考电极。当通常用于ORP探针的连接部被缩短到通常用于参 考电极的连接器时，标定的ORP装置应该提供零毫伏的读数。
图9示出热水系统200中的典型ORP装置安装的实施例。应该理解的是，一 个、两个或更多个ORP装置可被使用在热水系统中。例如，某些工厂使用多个脱气器， 其中给水经由多个锅炉供给泵和备用系统被发送到多个锅炉。在这些情况下，可需要安 装在若干不同样品点位置处的若干ORP装置。在一实施例中，来自一个或多个这些位置 的ORP信号可被传送到控制器，控制器可计算和确定对应系统化学组成的任何必要的变 化。
包括在图9中的阀出于方便而命名。任何类型的阀可被用于每个出现的阀，例 如2通阀、3通阀、Y型阀、旋塞阀、针阀、球阀、球心阀、单向阀、导向阀、蝶形阀等 或任何合适的阀设计。另外，阀可被自动、手动控制或根据特定应用的需要以任何方式 操作以调整通过流通单元的流速。在该实施例中，热水系统包括可锁定阀204，可锁定 阀204接收来自给水出口 202的即时样品并用作将流动通过传送管206和隔离阀208引 到ORP装置的初始点。在该示例中，给水出口被附接到图8中的节油器(economizer)入 口，被称为“在锅炉给水泵之后的节油器入口样本点”。任何合适的流速可被采用，其 由操作者或控制器系统确定。流速可不同并针对图9所示系统的不同部分而被独立地控 制。而且，恒定流速典型地提供更为准确的ORP测量。如上所述，流速优选从约50ml/ min至约1000ml/min。更优选地，流速从约100ml/min至约500ml/min。
任何合适材料的任何尺寸的管道或管路可用于传送管，但1/4或3/8英寸不锈钢 管道是优选的。管丁字管213位于隔离阀与ORP装置之间。压力计214也连接到管丁字 管，压力计可简单的为压力计或者为能够将压力数据传递到任何接收器的压力传感装置/组件。在典型安装中，合适的绝热应该用在给水出口与ORP装置之间的部件上，以减少 热损失并确保在ORP装置中保持稳定的温度。样本给水然后流过ORP装置，选择性地 冷却和降压，或者可替换地返回到系统或作为废物通过自流排放部220而排放。
在工业锅炉应用中(例如，常规蒸汽锅炉或电站锅炉)，ORP装置(及其部件) 典型地被定位为靠近给水管线样本输出(在操作温度和压力下)。利用常规蒸汽锅炉，位 置优选在主供给泵之后但在节油器之前或脱气器之后。在发电电站锅炉中，样本输出典 型地在脱气器之前。应该理解的是，ORP装置的位置根据特定应用和构造而改变。工 厂给水的完整审查典型地应该被执行为确定ORP测量(即，“氧化还原应力”)可为任 何特定应用提供最大益处。
参照以下示例可更好地理解以上所述，所述示例出于例示目的并不意欲限制本 发明的范围。
示例
图10示出在模拟工业锅炉给水系统(@T ORPTM)中的高温度和压力ORP信号 变型的多个示例。Y轴示出利用本文所述的ORP装置测量的ORP读数。X轴示出对应 于每次读取的溶解氧读数。测试条件和可引起不同ORP数值的一些变量在图10的图例说 明中给出。在沿从“Α”至“B”的线段移动时，增大的氧量通过机械脱气而从系统中 移除。然而，从点“B”到点“C”，增大的还原物(在该示例中为碳水化合物)量被添 加，从而导致ORP值下降。在该情况下，附图中的标示“1”对应于添加的0.06ppm(IX) 的碳水化合物。点“5”和“10”为fe和IOx碳水化合物添加。由此可见，所添加的 溶解氧量的减少和氧清除剂/还原物量的增加显著影响在温度和压力下取得的测量到的 ORP 值。
应该理解的是，对本文描述的优选实施例的各种变化和修改对本领域技术人员 是明显的。这种变化和修改可在不背离本发明精神和范围的情况下且在不消除其所致力 的优点的情况下而得到。因此，这种变化和修改致力于由所附权利要求所覆盖。
权利要求
1.一种用于测量热水系统中的处于操作温度和压力下的氧化还原电位(“ORP” ) 的装置，该装置能操作以将测量到的ORP和测量到的温度传送到控制器系统，该装置包 括(a)流通单元，包括多个端口，其中所述端口中的至少之一为入流端口，所述端口中 的至少之一为出流端口；(b)与所述流通单元相关联的ORP探针；(C)与所述流通单元相关联的温度检测器，该温度检测器具有多个负引线和多个正引 线；以及(d)参考电极。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述测量到的ORP和所述测量到的温度被电子 地传送到所述控制器系统。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述端口中的至少之一包括与所述温度检测器相 连的连接部和/或与所述参考电极相连的连接部。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述温度检测器被连接到与所述ORP探针所连 端口相同的端口或者连接到所述端口中的另一个。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述ORP探针和所述温度检测器为集成式传感 器部件。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述流通单元包括第一端口和第二端口，并且其 中包括所述ORP探针和所述温度检测器二者的集成式传感器被连接到所述第一端口，所 述参考电极被连接到所述第二端口。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述ORP探针包括贵金属。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述温度检测器为随温度而变的电阻传感器。
9.根据权利要求1所述的装置，包括与所述控制器系统连通的多个电连接部。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述参考电极位于包括电解质溶液的外部压力 平衡参考电极组件内。
11.一种通过使用根据权利要求1所述的装置来防止热水系统中的腐蚀的方法，该方 法包括(a)确定所述热水系统的理想氧化还原电位(“0RP”)范围；(b)测量处于操作温度和压力下的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)将所述测量到的ORP和所述测量到的温度传递到所述控制器系统；(e)确定所述测量到的ORP是否在所述理想ORP范围内；以及(f)如果所述测量到的ORP不在所述理想ORP范围内，则将有效量的氧或有效量的 一种或多种还原物添加到所述热水系统的给水。
12.根据权利要求11所述的方法，包括调整通过所述流通单元的流速。
13.根据权利要求11所述的方法，包括手动和/或自动将氧或还原物添加到所述热水 系统的所述给水。
14.一种用于测量热水系统中的处于操作温度和压力下的氧化还原电位(“0RP” ) 和温度的装置，该装置包括(a)流通单元，具有多个端口，所述多个端口包括第一端口和第二端口；(b) 与所述第一端口相关联的ORP探针和随温度而变的电阻传感器，两个传感器均 至少部分地位于所述流通单元内部，且每个传感器具有能操作以将信息传递到控制器的 至少一个电连接部，所述随温度而变的电阻传感器具有多个负引线和多个正引线；以及(c)与所述第二端口相关联的外部压力平衡参考电极组件，所述组件包含在该组件的 部分地位于所述流通单元内部的第一端上的多孔熔块，包含电解质溶液并从所述组件的 第一端延伸到所述组件的第二端的管，所述组件的所述第二端被附接到多配件壳体，并 且具有部分地浸没在所述电解质溶液中的银/氯化银半电池参考电极且具有能操作以将 信息传递到所述控制器的电连接部。
全文摘要
公开并要求保护一种用于测量热水系统中的处于操作温度和压力下的氧化还原电位的装置(10)。该装置包括流通单元(25)、氧化还原电位探针(26)、温度检测器(26a，300)和外部压力平衡参考电极组件(15)。该装置的每个部件与其他部件协同作业，且分别具有用于将信号传送到控制器的电连接部。所述控制器计算并确定用于所述热水系统的给水化学的调节。在特定优选实施例中，所述温度检测器包括四个金属线式的随温度而变的电阻传感器(300-309)。
文档编号G01K7/20GK102027356SQ200980115673
公开日2011年4月20日 申请日期2009年5月1日 优先权日2008年5月2日
发明者亚历山德拉·M·克诺特, 彼得·D·希克斯 申请人:纳尔科公司