在线水硬度传感器和软水器控制系统的制作方法

在线水硬度传感器和软水器控制系统


背景技术：

1.本发明涉及用于使用在线水硬度传感器(in
‑
line water hardness sensor)和软水器控制系统的系统和方法。
2.水的硬度主要由水中钙和镁离子的存在引起。在基于盐的软水器中，使用离子交换树脂将钙和镁离子置换为钠离子。当离子交换树脂是新鲜的时，它在其活性位点包含大浓度的钠离子并且可以产生良好软水。在使用过程中，离子交换树脂中的钠离子逐渐被钙和镁离子置换，并且最终树脂珠粒变得饱和。当树脂珠粒已经被耗尽时，产品水中的硬度水平将大大增加并且软水器必须被再生。
3.监测产品水的硬度水平对于控制软水器的工作是重要的。当离子交换树脂不具有足够的生产良好软水的能力时，产品水的硬度将增加，并且需要尽快使软水器再生。目前，大多数可商购的硬度测量技术是基于离子选择电极(ise)或乙二胺四乙酸(edta)滴定方法的。这些仪器非常昂贵或不方便。因此，市场上很少有使用ise钙离子传感器或自动滴定器来控制再生过程的软水器产品。这些软水器是昂贵的并且用户必须频繁地重新校准ise或改变滴定试剂以确保硬度传感器的可靠性。


技术实现要素：

4.在一个实施方式中，本发明提供了一种用于软水器的软水器再生系统，所述软水器被配置成对水进行软化，所述软水器再生系统包括：水硬度监测系统，该水硬度监测系统被配置成确定流出所述软水器的水的硬度值；盐水罐，该盐水罐与所述软水器连通并且能进行工作以用来自所述盐水罐的盐水使所述软水器再生；以及控制器，该控制器能进行工作以控制所述盐水罐，其中，所述控制器通过基于指示所述软水器的有效性的所述硬度值对所述盐水罐进行打开和关闭中的一者来进行致动。
5.在另一实施方式中，本发明提供了一种用于确定被配置成对水进行软化的软水器何时需要被再生的方法，该方法包括：使所述软水器工作以对水进行软化；使第一传感器工作以测量所述软水器和纳滤模块中的水的第一电导率值；使第二传感器工作以测量所述纳滤模块与出水口之间的水的第二电导率值；使控制器工作以实施算法，从而根据所述第一电导率值和第二电导率值来确定所述软水器中的水的硬度值；使所述控制器工作以将所测量的硬度值与预定值进行比较；以及当所测量的硬度值超过所述预定值时响应于来自所述控制器的命令而使所述软水器再生。
6.在另一实施方式中，本发明提供了一种用于确定与软水器连通的盐水罐何时需要被再填充的方法，其中，所述软水器被配置成对水源进行软化和过滤，所述方法包括：使流量计工作，所述流量计被配置成测量被所述软水器软化的水的第一体积；使第一传感器工作以测量所述软水器与所述纳滤模块之间的水的第一电导率值；使第二传感器工作以测量所述纳滤模块与出水口之间的第二电导率值；使控制器工作以实施算法，从而根据所述第一电导率值和第二电导率值来确定所述软水器中的水的硬度值；将所测量的硬度值与预定硬度值进行比较；使所述流量计工作以确定在所测量的硬度值超过所述预定值之前被软化
的水的第一体积值；在确定所述第一体积之后，使所述软水器再生；在再生之后，使所述流量计工作以测量在再生之后并且在所测量的硬度值超过所述预定硬度值之前被软化的水的第二体积值；以及如果所述第二体积值比所述第一体积的预定百分比小，则用盐对所述盐水罐进行再填充；以及如果所述第二体积值不比所述第一体积值的所述预定百分比小，则使所述软水器再生。
7.通过考虑详细说明和附图，本发明的其它方面将变得清楚。
附图说明
8.图1是具有用于进行在线硬度测量的硬度传感器的软水器系统的示意图。
9.图2是根据本发明的替代性实施方式的图1的软水器系统的示意图。
10.图3是具有用于进行在线硬度测量的硬度传感器的替代性软水器系统的示意图。
11.图4是与软水器系统一起使用的控制系统的图示。
12.图5是自动使软水器再生的过程的流程图。
13.图6是确定盐水罐何时需要被再生的过程的流程图。
14.图7是在图1至图2中展示的软水器系统中的纳滤模块的立体图。
15.图8是图7的纳滤模块的分解立体图。
具体实施方式
16.在详细解释本发明的任何实施方式之前，应当理解的是，本发明在其应用方面不限于在以下说明中阐述的或在以下附图中展示的部件的构造和布置的细节。本发明可以具有其它实施方式并且可以以各种方式实践或实施。
17.本发明涉及一种监测软水器的有效性的系统和方法。本发明中的软水器是离子交换树脂，该离子交换树脂通过去除对水硬度作出贡献的离子(诸如钙和镁)并用钠取代这些离子以产生“软水”来对水进行软化。本发明采用水硬度监测系统来连续地或周期性地检查软水的非钠离子含量。软水器下游的非钠离子含量的升高指示离子交换树脂正失去其对水进行软化的有效性。
18.存在用于实施根据本发明的水硬度监测系统的多种方式和配置，但基本概念或方法是测量软水的电导率，从软水去除钠离子(以产生过滤的水或“渗透物”)，以及测量渗透物的电导率。具体地，纳滤模块对软水的一部分进行过滤以去除钠离子。如果离子交换树脂能有效地对水进行软化，则软水的电导率应该主要源于软水中钠离子的存在。在这种情况下，渗透物的电导率与软水的电导率相比应非常低。
19.然而，如果离子交换树脂正在失去或已经失去其有效性，那么非钠离子如钙和镁离子将穿过软水器。离子交换树脂的有效性的失去可以被称为树脂的“穿透(breakthrough)”。随着离子交换树脂失去其有效性，软水的电导率将逐渐归因于软水中的非钠离子。如上所述，本发明的水硬度监测系统从软水中去除钠离子，但不能从软水中有效地去除非钠离子。因此，当发生穿透时，渗透物的电导率将更接近软水的电导率。本发明的水硬度监测系统将软水的电导率与渗透物的电导率进行比较以确定软水器处是否发生穿透。
20.本发明的水硬度监测系统使用纳滤模块来从软水过滤钠离子。纳滤模块不能有效
地去除诸如钙和镁的非钠离子。本发明考虑了用于感测软水和渗透物的电导率的若干配置。在两种配置(图1和图3)中，第一电导率传感器被定位在纳滤模块的上游以便感测软水的电导率，并且第二电导率传感器被定位在纳滤模块的下游以便感测渗透物的电导率。在另一种配置(图2)中，单个电导率传感器交替地接收并测量软水和渗透物的电导率。纳滤模块对单价离子(例如，na
+
、k
+
等)和二价离子(例如，ca
2+
、mg
2+
等)具有不同的渗透性。因此，在替代性实施方式中，纳滤模块可能能够去除水中的硬度并且使得钠离子能够通过。例如，与对钠离子相比，dow filmtec
tm nf270膜对钙和镁离子具有相对高的渗透性。对于使用纳滤模块和一个或多个电导率传感器存在其它配置和变化，并且本公开中给出的示例不应被视为限制本发明。在一些配置中(图3)，当硬度监测系统的入口连接至原水供应的供给管线时，水硬度监测系统可以用于监测原水的硬度水平。
21.除了水硬度监测系统之外，本发明还提供了当通过将来自盐水罐的盐水形式的钠离子引入软水器中来确定穿透时使软水器中的树脂再生的系统逻辑。盐水从盐水罐中的盐中汲取其钠离子含量。随着每个再生循环中盐的耗尽和/或消耗，盐水将失去其钠离子含量。本发明提供了一种用于通过监测在再生循环之间从软水器中流出的水的体积来监测盐水的有效性(即，其钠离子含量)的系统。随着盐变得越来越被耗尽，由软水器产生的软水的体积在再生循环之间的变化率(即，减小率)变得更加严重。当变化率达到临界水平(即，当前循环中由软水器产生的软水的体积显著小于前一循环中产生的水的体积)时，该系统确定盐水罐中的盐已经变得不可接受地耗尽并且需要补充盐。
22.图1示意性地示出了软水器系统100。系统100从水源(例如，原水源)104接收水(称为“进水”)，该水源可以是市政水源、井或任何其它典型的饮用水源，并将干净的软水递送到饮用水输出装置，如水龙头或出口108。进水可以在用于水源系统的典型水头压力下提供。水源104和水龙头108被示意性地示出，并且旨在包括系统100的任何进水口和任何出水口。
23.系统100的主要部件包括：进水管线112、离子交换反应器116、软水管线120、流量计124、水硬度监测系统128、排水管线132、渗透物管线136、止回阀150、盐水罐140、盐水供应管线144、阀148以及控制系统400。水硬度监测系统128包括第一传感器152、纳滤模块156和第二传感器160。控制系统400包括控制器410(图4)和用于协调各种其它部件的工作的控制逻辑。将在以下对主要部件的描述之后，解决特定的控制逻辑。
24.进水管线112在水源104与离子交换反应器116之间连通。离子交换反应器116包括与进水管线112连通的上游侧和与软水管线120连通的下游侧。离子交换反应器116包括离子交换树脂，该离子交换树脂去除对水硬度作出贡献的杂质，如小的溶解固体和离子(例如，钙、镁)，从而产生被递送到软水管线120的“软水”。
25.软水管线120与离子交换反应器116的下游侧连通。流量计124位于反应器116的下游的软水管线120中，并且(以有线或无线的方式)将软水的流速和体积传送到控制器410。流量计124可以被定位成例如刚好位于反应器116的下游和第一传感器152的上游，如图所示。在替代性配置中，流量计124可以被定位在沿着软水管线120的任何地方。流量计124还可以被从系统100单独地移除，从而允许流量计124在损坏的情况下被单独地更换。
26.第一传感器152位于流量计124的下游的软水管线120中，并且与控制器410通信以监测软水的电导率。软水的电导率源于软水中的杂质(例如，包括但不限于钠离子、钙离子
和镁离子的总溶解固体)。具体地，第一传感器152确定软水的第一电导率值c1并将该第一电导率值c1(以有线或无线的方式)传送到控制器410。尽管优选地被定位成刚好位于离子交换反应器116的下游，第一传感器152可以被定位在沿着软水管线120的任何地方。在优选构造中，第一传感器152可以是电导率传感器和/或总溶解固体(例如，tds)传感器，但是其它类型的传感器也可以用于感测软水管线120的tds浓度。第一传感器152可以被从系统100单独地移除，从而允许第一传感器152在损坏的情况下被单独地更换。
27.软水管线120在离子交换反应器116与纳滤模块156之间连通。纳滤模块156包括与软水管线120和排水管线132连通的上游侧和与渗透物管线136连通的下游侧。纳滤模块156包括对单价离子(例如，na
+
、k
+
等)和二价离子(例如，ca
2+
、mg
2+
等)具有不同渗透性的纳滤膜158(图8)。含有钠离子和其它杂质的水被递送到纳滤膜158的上游侧的排水管线132。穿过纳滤膜158的水(称为“渗透物”)被递送到下游侧的渗透物管线136。在替代性实施方式中，纳滤模块156能够去除水中的硬度并且使得钠离子能够通过。例如，与对钠离子相比，dow filmtec
tm nf270膜对钙和镁离子具有相对高的渗透性。
28.渗透物管线136与纳滤模块156的下游侧连通。第二传感器160位于纳滤模块156的下游的渗透物管线136中并且与控制器410通信以监测渗透物的电导率。止回阀150被定位在渗透物管线136中以防止水从排水管线132流到渗透物管线136。止回阀150可以附加地是多端口软水器控制阀的一部分，例如由hague quality water制造的那些。因为钠离子被纳滤膜158有效地从水中去除，所以渗透物的电导率主要源于非钠离子(如钙和镁离子)的存在。具体地，第二传感器160确定渗透物的第二电导率值c2并将该第二电导率值c2(以有线或无线的方式)传送到控制器410。尽管优选地被定位成刚好位于纳滤模块156的下游，第二传感器160可以被定位在沿着渗透物管线136且位于止回阀150的上游的任何地方。在优选构造中，第二传感器160可以是电导率传感器和/或tds传感器，但是其它类型的传感器也可以用于感测渗透物中的tds浓度。第二传感器160可以被从系统100单独地移除，从而允许第二传感器160在损坏的情况下被单独地更换。
29.水硬度监测系统128允许控制系统400监测并比较软水的电导率和渗透物的电导率以确定离子交换树脂中是否存在穿透。更具体地，第一传感器152和第二传感器160将第一电导率值c1和第二电导率值c2传送到控制器410。控制器410实现如下所示的第一算法，以使用第一电导率值c1和第二电导率值c2来确定离子排斥率s。
[0030][0031]
值(c2/c1)是渗透物的电导率与软水的电导率的比率。小于一的该比率将随着电导率因离子交换反应器116中树脂的穿透变得越来越归因于非钠离子而变得更大(即，接近1)。随着该比率增大，离子排斥率s减小。
[0032]
离子排斥率s的下降表示水硬度的变化。随着离子交换树脂经历穿透，软水的硬度值h从零增大并且第二电导率值c2增大。例如，如果离子交换树脂是完全完整的，则软水的硬度基本上是0ppm，具有约312.2μs的第一电导率值c1，并且渗透物具有约13.5μs的第二电导率值c2。因此，纳滤模块156的电导率排斥率为约95.7％。然而，随着离子交换树脂经历穿透，软水的硬度增大。例如，如果离子交换树脂被完全耗尽，则进水的硬度将等于软水的硬度(例如，133ppm)，并且软水的第一电导率值c1将保持相同或仅稍微减小(例如，299.7μs)。
然而，渗透物的电导率值c2将大大增大(例如，91.1μs)。因此，排斥率s基本上减小至大约69.5％。控制器410将警告用户离子交换树脂已经经历显著的穿透并且需要被再生和/或再填充盐水(例如，盐)，或者控制器将自动使离子交换树脂再生。此外，如下面更详细描述的，控制器410可打开阀148并致动盐水罐140以将盐水从罐140引导到离子交换树脂。
[0033]
可以用具有不同硬度值的水样品校准水硬度监测系统128，以获得离子排斥率s、第一电导率值c1、第二电导率值c2和硬度值h之间的特定相关性。在每个再生循环之后，可以通过使用完全软化的水(例如，具有0ppm硬度的水)作为基线校准水样品，来进一步自动地校正水硬度监测系统128。在所展示的实施方式中，传感器152、160在水正在流动的第一状态下感测水的硬度。在替代性实施方式中，传感器152、160可以另外在水停滞的第二状态下感测水的硬度。
[0034]
盐水罐140可以采取可以储存盐水(例如，钠离子)以用于再装填离子交换树脂的任何容器或器皿的形式。在这方面，用语“罐”旨在是包括所有这样的容器和器皿的非常广泛的用语。盐水罐140中的盐水可以例如由浸没在盐水罐140中的水中的盐产生。如以下将讨论的，反应器116的每个再生循环耗尽盐水罐140中的盐。盐水罐140由控制器410控制。更具体地，控制器410致动盐水罐140(例如，打开罐140和反应器116之间的连通)以经由盐水供应管线144将盐水流供应到离子交换反应器116。盐水可以经由真空而移动通过盐水供应管线144。在替代性实施方式中，盐水可以由于水头压力或在泵的影响下移动通过盐水供应管线144，或者用户可以手动致动盐水罐140以向离子交换反应器116供应盐水流。
[0035]
盐水供应管线144与盐水罐140和离子交换反应器116连通。更具体地，当需要使离子交换树脂再生时，盐水供应管线144将盐水罐140内提供的盐水递送到离子交换反应器116。阀148位于盐水罐140的下游且离子交换反应器116的上游的盐水供应管线144中。阀148由控制器410控制以打开和/或关闭，从而允许和/或防止盐水从盐水罐140经由盐水供应管线144流向离子交换反应器116。
[0036]
继续参见图1，现在将描述系统100的工作模式(在该工作模式中用户经由水龙头108从系统100抽吸水)。当水龙头108打开时，水从水源104经由进水管线112移动通过离子交换反应器116。软水经由软水管线120流向纳滤模块156。流量计124确定软水的流速和体积并将该流速和体积值传送到控制器410。类似地，第一传感器152确定软水的第一电导率值c1并将该第一电导率值c1传送到控制器410。软水然后流入纳滤模块156。渗透物经由渗透物管线136流出纳滤模块156。第二传感器160确定渗透物的第二电导率值c2并将该第二电导率值c2传送到控制器410。在纳滤模块156的上游侧捕获的杂质流经排水管线132并且与第二传感器160下游的渗透物组合以重新产生软水，该软水被递送到水龙头108以供消耗。
[0037]
控制器410使用流速、体积值和电导率值c1、c2来监测盐水罐140并使之工作，如下文将参见图5至图6所描述的。基于控制器410与盐水罐140之间的通信，控制器410可打开阀148并致动盐水罐140，从而允许盐水从盐水罐140经由盐水供应管线144流到离子交换树脂。
[0038]
图2展示了替代性的软水器系统200。所示系统200类似于上述系统100并且包括类似部件。系统200与系统100的不同之处在于如何监测电导率，这将在下文中描述。与系统100中描述的那些部件相似的部件具有相同的附图标记加“200”。
[0039]
系统200从水源(例如，原水源)204接收水(称为“进水”)，该水源可以是市政水源、井或任何其它典型的饮用水源，并将干净的、净化的水递送到饮用水输出装置，如水龙头或出口208。进水可以在用于水源系统的典型水头压力下提供。水源204和水龙头208被示意性地示出，并且旨在包括系统200的任何进水口和任何出水口。
[0040]
系统200的主要部件包括：进水管线212、离子交换反应器216、软水管线220、流量计224、第一三通阀226、水硬度监测系统228、过滤管线230、排水管线232、旁路管线234、渗透物管线236、第二三通阀242、止回阀250、出口管线246、盐水罐240、盐水供应管线244、阀248以及控制系统400。水硬度监测系统228包括第一传感器252和纳滤模块256。控制系统400包括控制器410和控制逻辑以协调各种其它部件的工作。将在以下对主要部件的描述之后，解决特定的控制逻辑。
[0041]
进水管线212在水源204与离子交换反应器216之间连通。离子交换反应器216包括与进水管线212连通的上游侧和与软水管线220连通的下游侧。离子交换反应器216包括离子交换树脂，该离子交换树脂去除对水硬度作出贡献的杂质，如小溶解固体(例如，钙、镁)，从而产生软水管线220。下游侧的水具有较低浓度的杂质并且可以被称为“软水”。
[0042]
软水管线220与离子交换反应器216的下游侧连通。流量计224位于反应器216的下游的软水管线220中，并且(以有线或无线的方式)与控制器410通信以监测软水的流速和体积。流量计224可以被定位成例如刚好位于反应器216的下游和第一传感器252的上游，如图所示。在替代性配置中，流量计224可以被定位在沿着软水管线220的任何地方。流量计224还可以被从系统200单独地移除，从而允许流量计224在损坏的情况下被单独地更换。
[0043]
第一三通阀226位于流量计224的下游的软水管线220中并且引导软水的流动。具体地，第一三通阀226可以引导软水流过过滤管线230或流过旁路管线234。第一三通阀226与控制器410连通。控制器410向三通阀226发射信号以将软水流引导到过滤管线230或旁路管线234中。流动方向可以基于体积、流速、时间等。在一些实施方式中，三通阀226可以是电磁阀。
[0044]
当软水被引导到过滤管线230中时，水流向纳滤模块256。过滤管线230在第一三通阀226与纳滤模块256之间连通。纳滤模块256包括与过滤管线230和排水管线232连通的上游侧和与渗透物管线236连通的下游侧。纳滤模块256包括纳滤膜258，该纳滤膜258执行与上述纳滤膜158相同的功能。渗透物经由渗透物管线236离开纳滤模块256。具体地，渗透物管线236在纳滤模块256与第二三通阀242之间连通。
[0045]
当水被引导到旁路管线234中时，水直接从第一三通阀226流到第二三通阀242，从而允许软水绕过纳滤模块256的额外过滤。当水到达第二三通阀242时，阀242可允许水流入出口管线246。控制器410与第二三通阀242通信以发送信号，将水重新引导通过阀242。然后，水被引导通过第二三通阀242并进入出口管线246。在一些实施方式中，三通阀242可以是电磁阀。
[0046]
第一传感器252位于第二三通阀242的下游的出口管线246中并且与控制器410通信以监测出口管线246中的水的电导率。取决于第一三通阀226和第二三通阀242的设置，出口管线246中的水可以是软水或渗透物。止回阀250被定位在出口管线246中以防止水从排水管线232流到出口管线246。止回阀250可以附加地是多端口软水器控制阀的一部分，例如由hague quality water制造的那些。当水经过传感器252时，传感器252确定水的电导率值
并将该电导率值(以有线或无线的方式)传送到控制器410。控制器410然后将电导率值记录为第一电导率值c1(如果是来自旁路管线234的软水)或第二电导率值c2(如果是来自渗透物管线236的渗透物)。尽管优选地被定位成刚好位于第二三通阀242的下游，传感器252可以被定位在沿着出口管线246的任何地方。在优选构造中，传感器252可以是电导率传感器和/或总溶解固体(例如，tds)传感器，但是其它类型的传感器也可以用于感测软水管线的tds浓度。传感器252可以被从系统200单独地移除，从而允许传感器252在损坏的情况下被单独地更换。
[0047]
水硬度监测系统228允许控制系统400监测并比较软水的电导率和渗透物的电导率以确定离子交换树脂中是否存在穿透。控制器410利用第一电导率值c1和第二电导率值c2进行与上述相同的分析。
[0048]
盐水供应管线244与盐水罐240和离子交换反应器216连通。更具体地，当需要使离子交换树脂再生时，盐水供应管线244将提供在盐水罐240内的盐水输送至离子交换反应器216。阀248位于盐水罐240的下游和离子交换反应器216的上游的供应管线244中。阀248由控制器410控制以打开和关闭供应管线244，以允许或防止盐水从盐水罐240流至离子交换树脂。
[0049]
继续参见图2，现在将描述系统200的工作模式(在该工作模式中用户经由水龙头208从系统200抽吸水)。当水龙头208打开时，水从水源204移动并穿过离子交换反应器216。软水经由软水管线220流向第一三通阀226。流量计224确定穿过流量计224的软水的流速和/或体积并将该流速和/或体积传送到控制器410。控制器410使用流速和/或体积以便监测盐水罐240，如后面参见图6所述。第一三通阀226将软水流引导到过滤管线230或旁路管线234中的任一者中。过滤管线230中的软水流入纳滤模块256。在纳滤模块256的上游侧捕获的杂质经由排水管线232被直接排到水龙头208。渗透物从纳滤模块256出来经由渗透物管线236流向第二三通阀242。被引导到旁路管线234中的水直接从第一三通阀226流到第二三通阀242。控制器410向第二三通阀242发送信号以允许水从第二三通阀242流向水龙头208。此外，第一传感器252确定水的电导率值并将该电导率值存储为第一电导率值c1或第二电导率值c2。控制器410使用电导率值c1、c2以便使盐水罐240工作，如后面参见图6所述。基于控制器410与盐水罐240之间的通信，控制器410可打开阀248并致动盐水罐240(例如，打开罐240与反应器216之间的通信)，这允许盐水从盐水罐240经由供应管线244流至离子交换树脂。渗透物然后继续沿着渗透物管线236并且经由水龙头208离开系统200。
[0050]
图3展示了替代性的软水器系统300。所示系统300类似于上述系统100、200，并且包括类似部件。系统300与系统100、200的不同之处在于系统300根据系统300中的水是被用于用户消耗还是用于水硬度监测而在不同模式下工作。与系统100、200中描述的那些部件类似的部件具有相同的附图标记加“300”。
[0051]
系统300从水源(例如，原水源)304接收水(称为“进水”)，该水源可以是市政水源、井或任何其它典型的饮用水源，并将干净的、净化的水递送到饮用水输出装置，如水龙头或出口308。进水可以在用于水源系统的典型水头压力下提供。水源304和水龙头308被示意性地示出，并且旨在包括系统300的任何进水口和任何出水口。
[0052]
系统300的主要部件包括：进水管线312、进水旁路管线314、离子交换反应器316、软水管线320、流量计324、第一电磁阀326、第二电磁阀342、过滤管线330、水硬度监测系统
328、排水管线332、渗透物管线336、止回阀350、限流器354、排水部338、盐水罐340、供应管线344、阀348、以及控制系统400。水硬度监测系统328包括第一传感器352、纳滤模块356和第二传感器360。控制系统400包括控制器410和控制逻辑以协调各种其它部件的工作。将在以下对主要部件的描述之后，解决特定的控制逻辑。
[0053]
进水管线312在水源304与离子交换反应器316之间连通。离子交换反应器316包括与进水管线312连通的上游侧和与软水管线320连通的下游侧。离子交换反应器316包括离子交换树脂，该离子交换树脂去除对水硬度作出贡献的杂质，如盐、小溶解固体、或离子(例如，钙、镁)，从而产生用于软水管线320的软水。
[0054]
第二电磁阀342位于水源304的下游的进水旁路管线314中并且引导进水流绕过软化过程。更具体地，第二电磁阀342将进水引导到水硬度监测系统328以进行原水硬度测量。在示出的实施方式中，第二电磁阀342被定位在进水旁路管线314中。第二电磁阀342可以将进水直接引导到刚好位于第一电磁阀326的下游的过滤管线330。第二电磁阀342与控制器410连通。在水硬度测量期间，控制器410向电磁阀342发射信号以将进水流引导到进水旁路管线314中。进水旁路管线314中的水不用于用户消耗，而是仅用于水硬度监测。例如，控制器410可以被定时成在长时间的非工作过程中(例如，在夜间)致动系统300并且引导水通过进水旁路管线314。控制器410还可以基于替代性因素(如体积、流速等)来控制水的流量。
[0055]
软水管线320与离子交换反应器316的下游侧连通。流量计324位于反应器316的下游的软水管线320中，并且与控制器410(以有线或无线的方式)通信以监测软水的流速和体积。流量计324可以被定位成例如刚好位于反应器的下游和水龙头308的上游，如图所示。在替代性配置中，流量计324可以被定位在沿着软水管线320的任何地方。流量计324还可以被从系统300单独地移除，从而允许流量计324在损坏的情况下被单独地更换。
[0056]
第一电磁阀326位于流量计324的下游的过滤管线330中并且引导软水的流动。在所示出的实施方式中，第一电磁阀326被定位在软水管线320中。第一电磁阀326可以将软水引导通过过滤管线330。第一电磁阀326与控制器410连通。在水硬度测量过程中，控制器410向电磁阀326发射信号以将软水流引导到过滤管线330中。过滤管线330中的水不用于用户消耗，而是仅用于水硬度监测。例如，控制器410可以被定时成在长时间的非工作过程中(例如，在夜间)致动系统300并且引导水通过过滤管线330。控制器410还可以基于替代性因素(如体积、流速等)来控制水的流量。
[0057]
当水硬度监测系统328未工作时，软水经由软水管线320直接流过水龙头308。当水硬度监测系统328工作时(例如，当控制器410致动该系统时)，软水流过过滤管线330。
[0058]
第一传感器352位于第一电磁阀326的下游的过滤管线330中并且与控制器410通信以监测过滤管线330中的杂质(例如，总溶解固体)。当水穿过第一传感器352时，第一传感器352确定软水的第一电导率值c1并将该第一电导率值c1(以有线或无线的方式)传送到控制器410。尽管优选地被定位成刚好位于离子交换反应器316的下游，第一传感器352可以被定位在沿着过滤管线330的任何地方。在优选构造中，第一传感器352可以是电导率传感器和/或总溶解固体(例如，tds)传感器，但是其它类型的传感器也可以用于感测软水管线320的tds浓度。第一传感器352可以被从系统300单独地移除，从而允许第一传感器352在损坏的情况下被单独地更换。
[0059]
在经过第一传感器352之后，软水被引导到纳滤模块356。纳滤模块356包括与过滤
管线330和排水管线332连通的上游侧和与渗透物管线336连通的下游侧。纳滤模块356可以经由纳滤膜去除软水中的剩余杂质。因此，上游侧的水具有较高的杂质浓度，并且可经由排水管线332被直接输送至排水部338。可替代性地，下游侧的水具有较低的杂质浓度并且可以被称为“渗透物”。渗透物经由渗透物管线336离开纳滤模块356并且被引导到排水部338。限流器354被定位在排水管线332中以限制上游侧的水的流动。这由此产生对抗纳滤模块356的背压并且迫使渗透物通过纳滤模块356。当渗透物从纳滤模块356向排水部338流动时，渗透物通过第二传感器360。
[0060]
第二传感器360位于纳滤模块356的下游并且排水部338的上游的渗透物管线336中。第二传感器360与控制器410通信以监测渗透物的杂质(例如，总溶解固体)。止回阀350被定位在渗透物管线336中以防止水从排水管线332流向渗透物管线336。止回阀350可以附加地是多端口软水器控制阀的一部分，例如由hague quality water制造的那些。当水经过传感器360时，传感器360确定渗透物的第二电导率值c2并将该第二电导率值c2(以有线或无线的方式)传送到控制器410。尽管优选地被定位成刚好位于纳滤模块356的下游，传感器360可以被定位在沿着渗透物管线336的任何地方。在优选构造中，传感器360可以是电导率传感器和/或总溶解固体(例如，tds)传感器，但是其它类型的传感器也可以用于感测软水管线的tds浓度。传感器360可以被从系统单独地移除，从而允许传感器在损坏的情况下被单独地更换。
[0061]
如前所述，水硬度监测系统328包括第一传感器352、纳滤模块356和第二传感器360。水硬度监测系统328监测离子交换树脂中的穿透以确定纳滤模块356的离子速率s。更具体地，第一传感器352将第一电导率值c1传送到控制器410，并且第二传感器360将第二电导率值c2传送到控制器410。如关于图1所解释的，控制器410然后实施第一算法以使用第一电导率值c1和第二电导率值c2来确定排斥率s。
[0062]
供应管线344与盐水罐340和离子交换反应器316连通。更具体地，当离子交换树脂需要被再生和/或被再填充时，供应管线344将提供在盐水罐340内的盐水递送到离子交换反应器316。阀348位于盐水罐340的下游和离子交换反应器316的上游的供应管线344中。阀348由控制器410控制以打开和关闭供应管线344，以允许或防止盐水从盐水罐340流向离子交换树脂。
[0063]
继续参见图3，现在将描述系统300的工作模式。具体地，系统300可在第一工作模式和第二工作模式下工作，在第一工作模式中，用户通过打开水龙头308来致动系统300，在第二工作模式中，控制器410经由预设的定时程序或替代性地经由算法来自动地致动系统300。在第一工作模式期间，水龙头308被打开，水从水源304移动通过离子交换反应器316。软水经由软水管线320流向流量计324。流量计324确定软水的流速和/或体积并将该值传送到控制器410。控制器410使用流速和/或体积值以便监测盐水罐340，如随后将参见图6描述的。位于软水管线320的下游的第一电磁阀326在第一工作模式期间关闭。因此，控制器410不监测或收集关于系统的电导率值c1、c2的数据。
[0064]
在第二工作模式期间，第一电磁阀326打开并且将软水经由过滤管线330朝向第一传感器352引导，而不是将水引导到水龙头308。第一传感器352确定软水的第一电导率值c1并将该第一电导率值c1传送到控制器410。软水然后流入纳滤模块356。在纳滤模块356的上游侧捕获的杂质经由排水管线332被直接排到排水部338。渗透物经由渗透物管线336流出
纳滤模块356。第二传感器360确定渗透物的第二电导率值c2并将该第二电导率值c2传送到控制器410。控制器410实施关于图1所描述的第一算法，以便确定离子排斥率s。控制器410使用排斥率s，以便使盐水罐340工作，如后面参见图5所述。基于控制器410与盐水罐340之间的通信，控制器410可打开或关闭阀348，从而允许或防止盐水从盐水罐340经由供应管线344流到离子交换树脂。渗透物然后继续沿着渗透物管线336并且经由排水部338离开系统300。
[0065]
在第二工作模式期间，控制器410可以发出信号以打开第二电磁阀342，从而将进水朝向过滤管线330引导。一旦进水进入过滤管线330，水就行进穿过水硬度监测系统328，如上所述。类似地，第一传感器352和第二传感器360确定第一电导率值c1和第二电导率值c2，并且控制器410执行第一算法，以便确定离子排斥率s。控制器410可以另外实施替代性算法，以便测量进水的硬度。
[0066]
如图4所示，控制系统400包括控制器410和可选的用户接口420。根据一个或多个示范性构造，控制器410包括多个电气和电子部件，这些部件向控制器410内的部件和模块提供电力、工作控制和保护。例如，控制器410尤其包括电子处理器430(例如，微处理器、微控制器、或其它合适的可编程设备)和存储器440。控制器410可与各种输入单元(诸如第一传感器152、252、352；第二传感器160、260；流量计124、224、324等)和各种输出单元(诸如第一电磁阀226、326；第二电磁阀242、342；盐水罐140、240、340；阀148、248、348等)通信。
[0067]
存储器440例如包括程序存储区域和数据存储区域。在一些构造中，存储器可以是云中的存储空间。程序存储区域和数据存储区域可以包括不同类型的存储器的组合，如只读存储器(“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、或其它合适的磁、光、物理或电子存储器设备。继续参见图4，电子处理器430连接至存储器440并且执行软件指令，该软件指令能够存储在ram(例如，在执行期间)、rom(例如，通常永久地)、或诸如另一存储器或盘的另一非临时性计算机可读介质中。包括在水硬度监测系统128、228、328的实现方式中的软件可以存储在控制器410的存储器440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、和其它可执行指令。控制器410从存储器中检索并执行与本文描述的控制过程和方法相关的指令等。在其它构造中，控制器410包括附加的、更少的或不同的部件。
[0068]
可选的用户接口420可以用于控制或监测水硬度监测系统128、228、328。用户接口420包括为硬度监测系统128、228、328实现所希望的控制和监测水平所要求的数字和模拟输入或输出装置的组合。例如，用户接口420包括显示器(例如，主显示器、辅助显示器等)和输入设备，诸如触摸屏显示器、操纵杆、多个旋钮、刻度盘、开关、按钮等。显示器是例如液晶显示器(“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”)、表面传导电子发射显示器(“sed”)、场发射显示器(“fed”)、薄膜晶体管(“tft”)lcd等。用户接口420还可以被配置成实时或基本上实时地显示与水硬度监测系统128、228、328相关联的条件或数据。例如，用户接口420被配置成显示水硬度监测系统128、228、328的测量电特性和水硬度监测系统128、228、328的状态。在一些实施方式中，结合一个或多个指示器(例如，led、扬声器等)控制用户接口420以提供水硬度监测系统128、228、328的状态或状况的视觉或听觉指示。可选的用户接口420可以是运行被配置成与控制系统400通信的应
用的智能电话。
[0069]
在一些实施方式中，可选的用户接口420可以显示颜色编码的定性硬度测量。例如，第一颜色可以指示软水(例如，小于17.1ppm)，第二颜色可以指示稍微软的水(例如，在17.1与60ppm之间)，第三颜色可以指示适度软的水(例如，60
‑
120ppm)，第四颜色可以指示硬水(例如，120
‑
180ppm)，并且第五颜色可以指示非常硬的水(例如，大于180ppm)。
[0070]
图5示出了使用于系统100、200、300的离子交换树脂自动再生的过程500。方法500开始于步骤510，在该步骤中离子交换树脂被再生。控制器410通过打开定位在盐水罐140、240、340与离子交换反应器116、216、316之间的阀148、248、348(图1至图3)来实施步骤510，从而允许盐水(例如，盐)转移到离子交换树脂中。在步骤320中，控制器410使用水硬度监测系统128、228、328来监测软水的硬度值h。在步骤530中，控制器410确定硬度值h是否小于预定的硬度值或阈值硬度值。硬度值h是使用经由控制器410确定的离子排斥率s来计算的。控制器410实施如下所示的第二算法，以使用第一电导率值c1、第二电导率值c2和离子排斥率s来确定硬度h。
[0071][0072]
如前所述，s是经由第一算法确定的离子排斥率。变量a
‑
j是恒定值。如上所述，c1表示经由系统100、200、300中的第一传感器152、252、352确定的第一电导率值，并且c2表示经由系统100、200、300中的第一传感器252或第二传感器160、360确定的第二电导率值。
[0073]
如果硬度值h小于阈值，则步骤530返回“真”，并且如果硬度值h等于或大于阈值，则步骤530返回“假”。在图中所示的实例中硬度的阈值为17.1ppm。如果步骤530返回“真”，则逻辑移动到步骤340，在该步骤340中控制器410在步骤520继续监测硬度。如果步骤530返回“假”，则逻辑移动到步骤510并且过程开始。在步骤510中，控制器410自动打开阀148、248、348并且致动盐水罐140、240、340，从而允许来自盐水罐140、240、340的盐水使离子交换树脂再生。
[0074]
在所示实施方式中，预定硬度值为17.1ppm。然而，在替代性实施方式中，预定硬度值可以是替代性硬度值。在所示的实施方式中，离子交换树脂经由控制器410自动再生。在替代性实施方式中，控制器410可以经由用户接口420警告用户离子交换树脂需要被再生。然后，用户可以手动打开阀148、248、348并且致动盐水罐140、240、340，以便使离子交换树脂再生。
[0075]
图6示出了确定盐水罐140、240、340何时需要用盐再填充的过程600。每次盐水罐140、240、340使离子交换树脂再生时，盐水罐140、240、340中的盐都被稍微耗尽。在多个再生循环之后，盐水罐140、240、340可以变得如此耗尽盐，使得盐水溶液不再饱和并且盐水罐140、240、340需要用盐水手动再填充。过程600在步骤610开始，在步骤610中，离子交换树脂是新的或者刚刚再生(例如，用来自盐水罐140、240、340的盐水再生)。在步骤620中，控制器410经由流量计124、224、324来监测软水的体积。控制器410连续地监测体积，同时还使用过程500追踪硬度，如关于图5所描述的。一旦控制器410确定软水的硬度值h达到或超过阈值(例如，17.1ppm)(步骤530，图5)，则控制器410记录已经穿过流量计124、224、324直到此点的水的总体积。控制器410将该体积记录为第一体积v1。在步骤630中，控制器410自动打开阀148、248、348并且致动盐水罐140、240、340，从而允许来自盐水罐140、240、340的盐水使离子交换树脂再生。
[0076]
在步骤640中，控制器410经由流量计124、224、324再次监测软水的体积。控制器410连续地监测体积，同时还使用过程500监测硬度，如关于图5所描述的。一旦控制器410确定软水的硬度达到或超过阈值(例如，17.1ppm)(步骤530，图5)，则控制器410记录已经穿过流量计124、224、324直到此点的水的总体积。控制器410将该体积记录为第二体积v2。
[0077]
在步骤650中，控制器410将第二体积v2与第一体积v1进行比较，以确定在步骤610中的再生和步骤630中的再生之后系统性能的下降(就所产生的软水的体积而言)。如果在步骤630中的再生之后产生的软水的体积(即，第二体积v2)小于或等于在步骤610中的再生之后产生的水的体积(即，第一体积v1)的预定百分比，则控制器410确定性能的循环到循环劣化严重。在这种情况下，控制器410使得在用户接口420上发射信号。可指示严重性能劣化的示例性预定百分比是当第二体积v2小于或等于第一体积v1的70
‑
90％时。根据系统要求，可以使用其它预定百分比或百分比范围。预定百分比应被设定在盐水在反应器116、216、316中使树脂再生的可接受的有效性的下端。
[0078]
图7至图8展示了可以在系统100、200、300中实现的纳滤模块156、256、356。纳滤模块156、256、356总体上是矩形的并且包括与软水管线120(系统100，图1)和/或过滤管线230、330(系统200、300，图2至图3)连通的第一部分156a、256a、356a。纳滤模块156、256、356还包括与渗透物管线136、236、336连通的第二部分156b、256b、356b。第一部分156a、256a、356a包括被配置成与软水管线120和/或过滤管线230、330连接的第一端口704和被配置成与排水管线132、232、332连接的第二端口708。端口704、708通常为圆柱形，并且包括孔716以接收水并将其引入和/或引出纳滤模块156、256、356。具体地，软水可以经由第一端口704进入纳滤模块156、256、356。
[0079]
纳滤模块156、256、356的第二部分156b、256b、356b包括被配置成与渗透物管线136、236、336连接的第三端口712。第三端口712是大致圆柱形的并且包括孔716以接收水并将其引出纳滤模块156、256、356。具体地，纳滤模块156、256、356将渗透物水经由渗透物管线136、236、336引导出模块156、256、356。
[0080]
如图8所示，纳滤模块156、256、356包括位于第一部分156a、256a、356a和第二部分156b、256b、356b之间的纳滤膜158、258、358。纳滤膜158、258、358是被配置成去除软水中的剩余杂质的过滤膜。膜158、258、358可以由聚合材料和/或陶瓷材料构成。膜158、258、358被间隔片720和密封件724包围，以便将膜158、258、358牢固地定位在模块156、256、356内。模块156、256、356进一步包括用于将第一部分156a、256a、356a固定到第二部分156b、256b、356b的多个紧固件728(图7)。
[0081]
本公开的不同特征和优点在所附权利要求中阐述。