CN101048348A - 用于离子交换型水软化装置的电导率传感器 - Google Patents

Abstract

一种水处理系统包括罐，所述罐中包含用于从流动通过所述罐的水中去除矿物质的颗粒床。响应于所述颗粒床电导率的测量而实施所述颗粒床的再生过程。提供用于进行该测量的探针。该探针具有套管，所述套管具有用于延伸穿过所述罐的壁部且与所述壁部接合的管形部分。探针本体被可拆卸地接收在所述套管的孔内且包括伸入所述罐内部的一对电极。固定器将所述探针本体紧固在所述套管内。根据用于制造所述罐的特定材料提供不同的用于将所述套管紧固到所述罐上的机构。

Description

用于离子交换型水软化装置的电导率传感器

技术领域

本发明涉及用于软化水的设备，且特别是涉及用于控制水软化设备中的树脂再生过程的系统。

背景技术

从井中抽出的水由于其中包含从地球矿床中滤出的正二价离子且有时包含正三价离子而被认为是“硬”水是很普通的。这些离子与常用的洗涤剂和肥皂作用形成不可溶的盐而产生了沉淀物，从而增加了为实现清洗目的所需的洗涤剂或肥皂的用量。当硬水被用于锅炉中时，汽化导致不溶性残余物沉淀，所述残余物倾向于积聚成为水垢。

通常的实践是：将水软化装置安装在被供应以硬水的建筑物的管道系统中。最常见类型的水软化装置是具有保持有树脂床的罐的离子交换设备，硬水流动通过所述树脂床以除去不希望的矿物质和其它杂质。树脂床中的结合部位起初包含正离子，所述正离子通常为正一价钠离子或钾离子。当硬水进入树脂中时，发生竞争结合部位的过程。硬水中的正二价离子和正三价离子由于其具有更高的电荷密度从而是更有利的并且置换正一价离子。每个正二价离子或正三价离子分别置换出两个或三个正一价离子。

树脂床吸收矿物质和杂质的容量是有限的且当较大百分比的部位被正二价离子和正三价离子占据时最终停止对水进行软化。当这种情况发生时，有必要用再生剂对树脂床进行冲洗而使所述树脂床重生或再生，所述再生剂通常为氯化钠或氯化钾溶液。再生剂中具有足够高的正一价离子浓度以便抵消不适宜的静电竞争且通过正一价离子使结合部位得到恢复。再生周期之间的时间间隔被称作“作业周期”，在所述时间间隔期间发生水软化的过程。

对于早期类型的水软化装置而言，仅在发现已经超出树脂床的处理容量且流动通过所述树脂床的水不再是“软”水后才以手动方式进行再生。在消除对手动再生的需要的尝试中，水软化装置的控制系统中设有机械钟，所述机械钟在周期性的基础上启动水软化装置的再生过程。这种再生的频率是根据已知的树脂床容量和预期的每日软水用量而设定的。尽管机械钟类型的水软化装置控制器减轻了对以手动方式使树脂床再生的需求，但这种控制器的缺点在于，根据水用量而以固定间隔进行的再生过程可能过于频繁或不够频繁。当仍存在处理水的足够容量时使水软化装置的树脂床再生就会浪费再生过程中使用的再生剂和水。相反，在树脂床容量已经降低到低于处理硬水所需的点后由于无法使水再生装置再生而可能导致硬水从水软化装置中流出。

在更好地调节水软化装置的再生频率的尝试中，已经开发出需求型水软化装置控制器，所述控制器用于确定对水进行软化的树脂床的剩余容量。在美国专利No.4,426,294中披露了一类这种改进型控制系统，其中流量计用于测量正受到处理的水的体积且当自前次再生过程以后特定体积的水流动通过软化装置时使树脂床再生。尽管这种类型的系统在多种应用中已经足够了，但市政系统可能交替地从多个含有不同硬度程度的水的井中抽水。在该情况下，树脂床的消耗情况并非是自前次再生过程以后已经受到处理的水的体积的直接函数。

开发出其它类型的用于直接检测树脂床的消耗情况的控制系统。例如，美国专利No.5,234,601中利用电极在两个间隔位置处测量树脂床的电导率。电导率测量结果的比值以及自前次树脂床再生过程以后出现的最小比值和最大比值被用于确定树脂消耗的可能性并由此启动再生过程。

在该基于电导率的系统中，金属丝自控制器延伸通过位于树脂罐顶部处的开口，水也通过所述开口进入和离开罐。因此金属丝及其与检测电极相联的连接装置暴露于再生过程中所使用的水和盐水溶液。该暴露通常对于金属丝和电极连接装置产生有害效应。

本发明的发明人提出通过使电极延伸穿过树脂罐的侧壁而解决该问题，然而，这种方法由于树脂罐具有曲形侧壁而较为复杂。此外，一些树脂罐具有位于玻璃纤维外壳内的聚乙烯衬里且由于衬里未被附着到壳体上而使得极难在电极与罐之间实现水密连接。

因此，所希望的是提供一种用于以水密方式将电导率检测电极插置通过树脂罐侧壁的水密组件。

发明内容

一种水处理系统包括罐，所述罐中包含从流动通过所述罐的水中去除矿物质的颗粒床。提供探针以测量树脂床的电导率从而提供用于确定所述颗粒床何时需要进行再生的信号。

所述探针包括具有用于延伸穿过所述罐的壁部且与所述壁部接合的管形部分的套管。孔延伸穿过所述套管。所述套管可具有多种形式中的一种形式以便可被紧固到不同构造的罐上。所述套管的一个实施例被设计用于具有衬里的罐，所述衬里由不可结合的材料制成，所述材料不能被附接到所述罐的刚性外壳的内表面上。该特定套管具有位于管形部分内端处的向外伸出的凸缘，所述凸缘延伸穿过所述罐壁部中的开口。所述管形部分具有外螺纹，所述外螺纹与所述罐外部的螺母接合以将所述套管紧固在所述开口中。所述套管的另一个实施例被设计用在罐上，其中所述衬里由被结合到所述刚性外壳的所述内表面上的材料制成。这里，所述管形部分上的外螺纹与穿过所述刚性外壳壁部的开口上的螺纹接合以将所述套管紧固在所述罐上。

探针本体被可拆卸地接收在所述套管的所述孔内且具有伸出以接触所述罐内部的材料的至少一个电极。固定器将所述探针本体紧固在所述套管内。

附图说明

图1是根据本发明的用于使水软化装置再生的系统的示意图；

图2是图1所示的控制器的示意框图；

图3是与图2所示的控制器一起使用的电导率探针的立体图；

图4是通过图3所示的电导率探针的剖视图；

图5是沿图4所示的线5-5的剖视图；和

图6是电导率探针的第二实施例的剖视图。

具体实施方式

首先参见图1，水软化装置10包括软化罐12，所述软化罐中包含离子交换树脂颗粒床14。出口导管16自邻近床底部的点处延伸通过床14。入口导管18延伸进入水软化装置罐12内且具有高于树脂床14的水平的排出口。硬水被输送通过入口管线20且经过处理的水被输送通过作业管线22。入口管线20和作业管线22通过常闭第一作业阀24相连接。常开第二作业阀26被插置在出口导管16与作业管线22之间。包含常闭第一泄放阀30的泄放管线28也从出口导管16延伸出。

硬水通常通过常开作业入口阀32被输送至入口导管18。另一种可选方式是，当盐水入口阀38打开且当作业入口阀32关闭时，进入入口管线20的硬水可流过注射器34以从盐水罐36中抽出再生剂溶液。盐水罐36包含常用的盐33，如氯化钠或氯化钾。被抽出的盐水被输送通过管线35到达软化装置的入口导管18。入口导管18还可通过常闭第二泄放阀39被连接至泄放装置。

在作业操作过程中，泄放阀30和39、第一作业阀24和盐水入口阀38都是关闭的。在该操作模式下，第二作业阀26和作业入口阀32打开以允许硬水从入口管线20流动通过入口导管18到达树脂床14的顶部上。水流过床14且经过处理的水通过出口导管16从床14的底部被抽出并进入作业管线22内。

树脂床14最终被耗尽且不再能够对水进行软化。典型的树脂床再生工艺始于回洗步骤。在该步骤中，控制器40关闭作业入口阀32和盐水入口阀38，同时打开第一作业阀24和第二泄放阀39。来自入口管线20的硬水被供给通过出口导管16且向上流过树脂床14，最终通过入口导管18和现在处于打开状态的第二泄放阀39离开。此时，即使水并未受到处理，仍继续将水供应至作业管线22。

回洗步骤之后进行的是盐浸和漂洗步骤。对于该操作而言，第二作业阀26和第二泄放阀39被关闭，同时打开盐水入口阀38和第一泄放阀30。在这种状态下，硬水受力流过注射器34且盐水通过盐水管线35从罐36中被抽出。被抽出的盐水通过入口导管18被排入软化罐12内。盐水流过树脂床14且通过出口导管16和现在处于打开状态的第一泄放阀30被泄放出来。经过浓缩的盐水溶液用正一价离子置换树脂中的正二价和正三价离子以使床重生。当盐水罐12的容纳物已被耗尽时，空气止回阀37关闭以防止空气被注入到系统内，且水将继续流动通过没有盐水的注射器34。该水将盐水溶液从罐中推出且随后对床14进行漂洗以去除残余盐水。在该操作阶段中未经过处理的水将通过打开的第一作业阀24被供应至作业管线22。

在下一操作阶段中，盐水罐36被重新充注且对软化装置的树脂床14进行吹扫。这一过程是通过打开作业入口阀32和第二作业阀26而完成的。硬水随后可通过打开的盐水阀38进入盐水罐36且可通过入口导管18进入罐12。流过树脂床14的水通过打开的泄放阀30离开。通过关闭第一作业阀24、第一泄放阀30和盐水入口阀38使设备返回作业状态。

参见图2，围绕具有内部模数转换器、存储器和时钟电路的微型计算机42构建对图1所示的各个阀进行操纵的控制器40。电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)44被连接至微型计算机42以存储和检索数据。微型计算机42的输出端被连接至如题目为“Walsh Functions：ADigital Fourier Series”的文献中所述的沃尔什正弦波加法器46，该文章出现在1977年9月的Byte Magazine的190-198页中，所述文献在此作为参考被引用。对沃尔什正弦波加法器46的输出端进行低通滤波以去除高次谐波，留下频率为约1,000Hz且幅值为约100mv-pk的大体上纯的正弦波。选择较低的激励电压以防止在树脂床中的电极处发生化学还原或氧化。选择相对较高的激励频率以降低电极双电层电容。

来自沃尔什正弦波加法器46的输出信号被施加到延伸进入树脂床14内的两个电导率探针47和48的共用电极上。下部电导率探针48位于床有效高度(X)的大约38％的位置处，所述高度为位于出口导管16的底部处的最高进入口与树脂床顶部之间的距离。选择位置以使得当树脂床剩余约20％的用于处理水的容量时，下部电导率探针48产生电导率变化的指示。上部电导率探针47被置于树脂床中下部电导率探针48上方约6英寸的位置处。

图3和图4示出了可用作图1所示的上部电导率探针47和下部电导率探针48的传感器探针60的第一实施例。传感器探针60具有套管61，所述套管包括具有外螺纹的管形部段62和位于管形部段的一端处的向外伸出的凸缘64。套管61延伸穿过水软化装置罐12的侧壁中的孔，且凸缘64将环形橡胶密封件66压靠在罐12的内表面上以提供水密密封。该传感器探针60旨在与包括具有聚乙烯内部衬里69的玻璃纤维或钢制外部本体67的罐12一起使用。聚乙烯和相似的不可结合的材料形成了不被结合到刚性外部本体67上的内部衬里69，探针套管61也不能被附着或要不然结合到这些内部衬里上。结果是，探针60具有凸缘64和在探针部件与罐12的内表面之间提供水密邻接的环形橡胶密封件66。通过六角螺母68将探针60保持在适当位置处，所述六角螺母被螺合到管形部段62的外部上直至其邻接罐12的外表面。

传感器本体70从罐外部被插入套管的管形部段62上的中心孔72内。邻近传感器本体70内端74的环形外部沟槽包含O形圈78以在传感器本体70与套管61之间形成水密密封。通过U形固定夹80将传感器本体70保持在套管61内，所述U形固定夹在套管的管形部段62的相对侧上的沟槽82内滑动，图5也示出了所述情况。固定夹80的侧腿部延伸穿过套管沟槽82并进入围绕传感器本体70外部的环形切口84。固定夹80与套管61和传感器本体70的沟槽82的接合保持传感器本体靠在套管的内部肋76上。

一对壁部88和89自传感器本体70的内端74向外伸出进入水软化装置罐12内部的树脂床14内。一对电极90和91伸出穿过位于传感器本体70的内端74处的壁部。当传感器本体70被插入套管61内时，每个电极90和91延伸穿过套管中心孔72的内端壁76中的独立小孔。那些小孔允许在从罐12中损失最少量水的情况下更换传感器本体70。电极91和92例如由镀金的不锈钢制成。电极结构中的不锈钢耐腐蚀，而金镀层使表面具有化学惰性。然而，金也阻止了罐12内的水产生的湿化过程。为了改进湿化过程，离子交换材料如Nafion(E.I.du Pont de Neumours & Co.Inc.的商标)的套管被插置在每个电极91和92上。套管使疏水金表面“湿化”且使大分子远离电极表面，由此进一步加以稳定且防止电极受到污染。套管还保护相对较软的金表面免受磨损。另一种可选方式是，石墨棒可被用作电极且将不需要镀金。

两个电极90和91伸入传感器本体的腔体86内。腔体86被设计用以接收位于将传感器探针连接至控制器40的电缆的端部上的配合电连接器(未示出)。该连接器电接合电极90和91的端部。

参见图6，一些类型的水软化装置罐具有由玻璃纤维或钢制外部本体102封闭且被结合到所述外部本体上的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)衬里100。ABS衬里100为树脂床14和受到软化装置处理的水提供水密封闭，而外部本体102为软化装置罐12提供了刚性结构。由于对于这种类型的罐构造而言，衬里被结合到外部本体上从而形成了整体式结构，因此传感器106的套管104可被紧固在罐12的侧壁中的带螺纹的孔中。因此，套管104具有圆柱形管形部分108，所述部分具有与在罐12的外部本体102中切割出的螺纹接合的外螺纹。在插入套管104时，螺纹上涂覆有粘结剂密封剂，所述粘结剂密封剂将套管结合到罐上以形成水密装配。另一种可选方式是或此外，橡胶密封环110可被设置在罐12的外表面与位于套管104的管形部分108的外端处的凸缘112之间。

套管104具有穿过其中的用于接收传感器本体114的孔，所述传感器本体在结构上与图4所示的传感器本体70相似。具体而言，传感器本体114具有与套管104的外端邻近的开口端116和与套管的内端邻近的封闭端118。一对壁部从该端部伸出进入罐12的树脂床内，图中仅示出了一个壁部，即壁部120。一对电极121和122延伸穿过两个壁部之间的传感器本体114的封闭端(elude end)，所述封闭端与第一传感器实施例的端部相似。电极121和122延伸进入传感器本体124的腔体内，目的在于与来自控制器40的电缆形成电连接。环形沟槽126围绕传感器本体124进行延伸以接收U形固定夹128的腿部，所述腿部被置于套管104中的切口内。固定夹128与传感器本体114的接合使套管的内端130与壁部以及延伸穿过该套管端部130中的孔的电极121和122保持接靠。O形圈132在传感器本体114的外部与套管104的内表面之间提供密封。

再次参见图1和图2，每个电导率探针47和48的非共用电极被分别连接至独立的电流-电压转换器50和51。这些转换器50和51中的每个转换器将流动通过相关联的探针47或48的电流大小转换成相应的电压电平。来自电流电压转换器50和51的电压输出被施加到微型计算机42的输入端上，所述输入端被连接至内部模数(A/D)转换器。微型计算机42周期性地为每个A/D转换器赋能以便读取由相关联的电流电压转换器50和51产生的电压大小。

微型计算机42的另一条输入线路被连接至作业开关52，每当水软化装置10进行再生时，所述作业开关处于关闭状态。正如将要说明地，通过微型计算机42启动一组指示灯59从而向用户提供对例如盐水罐36中的盐耗尽和探针失效的情况的指示。可使用其它类型的信号发生装置，如音频警报装置。

微型计算机42执行控制程序，所述控制程序检测流动通过电导率探针的电流以确定树脂床14何时需要再生。控制器所采用的基于电导率确定树脂床何时再生的算法在美国专利No.5,234 601中进行了详细说明。每当来自微型计算机42的控制程序确定需要进行再生时，控制信号通过线路54被发送至以前的水软化装置中使用的常规阀控制时钟和定时器56，所述阀控制时钟和定时器以周期性的时间间隔且在每天水的用量处于最小值的时间(例如早上2点)使树脂床再生。然而，只有在通过线路54接收到控制信号时的每天的时间处，阀控制时钟和定时器56才启动树脂床14的再生过程。如果满足这些条件，则阀控制时钟和定时器56使凸轮轴58旋转，这使得图1所示的不同阀以前面所述的顺序打开和关闭从而使树脂床再生。

前面进行的描述主要针对的是本发明的优选实施例。尽管对处于本发明范围内的多种其它可选方式给予了一些关注，但预期本领域的技术人员将可能实现现在通过本发明的实施例的披露内容易于理解的附加的其它可选方式。因此，本发明的范围应该由下面的权利要求书确定而不限于上面披露的内容。

Claims (20)

1、在一种水处理系统中，所述水处理系统具有包含用于从流动通过所述罐的水中去除矿物质的颗粒床的罐和用于使所述颗粒床再生的系统，探针用于测量所述罐内的电导率且所述探针包括：

具有用于延伸穿过所述罐的壁部且与所述壁部接合的管形部分的套管，所述套管具有穿过其中的孔；

被可拆卸地接收在所述套管的所述孔内且包括从所述孔向外伸出以接触所述罐内部的材料的至少一个电极的探针本体；和

将所述探针本体紧固在所述套管内的固定器。

2、根据权利要求1所述的探针，其中所述套管具有在所述孔内形成的止挡，所述探针本体邻接所述止挡，且所述固定器保持所述探针本体与所述止挡接触。

3、根据权利要求1所述的探针，其中所述探针本体进一步包括一对隔开的壁部，所述壁部在所述壁部之间存在一个所述电极的情况下伸入所述罐内。

4、根据权利要求1所述的探针，其中所述固定器包括接收在所述套管中的第一沟槽内和所述探针本体中的第二沟槽中的固定夹。

5、根据权利要求1所述的探针，其中所述套管具有管形部分，且凸缘自所述管形部分向外突出。

6、根据权利要求5所述的探针，其中所述套管的所述管形部分具有外螺纹。

7、根据权利要求6所述的探针，进一步包括与所述套管的所述管形部分上的外螺纹接合的螺母。

8、根据权利要求6所述的探针，其中所述套管的所述管形部分的所述外螺纹与穿过所述罐壁部的孔中的螺纹接合。

9、一种水处理系统，所述水处理系统包括：

罐，所述罐具有刚性外壳、位于所述外壳内的衬里、水入口导管和水出口导管；

位于所述罐的所述衬里内的用于从水中去除矿物质的颗粒床；

具有延伸穿过所述罐的所述刚性外壳和所述衬里的管形部分的探针套管，所述套管具有穿过其中的孔，所述孔具有在其中形成的止挡；

被可拆卸地接收在所述探针套管的所述孔内且邻接所述止挡的探针本体，所述探针本体包括伸入所述罐内部的第一电极；和

与所述探针套管和所述探针本体接合以保持所述探针本体与所述止挡邻接的固定器。

10、根据权利要求9所述的水处理系统，其中所述探针本体进一步包括一对隔开的壁部，所述壁部在所述第一电极位于所述壁部之间的情况下伸入所述罐内。

11、根据权利要求10所述的水处理系统，其中所述探针本体进一步包括伸入所述壁部之间的所述罐内的第二电极。

12、根据权利要求9所述的水处理系统，其中所述固定器包括接收在所述套管中的第一沟槽内和所述探针本体中的第二沟槽内的夹。

13、根据权利要求9所述的水处理系统，其中所述衬里不被结合到所述刚性外壳上。

14、根据权利要求13所述的水处理系统，其中所述套管具有管形部分，且凸缘自所述管形部分向外伸出。

15、根据权利要求13所述的水处理系统，其中所述外壳由选自包括钢和玻璃纤维的组群中的材料制成。

16、根据权利要求14所述的水处理系统，其中所述套管的所述管形部分具有外螺纹。

17、根据权利要求16所述的水处理系统，进一步包括与所述套管的所述管形部分上的所述外螺纹接合的螺母。

18、根据权利要求9所述的水处理系统，其中所述衬里被结合到所述外壳上。

19、根据权利要求9所述的水处理系统，其中所述套管的所述管形部分具有外螺纹。

20、根据权利要求19所述的水处理系统，其中所述套管的所述管形部分的所述外螺纹与穿过所述罐的壁部的孔中的螺纹接合。

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