电流型传感器系统的制造方法与工艺

本发明属于测试水化学的系统的领域并且更具体来说是属于电流型传感器的领域。

背景技术：
电流型氯传感器被用于测量饮用水、废水、冷却塔中的余氯。一些较新的应用是测量海水中的总残余氧化剂（TRO）。近来的监管行动要求处理船上的压载水，以便将入侵物种灭活并防止它们排放到非原生水中。另一个新的应用是测量海水中高达500ppm的TRO，以用于反渗透脱盐系统中所使用的预处理微滤膜的生物污垢反冲洗。本领域中水化学的在线测量遇到的一个常见问题是传感器系统中被污染的电极。当工作电极被覆盖有抑制电极过程的无机（盐，如碳酸钙）层或者有机（生物污垢）层时，可能使电极测量不可靠。某些传感器的另一个问题是缺乏一种独立于流动的测量方法，该方法可以被设置于一个过程流中而没有变化的流速对传感器信号造成的不良影响。电流型传感器特别受到流速的显著影响。优选的是，传感器系统应对于范围从0英尺每秒至超过7英尺每秒的流速提供精确的测量，而传感器输出信号不发生明显变化。大多数传感器的另一个限制是缺乏将传感器直接插入一个过程流动管或配件中以便简单安装（如在饮用水配送系统中可能是必要的）的能力。在线氯监测器的维护成本经常大大超出机组的成本。由于变化的电极表面、污染、电解质耗竭、膜污染或膜拉伸、压力变化或尖峰、流量变化以及pH变化，对于大多数（如果不是全部）可商购的传感器来说频繁的重新校准是必要的。很多传感器系统都要求碘化物溶液或者缓冲剂的试剂供给，以便将pH降低至4.0。其他系统则依赖于流量或压力并且需要用排放装置进行排放的受控流动，以便为传感器提供一个恒定的流速。这个要求进一步使安装、维护以及后勤的需要复杂化。这导致过度的水损失或不必要的消耗。溶液的消耗和补充导致了更高的成本和维护要求。很多传感器的极化造成在最初的2至24个小时内敏感度的丧失，从而需要进行重新校准。如果传感器被移除并更换，那么敏感度降低并且校准发生变化。当具有暴露的电极的电流型系统与甚至低水平的氰尿酸（CYA）一起使用时，电极的极化通过抑制电子过程的CYA层而发生，从而致使该电极在不到一天的操作之后由于低的信号响应而不可用。氧化还原电位（ORP）常被用于余量控制并提供杀菌剂功效的一种定性指示。用于ORP感测的这些探针经常遭受由有机物造成的敏感度降低，特别是当存在高水平的氰尿酸时。需要的是不具有此限制的一种ORP传感器。绝大多数的商用电流型系统使用膜和电解质来控制在工作（测量）电极处发生的反应。这些系统的多个问题是众所周知的。膜发生拉伸且被油和有机物污染并且必须频繁地被更换。大多数这些系统的另一个问题是它们仅测量次氯酸——一个游离氯分数，而不是如DPD试剂盒所测量的游离氯。其结果是，与裸电极传感器相比，膜传感器的信号随着pH的变化而彻底变化。这得到了6.0pH至8.0pH的一个有限的操作范围。在超出8.0的pH的情况下，这些传感器产生非常小的信号，这可能产生大的误差。电解质必须在持续基础上得到更换，通常每月一次。除了这些缺点外，膜传感器还受到流量和压力变化的影响，当任一者发生变化时都要求进行重新校准。已知的传感器使用形成于基板上的一个可更换的薄膜传感器，该传感器具有多个电极和在用于氯的工作电极上的一个丝网印刷膜。该传感器具有大约6个月的非常短的寿命。已知传感器的另一个问题是饮用水中的氯胺类的检测和/或干扰。氯胺（一氯胺）是用于处理饮用水的一种消毒剂。当氨被添加到氯中来处理饮用水时，最常形成氯胺。氯胺的典型目的是在水移动穿过管道到达消费者时提供更持久的余量以供消毒。这种类型的消毒被称为二次消毒。氯胺已由自来水公司使用了将近90年，并且氯胺的使用受到了严密监管。超过五分之一的美国人使用用氯胺处理过的饮用水。含有氯胺并且满足EPA监管标准的水对于饮用、烹饪、洗澡以及其他家庭使用而言是安全的。很多公用事业使用氯作为二次消毒剂；然而近年来，一些公用事业已将这种二次消毒剂改为一氯胺，以便满足消毒副产物的监管。一氯胺（NH2Cl）普遍地作为一种二次消毒剂以低浓度用于城市用水配送系统中，作为游离氯氯化的一种替代物。一氯胺的使用正在增加。氯（有时称为“游离氯”）正被一氯胺所取代，一氯胺要稳定得多并且在水到达消费者之前不从水中散失。与游离氯相比，一氯胺还具有将有机物质转化成氯烃（如氯仿）的一种低很多的、但仍然存在的趋势。此类化合物已被鉴定为是致癌物；并且在1979年，美国环境保护局开始监管此类化合物在饮用水中的水平。此外，用氯胺处理过的水没有该气态处理的独特氯气味并且因此具有改善的味道。在游泳池中，通过游离氯与有机物质的反应而形成氯胺。与游离氯相比，氯胺既是作为一种杀菌剂不那么有效的，又对游泳者的眼睛更具刺激性。当游泳者抱怨由于池中“太多的氯”造成眼睛刺激时，问题典型地是高水平的氯胺。被设计成由业主使用的一些泳池用试剂盒对游离氯和氯胺都敏感，这可能是误导性的。以下图表展示了用于确定存在哪种物质的电流对Cl电位以及电流对一氯胺电位：在以上图表中，Cl的浓度是20百万分率（ppm），而NH2Cl的浓度按照Cl是20.5ppm。两栏中的“空白”读数是通过测量具有0浓度的氯或一氯胺的一种已知液体来确定的。用于氯和一氯胺的修正的分析信号是通过从每个所施加电位下的测量值中减去空白值来确定的。在图40所示的图中绘制了修正的分析信号对电位电压的数据点。以下图表展示了对于电位的相应比率而言分析信号的比率：如从以上数据中可以看出，可能通过两个电位的测量比率来确定该物种是一氯胺还是游离氯。大于5的比率表明该物种是一氯胺。显示图标可以用于表明存在一氯胺，从而邀请用户来执行一个动作。例如，当用于游泳池时，该图标可以警告操作员需要对水进行过氯化或需要添加一种非氯的冲击性化合物来降低一氯胺水平。该数据还展示了由相似水平的游离氯和一氯胺产生的信号的显著差异。可以使用两个存储的校准值——一个用于游离氯并且一个用于总氯。该比率还可以用于基于比率的量值来量化一氯胺和游离氯的分数。如果一氯胺存在，那么可以调整所存储的校准值，以便读出一氯胺的百万分率（ppm）。在一个饮用水应用中，可以调整所显示的余量，以便显示一氯胺而不是游离氯的ppm，从而更精确地显示氯水平。不然，该传感器系统可能由于一氯胺的较低的信号响应而彻底低估杀菌剂水平。发明的披露内容需要一种具有低维护要求的电流型系统。该系统应能够在无人值守的情况下工作延长的时期。该系统应在不进行传感器更换或其他维护的情况下工作延长的时期（例如，多达一年时间）。优选地，氯传感器和pH传感器应是可单独更换的，以便降低操作成本。优选地，该传感器结合了克服氰尿酸（CYA）的极化效应的一种方法。该传感器应该不要求频繁的重新校准，并且如果一个传感器被移除或更换，那么一个传感器应迅速地稳定并报告可靠的读数。根据本发明的多个实施例的一个方面是一种传感器系统，该传感器系统提供了一个可靠的传感器平台，该传感器平台具有长寿命的氯传感器、提供了一个可更换的pH传感器并且仅要求不频繁的校准。该传感器系统提供快速的测量响应时间，大体上不受流量、pH、温度或传导性的变化的影响，并且能够直接插入一个管道中。该传感器抵抗生物污垢和高水平的水硬度，这使得该传感器可实际用在最有挑战性的应用（包括海水和废水）中以及用在用于测量饮用水中的氯的清洁器应用中。在此所披露的传感器系统可以与接收恒定流速的水的一个流动池或者与可以独立于流速来操作并能够进行直接的管道插入的一个一体式泵形式一起使用。该传感器系统的一个实施例包括多个清洁球，这些清洁球被来自泵或者被供应给流动池的水的流动所移动，以便磨蚀这些电极和该pH传感器的表面，从而去除由于水硬度以及在某些情况下的氧化物生成而积聚的盐类。优选地，该传感器系统使用聚四氟乙烯（PTFE）（例如，树脂）球或其他聚合球来同时从该pH电极和参比电极两者上并且从用于氯传感器的辅助电极和工作电极上清除水垢。在某些情况下，优选的是在一种海水氧化剂传感器中使用多个PEEK（聚醚醚酮）球。流动池有利地被设计成使得这些球在正常操作期间无法逃离。进口端口基本上小于球直径，这防止了球在流动被中断且传感器被移除时流出。传感器与流动池壁之间的小间隙防止球经由流动池的出口端口逃离。壳体被配置成使得所捕集的空气可以在操作期间被清除。具体来说，当该传感器系统被插入水平取向的管道配件中时，该出口端口位于传感器末端的上方。出口端口的位置使得空气能够离开该流动池。根据一种具有一体式泵的自清洁传感器的另一个实施例，该传感器对于从0至7英尺每秒（FPS）的变化的流速提供一致的读数。该传感器在具有挑战性的条件下是自清洁的。该传感器由于这些电极上的较高速度而提供一个较高敏感度的信号，该较高速度是在传感器盖件内由一体式泵产生的。该一体式泵在这些氯电极上提供一致的流量。该传感器同时清洁所有三个电极。该传感器还清洁pH传感器的玻璃。该传感器是一体式的，以便提供自动pH补偿。该传感器具有多个长寿命的电极。在该传感器中，一个电动机使一个磁耦合的叶轮旋转，该电动机在这些电极上以总体上恒定的流速产生一个水流。这个流速还改善了在这些电极上具有较高速度时该电极对氯的敏感度。一个盖件保持这些球并且形成一个泵蜗壳来产生流动并移动这些球，以便磨蚀传感器的电极表面和内部，从而去除水垢和生物涂层。在一个优选实施例中，该电动机是具有低噪声并要求低电流的一个3相无刷式DC（BLDC）电动机。该泵是自吸式的。该泵包括用于检测电动机运动并控制电动机速度的一个一体式转速计。在多个优选实施例中，传感器的遭受生物污垢的润湿部分是由PTFE或超高分子量聚乙烯（UHMW）（例如，树脂）制成的并且抵抗有机凝胶和微生物的粘附。该传感器具有一种半球形状，这允许当该传感器被安装在一个管道三通中并经受横穿该浸入式传感器的流动的物流时释放大颗粒。在传感器的多个优选实施例中，在施加测量电位之后，向这些电极施加一个负电位。负电位的施加提供了当存在氰尿酸（CYA）时防止电极钝化的一个意料之外的好处。在不存在随后施加的负电位的情况下，该电极迅速钝化，使得在大约24小时内，来自该传感器的信号下降大约90%并且因此不再与正被测量的氯水平相关联。该随后施加的负电位通过防止敏感度的逐渐丧失来使极化效应最小化，这使得能够无限期地进行可重复的测量。在此所披露的传感器系统包括一种长寿命的氯传感器，该氯传感器可以具有不同的构型。在一个有利的构型中，该氯传感器包括一个铂工作电极和一个铂辅助电极。在另一个有利的构型中，该氯传感器包括一个铂辅助电极和一个金工作电极。该铂电极可以包含一种铂合金。该金电极可以包含一种金合金。在另一个构型中，这两个电极均为铂。在另一个构型中，这两个电极均为金。优选的是，该氯传感器被封闭在一个壳体内，该壳体包含聚醚醚酮（PEEK），该聚醚醚酮是一种具有优异的机械特性（包括疏水性）和化学耐受性特性的半晶质热塑性塑料。可替代地，可以使用UHMW。当使用两个铂电极来测量海水或具有氰尿酸的游泳池中的水时，施加大约0.25伏的一个测量电位持续大约30秒。在该测量电位之后施加-2.0伏的一个电位持续大约5秒。当使用多个金电极来测量饮用水和废水时，施加大约0.25伏的一个测量电位持续大约5至30秒，随后施加-0.6伏的一个电位持续大约1至10秒。当使用多个铂电极来测量饮用水和废水时，施加大约0.25伏至大约0.4伏的一个测量电位持续大约5至30秒，随后施加-0.6伏的一个电位持续大约1至5秒。使用在此所披露的传感器进行的测量的结果与DPD分光光度法测量的结果是可比较的。由于同一个传感器可以用于具有不同水构成的若干不同的应用中，因此，某些参数设置（如测量时间和电位）可以针对每种水类型进行优化。通过一个菜单选择，用户可以选择水类型并且改变这些参数设置。这个特征简化了操作并有助于该传感器在不同应用中的使用，其中将该单一的传感器针对某种水类型进行优化。例如，在一个实施例中，可以选择“海水”或者可以选择“饮用水”。除了氯之外，该传感器还连续地测量若干水参数，包括ORP、pH以及传导性。可以在5秒的一个非常短的时间间隔内执行ORP测量。多次测量之间的周期性变化外加了一个电位，该电位防止了电极表面上的有机物的吸收。为了加速ORP测量的平衡，在ORP测量开始之前，将该电位设定为0.0伏。这使得能够在具有挑战性的水条件下进行快速、可靠的ORP测量。在此所披露的传感器系统包括一种可更换的pH传感器，该pH传感器可以是一个单结传感器或一个双结传感器。在多个优选实施例中，该pH传感器是一个双结传感器或一个差动样式的pH传感器。可替代地，在pH测量是不必要的多个应用中，一个固态参比电极可以取代该pH传感器。例如，海水的pH是相当恒定的并且一般不需要进行测量。固体参比电极的使用消除了大多数pH传感器所需要的易碎玻壳并且实现了长寿命和低维护要求。这些参比/pH盒各自都可以通过由用户经由软件接口做出的仅仅一个单一变化而被使用。在此所披露的传感器系统包括具有蜗壳盖件的一个泵。该泵包括一个叶轮，该叶轮移动多个清洁球，这些清洁球从电极上去除水垢及其他污染物。优选的是，这些清洁球包含树脂；然而，这些清洁球可以包含陶瓷、玻璃或其他合适的材料。该叶轮通过多个径向磁化的磁铁被耦合到一个电动机上。在某些优选实施例中，这些径向磁化的磁铁是钕磁铁。优选的是，在此所披露的传感器系统包括一个一体式温度传感器和位于一个印刷电路板（PCB）上的一个存储装置。在某些实施例中，该温度传感器是使用一种导热环氧树脂被灌封到传感器壳体中的。在多个特别优选的实施例中，传感器本体壁的厚度为大约0.03英寸，以便最小化从所测量的流体到该温度系统的热时间常数。该存储装置（它优选是一个电可擦可编程只读存储器（EEPROM））储存了用于该传感器系统的校准值和该传感器系统的序列号。根据在此所披露的多个实施例的一个方面是一种用于测量水的至少一个参数的传感器系统。该传感器系统包括一个电子设备子系统和一个传感器壳体。该传感器壳体被电联接且机械联接到该电子设备子系统上。该传感器壳体包括一个腔室，该腔室经由至少一个进口接收水并且经由至少一个出口释放水。该传感器壳体内的至少一个传感器具有暴露于该腔室内的水中的至少一个电极。一个流量发生器致使水流过该腔室。优选的是，该传感器壳体被配置成有待插入一个输送着将测量其参数的水的管道中。优选的是，该流量发生器是包括电动机和叶轮的一个泵。该传感器壳体包括暴露于水中的一个湿侧和与水隔离的一个干侧。该电动机被安装在该传感器壳体的干侧上；而该叶轮被安装在该传感器壳体的湿侧上。该叶轮被磁耦合到该电动机上，使得在该壳体的干侧上该电动机的旋转使在该壳体的湿侧上的该叶轮进行旋转。在某些实施例中，该电动机包括一种无刷式DC电动机。在一个所展示的实施例中，该传感器系统是一个电流型传感器系统。优选的是，该传感器系统进一步包括多个可移动的物体，这些可移动的物体被约束在该腔室内并且通过在该腔室中流动的水是可移动的，以便冲击并清洁该至少一个电极的表面。例如，这些可移动的物体可以包括多个玻璃球体或可以包括多个聚四氟乙烯（PTFE）球体。优选的是，这些可移动的物体具有充分大于该至少一个进口和该至少一个出口的尺寸，以使得这些可移动的物体被局限于该腔室中。在该系统的某些实施例中，该至少一个传感器包括至少三个电极，并且当水流过腔室时，该至少三个电极被在该腔室内移动的多个可移动的物体同时进行清洁。在该系统的某些实施例中，该至少一个电极包括在一个氯传感器中的多个电极和在一个pH传感器中的多个电极，其中该氯传感器中的这些电极和该pH传感器中的这些电极同时被清洁。优选的是，当水流过腔室时，该至少三个电极被该腔室内的多个可移动的物体同时清洁。在该系统的某些实施例中，该腔室的该至少一个出口被定位成使得该腔室中的任何空气经由该至少一个出口排出。根据在此所披露的多个实施例的另一个方面是一种用于测量水的至少一个参数的电流型传感器系统。该传感器包括被定位成与具有待测量的参数的水处于流体连通的至少一个传感器探针。该探针包括多个电极。该传感器响应于待测量的参数的浓度而生成一个输出信号。电联接到该传感器探针上的一个控制系统在该多个电极中的至少第一电极与该多个电极中的至少第二电极之间施加多个差动电压。该控制系统被配置成用于在该第一电极与该第二电极之间产生范围在-0.2伏与+0.5伏之间的第一差动测量电压、并且在该第一电极与该第二电极之间产生在0伏与-5伏之间的第二差动测量电压。在该第一差动测量电位之后施加该第二差动测量电压并持续至少0.1秒的持续时间。在该系统的某些实施例中，该第一电极和该第二电极各自包含铂。优选的是，该第一电极和该第二电极是沉积在一块非传导性基板上的多个平面电极。例如，该传感器系统被配置成用于包含氰尿酸的水。在该系统的某些实施例中，该第一电极和该第二电极中的至少一个包含金。在该系统的某些实施例中，该传感器系统被配置成用于包括海水的水。在该系统的某些实施例中，该传感器系统被配置成用于包含超过1,000百万分率（ppm）氯化钠的水。根据在此所披露的多个实施例的另一个方面是一种用于量化水中的两个物种的方法。该方法包括：在至少一个传感器探针的至少第一电极与第二电极之间施加第一差动测量电位；并且响应于有待测量的水的一个参数的浓度并响应于该第一差动测量电位来测量一个第一输出信号。该方法进一步包括在该至少一个传感器探针的该至少第一电极与第二电极之间施加第二差动测量电位，其中该第二差动测量电位不同于该第一差动测量电位。该方法进一步包括响应于有待测量的水的参数的浓度并且响应于该第二差动测量电位来测量一个第二输出信号。该方法进一步包括：确定该第一输出信号与该第二输出信号的比率；并且基于该第一输出信号与该第二输出信号的该比率来确定这两个物种中的哪一个是存在的。随后，该方法计算并量化被确定为存在的物种。在该方法的某些实施例中，当这两个物种都存在时，该方法根据该第一输出信号与该第二输出信号的该比率来量化每个物种。在该方法的某些方面，第一物种包含游离氯而第二物种包含氯胺；并且第一输出信号与第二输出信号的比率在当水中的物种包含游离氯时具有处于第一范围内的一个值、而当水中的物种包含氯胺时具有处于第二范围内的一个值。根据在此所披露的多个实施例的另一个方面是一种用于感测水中的pH的多用途传感器系统。该传感器系统包括一个电子设备基本单元，该电子设备基本单元包封了多个传感器应用程序所共用的电子电路。该传感器系统进一步包括一个可移除的传感器盒，该可移除的传感器盒包封了至少一个可更换的pH传感器，其中该可移除的传感器盒中的该可更换的pH传感器被配置成是以下各项之一：(1)一个差动pH传感器；(2)一个复合的pH传感器与参比电极；或(3)一个仅供参比的传感器。在该多用途传感器系统的某些实施例中，该可更换的pH传感器具有一个带有喇叭形本体部分的第一感测端并且具有一个带有固定于其上的传感器连接器的第二连接端。该可更换的pH传感器在该喇叭形本体部分与传感器连接器之间具有一个固定的长度。该可移除的传感器盒包括被配置成用于接纳该可更换的pH传感器的喇叭形本体部分的一个喇叭形空腔、并且具有被配置成用于与该传感器连接器相匹配的一个匹配连接器。该匹配连接器被定位成当该可更换的pH传感器的喇叭形本体部分被定位在该喇叭形空腔内时，电接合且机械接合该传感器连接器。根据在此所披露的多个实施例的另一个方面是一种用于在使用多个电极测量氧化还原电位（ORP）时防止这些电极的极化的方法。该方法包括在一个传感器的两个电极之间外加一个电压电位持续第一预定时间。该方法进一步包括去除该传感器的这两个电极之间的该电压电位持续第二预定时间、并测量ORP。该方法进一步包括重复这些外加动作和去除动作、持续对应的第一预定时间和第二预定时间，其中外加该电压电位并去除该电压电位防止了这些电极的极化。在该方法的某些实施例中，该第一预定时间和之后的该第二预定时间的总时间是小于一分钟。根据在此所披露的多个实施例的另一个方面是一种可重新配置的电流型传感器，该电流型传感器具有第一电极和第二电极以用于测量水的至少一个参数，其中对其参数进行测量的水的类型可以是饮用水、海水和池水中的一种。该电流型传感器包括一个选择器，该选择器用于选择将对其至少一个参数进行测量的该水的类型。响应于该选择器的一个装置根据所选择的水的类型将该电流型传感器配置成根据针对每种水类型预设的一组操作参数来改变至少一个操作参数。这些操作参数包括在第一电极与第二电极之间施加第一电压电位以测量该水的该至少一个参数所持续的一个测量时间，并且进一步包括由该传感器在一个非测量时间期间施加的、用于防止由该第一电压电位引起的极化的一个第二电压电位的量值。根据在此所披露的多个实施例的另一个方面是一种清洁电流型传感器的方法，该电流型传感器具有定位在传感器本体的面上的多个电极。该多个电极各自具有暴露于水中的一个表面，该水具有有待由该多个电极进行测量的至少一个参数。该方法包括将多个可移动的物体局限在一个空腔中，该空腔包括暴露于该多个电极的表面的一定体积的水。该方法进一步包括使水流入、流过和流出该空腔，以使得该水在该多个电极的表面上流动。该方法进一步包括使该多个可移动的物体在该空腔内循环，以便使得当水流过该空腔时，该多个可移动的物体冲击该多个电极的表面。该多个可移动的物体磨蚀该多个电极的表面，从而清洁这些电极。在该方法的某些实施例中，这些可移动的物体是球形的。在该方法的某些实施例中，这些可移动的物体包含玻璃。在该方法的某些实施例中，这些可移动的物体包含聚四氟乙烯（PTFE）。在该方法的某些实施例中，电联接到传感器探针上的一个控制系统在至少该多个电极中第一电极与该多个...