CN115594253A - 水软化器系统及其操作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水软化器系统及其操作方法。水软化器系统包括：盐水箱；离子交换树脂；流体联接盐水箱和离子交换树脂的软化器控制阀。软化器控制阀具有配置为接收给水流的入口和配置为输送产品水流的出口。流量计配置为监测流向控制阀和来自控制阀的水的流量，并且传感器布置在软化器控制阀的入口的上游以测量给水流的流体特性。控制器配置为：使用来自流量计的流量数据和给水的硬度值，计算离子交换树脂的可用交换容量，控制器使用来自传感器的流体特性值和预定系数来计算给水硬度值。控制器还配置为使用盐水箱和软化器控制阀启动离子交换树脂的再生，并在启动再生时至少部分地基于计算出的可用交换容量更新预定系数。
Description
技术领域
本发明涉及使用在线式(in-line)水硬度传感器和水软化器控制系统的系统和方法。
背景技术
水的硬度主要是由水中存在的钙离子和镁离子引起的。在盐基水软化器中，使用离子交换树脂用钠离子取代钙离子和镁离子。当离子交换树脂新鲜时，它的活性部位含有大量的钠离子，并可以产生软化良好的水。在使用过程中，离子交换树脂中的钠离子逐渐被钙离子和镁离子取代，最终，树脂珠变得饱和。此时离子交换树脂被称为耗尽。当树脂珠达到耗尽时，产品水中的硬度水平将大大增加(被称为系统的“突破(breakthrough)”)，水软化器的离子交换树脂必须使用盐水进行再生。
监测产品水的硬度水平是一种已知的方法，通过这种方法需要对离子交换树脂进行再生。然而，这存在一定的缺陷。目前，大多数市售的硬度测量技术要么基于离子选择电极(ISE)，要么基于乙二胺四乙酸(EDTA)滴定法。这些仪器要么非常昂贵，要么很不方便。因此，市场上只有少量水软化器产品使用ISE钙离子传感器或自动滴定仪来控制再生过程。那些水软化器价格昂贵，而且用户必须经常重新校准ISE或更换滴定试剂以确保硬度传感器的可靠性。
仅当检测到产品水的硬度水平增加时才启动离子交换介质的再生，这也会产生不期望的效果，即在介质再生完成之前，使产品水的接受者受到具有可检测的高硬度水平的水的影响。通常，期望在预计不需求水的时段(如夜间)，对水软化器进行再生，因为再生过程本身中使用的任何水通常是没被软化的。因此，在树脂珠的实际耗尽和其再生之间往往有这样一个时段，在此期间，产品水可能具有不期望的高硬度水平。
还期望的是，当树脂还远未耗尽时，不要过早地再生离子交换树脂。这样的早期再生会不必要地浪费水和盐，而这两者都是制造盐水所需要的，并且需要更频繁地加装盐。
发明内容
根据本发明的一个实施方式，一种操作水软化器系统的方法包括：使被接收到水软化器系统中的给水经过离子交换树脂以产生产品水；以及确定产品水的硬度指示值。监测自离子交换树脂上一次再生以来经过离子交换树脂的累积水量，并且使用该累积水量来计算离子交换树脂的可用交换容量。当满足第一标准和第二标准中的任何一者时再生离子交换树脂。
在至少一些实施方式中，当产品水的硬度指示值超过预定极限时，满足第一标准，并且当可用交换容量小于预定储备容量时，满足第二标准。在一些实施方式中，预定储备容量等于零。在其他实施方式中，预定储备容量大于零。
在一些实施方式中，通过使用产品水的第一电导率值和第二电导率值确定产品水的硬度指示值。测量产品水的第一电导率值，然后使产品水的一部分经过过滤膜。在一些实施方式中，过滤膜是纳滤膜。第二电导率值是产品水的经过过滤膜的部分的电导率值。
在一些实施方式中，使用给水硬度值计算离子交换树脂的可用交换容量。使用在软化水之前测量的给水电导率值计算给水硬度值。在至少一些这样的实施方式中，通过将给水电导率值乘以一系数来计算给水硬度值。
在一些实施方式中，当满足第一标准或第二标准时，更新用于计算给水硬度值的系数。在一些这样的实施方式中，当满足第二标准但未满足第一标准时，更新该系数导致所计算的给水硬度值减小。在一些这样的实施方式中，当满足第一标准但不满足第二标准时，更新系数导致所计算的给水硬度值增大。
在一些实施方式中，计算离子交换树脂的可用交换容量包括使用给水硬度值和累积水量计算估计的已用交换容量。可用交换容量可以通过从离子交换树脂的预定总交换容量减去估计的已用交换容量来计算。
在一些实施方式中，将估计的已用交换容量与先前已用交换容量的存储值进行比较。可以在离子交换树脂的上一次再生之前计算该存储值。在确定估计的已用交换容量比存储值少至少阈值量后，发布错误消息。在至少一些实施方式中，该错误消息可以是指示水软化器系统的盐水箱需要加装盐的消息。该错误消息还可以是或另选是指示发生了错误再生的消息。
在至少一些实施方式中，将估计的已用交换容量与存储值进行比较，并确定估计的已用交换容量是否比存储值少至少第一阈值量或少至少第二阈值量，该第二阈值量大于第一阈值量。如果估计的已用交换容量比存储值少至少第一阈值量，但没有比存储值少第二阈值量，那么发布第一错误消息。如果估计的已用交换容量比存储值少至少第二阈值量，那么发布第二错误消息。在一些实施方式中，第一错误消息是指示盐水箱需要加装盐的消息。在一些实施方式中，第二错误消息是指示发生了错误再生的消息。
根据本发明的另一个实施方式，一种水软化器系统包括：盐水箱；离子交换树脂；以及软化器控制阀，其流体联接盐水箱和离子交换树脂。该软化器控制阀具有被配置为接收给水流的入口和被配置为输送产品水流的出口。流量计被配置为监测流向控制阀或来自控制阀的水的流量，并且传感器布置在软化器控制阀的入口的上游以测量给水流的流体特性。控制器被配置为使用来自流量计的流量数据和给水的硬度值计算离子交换树脂的可用交换容量，控制器使用来自传感器的流体特性值和预定系数来计算给水的硬度值。控制器还被配置为使用盐水箱和软化器控制阀启动离子交换树脂的再生，并在启动再生时至少部分地基于计算出的可用交换容量更新预定系数。
在至少一些实施方式中，控制器被配置为在计算的可用交换容量小于预定储备容量时启动离子交换树脂的再生。在一些这样的实施方式中，控制器被配置为使用流量数据监测水软化器系统的用水历史，并使用用水历史确定储备容量。
在一些实施方式中，水软化器系统包括布置在软化器控制阀的出口下游的水硬度监测系统。控制器可以被配置为从水硬度监测系统接收产品水的流体特性数据，并利用该流体特性数据计算产品水的硬度指示值。
在至少一些实施方式中，控制器被配置为确定是否满足第一再生标准，并确定是否满足第二再生标准。控制器被配置为在满足第一标准和第二标准中的任一标准时启动离子交换树脂的再生。当计算的产品水的硬度指示值超过预定极限时，可以确定满足第一标准。当计算的可用交换容量小于预定储备容量时，可以确定满足第二标准。
在至少一些实施方式中，控制器被配置为在满足第一再生标准和第二再生标准中的正好一者时更新预定系数。在一些实施方式中，控制器被配置为在满足第一再生标准但未满足第二再生标准时更新预定系数以便增大计算的给水硬度值。在一些实施方式中，控制器配置在不满足第一再生标准但满足第二再生标准时为更新预定系数以便减少所计算的给水硬度值。
在一些实施方式中，水硬度监测系统包括：过滤管线，其与软化器控制阀的出口流体连通以将产品水转移到水硬度监测系统中；以及出水管线。水硬度监测系统还包括过滤膜，过滤膜的上游侧与过滤管线流体联接，并且过滤膜的下游侧与出水管线流体联接。电导率传感器沿出水管线布置。在一些实施方式中，在电导率传感器的上游，阀在沿着过滤管线的点和沿着出水管线的点之间与过滤膜液压并联地。在一些实施方式中，沿着过滤管线布置有第二电导率传感器。
在本发明的一些实施方式中，控制器还被配置为使用流量数据和给水的硬度值计算估计的已用交换容量，并将估计的已用交换容量与先前已用交换容量的存储值进行比较。控制器被配置为确定估计的已用交换容量是否比存储值少至少阈值量，并在估计的已用交换容量比存储值少至少阈值量时发布错误消息。在一些这样的实施方式中，错误消息是指示水软化器系统的盐水箱需要加装盐的消息。在一些这样的实施方式中，错误消息是指示发生了错误再生的消息。控制器可以被配置为基于估计的已用交换容量比存储值少的量来发布不同的错误消息。
通过考虑详细描述和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的水软化器系统的示意图。
图2是用于与图1的水软化器系统一起使用的控制系统的图。
图3是用于在图1的水软化器系统中使用的水硬度监测系统的示意图。
图4是根据本发明的一些实施方式的过程的流程图。
图5是根据本发明的一些实施方式的过程的流程图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施方式之前，应理解本发明的应用不限于以下描述中阐述的或附图中示出的构造的细节以及部件的布置。本发明能够实现其他实施方式，并且能够以各种方式实践或执行本发明。
本发明涉及一种监测水软化器软化水的效果的系统和方法。本发明中的水软化器使用离子交换树脂，该离子交换树脂通过去除导致水硬度的离子(如钙和镁)，并用钠取代这些离子来产生软化的产品水，从而软化水。该水软化器系统采用了水硬度监测系统来连续或定期检查产品水中的非钠离子含量。离子交换树脂床下游的非钠离子含量上升指示离子交换树脂正在丧失其软化水的能力。
图1示意性地描绘了根据本发明的一个实施方式的水软化器系统100。该系统100从水供应部(例如，原水供应部)104接收水(称为“给水”)，并将清洁的软化产品水输送到饮用水输出装置(例如水龙头或出水端口)108，水供应部1104可以是市政供水系统、井或任何其他典型的饮用水源。可以在水供应系统的典型水头压力下提供给水。水供应部104和水龙头108被示意性地示出，并旨在包括系统100的任何水入口和任何水出口。
水软化器系统100包括：给水管线112；软化器控制阀116；离子交换反应器120；软化水管线124；盐水排放管线128；过滤管线132；水硬度监测系统136；排放管线140；排放部144；盐水箱148；盐水供应管线152；盐水输送系统156；给水流体特性传感器194；流量计196；以及包括控制器210的控制系统200(图2)。
继续参考图1，给水管线112在水供应部104和软化器控制阀116之间连通。软化器控制阀116位于离子交换反应器120上游，并当水软化系统100处于软化模式时，将给水引导成流入离子交换反应器120中。软化器控制阀116与控制器210通信，控制器210向软化器控制阀116发射信号(有线或无线)以将水流引导到离子交换反应器120中。
离子交换反应器120包括：与给水管线112和盐水输送系统156连通的上游侧；以及与软化水管线124和盐水排放管线128连通的下游侧。离子交换反应器120容纳离子交换树脂122的床，该离子交换树脂122去除导致水硬度的杂质(如小的溶解固体和离子(如钙、镁))，从而产生输送到软化水管线124的软化的产品水。离子交换反应器120另外包括分配器系统126，该分配器系统126与软化器控制阀116连接。分配器系统126提供了与离子交换反应器120底部的水连接。分配器系统126包括屏障，该屏障可操作成防止树脂122被冲出反应器120。给水向下经过离子交换树脂122床以被软化，然后作为软化水经过分配器系统126，向上回到控制阀116的下游侧，并经过软化水管线124流出。
盐水箱148可以采取任何能够储存用于再填充离子交换树脂122的盐水(例如，钠离子)的容器或器皿的形式。在这方面，术语“箱”理应是非常宽泛的术语，其包括所有这样的容器和器皿。盐水箱148中的盐水可以例如从浸泡在盐水箱148中的水中的盐149产生。如下文所论述的，反应器120的每个再生循环均会耗损盐水箱148中的盐149。盐水箱148由控制器210控制。更具体而言，控制器210发射信号，以关闭软化器控制阀116，并致动盐水输送系统156(例如，打开盐水输送系统156内的阀)，从而经由盐水供应管线152将盐水流引导到离子交换反应器120。盐水经由盐水供应系统156移动经过盐水供应管线152，当离子交换树脂122需要再生时，盐水供应系统156提供原动力或压力，以将盐水从箱148中移出并移入反应器120中。原动力或压力可以由例如水头压力、引射器(educator)或泵提供。盐水供应管线152与盐水箱148和离子交换反应器120连通。在一些操作模式下，用户可以手动致动盐水箱148以向离子交换反应器120供应盐水流。
当盐水流经离子交换树脂122的床时，已被吸附到离子交换树脂上的硬水离子(例如钙、镁等)被钠离子取代，钠离子在盐水中处于高浓度。盐水和被取代的硬水离子一起被软化器控制阀116引导到盐水排放管线128，从而被输送到排放部144。最终，所有的硬水离子都被钠离子所取代，并且离子交换树脂被认为已经进行了再生。然后水软化器系统100将再次准备在软化模式下操作。
水硬度监测系统136与控制器210通信，并向控制器210提供信息以实现产品水的水硬度值的计算。虽然水硬度监测系统136可以采取多种形式，但将参考图3描述特别适合在水软化器系统100中使用的水硬度监测系统136的一些示例性类型。如其中所描绘的，示例性的水硬度监测系统136包括纳滤膜160。
纳滤膜160对单价离子(例如，Na+、K+等)和多价离子(例如，Ca2+、Mg2+等)具有不同的渗透性。作为一个非限制性的实施例，纳滤膜160可以是可从陶氏(Dow)化学公司获得的FILMTECTMNF270膜，该膜对多价离子的渗透率比对单价离子的渗透率高。当离子交换树脂122有效地软化水时，那么产品水基本上没有任何多价离子，那些多价离子已经在离子交换反应器中被交换为单价离子。渗透过纳滤膜160的水(被称为“渗透物”)的单价离子浓度将大大减小，因为这些离子基本上被阻止通过纳滤膜。
水硬度监测系统136进一步包括渗透物管线164、传感器172、主电磁阀176、限流器180和出水管线188。如将进一步描述的，水硬度监测系统可选地包括传感器198、旁路管线168和旁路电磁阀184。参考图2，控制系统200包括控制逻辑，以协调各部件的操作。
主电磁阀176选择性地将水硬度监测系统136与排放部144流体连通。当主电磁阀176关闭时，水硬度监测系统136中产生背压，软化水管线124中的水不能转移到水硬度监测系统136中。但是当主电磁阀176打开时，产品水可以从软化水管线124经过连接水监测系统136和软化水管线124的过滤管线132转移到水硬度监测系统136中。
当主电磁阀176打开时，水硬度监测系统136测量产品水以及渗透物的电导率。如果离子交换树脂122有效地软化了水，则产品水的电导率应主要来自软化水中存在的钠离子。既然如此，与产品水的电导率相比，渗透物的电导率应该非常低。
纳滤膜160包括：与过滤管线132连通的上游侧160a；与渗透物管线164连通的下游侧160b；以及与排放管线140连通的排放端口160c。渗透物管线164与出水管线188连通。限流器180定位在排放管线140中，以限制纳滤膜上游侧的水流。这样就在纳滤膜160的上游侧160a产生了背压，导致一些水渗透过纳滤膜160，并从下游侧160b出来。该渗透物被输送到纳滤模160的下游侧160b的渗透物管线164。具体而言，渗透物管线164在纳滤膜160的下游侧160b和出水管线188之间连通。渗透物的电导率由出水管线188中的传感器172测量，并传送给控制器210。
水硬度监测系统136额外地配置为测量经由过滤管线132接收的产品水的电导率。在一些实施方式中，为了测量产品水的电导率，过滤管线132中设置有额外的传感器198。在其他实施方式中，传感器172可以用来测量渗透物的电导率和产品水的电导率两者，从而可以省去额外的传感器198。在一个这样的实施方式中，如图3中所示，包括旁路电磁阀184的旁路管线168与过滤膜160并联地液压地放置在过滤管线132和出水管线188之间。
当关闭时，旁路电磁阀184迫使软化水流经纳滤模块160、限流器180，并经由出水管线188和主电磁阀176流向排放部144。当旁路电磁阀184打开时，经由旁路管线168、出水管线188和主电磁阀176可获得通往排放部144的阻力较小的路径。由于限流器180和纳滤模块160产生的背压，旁路管线168是阻力较小的路径。通过打开和关闭阻力较小的路径(即旁路管线168)，旁路电磁阀184可以引导产品水流过纳滤膜160或流过旁路管线168(即绕过纳滤膜160)。旁路电磁阀184与控制器210进行有线或无线通信，控制器210向旁路电磁阀184发射信号，以引导产品水流过纳滤膜160或借助旁路管线168绕过纳滤膜160流动。旁路管线168和渗透物管线164在结点192处合并，该结点192就启动了出水管线188。
传感器172在结点192下游位于出水管线188中，并通过有线或无线方式与控制器210进行电子通信，以监测出水管线188中的水的电导率。出水管线188中的水可以是产品水或渗透物，这取决于旁路电磁阀184的设置。主电磁阀176在传感器172下游定位在出水管线188中，以引导水从出水管线188流向排放部144。
当水经过传感器172(或传感器198，如果存在的话)时，传感器确定水的电导率值并将电导率值(经由有线或无线的方式)传送给控制器210。然后，控制器210将电导率值记录为第一电导率值C1(在来自传感器198或旁路管线168的产品水的情况下)或第二电导率值C2(在来自渗透物管线164的渗透物的情况下)。产品水的电导率产生于产品水中的杂质(例如，总溶解固体，其包括但不限于钠离子、钙离子和镁离子)。因为钠离子被纳滤膜有效地从水中去除，所以渗透物的电导率主要产生于二价离子的存在，如钙离子和镁离子(即，不是会被纳滤膜过滤的杂质或诸如钠离子之类的单价离子)。
尽管优选紧邻纳滤模块160的下游定位，但传感器172可以定位在沿出水管线188的任何地方。在至少一些实施方式中，传感器172是电导率传感器或总溶解固体(TDS)传感器，但其他类型的传感器可以用于感测软化水或渗透物的TDS浓度。可以单独从系统100中去除传感器172(以及传感器198，如果提供的话)，从而允许在损坏的情况下单独更换传感器。如果水硬度监测系统136包括电导率传感器198，那么可以从系统136中除去旁路电磁阀184和旁路管线168，以便进入水硬度监测系统136的产品水必须流经纳滤膜160。
水硬度监测系统136允许控制系统200监测并比较软化水的电导率和渗透物的电导率，以确定离子交换树脂122中是否存在突破。更具体而言，传感器172将第一电导率值C1和第二电导率值C2传送给控制器210。控制器210利用第一电导率值和第二电导率值计算出产品水的硬度值或产品水硬度变化的指标。以实施例的方式，控制器210可以被配置为使用第一电导率值C1和第二电导率值C2计算盐通过率。盐通过率可以被计算为渗透物的电导率C2与产品水的电导率C1之比。该比率小于1，随着由于离子交换反应器120中的树脂122的突破引起的非钠离子造成的电导率变得越来越大，该比率将变得更大(即逼近1)。
盐通过率的变化意味着水硬度的变化。随着离子交换树脂122经历突破，产品水的硬度从零增加，并且第二电导率值C2增加。例如，如果离子交换树脂122完全耗尽，则产品水的硬度将等于给水的硬度，因为没有多价离子被钠离子取代。然而，产品水的电导率C1将不会有太大的变化，因为总溶解固体的浓度将保持不变。相比而言，渗透物的电导率值C2将增加到等于或仅略低于C1的值，因为纳滤膜基本将不会阻挡多价离子。结果，盐通过率大幅增大(例如，变得更接近1)。因此，盐通过率的变化(例如，盐通过率与再生后立即或不久确定的基线值的百分比偏差)可以作为产品水硬度的数字指标。当产品水硬度的指标超过极限时，控制器210将确定离子交换树脂122经历了重大的突破，需要再生，并且作为响应可以自动再生离子交换树脂122。
本领域技术人员应该理解，第一电导率值C1和第二电导率值C2可以以各种方式进行数学组合，以推导出产品水的硬度因树脂突破而增加。以实施例的方式，产品水的硬度值可以根据专利合作条约专利申请第PCT/US2019/032577号中所述值C1和C2来计算，该申请的内容全部纳入本文中。为清楚起见，使用第一电导率值和第二电导率值来推导产品水的硬度指示的任何这种计算在本文中将被称为计算产品水的硬度指示值(HS)。
水软化系统100另外包括：传感器194，其沿给水管线112布置以测量给水的流体特性；以及流量计196。如图1所描述的，流量计196沿软化水管线124定位，但另选可以沿给水管线112定位。传感器194和流量计196两者都与控制器210通信，并向控制器210输送信息。流量计196用于测量流经水软化系统100的产品水的体积流量。控制器接收来自流量计196的体积流量信息，并使用该数据来确定自离子交换树脂122的上一次再生以来经过离子交换反应器120的水的累积体积流量。
控制器210使用从传感器194接收的信息来计算给水的硬度。在一个示例性实施方式中，传感器194测量给水的电导率CF，并且控制器使用以下等式并使用存储的系数将电导率转换成给水的硬度值HF，其中系数g和h是预定的常数：
HF＝CFg+h
在其他实施方式中，给水的电导率和给水的硬度之间的关系可以是线性关系以外的关系，例如二阶(或更高阶)关系。
当水龙头108打开时，在水供应部104中的水头压力(高于水龙头108处的大气压力)的影响下，水从水供应部104经由给水管线112移动经过离子交换反应器120。杂质和二价离子留在反应器120中，直到树脂122再生，此时，杂质和二价离子经由盐水排放管线128直接流向排放部144。软化的产品水经由软化水管线124流向水龙头108。
控制器210向主电磁阀176发送信号，以便在产品水要被转移到水硬度监测系统136中时打开。当旁路电磁阀184(如果存在)关闭时，产品水流经纳滤膜160。被捕获在纳滤模块160的上游侧160a的杂质经由排放端口160c和排放管线140直接流向排放部144。渗透物从纳滤模块160的下游侧160b经由渗透物管线164流向结点192。如果传感器172也用来测量产品水的电导率，则当期望产品水经由旁路管线168绕过纳滤膜160旁路到结点192时，控制器210向旁路电磁阀184发送信号，使其打开。
传感器172、198确定水的电导率值(无论是产品水还是渗透物)，并将电导率值存储为第一电导率值C1(在产品水的情况下)或第二电导率值C2(在来自渗透物管线164的渗透物的情况下)。然后水继续沿着出口管线188，离开系统100，并流入排放部144中。优选地，主电磁阀176仅在预计出口108处不需求水时打开。例如，主电磁阀176可以以每天为周期在预计没有需求的夜间打开。
如图2中所示，控制系统200包括控制器210和可选的用户接口220。根据一个示例性的构造，控制器210包括多个电气和电子部件，这些部件为控制器210内的部件和模块提供电力、操作控制和保护。例如，控制器210尤其包括电子处理器230(例如，微处理器、微控制器或其他合适的可编程装置)和存储器240。控制器210以有线或无线的方式与各种输入单元(如流量计196、传感器194、水硬度监测系统136的传感器等)以及各种输出单元(如水硬度监测系统136的电磁阀、盐水输送系统156等)进行通信。
存储器240包括例如程序存储区和数据存储区。在一些构造中，存储器可以是云中的存储空间。程序存储区和数据存储区可以包括不同类型的存储器的组合，这些存储器例如是只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)(例如动态RAM[“DRAM”]、同步DRAM[“SDRAM”]等)、电可擦除可编程只读存储器(“EEPROM”)、闪存、硬盘、SD卡或其他合适的磁性、光学、物理或电子存储器装置。继续参考图2，电子处理器230与存储器240连接，并执行能够存储在RAM(例如，在执行期间)、ROM(例如，在一般永久性的基础上)或另一个非暂时性计算机可读介质(例如另一个存储器或光盘)中的软件指令。包括在水硬度监测系统136的实施中的软件可以存储在控制器210的存储器240中。该软件包括例如固件、一个或多个应用程序、程序数据、过滤器、规则、一个或多个程序模块以及其他可执行指令。控制器210从存储器240中检索并尤其执行与本文中所述控制过程和方法有关的指令。在其他构造中，控制器210包括额外的、更少的或不同的部件。
可选的用户接口220可以用于控制或监测水软化器系统100。用户接口220包括实现对水软化器系统100的控制和监测的期望水平所需的数字和模拟输入或输出装置的组合。例如，用户接口220包括显示器(例如，主显示器、副显示器等)和输入装置(例如触摸屏显示器、操纵杆、多个旋钮、拨盘、开关、按钮等)。显示器例如是液晶显示器(“LCD”)、发光二极管(“LED”)显示器、有机LED(“OLED”)显示器、电致发光显示器(“ELD”)、表面传导电子发射器显示器(“SED”)、场发射显示器(“FED”)、薄膜晶体管(“TFT”)LCD等等。用户接口220也可以被配置为实时地或基本实时地显示与水软化器系统100相关的条件或数据。例如，用户接口220可以被配置为显示所测量的水软化器系统100的电气特征和水软化器系统100的状态。在一些实施中，用户接口220与一个或多个指示器(例如，LED，扬声器等)协作控制，以提供水软化器系统100的状态或条件的视觉或听觉指示。可选的用户接口220可以是运行被配置为与控制系统200通信的应用程序的智能手机。
图4示出了自动再生系统100的离子交换树脂122的过程400。该过程400在步骤410开始，其中离子交换树脂122被再生。控制器210通过打开定位在盐水箱148和离子交换反应器120之间的盐水输送系统156(图1)的阀来实施步骤410，允许盐水(例如，盐)转移到离子交换树脂122中。在完成再生后，过程400进行到步骤420。
在步骤420中，控制器210确定产品水的硬度指示值(HS)(如前所述)以及离子交换树脂122的可用交换容量(EA)。离子交换树脂122的可用交换容量是由控制器210使用从流量计196和传感器194接收到的数据计算的。如前所述，从传感器194接收到的数据可以由控制器210用来计算给水的硬度值(Hf)。控制器210可以使用从流量计196接收到的体积流量数据来跟踪自上次离子交换树脂再生以来经过离子交换树脂122的水的累积体积Qp。然后，可用交换容量EA可以计算为：
EA＝EM-HF×QP×HC
其中EM是恰在离子交换树脂再生后的总交换能力，HC是比例常数。EM和HC两者都可以是预先编入存储器240中的已知常数。
在步骤430中，控制器210确定硬度指示值HS是否大于预定极限或阈值极限。如果硬度指示值HS大于极限，则步骤430返回“真”，如果硬度指示值HS不大于极限，则返回“假”。该极限值优选设定为使得产品水具有值HS，该值以如下硬度达到极限，在该硬度，水不再被认为是完全软的，但对大多数人来说，硬度还不明显(例如，硬度为60ppm)。步骤430描述了第一标准，如果满足该第一标准，将使离子交换树脂再生。如果步骤430返回“真”，则逻辑返回到步骤410，其中控制器210向盐水箱148和盐水输送系统156产生信号，以启动离子交换树脂122的再生。具体而言，控制器打开盐水输送系统156的阀，从而允许盐水转移到离子交换树脂122。逻辑并行地进行到步骤460。如果步骤430返回“假”，则逻辑移到步骤440。
在步骤440和460中，控制器210将计算的可用交换容量EA与预定储备容量ER进行比较。预定储备容量可以是离子交换树脂122的总交换容量的百分比，并且可以由水软化系统100的制造商、系统100的安装者或终端用户、控制器210等预定。由于通常期望在一天中已知对软化水的需求很少或没有需求的时候(例如夜间)再生离子交换树脂122，并且进一步期望在树脂发生突破之前再生离子交换树脂122，因此可以将储备容量设定为反映足以软化在下一次离子交换树脂再生机会之前(例如，在第二天)预计需求的水量的离子交换容量。在一些实施方式中，控制器210可以跟踪一段时间内的水消耗模式，并可以利用该水消耗历史数据确定储备容量。
在一些实施方式中，预定储备容量被设定为等于零值。例如，在双箱系统中，控制器210可以在确定第一床被耗尽后立即从一个离子交换树脂床切换到第二可用的离子交换树脂床。由于这将确保软化水的供应不会缺乏连续性，因此不需要维持第一离子交换床的储备百分比。
在步骤440中，如果控制器210确定计算的可用交换容量EA不小于预定储备容量ER(返回“假”值)，则逻辑返回到步骤420。然后，将在确定是否需要再生离子交换树脂122的下一个机会(例如，第二天)时重复步骤420。另一方面，如果控制器210确定计算的可用交换容量EA小于预定储备容量ER(返回“真”值)，则逻辑返回到步骤410，其中控制器210向盐水箱148和盐水输送系统156产生信号，以启动离子交换树脂122的再生。因此，步骤440描述了第二标准，如果满足该第二标准，将使离子交换树脂再生。尽管硬度指示值HS没有处于指示当时离子交换树脂122的突破的值，但控制器210已经确定在允许发生再生之前的下一时段内没有足够的离子交换树脂可用来防止突破。与返回步骤410并行地，当控制器210在步骤440中确定计算的可用交换容量EA小于预定储备容量ER时，逻辑也进行到步骤450。
如果控制器在步骤460中确定计算的可用交换容量EA不小于预定储备容量ER(返回“假”值)，则逻辑还进行到步骤450。步骤460评估在步骤440中评估的相同的第二标准，但是不需要启动离子交换树脂的再生，因为通过在步骤430中满足第一标准(为了使逻辑进行到步骤460必须满足该第一标准)，将会已启动再生。
在步骤450中，控制器210更新用于计算给水硬度Hf的系数“g”的值。从流程图400可以看出，当满足第一标准(步骤430返回“真”)但不满足第二标准(步骤460返回“假”)，或者当不满足第一标准(步骤430返回“假”)但满足第二标准(步骤440返回“真”)，控制器210执行步骤450。在满足第一标准的情况下(步骤430返回“真”)，控制器210确定离子交换树脂的突破已经发生。然后控制器将评估(在步骤460)该突破是否是预计的。如果控制器确定可用交换容量的量(根据自上次再生以来经过反应器120的水的累积体积和计算的给水硬度的计算)不低于预定储备容量(即没有达到第二标准)，那么突破就不是预计的。这很可能是由于对给水硬度估计不足造成的，这可以在步骤450中通过增加系数“g”的值来校正，从而使给水硬度的计算值增加。另一方面，如果控制器确定可用交换容量的量小于预定储备容量，那么突破是预计之中的，并且系数“g”的值不需要在这个逻辑的迭代中更新。
在不满足第一标准的情况下(步骤430返回“假”)，控制器210确定没有发生离子交换树脂的突破。然后，控制器将评估在下一个循环期间(例如第二天)是否预计会发生突破。如果控制器210确定(在步骤440)可用交换容量的量(根据自上次再生以来经过反应器120的水的累积体积和计算的给水硬度计算)小于预定储备容量(即满足第二标准)，那么预计在该下一个循环期间将发生突破。然而，如果计算出的给水硬度大大高于实际给水硬度，那么这种预计就会有错误，并且控制器就会不必要地提前进行离子交换树脂的再生，浪费水和盐两者。控制器210可以在步骤450中通过减小系数“g”的值来校正这种潜在的结果，从而使给水硬度的计算值减小。
在过程400的连续循环中，系数“g”的值可以减少，直到计算出的给水硬度值与实际给水硬度值大致匹配。如果通过减小“g”的值，计算出的给水硬度变得太低，那么控制器210将高估可用的交换容量，并且将通过第一标准被满足来触发下一次再生。如上所述，如果控制器在步骤460中确定给水硬度被计算得过低，这将导致系数“g”的值增大。因此，该过程400可以用于迭代地校正给水硬度计算的错误。
在所示的实施方式中，离子交换树脂122经由控制器210自动再生。在另选实施方式中，控制器210可以经由用户接口220警示用户离子交换树脂122需要再生。然后，用户可以手动打开盐水输送系统156的阀并致动盐水箱148，以便再生离子交换树脂122。
控制器210还可以使用从流量计196接收的体积流量数据来监测盐水箱148。图5显示了确定盐水箱148何时需要加装盐水的过程。每次盐水箱148再生离子交换树脂122时，盐水箱148中的盐149就会部分耗损。多次再生循环后，盐水箱148中的盐可能会耗损，以至于盐水溶液不再饱和，并且盐水箱148需要手动加装盐。过程500从步骤510开始，其中离子交换树脂122是新的或刚进行了再生(例如，利用来自盐水箱148的盐水)。在步骤520中，控制器210实施以下计算，以确定离子交换树脂122在当前循环(例如，在一个时段p内)的交换容量值Ep。
EP＝QP×HS
如前所述，Hs是产品水的计算硬度指示值。QP是由流量计196测量的在时段p内软化的水的体积(例如，按加仑测量)。交换容量值EP是指示在时段p内已经耗尽的、在离子交换树脂122内负责离子交换的活性位点的总数的值。
控制器210监测交换容量值Ep并连续确定累积交换容量值EpR，累积交换容量值EpR是自上一个再生循环以来所有先前交换容量值Ep的总和。控制器210将当前循环的交换容量值EpR记录为EpR1。在步骤530中，控制器210自动打开盐水输送系统156的阀并致动盐水箱148，从而允许来自盐水箱148的盐水对离子交换树脂122进行再生。
在步骤540中，控制器210再次监测离子交换树脂122的交换容量值EpR。控制器210记录第二再生循环的离子交换树脂122的交换容量值EpR并将交换容量值EpR记录为EpR2。
在步骤550中，控制器210将第二交换容量值EpR2与第一交换容量值EpR1进行比较，以确定在步骤510中的再生和步骤530中的再生之后系统性能的劣化(就可用交换容量而言)。如果步骤530中的再生之后离子交换树脂122的交换容量值(即，第二交换容量值EpR2)小于或等于步骤510中的再生之后离子交换树脂122的交换容量值(即，第一交换容量值EpR1)的预定百分比，则步骤550返还“真”，并且如果第二交换容量值EpR2大于第一交换容量值EpR1的预定百分比，则返回“假”。图中所示的实施例中的预定百分比是80％。然而，根据系统要求，可以使用其他预定百分比或百分比范围。如果步骤550返回“真”，则控制器210确定性能的周期性(cycle-to-cycle)劣化是实质性的，并且逻辑移动到步骤560。如果步骤550返回“假”，则逻辑移动到步骤510，并且过程500重新开始。
继续参考图5，该过程500另外确定在再生循环期间是否发生故障。换而言之，过程500确定盐水箱148和盐水输送系统156是否未能正确地再生离子交换树脂122(无论是手动还是自动)。故障可以是任何阻止离子交换树脂充分再生的情况。例如，盐水输送系统内的阀失灵、排放管线堵塞，等等。
在步骤560中，控制器210再次将第二交换容量值EpR2与第一交换容量值EpR1相比较，以确定是否发生了故障或“不良再生”。如果第二交换容量值EpR2小于或等于第一交换容量值EpR1的预定百分比，则步骤560返回“真”，如果第二交换容量值EpR2大于第一交换容量值EpR1的预定百分比，则返回“假”。图中所示的实施例中的预定百分比是60％。然而，根据系统要求，可以使用其他预定百分比或百分比的范围。如果步骤560返回“真”，则控制器210确定性能的周期性劣化是严重的，很可能是由于发生了故障。因此，逻辑移动到步骤570。在步骤570中，控制器210使得在用户接口220上发射信号，指示离子交换树脂122没有被正确再生，并且需要检查盐水箱148、盐水输送系统156或水软化器控制阀116。如果步骤560返回“假”，则控制器210确定性能的周期性劣化很可能是由于盐水箱148需要加装盐149的结果。因此，该逻辑移动到步骤580。在步骤580中，控制器210使得在用户接口220上发射信号，指示盐水箱148需要加装盐。
在一些实施方式中，控制器210持续监测产品水的硬度指示值的趋势模式，以确定是否已经发生故障。例如，如果随后的突破事件之间的时间在减少，并且硬度指示值在稳步上升，则控制器210可以在用户接口220上发射信号，指示盐水箱148的盐正在耗竭。
在一些实施方式中，控制器210持续监测软化水的体积的趋势模式，以确定是否发生了故障。例如，如果当前循环QN的软化水总体积小于前一循环QN-1的软化水总体积的预定百分比(例如80％)，则控制器210可以在用户接口220上发射信号，指示盐水箱148的盐正在耗竭。
所附权利要求中阐述本公开的各种特征和优点。
Claims (20)
1.一种操作水软化器系统的方法，所述方法包括：
使被接收到所述水软化器系统中的给水经过离子交换树脂以产生产品水；
确定所述产品水的硬度指示值；
监测自所述离子交换树脂上一次再生以来已经经过所述离子交换树脂的累积水量；
至少部分地基于所述累积水量计算所述离子交换树脂的可用交换容量；以及
当满足第一标准和第二标准中的任何一者时，再生所述离子交换树脂，其中当所述产品水的所述硬度指示值超过预定极限时，满足所述第一标准，并且其中当所述可用交换容量小于预定储备容量时，满足所述第二标准。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定所述产品水的硬度指示值包括：
测量所述产品水的第一电导率值；
使所述产品水的一部分经过过滤膜；
在已经经过所述过滤膜后，测量所述产品水的所述一部分的第二电导率值；以及
利用所述第一电导率值和所述第二电导率值计算所述硬度指示值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述离子交换树脂的可用交换容量包括：
在软化所述水之前，测量所述水的给水电导率值；以及
利用所述给水电导率值计算给水硬度值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，计算所述给水硬度值包括将所述给水电导率值乘以一系数。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括在满足所述第一标准或所述第二标准时更新所述系数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，当满足所述第二标准但未满足所述第一标准时，更新所述系数导致所计算的所述给水硬度值减小，而当满足所述第一标准但未满足所述第二标准时，更新所述系数导致所计算的所述给水硬度值增大。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，计算所述离子交换树脂的所述可用交换容量还包括：
使用所述给水硬度值和所述累积水量计算估计的已用交换容量；以及
从所述离子交换树脂的预定总交换容量减去所述估计的已用交换容量。
8.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：
将所述估计的已用交换容量与先前已用交换容量的存储值进行比较，所述存储值是在所述离子交换树脂的所述上一次再生之前计算的；
确定所述估计的已用交换容量是否比所述存储值少至少阈值量；以及
当所述估计的已用交换容量比所述存储值少至少所述阈值量时，发布错误消息。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述错误消息是指示所述水软化器系统的盐水箱需要加装盐的消息和指示发生了错误再生的消息中的一者。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述阈值量是第一阈值量，所述方法还包括确定所述估计的已用交换容量是否比所述存储值少至少第二阈值量，所述第二阈值量大于所述第一阈值量，其中，当所述估计的已用交换容量比所述存储值少至少所述第一阈值量但没有比所述存储值少至少所述第二阈值量时，所述错误消息是指示所述水软化器系统的盐水箱需要加装盐的消息，并且其中，当所述估计的已用交换容量比所述存储值少至少所述第二阈值量时，所述错误消息是指示发生了错误再生的消息。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定储备容量大于零。
12.一种水软化器系统，所述水软化器系统包括：
盐水箱；
离子交换树脂；
软化器控制阀，所述软化器控制阀流体联接所述盐水箱和所述离子交换树脂，并且具有被配置为接收给水流的入口和被配置为输送产品水流的出口；
流量计，所述流量计被配置为监测流向所述控制阀的所述给水流和来自所述控制阀的所述产品水流中的至少一者的流量；
传感器，所述传感器布置在所述软化器控制阀的所述入口的上游以测量所述给水流的流体特性；以及
控制器，所述控制器被配置为：
从所述传感器接收所述给水流的所述流体特性的值；
利用所述流体特性的所述值和预定系数计算给水的硬度值；
接收来自所述流量计的流量数据；
使用所述流量数据和所述给水的所述硬度值，计算所述离子交换树脂的可用交换容量；
使用所述盐水箱和所述软化器控制阀启动所述离子交换树脂的再生；以及
在启动所述再生时，至少部分地基于所计算的所述可用交换容量更新所述预定系数。
13.根据权利要求12所述的水软化器系统，其中，所述控制器还被配置为当所计算的所述可用交换容量小于预定储备容量时，启动所述离子交换树脂的再生。
14.根据权利要求13所述的水软化器系统，其中，所述控制器还被配置为：
使用所述流量数据监测所述水软化器系统的用水历史；以及
利用所述用水历史确定所述储备容量。
15.根据权利要求12所述的水软化器系统，所述水软化器系统还包括布置在所述水软化器控制阀的所述出口下游的水硬度监测系统，其中，所述控制器还被配置为：
从所述水硬度监测系统接收产品水的流体特性数据；
使用来自所述水硬度监测系统的所述流体特性数据，计算所述产品水的硬度指示值；
确定是否满足第一再生标准，当所述产品水的所计算的所述硬度指示值超过预定极限时，满足所述第一再生标准；
确定是否满足第二再生标准，当所计算的所述可用交换容量小于预定储备容量时，满足所述第二再生标准；以及
当满足所述第一再生标准和所述第二再生标准中的任何一者时，启动所述离子交换树脂的所述再生。
16.根据权利要求15所述的水软化器系统，其中，所述控制器被配置为在满足所述第一再生标准和所述第二再生标准中的正好一者时更新所述预定系数。
17.根据权利要求16所述的水软化器系统，其中，所述控制器被配置为在满足所述第一再生标准但未满足所述第二再生标准时更新所述预定系数以便增大所计算的给水硬度值，并且在未满足所述第一再生标准但满足所述第二再生标准时更新所述预定系数以便减小所计算的给水硬度值。
18.根据权利要求15所述的水软化器系统，其中，所述水硬度监测系统包括：
过滤管线，所述过滤管线与所述软化器控制阀的所述出口流体连通，以便将所述产品水转移到所述水硬度监测系统中；
出水管线；
过滤膜，所述过滤膜的上游侧与所述过滤管线流体联接，并且所述过滤膜的下游侧与所述出水管线流体联接；
第一电导率传感器，所述第一电导率传感器沿着所述出水管线布置；以及
如下至少一者：(a)在所述第一电导率传感器的上游在沿着所述过滤管线的点与沿着所述出水管线的点之间与所述过滤膜液压并联地布置的阀；和(b)沿着所述过滤管线布置的第二电导率传感器。
19.根据权利要求12所述的水软化器系统，其中，所述控制器还被配置为：
使用所述流量数据和所述给水的所述硬度值计算估计的已用交换容量；
将所述估计的已用交换容量与先前已用交换容量的存储值进行比较；
确定所述估计的已用交换容量是否比所述存储值少至少阈值量；以及
当所述估计的已用交换容量比所述存储值少至少所述阈值量时，发布错误消息。
20.根据权利要求19所述的水软化器系统，其中，所述错误消息是如下中的一者：(a)指示所述水软化器系统的盐水箱需要加装盐的消息；和(b)指示发生了错误再生的消息。
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