Technisches Gebiet der Erfindung
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität in einer Wasserversorgungsleitung und insbesondere in einem Wasserversorgungsnetz. In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung die Echtzeit-Fernerkennung von Kontaminationen in Wasserverteilnetzen. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren, die auf der Anwendung einer solchen Sensoranordnung zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität beruhen.
[0002] Alle Trinkwasserversorger in der Schweiz unterstehen dem Bundesgesetz über Lebensmittel, kantonalen Gesetzen und den Richtlinien des Schweizerischen Vereins des Gas- und Wasserfaches, was die Gewährleistung einer minimalen Trinkwasserqualität betrifft. Diese Regelungen verlangen, dass die Reinheit des Trinkwassers regelmässig durch Labortests überprüft wird. So müssen zum Beispiel monatlich Tests zur Bestimmung der Gegenwart allfälliger Bakterien im Trinkwasser durchgeführt werden, während der Gehalt gefährlicher Chemikalien zwei Mal jährlich zu überprüfen ist. Diese herkömmlichen Verfahren bieten jedoch keinesfalls eine vollständige Sicherheitsgarantie, da allfällige Kontaminationen, die kurze Zeit nach den Labortests auftreten, bis zur Durchführung der nächsten Tests unentdeckt bleiben.
Die vorliegende Erfindung hingegen beschäftigt sich mit der kontinuierlichen Online-Überwachung kritischer Wassermerkmale oder -parameter, so dass allfällige Kontaminationen praktisch augenblicklich festgestellt und alle notwendigen Gegenmassnahmen getroffen werden können, solang sie noch wirksam sind.
[0003] Fälle von Kontaminationen in Trinkwasserversorgungsnetzen hatten in der Vergangenheit schwerwiegende Folgen. Ein berühmtes Beispiel, das vor Gericht endete, geschah in Kalifornien, wo das Grundwasser der Stadt Hinkley von einem nahegelegenen Kraftwerk durch Emissionen von Lösungen mit sechswertigen Chromionen verunreinigt wurde, die zum Korrosionsschutz verwendet wurden. Dieser Fall wurde in dem Film Erin Brockovich (2000) veranschaulicht. Andere mehr oder weniger schwere Fälle von Kontaminationen kamen in der ganzen Welt vor. Ein solcher Fall veranlasste die Erfinder, eine permanente Lösung zu entwickeln, wobei sie ein System zur Früherkennung und Warnung des Betreibers eines Wasserverteilnetzes schufen.
Entsprechender Stand der Technik
[0004] Ein ferngesteuertes Kontaminationsüberwachungssystem für ein Wasserversorgungsnetz ist aus dem Patent EP 1 649 278 B1 bekannt. Hier ist mindestens ein Detektor in jeder von mehreren Wasserversorgungsleitungen angeordnet. Die Detektoren sind geeignet, mindestens ein Merkmal des durchströmenden Wassers zu überwachen und ein auf dieses Merkmal bezogenes Signal zu erzeugen, wobei dieses Merkmal aus einer grossen Anzahl physikalischer oder chemischer Parameter, wie z.B. pH, Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, Chlorkonzentration usw. und aus einer grossen Anzahl biologischer Parameter wie z.B. dem Vorhandensein coliformer und anderer Bakterien oder Mikroorganismen ausgewählt wird.
Jeder Detektor ist vorzugsweise an einem Knotenpunkt in einem Wasserversorgungsnetz angeordnet, der auch mit einem Zugriffstor versehen ist, das so verbunden ist, dass es mit einem Zugriffsregler kommuniziert. Spezifische persönliche Merkmale eines Zugriffsschlüssels können es bestimmten Personen ermöglichen, Zugriff auf ein oder mehrere Zugriffstore des Überwachungssystems zu erhalten. Ein spezielles Absperrventil kann an einem zweiten Knotenpunkt angeordnet sein. Wenn der Detektor einem zentralen Regler über eine Drahtlosverbindung spezifische Daten übermittelt, vergleicht der lokale Regler die eintreffenden spezifischen Daten mit gespeicherten Modelldaten, wobei der lokale Regler auf der Grundlage dieses Vergleichs entscheiden kann, (ebenfalls über eine Drahtlosverbindung) die Schliessung des betreffenden Absperrventils zu veranlassen.
Diese Entscheidungen können auch auf der Kreuzkorrelation der von verschiedenen Detektoren erhaltenen Daten beruhen, die verschiedene Merkmale präsentieren; auf diese Weise müssen nicht an demselben Knotenpunkt alle Detektoren für alle Merkmale vorgesehen sein.
[0005] Eine spezielle Sensoranordnung in einem Multiparameter-Überwachungssystem ist aus dem Patent US 7,007,541 B1 bekannt. Hier sind eine Vielzahl von Multiparameter-Überwachungswerkzeug-Anordnungen über ein Kommunikationsnetz verbunden und stehen darüber hinaus in Verbindung mit einem zentralen Regler. Jede dieser Multiparameter-Überwachungswerkzeug-Anordnungen ist mit einer Vielzahl von Sensorkopfkomponenten versehen, und eine Funktionalität des zentralen Reglers besteht darin, Konfigurationsinformationen für jede dieser untereinander austauschbaren Sensorkopfkomponenten zu empfangen, um daraus Betriebsinformationen zu extrahieren. Die Sensorköpfe eines Multiparameter-Überwachungswerkzeugs können in einer Drossel angeordnet sein, die die Sensoren teilweise umschliesst, aber Zutrittsöffnungen für das Wasser aufweist, damit dieses die Sensoren erreicht.
Diese Drossel bietet auch einen physikalischen Schutz für die empfindlichen Detektoren, wenn das Multiparameter-Überwachungswerkzeug verwendet wird, um die Wasserqualität an Stellen wie z.B. im Grundwasser oder Oberflächenwasser zu überwachen. Alternativ können die Sensorköpfe eines Multiparameter-Überwachungs-Werkzeugs in einer Durchflusszelle angeordnet werden, die Einlass- und Auslassleitungen umfasst, wodurch ein Mittel geschaffen wird, um die Sensoren in einer Werkzeuganordnung einer entfernt angeordneten Flüssigkeitsquelle auszusetzen.
Ziele und Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung
[0006] Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer alternativen Sensoranordnung, die auf permanente Weise über lange Zeiträume die Fernüberwachung der Wasserqualität in Wasserversorgungsleitungen ermöglicht. Ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer alternativen Sensoranordnung, die zumindest teilweise von einem zentralen Regler unabhängig ist. Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität in einer Wasserversorgungsleitung. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer alternativen Sensoranordnung in einem System, das es Wasserversorgern ermöglicht, Kontaminationen in dem Augenblick zu erkennen, in dem sie auftreten.
[0007] Ein erstes Ziel wird durch die hier beschriebene Sensoranordnung erreicht. Die Sensoranordnung gemäss der vorliegenden Erfindung ist zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität in einer Wasserversorgungsleitung bestimmt. Die Sensoranordnung umfasst eine Anzahl von Sensoren zur Erfassung verschiedener Wasserqualitätsmerkmale und zur Lieferung aktueller Messdaten. Die Sensoranordnung umfasst auch eine Kommunikationseinheit zum Senden der aktuellen Messdaten an einen zentraler Regler. Darüber hinaus umfasst die Sensoranordnung eine Durchflusszelle, die mit einem Wassereinlass und mit einem Wasserauslass versehen ist, die so ausgestaltet sind, dass sie mit einem Zuflussrohr bzw. einem Abflussrohr der Wasserversorgungsleitung verbunden werden können.
Die Sensoranordnung gemäss der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusszelle einen Einweg-Wasserströmungsweg umfasst, der den Wassereinlass mit dem Wasserauslass verbindet, wobei die Sensoren jeweils stromabwärts voneinander in Bezug auf den Wasserströmungsweg derart angeordnet sind, dass ihre Abfühlteile, die mit dem strömenden Wasser interagieren, in jedem Fall in oder zumindest nahe einer Mittelachse des Wasserströmungswegs angeordnet sind. Weitere bevorzugte und erfinderische Merkmale gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
[0008] Ein zweites Ziel wird durch die Schaffung einer Sensoranordnung gemäss der vorliegenden Erfindung erreicht, die darüber hinaus eine Recheneinheit zur Verarbeitung der aktuellen Messdaten der Sensoren umfasst, die es der Sensoranordnung ermöglicht, über die Durchführung eines Absperrvorgangs eines Ventils in der Wasserversorgungsleitung zu entscheiden und/oder Informationen an eine andere Sensoranordnung und an den zentralen Regler zu liefern.
[0009] Ein drittes Ziel wird durch ein Verfahren zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität in einer Wasserversorgungsleitung mit der Sensoranordnung gemäss der vorliegenden Erfindung erreicht. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchflusszelle in oder an einer Wasserversorgungsleitung montiert wird, indem ein Zuflussrohr mit dem Wassereinlass und ein Abflussrohr mit dem Wasserauslass der Durchflusszelle verbunden wird.
Verschiedene Merkmale der Wasserqualität werden mit einer Anzahl von Sensoren in einem Einweg-Wasserströmungsweg gemessen, der den Wassereinlass mit dem Wasserauslass verbindet, wobei die Sensoren jeweils stromabwärts voneinander in Bezug auf den Wasserströmungsweg derart angeordnet sind, dass ihre Abfühlteile, die mit dem strömenden Wasser interagieren, in jedem Fall in oder zumindest nahe einer Mittelachse des Wasserströmungswegs angeordnet sind.
[0010] Ein viertes Ziel wird durch die Schaffung eines Systems erreicht, wie es nachfolgend beschrieben wird. Das System beruht auf einer Anzahl von Fernsensoren, die im gesamten Wasserversorgungsnetz des Betreibers angeordnet sind. Die Sensoren kommunizieren miteinander, indem sie ein selbstorganisiertes drahtloses Netz verwenden, wobei sie Daten und Steuerbefehle austauschen. Das System ermöglicht es den Wasserversorgern, Kontaminationen in dem Augenblick zu erkennen, in dem sie auftreten. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, um die Wasserleitungen vor vorsätzlichen Akten, Vernachlässigung und Störfällen zu schützen. Der Hauptzweck einer systematischen Erhebung und Verarbeitung von Wasserqualitätsdaten ist die Fähigkeit, einer möglichen Wasserkontamination rechtzeitig entgegenzuwirken.
Die erhobenen Daten können auch verwendet werden, um Prognosen zur Wasserqualität an verschiedenen Stellen des Netzes unter dem Einfluss externer Faktoren zu erstellen oder das Verbreitungsmuster einer Kontamination vorherzusagen.
Definitionen
[0011] Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung gelten folgende Definitionen:
Ein "Wasserverteilnetz" ist ein Netz, bestehend aus Wasserquellen, Pump- und Aufbereitungsstationen sowie Rohren, die dazu verwendet werden, Wasser an Verbraucher in einer Gemeinde zu liefern.
Eine "Kontamination" ist das Vorhandensein unerwünschter und/oder potentiell gefährlicher Stoffe im Trinkwasser in kritischen Mengen.
Ein "selbstorganisiertes Sensornetz" ist ein Netz bestehend aus räumlich verteilten autonomen Vorrichtungen, die Sensoren verwenden, um in Zusammenarbeit physikalische Bedingungen oder Umweltbedingungen wie z.B.
Temperatur, Lärm, Schwingung, Druck, Bewegung oder Schmutzstoffe an verschiedenen Stellen zu überwachen.
Ein "Sensorknoten" ist ein Knoten in einem drahtlosen Sensornetz, der geeignet ist, bestimmte Verarbeitungsvorgänge durchzuführen, sensorische Informationen zu sammeln und mit anderen verbundenen Knoten im Netz zu kommunizieren.
Eine "Betätigungsvorrichtung" ist ein mechanisches Element, das dazu verwendet wird, den Durchfluss in einem Abschnitt des Wasserverteilnetzes zu steuern, wie z.B. ein Schieberventil oder jegliche andere Absperrvorrichtung.
Ein "physikalischer Parameter" ist ein Merkmal wie z.B., aber nicht ausschliesslich, Temperatur, Trübung und Leitfähigkeit (roh und korrigiert) des in dem Wasserverteilnetz strömenden Wassers.
Ein "chemischer Parameter" ist ein Merkmal wie z.B., aber nicht ausschliesslich, Sauerstoffgehalt, pH, Redoxpotential, Chlorkonzentration, DOC/TOC, CSB/BSB, Nitratkonzentration.
Ein "biologischer Parameter" ist ein Merkmal, das sich auf Mikroorganismen der Spezies wie z.B., aber nicht ausschliesslich, Escherichia coli, Salmonella, Shigella, Pseudomonas, Legionella bezieht.
Eine "Triangulationstechnik" ist eine Technik, mit der der räumlich-zeitliche Ursprung eines Ereignisses durch mathematische Mittel aus den verbreiteten Sensor-Informationen abgeleitet werden kann.
Kurze Einführung in die Zeichnungen
[0012] Die Erfindung wird besser verständlich mit Hilfe der Beschreibung einer Ausführungsform, die als Beispiel angegeben wird, das den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränkt und das durch die beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht wird, wobei:
<tb>Fig. 1<sep>eine erste Ausführungsform einer Sensoranordnung zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität gemäss der vorliegenden Erfindung zeigt;
<tb>Fig. 2<sep>die bevorzugten Abmessungen der ersten Ausführungsform einer Sensoranordnung zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität von Fig.1 zeigt;
<tb>Fig. 3<sep>einen Teil des Aufbaus des Wasserverteilsystems in der Gemeinde Chiasso (Schweiz) zeigt;
<tb>Fig. 4<sep>ein Diagramm der Wasserdurchflussmuster über 24 Stunden zeigt, wie sie durch zwei gegenwärtig in Betrieb befindliche Haupteinlass-Durchflussmesser gemessen werden;
<tb>Fig. 5<sep>eine Schematik eines typischen Wasserverteilnetzes zeigt, das mit einem selbstorganisierten Sensornetz, einem Netz von Betätigungsvorrichtungen sowie zentralisierten oder verteilten Datenverarbeitungseinheiten und Einheiten zur Steuerung der Betätigungsvorrichtungen versehen ist.
Genaue Beschreibung der Erfindung
[0013] Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Sensoranordnung zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität gemäss der vorliegenden Erfindung. Dies ist eine Sensoranordnung 1 zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität in einer Wasserversorgungsleitung 2. Die Sensoranordnung 1 umfasst eine Anzahl von Sensoren 3 zur Erfassung verschiedener Merkmale der Wasserqualität und zur Bereitstellung aktueller Messdaten, eine Kommunikationseinheit 4 zum Senden der aktuellen Messdaten zu einem zentralen Regler 5, und eine Durchflusszelle 6. Die Durchflusszelle 6 ist mit einem Wassereinlass 7 und mit einem Wasserauslass 8 versehen, die so ausgestaltet sind, dass sie mit einem Zuflussrohr 9 bzw. einem Abflussrohr 10 der Wasserversorgungsleitung 2 verbunden werden können.
[0014] Die Sensoranordnung 1 zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität gemäss der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusszelle 6 einen Einweg-Wasserströmungsweg 11 umfasst, der den Wassereinlass 7 mit dem Wasserauslass 8 verbindet, wobei die Sensoren 3 jeweils stromabwärts voneinander in Bezug auf den Wasserströmungsweg 11 derart angeordnet sind, dass ihre Abfühlteile 12, die mit dem strömenden Wasser interagieren, in jedem Fall in oder zumindest nahe einer Mittelachse 13 des Wasserströmungswegs 11 angeordnet sind. Der bevorzugte Durchmesser des Wasserströmungswegs beträgt 23 mm, während seine Länge vorzugsweise nicht länger als 600 mm ist.
[0015] Vorzugsweise umfasst jeder der Sensoren 3 einen Gewindeteil 14, um den Sensor 3 von aussen in einem entsprechenden Mutterteil 15 eines Einsetzloches 16 der Durchflusszelle 6 befestigen zu können. Jedes dieser Einsetzlöcher 16 öffnet sich einzeln in den Wasserströmungsweg 11. Die Ausstattung der Sensoren 3 mit einem Gewindeteil 14 erleichtert die präzise Montage und den Austausch der Sensoren 3. Es sind auch andere Arten der Befestigung der Sensoren 3 an der Durchflusszelle 6 denkbar; diese Arten umfassen z.B. die Verwendung bajonettartiger Schnellverriegelungsverbindungen (nicht dargestellt).
[0016] Die jeweiligen Sensoren erbringen die beste Leistung an einer geeigneten Stelle, die den Sensor mit einem optimalen Wasservolumen versorgt. Bei dieser Sensoranordnung 1 wird daher bevorzugt, dass der Wasserströmungsweg 11 eine Anzahl spezieller Strömungswegteile 17 umfasst, die einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt mit einem Durchmesser 18 aufweisen, der an den Typ des Sensors 3 angepasst ist, dessen Abfühlteil 12 in dem speziellen Strömungswegteil 17 angeordnet ist. Um die Sensoren 3 in der Sensoranordnung 1 mit einer zumindest annähernd homogenen Umgebung zu versorgen, sind die speziellen Wasserströmungswegteile 17 vorzugsweise konzentrisch in Bezug auf die Mittelachse 13 des Wasserströmungswegs 11 angeordnet.
[0017] In der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform ist die Durchflusszelle 6 der Sensoranordnung 1 als Würfel ausgeführt. Um eine Sensoranordnung 1 mit einem möglichst kleinen Gesamtvolumen zu schaffen, erstreckt sich die Mittelachse 13 des Wasserströmungswegs 11 im Wesentlichen parallel zu drei geraden Ausdehnungen der Durchflusszelle 6, wodurch ein Einweg-Wasserströmungsweg 11 in Form eines umgekehrten U gebildet wird.
[0018] Es wird besonders bevorzugt, die Durchflusszelle 6 der erfindungsgemässen Sensoranordnung 1 mit einer Drosselvorrichtung 19 zur Regulierung des Wasserdurchflusses im Wasserströmungsweg 11 zu versehen. Wenn der Wasserdurchfluss reguliert wird, können optimale Mess- oder Erfassungsbedingungen für die verschiedenen Sensoren 3 erzielt werden, die jeweils in einem Hohlraum mit geeignetem Volumen untergebracht sind. Durch die Anpassung des Volumens des Hohlraums und die Regulierung des Wasserdurchflusses können die speziellen Bedingungen für jeden Sensor 3 optimiert werden. Tatsächlich wurde festgestellt, dass die Regulierung des Wasserdurchflusses auch die Gefahr der Ansammlung von Schmutzstoffen oder biologischen Massen beseitigt.
Daher wird in dem Einweg-Wasserströmungsweg 11 einer Durchflusszelle 6, die in ein für Haushalte bestimmtes Netz mit einem Wasserdruck im Bereich von z.B. 0.1 bis 6 Bar eingefügt oder an diesem angebracht ist, vorzugsweise ein bestimmter Wasserdurchfluss (30 bis 50 l/h für Trinkwasseranwendungen) gewählt. Dieser Wasserdurchfluss sorgt für eine kontinuierliche Reinigung der Durchflusszelle 6, so dass die Sensoranordnung 1 über Monate und sogar Jahre dauerhaft an dem Wasserverteil netz 44 (siehe Fig. 5) angebracht sein kann.
[0019] Abweichend von der Darstellung in Fig. 1könnte die Durchflusszelle 6 in jeder anderen Ausrichtung montiert sein: In einer umgekehrten Stellung weist der Einweg-Wasserströmungsweg 11 zum Beispiel die Form eines aufrechten U auf. In einer Stellung, in der die Durchflusszelle 6 um 90[deg.] nach links gedreht ist, weist der Einweg-Wasserströmungsweg 11 zum Beispiel die Form eines aufrechten C auf. Die Entscheidung über die tatsächliche Ausrichtung wird dem Fachmann überlassen, der die Durchflusszelle 6 montiert. Die in Fig. 1dargestellte Stellung wird jedoch bevorzugt, da die Drosselvorrichtung 19 vorzugsweise auch als Entlüftungsmittel zur Entfernung der meisten oder aller Luftblasen verwendet werden kann, die in dem Einweg-Wasserströmungsweg 11 der Durchflusszelle 6 vorhanden sind.
[0020] Ebenfalls abweichend von der Darstellung in Fig. 1 kann die Durchflusszelle als gestreckter Würfel (nicht dargestellt) ausgeführt werden, wobei sich die Mittelachse 13 des Wasserströmungswegs 11 im Wesentlichen parallel zur Längsausdehnung der Durchflusszelle 6 erstreckt, wodurch ein gerader Einweg-Wasserströmungsweg 11 (nicht dargestellt) gebildet wird. Die einzelnen Sensoren 3 können an einer Seite oder an zwei, drei oder allen vier Seiten eines solchen gestreckten Würfels angeordnet sein (nicht dargestellt).
[0021] Ebenfalls abweichend von der Darstellung in Fig. 1 kann die Durchflusszelle als Zylinder (nicht dargestellt) ausgeführt werden, wobei sich die Mittelachse 13 des Wasserströmungswegs 11 im Wesentlichen parallel zur Längsausdehnung der Durchflusszelle 6 erstreckt, wodurch ein gerader Einweg-Wasserströmungsweg 11 (nicht dargestellt) gebildet wird.
[0022] Um die Anforderungen der eingangs erwähnten Vorschriften zur Trinkwasserqualität zu erfüllen, wird die Durchflusszelle 6 vorzugsweise aus einem nichtkorrosiven, inerten Material hergestellt, das aus einer Gruppe von Materialien gewählt wird, die Folgendes umfasst: Messing, Leichtmetalle, Leichtmetalllegierungen, Polymermaterialien und Polymerverbundmaterialien. Der Fachmann wird geeignete Materialien auswählen, die für die Verwendung in Trinkwasserversorgungsleitungen zugelassen und erlaubt sind.
[0023] Die Herstellung der Durchflusszelle 6 erfolgt vorzugsweise durch Spritzguss von Polymermaterialien und/oder Polymerverbundmaterialien. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass Durchflusszellen mit geringem Gewicht in grossen Stückzahlen und mit hoher Präzision hergestellt werden können, wobei sich die relativ hohen Kosten für das Spritzgusswerkzeug auf die grosse Zahl einzelner Durchflusszellen aufteilen. Wenn jedoch kleinere Serien von Durchflusszellen 6 hergestellt werden sollen, können Blockmaterialien aus Metallen oder Polymeren verwendet werden, wobei die Einsetzlöcher 16 und die speziellen Wasser-strömungswegteile 17 als Bohrlöcher ausgeführt werden. Um die Qualität zu optimieren und die Produktionskosten zu minimieren, können Kombinationen dieser Verfahren und auch geformte Halbfertigteile aus Metall oder Polymermaterialien verwendet werden.
Die Sensoren 3, die an der Durchflusszelle 6 montiert werden, werden vorzugsweise aus einer Gruppe gewählt, die pH-, Redox-, Chlor-, UV-VIS-, Trübungsmessungs-, 02- und Leitfähigkeitssonden umfasst.
[0024] In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind eine pH-Sonde 21, eine Redox-Sonde 22, ein Chlor-, Chlordioxid- oder Ozonsensor 23, eine UV-VIS-Sonde 24, ein Trübungssensor 25, ein 02-Sensor 27 und eine Sonde zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit 28 entlang dem Einweg-Wasserströmungsweg 11 angeordnet. Ein Überblick über zweckdienliche Sensoren und damit zu messende Merkmale wird in dem Patent EP 1649 278 B1 gegeben, das durch Bezugnahme ausdrücklich hierin aufgenommen wird. Somit kann jeder in diesem europäischen Patent angeführte Sensor, d.h. jeder im Handel erhältliche Sensor, in die Durchflusszelle 6 der erfindungsgemässen Sensoranordnung 1 aufgenommen werden. Es wird jedoch angemerkt, dass die Reihenfolge der Sensoren 3 vorzugsweise so gewählt wird, wie sie in Fig.1 abgebildet ist.
Leere Einsetzlöcher 16 können mit einem Stopfen 26 verschlossen werden, um Leckagen aus der Durchflusszelle 6 zu vermeiden. Gegebenenfalls sind alle Sensoren und Stopfen mit mindestens einer Dichtung 30 versehen, um den Wasserströmungsweg 11 dicht gegenüber der Umgebung zu verschliessen. Der Stopfen 26 kommt vorzugsweise auch bei der Wartung zum Einsatz, zum Beispiel bei der Reinigung des speziellen beschichteten Glasrohrs des Trübungsmessers und beim Kalibrieren des Trübungsmessers mit Referenzkalibriergläsern.
[0025] Besonders bevorzugt wird ein Trübungsmesser 25 mit einem LED-Sender, der in einem 90[deg.]-Winkel zum Empfänger (Sensor) 25 positioniert ist. Der Sender ist an der Rückseite der Durchflusszelle 6 montiert. Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass das Wasser durch ein eingefügtes Glasrohr 48 strömt, das durch zwei O-Ringe 30 abgedichtet ist (siehe Fig. 1). Zudem ist vorzugsweise ein automatisches Entlüftungsventil 47 am Wasserströmungsweg 11 montiert, um alle möglicherweise in der Durchflusszelle 6 vorhandenen Gasblasen zu entfernen.
[0026] Es wird besonders bevorzugt, dass die erfindungsgemässe Sensoranordnung 1 darüber hinaus eine Recheneinheit 20 zur Verarbeitung der aktuellen Messdaten der Sensoren 3 umfasst. Auf diese Weise versetzt die Recheneinheit 20 die Sensoranordnung 1 in die Lage, die Absperrung eines Ventils 38 (siehe Fig. 3 und 5) in der Wasserversorgungsleitung 2 zu beschliessen und/oder (Vorzugsweise drahtlos) über eine Antenne 29 Informationen an eine andere Sensoranordnung 1 und an den zentralen Regler 5 zu senden. Jede von einem Fachmann für zweckdienlich erachtete Kombination von Merkmalen, die in dieser Patentanmeldung offenbart werden, gehört zum Umfang der vorliegenden Erfindung.
[0027] Bei dem Verfahren zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität in einer Wasserversorgungsleitung gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine bereits beschriebene Sensoranordnung 1 verwendet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchflusszelle 6 in oder an einer Wasserversorgungsleitung 2 montiert wird, indem ein Zuflussrohr 9 mit dem Wassereinlass 7 und ein Abflussrohr 10 mit dem Wasserauslass 8 der Durchflusszelle 6 verbunden wird;
verschiedene Merkmale der Wasserqualität werden mit einer Anzahl von Sensoren 3 in einem Einweg-Wasserströmungsweg 11 gemessen, der den Wassereinlass 7 mit dem Wasserauslass 8 verbindet, wobei die Sensoren 3 jeweils stromabwärts voneinander in Bezug auf den Wasserströmungsweg 11 derart angeordnet sind, dass ihre Abfühlteile 12, die mit dem strömenden Wasser interagieren, in jedem Fall in oder zumindest nahe einer Mittelachse 13 des Wasserströmungswegs 11 angeordnet sind.
[0028] Vorzugsweise wird der Wasserdurchfluss durch den Wasserströmungsweg 11 mittels einer Drosselvorrichtung 19 der Durchflusszelle 6 überwacht und reguliert. Wenn es nötig ist, z.B. wenn ein zu hoher Gehalt an biologischen Zellen in der Durchflusszelle festgestellt wird, kann der Wasserdurchfluss erhöht werden, um die Durchflusszelle 6 zu spülen. Dieses Spülen kann manuell durchgeführt werden; es wird jedoch auf höchst bevorzugte Weise ebenfalls durch Fernsteuerung durchgeführt. Eine solche Fernsteuerung kann durch die individuelle Recheneinheit 20 der jeweiligen Sensoranordnung 1 oder durch den zentralen Regler 5 erfolgen. In jedem Fall wird eine solche individuelle Steuerung vorzugsweise auch durch den zentralen Regler 5 überwacht.
So wird vorzugsweise ein spezieller Wasserdurchfluss (von 30 bis 50 l/h für Trinkwasseranwendungen) in dem Einweg-Wasserströmungsweg 11 einer Durchflusszelle 6 gewählt, die mit einem für Haushalte bestimmtes Netz mit einem Wasserdruck im Bereich von z.B. 0.1 bis 6 Bar verbunden ist. Ein solcher Wasserdurchfluss sorgt für eine kontinuierliche Reinigung der Durchflusszelle 6, so dass die Sensoranordnung 1 über Monate und sogar Jahre dauerhaft an dem Wasserverteilnetz angebracht sein kann.
[0029] Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und ein System zur Früherkennung von Kontaminationen in einer Trinkwasserversorgung. Der Hauptzweck des Systems ist es, die Ausgabe von Warnungen an die Bevölkerung und an die Behörden in einem ausreichend frühen Verschmutzungsstadium zu ermöglichen. So können rechtzeitig Gegenmassnahmen ergriffen werden, und die Exposition der Bevölkerung gegenüber schädlichen Schmutzstoffen kann minimiert und möglicherweise gänzlich verhindert werden. Das System ermöglicht es, Mittel einzurichten, um kontinuierliche Aktualisierungen zur Trinkwasserqualität zu liefern. Als weitere Entwicklung ermöglicht es das System darüber hinaus, den Wasserdurchfluss durch das Netz automatisch zu steuern, um die Auswirkungen einer möglichen Kontaminierung zu minimieren.
[0030] In einer Ausführungsform wird eine Reihe von Sensoranlagen oder, wie sie auch genannt werden, "Sensoranordnungen" zur Online-Überwachung der Wasserqualität verwendet. Solche Sensoreinheiten umfassen eine Durchflusszelle 6 und überwachen physikalische, chemische und biologische Parameter. Die physikalisch-chemischen Parameter umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Werte wie Temperatur, Trübung, Leitfähigkeit, Sauerstoffgehalt, pH, Redoxpotential, Chlorkonzentration, DOC/TOC, CSB, BSB (dissolved organic carbons - gelöster organischer Kohlenstoff/total organic carbons - gesamter organischer Kohlenstoff, chemischer Sauerstoffbedarf, biologischer Sauerstoffbedarf) und Nitratkonzentration, um nur einige zu nennen. Die biologischen Parameter umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, die Spezies Escherichia coli, Salmonella, Shigella, Pseudomonas, Legionella.
[0031] In einer Ausführungsform können die Sensoreinheiten an verschiedenen Standorten angeordnet werden, um ein Minimum an wichtigen Knotenpunkten des Netzes zu erfassen. Die Definition der räumlichen Anordnung der Sensoranlagen oder Sensoranordnungen 1 ist das Ergebnis systematischer Forschungs- und Optimierungsarbeiten, wobei Folgendes berücksichtigt wird:
(a) Zugänglichkeit, (b) Vorhandensein einer Drahtlosverbindung, (c) kritische Punkte des Wasserverteilnetzes, wie z.B. Bevölkerungsdichte, durchschnittlicher Wasserdurchfluss und Vorhandensein potentieller Gefahrenquellen, um nur einige zu nennen.
[0032] Die Wechselbeziehung zwischen bestimmten Parametern ist nur qualitativ aus der Erfahrung bekannt, es ist jedoch von fundamentaler Wichtigkeit, solche Beziehungen zu quantifizieren. Ein Beispiel einer solchen Korrelation ist der Rückgang der Konzentration an freien Chlorionen (zum Zweck des Schutzes des Netzes wird Natriumhypochlorit zugesetzt) in Gegenwart eines (im Allgemeinen) bakteriellen Gehalts. Darüber hinaus können auch Parameter, die gewöhnlich als voneinander unabhängig erscheinen, eine gewisse leichte Korrelation zeigen.
[0033] Eine solide Datenbank und geeignete Algorithmen erlauben es dem Betreiber des Wasserverteilnetzes, ein allgemeines Bild von der Qualität des verteilten Wassers zu ermitteln, indem jederzeit nur einige wenige Parameter gemessen werden. In einer beispielhaften Ausführungsform werden alle relevanten Parameter in dem gesamten Wasserversorgungsnetz bestimmt, indem nur einige wenige Werte gemessen werden und indem die geeigneten Korrelationsalgorithmen verwendet werden. An einer Hauptmessstelle I werden zum Beispiel alle Parameter (1 bis n) gemessen. Diese Parameter umfassen all jene, die oben angeführt wurden. An externen Standorten II und III sind zum Beispiel sekundäre Messstellen mit eingeschränkten Messkapazitäten verfügbar. An diesen externen Standorten II und III werden nur die Parameter 1 bis p bzw. 1 bis q überwacht, wobei (p, q) < n.
Gemäss einer solchen beispielhaften Ausführungsform eines an einem Wasserverteilnetz 44 angeordneten Sensornetzes 42 ermöglichen es die Korrelationen zwischen den an der Hauptmessstelle I aufgezeichneten Daten, diese Parameter an allen anderen Standorten (hier II und III) auf der Basis der hier gemessenen wenigeren, aber relevanten Parameter jederzeit zu extrapolieren.
[0034] Die Minimierung der Anzahl der überwachten Parameter führt somit zu einer Reduktion der Abmessungen der Sensoranlagen oder Sensoranordnungen 1, die praktisch überall im Netz 44, zum Beispiel in Feuerlöschhydranten (in Überflurhydranten 35 oder in Unterflurhydranten 36; siehe Fig. 3) angebracht werden können. Auch eine Senkung der Kosten der Sensoranordnungen 1, die im Hinblick auf eine verbreitete Anwendung der Sensoren 3 wünschenswert ist, ist eine positive Auswirkung der Minimierung der überwachten Parameter.
[0035] Obwohl die Sensoranlagen oder Sensoranordnungen 1 die kontinuierlich erfassten Daten vorzugsweise lokal (d.h. in ihrer Recheneinheit 20) speichern, sind sie auch mit Drahtlosübertragungsmodulen oder Kommunikationseinheiten 4 versehen, die verwendet werden, um die Daten an eine zentrale Überwachungs- und Datenverarbeitungsstation, d.h. an einen zentralen Regler 5 zu senden. Die drahtlose Datenübertragung, z.B. mittels Antennen 29, hat sich bereits bewährt. Darüber hinaus wird eine Routine zur regelmässigen Übertragung der Daten eingesetzt.
[0036] Nachdem die Daten heruntergeladen wurden, werden sie derart verarbeitet, dass eine Bedienungskraft leicht in der Lage ist, das Auftreten von Verschmutzungsereignissen zu erkennen (und sie wenn möglich gänzlich zu verhindern). Nachdem diese verarbeitet und verständlich gemacht wurden, können einige der Daten auch der allgemeinen Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden. Darüber hinaus können die Daten regelmässig aktualisiert werden, indem sie z.B. auf einer Internetseite veröffentlicht werden. Dabei ist jedoch sicherzustellen, dass das Format der öffentlich zugänglichen Daten derart gestaltet wird, dass keine Möglichkeit der Falschinterpretationen und Manipulationen besteht. Auch sollte nur ausgewählten Benutzern Zugang zu heiklen Daten gewährt werden.
Die Daten sollten im Allgemeinen gesichert sein, um zu verhindern, dass jedermann sie frei im Internet veröffentlichen kann. In diesem Fall sollten gut bekannte Techniken zur Datensicherung angewendet werden. Solche Techniken werden z.B. in dem Patent EP 1 649 278 B1 offenbart, das auch diesbezüglich durch Bezugnahme ausdrücklich hierin aufgenommen wird.
[0037] Die Gegend, in der sich die Wasserquellen befinden, kann geologische Merkmale aufweisen, die sie der Witterung aussetzen. So kann zum Beispiel die karstische Natur bestimmter Gegenden dazu führen, dass die Trübung des Wassers nur einige wenige Stunden nach dem Einsetzen eines heftigen Regens dramatisch steigt. Die Wahrscheinlichkeit, Bakterien zu finden (die aus den gedüngten Feldern an der Oberfläche ausgeschwemmt werden) kann so signifikant steigen. Dieser Umstand macht es somit noch dringlicher, die Gegenwart von Schmutzstoffen im Wasser vorherzusagen, wenn es abgezogen und in das Netz eingespeist wird. Daher können Wetterdaten, die z.B. den Datenbanken von meteorologischen Diensten entnommen werden, zur Verfeinerung der Prognosemodelle verwendet werden.
[0038] Der Wasserbedarf variiert im Lauf eines Tages beträchtlich. Während er am Morgen bzw. zur Mittag- und Abendessenzeit am höchsten ist, ist er in der Nacht, vor allem nach 12 Uhr Mitternacht, sehr gering. Darüber hinaus ist das Verbrauchsmuster in Wohngegenden ein anderes als in Geschäfts- oder Industriegebieten (siehe Fig. 3und 4). Die Durchflussdaten der über das Netz verteilten Wasserzähler können so genutzt werden, dass allfällige notwenige Gegenmassnahmen (z.B. Sperrungen von Leitungsabschnitten) bei einer Kontaminierung auf jene Bereiche des Wasserversorgungsnetzes optimiert werden, die von einem solchen Ereignis mit höherer Wahrscheinlichkeit betroffen sind.
[0039] Fig. 2 zeigt die bevorzugten Masse der ersten Ausführungsform einer Sensoranordnung 1 zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität von Fig. 1. Alle Masse sind in mm angegeben.
[0040] Die folgende Tabelle 1 zeigt die chemischen und physikalischen Merkmale des Wassers, die vorzugsweise gemessen werden, sowie die technischen Daten der Sensoren, die zu diesem Zweck vorzugsweise verwendet werden.
Tabelle 1
[0041]
<tb>Merkmal<sep>Messprinzip<sep>Messbereich<sep>Auflösung
<tb>pH-Wert<sep>Gaselektrode galvanisch<sep>0.00 bis 14.00 PH<sep>0.01 pH
<tb>Redoxpotential<sep>Platinelektrode galvanisch<sep>-2000 bis +2000 mV<sep>1 mV
<tb>Freies Chlor<sep>Doppelmembranelektrode galvanisch<sep>0.00 bis 2.00 mg/l<sep>0.01 mg/l
<tb>Ozon<sep>Doppelmembranelektrode galvanische<sep>0.00 bis 2.00 mg/l<sep>0.01 mg/l
<tb>UV-VIS-Spektrometer<sep>Xenon-Photoarray optisch 180[deg.]<sep>190 bis 720 nm<sep>2 nm/256 Pixel
<tb>Trübungsmessung<sep>Infrarot-LED optisch<sep>0.000 bis 10.000 FNU<sep>0.005 FNU
<tb>Gelöster O2<sep>Speziallegierungselektrode galvanisch<sep>0.00 bis 20.00 mg/l<sep>0.01 mg/l
<tb>Temperatur<sep>Widerstandsmessung NTC<sep>-10.0 bis +60.0[deg.]C<sep>0.1 [deg.]C
<tb>Leitfähigkeit<sep>induktiv mit Kompensation<sep>50 bis 20 000 uS/cm<sep>1 uS/cm
<tb>SAK 254<sep>korreliert zum UV-VIS-Spektrometer bei 254 nm<sep>0.0 bis 20.0 E/m<sep>0.1 E/m
<tb>TOC / DOC<sep>korreliert zum UV-VIS-Spektrometer bei 254 nm<sep>0.0 bis 20.0 mg/l<sep>0.1 mg/l
<tb>Nitrat<sep>korreliert zum UV-VIS-Spektrometer bei 254 nm<sep>0.0 bis 100.0 mg/l<sep>0.1 mg/l
[0042] Die Recheneinheit 20 der Sensoranordnung 1 zur permanenten Fernüberwachung der Wasserqualität umfasst vorzugsweise ein CPU-Element mit einem 32 Bit-Prozessor und einem 128 MB-Speicher, das unter einer LINUX-Oberfläche läuft. Die Recheneinheit 20 umfasst darüber hinaus vorzugsweise eine LCD-Grafikanzeige 128/240 Pixel mit Touchpanel. Die Schnittstellen umfassen vorzugsweise einen CAN-Bus, durch den zusätzliche Sensoren angeschlossen und zusätzliche Parameter oder Merkmale gemessen werden können. Die Schnittstellen umfassen vorzugsweise auch eine Ethernet-Schnitt-stelle 10/100 MBit, einen USB-Kontakt und ein GSM-Modul. Die bevorzugte Arbeitsspannung ist 24 V Gleichstrom mit 2 Ampere.
[0043] Fig. 3 zeigt einen Teil des Aufbaus des Wasserverteilsystems in der Gemeinde Chiasso (Schweiz). Die Wasserversorgungsleitungen 2 des Wasserverteilnetzes 44 ziehen sich die Strassen und Gassen 45 entlang. Ein erster Hauptdurchflussmesser 31 und ein zweiter Hauptdurchflussmesser 32 sind an zwei Endpositionen angeordnet, nämlich in der Nähe des Punktes, an dem das Wasser von der Wasserleitung in Richtung "Serbatoio Pignolo" (siehe Pfeil 46) und von der Quelle 34 "Serbatoio San Giorgio" in das Netz 44 eintritt. In einer zentraleren Position befindet sich die Brunnen- und Pumpstation 33. Aus Fig.3geht hervor, dass hier ein reales Netz 44 von Wasserversorgungsleitungen 2 vorliegt. An prominenten Stellen sind Feuerlöschhydranten in Form eines Überflurhydranten 35 oder eines Unterflurhydranten 36 angeordnet, die alle mit einer individuellen Hydrantennummer 37 versehen sind.
Eine grosse Anzahl von Betätigungsvorrichtungen (Ventilen) 38 ist ebenfalls über das gesamte Netz verteilt. Der geografische Norden ist mit einem Pfeil mit der Bezeichnung N angegeben.
[0044] Fig. 4 zeigt ein Diagramm der Wasserdurchflussmuster über 24 Stunden, wie sie durch zwei gegenwärtig in Betrieb befindliche Haupteinlass-Durchflussmesser gemessen werden, nämlich den Haupteinlass-Durchflussmesser 1 (in Fig. 3mit 31 bezeichnet) und den Haupteinlass-Durchflussmesser 2 (in Fig. 3 mit 32 bezeichnet). Die Kurven beziehen sich auf die Hauptdurchflussmesser 1 (31) und 2 (32) und zeigen, wie trotz der sehr unterschiedlichen Durchflusswerte ausgehend von den jeweiligen Quellen eine praktisch kontinuierliche Einspeisung von Wasser gewährleistet wird. Die Abszisse der Grafik gibt die Zeitpunkte und Daten der Messungen an, während die Ordinate der Grafik den gemessenen Durchfluss in Litern pro Sekunde angibt.
In Abwesenheit einer Reihe von Sensoranordnungen 1 gemäss der Erfindung ist die Kenntnis des Beitrags jeder Quelle (unabhängig davon, ob es sich um einen Brunnen oder eine von einem Versorger ausgehende Leitung handelt) wichtig für die Schätzung der Geschwindigkeit der Verbreitung der Schmutzstoffe in den betreffenden Netzbereichen. Durchflussdaten von über das Netz verteilten Wasserzählern, d.h. in den Benutzerhaushalten angeordnete Gebührenzähler, können so genutzt werden, dass allfällige notwenige Gegenmassnahmen (z.B. Sperrungen von Leitungsabschnitten) bei einer Kontaminierung auf jene Bereiche des Wasserversorgungsnetzes optimiert werden, die von einem solchen Ereignis mit höherer Wahrscheinlichkeit betroffen sind.
[0045] Fig. 5 zeigt eine Schematik eines typischen Wasserverteilnetzes 44, das mit einem selbstorganisierten Netz von Sensoren 3, einem Netz von Betätigungsvorrichtungen 38 sowie einer zentralisierten Datenverarbeitungseinheit 41 und/oder verteilten Einheiten zur Steuerung der Betätigungsvorrichtungen 40 versehen ist. Die Sensoren kommunizieren vorzugsweise über ein Sensornetz 42, und die Betätigungsvorrichtungen kommunizieren vorzugsweise über ein Betätigungsvorrichtungsnetz 43. Das Wasser tritt ausgehend von einem Behälter oder Reservoir 39, der oder das durch einen Quelle 34 gespeist wird, in das Netz 44 ein. Wie aus der schematischen Zeichnung hervorgeht, sind die Ventile 38 vorzugsweise geeignet, mit anderen Ventilen 38, mit Sensoren 3 und mit der Steuereinheit 38 sowie mit der Datenverarbeitungseinheit 41 zu kommunizieren.
Auf diese Weise sind allen Teilnehmern der zwei Kommunikationsnetze fähig, miteinander zu kommunizieren. Dies ist wichtig, wenn sich ein Netz von Sensorknoten und Betätigungsvorrichtungen selbst organisieren soll. Sensorknoten und selbstorganisierende Netze sind an sich bekannt (siehe z.B. die Patentanmeldung US 2007/0 180 918 A1), sie werden jedoch zum ersten Mal auf Wasserverteilnetze angewendet, wie dies hier beschrieben ist.
[0046] Von besonderem Interesse ist die Echtzeiterkennung von Schmutzstoffen (oder Kontaminationen) in einem Wasserverteilnetz 44. Daher wird ein Verfahren zur Echtzeiterkennung von Schmutzstoffen in einem Wasserverteil netz 44 geschaffen. Das Verfahren wird mit einer Reihe von Sensoranlagen oder Sensoranordnungen 1 gemäss der vorliegenden Erfindung ausgeführt. Darüber hinaus ist Folgendes vorgesehen:
<tb>(a)<sep>ein selbstorganisiertes Sensornetz 42, wobei die Sensoren 3 eine Vielzahl physikalischer und/oder chemischer und/oder biologischer Parameter messen;
<tb>(b)<sep>ein Satz von Betätigungsvorrichtungen, um den Wasserdurchfluss in dem Wasserverteilnetz 44 zu steuern;
<tb>(c)<sep>eine zentralisierte oder verteilte Datenverarbeitungs- und Interpretationseinheit 41; und
<tb>(d)<sep>eine zentralisierte oder verteilte Steuereinheit 40 zum Betrieb der Betätigungsvorrichtungen 38.
[0047] Dieses selbstorganisierte Sensornetz 42 nutzt vorzugsweise eine Verbindung zur Kommunikation zwischen den Sensoren, wobei die Verbindung aus einer optischen Verbindung, einer Drahtverbindung, einer drahtlosen Verbindung oder einer beliebigen Kombination daraus gewählt wird. Besonders bevorzugt wird jedenfalls die Verwendung einer drahtlosen Verbindung.
[0048] Unter Verwendung von mindestens einem Sensor 3 der Sensoranordnung 1 wird eine Identifikation der Art einer Kontamination durchgeführt. Vorzugsweise gleichzeitig und vor der Übermittlung der Daten an eine zentralisierte oder verteilte Datenverarbeitungs- und Interpretationseinheit 41 oder an eine zentralisierte oder verteilte Steuereinheit 40 zum Betrieb der Betätigungsvorrichtungen 38 wird eine Identifikation des geografischen Standorts der Sensoranordnung 1 durchgeführt, indem eine Triangulationstechnik angewendet wird.
[0049] Besonders bevorzugt wird, dass das selbstorganisierte Netz von Sensoren in folgenden Fällen automatisch aktualisiert wird:
<tb>(a)<sep>Hinzufügen oder Entfernen von neuen Sensorknoten; oder
<tb>(b)<sep>Änderung einer Sensorparametereinstellung und/oder von Spezifikationen; oder
<tb>(c)<sep>unbeabsichtigtes Herunterfahren eines Knotens; oder
<tb>(d)<sep>beabsichtigtes Herunterfahren eines Knotens zum Beispiel auf Grund von Wartungen oder bei Manipulationen.
[0050] Auf diese Weise wird das System zur Früherkennung von Kontaminationen in einer Trinkwasserversorgung permanent aktualisiert und kann seine Funktion als Detektions- und Warnsystem erfüllen. Diese Aktualisierung wird vorzugsweise dadurch unterstützt, dass alle Ereignisse (a) bis (d) einer zentralisierten oder verteilten Datenverarbeitungs- und Interpretationseinheit 41 und/oder einer zentralisierten oder verteilten Steuereinheit 40 zum Betrieb der Betätigungsvorrichtungen 38 mitgeteilt werden.
[0051] Bei einem Störfall oder einer Kontamination des Wassers in den Wasserversorgungsleitungen werden die Betätigungsvorrichtungen 38 im Wasserverteilnetz 44 reorganisiert, um eine kontinuierliche Wasserversorgung von Gebieten zu gewährleisten, die nicht direkt von der Kontamination betroffen sind. Auf diese Weise werden die Ventile 38 in der Nähe der festgestellten Kontamination geschlossen, um die Verteilung von kontaminiertem Wasser zu stoppen. Gleichzeitig können die Ventile 38 in nicht kontaminierten Gebieten offen gehalten werden. Es wird besonders bevorzugt, dass eine von der Natur eines Ereignisses abhängige Warnmeldung an spezifische Stellen gesendet wird, wobei dieses Ereignis aus einer Gruppe gewählt wird, die in Relation zu einer vorher definierten Schwelle abnormale physikalische, chemische oder biologische Merkmale umfasst.
Diese spezifischen Stellen können eine zentralisierte oder verteilte Datenverarbeitungs- und Interpretationseinheit 41 und/oder eine zentralisierte oder verteilte Steuereinheit 40 zum Betrieb der Betätigungsvorrichtungen 38 sein. Andere spezifische Stellen können sich in Polizeistationen, Feuerwachen, Krankenhäusern, kommunalen und regionalen Alarm- und Informationszentren usw. befinden.
[0052] Es wird ein System zur Früherkennung von Schmutzstoffen in einem Wasserverteilnetz 44 beschrieben. Das System beruht auf einer Anzahl von Fernsensoren 3, die im gesamten Wasserversorgungsnetz 44 angeordnet sind. Die Sensoren 3 kommunizieren miteinander, indem sie ein selbstorganisiertes drahtloses Netz verwenden, wobei sie Daten und Steuerbefehle austauschen. Das System ermöglicht es den Wasserversorgern, Kontaminationen in dem Augenblick zu erkennen, in dem sie auftreten. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, um die Wasserleitungen vor vorsätzlichen Akten, Vernachlässigung und Störfällen zu schützen.
Liste der Bezugszeichen
[0053]
<tb>1<sep>Sensoranordnung
<tb>2<sep>Wasserversorgungsleitung
<tb>3<sep>Sensor
<tb>4<sep>Kommunikationseinheit
<tb>5<sep>zentraler Regler
<tb>6<sep>Durchflusszelle
<tb>7<sep>Wassereinlass
<tb>8<sep>Wasserauslass
<tb>9<sep>Zuflussrohr
<tb>10<sep>Abflussrohr
<tb>11<sep>Einweg-Wasserströmungsweg
<tb>12<sep>Abfühlteil von 3
<tb>13<sep>Mittelachse von 11
<tb>14<sep>Gewindeteil
<tb>15<sep>Mutterteil
<tb>16<sep>Einsetzloch
<tb>17<sep>spezielle Strömungswegteile
<tb>18<sep>Durchmesser von 17
<tb>19<sep>Drosselvorrichtung
<tb>20<sep>Recheneinheit
<tb>21<sep>pH-Sonde
<tb>22<sep>Redox-Sonde
<tb>23<sep>Chlor- oder Chlordioxidoder Ozonsensor
<tb>24<sep>UV-VIS-Spektrometer
<tb>25<sep>Trübungssensor
<tb>26<sep>Stopfen
<tb>27<sep>O2-Sensor
<tb>28<sep>Sonde zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit
<tb>29<sep>Antenne
<tb>30<sep>Dichtung
<tb>31<sep>Hauptdurchflussmesser 1
<tb>32<sep>Hauptdurchflussmesser 2
<tb>33<sep>Brunnen- und Pumpstation "PRA' TIRO"
<tb>34<sep>von der Quelle "ROVAGINA" über Filterstation "MORBIO INF."
<tb>35<sep>Überflurhydrant
<tb>36<sep>Unterflurhydrant
<tb>37<sep>Hydrantennummer
<tb>38<sep>Ventil (Betätigungsvorrichtung)
<tb>39<sep>Behälter, Reservoir
<tb>40<sep>Steuereinheit zum Betrieb von 38
<tb>41<sep>Datenverarbeitungseinheit
<tb>42<sep>Sensornetz
<tb>43<sep>Betätigungsvorrichtungsnetz
<tb>44<sep>Wasserverteilnetz
<tb>45<sep>Strassen und Gassen
<tb>46<sep>Pfeil; Richtung "Serbatoio Pignolo"
<tb>47<sep>automatisches Entlüftungsventil
<tb>48<sep>Glasrohr
Technical field of the invention
The present invention relates to a sensor arrangement for permanent remote monitoring of water quality in a water supply line and in particular in a water supply network. In a preferred embodiment, the present invention relates to real-time remote detection of contaminants in water distribution networks. In addition, the present invention relates to methods based on the use of such a sensor arrangement for the permanent remote monitoring of water quality.
All drinking water suppliers in Switzerland are subject to the Federal Law on food, cantonal laws and the guidelines of the Swiss Association of Gas and Water, which concerns the guarantee of a minimum drinking water quality. These regulations require that the purity of the drinking water is regularly checked by laboratory tests. For example, monthly tests must be carried out to determine the presence of bacteria in drinking water, while the content of hazardous chemicals must be checked twice a year. However, these traditional methods do not offer a complete safety guarantee, as any contamination that occurs shortly after the laboratory tests remain undetected until the next tests are performed.
The present invention, however, deals with the continuous online monitoring of critical water features or parameters, so that any contamination can be detected almost immediately and all necessary countermeasures can be taken while they are still effective.
Cases of contamination in drinking water supply networks have had serious consequences in the past. A famous example that ended in court happened in California, where Hinkley town groundwater was contaminated by a nearby power plant due to emissions of hexavalent chromium ion solutions used to protect against corrosion. This case was illustrated in the film Erin Brockovich (2000). Other more or less serious cases of contamination occurred throughout the world. Such a case prompted the inventors to develop a permanent solution, creating a system for the early detection and warning of the operator of a water distribution network.
Corresponding state of the art
A remote contamination monitoring system for a water supply network is known from patent EP 1 649 278 B1. Here, at least one detector is disposed in each of a plurality of water supply lines. The detectors are adapted to monitor at least one characteristic of the water flowing through and to generate a signal related to this feature, this feature being made of a large number of physical or chemical parameters, e.g. pH, temperature, electrical conductivity, chlorine concentration, etc. and from a large number of biological parameters, e.g. the presence of coliform and other bacteria or microorganisms.
Each detector is preferably located at a node in a water supply network which is also provided with an access port connected to communicate with an access controller. Specific personal characteristics of an access key may allow certain individuals to gain access to one or more access ports of the monitoring system. A special shut-off valve may be arranged at a second node. When the detector transmits specific data to a central controller via a wireless connection, the local controller compares the incoming specific data with stored model data, and the local controller can decide, based on this comparison, to close the respective shut-off valve (also via a wireless connection) ,
These decisions may also be based on the cross-correlation of the data obtained from different detectors presenting different features; In this way, all detectors for all features need not be provided at the same node.
A special sensor arrangement in a multi-parameter monitoring system is known from the patent US 7,007,541 B1. Here, a plurality of multi-parameter monitoring tool arrangements are connected via a communications network and, in addition, are in communication with a central controller. Each of these multi-parameter monitoring tool assemblies is provided with a plurality of sensor head components and a functionality of the central controller is to receive configuration information for each of these interchangeable sensor head components to extract operating information therefrom. The sensor heads of a multi-parameter monitoring tool may be disposed in a throttle that partially encloses the sensors but has access openings for the water to reach the sensors.
This choke also provides physical protection to the sensitive detectors when the multi-parameter monitoring tool is used to increase the water quality at locations such as e.g. in groundwater or surface water. Alternatively, the sensor heads of a multiparameter monitoring tool may be disposed in a flow cell including inlet and outlet conduits, thereby providing a means to expose the sensors in a tooling assembly to a remote source of liquid.
Aims and Summary of the Present Invention
An object of the present invention is to provide an alternative sensor arrangement that allows for long-term remote monitoring of water quality in water supply lines in a permanent manner. An additional object of the present invention is to provide an alternative sensor arrangement which is at least partially independent of a central controller. Another object of the present invention is to provide a method for permanent remote monitoring of water quality in a water supply line. Another object of the present invention is to provide an alternative sensor arrangement in a system that allows water suppliers to detect contaminants at the moment they occur.
A first goal is achieved by the sensor arrangement described herein. The sensor arrangement according to the present invention is intended for the permanent remote monitoring of the water quality in a water supply line. The sensor assembly includes a number of sensors for detecting various water quality characteristics and for providing up-to-date measurement data. The sensor arrangement also includes a communication unit for transmitting the current measurement data to a central controller. In addition, the sensor assembly includes a flow cell provided with a water inlet and with a water outlet configured to be connected to an inflow pipe or a drain pipe of the water supply pipe, respectively.
The sensor assembly according to the present invention is characterized in that the flow cell comprises a one-way water flow path connecting the water inlet to the water outlet, the sensors each being located downstream of each other with respect to the water flow path such that their sensing portions coincide with the flow Interact with water, are arranged in any case in or at least near a central axis of the water flow path. Further preferred and inventive features are evident from the dependent claims.
A second object is achieved by the provision of a sensor arrangement according to the present invention, which further comprises a processing unit for processing the current measurement data of the sensors, which allows the sensor arrangement to decide on the implementation of a shut-off of a valve in the water supply line and / or to provide information to another sensor arrangement and to the central controller.
A third object is achieved by a method for the permanent remote monitoring of the water quality in a water supply line with the sensor arrangement according to the present invention. This method is characterized in that a flow cell is mounted in or on a water supply pipe by connecting an inflow pipe to the water inlet and a drain pipe to the water outlet of the flow cell.
Various water quality features are measured with a number of sensors in a one-way water flow path connecting the water inlet to the water outlet, the sensors each downstream of each other with respect to the water flow path such that their sensing portions interact with the flowing water , in any case in or at least near a central axis of the water flow path.
A fourth object is achieved by providing a system as described below. The system relies on a number of remote sensors located throughout the operator's water supply network. The sensors communicate with each other using a self-organized wireless network, exchanging data and control commands. The system allows water suppliers to detect contaminants as they occur. This is of particular importance to protect the water pipes from intentional acts, neglect and incidents. The main purpose of systematic collection and processing of water quality data is the ability to timely counteract possible water contamination.
The collected data can also be used to produce forecasts of water quality at various points of the network under the influence of external factors or to predict the distribution pattern of contamination.
definitions
In the context of the present invention, the following definitions apply:
A "water distribution network" is a network of water sources, pumping and treatment stations, and pipes used to deliver water to consumers in a community.
A "contamination" is the presence of unwanted and / or potentially hazardous substances in drinking water in critical amounts.
A "self-organized sensor network" is a network of spatially distributed autonomous devices that use sensors to detect in cooperation physical conditions or environmental conditions such as e.g.
Monitor temperature, noise, vibration, pressure, movement or contaminants at various locations.
A "sensor node" is a node in a wireless sensor network that is capable of performing certain processing operations, collecting sensory information, and communicating with other connected nodes in the network.
An "actuator" is a mechanical element that is used to control the flow in a section of the water distribution network, such as a water jet. a slide valve or any other shut-off device.
A "physical parameter" is a feature such as, but not limited to, temperature, turbidity and conductivity (raw and corrected) of the water flowing in the water distribution network.
A "chemical parameter" is a feature such as, but not limited to, oxygen content, pH, redox potential, chlorine concentration, DOC / TOC, COD / BOD, nitrate concentration.
A "biological parameter" is a feature that refers to microorganisms of the species such as, but not limited to, Escherichia coli, Salmonella, Shigella, Pseudomonas, Legionella.
A "triangulation technique" is a technique by which the spatio-temporal origin of an event can be derived by mathematical means from the widespread sensor information.
Brief introduction to the drawings
The invention will be better understood by means of the description of an embodiment given by way of example, which does not limit the scope of the present invention and which is illustrated by the accompanying drawings, wherein:
<Tb> FIG. 1 <sep> shows a first embodiment of a sensor arrangement for permanent remote monitoring of water quality according to the present invention;
<Tb> FIG. 2 Fig. 1 shows the preferred dimensions of the first embodiment of a sensor system for permanent remote monitoring of the water quality of Fig. 1;
<Tb> FIG. 3 <sep> shows part of the structure of the water distribution system in the municipality of Chiasso (Switzerland);
<Tb> FIG. 4 <24> is a graph of water flow patterns over 24 hours as measured by two main inlet flowmeters currently in operation;
<Tb> FIG. 5 5 shows a schematic of a typical water distribution network provided with a self-organized sensor network, a network of actuators as well as centralized or distributed data processing units and actuator control units.
Detailed description of the invention
Fig. 1 shows a first embodiment of a sensor arrangement for permanent remote monitoring of the water quality according to the present invention. This is a sensor arrangement 1 for the permanent remote monitoring of the water quality in a water supply line 2. The sensor arrangement 1 comprises a number of sensors 3 for detecting various features of the water quality and for providing up-to-date measurement data, a communication unit 4 for sending the current measurement data to a central controller 5, and a flow cell 6. The flow cell 6 is provided with a water inlet 7 and with a water outlet 8, which are designed so that they can be connected to an inlet pipe 9 and a drain pipe 10 of the water supply line 2, respectively.
The sensor arrangement 1 for permanent remote monitoring of the water quality according to the present invention is characterized in that the flow cell 6 comprises a one-way water flow path 11 connecting the water inlet 7 to the water outlet 8, the sensors 3 each downstream with respect to the water flow path 11 are arranged such that their sensing portions 12, which interact with the flowing water, are arranged in each case in or at least near a central axis 13 of the water flow path 11. The preferred diameter of the water flow path is 23 mm, while its length is preferably no longer than 600 mm.
Preferably, each of the sensors 3 comprises a threaded portion 14 in order to attach the sensor 3 from the outside in a corresponding female part 15 of an insertion hole 16 of the flow cell 6 can. Each of these insertion holes 16 opens individually into the water flow path 11. The equipment of the sensors 3 with a threaded portion 14 facilitates the precise installation and replacement of the sensors 3. Other types of attachment of the sensors 3 to the flow cell 6 are conceivable; these species include e.g. the use of bayonet-type quick-lock connections (not shown).
The respective sensors provide the best performance at a suitable location, which supplies the sensor with an optimal volume of water. In this sensor arrangement 1 it is therefore preferred that the water flow path 11 comprises a number of special flow path parts 17 having a substantially circular cross-section with a diameter 18 adapted to the type of sensor 3 whose sensing part 12 is arranged in the special flow path part 17 is. In order to supply the sensors 3 in the sensor arrangement 1 with an at least approximately homogeneous environment, the special water flow path parts 17 are preferably arranged concentrically with respect to the central axis 13 of the water flow path 11.
In the first embodiment shown in Fig. 1, the flow cell 6 of the sensor assembly 1 is designed as a cube. In order to provide a sensor assembly 1 with the smallest possible total volume, the center axis 13 of the water flow path 11 extends substantially parallel to three straight extensions of the flow cell 6, whereby a one-way water flow path 11 is formed in the shape of an inverted U.
It is particularly preferred to provide the flow cell 6 of the inventive sensor assembly 1 with a throttle device 19 for regulating the water flow in the water flow path 11. When the flow of water is regulated, optimum measuring or detection conditions can be achieved for the various sensors 3, each housed in a cavity of suitable volume. By adjusting the volume of the cavity and regulating the water flow, the specific conditions for each sensor 3 can be optimized. In fact, it has been found that regulation of water flow also eliminates the risk of accumulation of contaminants or biological masses.
Therefore, in the one-way water flow path 11, a flow cell 6 that enters a household-specific network with a water pressure in the range of e.g. 0.1 to 6 bar inserted or attached to this, preferably a certain water flow (30 to 50 l / h for drinking water applications) selected. This water flow ensures a continuous cleaning of the flow cell 6, so that the sensor assembly 1 over months and even years permanently on the water distribution network 44 (see FIG. 5) may be appropriate.
Notwithstanding the illustration in Fig. 1, the flow cell 6 could be mounted in any other orientation: In a reverse position, the one-way water flow path 11, for example, in the form of an upright U on. For example, in a position where the flow cell 6 is rotated 90 degrees to the left, the one-way water flow path 11 is in the shape of an upright C, for example. The decision on the actual orientation will be left to the person skilled in the art, who will mount the flow cell 6. However, the position shown in FIG. 1 is preferred because the throttling device 19 may also preferably be used as a venting means to remove most or all of the air bubbles present in the one-way water flow path 11 of the flow cell 6.
1, the flow cell may be in the form of a stretched cube (not shown) with the central axis 13 of the water flow path 11 extending substantially parallel to the longitudinal extent of the flow cell 6, thereby forming a straight one-way water flow path 11 (not shown) is formed. The individual sensors 3 may be arranged on one side or on two, three or all four sides of such a stretched cube (not shown).
1, the flow cell may be designed as a cylinder (not shown), wherein the central axis 13 of the water flow path 11 extends substantially parallel to the longitudinal extent of the flow cell 6, whereby a straight one-way water flow path 11 (FIG. not shown) is formed.
To meet the requirements of the above-mentioned drinking water quality regulations, the flow cell 6 is preferably made of a non-corrosive, inert material selected from a group of materials including: brass, light metals, light metal alloys, polymer materials, and polymer composites , The person skilled in the art will select suitable materials that are approved and permitted for use in drinking water supply lines.
The production of the flow cell 6 is preferably carried out by injection molding of polymer materials and / or polymer composite materials. This method has the advantage that low-weight flow cells can be produced in large quantities and with high precision, whereby the relatively high costs for the injection molding tool are divided among the large number of individual flow cells. However, if smaller series of flow cells 6 are to be made, block materials of metals or polymers may be used with the insertion holes 16 and the special water flow path parts 17 made as boreholes. In order to optimize the quality and to minimize the production costs, combinations of these methods as well as shaped semi-finished parts of metal or polymer materials can be used.
The sensors 3 mounted to the flow cell 6 are preferably selected from a group comprising pH, redox, chlorine, UV-VIS, turbidity measurement, O 2 and conductivity probes.
In the embodiment shown in Fig. 1, a pH probe 21, a redox probe 22, a chlorine, chlorine dioxide or ozone sensor 23, a UV-VIS probe 24, a turbidity sensor 25, an 02 sensor 27 and an electric conductivity measuring probe 28 are disposed along the one-way water flow path 11. An overview of suitable sensors and features to be measured therewith is given in patent EP 1649 278 B1, which is expressly incorporated herein by reference. Thus, any sensor cited in this European patent, i. Any commercially available sensor, are included in the flow cell 6 of the inventive sensor assembly 1. It is noted, however, that the order of the sensors 3 is preferably selected as shown in FIG.
Empty insertion holes 16 may be closed with a plug 26 to prevent leaks from the flow cell 6. Optionally, all sensors and plugs are provided with at least one seal 30 to close the water flow path 11 tightly against the environment. The plug 26 is also preferably used in maintenance, for example, in the cleaning of the special coated glass tube of the opacimeter and in calibrating the opacimeter with Referenzkalibriergläsern.
Particularly preferred is a turbidity meter 25 with an LED transmitter, which is positioned at a 90 ° angle to the receiver (sensor) 25. The transmitter is mounted on the back of the flow cell 6. In addition, it should be noted that the water flows through an inserted glass tube 48 which is sealed by two O-rings 30 (see Fig. 1). In addition, an automatic bleed valve 47 is preferably mounted on the water flow path 11 to remove any gas bubbles that may be present in the flow cell 6.
It is particularly preferred that the sensor arrangement 1 according to the invention further comprises a computing unit 20 for processing the current measurement data of the sensors 3. In this way, the arithmetic unit 20 enables the sensor arrangement 1 to close the shut-off of a valve 38 (see FIGS. 3 and 5) in the water supply line 2 and / or (preferably wirelessly) via an antenna 29 information to another sensor arrangement 1 and to send to the central controller 5. Any combination of features disclosed in this patent application, which is considered appropriate by one skilled in the art, is within the scope of the present invention.
In the method for the permanent remote monitoring of the water quality in a water supply line according to the present invention, an already described sensor arrangement 1 is used. The method is characterized in that a flow cell 6 is mounted in or on a water supply line 2 by connecting an inflow pipe 9 to the water inlet 7 and a drain pipe 10 to the water outlet 8 of the flow cell 6;
Various features of water quality are measured with a number of sensors 3 in a one-way water flow path 11 connecting the water inlet 7 to the water outlet 8, the sensors 3 each downstream of each other with respect to the water flow path 11 are arranged such that their sensing parts 12th which interact with the flowing water, in any case in or at least near a central axis 13 of the water flow path 11 are arranged.
Preferably, the water flow through the water flow path 11 is monitored and regulated by means of a throttle device 19 of the flow cell 6. If necessary, e.g. if too high a content of biological cells in the flow cell is detected, the water flow can be increased to flush the flow cell 6. This rinsing can be done manually; however, it is most preferably also done by remote control. Such a remote control can be carried out by the individual computing unit 20 of the respective sensor arrangement 1 or by the central controller 5. In any case, such an individual control is preferably also monitored by the central controller 5.
Thus, a particular water flow (from 30 to 50 l / h for drinking water applications) is preferably selected in the one-way water flow path 11 of a flow cell 6 which is provided with a household-specific network having a water pressure in the range of e.g. 0.1 to 6 bar is connected. Such a water flow ensures a continuous cleaning of the flow cell 6, so that the sensor arrangement 1 can be permanently attached to the water distribution network over months and even years.
The present invention provides a method and system for the early detection of contaminants in a drinking water supply. The main purpose of the system is to enable the issuance of warnings to the public and to the authorities at a sufficiently early stage of pollution. In this way, countermeasures can be taken in good time and the exposure of the population to harmful contaminants can be minimized and possibly completely prevented. The system allows resources to be set up to provide continuous updates to drinking water quality. As a further development, the system also makes it possible to automatically control the flow of water through the network to minimize the effects of possible contamination.
In one embodiment, a series of sensor systems or, as they are also called, "sensor arrangements" are used for online monitoring of the water quality. Such sensor units include a flow cell 6 and monitor physical, chemical and biological parameters. The physicochemical parameters include, but are not limited to, values such as temperature, turbidity, conductivity, oxygen content, pH, redox potential, chlorine concentration, DOC / TOC, COD, BOD (total dissolved organic carbons) organic carbon, chemical oxygen demand, biological oxygen demand) and nitrate concentration, to name but a few. The biological parameters include, but are not limited to, the species Escherichia coli, Salmonella, Shigella, Pseudomonas, Legionella.
In one embodiment, the sensor units may be located at different locations to detect a minimum of important nodes of the network. The definition of the spatial arrangement of the sensor systems or sensor arrangements 1 is the result of systematic research and optimization work, taking into account the following:
(a) accessibility, (b) presence of a wireless connection, (c) critical points of the water distribution network, e.g. Population density, average water flow and potential sources of danger, to name but a few.
The interrelation between certain parameters is only qualitatively known from experience, but it is of fundamental importance to quantify such relationships. An example of such a correlation is the decrease in free chlorine ion concentration (sodium hypochlorite is added for the purpose of protecting the mesh) in the presence of a (generally) bacterial content. Moreover, even parameters that usually appear to be independent of one another may show some slight correlation.
A solid database and suitable algorithms allow the water distribution network operator to obtain a general picture of the quality of the distributed water by measuring only a few parameters at any one time. In an exemplary embodiment, all relevant parameters in the entire water supply network are determined by measuring only a few values and using the appropriate correlation algorithms. At a main measuring point I, for example, all parameters (1 to n) are measured. These parameters include all those listed above. At external locations II and III, for example, secondary measuring points with limited measuring capacities are available. At these external locations II and III only the parameters 1 to p or 1 to q are monitored, where (p, q) <n.
According to such an exemplary embodiment of a sensor network 42 arranged on a water distribution network 44, the correlations between the data recorded at the main measuring point I, these parameters at all other locations (here II and III) at any time on the basis of the lesser but relevant parameters measured here to extrapolate.
Minimizing the number of parameters monitored thus results in a reduction in the dimensions of the sensor systems or sensor assemblies 1 which are mounted virtually throughout the network 44, for example in fire hydrants (in overhead hydrants 35 or in underground hydrants 36, see Fig. 3) can. Also, lowering the cost of the sensor assemblies 1, which is desirable in view of widespread use of the sensors 3, is a positive effect of minimizing the monitored parameters.
Although the sensor devices or sensor arrays 1 preferably store the continuously acquired data locally (i.e., in their arithmetic unit 20), they are also provided with wireless transmission modules or communication units 4 which are used to transmit the data to a central monitoring and data processing station, i. to send to a central controller 5. The wireless data transmission, e.g. by means of antennas 29, has already proven itself. In addition, a routine for the regular transmission of the data is used.
After the data has been downloaded, it is processed so that an operator is easily able to detect the occurrence of soiling events (and to prevent them altogether if possible). Once these have been processed and made comprehensible, some of the data may also be made available to the general public. In addition, the data can be regularly updated by e.g. be published on a website. However, it should be ensured that the format of publicly available data is such that there is no possibility of misinterpretation and manipulation. Also, only selected users should be given access to sensitive data.
The data should generally be secured to prevent anyone from publishing it freely on the Internet. In this case, well-known data backup techniques should be used. Such techniques are e.g. in EP 1 649 278 B1, which is also expressly incorporated herein by reference.
The area in which the water sources are located, may have geological features that expose them to the weather. For example, the karst nature of certain areas may cause the turbidity of the water to increase dramatically only a few hours after the onset of heavy rainfall. The likelihood of finding bacteria (flushed out of the fertilized fields on the surface) can increase so significantly. This fact makes it even more urgent to predict the presence of pollutants in the water when it is withdrawn and fed into the grid. Therefore, weather data, e.g. taken from the databases of meteorological services can be used to refine the forecasting models.
The water requirement varies considerably in the course of a day. While it is highest in the morning, or lunch time, and dinner time, it is very low at night, especially after midnight. In addition, consumption patterns are different in residential areas than in commercial or industrial areas (see Figs. 3 and 4). The flow data of the water meters distributed over the network may be used to optimize any necessary countermeasures (e.g., line spills) in the event of contamination of those areas of the water supply network that are more likely to be affected by such an event.
Fig. 2 shows the preferred mass of the first embodiment of a sensor arrangement 1 for permanent remote monitoring of the water quality of Fig. 1. All dimensions are given in mm.
The following Table 1 shows the chemical and physical characteristics of the water, which are preferably measured, as well as the technical data of the sensors, which are preferably used for this purpose.
Table 1
[0041]
<Tb> feature <Sep> measuring principle <Sep> Range <Sep> Resolution
<Tb> pH <sep> Gas electrode galvanic <sep> 0.00 to 14.00 PH <sep> 0.01 pH
<Tb> ORP <sep> Platinum electrode galvanic <sep> -2000 to +2000 mV <sep> 1 mV
<tb> Free chlorine <sep> Double membrane electrode galvanic <sep> 0.00 to 2.00 mg / l <sep> 0.01 mg / l
<Tb> Ozone <sep> double membrane electrode galvanic <sep> 0.00 to 2.00 mg / l <sep> 0.01 mg / l
<Tb> UV-VIS spectrometer <sep> xenon photoarray optical 180 [deg.] <sep> 190 to 720 nm <sep> 2 nm / 256 pixels
<Tb> turbidity measurement <sep> infrared LED optical <sep> 0.000 to 10.000 FNU <sep> 0.005 FNU
<tb> Dissolved O2 <sep> Special alloy electrode galvanic <sep> 0.00 to 20.00 mg / l <sep> 0.01 mg / l
<Tb> temperature <sep> resistance measurement NTC <sep> -10.0 to +60.0 [deg.] C <sep> 0.1 [deg.] C
<Tb> conductivity <sep> inductive with compensation <sep> 50 to 20,000 uS / cm <sep> 1 uS / cm
<tb> SAK 254 <sep> correlates to the UV-VIS spectrometer at 254 nm <sep> 0.0 to 20.0 E / m <sep> 0.1 E / m
<tb> TOC / DOC <sep> correlates to the UV-VIS spectrometer at 254 nm <sep> 0.0 to 20.0 mg / l <sep> 0.1 mg / l
<Tb> nitrate <sep> correlates to the UV-VIS spectrometer at 254 nm <sep> 0.0 to 100.0 mg / l <sep> 0.1 mg / l
The arithmetic unit 20 of the sensor arrangement 1 for the permanent remote monitoring of the water quality preferably comprises a CPU element with a 32-bit processor and a 128 MB memory, which runs under a LINUX surface. The arithmetic unit 20 also preferably comprises a 128/240 pixel LCD graphic display with touch panel. The interfaces preferably include a CAN bus through which additional sensors can be connected and additional parameters or features can be measured. The interfaces preferably also include an Ethernet interface 10/100 MBit, a USB contact and a GSM module. The preferred operating voltage is 24 V DC with 2 amps.
Fig. 3 shows a part of the structure of the water distribution system in the municipality of Chiasso (Switzerland). The water supply lines 2 of the water distribution network 44, the streets and alleys 45 along. A first main flow meter 31 and a second main flow meter 32 are arranged at two end positions, namely near the point where the water from the water pipe in the direction of "Serbatoio Pignolo" (see arrow 46) and from the source 34 "Serbatoio San Giorgio" enters the network 44. In a more central position is the well and pumping station 33. From Fig.3 shows that there is a real network 44 of water supply lines 2 here. In prominent places fire hydrants are arranged in the form of a hydrant above ground 35 or an underfloor hydrant 36, all of which are provided with an individual hydrant number 37.
A large number of actuators (valves) 38 are also distributed throughout the network. The geographic north is indicated by an arrow labeled N.
Fig. 4 shows a graph of water flow patterns over 24 hours as measured by two main inlet flowmeters currently in operation, namely the main inlet flow meter 1 (labeled 31 in Fig. 3) and the main inlet flow meter 2 (Fig. designated by 32 in FIG. 3). The curves refer to the main flow meters 1 (31) and 2 (32) and show how, despite the very different flow rates from the respective sources, a virtually continuous feed of water is ensured. The abscissa of the graph indicates the times and data of the measurements, while the ordinate of the graph indicates the measured flow in liters per second.
In the absence of a series of sensor assemblies 1 according to the invention, knowledge of the contribution of each source (whether it is a well or a utility-based conduit) is important in estimating the rate at which pollutants spread in the network areas concerned , Flow data from water meters distributed over the network, i. Charge counters located in the user households may be used to optimize any necessary countermeasures (e.g., line section closures) in the event of contamination of those areas of the water supply network that are more likely to be affected by such an event.
Fig. 5 shows a schematic of a typical water distribution network 44 provided with a self-organized network of sensors 3, a network of actuators 38 and a centralized data processing unit 41 and / or distributed units for controlling the actuators 40. The sensors preferably communicate via a sensor network 42, and the actuators preferably communicate via an actuator network 43. The water enters the network 44 from a reservoir or reservoir 39 fed by a source 34. As is apparent from the schematic drawing, the valves 38 are preferably adapted to communicate with other valves 38, with sensors 3 and with the control unit 38 as well as with the data processing unit 41.
In this way, all participants of the two communication networks are able to communicate with each other. This is important if a network of sensor nodes and actuators is to organize itself. Sensor nodes and self-organizing networks are known per se (see, for example, patent application US 2007/0 180 918 A1), but they are applied for the first time to water distribution networks as described herein.
Of particular interest is the real-time detection of contaminants (or contaminants) in a water distribution network 44. Therefore, a method for real-time detection of contaminants in a water distribution network 44 is created. The method is carried out with a number of sensor systems or sensor arrangements 1 according to the present invention. In addition, the following is provided:
<Tb> (a) <sep> a self-organized sensor network 42, the sensors 3 measuring a variety of physical and / or chemical and / or biological parameters;
<Tb> (b) <sep> a set of actuators to control the flow of water in the water distribution network 44;
<Tb> (c) <sep> a centralized or distributed data processing and interpretation unit 41; and
<Tb> (d) <sep> is a centralized or distributed control unit 40 for operating the actuators 38.
This self-organized sensor network 42 preferably uses a connection for communication between the sensors, the connection being selected from an optical connection, a wire connection, a wireless connection, or any combination thereof. In any case, the use of a wireless connection is particularly preferred.
Using at least one sensor 3 of the sensor arrangement 1, an identification of the type of contamination is carried out. Preferably, at the same time and before the data is transmitted to a centralized or distributed data processing and interpretation unit 41 or to a centralized or distributed control unit 40 for operating the actuators 38, an identification of the geographic location of the sensor assembly 1 is performed using a triangulation technique.
It is particularly preferred that the self-organized network of sensors is automatically updated in the following cases:
<Tb> (a) <sep> Add or remove new sensor nodes; or
<Tb> (b) <sep> changing a sensor parameter setting and / or specifications; or
<Tb> (c) <sep> unintentional shutdown of a node; or
<Tb> (d) <sep> intended shutdown of a node for example due to maintenance or tampering.
In this way, the system for the early detection of contaminants in a drinking water supply is permanently updated and can fulfill its function as a detection and warning system. This update is preferably supported by notifying all events (a) through (d) to a centralized or distributed computing and interpretation unit 41 and / or a centralized or distributed control unit 40 for operating the actuators 38.
In the event of an accident or contamination of the water in the water supply lines, the actuators 38 in the water distribution network 44 are reorganized to provide a continuous supply of water to areas not directly affected by the contamination. In this way, the valves 38 close in the vicinity of the detected contamination to stop the distribution of contaminated water. At the same time, the valves 38 can be kept open in non-contaminated areas. It is particularly preferred that an alert dependent on the nature of an event be sent to specific locations, this event being selected from a group that includes abnormal physical, chemical or biological characteristics in relation to a predefined threshold.
These specific locations may be a centralized or distributed data processing and interpretation unit 41 and / or a centralized or distributed control unit 40 for operating the actuators 38. Other specific locations may be in police stations, fire stations, hospitals, local and regional alarm and information centers, and so on.
A system for the early detection of contaminants in a water distribution network 44 will be described. The system is based on a number of remote sensors 3, which are arranged in the entire water supply network 44. The sensors 3 communicate with each other using a self-organized wireless network, exchanging data and control commands. The system allows water suppliers to detect contaminants as they occur. This is of particular importance to protect the water pipes from intentional acts, neglect and incidents.
List of reference numbers
[0053]
<Tb> 1 <Sep> sensor arrangement
<Tb> 2 <Sep> Water supply line
<Tb> 3 <Sep> Sensor
<Tb> 4 <Sep> communication unit
<Tb> 5 <sep> central controller
<Tb> 6 <Sep> Flow Cell
<Tb> 7 <Sep> water inlet
<Tb> 8 <Sep> water outlet
<Tb> 9 <Sep> feed tube
<Tb> 10 <Sep> drainpipe
<Tb> 11 <Sep> disposable water flow
<Tb> 12 <sep> sensing part of 3
<Tb> 13 <sep> central axis of 11
<Tb> 14 <Sep> threaded part
<T b> 15 <Sep> female part
<Tb> 16 <Sep> insertion
<Tb> 17 <sep> special flow path parts
<Tb> 18 <sep> diameter of 17
<Tb> 19 <Sep> throttle device
<Tb of> 20 <Sep> butterfly
<Tb> 21 <Sep> pH probe
<Tb> 22 <Sep> redox probe
<Tb> 23 <sep> Chlorine or chlorine dioxide or ozone sensor
<Tb> 24 <Sep> UV-VIS spectrometer
<Tb> 25 <Sep> turbidity sensor
<T b> 26 <Sep> Plug
<Tb> 27 <Sep> O2 sensor
<Tb> 28 <sep> Probe for measuring electrical conductivity
<Tb> 29 <Sep> Antenna
<Tb> 30 <Sep> seal
<Tb> 31 <sep> Main flow meter 1
<Tb> 32 <sep> Main flow meter 2
<Tb> 33 <sep> Fountain and pumping station "PRA 'TIRO"
<Tb> 34 <sep> from the source "ROVAGINA" via filter station "MORBIO INF."
<Tb> 35 <Sep> hydrant
<Tb> 36 <Sep> underground hydrant
<Tb> 37 <Sep> hydrants number
<Tb> 38 <sep> valve (actuator)
<Tb> 39 <sep> container, reservoir
<Tb> 40 <sep> control unit to operate 38
<Tb> 41 <Sep> data processing unit
<Tb> 42 <Sep> Sensor Network
<Tb> 43 <Sep> actuator network
<Tb> 44 <Sep> water distribution network
<Tb> 45 <sep> streets and alleys
<Tb> 46 <Sep> arrow; Direction "Serbatoio Pignolo"
<Tb> 47 <sep> automatic vent valve
<Tb> 48 <Sep> glass tube