專利名稱：用于測量逆滲透膜元件的滲透流量和滲透電導率的設備的制作方法
技術(shù)領域：
本公開涉及一種當反滲透(osmosis)元件安裝在壓力容器中并在RO列(train)中操作時，允許方便和同時測量反滲透元件所產(chǎn)生的滲透流量(permeate flow)和電導率(conductivity)的設備和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
卷式反滲透膜元件廣泛地用于生產(chǎn)能力不斷增加的工廠的水淡化上。商業(yè)用膜元件長1000mm(40英寸)，直徑200mm(8英寸)，以及重大約16kg(40 1bs)。單個元件每天產(chǎn)生12m3/d-24m3的滲透流量(每天3200-6400加侖)。每天產(chǎn)生200,000m3(每天5千萬加侖的水)滲透的單個淡化工廠可以需要15,000個這樣的卷式元件，以產(chǎn)生所設計的滲透能力。單個元件載入設置在架上的玻璃鋼壓力容器中，以形成單個RO列。在大的RO系統(tǒng)中，一個列可以包括100-200個壓力容器。幾個列可以在任何單個淡化工廠中獨立地操作。6至8個元件載入單個壓力容器。相應地，600至1600個元件可以在單個列中操作。一旦載入壓入容器中，則只在元件替換(通常每3-10年的操作)時或當需要特殊測試時才去除膜元件。從壓力容器中去除膜元件需要完全關(guān)閉RO列操作。
通常在安裝在RO系統(tǒng)中之前就已知單個元件的性能。在安裝之后，由于膜污垢阻塞，元件的性能可以改變。通過測量完整RO列的滲透流量、滲透電導率和壓降，觀察膜性能降級的效果。在一些情況下，可以測量單獨壓力容器的滲透電導率。在商業(yè)RO單元中使用當前技術(shù)測量單個元件的滲透流量和滲透電導率是不實際的。通常，污垢阻塞對元件性能的影響在整個系統(tǒng)中并不均一。在RO系統(tǒng)的性能降級到一定程度之后，通過清潔膜或部分或完全替換新的元件可以提高性能。有效元件替換的主要障礙是當單個元件安裝在RO列中并在其中進行操作時，缺少一種用于測量單個元件的性能的便捷方法。


發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，提供一種允許評估反滲透膜元件的性能的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括反滲透膜元件；反滲透膜元件中的滲透管；反滲透膜元件的滲透管內(nèi)的拉伸探測管；被配置為測量用于評估性能的值、并在所述探測管入口端處放置的至少一個傳感器；以及與所述傳感器進行電子通信、從而記錄測量結(jié)果的記錄設備。
在另一方面，被配置為測量用于評估性能的值的傳感器包括用于測量滲透流量的傳感器。
在另一方面，用于測量滲透流量的傳感器包括熱力式風速儀。
在另一方面，該系統(tǒng)還包括用于測量滲透電導率的傳感器。
在另一方面，用于測量滲透電導率的傳感器包括具有整體安裝的熱電偶的電導池(conductivity cell)。
在另一方面，電源給傳感器供電。
在另一方面，電源包括至少一個射頻標識(RFID)標簽。
在另一方面，通過有線連接記錄設備和傳感器來進行電子通信。
在另一方面，通過無線連接記錄設備和傳感器來進行電子通信。
在另一方面，傳感器還具有RFID標簽，并且通過該RFID標簽和安裝在元件上的RFID標簽之間的通信，將所述值與反滲透膜元件鏈接。
在一個方面，提供一種評估反滲透膜元件性能的方法，所述方法包括在壓力容器中提供一系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括反滲透膜元件；反滲透膜元件中的滲透管；反滲透膜元件的滲透管內(nèi)的拉伸探測管；被配置為測量用于評估性能的值、并在所述探測管入口端處放置的至少一個傳感器；以及與所述傳感器進行電子通信、從而記錄測量結(jié)果的記錄設備；測量至少一個值；將測量的結(jié)果傳輸至記錄設備；以及基于所述結(jié)果評估性能。
在該方法的另一方面，至少一個值包括與滲透流量相關(guān)的數(shù)據(jù)。
在該方法的另一方面，至少一個值還包括與滲透電導率相關(guān)的數(shù)據(jù)。
在該方法的另一方面，傳感器還具有RFID標簽，并且通過該RFID標簽和安裝在元件上的RFID標簽之間的通信，將所述值與反滲透膜元件鏈接。
在該方法的另一方面，所述方法還包括如果該評估指示需要替換以提高系統(tǒng)性能，則替換元件。



圖1是可以在測量系統(tǒng)中采用的熱力式風速儀的一個實施例的部分示意圖和部分框圖。
圖2是示出了熱力式風速儀中探測器循環(huán)操作的曲線圖。
圖3是熱電偶探測器的特性溫度衰減的曲線圖。
圖4是熱電偶探測器的正常溫度衰減的半對數(shù)繪圖。
圖5是可以在根據(jù)本發(fā)明的實施例的測量系統(tǒng)中有用的熱力式風速儀中采用的一個邏輯電路的框圖。
圖6-10是可以在熱力式風速儀中采用的套管型探測器的實施例。
圖11是熱力式風速儀操作的流程圖。
圖12示出了壓力容器中反滲透膜元件設置的示意圖。
圖13示出了安裝在支架上的集成熱力式風速儀傳感器和電導傳感器器件的配置。
圖14示出了安裝在插入RO膜元件的滲透管中的支架管上的熱力式風速儀的設置的示意圖。
圖15示出了根據(jù)實施例在測量系統(tǒng)中使用的電導探測器的示意框圖。
圖16示出圖15電導探測器的溫度補償電路的示意圖。

具體實施例方式 實施例包括實現(xiàn)同時測量膜元件的滲透管內(nèi)滲透流量和滲透電導率的集成傳感器器件，同時該元件在RO單元中進行操作。特別優(yōu)選實施例包括安裝在拉伸的小直徑支架管上的熱力式風速儀傳感器和電導傳感器。該傳感器設備可以通過壓力容器的滲透口被插入在壓力容器中操作并連接在一起的膜元件滲透管。由于傳感器沿滲透管移動，所以傳感器在沿壓力容器的不同的點上產(chǎn)生與滲透流量和滲透電導率相關(guān)的電信號。該電信號通過將傳感器與外界記錄設備連接的導線進行傳輸，或通過產(chǎn)生和發(fā)送所測量數(shù)據(jù)的無線傳輸進行傳輸。
可以通過無線電頻率輻射、可充電電池、從射頻標識(RFID)標簽轉(zhuǎn)換的能量、電磁能、來自安裝在小直徑支架管上的渦輪的能量、或本領域技術(shù)人員已知的其它形式的電源，來提供需要給熱力式風速儀傳感器和電導傳感器(統(tǒng)一描述為“測量設備”)供電的電能。優(yōu)選實施例的測量設備優(yōu)選地通過RFID標簽供電。優(yōu)選地，通過從RFID標簽檢索信息的設備(例如位于壓力容器之內(nèi)或之外的接收機)發(fā)射的電磁能來啟動RFID標簽。當被啟動時，RFID標簽優(yōu)選地將電量傳輸至進行測量的測量設備。在特別優(yōu)選實施例中，數(shù)據(jù)存儲在RFID標簽中，可以同時和/或之后被檢索。在其它優(yōu)選的實施例中，通過可充電電池對測量設備進行供電。例如，這種電池包括但不限于，鎳鎘電池、鋰離子電池、以及本領域技術(shù)人員所知的其它電池。在優(yōu)選的實施例中，可以通過從激活的RFID標簽傳輸?shù)哪芰繉㈦姵卦俪潆?。在其它?yōu)選的實施例中，可以通過來自外部源的無線電頻率(RF)能量啟動測量設備。其它實施例包括通過磁能、電磁能、或本領域技術(shù)人員已知的其它形式的能量供電的測量設備。
滲透流量測量 在設備的實施例中，使用熱力式風速儀測量滲透流量。這種電池的示例在專利5,271,138；4,794,794；4,848,147；4,621,929；和4,537,068中公開，在此一并作為參考。
通常，熱力式風速儀通過感知來自暴露給流體的小的電熱元件的熱轉(zhuǎn)換中的變化，來測量流體流速。
如果導線浸在流體中，且通過電流加熱，則導線溫度增加以及功率輸入是 I2Rw＝hwSw(Tw-Tf) (1) 其中 I電流值， Rw導線電阻 hw導線的熱傳輸系數(shù) Sw導線的表面區(qū)域 Tw導線的溫度 Tf流體的溫度 導線的電阻也是溫度的函數(shù) Rw＝R0[1+α(Tw-T0)](2) 其中 R0是在參考溫度的導線電阻 α是導線熱電阻的系數(shù) T0是參考溫度。
根據(jù)以下方程，導線的熱傳輸系數(shù)hw是流體流速vf的函數(shù) hw＝a+b*vcf(3) 其中，a、b和c是通過校準獲得的系數(shù)。
將以上三個方程組合，可以去除熱傳輸系數(shù)hw，并重新排列以求解流體流速 Vf＝{(I2R0[1+α(Tw-T0)]/Sw(Tw-T0)-α)/b}l/o(4) 通過針對元件的電流來平衡經(jīng)過元件的流量所產(chǎn)生的冷卻效果，從而使元件保持恒定的溫度。由于流速的變化所導致的電流的變化顯示為風速儀輸出處的電壓。
現(xiàn)將描述適合在用于測量滲透流量和滲透電導率的設備中使用的熱力式風速儀的實施例。參照圖1，一般地，通過參考號10指示在優(yōu)選實施例中有用的熱力式轉(zhuǎn)換風速儀流體流動測量設備的一個實施例。設備10包括可以插入流體流動路徑(通過箭頭14示出)的熱電偶傳感探測器12，以測量流速。
流體流通14可以包含在導管或電纜槽16(例如滲透管)中。熱電偶探測器12包括連接以形成位于探測器12末端附近的傳統(tǒng)熱電偶結(jié)24的一對校準線20、22。
在該實施例中，熱電偶12示為套管型探測器，其具體示例在圖6-10中示出。也可以使用無套管探測器。套管保護結(jié)24不受流體流動14的影響。
在框圖中示出簡單的、優(yōu)選電子控制單元26。如圖14所示，控制單元26位于距離熱電偶探測器12較遠的位置，其中熱電偶探測器位于支架管173的末端，并且控制單元26可以位于記錄設備174之內(nèi)。單元26包括通過脈沖開關(guān)30與導線22之一耦合的電源28。
所述單元包括與電壓對時間記錄器34耦合的電壓測量裝置32。電壓和時間測量與計算單元36耦合，所述計算單元將流體流速與探測器12的溫度衰退或時間常數(shù)相關(guān)聯(lián)。計算單元36與可以產(chǎn)生可視和/或硬拷貝輸出的輸出或顯示器單元38耦合。
對于圖2，很好地示出了設備10和探測器12的循環(huán)操作。在時間t-1處，脈沖開關(guān)30關(guān)閉，將跨導線20和22的相對高的電壓脈沖耦合(t0-t1)的時間段。通過電阻加熱，將結(jié)24附近的探測器12的溫度升高到比要測量的流體的溫度高的溫度。例如，在典型流體流量測量中，可以將探測器的溫度升高比流體溫度高5至10℉的溫度。如之后所描述，功率脈沖不需要精確的控制或測量。
在時間t0處，打開開關(guān)30，以從導線20、22處移除電源。當移除電源時，熱電偶12中的溫度分布開始衰減。在時間t1處，通過將測量與記錄器34耦合的裝置32來測量結(jié)24的溫度T1。在第二時間t2處，通過裝置32再次測量結(jié)24的溫度T2，并再次與記錄器34耦合。
然后，根據(jù)以后對圖3和圖4的分析，在單元36中利用兩次測量T1和T2來計算流14的對應流速。在時間t3處，如果期望，則可以再次重復循環(huán)。溫度T1和T3完全不相關(guān)，且不需要是相同值。如果流體整體溫度實際不恒定，則需要第二傳統(tǒng)參考熱電偶結(jié)。
圖3中所示的曲線表以結(jié)24的溫度衰減的數(shù)學分析為特征。開始，在時間t0處，結(jié)24具有溫度函數(shù)f(r)描述的某一任意溫度曲線。將探測器12建模為無限長、均勻的圓柱體，通過以下方程5的經(jīng)典級數(shù)解(seriessolution)，可以描述作為半徑‘r’和時間‘t’函數(shù)的溫度分布。在零參考理論下進行該討論，其中流體問題假設是零，從而探測器溫度“T”實際上表示與參考溫度的差。在實踐中，會測量并獲知流體溫度，從而可以容易地從數(shù)學上將流體和探測器溫度之間相應的測量的差相關(guān)聯(lián)。
其中 T＝給定半徑和時間的探測器和流體之間的溫度微分 r＝半徑 a＝圓柱體外徑 t＝時間 H＝在圓柱體表面的對流系數(shù)(convective coefficient) h＝H/K k＝K/ρC ρ＝密度 C＝熱容量 K＝圓柱體內(nèi)導熱性 Jo＝零階(order zero)貝塞爾函數(shù) αn＝超越方程2的根 在足夠的衰減時間(t0-t1)之后，在探測器12中的初始溫度條件放松(relax)，并且在相同級數(shù)中的所有項接近零，接受1。時間t1之后的衰減方程可以近似為 其中 A1是針對固定初始條件、流條件和輻向位置的常數(shù)，r；以及α1是超越方程6的最小的根(特征值)。
在圖4中示出在時間t1處開始、并針對T1標準化的方程7的半對數(shù)圖。該曲線的斜率是不變的，且通過方程8來近似。明顯地，初始條件相約，因而斜率獨立于功率脈沖的形狀、持續(xù)時間、輻向位置和幅度。利用方程8，并根據(jù)方程6認識到H是α1的函數(shù)，可以通過使用方程8A確定對流系數(shù)H。
或 從流體動態(tài)考慮，使用以方程9的形式的針對流過圓柱體的流體的相關(guān)性，可以近似得到探測器表面的對流系數(shù)。
H＝CRen(9) 其中 Re＝vd/γ(雷諾數(shù))(9A) d＝圓柱體的外徑 v＝局部流體流速 γ＝動態(tài)粘滯度 并且C和n是Re數(shù)的大范圍內(nèi)的已知經(jīng)驗常數(shù)。將方程9A代入方程9得出方程10。
因而，利用所測量的溫度值T1和T2，可以使用方程6、8A和10計算局部流速v。
針對小的內(nèi)部熱電阻(畢奧#＝hd<1)，利用方程11，局部流體流速近似與方程8中的斜率相關(guān)。因而，針對固定的流體和探測器屬性，v對斜率的對數(shù)-對數(shù)曲線產(chǎn)生具有斜率n的直線。
Vn＝斜率×常數(shù)針對畢奧#<1 (11) 上述常數(shù)是依據(jù)固定探測器和流體屬性的校準常數(shù)。然后可以開發(fā)針對不同流體和/或流體溫度的數(shù)據(jù)庫。指數(shù)“n”是Re數(shù)的大范圍內(nèi)的已知常數(shù)，并針對40至4000的范圍的Re數(shù)被給定為0.466。
因而，利用所測量的標準化斜率值(根據(jù)方程8)，可以使用方程11計算局部流體流速v。利用如在許多傳統(tǒng)流量測量方法中所使用的流體條件、電纜槽大小、探測器位置等，可以計算基于(一個或多個)局部流速讀數(shù)的電纜槽16中整體流量。
一般地，通過圖5中的參考號40指示可以在一個實施例中使用的風速儀的另一個實施例的一般化的框圖和示意性邏輯電路。熱電偶結(jié)42通過一對校準導線44和46與放大器48相耦合。導線44可以很方便地接地，導線46通過線路52與脈沖開關(guān)50耦合。脈沖開關(guān)50通過線路56與電源54耦合。
放大器48通過導線58和60與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)62耦合。A/D轉(zhuǎn)化器62的輸出通過線路66與處理器64耦合。諸如微型計算機或微型處理器的處理器64通過線路68與開關(guān)50耦合，并通過線路70與顯示器72耦合。雖然未示出，但是可以在針對放大器48的輸入處提供適合的過濾，以將放大器48與施加到結(jié)42的瞬時功率脈沖隔離(如果期望)。
在設備40中，處理器64通過脈沖開關(guān)50和電源54控制施加到結(jié)42的脈沖的定時。來自結(jié)42的電壓通過放大器48進行放大，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字過程要利用的數(shù)字信號，所述數(shù)字信號然后可以在顯示器72中顯示。雖然在利用針對處理器64的微處理器期間數(shù)字信號是最優(yōu)選的，但是也可以利用模擬邏輯處理器，在這種情況下可以刪去處理器64和相關(guān)電路。
設備10和40具有良好的穩(wěn)定性、可重復性以及靈敏度。設備10和40易于適應同時的多流量測量技術(shù)。熱電偶具有穩(wěn)定、精確和耐用的確定規(guī)律，并且設備10和40受益于熱電偶概念的結(jié)合。在圖6-10中示出了特定的熱電偶設計。
在傳統(tǒng)的熱電偶中，通過被施加的足夠的功率來加熱整個熱電偶長度。通過只加熱熱電偶結(jié)周圍的熱電偶的端頭區(qū)域可以降低功耗。尤其在圖6-10中描述的下列探測器設計用于利用標準的制造技術(shù)將生產(chǎn)成本最小化。利用套管狀熱電偶可以允許熱電偶穩(wěn)定、精確和耐用的確定規(guī)律與設備10和40結(jié)合。此外，修改熱電偶以將減少操作成本的功率需求最小化，并增強便攜式電池供電的應用程序。
參照圖6，最佳地示出了套管狀熱電偶探測器74的第一實施例。探測器74包括在封閉的端頭(tip)78處結(jié)束的套管外部主體76。通過從高導電材料和/或大導線直徑形成導線80，第一校準導線80形成具有相對較低的電阻。通過從低導電材料和/或小導線直徑形成導線82，第二校準導線82形成具有相對較高的電阻。
在端頭78附近形成結(jié)84，并且導線82接地(ground)至端頭78，因而也接入套管主體76中。鄰近結(jié)84，局部地加熱端頭78。通過在低電阻導線80和套管主體76上施加相對高的電壓，完成端頭78的局部加熱。因而，電流流經(jīng)導線80至結(jié)84，可忽略電阻加熱。從結(jié)84處，電流流經(jīng)高電阻導線82至接地端頭78。因而在結(jié)84和端頭78之間加熱導線82，以局部地加熱端頭78。經(jīng)由套管主體76的電流產(chǎn)生最小或可忽略的電阻加熱。通過在結(jié)84處在導線80和82之間使用賽貝克效應來執(zhí)行探測器74的溫度感測。
在圖7中示出了套管型熱電偶探測器86的第二實施例。探測器86包括具有端頭89的套管主體88。第一低電阻校準導線90在結(jié)92處(就在端頭89之前)與接地至端頭89的高電阻導線部分94相連。第二低電阻校準導線96也接地至端頭89。
通過在導線90和96上施加相對高的電壓，完成所施加的功率脈沖期間端頭89的局部加熱。由于導線90和96的高電導性，所以在鄰近端頭89的高電阻導線部分94中，發(fā)生唯一顯著的電阻加熱。通過利用導線90和96之間的賽貝克效應完成探測器86的溫度感測。也可以去除導線96，然后可以在導線90和套管主體88上施加電壓。
一般地，通過圖8中的數(shù)字98指示第三套管型電熱偶探測器實施例。探測器98也具有低電阻套管主體100，然而，探測器98具有高電阻材料形成的端頭102。一對低電阻校準導線104和106接地至端頭102。通過在具有使唯一顯著的電阻加熱在端頭102中發(fā)生的高電導性的導線104和106上施加相對高的電壓，局部地加熱端頭102。通過利用導線104和106之間的賽貝克效應再次完成溫度感測?？蛇x地，可以在套管主體100和校準導線之一上施加電壓，這樣就不需要低電阻導線形成的另一根校準導線。
圖9中示出另一個套管型探測器實施例108。探測器108包括具有端頭112的套管主體110。一對相對低的電阻導線114和116通過一部分高電阻導線118在端頭112附近連接。通過在該對導線114和116上施加相對高的電壓脈沖，局部地加熱端頭112，該對導線114和116電阻加熱該部分118以加熱端頭112。通過利用該對導線114和116之間的賽貝克效應再次完成探測器108的溫度感測。
圖10中示出套管型熱電偶探測器120的第五實施例。探測器120包括具有端頭124的套管主體122。低電阻導線126接地至端頭124。為了完成端頭124的局部加熱，端頭124可以是例如端頭102之類的高電阻材料(圖8)，或者導線126可以在端頭處包括高電阻部分(例如導線部分94)(圖7)。通過利用導線128和130之間的賽貝克效應，利用一對校準導線128和130用于溫度感測。
可選地，也可以利用四個或更多的多導線配置。例如，可以利用兩個導線用于提供功率脈沖，并且可以利用兩個單獨的校準導線用于賽貝克效應溫度感測。另一個可選項是使校準線128和130以與傳統(tǒng)不接地的熱電偶類似的方式不接地。
在圖11中示出了流量測量設備10的操作的流程圖。首先如框146所示，使熱電偶(t/c)例如在圖2中的t0-t-1的時間段產(chǎn)生脈沖。然后，隨著結(jié)溫度的衰減，如框148所示，測量溫度至少兩次，例如在圖2中所示的t1、t2等時間點。然后根據(jù)方程8，如框150所示計算衰減曲線的斜率。然后根據(jù)方程11，如框152所示，根據(jù)斜率確定流體流速。
然后，可以如框154所示顯示根據(jù)測量的每個功率脈沖集所確定的流速。可選地或此外，如框156所示，可以存儲功率脈沖所確定的流速，并使用隨后的脈沖測量值進行平均。可以顯示每個流速值，并且也可以顯示平均值，或只需要顯示平均流速。平均可以是連續(xù)的平均，或可以針對固定的時間段。在確定每個流速之后，可以如線158所示再重復該序列。
根據(jù)上述示教，修改和變化是可能的。如所述，電阻加熱(焦耳加熱)可以影響探測器的加熱。通過珀耳帖加熱或冷卻也可以影響相對于流體的探測器的加熱或冷卻。套管狀探測器可以包括傳統(tǒng)的密封材料(如果期望)。一般地，校準導線由熱電偶合金形成。只要結(jié)實際上保持相同的溫度，則校準導線之間的單獨導線部分或探測器端頭的一些探測器實施例的中加法不影響測量值。因此可以理解在優(yōu)選實施例中有用的熱力式風速儀包括與具體描述不同的風速儀。
流量計的可選實施例包括可旋轉(zhuǎn)部件。這種液體流量計包括安裝在液體流動途徑和支架管入口末端的葉輪或渦輪，其中葉輪或渦輪的旋轉(zhuǎn)次數(shù)提供流經(jīng)于此的液體流量的測量。液體流量計可以提供用于檢測葉輪或渦輪運動旋轉(zhuǎn)的電路，其中，典型地將磁元件與可旋轉(zhuǎn)軸相連，并提供接近于磁鐵的感應或電感傳感器電路，其中可旋轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生不同的磁場以影響與傳感器耦合的電路，并因而產(chǎn)生表示軸旋轉(zhuǎn)的電信號。接下來將電信號放大并轉(zhuǎn)化為驅(qū)動信號，用于接通某種形式的指示設備(例如RFID標簽)。
一個實施例包括液體流量計，其中磁鐵附于可旋轉(zhuǎn)葉輪軸上。以防鐵磁性電路形式出現(xiàn)的磁場傳感器放置在實際接近可旋轉(zhuǎn)磁鐵的位置，并且磁場感應(induce)傳感器中的電信號，將所述信號放大并整形以驅(qū)動服務用于計數(shù)所感應的信號以及計算相應的流量讀數(shù)的適合的邏輯網(wǎng)絡。
流量計的另一個實施例利用磁鐵。例如，第一磁鐵附于可旋轉(zhuǎn)葉輪軸，以及第二磁鐵放置在接近第一磁鐵的位置，但是在液體流量室之外。第一磁鐵的旋轉(zhuǎn)場感應第二磁鐵的旋轉(zhuǎn)，并且通過感應傳感器檢測第二磁鐵產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)場，以產(chǎn)生表示軸旋轉(zhuǎn)的電信號。然后利用電信號驅(qū)動指示器電路，以提供該設備檢測的容積流量的讀出。
另一實施例包括利用軸安裝磁鐵的流量計。例如，測量計具有附于轉(zhuǎn)子軸上的第一磁鐵以及附于指示器軸上的第二磁鐵，所述第二磁鐵與所述第一磁鐵可旋轉(zhuǎn)地磁耦合，從而當流體流動通過儀表殼旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子軸時，提供指示器軸對應的旋轉(zhuǎn)。
另一個實施例包括可旋轉(zhuǎn)渦輪或葉輪類型的液體流量計，其中，通過測量計的液體流動產(chǎn)生由非磁性材料制成的軸的正可旋轉(zhuǎn)位移。永久磁鐵嵌于軸最近的一個末端，并且葉輪末端軸可選地安裝在由非磁性材料做成的外殼中。磁性操作的簧片開關(guān)放置在嵌入了永久磁鐵中的離軸末端最近的外殼之外，并且軸的每次完全旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生簧片開關(guān)的兩次磁感應關(guān)閉。該簧片開關(guān)與電池操作的邏輯電路電耦合，包括計數(shù)器和電子讀出器，從而簧片開關(guān)的開關(guān)閉合轉(zhuǎn)換為提供給例如RFID標簽的流量數(shù)據(jù)。
控制可旋轉(zhuǎn)葉輪和流量計空腔的內(nèi)部設計以提供預定體積排量特性，其中葉輪的每次旋轉(zhuǎn)與邏輯電路匹配，從而提供在軸單個旋轉(zhuǎn)期間經(jīng)過的液體流量，其中邏輯電路和顯示器適配用于計數(shù)和顯示單元的測量單元之間的預定的分數(shù)(fractional)關(guān)系。因此，可以通過只改變可旋轉(zhuǎn)渦輪或葉輪的一個線性維度來修改測量的單元。
滲透電導率測量 優(yōu)選實施例也包括監(jiān)視滲透流電子屬性的測量設備。測量水分傳導度的設備操作優(yōu)選地基于兩個電極之間水分電阻率的測量。電阻率測量傳感器可以優(yōu)選地安裝在諸如流量測量設備的某一位置。如上所述，使用熱力式風速計測量滲透流量。
滲透電導率測量設備的優(yōu)選實施例包括監(jiān)視液體電屬性的測量設備。測量水的電導率的設備操作優(yōu)選地基于對兩個電極之間水的電阻率的測量。測量至少兩個電極之間的電流的設備優(yōu)選地放置于反滲透過濾器設備和/或系統(tǒng)的中心管上或內(nèi)。這種設備的示例在專利3,867,688和4,132,944中公開，且一并引入作為參考。可以通過無線電頻率輻射、可充電電池、從RFID標簽轉(zhuǎn)換的電力、電磁能、或本領域技術(shù)人員已知的其它形式的能量提供需要給這些設備供電的電能。
優(yōu)選實施例的滲透電導率測量設備包括具有整體安裝的熱電偶的電導池。如圖13所示，電導率測量設備170的電極安裝在測量設備的開放罩171內(nèi)。當電導池連接在a.c.正弦波激勵源兩端時，所產(chǎn)生的電流與電池導納成正比。該電流分解為兩個正交分量一個為充電電流，導致激勵電壓改變90°，且與電導池的電極間的液體的介電常數(shù)(k)成正比；一個為與激勵電壓同相的歐姆電流，且與液體的電阻倒數(shù)或電導(conductance)成正比。
針對導納(電導)的實分量的溫度補償可以基于阿列紐斯絕對率模型。相應地，電導優(yōu)選地是熱能(RT)的函數(shù)，以及分開導電物質(zhì)平衡位置的激活能(activation energy)ΔE≠。可以通過以下方程將在過程溫度T處的電導G校正為在參考溫度T0處的電導G0 Go＝G 10b(To-T)(12) 或 Log Go＝log G+b(To-T) 其中， b＝ΔE≠/[2.303 R Tok2]，其中 ΔE≠＝以卡/摩爾為單位的激活能 R＝以卡/(摩爾°K.)為單位的氣體常數(shù)，以及 Tok＝To(以絕對溫度為單位)。
嵌在滲透電導率測量設備中的熱電偶產(chǎn)生與過程液體溫度T成正比的信號，而通過適合的電路產(chǎn)生類似于參考溫度T0和b的恒定信號。將這些與T、T0和b成正比的模擬信號組合，以形成表示表達式b(To-T)的信號。根據(jù)表示電導G的信號產(chǎn)生log G函數(shù)，并將log G函數(shù)加至表示b(To-T)的信號，并發(fā)送到逆對數(shù)放大器，所述逆對數(shù)放大器的輸出信號表示液體所期望的電導值G0。
當除以以弧度每秒為單位的激勵頻率時，導納的虛分量是在處理溫度T處液體的電容C。基于針對液體的簡單的體積膨脹和針對極性分子稀溶液的德拜模型，液體介電常數(shù)k的溫度相關(guān)性采用以下形式 k＝ko-α(T-To)(13) 正如國家標準局通知514中所報告的。就所測量的電容而言， Co＝C-aC(To-T)(14) 其中C0是在參考溫度T0處的液體的電容，K0是在參考溫度T0處的液體的介電常數(shù)，α是體膨脹系數(shù)，并且a＝α/K0。
該方程假設在參考溫度T0處的空氣中電池的電容C’0大約等于所測量的過程溫度T處的液體的電容C除以過程溫度T的液體的介電常數(shù)k。做出該假設以允許使用具有不同C’0值的不同電導池，而不改變?nèi)魏坞娐分?，并且只要介電常?shù)隨溫度的變化不多于百分之十的增減，這種假設就是正確的，在RO過濾系統(tǒng)中正常發(fā)現(xiàn)的溫度和壓力的水的情況就是這樣。
以與形成電導補償電路中b(To-T)項所用的相同方法產(chǎn)生與a(To-T)成正比的信號。將與液體的電容C成正比的信號和與a(To-T)成正比的信號提供給模擬乘法器，所述模擬乘法器產(chǎn)生與這兩個信號的乘積aC(To-T)成正比的信號。然后，從電容信號C中電減去該乘積信號以產(chǎn)生與參考溫度T0處液體的電容C0成正比的信號。
例如，在如圖15所示的滲透電導率測量設備的一個優(yōu)選實施例中，正交振蕩器217產(chǎn)生1000Hz正弦波電壓，所述電壓通過放大器218放大，并施加到通過屏蔽線路處理的浸在液體中的液體傳感探測器的電導池219。流經(jīng)電導池219的電流通過電流變換器222轉(zhuǎn)換為成比例的電壓，并通過窄帶放大器223放大。然后通過分相器224將該放大的電壓信號分為相反極性的兩個信號，并將所述兩個信號提供給第一乘法器225和第二乘法器226的相應電路。
在第一乘法器225中，分相器輸出信號優(yōu)選地乘以正交振蕩器217所產(chǎn)生的、與施加在電導池219上的電壓同相的方波電壓信號，以產(chǎn)生與流經(jīng)電導池219的電流的實分量成正比、并因而與液體的電導G成正比的輸出信號。
在第二乘法器226中，分相器信號優(yōu)選地乘以正交振蕩器217所產(chǎn)生的、與施加在電導池219上的電壓90°異相的第二方波電壓信號，以產(chǎn)生與流經(jīng)電導池219中的液體的電流的虛分量成正比、并因而與過程溫度T時液體的電容C成正比的輸出信號。
液體傳感探測器優(yōu)選地包括嵌于其中的熱電偶228，所述熱電偶產(chǎn)生與探測器的液體溫度成正比的信號。放大該溫度信號，并與放大器和補償電路230中的溫度成線性。
在優(yōu)選實施例中，該補償溫度信號直接與液體過程溫度T成正比，且和與參考溫度T0成正比的信號一起在圖16的溫度補償電路中使用，以將與在測量溫度T處的液體的電導G和電容C成正比的信號轉(zhuǎn)換為在測量溫度T0處的液體的電導G0和電容C0成正比相應信號。在該監(jiān)視設備的大多數(shù)應用中，將參考溫度T0選擇為大約處理操作期間液體的平均溫度，從而只在處理操作期間液體的最高和最低溫度的范圍內(nèi)做出溫度補償。
在圖16中，放大器優(yōu)選地用于產(chǎn)生與參考溫度T0成正比信號，可以從所述信號中電減去與過程液體溫度T成正比的信號。放大器232的輸入通過參考電壓電阻器234與正電壓電源相連，且反饋電阻器236在放大器的輸入和輸出之間連接，并直接與參考溫度T0成正比，參考溫度電阻器234的值與參考溫度T0成反比，并且可以是可變電阻器，以允許選擇參考溫度T0。此外，由于來自放大器232的輸出信號必須等于來自在所選溫度T0處的熱電偶放大器的輸出溫度信號，所以通過熱電偶放大器230的信號特性確定反饋電阻器236的值。假設熱電偶放大器230的電壓輸出信號在500°C時是10伏特，且以每度C0.02伏特的比率隨著溫度T變化，則參考溫度放大器232的輸出電壓信號優(yōu)選地與.02(-T0)伏特成比例。因而，如果正電壓電源是15伏特，并且選擇溫度電阻234的值等于1/To×107歐姆，則反饋電阻器236的值優(yōu)選地大約為13,300歐姆(13.3K)，以產(chǎn)生0.02(-T0)伏特的輸出信號。
將該0.02(-T0)伏特信號優(yōu)選地通過10K電阻器提供給加法放大器238的輸入，且將來自熱電偶放大器230的0.02(T)電壓信號通過另一個10K電阻器242也提供給放大器的相同輸入。100K反饋電阻器244在放大器238的輸入和輸出之間連接，以產(chǎn)生提供給電導和電容補償電路的0.2(To-T)伏特的輸出溫度補償信號。當所測量的液體溫度T等于參考溫度T0時，將不會有溫度補償信號。
該0.2(To-T)溫度補償信號優(yōu)選地通過具有1/b×102歐姆值的電導補償電阻器248提供給放大器246的輸入，所述電阻器可以是可變電阻器，以允許以具有不同“b”值的不同液體使用該設備。10K反饋電阻器250優(yōu)選地在其輸入和輸出之間連接。將表示20b(To-T)的放大器246的輸出通過200K縮放(scaling)電阻器254提供給加法放大器252的輸入。
將與液體電導G成比例的來自第一加法器225的輸出信號優(yōu)選地通過電阻器260提供給對數(shù)放大器258的輸入。假定該電導信號的最大值是+5伏特最大定標，則可以選擇電阻器260具有50K的歐姆值，以允許至對數(shù)放大器258的100μA的最大輸入電流，并且可以選擇對數(shù)放大器258以具有μ對數(shù)的轉(zhuǎn)移函數(shù)(安培輸入電流/100μA)，從而對數(shù)放大器258的電壓輸出將優(yōu)選地是-log G伏。
在優(yōu)選的實施例中，也將該-log G信號通過10K電阻器255提供給加法放大器252的輸入，以產(chǎn)生log G+b(To-T)伏或log G0伏的輸出信號，由于如前所討論，log Go＝log G+b(To-T)。將該log G0電壓信號優(yōu)選地通過10K電阻器259提供給放大器256輸入，且10K反饋電阻器260在放大器256的該輸入和輸出之間連接，以將該輸入信號反向，并從-logG0伏的放大器256中產(chǎn)生輸出信號。然后將該-logG0信號提供給具有10×10-x轉(zhuǎn)移函數(shù)的逆對數(shù)放大器262的輸入，其中x是輸入信號，以產(chǎn)生與液體的電導G0成正比的0到10的輸出信號。
在該滲透電導率測量設備中，來自第二乘法器226的電容信號的最大值是-5伏，且由于期望與液體的電容C0成正比的10伏的最大定標正輸出，所以來自第二乘法器226的輸入信號示為-C/2伏。
也將來自放大器238的0.2(To-T)伏溫度補償信號通過具有1/a×102歐姆值的電容補償電阻器266提供給另一個放大器264的輸入。該電容補償電阻器266可以是為與具有不同“a”值的不同液體使用而調(diào)整的可變電阻器。5K放大器反饋電阻268優(yōu)選地在另一個放大器264的輸入和輸出之間連接，以產(chǎn)生提供給模擬乘法器270的第一輸入的-10[a(To-T)]伏的放大器的輸出信號。將來自第二乘法器226的-C/2伏信號提供給模擬乘法器270的第二輸入。模擬乘法器270具有兩個輸入信號乘積的十分之一的轉(zhuǎn)移函數(shù)，以產(chǎn)生a(To-T)C/2伏的輸出信號。將模擬乘法器的該輸出信號通過10K電阻器274提供給加法放大器272的輸入。也將來自第二乘法器226的-C/2伏信號通過10K電阻器276提供給放大器272的相同輸入。20K反饋電阻器278優(yōu)選地在放大器的輸入和輸出之間連接，以產(chǎn)生與C-aC(T0-T)或液體的電容C0成正比的輸出電壓信號，由于如前所述，C0＝C-aC(T0-T)。
在滲透電導率測量設備的優(yōu)選實施例中，針對施加在電導池電極上的電壓，選擇1000Hz的相對高頻以減少電荷轉(zhuǎn)移動力學(感應電流阻抗)和電極極化影響，并提高具有液體的電極(雙層電容)的電容耦合。此外，在該操作頻率上，操作性放大器和在該實施例中使用的其它電子組件易于商用。然而，本公開不限于采用該頻率的設備，可使用在100Hz到107Hz的大概范圍內(nèi)的頻率。此外，通過電路組件的選擇優(yōu)選地確定額定操作溫度范圍、過程溫度T偏離參考溫度T0的最大偏差、以及最大絕對信號校正。
在滲透電導率測量設備的另一個實施例中，通過無電極設備測量電導。在這種設備中，通過給與第一轉(zhuǎn)換器環(huán)形磁芯的一次繞組串聯(lián)的電容器充電來獲得液體的電導的非接觸測量。給電容器周期地放電，從而穿過一次繞組，作為電容器、繞組電感和固有電阻率的結(jié)果，產(chǎn)生衰減的擺動信號。針對至少一部分路徑而包括液體的環(huán)路用作針對第一環(huán)形磁芯的一圈次級繞組，以及用作針對第二轉(zhuǎn)換器環(huán)形磁芯的一圈初級繞組。在放電開始時，跨接環(huán)出現(xiàn)恒定電壓，而不考慮環(huán)的電阻，從而通過測量出現(xiàn)在放電起始并與放電起始時環(huán)路中的電流相對應的第二磁芯的次級繞組中的峰值電流，可以使用歐姆定律確定液體的電導。
可以理解，上述電導率測量不限于流經(jīng)RO過濾裝置的液體的鹽度評估，但是本領域技術(shù)人員可以很容易地應用到溶解總固體(TDS)的測量中。
此外，獲得液體的電導以測量鹽度和TDS不是絕對必要的；可以采用諸如密度方法或折射(refractance)方法的本領域已知的其它方法。
滲透流量和滲透電導率測量設備 可以在圖12中所示的壓力容器中采用本公開的系統(tǒng)。壓力容器是具有多個膜元件163的圓柱管161。元件使用適配器162與端面板連接，且通過內(nèi)部連接器164彼此連接。壓力容器具有進料口和濃縮口165&166。滲透通過滲透口167離開壓力容器。一個滲透口用蓋168封閉。壓力容器可以是包含多個并行連接的壓力容器的壓力容器組合(RO列)。如圖12所示，膜元件封閉在100-1200psi壓力下操作的壓力容器中。在RO列操作期間，膜元件是不可接近的。因而，必須通過停止RO列、從壓力容器中移除元件并在單獨的測試單元中對元件進行測試，才可進行元件性能的任何完整的測量。在操作期間，可以從壓力容器測量組合滲透的電導率。也可以通過蓋168插入小直徑探測管來沿壓力容器測量復合電導率。在探測管另一個端收集到的滲透采樣與壓力容器中的特定位置相對應。然而，電導率結(jié)果本身并不足以計算元件性能。為了計算元件性能，還需要沿壓力容器的滲透流量的值。滲透流量、滲透電導率測量的結(jié)果和進料壓力、濃縮壓力、進料鹽度和溫度的數(shù)據(jù)使得能夠進行正常元件性能的計算。直到現(xiàn)在還沒有方便的方法來測量在RO單元操作中的單獨膜元件的滲透流量。
在一個實施例中，如圖13所示的集成傳感器包括安裝在小直徑管上熱力式風速儀探測器169和電導率探測器170，并被開放的流罩171保護。如圖14所示，為了進行測量，通過插頭168中小的開口將安裝在支架小直徑管173上的集成探測器插入滲透管172。通過導線將傳感器連結(jié)至至少一個記錄設備174。在優(yōu)選實施例中，記錄設備是附于探測器管的入口側(cè)所在的單個反滲透膜元件的RFID標簽。可選地，傳感器可以產(chǎn)生信號并將其無線地發(fā)送到記錄設備。通常利用小直徑的球閥封閉插頭168的開口。滲透通過與滲透集管相連的壓力容器的另一端的滲透端口離開壓力容器。該設置能夠在工廠操作期間使探測器插入管的開口，同時確保在流量和電導率測量過程中滲透水往外泄露最少。傳感器安裝在其中的支架管逐漸地移入鄰近元件的所連接的滲透管中，并且可以記錄滲透流量和電導率讀數(shù)，并將所述讀數(shù)與壓力容器的長度內(nèi)的特定位置相關(guān)聯(lián)。這可以通過本領域已知的許多方法完成。例如，傳感器可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶罱腞FID標簽，所述標簽與探測器所在的入口側(cè)的元件相關(guān)聯(lián)?？蛇x地，可以使用位于壓力容器外的磁道上的記錄設備所產(chǎn)生的電磁輻射啟動各個元件的RFID標簽，所述標簽當探測器經(jīng)過每個元件時從傳感器接收數(shù)據(jù)。這種通信使所測量的值直接鏈接到傳感器所在的各個元件中，這會便于各個元件性能的確定?？蛇x地，可以通過測量支架管插入壓力容器的長度，將所測量的值鏈接到單獨元件。
在壓力容器中的膜元件的所連接的滲透管中的滲透流量具有滲透流量和滲透電導率的聚合率。通過沿所連接的滲透管的長度進行測量，可以計算在給定點滲透針對組合的流量和電導率的作用。與元件過去性能的歷史數(shù)據(jù)組合的所測量的值對系統(tǒng)中元件當前性能的確定十分重要。也提供了對必須被替換以提高系統(tǒng)性能的元件的選擇所需的信息。
因為與壓力容器中特定位置相對應的滲透電導率可以在探測管的出口端測量，所以不必在探測管的入口端測量電導率。在一個實施例中，探測管僅包括用于在入口端測量滲透流量的機構(gòu)，而滲透電導率在出口端測量。
盡管沒有列出所有可能的實施例，但是本公開包括了基于本領域技術(shù)人員的知識并入不同變化、改正和修改的不同實施例?？梢岳斫?，本發(fā)明的形式只是示意性的，并不僅限于其范圍。只要不偏離本公開的精神，這些實施例的修改也可包括在本公開的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種允許評估反滲透膜元件的性能的系統(tǒng)，包括
反滲透膜元件；
所述反滲透膜元件中的滲透管；
所述反滲透膜元件的滲透管內(nèi)的拉伸探測管；
被配置為測量用于評估性能的值、并在所述探測管入口端處放置的至少一個傳感器；以及
與所述傳感器進行電子通信以記錄所述測量的結(jié)果的記錄設備。
2、如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中被配置為測量用于評估性能的值的所述傳感器包括用于測量滲透流量的傳感器。
3、如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中用于測量滲透流量的所述傳感器包括熱力式風速儀。
4、如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于測量滲透電導率的傳感器。
5、如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中用于測量滲透電導率的所述傳感器包括具有整體安裝的熱電偶的電導池。
6、如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中電源給所述傳感器供電。
7、如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述電源包括至少一個射頻標識(RFID)標簽。
8、如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中通過有線連接所述記錄設備和所述傳感器來進行所述電子通信。
9、如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中通過無線連接所述記錄設備和所述傳感器來進行所述電子通信。
10、如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器還具有RFID標簽，并且通過所述RFID標簽和安裝在所述元件上的RFID標簽之間的通信，將所述值與反滲透膜元件鏈接。
11、一種評估反滲透膜元件性能的方法，所述方法包括
a)在包含至少一個所述元件的壓力容器中提供根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)；
b)測量至少一個所述值；
c)將所述測量的結(jié)果傳輸至所述記錄設備；以及
d)基于所述結(jié)果評估所述性能。
12、如權(quán)利要求11所述的評估反滲透膜元件性能的方法，其中所述至少一個值包括與滲透流量相關(guān)的數(shù)據(jù)。
13、如權(quán)利要求12所述的評估反滲透膜元件性能的方法，其中所述至少一個值還包括與滲透電導率相關(guān)的數(shù)據(jù)。
14、如權(quán)利要求11所述的評估反滲透膜元件性能的方法，其中所述傳感器還具有RFID標簽，并且通過所述RFID標簽和安裝在所述元件上的RFID標簽之間的通信，將所述值與反滲透膜元件鏈接。
15、如權(quán)利要求11所述的評估反滲透膜元件性能的方法，還包括
e)如果所述評估指示需要替換以提高系統(tǒng)性能，則替換所述元件。
全文摘要
本公開涉及一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括當在RO單元中操作時測量各個膜元件(163)的滲透流量和電導率的集成傳感器(169，170)。在RO單元操作期間使其插入所連接的膜元件(163)的滲透管(172)的流量和電導率測量集成傳感器(169，170)是小型的。將所測量的流量和電導率信息通過電線或無線傳輸傳送至記錄設備(174)。
文檔編號B01D61/00GK101443098SQ200780017198
公開日2009年5月27日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月13日
發(fā)明者馬克·威爾夫, 瑞奇·弗蘭克斯, 克力格·巴特爾斯, 池山則夫 申請人:海德拉羅迪克斯公司