TW201814285A - 在流體處理應用中判定表面上之垢厚度之裝置與方法 - Google Patents

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泰瑞 L 布利斯
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Abstract

本發明提供一種判定曝露於一液體介質之表面上之累積垢厚度之裝置與方法。更特定而言，本發明係一種用於在水處理應用中判定諸如鈣或鎂等垢及碳酸鹽、草酸鹽、硫酸鹽或磷酸鹽垢在冷或熱表面上之可比較累積之方法。

Description

在流體處理應用中判定表面上之垢厚度之裝置與方法
本發明提供一種判定曝露於一液體介質之表面上之累積垢厚度之方法。更特定而言，本發明係關於在工業水處理應用(舉例而言，冷卻塔、熱交換器及蒸發設備，諸如存在於工業及受管製市場中之彼等)中透過使用超音波信號來判定諸如鈣或鎂等垢及碳酸鹽、草酸鹽、硫酸鹽或磷酸鹽垢在經加熱或未經加熱表面上之可比較累積。 積垢形成主要起因於溶解無機鹽存在於在處理之超飽和狀況下存在之含水系統中。當通常為水之液體在熱傳遞設備(諸如熱交換器、冷凝器、蒸發器、冷卻塔、鍋爐及管壁)中經加熱或冷卻時形成鹽。溫度或pH之改變經由在介面處累積非期望固體材料而導致積垢及污染。在經加熱表面上累積垢導致熱傳遞係數隨時間而下降且將最終在重污染下導致生產速率得不到滿足。最終，唯一選擇通常係使處理停工且執行一清除。此需要生產之一停工以及昂貴螯合劑或腐蝕酸之使用。歸因於污染之經濟損失係處理熱傳遞設備之所有工業中之最大問題中之一者。積垢係設備故障、生產損失、高花費修理、較高操作成本及維修停工之原因。垢可導致非熱傳遞問題，包含閥或旋轉設備堵塞、歸因於來自垢之磨蝕的靠近淨空表面上之磨損、歸因於垢相關生物活動之腐蝕及此類問題。 在不具有熱傳遞之處理中用於量測垢積聚之當前方法中之某些方法中，一電阻溫度偵測器(RTD)安裝於亦含有一超音波傳輸器-接收器之一探針內。該RTD用於或多或少在進行超音波厚度量測之點處或在進行超音波厚度量測時量測整體水溫。然後，一內部演算法(亦即，一數學模型)用於對歸因於整體或處理液體溫度改變的穿過水或其他液體介質之聲音速度之改變進行校正。然而，對超音波速度對溫度之此估計可能並非足夠準確的且僅係一部分校正，此乃因液體介質(諸如鹽度)之改變可影響液體介質密度及因此穿過液體介質之聲波之速度。處理液體及流體貫穿申請案互換地使用。處理流體及液體在下文亦係指工業流體及液體。 當今使用之超音波量測方法未能考量由變化鹽度導致之液體密度差異，從而導致錯誤垢厚度指示。較新超音波垢量測裝置中之某些超音波垢量測裝置量測溫度及傳導率作為超音波速度之一預測子，但併入溫度及傳導率的水中之超音波速度之最佳可用模型對於良好超音波垢厚度量測並非足夠準確的。裝置之一受歡迎所建議應用係對工業冷卻塔或自積垢處理，其中將預期傳導率或密度或鹽組合物之大改變。在一自積垢環境中，按照定義，垢形成鹽之濃度處於或高於其溶解極限。在此情形中，除溫度效應之外，水密度及因此超音波速度亦受傳導率(鹽濃度之一代表性量測)且亦受鹽度之本質(不同離子物種在相等ppm下在一不同程度上影響傳導率)影響。 美國專利申請案第4,872,347號係關於用於垢厚度量測的熱傳遞管之一自動化超音波檢查系統。然而，方法涉及適於放置至一圓柱形管集箱中之插入管且包含一管移動裝置、一水泵、電纜、一超音波探針及超音波檢查單元。 由Labreck、Kass及Nelligan在ECNDT 2006-Mo.2.8.3中發佈之一文章(Ultrasonic Thickness Measurement of Internal Oxide Scale in Steam Boiler Tubes)論述使用超音波技術量測蒸汽鍋爐管中之內部氧化垢之厚度。然而，此方法使用一示波器作為量測一超音波或聲響信號之一手段，且具有有限靈敏性。最小可偵測垢厚度係125 µm至250 µm，此將導致冷卻水應用中之熱傳遞之一非常極端減少。本發明能夠偵測到厚度小於2 µm至3 µm之垢。 在2006年發佈一活動公告之通用電氣、檢測技術(參見ge.com/inspection technologies)概述使用超音波技術進行氧化垢量測。很像僅接在上文之技術，其基於自鋼/垢介面反射之信號之間的差異以及管內側直徑且規定130 µm之一最小垢厚度量測能力。再次，此偵測能力顯著小於本發明之偵測能力。 K. Lee之另一論文「Ultrasonic Technique for Measuring the Thickness of Scale on the Inner Surfaces of Pipes」(韓國物理協會期刊，第56卷，第2期，2010年2月，第558至561頁)揭示原位量測管之內表面上之垢厚度。然而，該技術無法用於量測形成於一鋼管之表面上之垢。 德國巴爾萊本Steinfeldstraße 1, 39179之公司SensoTech製造在連續處理中量測超音波速度之量測裝置。此等裝置由使用一傳輸器與一接收器之間的一超音波信號之飛行時間來量測彼此互混液體之濃度且使用信號衰減來偵測懸浮固體顆粒的一超音波線內濃度分析器組成。此等裝置使用一單個超音波傳輸器-接收器總成且首要地用於偵測相位改變且判定濃度，不用於量測垢層厚度或將一校正信號提供至另一超音波量測系統。 當前使用之其他裝置可跨越大約16毫米(mm)至大約36毫米之一單程距離量測垢。 然而，上文所論述之方法中無一者允許對液體處理廠中之高準確度垢積聚之即時量測。當前方法解決對液體處理設施中之垢積聚之準確即時量測之需要。
提供一種用於判定易發生垢積聚之一經加熱表面上之垢積聚之裝置。該裝置包含具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之一第一或量測超音波傳輸器-接收器總成，其中該量測超音波傳輸器-接收器總成能夠傳輸且接收穿過一處理流體或液體之一超音波信號。該裝置包含具有一經加熱目標垢累積表面之一經加熱目標總成，其中該所傳輸超音波信號經反射離開該經加熱目標垢累積表面或離開該經加熱目標垢累積表面上之一垢積聚且返回至該超音波傳輸器-接收器齊平表面。存在一第二或參考超音波傳輸器-接收器總成，其具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面，其中該參考超音波傳輸器-接收器總成能夠傳輸且接收穿過與量測超音波信號相同之工業流體之一超音波信號；及一未經加熱抗積垢超聲波反射表面。該未經加熱抗積垢超聲波反射表面位於距該參考超音波傳輸器-接收器齊平表面之一已知且固定距離處。該裝置亦包含一或多個信號處理器，該一或多個信號處理器用於量測該超音波信號自該參考超音波傳輸器-接收器總成穿過該處理流體行進至該未經加熱抗積垢超聲波反射表面且穿過該處理流體返回至該參考超音波傳輸器-接收器之已知距離的渡越時間，該渡越時間連同已知分開距離一起用於計算該超音波信號穿過該處理流體之即時速度；且該一或多個信號處理器亦量測超音波信號自該量測超音波傳輸器-接收器總成穿過該處理流體行走至該經加熱目標垢累積表面或該經加熱目標垢累積表面上之垢層且穿過該處理流體返回至該量測超音波傳輸器-接收器之渡越時間。該渡越時間及該超聲波穿過該處理流體之該即時速度用於計算該量測超音波傳輸器-接收器與該經加熱目標垢累積表面或該經加熱目標垢累積表面上之垢層之間的距離。 亦提供一種用於判定易發生垢積聚之一經加熱表面上之垢積聚之方法，其中量測來自具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之一第一或量測超音波傳輸器-接收器總成之一超音波信號之渡越時間。在當前方法中，該超音波傳輸器-接收器總成能夠產生且接收穿過一處理流體之一超音波信號。一超音波信號經傳輸且經反射離開一經加熱目標垢累積表面或該經加熱目標垢累積表面上之垢層從而返回至該超音波傳輸器-接收器齊平表面。 量測來自具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之一第二或參考超音波傳輸器-接收器總成之一第二或參考超音波信號之渡越時間，該第二或參考超音波信號穿過與來自該第一超音波傳輸器-接收器總成之超音波信號相同之處理流體。該參考超音波信號經反射離開一未經加熱抗積垢超聲波反射表面，該未經加熱抗積垢超聲波反射表面位於距該參考超音波傳輸器-接收器齊平表面之一已知且固定距離處。該經加熱表面上之累積垢之變化可藉由隨著時間計算該參考超音波信號之即時速度及該量測超音波信號自該量測超音波傳輸器行進至該經加熱目標垢累積表面或行進至該垢層之距離來確定。 進一步提供一種用於判定易發生垢積聚之一未經加熱表面上之垢積聚之裝置。該裝置包含具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之一第一或量測超音波傳輸器-接收器總成，其中該傳輸器-接收器總成能夠傳輸且接收穿過一液體介質或處理流體之一超音波信號。該裝置具有帶有一垢聚集與量測表面之一超音波反射器/垢聚集目標，其中該所傳輸超音波信號經反射離開該垢累積表面或該垢累積表面上之垢層且返回穿過該處理流體到達該超音波傳輸器-接收器齊平表面及該量測超音波傳輸器-接收器總成。該裝置具有帶有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之一第二或參考超音波傳輸器-接收器總成，該第二或參考超音波傳輸器-接收器總成能夠傳輸且接收穿過與來自該量測超音波傳輸器-接收器總成之該超音波信號相同之處理流體之一超音波信號。該裝置具有帶有一超音波信號反射表面之一抗積垢超音波信號反射目標，該所傳輸參考超音波信號經反射離開該超音波信號反射表面。該參考超音波信號反射表面位於距該參考傳輸器-接收器總成之一已知且固定距離處。該參考超音波信號傳輸至該抗積垢超音波反射表面且返回至該參考超音波傳輸器-接收器齊平表面及該參考傳輸器-接收器總成。 該裝置包含一或多個信號處理器，該一或多個信號處理器用於量測該超音波信號自該參考超音波傳輸器-接收器總成穿過該處理流體行進至該抗積垢超音波信號反射表面且穿過該處理流體返回至該參考超音波傳輸器-接收器總成之已知距離的渡越時間。該距離及該時間用於計算該參考超聲波信號穿過該處理流體之即時速度。該一或多個信號處理器亦量測該超音波信號自該量測超音波傳輸器-接收器總成穿過該處理流體行走至一超音波反射器垢聚集目標且穿過該處理流體返回之渡越時間。該渡越時間及該參考超聲波信號之該即時速度用於計算該量測超音波傳輸器-接收器齊平表面與該垢聚集與量測表面之間的距離。 而且，提供一種判定易發生垢積聚之一未經加熱表面上之垢積聚之方法。該方法包含量測一第一超音波信號自具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之一量測超音波信號傳輸器-接收器總成穿過一處理流體行走至具有一垢聚集與量測表面之一超音波反射器/垢聚集目標之渡越時間。該所傳輸超音波信號經反射離開該垢聚集與量測表面且返回至該超音波信號傳輸器-接收器齊平表面。亦量測一第二或參考超音波信號自具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之一參考超音波信號傳輸器-接收器總成行走至一未經加熱抗積垢超音波信號反射表面且返回之渡越時間，該未經加熱抗積垢超音波信號反射表面位於距該超音波傳輸器-接收器齊平表面之一已知且固定距離處。該未經加熱表面上之所累積垢之變化可藉由計算參考超音波信號之即時速度及該量測超音波信號自該量測超音波傳輸器-接收器總成行進至該垢聚集與量測表面之距離來判定。
本申請案主張2016年9月15日提出申請之美國臨時申請案第62/394,888號之權益，該美國臨時申請案之全部內容據此以引用方式併入本文中。 在工業處理液體或流體應用中，液體介質溫度及密度兩者皆影響穿過一液體之超音波速度，其中溫度對超音波速度具有大於對密度之一影響。特定而言，水溫之一1℃增加(自25℃至26℃)可導致超音波速度自1486.33米/秒(m/s)至大約1488.78 m/s之一改變。藉由對比，自百萬分之0 (ppm)至大約200 ppm NaCl之一改變可使液體之密度自大約0.9982 g/cm3 改變至大約0.9983 g/cm3 ，且使傳導率自0 microSeimen/釐米(µS/cm)改變至大約400 µS/cm，從而導致超音波速度自大約1486.33 m/s至大約1486.54 m/s之一改變。此等速度係基於由併入水溫及鹽濃度之一數學模型預測之理論值。存在可在文獻中獲得之若干個此類模型。以上計算使用來自「Function Dependence of Ultrasonic Speed in Water Salinity and Temperature」(Y.N. Al-Nasser等人之NDT.net，2006年6月，第II卷，第6期)之方程式4。存在可針對超音波速度給出稍微不同值但全部將適合於圖解說明目的之諸多其他模型。 儘管聲音速度之此等改變可似乎係小的(尤其係基於鹽濃度之改變)，但其實際上係顯著的。原因係基於超音波信號如何用於量測垢厚度。在裝置處於一非積垢狀況中時(諸如在使用由Solenis LLC製造之一OnGuard® 3S儀器或OnGuard® 3H時)進行之初始「飛行時間」量測可分別在自大約21微秒(µs)至大約47.8 µs之範圍內，在大約16毫米(mm)至大約36mm之一距離內。舉例而言，在存在1 µm之垢時進行之後續「飛行時間」量測僅係比未積垢「飛行時間」小0.00132 µs。在自25℃至26℃之未補償溫度差異之情形中，結果分別針對16 mm及36 mm之一超音波傳輸器-接收器至垢累積表面距離係自大約26.3 µm至大約59.1 µm之垢厚度之一明顯增加。在流體密度自大約0.9983 g/cm3 至0.9984 g/cm3 之未補償增加之情形中，結果分別針對16 mm及36 mm之一超音波傳輸器-接收器至垢累積表面距離係自大約1.2 µm至大約3.8 µm之垢厚度之一明顯增加。很明顯，本申請案需要高精確度量測且使用液體介質中之所假定聲音速度之一高度準確值。 圖1圖解說明在本發明技術之前使用超聲波技術來進行距離量測之一般概念。一液體介質流動(2)穿過一管或流通池(1)。一超音波傳輸器-接收器總成(3)藉由一連接器或耦合構件(諸如一經焊接半耦合件(4)及一超音波傳輸器-接收器總成安裝套筒(5))附接至管或流通池(1)。超音波傳輸器-接收器總成(3)具有一齊平表面(6)或與管或流通池(1)之內側表面(13)齊平之表面。一超音波信號(7)離開超音波傳輸器-接收器總成(3)，反射離開與超音波傳輸器-接收器總成(3)相對之管(9)或所累積垢(10)之內側表面且經反射回(8)至超音波傳輸器-接收器總成(3)。判定在垢積聚之前(11)及在垢積聚之後(12)之距離且基於所量測距離而計算垢積聚量。應注意，自超音波傳輸器-接收器齊平表面(6)至反射表面(9)之距離(11)係預定的且係在管或流通池(1)之內側表面上不存在垢積聚時獲得。 圖2展示本發明之裝置與方法之一項實施例。裝置與方法提供判定易發生垢積聚之一經加熱表面上之垢積聚。裝置包含具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面(18)之一第一或量測超音波傳輸器-接收器總成(19)。量測超音波傳輸器-接收器總成(19)能夠傳輸且接收穿過一處理流體(2)之一超音波信號(7、8)，參見圖1；一經加熱目標總成(17)具有一經加熱目標垢累積表面(21)；其中所傳輸超音波信號(7) (參見圖1)經反射離開經加熱目標垢累積表面(21)或離開經加熱目標垢累積表面(21)上之一垢層或積聚(40)，且所反射超音波信號(8) (參見圖1)返回至超音波傳輸器-接收器齊平表面(18)。存在具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面(37)之一第二或參考超音波傳輸器-接收器總成(36)，該第二或參考超音波傳輸器-接收器總成能夠傳輸且接收穿過與量測超音波信號相同之處理流體(2)之一超音波信號(7、8) (參考圖1)。一未經加熱抗積垢超音波反射表面(38)位於距超音波傳輸器-接收器總成(36)之超音波傳輸器-接收器齊平表面(37)之一已知且固定距離處。 在某些實施例中，裝置亦可包含一或多個信號處理器(29)，該一或多個信號處理器用於量測超音波信號自參考超音波傳輸器-接收器總成(36)穿過一處理流體(2)行進至未經加熱抗積垢超聲波反射表面(38)且穿過處理流體(2)返回至參考超音波傳輸器-接收器(36)之已知距離的渡越時間。渡越時間及已知距離用於計算超音波信號穿過處理流體(2)之即時速度。一或多個信號處理器(29)亦量測超音波信號自量測超音波傳輸器-接收器總成(19)穿過處理流體(2)行走至經加熱目標垢累積表面(21)或經加熱目標垢累積表面(21)上之垢層(40)且穿過處理流體(2)返回至量測超音波傳輸器-接收器總成(19)之渡越時間。渡越時間及超音波信號穿過處理流體之即時速度用於計算量測超音波傳輸器-接收器總成(19)與經加熱目標垢累積表面(21)或經加熱目標垢累積表面(21)上之垢層(40)之間的距離。 在一較佳實施例中，圖2展示一經加熱目標(20)安裝至一管或流通池(1)而作為一經加熱目標總成(17)。經加熱目標(20)可嵌入於絕熱材料(26)中或由絕熱材料(26)環繞，絕熱材料(26)包含阻止經加熱目標與管或流通池(1)接觸之一絕熱間隔件(25)。經加熱目標總成(17)包含一經加熱目標垢累積表面(21)、一加熱器(24)、一第一溫度感測器(22)及一第二溫度感測器(23)，其中經加熱目標垢累積表面(21)經安裝使得其與和量測超音波傳輸器-接收器總成(19)相對之管或流通池內側壁(28)齊平。 在其他較佳實施例中，計算及判定可由一或多個信號處理器(29)產生，該一或多個信號處理器連接至量測超音波傳輸器-接收器總成(19)及參考超音波傳輸器-接收器總成(36)以及經加熱目標總成(17)。一或多個信號處理器(29)亦可連接至其他類型之傳輸器-接收器，諸如傳導率傳輸器及整體水溫傳感器(未展示)。 在又其他較佳實施例中，超音波信號呈一脈衝之形式且可在參考超音波傳輸器-接收器總成(36)與量測超音波傳輸器-接收器總成(19)之間交替。 處理液體或工業流體之溫度、密度及離子濃度很大程度上取決於特定應用，例如，敞開系統、密閉系統、耐壓系統、冷卻塔等。在某些應用中，處理液體之離子濃度可係自大約百萬分一(ppm)至大約40,000 ppm且密度可係自大約0.8 g/cm3 至大約1.5 g/cm3 。 參考超音波傳輸器-接收器總成(36)應在具有取決於流體速度以及流體狀況(諸如溫度及傳導率)可改變之速率的可允許分開距離之情況下緊密接近於量測超音波傳輸器-接收器總成(19)。 在其他實施例中，圖2展示一顯示器(30)可連接至用於監測且控制處理器之裝置，舉例而言，量測超音波傳輸器-接收器總成(31)及參考超音波傳輸器-接收器總成(39)、經加熱目標總成(32)。各圖中未展示之整體水溫傳感器及其他總成(諸如傳導率傳輸器及電源供應器)亦可經組態至顯示器及裝置。 在其他較佳實施例中，易發生垢積聚之表面可選自由以下各項組成之群組：鋼、不銹鋼、銅、各種黃銅組合物、鈦、兩種或多於兩種材料之複合材料及其他導熱材料。非積垢參考表面可選自由以下各項組成之群組：一DuPont Teflon®不黏表面、一高度拋光表面及一超疏水表面。非積垢參考表面亦可由以下各項構成或用以下各項處理：諸如一DuPont Teflon®之一防積垢組合物、一奈米粒子塗層、一防污塗料、一聚矽氧(聚合矽氧烷)、聚乙烯或者熟習此項技術者已知之類似材料或塗層。 本申請案亦提供一種用於判定易發生垢積聚之一未經加熱表面上之垢積聚之裝置與方法。參考圖3，裝置包含具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面(45)之一第一或量測超音波傳輸器-接收器總成(44)，該第一或量測超音波傳輸器-接收器總成能夠傳輸且接收穿過一液體介質或處理流體(2)之一超音波信號。超音波傳輸器-接收器總成(44)藉由一連接器或耦合構件(諸如一經焊接半耦合件(65)及一超音波傳輸器-接收器總成安裝套筒(66))附接至一管或流通池(1)。另外，裝置具有帶有一垢累積表面(47)之一超音波反射器/垢聚集目標(46)，其中所傳輸超音波信號經反射離開垢累積表面(47)或離開一垢層或積聚(68)且返回穿過處理流體到達量測超音波傳輸器-接收器齊平表面(45)及量測超音波傳輸器-接收器總成(44)。裝置具有帶有一超音波傳輸器-接收器齊平表面(61)之一第二或參考超音波傳輸器-接收器總成(60)，其中參考超音波傳輸器-接收器總成(60)能夠傳輸且接收穿過與來自量測超音波傳輸器-接收器總成(44)之超音波信號相同之處理流體之一超音波信號。裝置具有所傳輸超音波信號經反射離開之一抗積垢超音波信號反射目標(62)及一抗積垢超音波反射表面(63)。超音波信號反射表面(63)位於距參考超音波傳輸器-接收器總成(60)之一已知且固定距離處。參考超音波信號經傳輸至抗積垢超音波信號反射表面(63)且返回至超音波傳輸器-接收器齊平表面(61)及參考傳輸器-接收器總成(60)。 在一較佳實施例中，超音波反射表面(64)上可存在一抗積垢反射表面處理。 裝置包含一或多個信號處理器(50)，該一或多個信號處理器可量測超音波信號自參考超音波傳輸器-接收器總成(60)及超音波傳輸器-接收器齊平表面(61)穿過處理流體(2)行進至抗積垢超音波信號反射目標(62)且穿過處理流體(2)返回至參考超音波傳輸器-接收器總成(60)及超音波傳輸器-接收器齊平表面(61)之已知距離的渡越時間，該渡越時間連同已知分開距離一起用於計算參考超聲波信號穿過處理流體(2)之即時速度；且該一或多個信號處理器亦量測超音波信號自量測超音波傳輸器-接收器總成(44)穿過處理流體(2)行走至一超音波反射器/垢聚集目標(46) (具有一垢累積表面(47)或垢累積表面(47)上之垢積聚(48))且穿過處理流體(2)返回至達量測超音波傳輸器-接收器齊平表面(45)之渡越時間，其中渡越時間及參考超聲波信號之即時速度用於計算量測超音波傳輸器-接收器齊平表面(45)與垢累積表面(47)之間或自垢積聚(48)離開之距離。量測超音波傳輸器-接收器總成(44)與超音波反射器垢累積表面(47)或垢層(68)之間的所計算距離隨著時間之改變用作未經加熱表面上之所累積垢厚度之一指示符。 在某些較佳實施例中，處理液體或流體經受溫度、離子濃度及/或密度變化，從而導致液體介質中之超聲波之速度之變化。為量測此變化，裝置可進一步包括用於量測溫度、離子濃度或組合物、非離子溶解或懸浮組份濃度或組合物之變化及/或工業流體之密度變化的一或多個量測裝置。 在其他實施例中，圖3展示信號處理器(50)上之一顯示器(51)可分別經由電纜(52)、(67)及(54)連接至用於監測且控制處理器之裝置，舉例而言，量測超音波傳輸器-接收器總成(44)及參考超音波傳輸器-接收器總成(60)以及整體水溫傳感器(56)。圖中未展示之其他此類總成(諸如傳導率傳輸器及電源供應器)亦可經組態至顯示器及裝置。 在某些較佳實施例中，存在在一測試週期之開始處將垢厚度指示歸零之一校準。此校準可在垢累積表面無垢且處理液體鹽濃度及溫度處於或非常接近於預期濃度及溫度時進行以用於長期操作。若垢累積表面在執行校準例程時已累積某些垢，則未來垢累積可經指示為垢厚度。然而，整體水溫、密度、傳導率及組合物在正常操作期間改變係典型的。 在某些態樣中，歸因於整體液體溫度及鹽濃度之改變之誤差之程度可使用一特定鹽之濃度與傳導率之間的已知關係來計算。NaCl可用於所有計算，此乃因其中僅具有NaCl之純水之資料在文獻中係可容易獲得的，而在每一場位置處通常以不同比例存在之Na+ 、Ca+2 、Mg+2 、Cl-1 、HCO3 -1 、CO3 -2 、SO4 -2 及其他離子物種之混合物之資料在文獻中一般係不可獲得的。NaCl模型系統用以圖解說明此處呈現之問題綽綽有餘。 圖4圖解說明雖然可針對簡單二元中性鹽之溶液展示濃度與傳導率之間的一近似線性一般關係，但亦可看到某些例外(參見表1)。舉例而言，NaHCO3 顯著偏離一般關係，可能因為碳酸氫鹽離子具有可涉及自氣態CO2 之大氣之吸收或至氣態CO2 之大氣之釋放的一複雜離子路徑。呈高度可變量之NaHCO3 係冷卻塔或工業處理液體或流體之一常見組份。同樣地，諸如HCl之酸在一給定百萬分率濃度下產生高得多之傳導率(在10,000 ppm下產生92,900 µS/cm，距圖4之圖表之標尺很遠)，可能因為該等酸將溶劑(水)離子化。 熟習此項技術者熟知，流體及固體兩者中之超音波速度可藉由理論關係V = (k/ϱ)0.5 來闡述，其中V係速度，k係材料之彈性性質(水之整體模數)且ϱ 係材料密度。 亦探索各種鹽之密度與濃度之間的關係。表2及圖5中提供結果，圖5展示密度隨鹽濃度大致線性增加，但回歸模型之斜率針對每種鹽係不同的。 尤其注意，濃度與密度之間的線性關係(儘管針對各種溶質具有不同斜率)對於離子及非離子溶質一般係真實的。舉例而言，蔗糖係高度可熔的，但其係共價鍵合的，因此其不離子化，惟在糖分子由溶劑中之其他組份氧化或還原時除外。其將貢獻於液體密度，但很少或根本不貢獻於傳導率，此取決於存在之pH及其他反應性物種。即使傳導率信號用於校正超音波速度，諸如一污染物之變數、諸如蔗糖或石油之組份或者諸如乙醇之一非離子化互混液體之變化濃度亦將可能不被注意到，此乃因將存在水密度(及超音波速度)之一改變但幾乎不存在傳導率之改變。所需準確度之線上密度表係不可容易獲得的且工業冷卻塔污水或遭受積垢之其他水之精確密度至今未被公認為一顯著參數。 雖然可在各種溫度下經由回歸模型計算水密度，但上文所闡述之超音波速度對密度關係不可用於溫度校正。據觀察，流體(液體及氣體)中之超聲波之速度實際上隨增加溫度而增加。若假定彈性性質(k)不受溫度影響，則對先前提及之理論關係V = (k/ϱ)0.5 之分析建議相反情況。對於超音波速度為什麼隨液體(及氣體)中之增加溫度而增加之一般解釋係因為聲波藉由使介質分子位移而傳播。隨著溫度增加，分子移動得更快，因此聲波傳播得更快。 繼續論述流體(在此情形中為液體)中之聲波傳播之分子位移模型，亦已展示能量經由介質位移自一個分子轉移至毗鄰分子。在一固定溫度下，較小分子之間比較大分子之間需要更少能量來進行位移轉移。此係為什麼在相等密度下，較大分子之溶液比較小分子之溶液趨向於更慢地傳輸聲波。然而，超音波回應不像原本預期的那樣正常。SensoTech (德國巴爾萊本，馬格德堡市)在市場上出售用於判定各種溶質之含水及無水溶液之濃度的一超音波濃度表(商標名係LiquiSonic® )。 一乙醇-水混合物中之聲音速度係無規律的且溫度相依的。舉例而言，圖6展示乙醇-水混合物在22.2℃及27.6℃之溫度下之聲音速度。曲線圖在曲線之底部處使用乙醇之莫耳分率且使用乙醇之重量分率作為一頂部標尺。兩個等溫線展示關於稍微不同最大速度之一顯著濃度相依性。亦可見，在高濃度及低濃度下存在一反轉溫度效應且存在等溫線之交叉。 由於乙醇係非離子的，溶液傳導率不因乙醇之百分比而變更。雖然水-乙醇混合之組合物容易地藉由溶液密度來判定，但並不容易在一線上裝置中以必要精度來量測溶液密度，且即使那樣，模型亦係複雜且溫度相依的。若可能存在未知濃度之多種溶質，則看到經由一預測模型估計超聲波速度係不切實際的。 關於密度量測，即使可獲得對液體密度之一足夠精確判定，一密度量測亦不足以正確地預測超音波速度，惟在跨越一有限濃度範圍之已知組份之純系統中除外。此無規律超音波速度行為之原因當前係未知的。 密度(特定於水中之NaCl)之一模型使用先前提及之Al-Nassar之經組合溫度與濃度關係(NDT.net，2006年6月，第11卷，第6期)來在工業冷卻塔及自積垢含水處理液體之實際傳導率範圍及溫度範圍中預測超音波速度。進行額外計算以判定在冷卻塔中之一經加熱表面上累積垢之一當前可用裝置之16毫米及在自積垢環境中之未經加熱表面上累積垢之一當前可用裝置之36毫米的一假定單程距離之「飛行時間」，以及在校準之後改變整體水溫或傳導率之隨繼影響。 上文所闡述之計算可用於產生在校準時自一基本溫度之一未經校正改變對超音波速度及對所指示垢厚度(即使不存在實際垢)之影響之曲線(參見表3以及圖7及圖8)。自圖7及圖8清楚可見，可能在一超音波量測裝置之操作期間遇到針對一經加熱及一未經加熱垢累積情形兩者(圖7圖解說明超聲波傳輸器-接收器齊平表面與垢累積表面之間的16 mm之一距離，而圖8係為超聲波傳輸器-接收器齊平表面與垢累積表面之間的36 mm之一距離)、甚至針對整體水溫之一適度2℃增加存在垢厚度指示誤差相對於垢厚度範圍較大之情況。實際上，在不具有一溫度校正之情況下結果係錯誤的，使得超音波量測幾乎沒用。 相同(Al-Nassar)模型用於產生圖解說明NaCl濃度之改變對所報告垢誤差之影響之一圖表；參見下文之圖9及圖10 (表4)。為了參考，對應於NaCl之大約1572 ppm的在3000 µS/cm之範圍內之傳導率在工業冷卻水中係常見的。圖9展示無論經加熱還是未經加熱表面上之此濃度可導致17.9 µm之一垢厚度誤差(若以0 µS/cm及然後增加至3000 µS/cm之傳導率校準裝置)。很清楚，鹽濃度或密度對超音波速度且對所指示垢厚度指示之影響係顯著的，即使比一未經校正溫度改變之效應小得多。 如表4中可見，鹽之濃度可在自積垢系統中容易地超過10,000 ppm (1%)。 溫度及濃度之此等改變係相對實例，此乃因即使在該鹽濃度、整體處理液體溫度及速度及甚至可預期操作裝置之經加熱目標功率設定下校準裝置係較佳的，有時必須在對非典型水進行操作之同時校準該裝置。另外，整體處理液體溫度可隨整夜循環及年度/季節循環以及改變之工業處理狀況等等而變化。濃度可經控制至一傳導率設定點，但有時其失去控制，可能歸因於一經阻塞排污或補給閥、產物洩漏至冷卻或處理液體中或僅僅一有意傳導率設定點改變。在某些態樣中，鹽濃度最可能不受控制且甚至不可量測。 用於自積垢水之一商業垢量測裝置通常用於具有高達34,000 µS之傳導率或按重量計大約1.7% NaCl之水中。 亦在文獻中報告壓力對超音波速度之影響。一般而言，文獻中之大多數資訊與穿過變化深度處之海水之超音波速度有關。難以解釋此資料，此乃因除壓力效應之外，水通常亦變得冷得多且鹽含量可隨深度增加而變化。又一複雜化與超音波傳輸器-接收器總成之機械構造細節相關。該超音波傳輸器-接收器總成之膜片趨向於偏轉遠離壓力。在一個實驗環境中，發現隨著超音波傳輸器-接收器總成上之壓力增加一個大氣壓，所指示垢厚度減小大約10 µm，即使不存在垢厚度之實際改變。由於膜片偏轉之程度特定於超音波傳輸器-接收器總成設計，因此一理論模型係不相關的。藉由在恆定壓力下操作垢量測裝置或藉由一經驗模型而可能最佳地解決歸因於壓力改變的所指示垢厚度之變化。 由於產物與冷卻水之間的一墊片之一洩漏或斷裂，因此總是存在冷卻塔系統中之冷卻水之產物污染之可能性。此係所量測垢厚度之不準確之另一可能根源。舉例而言，冷卻水可能被一煉油廠中之石油或其他石油產物或被一糖廠中之糖污染。若所灌入溶質分子以離子方式鍵合(例如鹽水、強酸等)，則可觀察到傳導率之一大改變。然而，若所灌入溶質分子共價鍵合(例如，石油或糖)，則將幾乎觀察不到傳導率之改變。離子化或非離子化材料至冷卻水中之一顯著灌入將產生冷卻水密度及超音波速度之一顯著改變，從而導致一錯誤所指示垢厚度。 除了溶解離子或非離子溶質之可能灌入之外，微粒或懸浮固體之洩漏亦可影響超音波速度或使其信號衰減。由於諸多處理罐敞開至大氣，因此空浮部分可熔飛灰、花粉、粉塵、樹葉、昆蟲或內部產生之沈澱晶體及其他微粒可在處理或冷卻液體中累積。 非正式觀察者將不可能立即認識到垢厚度指示之一所指示改變之特定原因，且將可能假定垢厚度指示反映垢厚度之一真實改變。此可導致冷卻水垢控制處理程式之一不必要且代價高或甚至一適得其反改變。 在當前方法之某些態樣中，一第二超音波傳輸器-接收器總成貼近地放置在第一或量測超音波傳輸器-接收器之上游或下游且用於產生經反射離開一固定未經加熱非積垢參考目標之一參考信號。非積垢反射表面設定在一已知且固定距離處，使得其「飛行時間」與液體介質中之超音波信號之速度成正比，儘管所量測「飛行時間」及因此所計算即時超音波速度兩者皆隨著液體介質溫度、濃度或組合物改變而改變。藉由使信號脈衝在參考超音波傳輸器-接收器總成與量測超音波傳輸器-接收器總成之間交替，可針對每一垢厚度量測在一非常高之準確度上計算穿過液體介質之實際超音波速度。此允許在量測時針對實際或當前超音波速度校正量測信號(取決於應用而針對於經加熱或未經加熱垢累積表面之信號)，因此為超音波速度提供比基於僅一溫度校正或一溫度與傳導率校正之超音波速度更準確之一值。 此可在不量測處理液體溫度、密度、濃度、傳導率、組合物或任何其他液體參數之情況下完成。產生一準確超音波垢厚度量測所需要之全部係自經反射離開位於距信號源之一已知且固定距離處之一非積垢表面之參考信號導出的一準確超音波速度估計。 在當前方法之某些較佳實施例中，參考超音波傳輸器-接收器總成可添加或包含於與垢量測超音波傳輸器-接收器相同之探針中或一單獨探針中，且必須針對於一非積垢表面。非積垢表面之實例包含DuPont Teflon®不黏表面、特定奈米粒子塗佈表面、某些超疏水表面處理、聚矽氧(聚合矽氧烷)及可能諸多其他聚合物塗佈表面。理想地，表面將係一薄塗層，以便不使傳回超音波信號過度衰減。在某些情形中，當施加至針對於一抗垢表面之一參考超音波傳輸器-接收器總成時，不具有一特殊塗層之一良好拋光或微光製金屬表面或甚至一高度拋光陶瓷表面對於參考超音波傳輸器-接收器反射目標可係足夠的。 使用一薄塗層而非一固體聚合或Teflon® 塊作為一超音波信號反射器之另一原因係使聚合物相對於金屬趨向於具有一顯著熱膨脹係數(線性或容積的)，此將隨著處理液體溫度改變而變更超音波傳輸器-接收器齊平表面與反射目標表面之間的精確距離。實際上，尤其特夫綸(Teflon)之熱膨脹係數跨越所關注範圍並非恆定的。根據一Kirby (國家標準局之研究雜誌37(2)，1958年8月)，特夫綸在其熱膨脹係數方面在20℃下具有一非常大的尖峰且在30℃下具有一較小尖峰(液體處理流中經常遭遇之一溫度範圍)。特夫綸亦對在負載下偏轉並非非常具抵抗力的，且其在機械緊固件之負載下蠕變。此等特性使一特夫綸塊之使用不太合意。聚矽氧及諸多其他聚合材料具有如下類似缺點：阻止將聚合材料之一固體塊考量為用以反射信號之一非積垢目標。 使用一特夫綸塗佈之金屬表面更有意義。特夫綸對垢、生物膜或相當多之任何其他事物之黏附具高度抵抗力，且數十年來已作為一薄層施加於如鋁及不銹鋼之金屬上。典型層厚度係大約25 µm至大約75 µm，該層厚度太薄而不能使超音波信號顯著衰減。此等特夫綸塗層已用作廚具之不黏表面許多年，其中該等特夫綸塗層通常經受巨大溫度擺動及某些磨蝕。由於塗層係非常薄的，因此熱膨脹係數係不重要的(實際厚度改變將係不顯著的)且由於該塗層化學接合至金屬表面，因此蠕變及彎曲勁度係不相關的。作為一可替換部分，實際磨損壽命係受關注的，但在大約一年內之任何事物在一工業環境中將係可接受的。特夫綸亦對一非常寬廣範圍之處理及清潔化學物具高度抵抗力，使得特夫綸塗佈之表面因化學攻擊而發生故障係高度不可能的。 在某些態樣中，參考超音波傳輸器-接收器總成可與量測超音波傳輸器-接收器總成添加於同一流通池中，或與針對於流通池之壁之當前池串聯之一單獨池中。 儘管整體水溫係一重要參數且將幾乎必然地經量測及記錄，但將不再有必要量測整體水溫來計算一準確超音波速度。儘管傳導率係濃度或鹽度循環之一重要指示符且一般亦經量測，但本發明出於彼目的而將不需要該傳導率。使用一參考信號來量測超音波速度可比使用併入一所量測水溫或傳導率值或兩者之一模型提供即時超音波速度之一更準確指示。 在方法之又其他實施例中，參考超音波傳輸器-接收器可藉由指示超音波速度之一顯著改變超過在正常操作中依據常規溫度及溶解材料含量可變性原本所預期的而偵測到溶質之一顯著灌入或污染物進入處理液體。在正常操作期間，所量測超音波速度應改變極少，且任何改變可藉由處理液體溫度、傳導率、濃度等之對應改變而清楚地解釋。在不存在基於傳導率及/或溫度改變之預期之情況下，所量測超音波速度之一顯著改變(舉例而言，超音波速度之一重大改變或參考信號之一衰減)係尋找產物灌入至冷卻水中、非預期生物膜生長或水中之懸浮固體之一流入之徵兆的一清晰信號。同時，所量測超音波速度繼續提供在當前流體狀況下對超音波速度之一高度準確估計，使得甚至在垢監測裝置在此等不正常狀況下操作時亦維持所指示超音波垢厚度量測之準確度。 垢可以小於1微米/月之速率累積。當垢累積速率係非常高時由參考超音波信號提供之校正不那麼關鍵，此乃因所指示垢厚度將展示迅速增加而不管在此等狀況下厚度值之絕對準確度如何。參考信號之實值係在其中垢累積速率為低且所指示之每一微米之垢厚度經詳查或用於起始一控制動作之情形中。此將可能係針對諸多領域應用之情形，其中監測垢厚度之目標係避免迅速或實質垢厚度累積同時最小化垢控制成本。 本申請案在上文所引用之每一參考文獻(包含書、專利、公開申請案、期刊文章及其他公開案)以全文引用方式併入本文中。
1‧‧‧管/流通池
2‧‧‧液體介質/處理流體
3‧‧‧超音波傳輸器-接收器總成
4‧‧‧經焊接半耦合件
5‧‧‧超音波傳輸器-接收器總成安裝套筒
6‧‧‧齊平表面/超音波傳輸器-接收器齊平表面
7‧‧‧超音波信號/所傳輸超音波信號
8‧‧‧所反射超音波信號
9‧‧‧管/反射表面
10‧‧‧所累積垢
11‧‧‧距離/在垢積聚之前之距離
12‧‧‧在垢積聚之後之距離
13‧‧‧內側表面
17‧‧‧經加熱目標總成
18‧‧‧超音波傳輸器-接收器齊平表面
19‧‧‧第一或量測超音波傳輸器-接收器總成
20‧‧‧經加熱目標
21‧‧‧經加熱目標垢累積表面
22‧‧‧第一溫度感測器
23‧‧‧第二溫度感測器
24‧‧‧加熱器
25‧‧‧絕熱間隔件
26‧‧‧絕熱材料
28‧‧‧管或流通池內側壁
29‧‧‧信號處理器
30‧‧‧顯示器
31‧‧‧量測超音波傳輸器-接收器總成
32‧‧‧經加熱目標總成
36‧‧‧第二或參考超音波傳輸器-接收器總成/超音波傳輸器-接收器總成
37‧‧‧超音波傳輸器-接收器齊平表面
38‧‧‧未經加熱抗積垢超音波反射表面
39‧‧‧參考超音波傳輸器-接收器總成
40‧‧‧垢層/垢積聚
44‧‧‧第一或量測超音波傳輸器-接收器總成/超音波傳輸器-接收器總成
45‧‧‧超音波傳輸器-接收器齊平表面
46‧‧‧超音波反射器/垢聚集目標
47‧‧‧垢累積表面
48‧‧‧垢積聚
50‧‧‧信號處理器
51‧‧‧顯示器
52‧‧‧電纜
54‧‧‧電纜
56‧‧‧整體水溫傳感器
60‧‧‧參考超音波傳輸器-接收器總成/參考傳輸器-接收器總成
61‧‧‧超音波傳輸器-接收器齊平表面
62‧‧‧抗積垢超音波信號反射目標
63‧‧‧抗積垢超音波反射表面/超音波信號反射表面
64‧‧‧超音波反射表面
65‧‧‧經焊接半耦合件
66‧‧‧超音波傳輸器-接收器總成安裝套筒
67‧‧‧電纜
68‧‧‧垢層/垢積聚
圖1係展示量測一未經加熱垢累積表面或目標上之垢積聚之當前使用之概念之一示意圖示。 圖2係展示量測一經加熱垢累積表面或目標上之垢積聚之新概念之一示意圖示。 圖3係展示量測一未經加熱垢累積表面或目標上之垢積聚之新概念之一示意圖示。 圖4圖解說明簡單二元中性鹽之溶液之濃度與傳導率之間的關係。 圖5圖解說明鹽溶液密度與鹽濃度之間的關係。 圖6圖解說明一乙醇-水混合物中之聲音速度。 圖7圖解說明在校準時自一基本溫度之一未經校正 改變對超音波速度及對一經加熱垢累積表面上之所指示垢厚度之影響。 圖8圖解說明在校準時自一基本溫度之一未經校正 改變對超音波速度及對未經加熱表面上之所指示垢厚度之影響。 圖9圖解說明歸因於在對於具有經加熱表面之系統典型之一鹽濃度範圍內之整體水中之NaCl濃度改變的一經加熱垢累積表面上之垢厚度指示誤差。 圖10圖解說明歸因於在通常存在於自積垢系統中之鹽濃度範圍內之整體水中之NaCl濃度改變的垢厚度指示誤差。

Claims (18)

  1. 一種用於判定易發生垢積聚之一經加熱表面上之垢積聚之裝置，其包括： 一第一或量測超音波傳輸器-接收器總成，其具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面，其中該量測超音波傳輸器-接收器總成能夠傳輸且接收穿過一工業流體之一超音波信號；一經加熱目標總成，其具有一經加熱目標垢累積表面；其中該所傳輸超音波信號經反射離開該經加熱目標垢累積表面或離開該經加熱目標垢累積表面上之一垢積聚且返回至該量測超音波傳輸器-接收器齊平表面； 一第二或參考超音波傳輸器-接收器總成，其具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面，其中該參考超音波傳輸器-接收器總成能夠傳輸且接收穿過與該量測超音波信號所穿過相同之該工業流體之一超音波信號；及一未經加熱抗積垢超聲波反射表面，其中該未經加熱抗積垢超聲波反射表面位於距該參考超音波傳輸器-接收器齊平表面之一已知且固定距離處； 一或多個信號處理器，其用於量測該超音波信號行進自該參考超音波傳輸器-接收器總成穿過該工業流體到達該未經加熱抗積垢超聲波反射表面且穿過該工業流體返回至該參考超音波傳輸器-接收器之該已知距離的渡越時間，該渡越時間連同該已知分開距離一起用於計算該超音波信號穿過該工業流體之即時速度，且該一或多個信號處理器亦量測該超音波信號自該量測超音波傳輸器-接收器總成穿過該工業流體行走至該經加熱目標垢累積表面或該經加熱目標垢累積表面上之垢層且穿過該工業流體返回至該量測超音波傳輸器-接收器總成的渡越時間，其中該渡越時間及該超聲波穿過該工業流體之該即時速度用於計算該量測超音波傳輸器-接收器與該經加熱目標垢累積表面或該經加熱目標垢累積表面上之該垢層之間的距離。
  2. 一種用於判定易發生垢積聚之一未經加熱表面上之垢積聚之裝置，其包括： 一第一或量測超音波傳輸器-接收器總成，其具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面，其中該超音波傳輸器-接收器總成能夠傳輸且接收穿過一工業流體之一超音波信號；及一超音波反射器/垢聚集目標，其具有一垢累積表面，其中該所傳輸超音波信號經反射離開該垢累積表面或該目標垢累積表面上之垢且穿過該工業流體返回至該量測超音波傳輸器-接收器總成之該量測超音波傳輸器-接收器齊平表面； 一第二或參考超音波傳輸器-接收器總成，其具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面，其中該超音波傳輸器-接收器總成能夠傳輸且接收穿過一工業流體之一超音波信號；及一超音波信號反射目標，其具有一抗積垢超聲波反射表面，其中該所傳輸超音波信號經反射離開該抗積垢超聲波反射表面從而返回至該參考傳輸器-接收器總成之該超音波傳輸器-接收器齊平表面，該抗積垢超聲波反射表面位於距該參考傳輸器-接收器總成之一已知且固定距離處； 一或多個信號處理器，其用於量測該超音波信號行進自具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之該參考超音波傳輸器-接收器總成穿過該工業流體到達該抗積垢超音波信號反射目標且穿過該工業流體返回至具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之該參考超音波傳輸器-接收器總成之該已知距離的渡越時間，該渡越時間連同該已知分開距離一起用於計算該參考超聲波信號穿過該工業流體之即時速度，且該一或多個信號處理器亦量測該超音波信號自該量測超音波傳輸器-接收器總成穿過該工業流體行走至具有一垢累積表面之一超音波反射器/垢聚集目標且穿過該工業流體返回至該量測超音波傳輸器-接收器齊平表面的渡越時間，其中該渡越時間及該參考超聲波信號之該即時速度用於計算該量測超音波傳輸器-接收器齊平表面與該經加熱目標垢累積表面或該經加熱目標垢累積表面上之該垢之間的距離。
  3. 如請求項1之裝置，其中該經加熱目標總成進一步包括一加熱器、一經加熱目標、一經加熱目標垢累積表面、一溫度感測器1、一溫度感測器2、絕熱材料及一絕熱間隔件。
  4. 如請求項1或2之裝置，其中該裝置進一步包括用於量測溫度、離子濃度或組合物、非離子溶解或懸浮組份濃度或組合物之變化及/或該工業流體之密度變化的一或多個量測裝置。
  5. 如請求項1或2之裝置，其中該超音波信號呈一脈衝之形式且可在該參考超音波傳輸器-接收器總成與該量測超音波傳輸器-接收器總成之間交替。
  6. 如請求項1或2之裝置，其中該工業流體之離子濃度係自大約1 ppm至大約40,000 ppm。
  7. 如請求項1或2之裝置，其中該工業流體液體之密度係自大約0.8 g/cm至大約1.5 g/cm3 。
  8. 如請求項1或2之裝置，其中易發生垢積聚之該表面選自由以下各項組成之群組：鋼、不銹鋼、銅、各種黃銅組合物、鈦、兩種或多於兩種材料之複合材料及其他導熱材料或易發生垢累積之材料。
  9. 如請求項1或2之裝置，其中非積垢參考表面選自由以下各項組成之群組：一DuPont Teflon®不黏表面、一奈米粒子塗佈表面及一高度拋光表面。
  10. 如請求項9之裝置，其中該非積垢參考表面具有選自由以下各項組成之群組之一塗層：一聚合物塗層、一聚矽氧塗層及一超疏水塗層。
  11. 如請求項1或2之裝置，其中該參考超音波傳輸器-接收器與該量測超音波傳輸器-接收器位於同一流通池中，可位於與當前池串聯之一單獨池中或位於工業流體流動流內之一附近位置中。
  12. 一種用於判定易發生垢積聚之一經加熱表面上之垢積聚之方法，其包括： 量測來自具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之一第一或量測超音波傳輸器-接收器總成之一超音波信號之渡越時間，其中該超音波傳輸器-接收器總成能夠產生且接收穿過一工業流體之一超音波信號；及一經加熱目標總成，其具有一經加熱目標垢累積表面，其中該所傳輸超音波信號經反射離開該經加熱目標垢累積表面或該經加熱目標垢累積表面上之垢層從而返回至該超音波傳輸器-接收器齊平表面； 量測來自具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之一第二或參考超音波傳輸器-接收器總成之一第二或參考超音波信號之渡越時間，其中該參考超音波傳輸器-接收器總成能夠產生且接收穿過該相同工業流體之一超音波信號；及一未經加熱抗積垢超聲波反射表面，其位於距該參考超音波傳輸器-接收器齊平表面之一已知且固定距離處； 藉由隨著時間計算該參考超音波信號之即時速度及該量測超音波信號自該量測超音波傳輸器行進至該經加熱目標垢累積表面或行進至該經加熱目標垢累積表面上之該垢層之距離而判定該經加熱表面上之所累積垢之變化。
  13. 一種判定易發生垢積聚之一未經加熱表面上之垢積聚之方法，其包括： 量測一第一超音波信號自具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之一量測超音波信號傳輸器-接收器總成穿過一工業流體行走至具有一垢聚集與量測表面之一超音波反射器/垢聚集目標之渡越時間，其中該所傳輸超音波信號經反射離開該垢累積表面或該垢累積表面上之垢層且返回至該量測超音波信號傳輸器-接收器總成之該超音波信號傳輸器-接收器齊平表面； 量測一第二或參考超音波信號自具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之一參考超音波信號傳輸器-接收器總成行走至一未經加熱抗積垢超音波信號反射目標之渡越時間，該未經加熱抗積垢超音波信號反射目標位於距該參考超音波信號傳輸器-接收器總成之該超音波傳輸器-接收器齊平表面之一已知且固定距離處；及 藉由計算該參考超音波信號之即時速度及該量測超音波信號自該量測超音波傳輸器-接收器總成及該垢累積表面或該垢累積表面上之該垢層行進之距離而判定該未經加熱表面上之所累積垢之變化。
  14. 如請求項12之方法，其中一或多個信號處理器用於量測且記錄該超音波信號自該量測超音波傳輸器-接收器總成穿過該工業流體行走至該經加熱目標垢累積表面或行走至該經加熱目標垢累積表面上之該垢層且穿過該工業流體返回至該量測超音波傳輸器-接收器總成之該渡越時間，其中該量測超音波信號自該量測超音波傳輸器-接收器總成行進至該經加熱目標垢累積表面或行進至該經加熱目標垢累積表面上之該垢層之該距離係使用該參考超音波信號之該即時速度及該量測超音波信號之所量測渡越時間來計算。
  15. 如請求項13之方法，其中一或多個信號處理器用於量測且記錄該超音波信號自具有一超音波傳輸器-接收器齊平表面之該參考超音波傳輸器-接收器總成穿過該工業流體行走至該未經加熱抗積垢超聲波反射表面且穿過該工業流體返回至該參考超音波傳輸器-接收器之該渡越時間，其中該渡越時間及該超音波傳輸器-接收器齊平表面與該未經加熱抗積垢超音波傳輸器-接收器齊平表面之間的該已知距離用於計算該參考超音波信號之該即時速度。
  16. 如請求項12或13之方法，其中該參考超音波信號之該即時速度用於對該量測超音波信號自該量測超音波傳輸器-接收器總成行進至該垢累積表面或行進至該垢累積表面上之該垢層之該距離的該計算中。
  17. 如請求項12或13之方法，其中一或多個信號處理器用於量測且記錄該超音波信號自該參考超音波傳輸器-接收器總成穿過該工業流體行走至該未經加熱抗積垢超聲波反射表面且穿過該工業流體返回至該參考超音波傳輸器-接收器之該渡越時間，其中該渡越時間及該參考超音波傳輸器-接收器總成與該未經加熱抗積垢超音波傳輸器-接收器齊平表面之間的該已知距離用於計算該參考超音波信號之該即時速度。
  18. 如請求項12或13之方法，其中該參考超音波傳輸器-接收器齊平表面與該抗積垢表面之間的該已知且固定距離用於計算該超音波信號穿過該工業流體之該即時速度。
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