背景技术：
：本发明提供了一种用于确定暴露于液体介质的表面上的累积水垢(scale)的厚度的方法。更具体地，本发明涉及通过使用超声波信号来确定工业水处理应用(例如冷却塔、热交换器和蒸发设备，诸如那些在工业市场和受管制市场中发现的设备)中的加热或未加热表面上水垢(诸如，钙垢或镁垢以及碳酸盐垢、草酸盐垢、硫酸盐垢或磷酸盐垢)的可比累积。结垢形成主要是由于在处理的过饱和条件下存在的水性体系中存在溶解的无机盐。当在热传递设备(诸如热交换器，冷凝器，蒸发器，冷却塔，锅炉和管道壁)中加热或冷却液体(往往是水)时，形成了盐。温度或ph的变化通过界面处不希望的固体材料的累积而导致结垢(scaling)和生垢(fouling)。在加热表面上累积水垢会导致传热系数随时间下降，并且将最终在严重生垢的情况下导致生产率无法得到满足。最终，唯一的选择往往是停止处理并执行清除。这需要停止生产以及使用昂贵的螯合剂或腐蚀性酸。由于生垢造成的经济损失是所有涉及热传递设备的行业中最大的问题之一。结垢是导致设备故障、生产损失、昂贵的维修、更高的运营成本和维护停工的原因。水垢可导致非热传递问题，包括阀门或旋转设备堵塞，由于水垢磨损导致的密合间隙表面磨损，由于与水垢相关的生物活动导致的腐蚀等。在一些用于测量没有热传递的处理中的水垢累积的当前方法中，将电阻温度检测器(rtd)安装在还含有超声波发射器-接收器的探头内。使用rtd来测量大致在进行超声波厚度测量的点和时间处的整体水温。然后，使用内部算法(即，数学模型)来校正由于体积或处理液体温度变化而导致的通过水或其它液体介质的声速的变化。然而，对超声波速度与温度的该估计可能不够精确并且仅仅是部分校正，因为液体介质的变化(诸如盐度的变化)可影响液体介质密度并因此影响声波通过液体介质的速度。在整个申请中，处理液体和处理流体可互换使用。处理流体和处理液体在下文中还指工业流体和工业液体。目前使用的超声波测量方法未考虑由盐度变化引起的液体密度差异，从而导致错误的水垢厚度指示。一些较新的超声波水垢测量装置测量温度和电导率作为超声波速度的预测因子，但是包含温度和电导率的最佳可用的水中超声波速度模型对于良好的超声波水垢厚度测量而言不够精确。该装置的一种流行的建议应用是关于工业冷却塔或自结垢处理，在所述工业冷却塔或自结垢处理中预期电导率或密度或盐组成具有大变化。在自结垢环境中，根据定义，形成水垢的盐的浓度处于或高于其溶解度极限。在这种情况下，水密度以及由此超声波速度受到电导率(盐浓度的替代性测量)和盐度性质(在相等ppm时，不同离子物质在不同程度上影响电导率)，以及温度效应的影响。美国专利申请号4,872,347涉及一种用于对热传递管进行水垢厚度测量的自动超声波检查系统。然而，该方法涉及适于放入圆柱形集管中的插入管，并且包括管移动装置、水泵、缆线、超声波探头和超声波检查单元。由labreck、kass和nelligan发表于ecndt2006-mo.2.8.3中的文章“对蒸汽锅炉管中的内部氧化皮的超声波厚度测量(ultrasonicthicknessmeasurementofinternaloxidescaleinsteamboilertubes)”；论述了使用超声波技术测量蒸汽锅炉管中的内部氧化皮(oxidescale)的厚度。然而，该方法使用示波器作为测量超声波或声学信号的手段，并且具有有限的灵敏度。最小可检测的水垢厚度为125μm至250μm，其将导致冷却水应用中的热传递极端减少。本发明能够检测小于2-3μm厚的水垢。generalelectric,inspectiontechnologies在2006年发布了一份销售公告(参见ge.com/inspectiontechnologies)，概述了使用超声波技术进行氧化皮测量。与紧接在上面的技术非常相似，其是基于从钢/水垢界面与管内直径反映的信号之间的差异，并列明了130μm的最小水垢厚度测量能力。同样，该检测能力显著低于本发明的检测能力。另一篇论文“用于测量管道内表面上的水垢厚度的超声波技术(ultrasonictechniqueformeasuringthethicknessofscaleontheinnersurfacesofpipes)”，k.lee，journalofthekoreanphysicalsociety，第56卷，第2期，2010年2月，第558-561页，公开了原位测量管道内表面上的水垢厚度。然而，该技术无法用于测量在钢管道表面上形成的水垢。sensotech公司，steinfeldstraβe1,39179barleben,germany制造了在连续处理中测量超声波速度的测量装置。这些装置由超声波在线浓度分析仪组成，所述超声波在线浓度分析仪使用发射器与接收器之间的超声波信号飞行时间(timeofflight)来测量彼此之间可混溶的液体的浓度，并使用信号衰减来检测悬浮固体粒子。这些装置使用单一超声波发射器-接收器组件并且主要用于检测相位变化和确定浓度，而不是用于测量水垢层厚度或提供校正信号给另一个超声波测量系统。目前使用的其它装置可以在约16毫米(mm)至约36毫米的单向距离上测量水垢。然而，上面论述的方法都不允许对液体处理设备中的水垢积累进行高精度的实时测量。目前的方法解决了对液体处理设施中的水垢积累进行准确实时测量的需求。技术实现要素：提供了一种用于确定倾向于积累水垢的加热表面上的水垢积累的装置。该装置包括具有超声波发射器-接收器齐平表面的第一或测量超声波发射器-接收器组件，其中该测量超声波发射器-接收器组件能够通过处理流体或液体发射和接收超声波信号。该装置包括加热的靶组件，该加热的靶组件具有加热的靶水垢累积表面，其中发射的超声波信号被从所述加热的靶水垢累积表面反射出或者从在所述加热的靶水垢累积表面上的水垢积累反射出，并且返回至超声波发射器-接收器齐平表面。存在第二或参考超声波发射器-接收器组件，其具有超声波发射器-接收器齐平表面，其中所述参考超声波发射器-接收器组件能够经由与测量超声波信号相同的工业流体发射和接收超声波信号；以及未加热的抗结垢超声波反射表面。该未加热的抗结垢超声波反射表面与参考超声波发射器-接收器齐平表面相距已知且固定的距离。该装置还包括一个或多个信号处理器，该一个或多个信号处理器用于测量超声波信号行进过从参考超声波发射器-接收器组件通过处理流体到达未加热的抗结垢超声波反射表面并通过所述处理流体返回至所述参考超声波发射器-接收器的已知距离的渡越时间，所述渡越时间与已知的分离距离一起用于计算超声波信号通过所述处理流体的实时速度；以及还测量超声波信号移动从测量超声波发射器-接收器组件通过处理流体到达加热的靶水垢累积表面或所述加热的靶水垢累积表面上的水垢层并通过处理流体返回至所述测量超声波发射器-接收器的渡越时间。使用超声波通过处理流体的渡越时间和实时速度来计算测量超声波发射器-接收器与加热的靶水垢累积表面或所述加热的靶水垢累积表面上的水垢层之间的距离。还提供了一种用于确定倾向于积累水垢的加热表面上的水垢积累的方法，其中测量来自具有超声波发射器-接收器齐平表面的第一或测量超声波发射器-接收器组件的超声波信号的渡越时间。在当前方法中，超声波发射器-接收器组件能够通过处理流体产生和接收超声波信号。超声波信号被传输并从加热的靶水垢累积表面或所述加热的靶水垢累积表面上的水垢层反射回到所述超声波发射器-接收器齐平表面。通过与来自第一超声波发射器-接收器组件的超声波信号相同的处理流体，测量来自具有超声波发射器-接收器齐平表面的第二或参考超声波发射器-接收器组件的第二或参考超声波信号的渡越时间。参考超声波信号被从未加热的抗结垢超声波反射表面反射出，所述未加热的抗结垢超声波反射表面与参考超声波发射器-接收器齐平表面相距已知且固定的距离。通过随着时间推移计算参考超声波信号的实时速度和测量超声波信号被从测量超声波发射器行进至加热的靶水垢累积表面或水垢层的距离，可以确定加热表面上累积的水垢的变化。还提供了一种用于确定倾向于积累水垢的未加热表面上的水垢积累的装置。该装置包括具有超声波发射器-接收器齐平表面的第一或测量超声波发射器-接收器组件，其中所述发射器-接收器组件能够通过液体介质或处理流体发射和接收超声波信号。该装置具有超声波反射器/水垢采集靶，所述超声波反射器/水垢采集靶具有水垢采集和测量表面，其中发射的超声波信号被从水垢累积表面或所述水垢累积表面上的水垢层反射出并通过处理流体返回至超声波发射器-接收器齐平表面和测量超声波发射器-接收器组件。该装置具有第二或参考超声波发射器-接收器组件，所述第二或参考超声波发射器-接收器组件具有超声波发射器-接收器齐平表面，能够通过与来自测量超声波发射器-接收器组件的超声波信号相同的处理流体发射和接收超声波信号。该装置具有抗结垢超声波信号反射靶，所述抗结垢超声波信号反射靶具有超声波信号反射表面，发射的参考超声波信号被从所述超声波信号反射表面反射出。参考超声波信号反射表面与参考发射器-接收器组件相距已知且固定的距离。参考超声波信号传输到抗结垢超声波反射表面并返回至参考超声波发射器-接收器齐平表面和参考发射器-接收器组件。该装置包括一个或多个信号处理器，该一个或多个信号处理器用于测量超声波信号行进从参考超声波发射器-接收器组件通过处理流体到达抗结垢超声波信号反射表面并通过所述处理流体返回至参考超声波发射器-接收器组件的已知距离的渡越时间。使用所述距离和时间来计算参考超声波信号通过处理流体的实时速度。所述一个或多个信号处理器还测量超声波信号移动从测量超声波发射器-接收器组件通过处理流体到达超声波反射器/水垢采集靶并通过所述处理流体返回的渡越时间。使用所述参考超声波信号的渡越时间和实时速度来计算测量超声波发射器-接收器齐平表面与水垢采集和测量表面之间的距离。此外，提供了一种用于确定倾向于积累水垢的未加热表面上的水垢积累的方法。该方法包括测量第一超声波信号移动从具有超声波发射器-接收器齐平表面的测量超声波信号发射器-接收器组件通过处理流体到达具有水垢采集和测量表面的超声波反射器/水垢采集靶的渡越时间。发射的超声波信号被从水垢采集和测量表面反射回到超声波信号发射器-接收器齐平表面。还测量了第二或参考超声波信号移动从具有超声波发射器-接收器齐平表面的参考超声波信号发射器-接收器组件到达未加热的抗结垢超声波信号反射表面并返回的渡越时间，所述未加热的抗结垢超声波信号反射表面与超声波发射器-接收器齐平表面相距已知且固定的距离。可以通过计算参考超声波信号的实时速度和测量超声波信号被从测量超声波发射器-接收器组件行进至水垢采集和测量表面的距离来确定未加热表面上累积的水垢的变化。附图说明图1是示出当前使用的用于测量未加热的水垢累积表面或靶上的水垢积累的概念的示意图。图2是示出用于测量加热的水垢累积表面或靶上的水垢积累的新概念的示意图。图3是示出用于测量未加热的水垢累积表面或靶上的水垢积累的新概念的示意图。图4示出了简单二元中性盐溶液的浓度与电导率之间的关系。图5示出了盐溶液密度与盐浓度之间的关系。图6示出了乙醇-水混合物中的声速。图7示出了在校准时未校正的相对于基准温度变化对超声波速度的影响以及对所指示的加热的水垢累积表面上的水垢厚度的影响。图8示出了在校准时未校正的相对于基准温度变化对超声波速度和所指示的未加热表面上的水垢厚度的影响。图9示出了对于具有加热表面的系统的典型盐浓度范围，由于整体水(bulkwater)中的nacl浓度变化而导致的对加热的水垢累积表面上的水垢厚度的指示误差。图10示出了对于通常在自结垢系统中存在的盐浓度范围，由于整体水中的nacl浓度变化而导致的对水垢厚度的指示误差。具体实施方式在工业处理液体或流体应用中，液体介质的温度和密度都影响超声波通过液体的速度，其中温度对超声波速度的影响大于密度。具体地，水温从25℃至26℃的1℃升高可导致超声波速度从1486.33米/秒(m/s)变化至约1488.78m/s。相比之下，从0百万分率(ppm)至约200ppmnacl的变化可使液体密度从约0.9982g/cm3变化至约0.9983g/cm3，并且电导率从0微西门子(microseimen)/厘米(μs/cm)变化至约400μs/cm，从而导致超声波速度从约1486.33m/s变化至约1486.54m/s。这些速度基于通过数学模型预测的理论值，该数学模型包括水温和盐浓度。文献中有许多此类可用的模型。上述计算使用来自“超声波速度对水的盐度和温度的功能依赖性(functiondependenceofultrasonicspeedinwatersalinityandtemperature)(y.n.al-nasser等人，ndt.net,2006年6月，第ii卷，第6期)的等式4。还有许多其它模型可能会给出略有不同的超声波速度值，但所有模型都适用于说明目的。尽管声速的这些变化可能看起来很小(特别是基于盐浓度的变化)，但它们实际上是重要的。原因基于如何使用超声波信号来测量水垢厚度。对于分别为约16毫米(mm)至约36mm的距离，当装置处于未结垢条件下时(诸如当使用由solenisllc制造的3s仪器或3h时)得到的初始“飞行时间”测量值可以在约21微秒(μs)至约47.8μs的范围内。例如，当存在1μm的水垢时得到的后续“飞行时间”测量值仅比未结垢时的“飞行时间”短0.00132μs。在未补偿从25℃至26℃的温差的情况下，结果是对于分别为16mm和36mm的超声波发射器-接收器至水垢累积表面距离，水垢厚度从约26.3μm明显增大至约59.1μm。在未补偿从约0.9983g/cm3至0.9984g/cm3的流体密度增大的情况下，结果是对于分别为16mm和36mm的超声波发射器-接收器至水垢累积表面距离，水垢厚度从约1.2μm明显增大至约3.8μm。显然，该应用需要高精度测量，以及使用关于液体介质中的假定声速的高度精确值。图1示出了在本技术之前，用于使用超声波技术进行距离测量的一般概念。液体介质流过(2)管道或流动池(1)。超声波发射器-接收器组件(3)通过连接器或联接装置(诸如焊接的半联轴节(4)和超声波发射器-接收器组件安装套筒(5))附接至所述管道或流动池(1)。超声波发射器-接收器组件(3)具有齐平表面(6)或与管道或流动池(1)的内表面(13)齐平的表面。超声波信号(7)离开超声波发射器-接收器组件(3)，从管道(9)的内表面或与超声波发射器-接收器组件(3)相对的累积水垢(10)反射出，并且被反射回(8)到超声波发射器-接收器组件(3)。确定水垢积累之前的距离(11)和水垢积累之后的距离(12)，并且基于测量的距离来计算水垢积累量。应当注意的是，当在管道或流动池(1)的内表面上没有水垢积累时，预先确定和获取从超声波发射器-接收器齐平表面(6)至反射表面(9)的距离(11)。图2示出了本发明的装置和方法的一个实施方案。所述装置和方法提供用于确定倾向于积累水垢的加热表面上的水垢积累。该装置包括具有超声波发射器-接收器齐平表面(18)的第一或测量超声波发射器-接收器组件(19)。所述测量超声波发射器-接收器组件(19)能够通过处理流体(2)(参见图1)发射和接收超声波信号(7、8)；加热的靶组件(17)，具有加热的靶水垢累积表面(21)；其中发射的超声波信号(7)(参见图1)从加热的靶水垢累积表面(21)反射出或者从在所述加热的靶水垢累积表面(21)上的水垢层或积累(40)反射出，并且反射的超声波信号(8)(参见图1)返回至超声波发射器-接收器齐平表面(18)。存在第二或参考超声波发射器-接收器组件(36)，其具有超声波发射器-接收器齐平表面(37)，能够(参见图1)通过与测量超声波信号相同的处理流体(2)发射和接收超声波信号(7、8)。存在未加热的抗结垢超声反射表面(38)，其与超声波发射器-接收器组件(36)的超声波发射器-接收器齐平表面(37)相距已知且固定的距离。在一些实施方案中，该装置还可包括一个或多个信号处理器(29)，所述一个或多个信号处理器(29)用于测量超声波信号行进从参考超声波发射器-接收器组件(36)通过处理流体(2)到达未加热的抗结垢超声波反射表面(38)并通过所述处理流体(2)返回至参考超声波发射器-接收器(36)的已知距离的渡越时间。使用所述渡越时间和已知距离来计算超声波信号通过处理流体(2)的实时速度。所述一个或多个信号处理器(29)还测量超声波信号移动从测量超声波发射器-接收器组件(19)通过处理流体(2)到达加热的靶水垢累积表面(21)或所述加热的靶水垢累积表面(21)上的水垢层(40)并通过所述处理流体(2)返回至测量超声波发射器-接收器组件(19)的渡越时间。使用超声波信号通过处理流体的渡越时间和实时速度来计算测量超声波发射器-接收器组件(19)与加热的靶水垢累积表面(21)或所述加热的靶水垢累积表面(21)上的水垢层(40)之间的距离。在一个优选实施方案中，图2示出了加热的靶(20)，其安装至管道或流动池(1)以作为加热的靶组件(17)。加热的靶(20)可以嵌入绝缘体(26)中或由绝缘体(26)包围，所述绝缘体(26)包含使加热的靶保持不与管道或流动池(1)接触的绝缘间隔件(25)。加热的靶组件(17)包括加热的靶水垢累积表面(21)、加热器(24)、第一温度传感器(22)和第二温度传感器(23)，其中加热的靶水垢累积表面(21)被安装为使得其与测量超声波发射器-接收器组件(19)所相对的管道或流动池内壁(28)齐平。在其它优选实施方案中，计算和确定可以由一个或多个信号处理器(29)产生，所述一个或多个信号处理器(29)连接至测量和参考超声波发射器-接收器组件(19)和(36)以及加热的靶组件(17)。所述一个或多个信号处理器(29)还可以连接至其它类型的发射器-接收器，诸如电导率变送器和整体水温传感器(未示出)。在其它优选实施方案中，超声波信号是脉冲形式，并且可以在参考超声波发射器-接收器组件(36)与测量超声波发射器-接收器组件(19)之间交替。处理液体或工业流体的温度、密度和离子浓度在很大程度上取决于具体应用，例如开放系统、封闭系统、加压系统、冷却塔等。在一些应用中，处理液体的离子浓度可以为约1百万分率(ppm)至约40,000ppm，并且密度可以为约0.8g/cm3至约1.5g/cm3。参考超声波发射器-接收器组件(36)应该紧密靠近测量超声波发射器-接收器组件(19)，其中允许的分离距离取决于流体速度以及流体条件(诸如温度和电导率)可变化的速率。在其它实施方案中，图2示出显示器(30)可以连接至用于监测和控制处理器的装置，例如测量和参考超声波发射器-接收器组件(31)和(39)、加热的靶组件(32)。整体水温传感器和其它组件(诸如图中未示出的电导率变送器和电源)也可以配置至所述显示器和所述装置。在其它优选的实施方案中，倾向于积累水垢的表面可选自以下组中：钢、不锈钢、铜、黄铜的各组合物、钛、两种或更多种材料的复合物，以及其它导热材料。非结垢参考表面可选自以下组中：dupont不粘表面、高度抛光表面，以及超疏水表面。非结垢参考表面也可以由抗结垢组合物组成或用抗结垢组合物处理，所述抗结垢组合物为诸如dupont纳米粒子涂层、防污涂料、硅酮(聚硅氧烷)、聚乙烯，或本领域技术人员已知的类似材料或涂料。本申请还提供了用于确定倾向于积累水垢的未加热表面上的水垢积累的装置和方法。参考图3，该装置包括具有超声波发射器-接收器齐平表面(45)的第一或测量超声波发射器-接收器组件(44)，所述第一或测量超声波发射器-接收器组件(44)能够通过液体介质或处理流体(2)发射和接收超声波信号。超声波发射器-接收器组件(44)通过连接器或联接装置(诸如焊接的半联轴节(65)和超声波发射器-接收器组件安装套筒(66))附接至所述管道或流动池(1)。此外，该装置具有超声波反射器/水垢采集靶(46)，所述超声波反射器/水垢采集靶(46)具有水垢累积表面(47)，其中发射的超声波信号被从水垢累积表面(47)或从水垢层或积累(68)反射出并通过处理流体返回到测量超声波发射器-接收器齐平表面(45)和测量超声波发射器-接收器组件(44)。该装置具有第二或参考超声波发射器-接收器组件(60)，所述第二或参考超声波发射器-接收器组件(60)具有超声波发射器-接收器齐平表面(61)，其中参考超声波发射器-接收器组件(60)能够通过与来自测量超声波发射器-接收器组件(44)的超声波信号相同的处理流体发射和接收超声波信号。该装置具有抗结垢超声波信号反射靶(62)和抗结垢超声波反射表面(63)，发射的超声波信号被从所述抗结垢超声波信号反射靶(62)和抗结垢超声波反射表面(63)反射出。超声波信号反射表面(63)与参考超声波发射器-接收器组件(60)相距已知且固定的距离。参考超声波信号被传输到抗结垢超声波信号反射表面(63)并返回到超声波发射器-接收器齐平表面(61)和参考发射器-接收器组件(60)。在一个优选实施方案中，在超声波反射表面(64)上可以有抗结垢反射表面处理。该装置包括一个或多个信号处理器(50)，所述一个或多个信号处理器(50)可以测量超声波信号行进从参考超声波发射器-接收器组件(60)和超声波发射器-接收器齐平表面(61)通过处理流体(2)到达抗结垢超声波信号反射靶(62)并通过所述处理流体(2)返回至参考超声波发射器-接收器组件(60)和超声波发射器-接收器齐平表面(61)的已知距离的渡越时间，所述渡越时间与已知的分离距离一起用于计算参考超声波信号通过处理流体(2)的实时速度；以及还测量超声波信号移动从测量超声波发射器-接收器组件(44)通过处理流体(2)到达具有水垢累积表面(47)或在所述水垢累积表面(47)上的水垢积累的超声波反射器/水垢采集靶(46)并通过处理流体(2)返回至测量超声波发射器-接收器齐平表面(45)的渡越时间，其中使用所述参考超声波信号的渡越时间和实时速度来计算测量超声波发射器-接收器齐平表面(45)与水垢累积表面(47)或水垢积累(48)之间的距离。将测量超声波发射器-接收器组件(44)与超声波反射器水垢累积表面(47)或水垢层(68)之间的计算距离随时间的变化用作未加热表面上累积的水垢厚度的指标。在一些优选的实施方案中，处理液体或流体经受温度、离子浓度和/或密度变化，从而导致液体介质中超声波速度的变化。为了测量该变化，该装置还可包括一个或多个测量装置，该一个或多个测量装置用于测量所述工业流体的温度变化、离子浓度或组成变化、溶解或悬浮的非离子组分的浓度或组成的变化，和/或密度变化。在其它实施方案中，图3示出信号处理器(50)上的显示器(51)，可以分别经由缆线(52)、(67)和(54)而连接至用于监测和控制处理器的装置，例如测量和参考超声波发射器-接收器组件(44)和(60)，以及整体水温传感器(56)。其它此类组件，诸如图中未示出的电导率变送器和电源，也可以被配置至显示器和装置。在一些优选实施方案中，存在校准，所述校准在测试期开始时将水垢厚度指示归零。该校准可以在水垢累积表面没有水垢时进行，并且处理液体的盐浓度和温度处于或非常接近于长期操作的预期浓度和温度。如果在执行校准程序时水垢累积表面已经累积了一些水垢，则未来的水垢累积可以指示为水垢厚度。然而，整体水温、密度、电导率和组成通常在正常操作期间改变。在一些方面，可以使用特定盐的浓度与电导率之间的已知关系来计算由于整体液体的温度和盐浓度的变化而引起的误差的程度。nacl可用于所有计算，因为仅含有nacl的纯水的数据很容易在文献中获得，而na+、ca+2、mg+2、cl-1、hco3-1、co3-2、so4-2以及通常在每个场位置处以不同比例存在的其它离子物质的混合物的数据通常不能在文献中获得。nacl模型体系足以说明在此提出的问题。图4说明了虽然可以显示简单二元中性盐溶液的浓度与电导率之间近似线性的一般关系，但也可以看到一些例外(参见表1)。例如，nahco3显著偏离一般关系，这可能是因为碳酸氢根离子具有复杂的电离路径，所述复杂的电离路径可涉及从气态co2的气氛中进行吸收或释放到所述气态co2的气氛中。量高度可变的nahco3是冷却塔或工业处理液体或流体的常见组分。同样地，诸如hcl的酸在给定的百万分率浓度下产生高得多的电导率(在10,000ppm下为92,900μs/cm，远远超出图4的图表的规模)，这可能是因为它们使溶剂(水)离子化。表1-电导率(μs/cm)对比溶质浓度(ppm)(数据来源：crchandbook第56版，1975)ppmnaclcacl2hclmgcl2nahco3na2co30000000100017002000330030005000500082008100451008600420070001000016000157009290016600820013100对于本领域技术人员众所周知的是，流体和固体中的超声波速度可以通过理论关系来描述，其中v是速度，k是材料的弹性特性(对于水来说为体积弹性模量)并且是材料密度。还探讨了各种盐的密度与浓度之间的关系。结果在表2和图5中提供，其显示密度随盐浓度近似线性地增大，但是每种盐的回归模型斜率是不同的。表2-各种溶质的浓度对比密度；值为在20℃下的；密度为g/cm3(数据来源：crchandbook，第56版，1975)ppmnacl海水cacl2hclmgclnahco3蔗糖00.99820.99820.99820.99820.99820.99820.998210000.998920000.999730001.000440001.001150001.00181.00191.00241.00071.00221.00181.000260001.002570001.003280001.003990001.0046100001.00531.00571.00651.00311.00621.00541.0021需特别注意的是，对于离子溶质和非离子溶质，浓度与密度之间的线性关系(尽管各种溶质具有不同的斜率)通常是正确的。例如，蔗糖是高度可溶的，但其为共价键合的，因此除了当糖分子被溶剂中的其它组分氧化或还原时外，蔗糖不会离子化。这将有助于液体密度，但对电导率的影响较小或根本不影响电导率，具体取决于ph和存在的其它活性物质。即使使用电导率信号来校正超声波速度，诸如污染物、组分(诸如蔗糖或油)的浓度变化，或非电离可混溶液体(诸如乙醇)之类的变量也可能不被注意，因为水密度(和超声波速度)会发生变化但电导率变化很小或没有变化。具有所需精度的在线密度计并不容易获得，并且工业冷却塔污水或其它易于结垢的水的精确密度迄今尚未被认为是重要的参数。虽然可以经由回归模型在各种温度下计算水密度，但是上述超声速度与密度的关系不能用于温度校正。我们观察到超声波在流体(液体和气体)中的速度实际上随着温度的升高而增大。如果我们假设弹性特性(k)不受温度的影响，则对先前提到的理论关系的分析显示情况相反。超声波速度随液体(和气体)温度升高而增大的原因的一般解释是因为声波通过使介质分子位移而传播。随着温度的升高，分子移动得更快，因此声波传播得更快。继续讨论用于在流体(在这种情况下为液体)中传播声波的分子位移模型，还已经显示能量经由介质位移而从一个分子转移至相邻分子。在固定温度下，在较小分子之间传递位移所需的能量比在较大分子之间传递位移所需的能量小。这就是为什么在相等密度下，较大分子的溶液趋于比较小分子的溶液更慢地传输声波。然而，超声波响应不像可预期的那样规律。sensotech(magdeburg-barleben,germany)销售用于确定各种溶质的水溶液和非水溶液的浓度的超声波浓度计(商品名为)。乙醇-水混合物中的声速是不规律的并且与温度有关。例如，图6显示了乙醇-水混合物在22.2℃和27.6℃的温度下的声速。在图底的曲线使用乙醇的摩尔分数和乙醇的重量分数作为顶部标尺(topscale)。两种等温线都表现出明显的浓度依赖性，并且最大速度略有不同。还可以看出，在高浓度和低浓度以及等温线的交叉处存在逆向温度效应。由于乙醇是非离子的，因此乙醇的百分比不会改变溶液电导率。虽然很容易通过溶液密度来确定水-乙醇混合物的组成，但是无法在在线装置中以必要的精度容易地测量溶液密度，并且即使这样，模型也是复杂和温度依赖性的。如果可能存在多种未知浓度的溶质，则可以看出经由预测模型估计超声波速度的不切实际性。关于密度测量，除了在有限浓度范围内的已知组分的纯体系之外，即使可以获得足够精确的液体密度确定，密度测量也不足以正确地预测超声波速度。目前尚不清楚这种不规律的超声波速度表现的原因。密度模型(特定于nacl水溶液)使用先前提及的al-nassar的组合温度和浓度关系(ndt.net，2006年6月，第11卷第6期)来预测工业冷却塔和自结垢含水处理液体在实际电导率范围和温度范围下的超声波速度。进行附加计算以确定在冷却塔中的加热表面上累积水垢的当前可用装置对16毫米的假定单向距离的“飞行时间”，以及在自结垢环境中的未加热表面上累积水垢的当前可用装置对36毫米的假定单向距离的“飞行时间”，以及校准后改变整体水温或电导率的后续影响。上述计算可用于产生在校准时未校正的相对于基准温度变化对超声波速度的影响和对所指示的水垢厚度的影响的图表(参见表3以及图7和图8)，即使没有实际水垢存在也如此。从图7和图8清楚地看出，对于加热和未加热的水垢累积两种情况，相对于在超声波测量装置的操作期间可能遇到的水垢厚度范围，水垢厚度指示误差都较大(图7，示出超声波发射器-接收器齐平表面与水垢累积表面之间的距离为16mm，而图8中超声波发射器-接收器齐平表面与水垢累积表面之间的距离为36mm)，即使是对于整体水温的适当2℃升高也如此。实际上，没有温度校正的情况下结果误差如此之大，使得超声波测量值几乎是无用的。表3-当温度从25℃升高时计算的纯水超声波速度，以及针对16mm(图7)和36mm(图8)的单向距离计算的水垢厚度误差使用相同的(al-nassar)模型来生成图表，所述图表说明了nacl浓度变化对报告的水垢误差的影响；参见下面的图9和图10(表4)。关于参考，在工业冷却水中常见的是与约1572ppm的nacl对应的在3000μs/cm范围内的电导率。图9显示，如果装置以0μs/cm校准，然后电导率增大至3000μs/cm，则无论是在加热表面还是未加热表面上，该浓度都可导致17.9μm的水垢厚度误差。很明显的是，盐浓度或密度对超声波速度的影响和对所指示的水垢厚度指示的影响是显著的，即使远小于未校正的温度变化的影响。如在表4中可以看出，在自结垢系统中，盐的浓度可以容易地超过10,000ppm(1％)。表4-当盐浓度增大时计算的纯水超声波速度，以及针对16mm(图9)和36mm(图10)的单向距离计算的水垢厚度误差这些温度和浓度的变化是相关的实例，因为即使优选在可预期到的装置操作所处的盐浓度、整体处理液体温度和速度以及甚至加热的靶功率设置下校准装置，有时也必须当在非典型水上操作的同时进行校准。此外，整体处理液体温度可能在昼夜循环、年度/季节周期内变化，随着工业处理条件的变化而变化，等等。可以将浓度控制至电导率设定点，但有时其会失控，这可能是由于排污阀或补给阀卡住、产品泄漏到冷却液体或处理液体中，或者仅仅是有意的电导率设定点变化。在一些方面，盐浓度最可能不受控制，并且可能甚至无法进行测量。用于自结垢水的商业规模测量装置通常在电导率为高达34,000μs或按nacl的重量计约1.7％的水中使用。文献中还报道了压力对超声波速度的影响。一般而言，文献中的大部分信息都与通过不同深度的海水的超声波速度有关。该数据难以解读，因为除了压力影响之外，随深度增加，水通常变得更冷且盐含量可变化。另一个复杂因素涉及超声波发射器-接收器组件的机械构造细节。所述超声波发射器-接收器组件的隔膜往往会使压力偏离。在一种实验设置中，发现当超声波发射器-接收器组件上的压力增大一个大气压时，所指示的水垢厚度减小约10μm，即使水垢厚度没有实际变化也如此。由于隔膜偏转的程度特定于超声波发射器-接收器组件设计，因此理论模型无关紧要。由于压力变化而导致的指示水垢厚度的变化有可能通过在恒定压力下操作水垢测量装置或通过经验模型而得到最好解决。由于产品与冷却水之间的垫圈泄漏或破裂，冷却塔系统中的冷却水总是存在产品污染的可能性。这是测量水垢厚度的不准确性的另一潜在来源。例如，冷却水可能变得被炼油厂中的油或其它石油产品污染，或被炼糖厂中的糖污染。如果输注的溶质分子是离子键合的(例如，盐水、强酸等)，则可观察到大的电导率变化。然而，如果输注的溶质分子是共价键合的(例如，油或糖)，则将观察到很小的电导率变化或没有电导率变化。将离子化或非离子化材料大量输注到冷却水中会产生冷却水密度和超声波速度的显著变化，从而导致错误的指示水垢厚度。除了溶解的离子溶质或非离子溶质的潜在输注之外，微粒或悬浮固体的泄漏也可能影响超声波速度或使所述超声波的信号衰减。由于许多处理罐对大气开放，所以空气中部分溶解的飞灰、花粉、灰尘、叶子、昆虫、或内部产生的沉淀结晶以及其它微粒可能累积在处理液体或冷却液体中。不经心的观察者不太可能立即意识到水垢厚度指示的指示变化的具体原因，并且可能假设水垢厚度指示反映了水垢厚度的真实变化。这可能导致冷却水水垢控制处理程序中的不必要且昂贵或甚至适得其反的变化。在当前方法的一些方面，第二超声波发射器-接收器组件紧邻第一或测量超声波发射器-接收器的上游或下游放置，并从用于产生参考信号的未加热的固定非结垢参考靶进行反射。非结垢反射表面设置在已知且固定的距离处，因此其“飞行时间”与液体介质中超声波信号的速度成正比，尽管测量的“飞行时间”以及因此计算的实时超声波速度都随着液体介质的温度、浓度或组成的变化而变化。通过使信号脉冲在参考超声波发射器-接收器组件与测量超声波发射器-接收器组件之间交替，可以针对每个水垢厚度测量将通过液体介质的实际超声波速度计算至非常高的精度。这允许在测量时针对实际或当前超声波速度来校正测量信号(该信号取决于应用而针对加热或未加热的水垢累积表面)，从而相较于仅基于温度校正或温度和电导率校正的超声波速度，提供更准确的超声波速度值。这可以在不测量处理液体的温度、密度、浓度、电导率、组成或任何其它液体参数的情况下完成。产生精确的超声波水垢厚度测量值所需的全部是精确的超声波速度估计，所述精确的超声波速度估计是根据从与信号源相距已知且固定的距离的非结垢表面反射的参考信号得出的。在当前方法的一些优选实施方案中，可以将参考超声波发射器-接收器组件添加或包括在与水垢测量超声波发射器-接收器相同的探头中，或者添加或包括在单独的探头中，并且必须针对非结垢表面。非结垢表面的实例包括dupont不粘表面、某些纳米颗粒涂覆表面、一些超疏水表面处理、硅酮(聚硅氧烷)，以及可能许多其它聚合物涂覆的表面。理想地，表面将是薄涂层，以便不会过度衰减返回的超声波信号。当应用于针对抗水垢表面的参考超声波发射器-接收器组件时，在一些情况下，良好抛光或微细精整的金属表面或甚至没有特殊涂层的高度抛光陶瓷表面可能就足够用于参考超声波发射器-接收器反射靶。使用薄涂层而不是固体聚合物或块作为超声波信号反射器的另一个原因是聚合物倾向于具有相对于金属的显著热膨胀系数(线性或体积的)，这将使超声波发射器-接收器齐平表面与反射靶表面之间的精确距离随着处理液体温度的变化而改变。实际上，具体地teflon的热膨胀系数在所关注的范围内不是恒定的。根据kirby(journalofresearchofthenationalbureauofstandards37(2)，1958年8月)，teflon的热膨胀系数在20℃时有非常大的尖峰，而在30℃时有较小的尖峰，20℃至30℃是液体处理流中经常遇到的温度范围。teflon还不能在负载下很好地抵抗偏转，并且在机械紧固件的负载下会发生蠕变。这些特征使得teflon块的使用不太理想。硅酮和许多其它聚合物材料具有类似的缺陷，所述缺陷不鼓励考虑将聚合物材料固体块作为非结垢靶来反射信号。这使得使用teflon涂覆金属表面更有意义。teflon对水垢、生物膜或几乎任何其它物质的附着力具有很高的抵抗力，并且几十年来一直被应用作为铝和不锈钢等金属上的薄层。典型的层厚度为约25μm至约75μm，该层厚度太薄而不能显著使超声波信号衰减。此类teflon涂料已经用作炊具的不粘表面多年，其中它们经常遭受巨大的温度波动和一些磨损。由于该涂层非常薄，因此热膨胀系数并不重要(实际厚度变化不明显)，并且由于其与金属表面化学键合，因此蠕变和弯曲刚度无关紧要。作为可更换零件，实际的磨损寿命是有意义的，但是在工业环境中任何超过一年左右的时间都是可接受的。teflon还高度耐受各种处理化学品和清洁化学品，因此teflon涂覆表面因化学侵蚀而失效的可能性极小。在一些方面，可以将参考超声波发射器-接收器组件添加在与测量超声波发射器-接收器组件相同的流动池中，或者添加在与指向流动池壁的当前池串联的单独池中。尽管整体水温是一个重要的参数并且几乎可以肯定地进行测量和记录，但是不再需要测量整体水温来计算准确的超声波速度。虽然电导率是浓度或盐度循环的重要指标并且通常也被测量，但是对于本发明的目的而言不需要电导率。与使用包含测量的水温或电导率值或两者的模型相比，使用参考信号来测量超声速度可以提供对实时超声波速度的更准确指示。在该方法的其它实施方案中，参考超声波发射器-接收器可以通过指示超声波速度的显著变化超出正常操作中根据常规温度和溶解物质含量的变化可预期的变化，而检测到溶质的大量输注或污染物进入处理液体。在正常操作期间，测量的超声波速度应该变化很小，并且可以通过处理液体温度、电导率、浓度等的相应变化来清楚地解释任何变化。测量的超声波速度的显著变化(例如，超声波速度的明显变化，或参考信号的衰减)不像基于电导率和/或温度变化所预期的，是寻找产品输注至冷却水中、意外的生物膜生长、或悬浮固体流入水中的迹象的明确信号。同时，所测量的超声速度继续提供对当前流体条件下的超声波速度的高度准确估计，使得即使当水垢监测装置在这些异常条件下操作时，也保持所指示的超声波水垢厚度测量值的精度。水垢可以以小于1微米/月的速率累积。当水垢累积率非常高时，由参考超声波信号提供的校正不太重要，因为在此类条件下，无论厚度值的绝对精度如何，所指示的水垢厚度都将显示为快速增大。参考信号的实际值处于水垢累积率低的情况下，并且每微米所指示的水垢厚度被仔细检查，或用于启动控制动作。这可能是许多现场应用的情况，其中监测水垢厚度的目的是避免快速或大量的水垢厚度累积，同时最小化水垢控制成本。上述本申请中引用的每篇参考文献，包括书籍、专利、公开申请、期刊文章和其它出版物，均全文以引用方式并入本文。当前第1页12