CN103270404B - 监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种监测系统（2），用于监测流体（10）中的颗粒和/或微生物体（12，22）的数量和/或浓度。该监测系统（2）被配置为在满足预定义标准的情况下产生报警。该监测系统（2）包括：微处理器（6），被配置为执行被编程的指令以识别颗粒（12）并对颗粒（12）进行分类；存储装置（8）；以及光学传感器构件（40），包括2-d光学传感器（4）和光源（36）。光学传感器构件（40）被配置为记录至少一部分流体（10）的至少一个图像，并且监测系统（2）被配置为基于流体（10）中的取样带（38）内单颗粒（12）的光学响应来确定所述流体（10）中颗粒（12）的数量和/或浓度。在记录图像期间使取样带（38）中的流体（10）相对于光学传感器构件（40）保持静止。

Description

监测系统
技术领域
背景技术
在细菌的连续监测能够确保微生物质量或减少人工收集样本和测量的数量的许多领域中，用来检测流体中细菌的存在和浓度的在线、强健、无试剂且低维护的传感器将具有潜在应用。一个示例是与监测井/进水口、给水装置和/或配水系统中的微生物水质量相关。
现有技术中已知用于分析液体样本中的颗粒的方法。在一些这类方法中，记录并进一步分析流体的多个图像，以识别颗粒的特性。
用来监测（微生物）水质量的当前最先进的盒装产品（box-product）在线传感器和报警系统是混浊度传感器和颗粒计数器。然而，混浊度只是指示性测量，因为并不是只有细菌能够改变水的混浊度，而且，混浊度传感器缺乏灵敏度，而且具有相对差的检测限。用于水质量测量的在线盒产品颗粒计数器确实具有所需的灵敏度和检测限，然而它们只能检测直径低至1-2μm的颗粒。水中细菌的尺寸是从0.3μm到3μm，这些微生物中大多数的尺寸低于1μm，因而，当前的颗粒计数器对于检测液体中的细菌而言效果不好，而且它们不能区分细菌和其他颗粒。而且，如果在流经测量单元的相对大的恒流（>50ml/分钟）中存在偏差，则颗粒计数器易于出现读取错误。经常通过利用重力确保恒流的大的管道系统来确保该恒流。
因而，恒流要求是现有技术系统的主要缺点之一。此外，市场可用的在线方法在测量周期期间需要大量的水。在许多应用中（例如，在井中），没有可用的排水，因而已知系统不能被使用。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种不需要恒流而且不需要通向排水（drain）的颗粒和/微生物有机监测和报警系统。
这一目的能够通过具有权利要求1所限定的特征的监测系统来实现。改进的实施例公开在从属权利要求、以下说明书和附图中。
根据本发明的用于监测流体中颗粒的数量和/或浓度的监测系统包括：
-微处理器，配置为执行被编程的指令以识别颗粒并将所述颗粒分类；
-存储装置；以及
-光学传感器构件，包括：
-2-d光学传感器以及
-光源，
其中，所述光学传感器构件被配置为记录至少一部分所述流体的至少一个图像，并且其中所述监测系统被配置为在满足预定义标准的情况下产生报警。
所述监测系统被配置为基于所述流体中的取样带（samplezone）内单颗粒（singleparticles）的光学响应来确定所述流体中颗粒的数量和/或浓度；以及
-在记录图像期间使所述取样带内的所述流体相对于所述光学传感器构件保持静止。
颗粒被认为是流体中所有感兴趣的物体。颗粒可以是微生物体，举例来说可以是藻类、寄生物或者细菌。这些微生物体的直径范围可以是从0.3到20μm。然而，这一范围并不构成限制。实际上，根据本发明的监测系统原则上能够检测存在于流体中所有类型的颗粒。当前传感器能够检测低至0.3μm的颗粒和微生物体，并且上限受到给流动池铺设管道的尺寸的限制且处于1mm的量级。因而，当前传感器覆盖了水中微生物体的尺寸范围。
预定义的标准可以是任何合适的标准，然而优选地，该标准是与流体中的颗粒含量相关。例如，该预定义的标准可以是细菌浓度。
所述监测系统可以包括一个或多个图像传感器、透镜系统和光源。
优选的是，在每次记录之前用流体填充该取样带。因而，实现了在记录每个图像期间使得取样带相对于传感器构件保持静止。因而，无需流动调节（来提供恒流）。
在记录图像期间使得取样带中的流体相对于光学传感器构件保持静止消除了对于恒流的需求。此外，在运行期间，正被测量的流体能够保持在井、入口、给水装置和/或配水网络的系统压强（这可能高于10bar（巴）），而且在测量之后液体（<<1ml/分钟）不是必须被废弃排到排水中，因而能够被容易地回收到系统中，进而消除了对于排水的需求。
在本发明的一个实施例中，监测系统具有光学传感器构件，该光学传感器构件包括至少一个透镜系统。该透镜系统可以由可以散射或聚焦光的一个或多个透镜组成。另一方面，可以具有没有透镜系统的监测系统。
在本发明的一个实施例中，监测系统被配置为基于微生物体的光学响应来确定流体中微生物体的数量。
因而，这样的实施例使得能够提供微生物体（例如，细菌）水平的在线测量。这样的信息能够被提供而无需先进且昂贵的设备来提供恒流。在诸如配水系统之类的许多应用中，在线测量极其有价值。
在本发明的一个实施例中，该微处理器适于确定颗粒和/或微生物体的数量和/或浓度并如果存在下述情况则产生报警：
a）颗粒和/或微生物体的数量和/或浓度超过第一预设值；和/或
b）颗粒和/或微生物体的数量和/或浓度的增长率超过第二预设值；和/或
c）颗粒和/或微生物体的形态变化满足第一预设标准；和/或
d）颗粒和/或微生物体的尺寸变化满足第二预设标准。
颗粒和/或微生物体的形态可以以偏心率的形式来定义，偏心率被定义为该颗粒和/或微生物体的最长直径和最短直径之比。
颗粒和/或微生物体的尺寸可以定义为颗粒和/或微生物体的最大直径。
术语报警是指任何合适类型的报警。例如，该报警可以是发送至计算机、移动电话或任何其他类型的接收单元的可视化信号、声音、消息。
因而，实现了当满足至少一个预设标准时能够产生报警。尤其能够在不希望的状况出现时产生报警。举例而言，这可对于配水是有利的。
在本发明的另一个实施例中，监测系统包括被配置为记录流体的多个图像的2-d光学传感器，并且该监测系统被配置使得光学传感器构件的焦平面关于该流体的相对位置是变化的。
因而，实现了能够从图像中检测数个参数。因此，该监测系统可以用来区分颗粒和/或微生物体的特性。
在本发明的一个实施例中，该监测系统包括被一起构建在一个传感器单元中的2-d光学传感器、微处理器、存储装置和透镜系统。
在一些应用中，使用包括光学传感器构件、微处理器、存储装置和透镜系统的传感器单元将是有利的。这种传感器单元可以是设置在壳体中的一个片状构件。这种安装监测系统的方式较容易，并且出现安装故障的风险低。
还能够使用包括光学传感器构件、微处理器、存储装置的传感器单元。在这样的实施例中，没有透镜系统，这是因为该透镜系统可以被省略。如果光学传感器构件包括发出的光不需要被扩散或聚焦的特殊光源，则不需要透镜系统。
在本发明的另一个实施例中，该监测系统包括至少第一光学传感器构件和第二光学传感器构件。该监测系统可以配置为基于所述第一光学传感器构件和第二光学传感器构件分别记录的图像来确定：
a）每单位时间的颗粒和/或微生物体的数量和/或浓度；和/或
b）每单位时间的颗粒和/或微生物体的数量的增长率；和/或
c）每单位时间的颗粒和/或微生物体的形态；和/或
d）颗粒和/或微生物体的尺寸。
在本发明的一个实施例中，该监测系统包括至少第一光学传感器构件和第二光学传感器构件，该第一光学传感器构件和第二光学传感器构件以至少第一光学传感器构件和第二光学传感器构件使用相同光源的方式来布置。
在本发明的另一个实施例中，该监测系统被配置为计算基于测量所确定的参数之间的差，所述测量是基于至少第一光学传感器构件和第二光学传感器构件分别记录的图像。
使用大于一个的光学传感器构件可以提供额外的图像信息，该信息能够用于提供对流体中颗粒和/或微生物体的含量的更详细的确定。该光学传感器构件可以以任意合适的方式布置，只要使得能够从所记录的图像中获取尽可能多的额外信息。此外，使用大于一个的光学传感器构件使得能够计算流体中颗粒和/或微生物体的含量的差别。
因而，实现了能够检测不同区域的差别。光学2-d传感器可以布置在网络中的不同区域，并且光学传感器构件之间的距离可以被选择以满足特定的需求或要求。可以收集关于不同区域的信息并比较该信息。
在本发明的一个实施例中，监测系统包括被配置为与中央控制装置通信的至少两个传感器单元。因而，可以实施对通过使用数个传感器单元所提供信息的直接比较。每个传感器单元可以包括能够用来指示颗粒和/或微生物体水平的特定信息。来自数个传感器单元的信息可以用来提供更具价值的信息，这是因为基于来自不同传感器单元的信息计算出的差别可以用来确定并评估颗粒或微生物体含量的变化以及这些变化的梯度。可以使用包含在至少两个传感器单元之一中的控制装置。
在本发明的另一个实施例中，监测系统被配置为如果满足基于来自至少两个传感器构件信息的预设标准则产生报警。因而，实现了监测系统适用于例如在微生物体和/或颗粒含量出现增长的情况下发出警告。该标准的本质（nature）可以被限制为特定类型的微生物体和/或颗粒。然而，还可以使用没有被限制为任意特定类型的微生物体和/或颗粒的标准。实际上，能够将任意一组参数之间的差与预设值比较以产生报警。
在本发明的又一实施例中，监测系统包括入口阀和出口阀，所述入口阀和出口阀被配置为关闭以使得2-d光学传感器曝光期间切断流体入口和出口。通过这种方式，监测系统能够将恒定体积的流体保持在一空间内，从而可以记录一个或多个图像，而无需使用用来提供恒流的复杂装置。
可以使用具有被控制系统控制的多个阀的监测系统，该控制系统也能够控制泵，该泵被配置为更换流动池中的流体以使得能够记录新的图像。
在本发明的一个实施例中，光学传感器构件被配置为沿着光学区域传感器的纵轴或另外的轴而移动位置。通过沿着光学区域传感器的纵轴移动传感器构件的位置，可以收集关于流动池的整个流体体积内微生物体和/或颗粒含量的信息。因而，能够以一种简单容易的方式来收集所需的信息。
在本发明的一个实施例中，光学传感器构件配置为沿着流动池的纵轴或另外的轴而移动位置。
移动的最佳方向可以依赖于监测系统的结构。因此，在一些应用中，在一个方向上移动光学传感器构件可能是有利的，而在其他应用中，在另外的方向上移动光学传感器构件具有优势。
在本发明的一个实施例中，监测系统包括布置在网络中的数个传感器单元。因此，例如，可以提供关于污染源的相当精确的位置。在配水网络中，可以应用三个或更多个传感器单元，使得能够在存在污染的情况下以相当高的精度来检测污染源。该网络原则上可以是任意大小规模。因而，例如，网络可以是工厂中的本地管道网络或者城镇中巨大的配水网络。
本发明的一个实施例是用于通过根据权利要求之一描述的测量系统分析液体样本中的颗粒的方法。
该监测系统可以包括用于检测流动方向、容器容积以及将流体保持在容器内的时间的装置。而且，可以检测温度和酸度。这些参数可以用来绘制更精确的关于正在被监测系统监测的流体和/或系统的状态图。
附图说明
从本文以下给出的详细描述中将更充分地理解本发明，附图仅通过示意的方式给出，因而它们不对本发明构成限制，其中：
图1示出了根据本发明的监测系统；
图2示出了流体中检测到的颗粒或细菌的水平随时间变化的曲线；
图3示出了应用于网络中的监测系统的示意图。
具体实施方式
本发明的其他目的和进一步的应用范围将从下文给出的详细描述中变得清晰。然而，应当理解，该详细描述和特定示例、本发明中指示的优选实施例仅仅通过示意的方式给出，因为基于该详细描述，在本发明的精神和范围之内的各种变化和改型对于本领域普通技术人员将是显而易见的。
现在，详细参照为了示意本发明优选实施例的附图，在图1中示出根据本发明的监测系统2的元件。该监测系统2包括流动池42，该流动池42具有入口54和出口56，流体10通过该入口54和出口56而流通。可以通过使用合适的泵（未示出）来抽取该流体10通过流动池42，举例而言该泵可以安装在入口管道18’或者出口管道18处。
邻近流动池42的端部侧41、41’，出口阀44设置在连接至流动池42的出口管道18处。在流动池42的另一端处，入口阀44’设置在被配置为将流体10流通至流动池42的入口管道18’处。该流体10包含颗粒12和/或微生物体22。
该监测系统2此外还设置有光学传感器构件40，该光学传感器构件40包括2-d光学传感器4、两个透镜系统34、34’以及光源36。例如，该光源36可以是发光二极管（LED）。也可以使用其他合适类型的光源。来自光源36的光46进入第一透镜系统34并被朝着存在感兴趣的颗粒12和/或微生物体22的焦平面48引导。该第一透镜系统34衰减了进入第二透镜系统34’的光信号46，第二透镜系统34’将焦平面48中的衰减的光信号描述给记录2-d光学传感器4。
本发明的重点是将流动池中的液体10相对于光学传感器构件40保持静止，这是因为该监测系统没有用于提供恒流的装置。
术语“保持静止”应当被理解为流体10的平均速度接近于零。可选地，这可以通过关闭出口阀44和/或入口阀44’来获得。在每次记录之间，可以以x方向和/或y方向和/或z方向相对于流动池42移动光学传感器构件40。还能够在所示出的x、y或z方向中的两个或更多个方向的线性组合方向上移位光学传感器构件40。例如，可以通过使用步进电机（未示出）来实现这种移动。也可以使用其他合适的装置来执行所需的光学传感器构件40移动。实际上，可以将光学传感器构件40沿着任意合适的轴在任意所需方向上移动光学传感器构件40。例如，可以沿着流动池41的纵轴x来移动光学传感器构件40。
该监测系统2能够消除了对用于在取样带38提供恒流的装置的使用。由于在取样带38提供恒流需要先进且昂贵的装置，因而本发明针对这一问题提供了一种简单可靠的方案。此外，该监测系统2将正在被监测的流体10回收，因而在没有可用排水的应用中（例如，在井中）也可以使用该监测系统2。
包括微处理器6和存储装置8的控制装置16经由电线（wire）50连接至2-d光学传感器4。可替代地，可以以无线方式将来自2-d光学传感器4的数据传输至控制装置16。这可以通过提供具有发射器（未示出）的2-d光学传感器4而得以实现，其中该发射器能够以无线方式发送信息到连接至或包含在控制装置16中的接收器。由2-d光学传感器4记录的数据能够存储在存储装置8中并且微处理器6能够执行被编程的指令以识别颗粒12和/或微生物体22，并对颗粒12和/或微生物体22进行分类。
当提到颗粒时，流体10所有感兴趣的物体都应当被包括在内。该颗粒尤其可以是微生物体，例如藻类、寄生物或细菌。这些感兴趣的微生物体可以是在0.3到20微米的范围内。
图2示出了流体中检测到的细菌的数量24随时间26变化的曲线。曲线30是时间26的函数，而且可以看出，检测到的细菌的数量超过了预设值28。当超过这一预设值28时，监测系统2可以产生报警，使得监测系统的用户得知超过了预设值28。在一些情况下，每单位时间内颗粒和/或细菌的浓度增长率比细菌数量或细菌浓度本身更受关注。曲线30实际上示出了细菌浓度的增长率超过了第二预设值32，这是因为曲线30的斜率超过了预设的最大增长率32。因此，监测系统可以产生报警，以使得监测系统的用户得知细菌浓度的增长率高。
图2中的示意显示流体中的细菌含量。然而，可以对其他颗粒和/或微生物体使用相同的原理。因而，原则上讲，类似于图2中所示的那种曲线30可以用来评估任意可检测类型的颗粒和/或微生物体的数量和/或浓度的实际等级或增长率是否高于临界水平以便于产生报警，则。
图3示出了监测系统，该监测系统包括十一个传感器单元A、B、C、D、E、F、G、H、I，这些传感器单元布置在网络58内。优选的监测系统连接至能够从传感器单元A、B、C、D、E、F、G、H、I接收信息的一个或多个（中央）控制单元。每一个传感器单元A、B、C、D、E、F、G、H、I确定正在被监测的流体中颗粒和/或微生物体的数量和/或浓度。因此，每个传感器单元A、B、C、D、E、F、G、H、I收集网络58中特定区域的信息。
基于来自这些传感器单元A、B、C、D、E、F、G、H、I中每一个传感器的信息，可以监测和检测颗粒和/或微生物体的数量和/或浓度的增长位置。因此，监测系统能够识别污染源的存在和准确位置。在配水网络中，现实生活中的挑战之一是定位污染源。因此，具有能够识别出污染源的存在和准确位置的监测系统将是非常有价值的。这将节省时间而且节省成本。
附图标记列表
2监测系统
42-d光学传感器
6微处理器
8存储装置
10流体
12颗粒
14传感器单元
16控制装置
18、18’管道
20焦平面
22微细菌
24颗粒/微生物体的数量
26时间
28预设值
30颗粒数量作为时间的函数
32第二预设值，
34、34’透镜系统
36光源
38取样带
40光学传感器构件
41、41’流动池的端部侧
42流动池
44、44’阀
46光
48焦平面
50电线
54入口
56出口
58网络

Claims (12)

1.一种监测系统(2)，用于监测流体(10)中的颗粒(12，22)的数量和/或浓度，其中所述监测系统(2)包括：
-微处理器(6)，被配置为执行被编程的指令以识别颗粒(12)并对所述颗粒(12)进行分类；
-存储装置(8)；以及
-光学传感器构件(40)，包括：
-2-d光学传感器(4)；以及
-光源(36)，
其中，所述光学传感器构件(40)被配置为记录至少一部分所述流体(10)的至少一个图像，并且其中所述监测系统(2)被配置为在满足预定义标准的情况下产生报警，其特征在于：
-所述监测系统(2)被配置为基于所述流体(10)中的取样带(38)内单颗粒(12)的光学响应来确定所述流体(10)中颗粒(12)的数量和/或浓度；
-所述监测系统(2)还包括入口阀(44’)和出口阀(44)，所述入口阀(44’)和出口阀(44)被配置为关闭以使得在所述2-d光学传感器(4)的光学曝光期间关闭流体的入口(54)和出口(56)，以及
-在记录图像期间使所述取样带(38)中的所述流体(10)相对于所述光学传感器构件(40)保持静止。
2.根据权利要求1所述的监测系统(2)，其特征在于，所述光学传感器构件(40)包括至少一个透镜系统(34，34’)。
3.根据前述权利要求之一所述的监测系统(2)，其特征在于，所述监测系统(2)被配置为基于微生物体的光学响应来确定所述流体(10)中微生物体的数量。
4.根据权利要求1所述的监测系统(2)，其特征在于，所述微处理器(6)适于确定颗粒(12)和/或微生物体的数量和/或浓度并如果存在下述情况则产生报警：
a)颗粒(12)和/或微生物体的数量和/或浓度超过第一预设值(28)；和/或
b)颗粒(12)和/或微生物体的数量和/或浓度的增长率超过了第二预设值(32)；和/或
c)颗粒(12)和/或微生物体的形态变化满足第一预设标准；和/或
d)颗粒(12)和/或微生物体的尺寸变化满足第二预设标准。
5.根据权利要求1的监测系统(2)，其特征在于，所述监测系统(2)包括被配置为记录所述流体(10)的多个图像的2-d光学传感器(4)，其中所述监测系统(2)被配置为使得光学传感器构件(40)的焦平面关于相对于所述流体(10)的相对位置是可变的。
6.根据权利要求2的监测系统(2)，其特征在于，所述光学传感器构件(40)、所述微处理器(6)、所述存储装置(8)和所述透镜系统(34，34’)一起被构建在一个传感器单元(14)中。
7.根据前述权利要求4到6中的一个权利要求所述的监测系统(2)，其特征在于，所述监测系统(2)包括至少第一光学传感器构件和第二光学传感器构件。
8.根据权利要求7所述的监测系统(2)，其特征在于，所述监测系统(2)被配置为计算在基于测量所确定的参数之间的差别，所述测量是基于至少第一光学传感器构件(40)和第二光学传感器构件分别记录的图像。
9.根据权利要求8所述的监测系统(2)，其特征在于，所述监测系统(2)包括被配置为与中央控制装置(16)通信的至少两个光学传感器构件(40)。
10.根据权利要求9所述的监测系统(2)，其特征在于，所述监测系统(2)被配置为在满足基于来自至少两个光学传感器构件的信息的至少一个预设标准的情况下产生报警。
11.根据权利要求1的监测系统(2)，其特征在于，所述光学传感器构件(40)被配置为基本上沿着所述流动池(42)的纵轴而移位。
12.一种通过根据权利要求1到11之一的测量系统分析液体样品中颗粒的方法。
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