CN114314751A - 水软化器盐监控系统 - Google Patents

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尤金·博格里奥
道格·安德森
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Abstract

提供了一种水软化器盐监控系统，包括：盐水柜(12)，其被构造成用于保持一定量的盐、一定量的水并且具有底部(16)；传感器(40)，其被固定到盐水柜并且被构造和布置成用于向底部发射信号，该传感器包括接收器(44)，该接收器被配置成用于接收来自一定量的盐、一定量的水和底部中的至少一个的反射信号；以及控制器(62)，其连接到所述传感器并被编程为将反射信号与预设值相比较并且用于当接收到与预设值的偏差时产生警报信号。

Description

水软化器盐监控系统
相关申请
本申请是2020年10月9日提交的美国临时申请No.63/089,963的非临时申请并要求其35 USC 119优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明总体上涉及与水软化器一起使用的盐水柜、尤其涉及用于与水软化器或离子交换系统盐水柜柜一起使用的改进的盐料位感测系统。
背景技术
传统的水软化器系统使用从硬水中吸收矿物离子的离子交换树脂来处理硬水。随着离子交换过程的重复，树脂容量逐渐缩减，因此树脂需要定期再生。在传统系统中，通过使含有盐的盐水溶液通过树脂来定期地再生树脂，由此使盐离子取代树脂中的矿物离子。矿物离子被从系统中冲洗以排出。
盐水溶液通常通过盐在水中的溶解而在盐水柜水柜中产生。重复再生循环后，盐水柜柜中的盐供应缩减，必须定期更换，以使水软化器正常工作。在大多数传统的水软化器中，用户必须手动监控盐料位并且目测估计柜中的盐料位。这种盐料位的手动测定对用户来说并不方便，用户必须经常检查柜，以确保有足够的盐料位使水软化器正常工作。
此外，目测估计柜中的盐料位通常是不准确的，尤其是当盐桥形成时。盐桥会使柜中的盐量看起来比实际存在的盐量多，因为盐桥下的盐可能会基本上溶解。目测检查盐料位的用户通常无法判断盐桥已经形成并且可能会高估柜中剩余的盐量。
共同转让的美国专利No.6,696,966公开了一种盐料位监控系统，该盐料位监控系统包括封装在保护管中的传感器，该保护管通过储存的盐插入到盐水柜中。线性间隔的传感器监控管中的盐的料位。虽然有效，但该系统由于长期浸泡在盐中而容易降解或腐蚀。
此外，大多数传统的水软化器系统没有适当的措施来监控其操作，以检测盐水柜溢出、泄露至盐水柜或盐水剂量问题。让用户来手动地检查这些问题，这些问题通常不被检测到，并导致水软化器的进一步的操作问题和/或对商业住所周围区域的水损坏。
由于上述列出的问题，需要一种盐水柜盐料位监控系统，该盐料位监控系统不需要将设备插入到储存的盐中。还需要一种水软化器系统，其能够自动检测操作错误，从而可以在不依赖于用户手动检查系统的情况下校正这些操作错误。
发明内容
用于与水软化器一起使用的本盐料位监控系统满足或超过了上述列出的需求。该监控系统包括料位传感器，该料位传感器定期测量盐水柜内的盐料位，而不与盐接触。在优选实施例中，本监控系统采用飞行时间(ToF)传感器以从发射器发射出光束或激光。然而也考虑了其它已知的发音或发光测量技术。与传感器相关联的接收器测量发射的信号返回传感器所用的时间。一种算法被用于处理该信号并将该信号转换成对柜中剩余的盐的测量，比如通过计算盐的料位到传感器的距离。这种测量被认为包括柜中盐的百分比、到柜的底部的距离、柜中盐的重量以及其它参数。优选地，传感器被封装在防水外壳中，以防止湿气和柜内的液体经常飞溅造成的损坏。传感器的盖是镜头盖的形式，易于用户或技术人员清洁。
测试数据显示，随着盐水柜中剩余的盐量的减少，ToF传感器信号需要更长时间才能返回接收器。当测得的盐料位与期望值相差超过阈值量时，启动校正程序。在一个示例中，该系统被配置为在每个操作循环获取一次盐料位读数、优选在盐水抽取之后。如果在连续的循环后获取的连续的读数获得相似的料位值，则表明存在盐桥，使控制器产生适当的警报信号。换句话说，检测到测量的时间/距离值没有变化导致系统产生警报。在本系统中，警报被认为是可听的和/或可视的，比如显示在控制器显示屏上。在一些配置中，设想系统可选地经由蓝牙或无线网络连接，允许通过电话或计算机应用程序向用户发送警告。
在优选实施例中，ToF传感器定位成在盐水柜中紧密地靠近盐水井、比如距离盐水井2-5英寸。此外，ToF传感器定位成在盐水柜的顶部附近，并且被定向成使得投射的光束被导向盐水柜的底部的中心区域。在一实施例中，光束被导向到位于盐水柜的底部上方的底板。本ToF传感器的重要特征是，它安装在盐水柜内，以避免与盐的物理接触。
更具体地，提供了一种监控系统，用于在被构造成容纳一定体积的材料的柜中使用。传感器固定在柜内以避免与所述一定体积的材料接触并且被配置为，通过向所述一定体积的材料发送信号来定期地测量柜内的材料料位。与传感器相关联的接收器连接到控制器，该控制器被编程为测量接收到的信号、采用料位读数的形式并将最近的料位读数与至少一个先前的料位读数相比较，并且当最近的料位读数不同于期望值时采取校正措施。
本系统的另一特征是，控制器被配置成，使得不稳定的测量值被认为是脏盐的指示并且编程器被配置成产生适当的警报信号，所述不稳定的测量值偏离从盐料位到传感器的信号返回时间/距离的预编的预期增加。此外，信号从盐料位到传感器的返回时间/距离随时间的变化率也在编程器中计算，使得缩减率的变化反映盐水柜中使用的盐的类型。本系统的另一特征是，编程器被配置成，使得所测的来自盐料位的不一致地较短/较近的信号返回时间/距离指示盐水柜中的水位高于盐料位，进一步指示盐水由于软化器系统泄漏或故障而没有完全抽出，并且产生适当的警报。连续的较短/较近的读数表明盐水柜中的高水位，也产生警报信号。另一方面，由信号时间/距离的快速增加获得的盐料位的意外的快速缩减表明盐的剂量异常高，从而推断盐水柜中有泄漏，或者在每个循环中使用的盐水剂量高于预期。
通过改变产生传感器信号的间隔，比如以每小时为基础而不是以循环阶段 (盐水抽取)为基础，本系统用于监控软化器或盐水柜中的泄漏。此外，重复的较短/较近的信号读数指示盐水柜中的液位异常高，指示盐水抽取失败，也导致产生适当的警报。
更具体地，提供了一种水软化器盐监控系统，包括：盐水柜，其被构造成用于保持一定量的盐、一定量的水并且具有底部；传感器，其被固定到盐水柜并且被构造和布置成用于向底部发射信号，该传感器包括接收器，该接收器被配置成用于接收来自一定量的盐、一定量的水、底板和底部中的至少一个的反射信号；以及控制器，其连接到所述传感器并被编程为将反射信号与预设值相比较并且用于当接收到与预设值的偏差时产生警报信号。
在一实施例中，盐水柜包括设置在柜内的盐水井，传感器附接到盐水井。在一实施例中，传感器安装成离盐水井大约2-5英寸。在一实施例中，传感器产生聚焦在底部的中心区域的光束。
在优选实施例中，传感器被封装在保护壳体中，该保护壳体包括覆盖传感器的信号发送器的镜头盖。在一实施例中，控制器包括可编程处理器、用户显示器、至少一个用户输入端和至少一个扬声器。在一实施例中，底板设置在盐水柜的底部上方并且是传感器信号的目标。
在一实施例中，传感器被配置为用于在每次盐水抽取开始时产生信号，并且控制器被配置为，使得在接收到多个指示相同的盐料位的信号时，产生警报信号。在一实施例中，传感器被配置成以规则的间隔产生信号，并且控制器被配置成，使得当接收到的信号表明盐料位的下降比平均下降更慢时(其指示低盐水剂量)，产生警报信号。在一实施例中，传感器被配置成以规则的间隔产生信号，并且控制器被配置成，使得在接收到的信号表明盐料位增加时，产生警报信号。在一实施例中，传感器被配置成以规则的间隔产生信号，并且控制器被配置成，使得当接收到的信号表明盐使用率增加时(其反映高盐水剂量)，产生警报信号。
在一实施例中，传感器被配置成以规则的间隔产生信号，并且控制器被配置成，使得当接收到的信号指示规律的盐消耗的第一阶段，之后是盐消耗减少的第二阶段时(其指示所述盐水柜的泄漏)，产生警报信号。
在另一实施例中提供了一种水软化器盐监控系统，包括：盐水柜，其被构造成用于保持一定量的盐、一定量的水并且具有底部；传感器，其被固定到盐水柜并且被构造和布置成用于向底部发射信号，该传感器包括接收器，该接收器被配置成用于接收来自一定量的盐、一定量的水和底部中的至少一个的反射信号；控制器，其连接到传感器并被编程为将反射信号与预设值相比较，并且用于在接收到与预设值的偏差时产生警报信号，所述盐水柜包括设置在柜内的盐水井，传感器以成角度的取向附接到盐水井，使得传感器产生聚焦在底部的中心区域的光束。
在又一实施例中提供了一种用于在柜中使用的监控系统，该柜被构造为容纳一定体积的材料，该监控系统包括：传感器，该传感器被固定在柜内以避免与所述一定体积的材料接触并且被配置为通过向所述一定体积的材料发送信号来定期地测量柜内材料的料位；以及接收器，该接收器与传感器相关联并且连接到控制器，该控制器被编程为测量接收到的信号、采取料位读数的形式并将最近的料位读数与至少一个先前的料位读数相比较，并且当最近的料位读数不同于期望值时采取校正措施。
附图说明
图1是装备有本盐料位监控系统的水软化器盐水柜的顶部透视图；
图2是安装在盐水柜中的本系统的放大的局部视图；
图3是封装在保护盖内的本传感器的顶部透视图；
图4是图3的传感器的竖直剖视图。
图5是图4的传感器的放大的竖直剖视图。
图6是传感器信号强度和盐水柜中剩余盐百分比的图表表示；
图7是当盐桥在盐水柜中时接收到的信号的图表表示；
图8是当存在低盐水剂量时接收的信号的图表表示；
图9是当存在溢出泄漏或抽取失败时接收到的信号的图表表示；
图10是当存在高盐水剂量时(其指示系统泄漏)接收到的信号的图表表示；和
图11是当存在到盐水柜的泄漏时接收到的信号的图表表示。
具体实施方式
现在参考图1和图2，本水软化器盐监控系统通常标记为10。本系统10旨在与传统的水软化系统一起使用，所述传统的水软化系统包括处理柜(未示出) 以及与处理柜流体连通的盐水柜12。这种系统在本领域是众所周知的，并且在共同转让的美国专利Nos.6,644,349；6,696,966；7,566,738和8,302,631中有详细地描述，所有这些都通过引用结合于此。盐水柜12包括限定内部空间18的外壁14和底部16。内部空间内是大致管状、并且大致竖直地定向的盐水井20，该盐水井附接到盐水柜12，并且在软化器操作循环的再生阶段期间，在盐水柜中产生的盐水被定期地从该盐水井抽取到处理柜中。
更具体地，也如本领域众所周知的，软化器处理柜上的控制阀(未示出) 被构造成用于定性地安排处理介质的再生或刷新，以用盐衍生的钠“软”离子代替钙和镁“硬”离子。硬离子被冲洗以排出。再生阶段的部分包括“盐水抽取”段，其中来自盐水柜12的盐水被抽取到处理柜中。如上所述，水软化器的一个操作问题是储存在盐水柜中用于形成盐水的盐经常形成盐“桥”，其中盐的上层或一部分结晶并硬化，而柜的底部16附近的盐用于制造盐水并产生空腔。这样，盐水柜12中的盐的量对用户具有误导性。
盐水井上包括接触底部16的下端部22或盐水柜12的可选的盐水板或底板 24，该底板通过支脚或支座26悬在底部16上。如本领域中的惯例，底板24优选被穿孔，以允许液体流动到盐水柜底部16并从盐水柜底部流动到内部空间18 的其余部分，并且还流动到盐水井20中。盐28的供应保持在底板24上，盐水柜内部空间18通常保持与盐混合以形成盐水的水的料位30。软化器的正确操作需要用户保持盐水柜12中盐28的料位。
现在参考图1和图2，盐水井20的上端部32设置有盖34，优选具有传感器支架36。尽管在优选实施例中，传感器支架36通过焊接、模制等方式一体地形成在盖34上，但是也可以考虑其它传统的替代紧固技术，包括但不限于螺纹紧固件、铆钉和/或化学粘合剂。传感器支架36优选地被构造和布置成从盐水井 20进一步突出到柜内部空间18中，使得盐水井在传感器支架和柜外壁14之间。
现在参考图1-5，传感器40被固定到盐水柜12并且被构造和布置成用于向底部16或底板24发射信号。更具体地，优选的是：传感器40被固定到盐水井 20并且由电池或电源线供电。在优选实施例中，传感器40是飞行时间(ToF) 传感器，其被配置成用于发送光束信号，更优选地是被描绘为光束42的激光信号。然而对于本系统10，可考虑替代的传感器，其被配置为以下面关于ToF传感器40更详细地描述的方式发射定向的光和/或声音信号。ToF传感器40包括内部接收器44，该内部接收器被配置成用于接收在光束撞击具有足够光密度或不透明度的中断表面之后往回反射的信号42。在本系统中，接收器44被配置为接收来自一定量的盐、一定量的水和盐、底部16和底板24中的至少一个的反射信号。
更具体地，ToF传感器40被构造和布置在盐水柜12中，以将传感器光束导向到底部16的以及可选地主要由支脚或支座26限定的盐水板或底板24的中心区域46(图1)。在正常软化器操作期间，该区域46通常被具有推荐的厚度或高度的盐层28覆盖。传感器光束42的优选取向通过附接到盐水井20的传感器支架36的取向实现。在图2和图3中可见，ToF传感器40被封装在保护壳体 48中，该保护壳体包括覆盖传感器的信号发送器52和接收器44的镜头盖50。保护壳体48保护发送器40免于不期望的飞溅以及与潜在腐蚀性盐水溶液的接触，并且因此包括垫圈或密封件54(图3)，其限定了用于保持传感器40的壳体的受保护的内部56。此外在优选实施例中，保护壳体48安装在传感器支架 36的下侧58。
现在参考图2、图4和图5，传感器支架36被构造为限定相对于竖直的盐水井20的角度α，使得传感器光束42被导向到目标中央底板区域46。在优选实施例中，α在75-85°的范围内，然而根据应用也可以考虑提供其它取向，使得实现传感器光束42的目标方向。此外除了角度α之外，传感器支架36被构造成使得传感器40安装成距盐水井20的外部壁60大约0.5-5英寸。更优选地，传感器40安装成距离盐水井20的外部壁60大约0.5-2.8英寸±0.2英寸。
现在参考图1-4，如本领域已知的，传感器40通过电缆64或无线方式电连接到控制器62(图1)。控制器62中包括处理器66，该处理器优选是可编程的并且具有用于比较各从接收器44接收的信号并将它们转换成时间/距离值的结合的算法，该时间/距离值指示盐28的上料位与传感器40的距离。如本领域众所周知的，可编程的处理器66包括存储在其上的可执行的、非暂时性的指令，或者处理器用可执行的硬件/(非暂时性)软件/固件指令来编码。处理器66的典型示例是中央处理单元(CPU)、计算机、微处理器或专用集成电路(ASIC)。此外，处理器66以指定数量再生循环的形式存储盐水柜12中盐28的高度随时间降低的预期速率的预设值。
处理器66的另一个特征是，与盐高度随时间降低的预期速率的偏差也被编程用于产生警报信号。在本文上下文中，“警报信号”将被理解为表示在与控制器62相关联的显示器68上指示的视觉警报、通过与控制器62相关联的扬声器 70广播的听觉警报以及无线地或通过调制解调器等发射到系统10的服务提供商和/或制造商的远程定向信号72。控制器62上还包括至少一个用户输入端74，比如按钮、旋钮、触摸板等，使得用户或服务技术人员能够设置系统10的期望参数，比如盐水柜12的尺寸、要使用的盐的类型、软化器阀的型号以及可能影响盐水柜中盐的使用速率的其它这样的信息。可以设想，控制器62可选地附接到盐水柜12、与盐水柜关联或远离盐水柜。
现在参考图6，存储在处理器66中的数据中包括盐水柜12中的盐料位的优选下降速率，由反射的传感器光束42的强度与盐水柜中剩余的盐的量相比较来表示。换句话说，随着盐水柜12中的盐料位降低，传感器光束42从传感器传播得更长/更远，并且随着盐料位下降，接收器44处的这种反射信号具有更长的传播时间。
现在参考图7，在本盐监控系统10的优选实施例中，传感器40被配置成以规则的间隔产生传感器光束42形式的信号，优选在至少每次在再生操作期间盐水抽取开始时，并且控制器62被配置成使得当接收到多个指示相同盐料位的信号时，产生警报信号。在相同高度处接收到多个盐料位指示盐桥的存在以及未能抽取盐水或没有盐水补充，所有这些都提醒用户和/或维修技术人员盐水柜需要维护。
现在参考图8，传感器40被配置成以规则的间隔产生传感器光束42形式的信号，并且控制器62还优选被配置成使得当接收器44在多次再生中接收到多个指示盐料位随时间的下降比平均或预期的下降更慢的信号时(其指示低盐水剂量)，产生警报信号。
现在参考图9，传感器40被配置成以规则的间隔产生传感器光束42形式的信号，并且控制器62还优选地被配置成使得当接收器44在多个再生中接收到如下的多个信号时，产生警报信号，所述多个信号指示盐以预期的速率缩减的第一阶段76，之后是指示盐水柜12中的盐或盐水料位突然增加的第二阶段78 (其指示过量填充、泄漏或盐水抽取失败)。在一些情况下，第二阶段78之后是持续的高盐料位的第三阶段80、或盐或盐水料位快速下降的第四阶段82，这取决于故障。
现在参考图10，传感器40被配置成以规则的间隔产生传感器光束42形式的信号，并且控制器62还优选地被配置成，使得当接收器44在多次再生中接收到多个指示盐使用的速率增加的信号时(其反映高盐水剂量)，产生警报信号。
现在参考图11，传感器40被配置成以规则的间隔产生传感器光束42形式的信号，并且控制器62还优选地被配置成，使得当接收器44在多个再生中接收到如下的多个信号时，产生警报信号，所述多个信号指示有规律的盐消耗的第一阶段84、之后是指示向盐水柜12泄漏的信号料位或水料位增加的第二阶段 86。
可以设想，上述偏差被预编程到处理器66中，以便在显示器68上显示或在72处发送与故障相适的警报。此外，虽然用于从传感器40发送信号的优选时间安排是在盐水抽取时或盐水抽取之后，但是也可以考虑其它间隔，包括但不限于基于时钟的分钟、小时等间隔。此外在一些情况下，盐缩减的速率是由于所使用的盐的类型，该类型是在操作开始时由用户输入端74可选地输入到控制器中的参数。不稳定的盐缩减速率的另一项指示是盐水柜12需要清洗。
虽然本文已经描述了本水软化器盐监控系统的特定实施例，但是本领域的技术人员将会理解，可以对其进行改变和修改，而不脱离本发明更广泛的方面并且如以下权利要求阐述的那样。

Claims (15)

1.一种水软化器盐监控系统，包括：
盐水柜(12)，其被构造成用于保持一定量的盐和一定量的水并且具有底部(16)；
传感器(40)，其固定到所述盐水柜上并且被构造和布置成用于向所述底部发射信号，所述传感器包括接收器(44)，该接收器被配置成接收来自所述一定量的盐、一定量的水和底部中的至少一个的反射信号；和
控制器(62)，其连接到所述传感器并被编程为，将所述反射信号与预设值相比较并且用于在接收到与所述预设值的偏差时产生警报信号。
2.根据权利要求1所述的盐监控系统，其中，所述盐水柜(12)包括设置在所述柜内的盐水井(20)，所述传感器(40)附接到所述盐水井。
3.根据权利要求2所述的盐监控系统，其中，所述传感器(40)安装成离所述盐水井(20)大约0.5-5英寸。
4.根据权利要求2所述的盐监控系统，其中，所述传感器(40)产生聚焦在所述底部的中心区域的光束。
5.根据权利要求1所述的盐监控系统，其中，所述传感器(40)是飞行时间传感器。
6.根据权利要求1所述的盐监控系统，其中，所述传感器(40)被封装在保护壳体(48)中，所述保护壳体包括覆盖所述传感器的信号发送器(52)的镜头盖(50)。
7.根据权利要求1所述的盐监控系统，其中，所述控制器(62)包括可编程的处理器(66)、用户显示器(68)、至少一个用户输入端(74)和至少一个扬声器(70)。
8.根据权利要求1所述的盐监控系统，进一步包括设置在所述盐水柜(12)的所述底部(16)上方的盐水板(24)。
9.根据权利要求1所述的盐监控系统，其中，所述传感器(40)被配置为每次盐水抽取结束时或某个时间或盐水填充之前产生信号，并且所述控制器被配置成，使得当接收到多个指示相同盐料位的信号时，产生警报信号。
10.根据权利要求1所述的盐监控系统，其中，所述传感器(40)被配置成以有规律的间隔产生信号，并且所述控制器被配置成，使得当所述接收到的信号表明盐料位的下降比平均下降更慢时，这指示低盐水剂量，则产生警报信号。
11.根据权利要求1所述的盐监控系统，其中，所述传感器(40)被配置成以有规律的间隔产生信号，并且所述控制器被配置成，使得当所述接收到的信号表明盐或水料位增加时，则产生警报信号。
12.根据权利要求1所述的盐监控系统，其中，所述传感器(40)被配置成以有规律的间隔产生信号，并且所述控制器被配置成，使得当所述接收到的信号表明盐使用的速率增加时，这反映高盐水剂量、向盐水柜的泄漏或盐水柜溢出，则产生警报信号。
13.根据权利要求1所述的盐监控系统，其中，所述传感器(40)被配置成以有规律的间隔产生信号，并且所述控制器(62)被配置成，当所述接收到的信号指示有规律的盐消耗的第一阶段、之后是水消耗上升的第二阶段时，这指示向所述盐水柜泄漏，则产生警报信号。
14.根据权利要求1所述的盐监控系统，其中，所述盐水柜(12)包括设置在所述柜内的盐水井(20)，所述传感器(40)以成角度的取向附接到所述盐水井，使得所述传感器产生聚焦在所述底部的中心区域的光束。
15.一种监控系统，其设置用于在被构造成容纳一定体积的材料的柜中使用，所述监控系统包括：
传感器(40)，其固定在柜(12)内以避免与所述一定体积的材料接触并且被配置成，通过向所述一定体积的材料发送信号来定期地测量柜内材料的料位；
与所述传感器相关联的接收器(44)，该接收器连接到控制器(62)，该控制器被编程为测量接收到的信号、采用料位读数的形式并将最近的料位读数与至少一个先前的料位读数相比较，并且当最近的料位读数不同于期望值时采取校正措施。
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