专利名称：用于使用传感器的选择性暴露来进行流体监控的多传感器系统的制作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及用于流体监控的传感器系统及方法。更具体而言，本发明涉及用于传感器的广泛配送及对流体(例如水)进行在线监控的传感器系统及方法。
背景技术：
饮用水的质量及可靠性正在全世界变得越来越重要。进入不间断的水配送系统中的污染物(例如毒素、生物试剂、无机化合物及微粒物质)，无论是自然地进入还是作为恐怖行为有意地放入，均能够使水质降至一不可接受的水平，且每一群体成员，无论是人类还是具他生命形式，均将具有暴露至此种水质不达标的水的危险。水可能会在其水源处受到污染—无论其是来自水井、河流、蓄水池还是处理厂，或者可能会在将水引入至一不间断的水配送系统内之后受到污染。无论其来源及类型如何，水质的降低均可对健康产生非常不利的影响，此种影响有时可很快地显现出来，有时却很多年甚至几十年不为人们所知或检测到。
人们已经采取措施来监控饮用水的水质，包括例如在水源中的不同点处、在水处理厂中及/或在一供水当局所辖区域内的水分配管网的所选分配点处放置监控器。选择、利用恰当的位置及获得/布置水质监控组件及系统在由一区域性或多区域性供水当局实施起来时往往非常耗费人力且成本很高。远程监控系统的此种高成本及高的运行维护要求已极大地限制了所监控位置的数量并且是大多数检测均通过将“抓斗水样”带回实验室检测来对少量水样进行的原因。如下几种考虑因素有待讨论检测的密度(例如为保护例如每一城市街区或一5街区、10街区或20街区区域中的群体不受影响，应对一蓄水池或城市中的多少个位置进行监控)；检测频率(例如每月对一既定位置取一抓斗样本是否足以使所述群体受到保护)；及因未连续地进行检测而在收到关于可能早已影响到成千上万人的污染的“可提起诉讼”的数据时的时间延迟。
另外，许多水质传感器在判定水质不达标时会形成误报或漏报。在需要进行调查及维修一传感器节点并甚至可能导致切断一段水配送系统或者更常见地发出一会扰乱人们的用水的警报时，这些误报的代价很高。而如果未能及时地检测到有害的状态，则漏报的代价可能更高。
另外，共享且尤其是实时地共享水质测量值这一需要正在变得日益重要。不仅区域性的供水当局需要实时地测量水质以提高系统性能，多区域性(例如县、省、州或国家的)供水当局也期望得到原始数据—无论是关于一特定水分配区域中水质的原始数据还是经过分析的数据。例如，此种信息可用于确保符合水质标准。此种信息通常由区域性供水当局提供，而区域性供水当局可能没有足够的动机来提供完全公正的报告。此外，在这些不确定的时间，实时知晓可能或实际的阴谋破坏可能是非常重要的，哪怕只是为了向人们提供供水是安全的保证。
因此，需要对感测一市政、工业甚至家用水净化/处理系统是否正在正确运行并提供某一水质的水作出改良。当市政当局将水处理设备设置于很远的地方以选择性地或更具成本有效性地对水进行处理而非在本地处理全部的水时，这可能尤为重要。
最后，需要证实来自商业性水处理系统的作为纯净水出售的水的纯净度及可靠性，以便验证制造商是否提供其所宣称的纯净水。
发明内容
本发明的各实施例即解决现有技术所提出的这些以及其他所关心的问题。
例如，本发明可包括一种用于监控一流体的系统，其包括监控、识别、确认并随后报告一检测事件。本发明揭示监控构件的几个实施例，所述监控构件用于监控流体并根据所述监控来产生一变量、及如果该变量指示出现一检测状态则产生一初步性识别符。类似地，本发明还揭示确认构件的几个实施例，所述确认构件用于测试所述流体并根据新数据来判定是否已出现所述检测状态。另外，本发明揭示报告构件的几个实施例，所述报告构件用于在所述确认构件判定出已出现所述检测状态时向一远程通信装置报告所述检测状态。
更具体而言，本发明的实施例可为一用于监控一流体的系统形式，其包括一配置成暴露至一流体的第一传感器及一配置成暴露至同一流体样本的第二传感器。此种系统还可包括一耦接至所述第一传感器及所述第二传感器的处理单元，所述至少一个处理单元配置成(1)与所述第一传感器相结合地运行以监控所述流体，(2)根据其监控来产生一变量，(3)如果所述变量指示一检测状态，则产生一初步性识别符，及(4)与所述第二传感器相结合地运行以根据新数据来判定是否已出现所述检测状态。一通信单元可配置成如果所述处理单元确认已出现所述检测状态，则向一远程通信装置报告所述检测状态。本发明还揭示由这些构件实施的方法。
在另一实例中，一种用于监控一流体的系统可包括一流体处理装置；一第一传感器，其配置成暴露至进入所述流体处理装置的处理前流体；及一第二传感器，其配置成暴露至处理后流体。作为一实例，所述流体处理装置可包括例如一过滤器室、过滤器、水软化装置、蒸馏装置、逆渗透过流装置、或其任一组合。
在另一实例中，还揭示一种用于监控一流体的多传感器设备。所述多传感器设备可包括例如一基材；复数个附装至所述基材上的传感器，其中每一传感器均配置成暴露至一流体；及用于选择性地将所述复数个传感器中一特定传感器暴露至所述流体的数个构件之一，及其等效构件。所述暴露构件可包括例如一附装至所述基材的一表面上的薄膜，所述薄膜覆盖所述复数个传感器；及复数个附装至所述薄膜的加热元件，一既定加热元件的位置靠近一既定传感器，其中每一加热元件均可选择性地运行以在所述薄膜中产生一开孔，从而允许一靠近所述开孔定位的特定传感器暴露至所述流体。另一选择为或者另外，所述暴露构件可包括一其中设置有所述基材的外壳部件，所述外壳部件在其一壁中具有一个孔，所述孔构造成使一传感器能够暴露至一流体；一密封件，其邻近所述孔布置并位于所述基材的一表面与所述外壳的一表面之间，从而抵靠所述外壳来密封所述衬底；及一致动器，其用于移动所述基材，以选择性地将单个传感器或一组传感器定位至所述孔的一区域中从而使所述单个传感器或一组传感器暴露至所述流体。在再一实施例中，所述暴露构件可呈如下形式至少一个覆盖所述复数个传感器的覆盖薄膜；及一机械部件，其用于在一靠近单个传感器或一组传感器的区域中移置所述至少一个覆盖薄膜以允许将所述传感器或传感器组暴露至一流体；及一致动器，其用于在所述基材与所述机械部件之间提供相对运动以使所述机械部件能够选择性地移置所述至少一个覆盖薄膜。
根据本发明的这些方面的传感器单元可连续或间断地(例如周期性地)监控、识别、确认及报告检测事件，从而减少误报及漏报中一种或两种情况的出现。
根据本发明的这些方面的传感器系统可在整个水配送系统中在可识别的位置处(可能在最终用户位置处的最终流体输出点(例如水面)处)提供一宽广且可能随机的传感器位置分布，从而形成比原本在类似的开销度内可实现的一组监控位置可能更大的一组监控位置。在其中最终用户自愿支付及安装传感器单元的情况下尤其如此，从而为这些用户自身带来好处、同时可为水监控实体及广大群众带来好处。实现大的分布式传感器位置组的可能性会增强供水当局检测、跟踪及/或隔离影响一水质监控系统内的水质的问题来源的能力。
现在将参照附图中所例示的实例性实施例(本发明未必仅限于此)来解释本发明。根据各种具体实施例将会看出或易于得知本发明的各种优点及其他特性，但未必归属于本发明范畴内的所有实施例均将包含或具有所看出的优点或特性。本发明的范畴应根据权利要求书中所包含的内容及其等效内容、而非依靠在权利要求书中未明确说明的优点及特性来加以确定。另外，尽管以单数形式来使用用语“发明”，然而应认识到，在揭示内容及权利要求书中可提供不止一种独立及/或截然不同的发明。
图1A为一根据本发明一实施例的传感器单元的一实例性实施例的方块图；图1B为一根据本发明另一实施例的传感器单元的另一实例性实施例的方块图；图1C为一传感器单元的一实例性实施例的图解说明；图1D为一传感器单元的另一实例性实施例的图解说明；图1E为一传感器单元的另一实例性实施例的图解说明；图1F为一传感器单元的另一实例性实施例的图解说明；图1G为一传感器单元的另一实例性实施例的图解说明；图1H为一传感器单元的另一实例性实施例的图解说明；图1I为一传感器单元的另一实例性实施例的图解说明；图1J为一传感器单元的另一实例性实施例的图解说明；图1K为一传感器单元的另一实例性实施例的图解说明；图1L为一传感器单元的另一实例性实施例的图解说明；图1M为一传感器单元的另一实例性实施例的图解说明；图1N为一传感器单元的另一实例性实施例的图解说明；图2为一根据本发明各个方面的实例性传感器单元供应链的方块图；图3为一根据本发明各个方面的实例性数据收集网络、数据分发网络及数据分析网络的方块图。
具体实施例方式
对于本文件而言，应了解以下内容。用语“水质”大体而言涉及到水或其他流体的各个方面的量度，其往往指示流体的适用性或流体所带来的危害，包括但不限于如下量度各种化学品，化学性质、生物试剂及/或生命形式的存在，毒素，其他有机及无机污染物，及微粒等等。例如，尽管水配送系统是本发明几个实施例关注的焦点，然而本发明的各个方面也可应用于监控任何需要进行监控的流体(气体或液体)，包括存在于配送系统、蓄水池或供给源中的流体。用语“确认”应理解为意指已根据其他信息确定出已通过另一迹象得到额外证明或证实，所述其他信息相对于得到原始迹象的数据既可为同一类型也可为截然不同的类型。“配送系统”包括任一种流体配送系统(包括例如(举例而言)空气导槽等空气配送系统)，在进行水分配的情况下，其目前通常表现为不间断的管道系统及/或由蓄水池、水道、管道及处理厂构成的系统，但也可包括不太典型的分配渠道，例如容器中的水、分水岭内的井水或承雨线脚、甚至大的水体、海洋、河流、溪流及/或支流、或者实际上其中一流体可从系统中的一个点流至另一个点的任何系统(例如水从单个水体内的一个层移动至另一个层)，其特点是能够标识传感器单元在水配送系统内的位置并与传感器单元进行通信。此外，短语“同一流体样本”、“流体”及类似短语应理解为意指其中有可能存在相同或类似状态的任意量的流体。例如，对于非静态水体中的例如pH值等一般量度而言，一大的水池或水库可能全部为同一样本，而对于检测示踪元素或报警状态而言，水样可能意味着仅几毫升。用语“测量”并不仅限于其中产生一数值或其他模拟或数字值的实施例，而是还包括仅在越过一阈值(上限或下限阈值或二者)时输出一规定信号的传感器及传感器元件。一传感器单元包括位于一外壳或位于一位置上的一个或多个传感器、传感器元件及/或传感器组，并包括处理及/或通信组件。传感器是一种设计成感测流体参数并通常向处理器输出一信号的装置。感测元件是一种构成传感器的一部分并实际上执行测量的元件。可使一传感器中的各感测元件以某种方式相关或协调以作为一个群组来执行监控及检测功能(可能是测定样本的化学性质)。传感器组件是一般性的用语，其意指传感器单元、传感器或感测元件中的任一种。处理单元是一般性的用语，其意指以软件、固件或硬件水平进行编程的处理单元，包括例如ASIC(应用专用集成电路)。可使一处理单元对多个传感器多路复用或者专用于单个传感器。
传感器可将实例性的传感器选择成包括任意形式的流体测量传感器，例如水质测量感测元件，包括用于测定水温、水压、任意数量的特定化学物质的存在与否、化学性质及/或化学物质类别(例如，举例而言但不限于，游离氯离子(Cl-)、次氯酸(HOCl)及次氯酸离子(OCl-))、离子浓度、pH值、二氧化碳(CO2)、水的硬度(例如Ca2+)、碳酸盐(CO32-)、单氯胺(NH2Cl)、二氯胺(NHCl2)、三氯胺(NCl3)、铵、氮化物、硝酸盐、氟化物、及/或化学性质的感测元件、以及用于测定水的纯度、清澈度、色泽及/或实际上有关水或任意其他流体的任何其他可测量或检测的所关心参数的感测元件。某些此种传感器阐述于同在申请中的第10/657,760号美国专利申请案(“用于定量分析的方法及设备(Method and Apparatus for Quantitative Analasis)”)中，该美国专利申请案的全文以引用方式并入本文中。这些传感器可不仅用于监控液体，而且还可在经过适当校准后用于监控气体(例如空气)。这些传感器可包括一个或多个例如充当离子选择性电极(ISE)的电极及离子选择性薄膜、在电极表面上可具有或不具有电极涂层的电流计及电位计感测元件、导电率感测元件、温度感测元件、氧化-还原电位感测元件、参考电极、氧气感测元件、免疫传感器、在电极表面上包含适当涂层的DNA探针(例如具有低聚核苷酸的杂交化验)及各种各样的光学传感器，不一而足。其他适合的传感器装置包括在第4,743,954号美国专利(“用于一具有电压输出的化学选择性传感器的集成电路(Integrated Circuit for a Chemical-Selective Sensor with VoltageOutput)”)及第5,102,526号美国专利(“具有硅酮薄膜的固态离子传感器(Solid StateIon Sensor with Silicone Membrane)”)中，这些美国专利的揭示内容以引用方式并入本文中。
供用于本文所揭示系统中的传感器(例如，举例而言，在同在申请中的第10/657,760号美国专利申请案、第4,473,954号美国专利及第5,102,526号美国专利中所揭示的传感器)可使用已知的光刻、涂布及/或丝网印刷技术(例如传统的微电子处理技术)来制成。这些技术可提供具有带有在芯片规模上集成的微米尺寸形体的感测元件的传感器，并可与例如ASIC(应用专用集成电路)等低成本电子器件相集成。这些传感器及电子器件可用低成本制成，从而能够实现这些传感器向包括私人实体在内的各种实体的广泛配送。
实例性传感器可使用传统处理技术制作于硅衬底上或者可制作于其他类型的衬底上，例如(举例而言)陶瓷、玻璃、SiO2、或塑料衬底上。实例性传感器也可使用位置相互靠近的这些衬底的组合来制成。例如，一具有某些传感器组件(例如感测元件)的硅衬底可安装于一具有其他传感器组件(例如其他感测元件及/或一个或多个参考电极)的陶瓷、SiO2、玻璃、塑料或其他类型的衬底上。可使用传统的电子器件处理技术来制作及互连这些复合装置。
此外，在本文所揭示的系统内可使用各种各样的无论市面上是否有售的其他传感器，包括目前尚未开发出的传感器。尽管在本文中揭示包含各种传感器的新颖传感器单元，然而无论是否为传感器单元形式，本发明的其他新颖的方面仍保持具有新颖性。就监控例如空气等气体而言，可使用任何适于检测一目标物质的传感器，例如(举例而言)电化学气体传感器，包括在第6,074,539号美国专利中所揭示的用于检测氰化氢的电化学传感器，该美国专利的全部内容以引用方式并入本文中。
实例性监控、确认及报告系统在图1A所示的本发明的一实施例中，一用于监控水质(或任何流体的质量)的系统(图3中的330)可包括一传感器单元110，传感器单元110包括一第一传感器111A及一相关联的处理单元112A，处理单元112A用作一监控构件以监控流体并根据流体的内含物来产生一变量。该处理单元112A可与一通信单元112B一起容纳于一模块112中。如果所述变量指示一检测状态，则该第一传感器111A在检测流体质量时或者在所测或所计算的与流体相关联的变量越过例如一阈值时，可产生一初步识别符。例如，如果pH值(作为变量)或其他水质参数升至过高或过低、或者由一所包含的压力监控器测量到的水压降至例如一阈值以下，便会在该实例性系统中产生一初步识别符(例如一旗标或信号)。该初步识别符可触发一第二传感器111B开始测量同一变量或一不同的变量、或者输出一连续测量结果。处理单元112A既可包括单个处理单元也可包括多个处理单元。
或者，第二传感器111B可与第一传感器111A一起运行，以使用同一种测试或一也指示一检测状态的不同测试对同一流体样本进行第二次测试。这些测量或测试的结果在相吻合时会作为一经过确认的结果从处理器中输出。第二传感器111B及处理单元112A用作第一传感器或监控构件111A的一确认构件。
另一选择为，第二传感器111B可是针对第二测试进行重新校准后的第一传感器111A的形式。
当第一传感器111A与处理单元112A相结合(一同用作监控构件)地输出一阳性结果且第二传感器111B(或更多传感器)与处理单元112A相结合(一同用作确认构件)地输出一阳性结果时，一通信单元112B(用作报告构件)便将所述检测状态传送或报告至一远程通信装置及/或一本地指示器(例如传感器单元外壳上的灯或其他告警形式)。关于流体测量结果的信息也可显示于一可选的显示器(例如位于传感器单元外壳上)上。由于在报告一检测状态之前对检测状态进行了确认，因而此种形式的传感器单元110由此消除了错报。
此外，可由不止一个传感器用作第一及/或第二传感器111A、111B来提供冗余测试或测量。通过此种方式，如果其中一个传感器出现故障，另一具有相同能力的传感器便用作备用传感器以降低漏报机率。无论是通过检测到误报还是漏报还是其他途径，处理构件均可例如仅通过不向缺陷传感器组件供电或不处理缺陷传感器组件的输出来禁用缺陷传感器或其他传感器组件。
如在图1A的实例性实施例中所示，传感器单元110中的传感器可根据情况采取一第一传感器111A及一第二传感器111B以及甚至更多传感器111C的形式。这些传感器可统称为一传感器组，其也可简称为传感器111。一传感器组中的各传感器可在实体上一同构造为一个单元，但并非必需如此。例如，可提供第三传感器111C来用作确认构件的一部分，从而使处理单元112A能够使用来自第一传感器111A、第二传感器111B及第三传感器111C的数据根据一种多数投票方法(例如每一传感器111A-111B均具有可能呈一模拟或数字信号形式的票或者加权的票)来判定是否已出现检测状态，并将由这些票中的多数所指示的状态报告至一远程通信装置或本地指示器。第三传感器111C(或者任意数量的额外传感器)可用作备用传感器，或者可用于使用一种多数投票技术来进一步减少误报及/或漏报。这些传感器可例如包括用作离子选择性电极的电极及离子选择性薄膜，在电极表面上可具有或不具有电极涂层的电流计及电位计感测元件，导电率感测元件，温度感测元件，氧化-还原电位感测元件，氧气感测元件，免疫传感器，在电极表面上包含适当涂层的DNA探针(例如具有低聚核苷酸的杂交化验)及各种各样的光学传感器，不一而足。
传感器111A-111C可分别由单个传感器元件113A、复数个传感器元件113A-113C(可能用于实现冗余)、或者一个或多个传感器组构成，如在图1B中所示。传感器元件113A-113C将为相同的类型或不同的类型，以用于测量例如相同的参数从而实现冗余及更高的精确度、或者用于测量一化学或生物性质或特征的不同方面。第一传感器111A及/或第二传感器111B可例如分别包括一能够测量离子含量的感测元件113A及一能够测量氯含量的感测元件。更一般而言，传感器111A-111C可包括如下中的至少一者离子选择性感测元件，电流计感测元件，电位计感测元件，导电率感测元件，温度感测元件，氧化-还原电位感测元件，氯气感测元件，氧气感测元件，免疫传感器，DNA探针及光学传感器。传感器111A-111C可设置于不同的衬底上，或者可设置于同一衬底116上，如在图1C中所示。
处理单元112A及通信单元112B用作报告构件，以根据来自一传感器单元110中第一传感器111A及第二传感器111B、或者复数个传感器111中任意数量传感器的经处理数据来报告一经确认的事件。
在一实例性实施例中，所述复数个传感器111A-111C中的每一个均为用于监控流体的相同参数或性质的同一类型传感器。通过此种方式，如果一第一传感器111A指示错报，则第二传感器111B将用于对任何检测事件进行确认或不确认，从而减少所报告的误报的次数。另一选择为，第一传感器111A可具有更健壮的性质但可能具有较低的灵敏度或者具有更宽广的可检测状态范围，而第二传感器111B可更为灵敏或者具有有限的检测范围或为一种专用于检测一特定物质的专用类型(单触发式传感器)，且在这些情况下，例如仅当第一传感器111A产生一指示一检测状态的初步标识符时才得到调用。例如，当第一传感器111A具有一上述类型的感测元件阵列且已产生一指示存在氰化物的性质读数时，例如可激活或暴露出一可专用于检测氰化物或检测较少量氰化物的单触发式传感器。更为灵敏或者更能够更精确地识别一既定检测状态的第二传感器111B将随后更好地能够甚至以更大的确定性来确认一检测事件的存在。
第二传感器111B可具有至少一种特性，例如更高的灵敏度、更特定的灵敏度，或者能够检测由初步识别符所指示的涉嫌物质的次要特征。在后一种情形中，可存在复数个第二传感器111B，所述复数个第二传感器111B分别与对流体质量进行的一既定的、更具体的测试或测量相关联并根据在初步识别符中所包含的信息作为一组来激活或分别激活。然而，在某些实施例中，第二传感器111B也可与第一传感器111A为同一类型的传感器。
此外，第二传感器111B可耦接至一用于在由确认传感器进行检测之前改变流体或其环境的机构。例如，可使用单个传感器111A，且在产生一初步识别符时，可通过泵、阀门、微流体器件或其他途径向传感器上注入一重新校准溶液，其中所述重新校准溶液具有一可由传感器111A测量的已知的、恒定不变的参数，以重新校准传感器111A来进行下一测量。或者，可向流体中引入一种试剂，所述试剂具体针对所述检测状态，以便以受控方式改变流体的性质从而有助于识别正造成所述检测状态的流体组分。可提供足够量的重新校准流体或试剂以延长传感器111A的预期寿命，或者以可重新补偿的源的形式来提供。
例如，如在图1C中所示，一流体控制装置(例如阀门15A)位于传感器单元110的输入侧上。阀门115A可随后在允许流体从配送系统流入传感器单元110内与允许校准流体进入传感器单元110内之间进行双态切换。在传感器单元110的输出侧上，可使用一类似的流体控制装置(例如阀门115B)来将校准流体作为废料移除—如果将其引入受监控流体中会引起潜在的问题，或者如果允许使传感器单元110中的流体再加入配送系统中并不会引起问题，则可省去输出流体控制装置。
单个传感器111A可通过受到重新校准试剂或类似试剂的作用而由此得到重新校准，但也可通过根据背景状态将其响应归一化来简单地进行电气校准。
如参照图3所示流体监控系统所可能易于理解，可使用一个传感器来校准另一传感器。更具体而言，在一网络情形中，可使用一置于系统中的新传感器来校准可能已随着时间而出现校准漂移的旧传感器。旧传感器与新传感器将检测流体配送系统中或作为试剂或校准溶液的同一流体，且将使用新传感器读数来调整或校准旧传感器。这些传感器应该相邻或者相距较远，只要所用流体在相关方面基本相同即可，例如具有相同的pH值、取自一小的样本或者一可能具有相同或均一特性的样本。为有效地进行重新校准。重新校准传感器仅须测量一足够类似于所要重新校准的传感器的参数。
重新校准传感器及所要重新校准的传感器可通过任何适当的报告构件(例如在本文所揭示的不同实施例中所述的报告构件)与一重新校准电路进行通信。所述重新校准电路可为位于计算机中一集中位置上的程序形式，例如图3中所示的智能节点332或集中式数据收集点333，或者为一位于例如图1及2所示实施例中所揭示的模块112中的电路或ASIC处理单元的形式。所述重新校准电路将已通过人工输入或通过任何适当的自动途径(包括登记一新的传感器或替换传感器)接收到一所述较新的传感器通常将为重新校准传感器的指示—假定正在解决的问题是旧传感器的校准漂移。
此外，一个传感器一旦得到重新校准，便可用于校准网络中的下一传感器，例如以使对测量具有相对均匀测量特性的流体的各传感器的重新校准形成一多米诺效应。例如，单条沿其相间地放置有多个传感器的管道可按一等于流过所述管道的流体流速的速率来依序校准下一传感器。
传感器111A-111C可为上述传感器的任一组合且可存在许多单独的传感器，这些单独传感器中的某些或全部均可包括复数个感测元件。例如，一传感器(例如图1B中的传感器111B)可具有复数个用于检测流体内多个参数的感测元件113A-113C。在图1B中仅显示三个感测元件113A-113C，但也可使用多于三个传感器。通过此种方式，可使用一传感器111A来识别流体(例如饮用水)内的化学特征或性质。
一例如在图1E的实例中所示意性显示的传感器111A可由单独的感测元件113A-113C构成。这些感测元件113A-113C可设计成识别流体内参数的不同范围、特定化学品或物质(例如化合物、污染物)或者根据水质监控系统的特定的预期需要来识别不同的可能的水质测量值。这些感测元件113A-113C可一起提供一流体的化学性质或者可提供指示特定物质(例如化合物、污染物)的特点或物质类别(例如化合物、污染物)的数据。感测元件113A-113C可如在图1D及1E中所示安装于一凹陷表面上或者可安装于一非凹陷表面上。显示于图1D的凹槽116A内的感测元件113不必如在图1D中所强调显示的那样形成一轮廓，而是可与表面共面。电连接线可通过任一种或许多种已知的方式安装或形成于一衬底116上，以将感测元件113A-113C连接至一处理单元112A。
每当复数个传感器组件(例如111A-111C、113A-113F)包含于一传感器单元110内时，其可各自具有一单独的处理单元112A及/或通信单元112B，或者可通过一多路复用器或类似装置来共享这些组件以降低成本及通信开销(带宽、功耗等等)。例如，可利用ASIC(应用专用集成电路)来开发具有有效设计的传感器单元110。这些ASIC可位于一共用衬底上、或者多个通过电连接线耦接于一起的衬底上。
一个或多个传感器111可根据若干种基础条件来提供事件状态指示，这些基础条件包括一个或多个超范围事件—其中在一流体内所测的参数或性质超过或偏离一特定范围及/或在传感器单元110内所预先编程或下载的阈值。如在下文中将参照图3所更详细说明，传感器单元110还可提供对水性质参数的检测，以供与在传感器单元110中或在智能节点332或集中式数据收集点333处所下载的水性质参数相比较。所检测的化学特点、特征或性质将耦合至一潜在化学性质数据库以便明确地识别甚至复杂的污染物，包括例如生物剂及化学毒素。就此而言，此种潜在化学性质数据库可在本地存储于一与处理单元112A接口的存储器中，或者可存储于一个或多个远程位置中以供处理单元112A及通信单元112B进行在线访问。在这两种情形中，所述潜在化学性质数据库均是可更新的，且在为本地存储器的情况下，可将所述潜在化学性质数据库断续地下载至本地存储器中。可使用适当的图案辨别技术将传感器单元110所产生的数据与所述潜在化学性质数据库相比较，以在与一个或多个所存储化学性质潜在地匹配时产生一潜在的识别事件。
可通过一报告偏离历史标准的读数(例如水压相对于历史标准降低)的传感器单元110的图案来检测例如管道破裂等物理事件，从而识别破裂的确切位置或接近位置。此外，还可利用温度传感器对与温度相关的检测机制进行归一化及标定，而且还可用于通过冻结温度来确定水配送系统何时存在破裂危险。
传感器单元110包括处理单元112A及通信单元112B。传感器单元110的通信功能可包括硬接线通信电路—其中所述单元完全以物理方式通过导线连接至其他通信装置或通信系统，例如电话线、卫星或无线通信装置等等。通信单元112B还可在建筑物内现有电力线或者甚至一区域的电网的载波上施加信息。所施加的信息信号随后将由本地通信装置获得以通过电话线、专用或公用网络、蜂窝式通信网络、SMS(短信息服务)网络、卫星等等传送。另外或另一选择为，单个传感器单元110的通信单元112B可包括短程无线功能以与本地告警功能进行通信及/或远程通信装置，例如可预先存在或所安装的与传感器单元110进行通信的电话、专用或公用网络、蜂窝式通信网络或卫星装置。这些短程无线装置包括使用例如蓝牙等现有协议、利用不受管制频谱的通信装置。另一选择为，可使用例如由IEEE标准802.11(b)或802.11(g)所规定的无线LAN协议，用于向距离相对远的站台(例如位于区域性供水当局总部的接收机)进行传输的远程无线装置即可使用此种协议。其他替代装置包括利用预先存在的蜂窝式网络或者无线网络(例如报警系统所使用的网络)的通信装置112B。通信方式可取决于外部因素，包括可用性、成本、稳健性、效率等等。
本文所述的传感器单元110的网络可经配置以与一中央通信装置(例如服务器)进行通信，及/或传感器单元110可作为一分布式网络使用所属技术领域中已知的通信组件相互进行通信。通过此种方式，例如，如果一第一传感器111A测量到一指示一检测事件(例如饮用水系统中的氯含量偏低)的水质变量，则第一传感器111A可产生一初步识别符并可通过所述分布式网络触发一邻近的第二传感器111B来作出一确认测量。
最后，或者另外，通信单元112B可包括例如光告警(指示灯)、空中告警(例如报警声音)、触觉告警(例如单元的震动)等现场告警，或者可与一适当的控制阀门进行接口以便在例如检测到紧急事件时完全切断流体的供给。
封装及定位传感器单元110可按许多种方式进行封装及定位。例如，其可布置于位于水源引入例如房屋、商业场所、工业场所或政府场所处的截止阀处。另一选择为，其可布置于每一单独的水龙头或者有可能最终用户23会饮用水或以其他方式消耗流体或使流体被消耗的所需的水龙头处。例如，适于安装于水龙头端处的水过滤装置可适合包含一传感器单元110及同时包括与远距离位置和成一体地装纳的告警功能(为光告警、空中告警或触觉告警性质)进行通信的通信装置。此外，传感器单元110可位于市政水配送系统中的任意所需点处。
过滤器封装监控器本发明的一个实例性实施例将一水过滤器及/或水处理装置与一个或多个传感器单元110相结合。如在图1F中所示，一用于过滤及监控流体的系统包括一过滤器单元114。过滤器单元114包括一用于容纳一过滤器114B的过滤器外壳114A。一第一入口传感器114C配置成暴露于进入过滤器单元114的流体(过滤前流体，或者更一般地说为处理前流体)。一第二输出传感器(过滤后流体)114D配置成暴露于经过滤器114B过滤的流体(过滤后流体，或者更一般地说为处理后流体)。第一入口传感器114C可包括复数个传感器111A、111B、111C等等，其中每一传感器均可具有一个或多个感测元件113A、113B、113C等等，例如上文所述的第二输出传感器114D也可如此。单独传感器111A、111B、111C等等可用作每一传感器114C、114D的监控及确认构件，此视其如何由一处理器112A连接及使用而定，或者入口或输出感测器114C、114D可用作不受过滤器114B影响的流体质量量度的相应的监控及确认构件(其角色可互换)。
例如，第一入口传感器114C可包括一能够测量离子含量的离子选择性感测元件及一能够测量氯气含量的氯气感测元件。同样地，第二输出传感器114D可包括一能够测量离子含量的离子选择性感测元件及一能够测量氯气含量的氯气感测元件。此外，每一传感器114C及114D均可包括能够产生一套测量值的其他感测元件，例如导电率感测元件及/或其他感测元件，所述一套测量值可提供特定的测量值，这些测量值可组合形成流体质量概略数据。例如，传感器114C及114D可包括如下中的至少一者离子选择性感测元件，电流计感测元件，电位计感测元件，导电率感测元件，温度感测元件，氧化-还原电位感测元件，氯气感测元件，氧气感测元件，免疫传感器，DNA探针及光学传感器。
过滤器单元114可进一步包括一耦合至第一传感器单元114C及第二传感器单元114D的处理单元112A，处理单元112A经配置以将第一传感器单元114C与第二传感器单元114D所产生的测量数据相比较。
过滤器单元114还可包括一通信单元112B，通信单元112B为处理单元112A的一部分或者与处理单元相分离、但耦合至处理单元112A。在图1C所示的实例性实施例中，通信单元112B可经配置以将处理单元112A所产生的测量结果(例如原始数据及/或经处理的数据)传送至一远程通信装置。还应注意，处理单元112A可呈一第一处理单元与一第二处理单元的形式，其中所述第一处理单元随第一传感器114C设置并耦合至第一处理器114C，且其中所述第二处理单元随第二传感器114D设置并耦合至第二处理器114D。所述第一与第二处理单元可耦合于一起，以实现所需的测量及比较功能。此外，如在本文中所述的其他实施例中一样，传感器单元110(无论是否与过滤器封装在一起)可由水处理提供方监控，以便保证或证明经过过滤及/或以其他方式经过处理的水的水质。例如，私营水处理公司或市政当局可在供水点(例如家庭或商业场所)处对水过滤/处理设备进行在线监控，且作为其服务的一部分，可保证或证明经过过滤及/或以其他方式经过处理的水的水质。水过滤/处理设备可由监控实体或由一不同的实体来提供及/或安装。例外，可使用布置于过滤器/处理单元的入水口处的一个或多个传感器、根据处理元件(例如过滤器元件)的负载容量及由传感器所测的入口水中所存在污染物的量来预计处理元件的寿命有多长，且该信息可通过本文所揭示的任何适当方法在线传送至水处理提供方。
对于封装而言，第一及第二传感器114C及114D可安装至过滤器外壳114上，但不必更换第一传感器114C及第二传感器114D便可更换用于过滤流体的过滤器114B，此视特定的实施例而定。传感器114C、114D可设计成与过滤器单元114具有相同的寿命，或者可单独更换或可随过滤器114B一起更换。在后一种情形中，将第一传感器单元114C及第二传感器单元114D安装至或嵌入于过滤器114B中可能较为方便，例如在图1G中所示的实例性过滤器单元114’中所示。就此而言，可提供一适当的接口(例如一防水塞)将传感器114C、114D耦合至处理单元112A。
通过此种方式，将处理单元112A配置成根据对来自第一传感器单元114C与第二传感器单元114D的测量数据的比较来产生一识别符，以指示将一过滤器114B置于过滤器外壳114A中的更换条件。可包含一指示过滤器更换条件的指示器114E(例如一带有或不带有标签的简单的灯、或者一声音指示器)来安装至例如过滤器外壳114A上或作为过滤器外壳114A的一部分，及/或通信单元112B可将所述更换条件传送至一远程通信装置。视需要，可提供一显示器114G来显示例如以下等信息水质测量值，最后一次更换过滤器的日期，及/或过滤器剩余的寿命(根据过滤器114B的已知负载规范及由传感器114C及114D所获得的测量数据)。
在再一些变化形式中，可使用一第三传感器单元114F，第三传感器单元114F配置成暴露于进入滤波器外壳114A中的流体，其中第三传感器114F耦合至处理单元112A。处理单元112A在该实施例中将配置成与第一传感器114C相结合地运行来监控所述流体、根据所述监控产生一变量、如果所述变量指示一检测状态则产生一初步识别符，并与第三传感器114F相结合地运行来根据新数据判定是否已出现检测状态。如上文所解释，此种监控及确认功能可使用配置于同一传感器单元110内的各传感器111来执行，但也可将原始数据传送至一中央位置进行此种处理，并可随后指示所述中央位置是否执行确认功能。
如同在其他实施例中一样，该实施例可包括一通信单元112B，其配置成如果处理单元112A确认已出现检测条件则将所述检测条件报告给一远程通信装置，及/或将原始数据及/或经处理的数据提供至一远程通信装置。另外或者另一选择为，处理单元112可配置成如果第三传感器单元114F提供一与由第一传感器单元114C所提供的同一类型同时期测量读数相差一预定量则产生一传感器告警识别符。此种配置可用作一如下指示第一传感器单元114C可能出现故障。随后可由处理单元112A禁用第一传感器单元114C。
如同在本文中所揭示的其他实施例中一样，第一传感器单元114C及第二传感器单元114D可例如包括一能够测量离子含量的离子选择性感测元件、一能够测量氯气含量的氯气感测元件及一能够测量导电率的导电率感测元件。更一般而言，传感器114C及114D可包括如下中的至少一者离子选择性感测元件，电流计感测元件，电位计感测元件，导电率感测元件，温度感测元件，氧化-还原电位感测元件，氯气感测元件，氧气感测元件，免疫传感器，DNA探针及光学传感器。
如同在本发明的其他实施例中一样，模块112可如图1G所示安装至过滤器外壳114A上，或者可配置成一通过电(有线或无线方式)连接耦合至传感器114C、114D的独立单元，其中模块112可安装于壁面上或者插入一电源插座中。当然，处理单元112A可呈一连接至第一传感器单元114C的第一处理单元、及一连接至第二传感器单元114D的第二处理单元的形式。所述第一与第二处理单元可由此配置成将第一传感器单元114C与第二传感器单元114D所产生的测量数据相比较。
在该实例性实施例中，处理单元112A，无论如何进行实体配置，均可配置成与一通信单元112B进行通信且如果处理单元112确认已出现检测状态及/或原始数据，则指令通信单元112B向另一通信单元报告所述检测状态。
尽管上面所述的各个实例是涉及一过滤器单元114，然而过滤器单元114可为任一种适合的流体处理装置，例如(举例而言)水软化装置、蒸馏装置、或者逆渗透或薄膜过滤装置、介质过滤装置、或其任一组合，包括过滤器外壳及/或过滤器。
选择性暴露的多个传感器参见图1D，一用于监控流体的多传感器设备可包括一衬底116及复数个传感器，其中每一传感器均可包括一个或不止一个安装至或形成于衬底116中或上面的感测元件。在图1D、1E及1I中，为简明起见，使用参考编号111来标识各个传感器，且使用参考编号113来标识各个感测元件。每一传感器111均配置成暴露于一流体中。此外，在本实施例中提供一用于将所述复数个传感器111中的各个传感器选择性地暴露于流体的机制(在下文中进行说明)。如同在其他实施例中一样，至少一个传感器111可包括复数个感测元件113且至少一个传感器111可同时包含例如一能够测量离子含量的离子选择性感测元件及一能够测量氯气含量的氯气感测元件。更一般地，至少一个感测器111可包括如下中的至少一者离子选择性感测元件，电流计感测元件，电位计感测元件，导电率感测元件，温度感测元件，氧化-还原电位感测元件，氯气感测元件，氧气感测元件，免疫传感器，DNA探针及光学传感器。
如在图1D-1E中所示，传感器111可形成于凹槽116A中。可使用任何用于形成凹槽116A的机制(包括光刻图案化及蚀刻工艺)在衬底116的表面上形成凹槽。或者，如在图1I中所示，衬底16可形成为一包含复数个贯穿其中的孔122A的第一衬底122，且其中每一传感器111均设置于一第二衬底123的一表面上。第二衬底123使用例如倒装芯片工艺结合至第一衬底122上，其结合方式使每一传感器111均面对第一衬底122中一各自的孔122A。在涉及到用于选择性地暴露多个传感器111的机制的实施例中，在凹槽116A中形成传感器111可较佳，因为这可保护传感器111的表面；然而，在选择性暴露实施例中，并非必需在凹槽中形成传感器。
如上文所述，可提供一种用于将各个传感器111选择性地暴露至流体的机制。例如，如在图1D、1H及1I中所示，一覆盖薄膜120(或者多个覆盖薄膜，其中每一传感器111一个)可附装至一衬底116、122的一表面上，覆盖薄膜120覆盖凹槽116A中的复数个传感器111，或者低于孔122A。复数个加热元件121例如可附装至薄膜120上靠近各自传感器111的位置处。每一加热元件121均可选择性地运行以在薄膜120中产生一开孔，从而允许将一靠近凹槽116A或孔122A定位的特定传感器111暴露至流体。作为对使用加热元件121来选择性暴露传感器111的替代方法，可使用任何用于溶解薄膜或从实体上移除或撕掉薄膜120的至少一部分的适当机制，例如在图1J中所示通过一所概念性显示的机械穿孔器124或如图1K中所示通过一所概念性显示的机械夹子或刮刀125。图1J及1K所示的实施例大体地显示用于选择性地移除薄膜120的任意数量的机械手段。另外，可使用任何适当的致动机制来使机械穿孔器124或机械夹子或刮刀125靠近一既定传感器111定位并选择性地暴露该传感器111。例如，各传感器可沿一条线或以一两维阵列形式配置于衬底116上，且可使用一个或多个致动器在衬底116与机械部件125、125之间沿一个或多个方向提供相对线性运动。作为另一实例，传感器111可沿一圆的圆周排列，且可使用一个或多个致动器在衬底116与机械部件124、125之间提供相对旋转运动。
如同本文所揭示的其他实施例一样，衬底116可为硅衬底或者可为另一类型的衬底，例如(举例而言)陶瓷、玻璃、SiO2或塑料。也可使用位置相互靠近的此种衬底的组合来制作一实例性多传感器设备。例如，可将一具有某些传感器组件(例如感测元件)的硅衬底安装于一具有其他传感器组件(例如其他感测元件及/或一个或多个参考电极)的陶瓷、SiO2、玻璃、塑料或其他类型的衬底上。可使用传统的电子器件处理技术来制作及互连这些复合装置。每一传感器111均可具有一个或多个对应的参考电极，这些参考电极位于与一个或多个传感器111相同的衬底上或者位于多个不同的衬底上。例如，可在一个或多个陶瓷、SiO2、玻璃或塑料衬底(或其他类型的衬底)上制作参考电极，其中在一既定参考电极的衬底中提供一密封的流体贮存器。或者，多个传感器111可共享一个或多个共用参考电极，这(这些)共用参考电极位于与一传感器111相同的衬底上或者位于一个或多个不同的衬底上。由于参考电极的性能可能随着使用而变差，因此为每一传感器111提供单独的参考电极可能比较有利。通过实现与各个单独传感器111相关联的参考电极的选择性暴露，可使传感器性能得到增强，这是因为当启用一新的传感器时可提供新的参考电极。可使用与传感器111相同的暴露系统或者使用一不同的暴露系统来暴露出参考电极。
薄膜120可由例如聚合物材料(例如聚酯或聚酰亚胺)等任意适合的材料制成，且薄膜120可通过粘合剂附装至衬底116、122上或者可通过一种受热层压工艺附装至衬底116、122上。传感器111可例如用光刻方式形成(例如使用已知的微电子器件处理技术)、涂布或丝网印刷于衬底116的一凹陷表面或非凹陷表面上。
通过使处理单元112A响应于另一传感器测量到一指示出现检测状态的测量值而选择性地暴露一所需传感器，多传感器设备可执行如上文所述的确认功能。处理单元112A可触发一供电电路向一加热器121供电以暴露出所需的传感器111。
在图1L中显示另一用于选择性地暴露出传感器111的实例性实施例。如在图1L中所示，一传感器单元110’通过一输入阀门115A及一输出阀门115B连接至一流体源。传感器单元110’包括一外壳部件119，外壳部件119具有一用于提供一传感器腔119’及一流体腔119”的壁119B。一衬底116靠近壁119B中的一个孔设置于传感器腔119’中的一垫板119A上，以使传感器111能够暴露至流体。一密封件119C(例如O形圈)靠近所述孔布置并位于衬底116的一表面与外壳部件119的壁119B的一表面之间，以使衬底116贴靠外壳壁119B密封。一致动器119D移动垫板119A及衬底116来选择性地将单个传感器111定位于所述孔的区域中，从而使该特定传感器111暴露至流体中。衬底116较佳较为平整以便能够实现良好的密封，但本发明并不仅限于此。如前面所述，传感器111可形成于衬底116的一凹陷或非凹陷表面上。为使流体泄漏入传感器腔119”内的可能性最小化，可在选择性地暴露出一新传感器111之前由致动器119D致动阀门115A及115B来将流体腔119”部分地或基本上排空。
传感器111可用光刻方式形成、沉积或丝网印刷于衬底116的一凹陷表面或非凹陷表面上，并可形成于一个圆的圆周处，以使致动器119D能够如图1M中所示为一使用旋转运动的简单的旋转式传送带机构，或者可如图1N中所示形成为一错列的线或直线形式，或者形成为例如一两维阵列形式，且致动器119D可在一个或多个维上提供线性运动。衬底可如图1N及1E中所示为具有凹槽116A的衬底116的形式，或者可为图1F中所示的倒装芯片结合式衬底122、123的形式。
根据上文所述将易知，可将旋转式传送带或线性运动实施例与由附装至衬底116表面上的至少一个薄膜120所覆盖的传感器111(例如图1J及1K)结合使用，在此种情形中，一机械部件124、125在一靠近一单独传感器111的区域中对所述至少一个薄膜120进行选择性移位或穿孔以便能够将该特定传感器111暴露至流体中。就此而言，可使用类似于图1L及1M(或1N)中所示的构造。致动器119D可在衬底116(安装于垫板119A上)与机械部件124、125之间提供相对运动，以使机械部件124、125能够对所述至少一个薄膜120进行选择性移位。在涉及薄膜120的实施例中，可能不需要使用密封件119C及外壳119。
在其中将传感器111设计成进行运动的实施例中，可将电连接线126配置成与一个或多个接触焊垫127对齐，以保证传感器组件111、113与处理器112A之间的电连接。
传感器元件的配送不同于需要由区域性供水当局在水处理厂及/或水分配网络内的不同点处安装水质测量装置的某些现有技术系统，本发明的发明者已设计出一种其中可利用预先存在的商业配送系统224(例如在图2所示的实例性实施例中所例示)来配送传感器单元的机制。例如，传感器单元供应商225(例如原始设备制造商、经销商或批发商)可向或安排成已向预先存在的产品配送商226供应传感器单元110，所述预先存在的产品配送商226可尤其包括水处理服务部门226A，例如(举例而言)Culligan WaterTreatment Services，Ecco Water Systems，Millipore公司，及GE Specialty Materials。这些水处理服务部门226A向居民区位置(例如房屋、公寓、活动房屋等等)227A、商业场所227B、工厂227C及/或政府机构227D提供水处理设备及/或耗材供应，例如软化剂、过滤装置、过滤器等等。水处理服务部门226A通过预先存在的商业配送系统224来提供传感器单元110的销售、配送及安装，从而使建立向例如居民区位置227A、商业场所227B、工厂227C及政府机构227D、或者任何将相要得到或使用例如水处理服务部门226A的服务的位置供应传感器单元110的供应链的成本最小化。另一选择为或者另外，可利用政府的区域性供水当局作为在所述供水当局的现有传感器位置及/或其他位置上安装传感器单元的安装方，及/或还可利用政府的区域性供水当局作为向家庭、商业场所、工厂及政府机构配送传感器单元的配送方，其中可由除区域性供水当局以外的另一实体实施传感器单元的监控。
例如，水处理服务部门226A可从一传感器单元供应商225接收传感器单元110来安装于最终用户227的场所中。如下文参照图3所更详细解释，水处理服务部门226A可销售传感器单元110来作为其总的水处理服务的一附加值。水处理服务226A由此充当在最终用户227处安装传感器单元110的销售及配送网络。另外，由于水处理服务部门226A通常安装其出售、租赁或以其他方式转让给最终用户227的设备，因而此种安装可包括传感器单元110的安装，并可如下文参照图3所解释进一步包括在传感器单元110与集中式数据收集点(例如水处理服务部门226A、智能节点332及/或一个或多个地理或行政区域的水监控网络内的单个集中式数据收集点333)之间建立通信。水处理服务部门226A由此可对入口水及经处理(例如过滤)的水实施在线监控并如前面所述还可利用此种监控来保证或证明在最终用户供水点227A-227D处经过处理的水的水质。
另一选择为，传感器单元供应商225可将传感器单元110或使传感器单元110直接供应给零售渠道226B(例如位于实体建筑物中的零售渠道或者通过因特网网站提供的零售渠道，或者这两种零售渠道)或者通过批发渠道供应给零售渠道226B。最终用户227将随后直接从零售渠道226B获得传感器单元110来自行安装或由进行由最终用户辅助的安装。因此，零售渠道226B提供销售及配送机制，而最终用户227提供传感器单元110在水配送系统中最终用水点处的安装。最终用户227将随后建立与一监控网络330的通信或为此提供便利。在某些情形中，传感器单元110可包括一具有其自身的唯一识别码的蜂窝式通信装置。最终用户227可仅接通所述蜂窝式通信装置并输入该最终用户的位置或地址即可，或者允许通过三角测量对所述蜂窝式通信装置进行定位—如果在一特定蜂窝式系统内存在此种功能的话。当然，无论传感器单元110是如何配送的，均可采样此种机制。
另一种形式的预先存在的商业配送系统224包括区域性供水当局226C，其在进行其正常的活动过程中在最终用户227的位置(无论是居民区227A、商业场所227B、工厂227C还是政府机构227D)处安装水表及类似器件。传感器单元110将仅由区域性或多区域性供水当局226C或其承包商来安装。在此种情形中，可不存在传感器单元110向最终用户的实际销售或其他形式的转让，最终用户甚至可能不知道安装了传感器单元110。表制造商可将传感器单元功能包含入标准的表中以由区域性供水当局226、表制造商或另一对从水配送系统内的最终点位置提供数据感兴趣的实体来选择性地启用。此处可见，如果需要或者出现此种需要，可将本发明与其他流体(例如天然气)结合使用。
另外或另一选择为，家庭保安、家庭(例如公用设施)监控及健康监控服务部门226D可提供传感器单元110的销售、配送及安装来作为所提供监控服务的一部分或附加值。例如，家庭保安及健康监控服务部门226D以及一般化家庭监控服务部门(其可包括监控公用设施的使用)可增加水质监控功能作为其服务的一部分。因而传感器单元110的销售、配送及安装将使用与这些服务部门为销售、配送及安装其他用于执行其他家庭及健康监控功能而已建立起的同一网络。
根据上文应了解，用于配送传感器元件110的传感器单元配送系统224利用一个或多个预先存在的商业配送系统226来销售、配送及在最终用户227的位置处安装传感器单元110。实际上，任何能到达居民区227A、商业场所227B、工厂227C及/或政府机构227D(或者水配送系统中任何其中最终用户会使用水的位置)的产品配送系统均还可用于配送传感器单元110-或许作为附加值服务或产品来配送。如此配送的传感器单元110可形成一为预先存在的特定产品配送系统226所特有的水监控网络330，或者通过各种预先存在的产品配送系统226所配送的传感器单元110会形成一更大的水监控网络330，或者一混合形式—其中由通过一预先存在的特定产品或服务配送商226配送的传感器单元110所收集的某些数据将专属于所述预先存在的特定产品或服务配送商226(例如与水处理设备的性能有关的数据)、但其他数据将提供给一水质监控网络330。通过此种方式，可使例如供水当局以相对非常低的成本来配送及安装更大且或许更具分散性的一组传感器单元110。
参见图3，下文将通过一实例性水监控系统330来解释本发明的各个方面，包括数据收集、集中式及分布式数据分析和数据分配。在该实例性水监控系统330中，位于位置A-F处的各个传感器单元110A-110F通过上文参照传感器单元110的详细说明所指出的通信链路连接至水质监控系统330。尽管在图3中显示六个传感器单元110A-110F，然而还涵盖多得多的传感器单元且不应依靠这些图式来判定传感器单元110、智能节点332或集中式数据收集点333的数量级或数量。
传感器单元110A-110C例如连接至一智能节点332A(一具有数据处理能力的节点)，而其他传感器单元110D-110F可连接至一单独的智能节点332B或者根据涉及到网络及供水当局的各种因素(包括通信装置的带宽、对数据分析进行分布式处理的恰当性等等)连接至同一智能节点332A。智能节点332可例如与区域性供水当局226C所在的地区或当局有关系。
传感器单元110可向智能节点332及/或直接向一集中式数据收集点333提供原始数据或者仅提供经确认的检测事件。图3中的双向箭头线指示沿分级式网络330向上的数据流及沿分级式网络330向下的数据及询问—在某些实施例中涵盖双向通信。在某些实施例中，仅需要沿分级式链路向上进行通信。
智能节点332可处理原始数据以监控、识别及确认可检测到的水质事件。另一选择为，传感器单元110可提供监控、识别、确认及向智能节点332或集中式数据收集点333进行报告的功能。无论是智能节点332处理原始数据还是依靠传感器单元110来得到确认数据，已从位于各种位置110A-110F处的各种传感器单元110A-110F接收到数据的智能节点332均可汇总并进一步处理此种数据，以判定一区域性水配送管道系统的历史水质测量值、总体水质测量值、趋势及多点测量值。通过使用映射技术根据传感器单元110在水配送系统内的位置及来自分布式传感器单元110的测量值及/或所报告事件来分析在智能节点332或集中式数据收集点333处所收集的多点数据，便可跟踪可能污染物源的引入点、总水管破裂、管道冻结等等。
数据收集可实时运行，并可连续地或断续地(例如以预设定的时间间隔周期性地)监控流体质量，或者在被质询时进行监控，或根据传感器位置110A-110F处所存储的数据来工作，此视传感器单元110的数据存储及通信能力而定。实时数据具有明显的优点，且应注意，上文所涵盖的大多数类型的传感器单元110均实时地(无论是连续地、周期性地还是在被质询时)进行测量，而非迟后地进行取样及测试。
另外，智能节点332可视通信协议或者信息需求而定周期性地或者在操作员发出命令时询问来自传感器单元110的测量数据。智能节点332及集中式数据收集点333所代表的集中式数据收集可通过专用或公共网络(例如VPN、WAN、包括因特网在内的万维网)、专用电话线、蜂窝式网络、或者实质上任意形式的通信来进行。例如，传感器单元110可利用电话陆线及电话无线网络进行呼叫以便由传感器单元110的智能节点332或集中式数据收集点来进行周期性询问。另外，也可使用其他通信协议，包括使用已知的或未来的协议及技术通过一电力线上的叠加载波在预先存在的电网上进行通信。另外，可利用水配送系统中的水所载送的声波来进行信息传输。也可独立地或相组合地利用其他通信机制，包括光纤、卫星通信及实质上任何能够在传感器单元110与智能节点332及/或集中式数据收集点333之间传输原始数据及/或经分析数据的通信协议或机制。
另外及/或另一选择为，传感器单元110D-10F可通过例如水处理服务部门226A、家庭监控(保安及公用设施)服务部门及/或健康监控服务部门226D、零售渠道226B、及/或区域性供水当局226C与智能节点332及/或集中式数据收集点333进行通信，所述其他实体随后将数据传送至智能节点332B，如在图3中所示的实例性实施例中所述。
关于数据分配，一旦已对数据进行了收集及分析，便可分配原始数据、经分析的数据及汇总的数据，无论是从可为区域性及/或可为专门的智能节点332分配至区域性供水当局、还是分配至可为多区域性质的集中式数据收集点333。可将这些类型的数据划分为含用户可识别信息的数据及汇总的数据—其既可包含也可不包含用户可识别的信息。
出于各种原因，含用户可识别信息的数据适用于最终用户227。例如，对于包括一个或多个位于水处理装置(例如水软化器或过滤器114)之后的传感器111或传感器元件113或传感器组而言，最终用户227可利用与一指示水质检测事件的参数有关的数据来通知该用户过滤器及/或水处理用化学品需要进行更换或补充(视情况而定)。此可在传感器单元110处由指示器或类似器件完成、或者通过来自智能节点332或集中式数据收集点333的通信来完成。在最终用户在水质出现降低或发生变化时可能对区域性供水当局226C存在置疑的情况下，最终用户227也可能对本地区供水当局333C在考核区域性供水当局226C的绩效方面的绩效感兴趣。
可将来自智能节点332的原始数据及经分析的数据提供至区域性供水当局226C以便判定是否符合水质标准并作为对区域性供水当局226C的绩效进行的内部考核。另外，可将来自智能节点332及/或集中式数据收集点333的原始数据及经分析的数据提供至多区域性供水当局335(例如国家供水当局)以判定区域性供水当局226C是否符合适用的水质标准，并用作对多区域性供水的总体健康程度的判定以检测在多区域性供水中是否存在、持续存在污染物及存在的范围，从而判定或跟踪供水内的问题的起源及范围。另外，可将信息提供回至预先存在的商业配送系统224。
例如，水处理服务部门226A可能想要判定从安装于最终用户227的位置处的水处理装置流出的水的水质并可能关心进入水处理装置的水的水质，以便向最终用户227发出需要步长化学品供给及/或更换过滤器的告警、或者自动地为最终用户227提供此种供给、或者向最终用户227发出供水存在问题(尤其是那些无法由水处理装置纠正的问题)的告警，这视水处理装置226A与最终用户227之间的任何协议的条款而定。这些告警可按各种方式提供，例如使用本地指示器(例如灯、声音报警、或传感器单元外壳上的其他形式的告警)、向最终用户发出电话呼叫、或者向最终用户发送电子消息(例如电子邮件、传呼消息、SMS等等)、或这些方法的任一组合。而且，如果检测到具有潜在危险性的水质状态，则还可向区域性供水当局发送告警。例如，如果通过传感器数据与一潜在化学品性质数据库进行比较而检测到一认定事件(例如与一具有潜在危险性的状态有关)，则可同时向最终用户与区域性供水当局发送一对应的告警。此外，视所识别出的状态而定，可如前面所述操作一(或多个)适合的控制阀来切断向最终用户的供水。
此外，当所配送的水处理装置(例如过滤器)与传感器单元相配套时，作为向最终用户提供的一种附加服务，水处理服务部门可保证或证明经所述水处理装置处理过的水的水质。而且，可按经所述水处理装置处理过的每单位的水来向客户收费，以取代或附加于对水处理装置及/或其耗材的收费。
对于零售渠道226B而言，零售渠道226B可根据进入及/或流出这些装置的水质的测量值使用数据提醒最终用户227购买额外的过滤器及/或化学品及/或更换过滤及处理装置。
也可向家庭监控及健康监控服务部门226D提供原始数据及经处理的数据，以利于将进入最终用户227的范围内的水的水质通知最终用户227。
除前面所述的可能关心最终用户227位置处的水质的实体226A-226D以外，其他实体也有可能关心到达最终用户110的水的水质。例如，水质监视团体可能关心汇总的数据以确定水质变化趋势从而进行评定及对区域性及多区域性供水当局226C、335施加压力。政府实体可能关心对区域性规模及多区域性规模的水配送基础设施寿命的确定。学术界可能关心所述数据以确定全球性水质变化趋势。房地产销售促销人员可能关心将水质作为在业主决定购买或出售一特定区域内的单套房屋时可使用的许多因素中的一个因素。政府机构(例如美国疾病控制中心、美国环境保护局、美國國土安全部)及医院可能关心所述数据以向公众发出告警及/或判定疾病、毒素或其他缘于供水且关系到社区或国家的健康问题的起源及扩散。可使用汇总的数据来确定趋势，及/或可使用用户可识别数据来查明区域性水配送网络或多区域性水配送网络中问题的特定来源。要旨在于，所述水监控系统提供一种可使关于水质的各种信息为有关各方所共享及/或由可相对中立且独立的一方在专有或非专有基础上出售给有关各方的机制。
对于最终用户及对访问数据的考虑因素在最终用户227被要求安装或允许安装能够将数据传送到最终用户227的范围之外的传感器单元110的情况下，对最终用户227的某些考量在某些情形中将看起来是恰当的。例如，最终用户227可将传感器单元110及/或其传感器单元110所属的水质监控系统330向其发出原本可能得不到的潜在危害告警的能力视为考量因素。例如，为获得使一本地指示器提供关于水质的信息的功能，最终用户227可能须同意与一水质监控系统330共享信息。另一选择为或者另外，最终用户227可能同意以最终用户227愿意支付的价格点来从无法通过单个传感器单元的处理能力检测到的分析中获益。因此，对将数据传送至水质监控系统330的考量将是传感器单元110的附加值，而此价格点是最终用户227愿意支付的。
另外，最终用户227将很可能知晓或被告知所传送的信息有益于整个社会。由于用水量已在最终用户位置处受到监控且最终用户227不会通过水质及因此通过传感器单元110所形成的信息泄漏私密或个人信息，因而看起来最终用户227在私密性问题方面的设限较低。
另外或另一选择为，销售或以其他形式转让传感器单元110可以最终用户227同意将数据传输至智能节点332或集中式数据收集点333为条件。另外，销售设备、订购监控或水处理服务226A及其他基于订购的服务均可向最终用户110提供考虑因素，且出借/租赁可以提供通信链路及传感器单元110所提供的数据为条件。
另外，共用电极226C可要求安装传感器单元110作为例如供水服务或通常由当地政府所提供的其他服务的一部分。最后，可通过政府规定来要求最终用户227安装传感器单元110或者允许最终用户227安装传感器单元110。
作为对原始数据及经分析数据这两种数据进行访问的考虑，那些希望访问所述数据的各方可通过定期性的(例如按月及/或按年付款)、完全付清许可证的、收费形式的或按单独报告形式的或其一组合形式的基于预订的付款来进行访问。另外，可根据任何特定的所检测事件的报告或者根据每一报告中所检测事件的数量来进行收费。汇总的数据报告可通过提供历史数据、对比数据或由报告方服务部门或实体的智能数据库所提供的其他附加值来形成附加值，从而可由有学识的个人及/或通过演算法来分析原始数据、可最终用户可单独识别的数据及汇总的数据，以为所报告数据的质量提供增强值。补偿可采取由能够帮助最终用户227的实体进行付款的形式，以作为对任何此种推荐或识别需要帮助的预期最终用户110的考虑因素的一部分。
可以看出，上文是通过实例性实施例来说明本发明，但本发明并不仅限于这些实例性实施例。所属技术领域的技术人员将会联想到这些核心概念的各种修改及改动形式，此并不背离由随附权利要求书所清楚地说明的本发明的范畴。再次重申，本发明各个实施例的优点及伴随的方面未必是本发明的一部分。而是，本发明应参阅随附权利要求书以及其要素的各等价要素来加以确定。
权利要求
1.一种用于监控一流体的多传感器设备，其包括复数个传感器，每一传感器均配置成暴露至一流体；及用于将所述复数个传感器中的一特定传感器选择性地暴露至所述流体的构件。
2.如权利要求1所述的多传感器设备，其中所述流体为水。
3.如权利要求1所述的多传感器设备，其进一步包括多个衬底，所述复数个传感器附装至所述多个衬底。
4.如权利要求1所述的多传感器设备，其进一步包括一衬底，其中所述复数个传感器附装至所述衬底。
5.如权利要求4所述的多传感器设备，其中所述传感器中的至少一个包括复数个感测元件。
6.如权利要求4所述的多传感器设备，其中所述传感器中的至少一个包括如下中的至少一个一离子选择性感测元件，一电流计感测元件，一电位计感测元件，一导电率感测元件，一温度感测元件，一氧化-还原电位感测元件，一氯气感测元件，一氧气感测元件，一免疫传感器，一DNA探针及一光学传感器。
7.如权利要求4所述的多传感器设备，其中所述传感器相对于所述衬底的一表面凹陷。
8.如权利要求4所述的多传感器设备，其中所述复数个传感器是以光刻方式形成于所述衬底的一凹陷表面上。
9.如权利要求4所述的多传感器设备，其中所述衬底是一包含复数个贯穿的孔的第一衬底，且其中每一传感器均设置于一单独衬底的一表面上，每一单独的衬底均结合至所述第一衬底从而使每一传感器均面对所述第一衬底的一相应的孔。
10.如权利要求9所述的多传感器设备，其中所述单独的衬底使用一种倒装芯片工艺结合至所述第一衬底。
11.一种用于监控一流体的多传感器设备，其包括复数个传感器，每一传感器均配置成暴露至一流体；至少一个覆盖薄膜，其覆盖所述复数个传感器；及复数个附装至所述至少一个覆盖薄膜的加热元件，一既定加热元件靠近一既定传感器定位，其中每一加热元件均可选择性地工作，以在所述至少一个薄膜中产生一开孔，从而允许靠近所述开孔定位的一特定传感器暴露至所述流体。
12.如权利要求11所述的多传感器设备，其中所述流体为水。
13.如权利要求11所述的多传感器设备，其进一步包括多个衬底，所述复数个传感器附装至所述多个衬底。
14.如权利要求11所述的多传感器设备，其进一步包括一衬底，其中所述复数个传感器附装至所述衬底上，且其中所述至少一个薄膜附装至所述衬底的所述表面。
15.如权利要求14所述的多传感器设备，其中所述传感器中的至少一个包括复数个感测元件。
16.如权利要求14所述的多传感器设备，其中所述传感器中的至少一个包括如下中的至少一个一离子选择性感测元件，一电流计感测元件，一电位计感测元件，一导电率感测元件，一温度感测元件，一氧化-还原电位感测元件，一氯气感测元件，一氧气感测元件，一免疫传感器，一DNA探针及一光学传感器。
17.如权利要求14所述的多传感器设备，其中所述传感器相对于所述衬底的一表面凹陷。
18.如权利要求14所述的多传感器设备，其中所述薄膜包含一聚合物材料。
19.如权利要求18所述的多传感器设备，其中所述聚合物材料包括聚酯或聚酰亚胺。
20.如权利要求14所述的多传感器设备，其中所述薄膜通过一粘合剂附装至所述衬底。
21.如权利要求14所述的多传感器设备，其中所述薄膜通过一受热层压工艺附装至所述衬底。
22.如权利要求14所述的多传感器设备，其中所述复数个传感器是以光刻方式形成于所述衬底的一凹陷表面上。
23.如权利要求14所述的多传感器设备，其中所述衬底是一包含复数个贯穿的孔的第一衬底，且其中每一传感器均设置于一单独衬底的一表面上，每一单独的衬底均结合至所述第一衬底从而使每一传感器均面对所述第一衬底的一相应的孔。
24.如权利要求23所述的多传感器设备，其中所述单独的衬底使用一种倒装芯片工艺结合至所述第一衬底。
25.一种用于监控一流体的多传感器设备，其包括一衬底；复数个附装至所述衬底的传感器，每一传感器均配置成暴露至一流体；一其中设置有所述衬底的外壳部件，所述外壳部件在其一壁中具有一孔，所述孔配置成允许将一传感器暴露至所述流体；一密封件，其靠近所述孔布置并定位于所述衬底的一表面与所述外壳的一表面之间，从而使所述衬底贴靠所述外壳密封；及一致动器，其用于移动所述衬底以将一特定传感器选择性地定位至一窗口区域，从而使所述特定传感器暴露至所述流体。
26.如权利要求25所述的多传感器设备，其中所述流体为水。
27.如权利要求25所述的多传感器设备，其中所述传感器中的至少一个包括复数个感测元件。
28.如权利要求25所述的多传感器设备，其中所述传感器中的至少一个包括如下中的至少一个一离子选择性感测元件，一电流计感测元件，一电位计感测元件，一导电率感测元件，一温度感测元件，一氧化-还原电位感测元件，一氯气感测元件，一氧气感测元件，一免疫传感器，一DNA探针及一光学传感器。
29.如权利要求25所述的多传感器设备，其中所述传感器相对于所述衬底的一表面凹陷。
30.如权利要求25所述的多传感器设备，其中所述复数个传感器是以光刻方式形成于所述衬底的一凹陷表面上。
31.如权利要求25所述的多传感器设备，其中所述衬底是一包含复数个贯穿的孔的第一衬底，且其中每一传感器均设置于一单独衬底的一表面上，每一单独的衬底均结合至所述第一衬底从而使每一传感器均面对所述第一衬底的一相应的孔。
32.如权利要求31所述的多传感器设备，其中所述单独的衬底使用一种倒装芯片工艺结合至所述第一衬底。
33.如权利要求25所述的多传感器设备，其中所述密封件是一O形圈。
34.如权利要求25所述的多传感器设备，其中所述传感器设置于一个圆的一圆周处。
35.如权利要求34所述的多传感器设备，其中所述致动器提供所述衬底的旋转运动。
36.如权利要求25所述的多传感器设备，其中所述传感器沿一条线设置。
37.如权利要求36所述的多传感器设备，其中所述致动器提供所述衬底的线性运动。
38.一种用于监控一流体的多传感器设备，其包括复数个传感器，每一传感器均配置成暴露至一流体；至少一个附装至一衬底的一表面的薄膜，所述至少一个薄膜覆盖所述复数个传感器；及一机械部件，其用于选择性地将所述至少一个薄膜移置于一靠近一特定传感器的区域中，以允许所述特定传感器暴露至所述流体；及一致动器，其用于在所述衬底与所述机械部件之间提供相对运动，以允许所述机械部件对所述至少一个薄膜进行选择性地移位。
39.如权利要求38所述的多传感器设备，其中所述流体为水。
40.如权利要求38所述的多传感器设备，其中所述传感器中的至少一个包括复数个感测元件。
41.如权利要求38所述的多传感器设备，其中所述传感器中的至少一个包括如下中的至少一个一离子选择性感测元件，一电流计感测元件，一电位计感测元件，一导电率感测元件，一温度感测元件，一氧化-还原电位感测元件，一氯气感测元件，一氧气感测元件，一免疫传感器，一DNA探针及一光学传感器。
42.如权利要求38所述的多传感器设备，其中所述传感器相对于所述衬底的一表面凹陷。
43.如权利要求38所述的多传感器设备，其中所述至少一个薄膜包含一聚合物材料。
44.如权利要求43所述的多传感器设备，其中所述聚合物材料包括聚酯或聚酰亚胺。
45.如权利要求38所述的多传感器设备，其中所述至少一个薄膜通过一粘合剂附装至所述衬底。
46.如权利要求38所述的多传感器设备，其中所述至少一个薄膜通过一受热层压工艺附装至所述衬底。
47.如权利要求38所述的多传感器设备，其中所述复数个传感器是以光刻方式形成于所述衬底的一凹陷表面上。
48.如权利要求38所述的多传感器设备，其中所述衬底是一包含复数个贯穿的孔的第一衬底，且其中每一传感器均设置于一单独衬底的一表面上，每一单独的衬底均结合至所述第一衬底从而使每一传感器均面对所述第一衬底的一相应的孔。
49.如权利要求48所述的多传感器设备，其中所述单独的衬底使用一倒装芯片工艺结合至所述第一衬底。
50.如权利要求38所述的多传感器设备，其中所述机械部件对所述至少一个薄膜进行穿孔。
51.如权利要求38所述的多传感器设备，其中所述机械部件以机械方式移除所述至少一个薄膜。
52.一种使用复数个传感器来监控一流体的方法，其包括靠近一流体布置复数个传感器；及使所述复数个传感器中的一特定传感器选择性地暴露至所述流体。
53.如权利要求52所述的方法，其中所述流体为水。
54.如权利要求52所述的方法，其进一步包括在复数个衬底上分别提供复数个传感器。
55.如权利要求52所述的方法，其进一步包括在一单个衬底上提供所述复数个传感器。
56.如权利要求52所述的方法，其中所述传感器中的至少一个包括复数个感测元件。
57.如权利要求52所述的方法，其进一步包括测量如下中的至少一者一离子含量，一氯含量，一氧含量，一导电率，一温度，及一氧化-还原电位。
全文摘要
本发明根据一流体质量监控系统来揭示各种传感器单元构造。可通过使用现有的产品配送渠道销售、配送及安装传感器单元来完成传感器单元的配送，从而可用相对低的成本在更广的基础上、通过将传感器单元布置于从问题检测观点来看最有利的位置—最终用户位置上来建立一流体配送监控系统。
文档编号G01N33/18GK1969185SQ200580018728
公开日2007年5月23日 申请日期2005年5月6日 优先权日2004年5月7日
发明者马尔科姆·R·卡恩, 皮乌·弗兰西斯·曼, 格伦·马丁 申请人:森斯科尔公司