一種廢水處理監控系統及其方法

2023-10-07 17:34:39

一種廢水處理監控系統及其方法
【專利摘要】本發明一方面提供一種廢水處理監控系統200，包括一數據處理器215、一氣體傳導裝置310和一傳感器320。該氣體傳導裝置是被浸沒的，且是用於輸送氣體。該傳感器320是連接於氣體傳導裝置310，也是被浸沒的，而且是操作用來決定所述氣體傳導裝置或氣體的特性。該傳感器320另外操作用來將表示特性的數據傳輸至數據處理器215。在一或多個非限制性實施方案中，該系統包括一個廢水處理系統，並且該氣體傳導裝置包括一管件310或一散氣器305。
【專利說明】一種廢水處理監控系統及其方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一般的遙測和工業自動化，尤其是涉及應用於利用浸沒管道來傳送氣體的監測和控制系統，例如，廢水處理系統。

【背景技術】
[0002]散氣器通常是用來輔助曝氣式廢水處理系統中的好氧性生物處理方法。散氣器通常是包含圓盤狀、管狀或帶狀的薄膜，其由橡膠或其他的類似材料所製造而成的，且將其穿孔以提供一些孔洞狀或狹縫狀的穿孔。在操作時，加壓空氣被傳送通過這些穿孔以產生一縷縷的小氣泡。氣泡通過廢水而上升且，同時向周圍的廢水提供用以維持在廢水當中進行所期望的生物處理方法所需要的氧氣。該上升的氣泡同時也提供了混合的作用。
[0003]圖1顯示可用於廢水處理設施的微氣泡散氣器100的局部剖面視圖。在該圖中例示了以此類散氣器進行的廢水處理方法，列舉一個例子而言，例如在F.L.Burton所著，McGraw-Hi 11 College 於 2002 年出版的」廢水工程」 (Wastewater Engineering)此書亦納入本發明中作為參考。在散氣器100中，撓性散氣膜110是設在散氣器本體120上。散氣器本體包含螺紋接頭130、進氣管140、銳孔150、及用以耦合定位環170的接收面160。定位環170是用來將撓性散氣膜110靠抵散氣器本體120上。當氣體被傳送至撓性散氣膜110而通過進氣管140及銳孔150時，該氣體壓力使撓性散氣膜110膨脹而離開散氣器本體120，並張開撓性散氣膜的穿孔，而使得在該處的氣體以微小氣泡的形式被排放出來。當氣體壓力解除時，撓性散氣膜110則塌陷在散氣本體120上而關閉穿孔且防止在相反方向的液體進入散氣本體120中。一般而言，此種構成的撓性散氣膜可產生直徑小於5毫米的氣泡。這些氣泡所形成的大的表面積與體積比可有效地促進氣泡與廢水間的氧氣質量傳送。
[0004]在使用方面上，上述的散氣器典型上是與用以供給加壓空氣的覆蓋廢水處理槽的大部分底板的配管網絡一起被提供的。除了散氣器，配管網絡也可以包括輔助設備，例如水分清除系統及壓差監測系統。然而，由於廢水處理槽是一個嚴酷且動態的環境，因而結果就造成配管和散氣器周期性的失效。極端的溫度變異和其所導致的熱塑性塑料零件的熱膨脹/收縮，以及不期望的振動(例如，氣錘)，例如，很可能會導致管路側壁、接合處、端帽或支撐錨釘的失效。同時，在配管內也可能會發生洩漏，導致不需要的水或汙泥堆積在網絡內而大大地影響系統的效能。
[0005]上述的數種故障模式幾乎存在於每個曝氣廢水處理系統，普遍缺乏有效的方式來監控這些系統，以在轉變成災難性故障之前提早檢測到小的問題點。監測已安裝的曝氣系統的健康狀況的典型方法，包括監視觀看:1)表面氣泡和水流動形態上的變化；2)在表面下連接至該管道網絡的一水分清除管路內是否存在水或汙泥；3)用以使經由散氣器網絡維持在指定的空氣傳輸速率所需的空氣壓力的增加量散氣；4)以溶氧探針所量測到的在一個槽中的一或多個區域中的溶氧的變化；5)依照如生物需氧量濃度或氨濃度的參數而量測的放流水質的變化；以及6)用以維持廢水中穩定的溶氧濃度所需要的空氣體積的增加量。然而，這些都是宏觀性指標。換句話說，它們可能表示嚴重的問題，例如散氣膜阻塞、管道中積水或汙泥，或在其他方面受到損害的曝氣系統，但是在這一點上，這個問題已經造成系統性能上的障礙，不但是未能提供有效的治療，而且也無法提供高質量的排出水。
[0006]由於上述原因，因而就有需要提出一種能夠有效地早期檢測出曝氣廢水處理系統、和利用浸沒式配管輸送氣體系統中的缺陷的系統和方法，藉以使得在那些缺陷還未造成更嚴重的故障並導致系統中斷之前就被偵測出來。


【發明內容】

[0007]本發明的實施例例示並提供了一種符合上述的需要的可應用於利用浸沒式管道來輸送氣體的監測及控制系統，例如，可應用在廢水處理系統。
[0008]本發明的一方面是提供一種廢水處理監控系統，其包括一數據處理器、一氣體傳導裝置及一傳感器。該氣體傳導裝置是被浸沒的，而且用以傳輸一氣體。該傳感器連接在該氣體傳導裝置，而且也是被浸沒的，並且操作來用以決定該氣體傳導裝置或氣體的一特性。該傳感器另外可進一步用以將代表該特性的數據傳輸至該數據處理器。在一或多個非限制的實施例中，該系統包含一廢水處理系統，且該氣體傳導裝置包含一管件或一散氣器。
[0009]此外，本發明的另一方面也提供一種廢水處理監控方法，其為可應用於廢水處理系統或其他利用浸沒氣體傳導裝置作為管件傳輸氣體的系統。首先，一傳感器為連接於一氣體傳導裝置。其次，該氣體傳導裝置和該傳感器是被浸沒的，而且經由該氣體傳導裝置傳送氣體。在此條件下，該傳感器是用來決定該氣體傳導裝置或該氣體的特性。該傳感器將表示該特性的數據傳輸至一數據處理器。
[0010]本發明的有益效果如下:
[0011]本發明提供的方案能夠有效地早期檢測出曝氣廢水處理系統、和利用浸沒式配管輸送氣體系統中的缺陷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]經由以下的說明以及隨本文所附加的有關的圖式，將可以更良好地被理解本發明的此等及其他的特徵、觀點及優點。
[0013]圖1顯示習知散氣單元的局部剖面視圖；
[0014]圖2顯示根據本發明的一實施例的廢水處理監控系統(WTMCS)的方塊圖；
[0015]圖3顯示使用於圖2廢水處理監控系統中的廢水處理系統的第一實施例的局部剖面立體圖；
[0016]圖4顯示使用於圖3廢水處理系統中的加壓空氣輸送系統的實施例的方塊圖；
[0017]圖5顯示使用於在圖3廢水處理系統中的傳感器的局部剖切立體圖；
[0018]圖6顯示圖2廢水處理監控系統的其它方面的另一方塊圖；
[0019]圖7顯示圖2廢水處理監控系統的數據處理器的其他方面的方塊圖；
[0020]圖8顯示使用於圖3廢水處理系統中的傳感器的另一實施例的局部剖切透視圖；
[0021]圖9顯示圖8的傳感器的局部特寫剖切立體圖；
[0022]圖10顯示使用於圖2廢水處理監控系統中的第二例示性廢水處理系統的局部剖切立體圖；
[0023]圖11顯示使用於圖10廢水處理系統中之一例示性傳感器的局部剖切立體圖；
[0024]圖12顯示使用於圖10廢水處理系統中的另一例示性無線傳感器的局部剖切立體圖；
[0025]圖13顯示按照本發明的使用不同類型的傳感器的一例示性實施例之一廢水處理系統的一部分的局部剖切正視圖；及
[0026]圖14顯示根據本發明一例示性實施例所配置的用以量測壓差的傳感器和散氣器的局部剖切立體圖。

【具體實施方式】
[0027]以下，參照例示性實施例來說明本發明。因此，對於這些實施例是可以進行許多修改的，而其結果仍然是落入本發明的範圍之內。本文所描述的具體實施例並非意圖或不應被推斷為限制條件。此外，雖然這裡所述的實施例是針對與廢水處理相關的應用，但是本發明的許多觀點是另外可更進一步地適用於一般利用水下管道以傳輸氣體的任何應用中。
[0028]如本文所用，「氣體傳導裝置」 一詞是指包括任何能夠輸送或傳導氣體的組件。因此，一氣體傳導裝置可包含但不限於管件(無論是圓形或其他形狀)、管件接合件及散氣器。此外，如本文所用的「浸沒」一詞係指位於液體表面下，但不必然是與液體直接物理接觸。最後，如本文所用之「連接」一詞，是指直接連接(即，不加入中間組件)或間接連接(例如，通過一個或多個中間組件接合)。
[0029]圖2顯示根據本發明廢水處理監控系統(WTMCS)200的實施例的方塊圖。該廢水處理監控系統200在概念上可以分為幾個子系統:一廢水處理系統205、一處理系統接口 210、一計算器網絡215，以及用戶接口 220。以下，進一步說明每個子系統。
[0030]圖3顯示使用於廢水處理監控系統200的第一實施例的廢水處理系統205的局部剖面立體圖。廢水處理系統205包括用以容納待處理廢水之一槽300。在槽300的底部，複數個散氣器305是被管件310的網絡所支撐且構成氣體連通。這些管件310經由垂直向下管315供應加壓空氣。一旦經適當的加壓，散氣器305就會噴出小氣泡柱到廢水中(參照【背景技術】)。在本實施例中，散氣器305是圓盤狀的微細氣泡散氣器，其類似於圖1中所示的微細氣泡散氣器100，但在其他的實施例中，散氣器305可以很容易地調整為管狀、帶狀或其他的變化形態。
[0031]加壓空氣為經由加壓空氣輸送系統而被輸送至廢水處理系統205的分配管310。圖4顯示使用於在廢水處理系統205的加壓空氣輸送系統400的一實施的方塊圖。在這個特定的非限制性實施例中，空氣是經由空氣過濾器405過濾，然後再經由鼓風機410被加壓。經加壓的空氣離開鼓風機410後被輸送到壓力調節器415，藉以加壓空氣而將它設定成預定的壓力。然後，將經壓力調節的加壓空氣分配到一組可個別控制的空氣閥420。空氣閥420較佳為配備有閥能夠以自動的方式(例如電動、氣動、液壓)控制的閥致動器。這樣的致動閥是可經市場購得的，例如，可自來源例子之一的美國德克薩斯州阿爾文的PetroChemValve公司購得。在本例子中，雖然只例示使用三個空氣閥420的例子,但這個數字僅僅是例示性的而已，在減少本發明的各觀點來進行實施時，終究還是能夠使用任意數量的空氣閥。空氣閥420是用來決定:將加壓空氣如何分配到在廢水處理系統205的槽300內用以界定個別調節的好氧區的數個不同的管件310的網格之間。以這種方式，就能夠使得一部分的槽300的體積流率維持在大於或低於其他部分的體積流率，最終就可對於廢水處理程序進行更良好的控制。
[0032]再次參閱圖3，在槽300中，多個傳感器320是耦接於管件310。每個傳感器320是經由各自的信號或電源線330而與接口盒325進行數據通訊，信號或電源通過位於槽300的一側的導線導管335而發送到接口盒325。這裡再次僅以使用三個傳感器320為例，但實際執行上是可以減化的，基本上可以使用不同數量的傳感器320 (例如，可以大於3個)。圖5顯示安裝在管件310的數個傳感器320中一個代表例的局部剖切立體圖。傳感器320包括一個圓頂形防水殼體500，其內封裝了傳感器電路(未顯示)。信號或電源線330是從殼體500的頂部延伸出來。在殼體500的底部，配設一螺紋連接點505以使得傳感器320可以容易與管件310中的反向螺紋孔相互耦合。以這種方式，傳感器320的殼體500是被設置在管件310外部，但傳感器320可操作來用以測量管件310內所產生的特性。在必要時，可使用能提供防水密封性的撓性O型環或其他的裝置。另外，除了利用螺紋來連接以外，也可以利用其他的連接方法(例如，膠黏、熔合、溶劑接合、夾緊、螺栓接合)，這對本領域的技術人員來說是顯而易見的作法。
[0033]傳感器320是可以進行各種不同的操作來執行以決定管件310的特性、或通過管件310所輸送的氣體的特性。這些特性包括:溫度、壓力、振動(例如，數次和嚴重程度)、相對溼度、氣流速度、氣體體積和氣體組成成分，但不以此為限。一般的運用遙測技術的測量方法，已記載於Taylor and Francis於2001所著的」用於流程控制的儀器儀表的基本原理，，(D.0.deSa, Instrumentat1n Fundamentals for Process Control, Taylorand Francis, 2001)，它也併入本文中一併列為參考。此外，適合使用於此處所記載的應用的傳感器電路是可以商購而得的。來源之一是，例如，Omega Engineering Inc.(Stamford, CT, USA) ? 另一個來源是，例如，Honeywell Sensing and Control (GoldenValley, MN, USA)。
[0034]圖6提供了用以揭示說明廢水處理監控系統200的其他觀點的方塊圖。處理系統接口 210在概念上可以分為電源600、傳感器接口 605、控制接口 610以及數據處理器615。在本例示性的實施例中，這些組件是物理性地被設置在槽300 (圖3)的邊緣的位於接近接口盒325內，然而儘管如此，這些的安裝位是沒有限制。傳感器接口 605是經由信號或電源線330接收來自傳感器320的數據訊號，並且將由電源600產生的電源返送提供給傳感器320。傳感器接口 605也可以按照需要而將數據訊號予以放大、數位化，及以其他方式進行修改。另外，如果部分或全部的數據訊號為被多路復用時，則傳感器接口 605可以執行任何所需要的多路解編。一旦來自傳感器320的數據訊號被適當地調節時，傳感器接口 605就將數據發送到數據處理器615。
[0035]圖7顯示數據處理器615的其他觀點的方塊圖。數據處理器615包括數據處理單元700、存儲器705以及網絡接口 710。存儲器705 (非易失性和/或易失性的存儲器)存儲基本輸入輸出系統(B10S)715、作業系統(0S)720和多個應用程式725。當某一些應用程式725被數據處理單元700執行時，較佳者是使用數據處理器615作為網絡伺服器。網絡伺服器是能接收來自遠程計算設備的習知超文本傳輸協議(HTTP)請求，並透過合適的網際網路協議(IP)的網絡連接來提供HTTP響應到上述計算設備。此功能允許數據處理器615對文件、
[0036]應用程式和原始數據作上傳及下載動作。數據可利用包括可擴展標記語言(XML)格式的多種格式來提供。網絡伺服器被廣泛實施於計算器和類似計算器的設備，而其在數據處理器615的實施方式是此領域中習知此技術者所熟知的。此外，
[0037]配置網絡伺服器的詳細作法，已記載於L.Shklar等人所著的」網絡應用程式架構:原理、協議和實踐」(Web Application Architecture:Principles, Protocols andPractices)，它也併入本文中一併列為參考。
[0038]返回到圖6，數據處理器615是經由網絡接口 710發送它的信息至計算器網絡215(例如，網際網路)。從數據處理器615至計算器網絡215的數據傳輸，是可以通過有線、無線或兩者的某種組合來進行。有線連接，例如，可以是包括乙太網連接。無線通信，例如，可以W1-F1、行動電話或衛星連接的通信。
[0039]電源600，除了供應電力至傳感器320以外，也可以供電給傳感器接口 605、控制接口 610以及數據處理器615。雖然可以預期電源600將主要用市電來運作，但也可安裝一或多個電池，用於市電斷電的情況下繼續供電給處理系統接口 210和傳感器320。
[0040]用戶接口 220包括本地用戶接口 620和遠程用戶接口 625。這些用戶接口 620、625可以從計算器網絡215存取資料，以提供有關廢水處理系統205的性能的基本上實時的診斷給本地或遠程用戶。每個用戶接口 620、625可以包括能夠存取數據處理器615所提供的信息的任何設備或複數設備。因此，例如，它可以是包括具有網絡瀏覽功能的個人計算器、膝上型計算器、平板計算器、行動電話等。數據可經由瀏覽器程序在用戶接口 620、625上顯示，其中瀏覽器程序存取數據處理器615所提供的網頁內容(如網頁)。此外，或者可以選擇使用在本地和遠程用戶接口 620、625上執行特定用途的軟體程序來顯示所需要的信息。在後者的情況下，較佳為可以將應用程式編程接口(APIs)和軟體開發工具包(SDKs)提供給軟體開發者，以便這些開發人員可以創建最先進的可處理及規制經由傳感器320所提供的數據的應用程式。
[0041]利用從傳感器320取得的廢水處理系統205的實時診斷，不僅可將傳感器數據利用於診斷和預測目的，而且可使得該數據處理器615因應該診斷而實際控制廢水處理系統205。因此，在數據處理器615中的額外的應用程式725，較佳者是允許以該數據處理單元700來分析傳感器數據，並因應該數據來發出控制命令至廢水處理監控系統200內的自動化硬體。數據處理器615和自動化硬體之間的通信是通過控制接口 610 (圖6)來進行的，即將從數據處理器615所接收的數字命令轉換為適用於自動硬體的適當控制信號。例如，假設該廢水處理監控系統200包括類似於那些如圖4所描述之致動空氣閥420時，則控制接口 610就可以透過模擬迴路(例如，使用4-20mA仿真信號協議)或透過數字迴路(例如，使用基金會現場總線、程序總線網絡、通訊協議數據、哈特或Pakscan的數字網絡)將信號發送到這些自動化的空氣閥420。閥及其類似物等的自動化已廣泛地被使用在工業應用中，並且已記載於文獻中，例如，T.L.M.Bartelt於2010年所著的」工業自動化系統:儀表及運動控制，，(T.L.M.Bartelt, Industrial Automated Systems:1nstrumentation and MotionControl, Cengage Learning, 2010),它也併入本文中一併列為參考。藉此，數據處理器615就能夠因應由傳感器320所接收到的實時診斷信息來控制廢水處理系統205的各種好氧區。此外，因為數據處理器615也可以經由遠程用戶接口 625而與遠程用戶通信來進行操作的，因而當廢水處理監控系統200是位於遠離實際工廠的位置時，就能夠給遠程用戶帶來至少某種程度的控制廢水處理系統205的能力。
[0042]以上所描述的例示性實施例是利用傳感器的特定配置(圖5)，然而仍有許多傳感器的替代性配置可用來測量浸沒配管的特性或在其中所輸送的氣體的特性，並且這些傳感器的替代性配置也落入本發明的範圍之內。例如，圖8和9顯示用於廢水處理系統205的有線傳感器800的另一種形式，圖8顯示出連接於管件310中的傳感器800的局部剖切透視圖，並且圖9顯示傳感器800本身的局部特寫的剖切立體圖。在該例示性實施例中，傳感器800包括一防水矩形殼體805，其內設有傳感器電路810，以及從該處導出的探針815和信號或電源線820。探針815可以包括實際的傳感組件(例如熱電偶，以便進行溫度測量)，或可以將它替換成包括能將管310內部分的氣體傳送至傳感器電路810 (例如:以允許壓力測量)的導管。該傳感器電路810包括電池825，以便能夠提供自用的電源；如果想要的話，就能免除從處理系統接口 210供電給傳感器800的需要。殼體805是藉由粘接、熔接、溶劑接合、夾緊、螺栓接合或其他固定的方法而連接到管件310的外部。探針815的遠側端是逐一地經由管壁上的開孔而通入到管件310的內部，而隨後沿探針815周圍密封孔洞以防止洩漏。根據本發明的多個觀點，殼體805和傳感器電路810是以上述方式而設置於管件310的外表面，而探針815則是至少部分設置在管件310內側。最後，信號或電源線820是直接向上到達處理系統接口 210的傳感器接口 605，即類似於圖3所顯示的信號或電源線330的方式。
[0043]傳感器的其他替代形式可以是以無線與該處理系統接口 210進行通信，並且因而在內部由電池供電時就能夠不需要在傳感器和廢水處理監控系統200的其餘部分之間提供任何形式的配線。與處於惡劣環境中的廢水處理系統和其它浸沒系統相較之下，無線傳感器系統的優勢是可以比有線系統更加健壯，並且還可以減少安裝的複雜度和成本。
[0044]圖10顯示出使用於廢水處理監控系統200的第二例示性的廢水處理系統1000的部分的局部剖切立體圖。如同前述，廢水處理系統1000包括一槽1005可用以儲存待處理的廢水。在槽1005的底部，多個散氣器1010是被管件1015的網絡所支撐著，而且與管件1015的網絡形成氣體連通。最後，接口盒1020位於靠近槽1005的側面，且包含處理系統接口 210。然而，與前述之廢水處理系統205不同點是在於:本廢水處理系統1000在傳感器和接口盒1020之間沒有任何線路。取而代之的是無線的傳感器，並且該接口盒1020安裝有用來從無線傳感器接收數據信號的天線1025。
[0045]圖11顯示出使用於廢水處理系統1000中一個例示性的無線傳感器1100的局部剖切立體圖。此傳感器是被安裝在管件1015上。此外，傳感器1100也包括一殼體1105和一探針1110。在這個特定的例示性實施例中，也存在有輔助無線通信的天線，但由於天線是傳感器電路的一部分，因而它是包含在殼體1105內而不外露。然而，在替代實施例中，也可以使用從殼體1105引出的外部天線配線。傳感器1100是被安裝在管件1015的內表面上(例如，藉由膠粘、熔合、溶劑接合)，使得傳感器1100完全設置在管件1015內。此外，為了將傳感器1100安裝到管道1015的內表面並減少管件1015內傳感器1100和氣流間的任何幹擾的目的，則使該傳感器1100的殼體1105包括分別具有不同的曲率半徑的第一殼體表面1115及第二殼體表面1120。在本發明的一個或多個實施例中，在某一個例子中，一個殼體表面可以具有2英寸的半徑曲率，而另一個殼體表面具有1.5英寸的曲率半徑。如此，就能夠讓殼體1105基本上依照普遍使用的多種管件的內表面曲率來定義曲面，(例如，分別具有4英寸和3英寸的直徑之管件)。在圖11顯示出第一殼體表面1115的形狀、和它所連接的管件1015的內壁的輪廓之間是一致的。值得注意的是:在管1015內部中具有傳感器1100所適用的天線，其本身的無線通信是預設成透過氣體管件1015內來進行的，此與對於無線傳播可能受到不利影響的透過外部的液體(例如，廢水)恰好相反。
[0046]圖12顯示可適用於具有傳感器1200為連接於管件1015的廢水處理系統1000的另一種示例性的無線傳感器1200的局部剖切立體圖。此處，該傳感器1200再一次是無線的，這意味著:不需要配線到處理系統接口 210的傳感器接口 605以供使用於信號通信和電源。圖8和圖9顯示出:傳感器1200與有線傳感器800具有許多相似性。傳感器1200包括殼體1205 (其中具有傳感器電路)和探針1210。此外，傳感器1200的殼體1205安裝在管件1015的外部，而探針1210在通過管件1015的開口之後，有一部分是被設置在管1015內。然而，不同於前述的有線傳感器800，本傳感器1200不包括信號或電源線，而是包括可用於無線通信之一天線1215。與探針1210同樣地，天線1215也通過管壁上的一密封孔縫進入管件1015內，並使一部分的天線1215設置在管1015內。因此，即使殼體1205是被設置在管件1015的外部，傳感器1200仍可經由管件1015中的一部分的天線1215而將無線數據傳送至氣體而不是液體中。
[0047]雖然不加以限制，然而無線傳感器1100、1200，以及更一般性的根據本發明的各觀點的無線傳感器實施例中，可以將無線射頻識別(RFID)技術與適當的傳感器電路和探針加以組合利用。該組合可以一併發送用以識別傳感器的識別信息與它們的測量數據。RFID 傳感器技術已被記載在，例如，A.Rida et al., RFID-Enabled Sensor Designand Applications, Artech House, 2010,它也併入本文中一併列為參考。合適的設備已可以從幾個供貨商購得，例如，GAO RFID Inc.(Toronto, ON, Canada)、以及Phase IVEngineering, Inc.(Boulder, CO, USA)。
[0048]在本發明的具體實施例中提供了許多的優點。根據本發明的各觀點的監視器和控制系統，例如，其可以如以上所述達成傳感器的廢水處理系統的自動化控制和優化。舉例來說，如果空氣流速傳感器指示一個好氧區正處於比所期望的空氣的體積流率還低時，則數據處理器就可以命令該空氣閥為該待進行改善的低性能好氧區增加其流量。此外，可對於一些自動空氣閥進行協調，藉以自動保持在處理廢水中所需要的溶氧模式。
[0049]同時，以在廢水處理系統中適當分布配置的傳感器數組也可以用來預測故障、檢測故障並確定維護需求。例如，空氣流速傳感器可能有助於求出在系統中的管道網絡中的空氣分布的均勻性，從而使得配管和散氣器的穿孔的大小形成最優化，藉以提高效率。溫度傳感器可求出管道網絡的實際溫度，藉以確定管件是否在安全工作範圍之內。壓力測量值，包括那些在連接於分配管的散氣器或散氣器本身的進氣管(見進氣管140在圖1中)附近所取得的數據，可以用來決定散氣器的背壓需求，並因此指示散氣器阻塞的程度。振動傳感器可以確定可能會導致管路故障和洩漏(如碎安裝支架)的振動的不安全的氣錘和其他的來源。相對溼度測量可以檢測在管路中的水和汙泥，他們是在經常開啟和關閉加壓空氣循環之那些廢水處理系統特別受到關注的。最後，氣體組成的傳感器可以指示出在管路中的經加壓空氣的組成(例如，氧含量)。
[0050]此外，特別有益的是:它能夠由廢水處理系統的管件內或上的傳感器提供相關的實時數據、以及其他的實時測量，例如溶氧及廢氣呼吸測量。正如其名稱所指，溶氧測量是確定在廢水中的氧的溶解量。與此相反的，廢氣呼吸測量是利用位於廢水中的表面上一個或多個氣罩來分析由廢水所排放的氣體。將傳感器、溶氧和廢氣呼吸測量資料加以結合使用時，就可以將那些影響氧轉移效率和氧吸收速率的因素一次地精確求出並加以最優化。
[0051]圖13顯示按照本發明的例示性實施例的廢水處理系統1300的一部分的局部剖視正視圖，其在現場具有這些不同類型的傳感器。在一槽1310的底部且浸沒於廢水1315中的管件1305的網絡，其包括如上所述參照圖11的多個散氣器1320和複數個內部無線傳感器1325。(標記但無法看見，因為它們是在管件1305內)。來自傳感器1325的數據是經由無線發送到接口盒1330，其容納有類似於處理系統接口 210 (圖6)的處理系統接口。在同一時間，溶氧傳感器1335確定廢水1315中氧的溶解量。最後，以位在廢水1315的表面收集氣罩1340來收集從廢水1315所排出的氣體，並將這些氣體引導至氣體分析儀1345。最終，將來自傳感器1325的數據與溶氧數據和廢氣呼吸測量數據進行關連化，藉以決定各測量值之間的關係。
[0052]這也可能是特別有利的，即利用本發明之一觀點來確定散氣器溼壓差(DWP)和孔口壓差(ODP)。DWP指示出散氣器阻塞的程度，並且是用以決定散氣膜的維護(例如，清潔)和替換的重要測量。ODP可讓操作者調整在曝氣格中每一散氣器的空氣流率使之趨近。
[0053]為了確定適用於如圖1所示類型的圓盤狀散氣器的DWP和0DP，較佳為採用一種直接低於散氣膜(即，上遊)，但高於(即，下遊)的散氣器的孔口之氣體壓力測量。圖14顯示根據本發明的例示性實施例，按照適用此種測量的方式而如此配置的連接於散氣器100的傳感器1400的局部剖切立體圖。如圖14的散氣器100包含有與如圖1所示的散氣器100相同的組件，因此標註有類似的組件記號。傳感器1400依序包括一傳感器殼體1405 (其內具有壓力測量傳感器電路)和作為氣體管道的探針1410。傳感器殼體1405可安裝在配置管件外部或內部(未具體顯示出)，並且傳感器1400可以通過如先前所詳細描述的有線或無線的方式，將壓力數據傳輸至數據處理器。探針1410是經由被固定於一穿過散氣器主體120的彎管接頭1415而連接到散氣器100。因此，探針1410可操作來用以將緊接在散氣膜1410下方的氣體的一部分傳輸到傳感器電路，以使得傳感器電路可決定在該特定位置處的壓力。
[0054]一旦緊接於散氣器膜下方的壓力Pdif被傳感器1400所求出時，在廢水處理槽中的散氣器100將主動地產生氣泡，Pdif可被用來決定DWP和0DP。更精確地說，忽視流體靜壓力的影響，DWP可藉由從Pdif減去位在廢水槽中的同一浸沒高度的如同散氣器的起泡器(SP，基本上零水頭損失的裝置)產生氣泡所需要的壓力而求得。反過來說，ODP也可以通過測量從分配管送入散氣器100的壓力，並從該分配管壓力減去Pdif而求得。在這兩種情況下，本發明的各觀點，可以使得操作者容易地測量出指示廢水處理系統性能的重要參數。
[0055]最後，應當再次強調的是，本發明的上述實施例僅打算用來例示的而已。其他實施例可以使用不同類型和組件配置，以及使用不同的方法步驟來實現所描述的功能。例如，在一個替代實施例中，可以使用完全設置於散氣器和散氣膜間的適當的小傳感器，來測量在該位置的壓力的特性(例如，壓力)，從而有利於測定散氣器溼壓差和孔口壓差。這些落在本發明的範圍內的眾多之可替代的實施例，對於本領域中熟習本文所提供的教導該項技術者而言，那是顯而易見的。
[0056]此外，除非有明確說明，否則所有在此揭示的特徵皆是可以被用於相同、等效或類似的目的。因此，除非另有說明，否則每個被揭露的特徵僅是等效或類似特徵的上位概念衍生系列中之一個例子而已。
[0057]最後，權利要求中的任何組件，在沒有明確說明其為用以呈現特定功能的「手段」(「means for」)、或者用以執行特定功能的「步驟」(「st印for」)時，不應被解釋為如同在美國專利法第112條第6項所規定的「裝置」或「步驟」敘述；尤其， 申請人:在權利要求中使用「步驟」("step of」)時並不想要落入美國專利法第112條第6項所規定的意義範圍。
【權利要求】
1.一種廢水處理監控系統，其特徵在於，包含: 一數據處理器； 一氣體傳導裝置，該氣體傳導裝置是被浸沒的且是用來傳送一氣體； 一傳感器，該傳感器連接於該氣體傳導裝置，該傳感器是被浸沒的且是操作用來決定該氣體傳導裝置或氣體的一特性，以及用以將表示該特性的數據傳輸至該數據處理器。
2.如權利要求1所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，該數據處理器是藉由一計算機網絡進行數據通訊。
3.如權利要求1所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，該系統更進一步包含一閥，且該數據處理器是至少部分因應從該傳感器所傳輸的數據來進行操作，藉以至少部分地控制該閥。
4.如權利要求1所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，該系統包含一廢水處理槽。
5.如權利要求1所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，該傳感器是至少部分以有線方式進行操作而將該數據傳輸至該數據處理器，及/或該傳感器是至少部分以無線電方式進行操作而將該數據傳輸至該數據處理器。
6.如權利要求1所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，該特性是指溫度、振動、相對溼度、氣體速度、氣體容積或氣體組成中的任一者。
7.如權利要求1所述 的廢水處理監控系統，其特徵在於，該傳感器包含一無線射頻辨識標籤。
8.如權利要求1所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，該傳感器是安裝在該氣體傳導裝置上及/或設置在該氣體傳導裝置內。
9.如權利要求1所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，該氣體傳導裝置包含一管件，而且該傳感器包含一殼體，該殼體所界定的曲面為實質上符合該管件的一內表面的一曲率。
10.如權利要求1所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，該氣體傳導裝置包含具有一散氣膜的一散氣器，且該特性是緊接在該散氣膜下方處地氣體壓力散氣。
11.如權利要求1至10任一項所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，該傳感器包含: 一殼體，該殼體設置在該氣體傳導裝置的外表面； 傳感器電路，該傳感器電路設置在該殼體內 '及 一探針，該探針連接至該傳感器電路，且至少一部分設置在該氣體傳導裝置內。
12.如權利要求11所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，該探針包含一傳感組件，而且該探針包含操作來用以將部分的該氣體傳送到該傳感器電路的一導管。
13.如權利要求11所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，該傳感器更進一步包含一天線，該天線連接在該傳感器電路，而且至少一部分設置在該氣體傳導裝置內。
14.如權利要求1所述的廢水處理監控系統，其特徵在於，更進一步包含至少一溶解傳感器及一排氣呼吸測定系統。
15.一種廢水處理監控方法，其特徵在於，包含下列的步驟: 連接一傳感器至一氣體傳導裝置； 浸沒該氣體傳導裝置及該傳感器； 透過該氣體傳導裝置來傳輸該氣體；利用該傳感器計算該氣體傳導裝置或該氣體的一特性；及將 表示該特性的數據從該傳感器傳輸至一數據處理器。
【文檔編號】G05B19/418GK104049581SQ201410096288
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月14日 優先權日:2013年3月14日
【發明者】艾瑞克·D·杜登, 馬克·D·凱斯曼, 託馬斯·E·弗蘭克爾, 康宋基, 託德·D·瑞特 申請人:斯坦福科學國際有限公司, 馬克·D·凱斯曼