用于监测流体和壁之间的相互作用的设备和方法
【专利摘要】一种可与具有壁（10）并包含流体的结构部件一起使用的传感器设备（2）包括机械振荡器（32）。所述机械振荡器（32）包括配置成易受流体的影响的浮动构件（6）和配置成不易受流体的影响的支撑构件（18）。所述机械振荡器（32）固定在壳体（4）内，该壳体（4）适应性地紧固到所述结构部件，使得浮动构件（6）与流体接触。机械响应感测系统（2）配置成测量组合的浮动构件（6）和支撑构件（18）的机械特征。所述机械特征配置成指示流体和壁（10）之间的相互作用。在使用中，流体沿着浮动构件（6）被导向。机械振荡器（32）振荡，机械特征的第一值被测量，且流体接触浮动构件（6）引起对浮动构件（6）的效应。所述支撑构件（18）被保护而免受流体的影响，且在所述浮动构件（6）与流体接触后的一段预定的时间之后，测量机械特征的第二值。
【专利说明】用于监测流体和壁之间的相互作用的设备和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年6月21日提交的美国临时专利申请序列号61/499，575的权益，该临时专利申请通过引用被全部并入本文。
【技术领域】
[0003]本公开总体涉及传感器的领域，且更具体地涉及用于测量流体和固体壁之间的相互作用效应的设备和方法。
【背景技术】
[0004]在一些工程应用中，结构部件被它们接触的流体影响。例子包括化学工艺设备和管线系统、水处理和分布系统以及油和煤气管道。在许多这些应用中，监测损坏累积、预测部件寿命并控制流体特性以最小化对系统结构部件的损坏是有利的。来自流体的对结构部件的损坏可包括腐蚀、侵蚀、积垢、氧化或其它化学效应。很多结构部件可能难以检查、可能被隐藏而不被观察到、可能在故障的情况下引起健康和环境损坏、和/或可能维修起来昂贵。需要高级传感器来有效监测与结构部件接触的流体的物理效应并最小化它们的影响。例如，这样的传感器可用于在控制系统中提供对绿色处理化学制剂和腐蚀抑制剂的注入的反馈以控制腐蚀、生物生长、在水处理中的结垢、化学工艺和锅炉系统。有害的物理和化学效应的高级监测将导致降低的维修成本、延长的部件使用寿命和更加安全的操作。
[0005]在使用流体和结构部件之间的物理接触的各种类型的系统当中，能够在流体流经管路时监测物理和化学过程是特别合乎需要的。在这样的系统中，流可影响管路表面的侵蚀、腐蚀和/或积垢，潜在地导致通过流体对管路的破坏或导致阻塞管路。因此，能够测量管路表面的金属损失或质量沉积是重要的，特别是在管路弯曲处，此处金属损失或沉积率最大。有限的测量技术通常被用于确定损坏部件的效应的速率和类型。这些技术可被分组成三个一般类别:1)金属损失方法，2)电化学方法,3)声方法。
[0006]金属损失测量方法包括电阻设备和质量损失取样片。电阻探针可连续地监测金属元件的累积腐蚀速率。这样的探针具有暴露于流体流的采样元件。在采样元件和流体之间的物理和化学相互作用改变采样元件的厚度、并因此改变采样元件的电阻。电阻探针的使用寿命与探针厚度成正比，而分辨率与它成反比，最高分辨率以传感器寿命为代价来达到。对于IMPY的腐蚀速率，更敏感的电阻探针具有大约100小时的响应时间。分辨率通过热电电压和电磁噪声减小。电阻探针提供连续的监测，而没有在很多流体中的工艺中断，除了高导电环境例如熔融金属或导电熔盐以外。例如在美国专利N0.6，693，445或N0.6，946，855中描述了现有技术的电阻探针。
[0007]质量损失取样片可由与所监测的结构部件相同的合金制成，或可以是标准材料，包括钢、不锈钢、铜和黄铜。它们插入工艺流中一段预定的时间，此后它们干净地被取回并被称重。质量损失取样片被认为对在较长的时间段内以离散的间隔测量腐蚀是可靠的。它们几乎可用在任何工艺中，但不允许实时监测，是劳动力密集的并需要在被监测的工艺系统或结构内的工艺中断或相当大的空间。在美国专利公布号201110066388中描述了现有技术的质量取样片腐蚀速率监测系统。
[0008]电化学方法(包括线性极化电阻(LPR)、电化学阻抗光谱(EIS)和电化学噪声(EN))被用于监测腐蚀。这些测量技术用于量化与腐蚀相关的电化学反应的动力学。应用被局限于导电溶液，且性能被局限在不含水环境中。与电阻传感器一样，电化学方法的分辨率由于热和电磁噪声而减小。与电阻和质量损失取样片方法不同，电化学技术由于侵蚀而不能探测金属损失，或不能提供累积材料损失的直接测量。
[0009]已描述了用于在产生碳氢化合物的井和类似环境中感测金属损失或垢的形成的各种声学方法。几种方法基于穿过流体、结构元件或两者传播的声波的渡越时间的长度的测量(美国专利N0.4，669，310,N0.4，872，347,N0.5，072，388)，或基于通过结构元件对声能的衰减的测量(美国专利N0.5，092, 176、N0.5,661, 233)。这些方法通常具有差的空间分辨率和灵敏度。
[0010]更灵敏的声谐振方法是已知的。在这些方法中，压电谐振器系统或机械谐振器系统在外部被激发，且谐振器的谐振频率的变化与谐振器表面上被移除的或沉积的材料的质量变化有关。例如，在美国专利N0.5，734，098中描述了应用在线石英晶体微量天平以监测和控制从碳氢化合物和水形成的有机沉淀物和无机沉淀物。在该方法中，与谐振器表面的质量损失或沉积有关的谐振频率变化被测量。压电声学谐振器在提供高灵敏度(大约I微米的厚度变化的探测被报告)时不允许用户简单地区分开由从液体沉积的材料的质量的变化引起的效应和液体的特性(温度、压力、密度和粘度)的变化引起的效应。
[0011]例如在美国专利N0.5，969，235 或 N0.7，721，605,N0.7，681，449,N0.7，866，211 中公开了较简单的机械谐振器系统，其利用音叉或类似的谐振器用于测量表面工艺系统中的质量损失或积垢。在压电谐振器中，激励器用于激发谐振器的自然振动频率。质量损失或在音叉的齿上的垢的累积引起音叉的自然振荡频率的移动，如通过由适当的设备(例如压电传感器)激发力而测量的。通常，这些传感器的频率响应通过对具有单个自由度的稍微衰减的谐波振荡器得到的理论关系来描述。对于自由振荡，或如果强制函数是正弦函数时，谐振频率fo和品质因数Q (系统阻尼和能量耗散的度量)可由下式表示:
[0012]
【权利要求】
1.一种用于测量流体和包含所述流体的结构部件的壁之间的相互作用效应的设备，所述设备包括: 机械振荡器，所述机械振荡器包括: 浮动构件，所述浮动构件至少部分地由配置成易受到所述流体的物理效应或化学效应中的至少一个效应的影响的材料形成；以及 支撑构件， 其中，所述浮动构件安装到所述支撑构件并具有组合的机械特征； 壳体，所述机械振荡器固定在所述壳体内，所述壳体适应性地紧固到所述结构部件，使得所述浮动构件与所述流体接触；以及 机械响应感测系统，所述机械响应感测系统配置成测量所述机械特征， 其中，所述机械特征的测量配置成指示在所述流体和所述壁之间的所述相互作用效应的测量。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述壳体具有远端，并且还包括: 在所述壳体的所述远端处的开口，所述开口穿过所述结构部件的壁；以及 底座，所述底座与所述远端相对。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述浮动构件位于所述开口内，并沿着流体流动的方向与所述结构部件的壁齐平，所述支撑构件固定到所述底座，使得所述浮动构件不进行在流体流动的法向方向上的运动。
4.如权利要求2所述的设备，其中，所述浮动构件位于所述开口内，并沿着流体流动的方向与所述结构部件的壁齐平，所述浮动构件和所述壁限定围绕所述浮动构件的至少一部分的间隙。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述机械振荡器的所述浮动构件配置成能够基本上平行于流体流动的方向在所述间隙内移动。
6.如权利要求5所述的设备，其中，所述机械响应感测系统可操作地连接到所述支撑构件以测量所述机械特征。
7.如权利要求1所述的设备，其中，所述壳体还包括底座，所述浮动构件从所述底座以悬臂式伸出。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述机械响应感测系统是光纤布拉格光栅计量器、耳语回廊模式光学计量器或电阻应变计中的至少一个。
9.如权利要求1所述的设备，其中，所述机械特征是所述浮动构件的移位、支撑构件的偏转、所述机械振荡器的谐振频率和所述机械振荡器的品质因数中的至少一个。
10.如权利要求1所述的设备，其中，所述浮动构件具有质量，且所述支撑构件具有弹性常数，所述质量配置成随着所述流体的物理效应或化学效应而减小，且所述弹性常数配置成保持不变。
11.如权利要求1所述的设备，其中，所述浮动构件是金属材料或金属合金材料。
12.如权利要求1所 述的设备，其中，所述浮动构件由配置成与接触所述壁的所述流体的物理效应或化学效应相关的材料构成。
13.如权利要求12所述的设备，其中，所述浮动构件由与包含所述流体的所述结构部件的壁相同的材料构成。
14.如权利要求1所述的设备，还包括用于主动致动的致动器，所述致动器配置成主动产生由所述机械响应感测系统测量的所述机械特征。
15.如权利要求1所述的设备，还包括配置成测量所述流体的温度的参考传感器。
16.如权利要求1所述的设备，具有配置成补偿影响所述机械特征的流体温度的变化的多个所述机械响应感测系统。
17.如权利要求1所述的设备，还包括: 入口通道，所述入口通道具有入口和出口，所述出口定位成相邻于流体的流，所述入口位于所述壳体内， 其中，流体配置成从所述入口流动并进入所述壳体中以在操作上净化所述设备，去除可移除的颗粒物质。
18.一种利用机械振荡器 测 量流体和包含所述流体的结构部件的壁之间的相互作用效应的方法，所述机械振荡器具有浮动构件和支撑构件，所述方法包括: 沿着所述浮动构件导向所述流体； 使所述机械振荡 器振荡； 在振荡时测量所述机械振荡器的机械特征的第一值； 使所述流体与所述浮动构件接触； 利用所述流体引起对所述浮动构件的物理效应或化学效应中的至少一个效应； 保护所述支撑构件免受物理效应和化学效应；以及 在使所述流体接触所述浮动构件后，经预定的时间段之后，测量所述机械特征的第二值。
19.如权利要求18所述的方法，还包括: 比较所述第一值与所述第二值；以及 使所述第一值和所述第二值的比较与所述流体和包含所述流体的所述结构部件的壁之间的相互作用效应相关联。
20.如权利要求18所述的方法，还包括: 减少所述浮动构件的质量；以及 维持所述支撑构件的弹性常数。
21.如权利要求18所述的方法，还包括: 利用致动器主动地使所述机械振荡器振荡。
22.如权利要求18所述的方法，其中，所述机械特征的所述第一值和所述第二值通过光纤布拉格光栅计量器、耳语回廊模式光学计量器或电阻应变计中的至少一个测量。
23.如权利要求18所述的方法，其中，所测量的所述机械特征是所述支撑构件的偏转、所述支撑构件的应变、所述机械振荡器的谐振频率和所述机械振荡器的品质因数中的至少一个。
24.如权利要求18所述的方法，还包括: 在所述机械振荡器上施加剪切力。
25.原文缺失
26.如权利要求18所述的方法，还包括: 净化所述机械振荡器从中清除颗粒物质。
【文档编号】G01N17/04GK103907008SQ201280039660
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年6月20日 优先权日:2011年6月21日
【发明者】瓦莱里·A·舍维列夫, 斯尔詹·内希克 申请人:俄亥俄州立大学, 瓦莱里·A·舍维列夫