[发明专利]用于监测流体和壁之间的相互作用的设备和方法

说明书

相关申请的交叉引用

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

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

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。

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。

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1MPY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No.6,693,445或No.6,946,855中描述了现有技术的电阻探针。

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。

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。

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No.4,669,310、No.4,872,347、No.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No.5,092,176、No.5,661,233）。这些方法通常具有差的空间分辨率和灵敏度。

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No.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1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。