用于测量流体电导率的方法和装置

摘要

用于检测软水器硬度突破点的传感器测量与经处理的水接触的狭长阳离子交换材料电导率的变化。

权利要求

1.一种用于检测流体离子组成变化的传感器，其包括：

(i)第一非导电板和第二非导电板，其配置为形成测试流体流经的空腔，(ii)位于空腔内的连续的离子交换材料，其配置为与流体接触，(iii)与所述连续的离子交换材料第一部分接触的第一电极，与所述连续的离子交换材料第二部分接触的第二电极，以使得存在通过两个电极之间的离子交换材料的电流的连续通路，所述第一电极和第二电极以预定距离分开，和(iv)与所述连续的离子交换材料通过所述第一电极和第二电极连接的装置，其配置为用于测量所述连续的离子交换材料的电导率。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述连续的离子交换材料为膜或纤维。

3.根据权利要求1至2任一项所述的传感器，其中离子交换材料为阳离子交换膜或阴离子交换膜。

4.根据权利要求1至2任一项所述的传感器，其中所述非导电板为平面的。

5.根据权利要求1至2任一项所述的传感器，其中所述传感器配置为具有经化学处理的内表面以赋予其阳离子交换性能的非导电管。

6.根据权利要求1至2任一项所述的传感器，其还包括位于所述空腔中的隔板，所述隔板配置为向隔板施加压力后从空腔转移流体，以去除作为电极间电流流动的替代路径的流体。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述隔板与致动器连接。

8.根据权利要求7所述的传感器，其中所述致动器为电动致动器、液压致动器、气动致动器或机械致动器。

9.根据权利要求1至2任一项所述的传感器，其还包括配置为调节经过传感器的流体流量的流量调节装置。

10.根据权利要求1所述的传感器，其中所述离子交换材料是至少一个非导电板的被化学改性的表面。

11.根据权利要求1所述的传感器，其中所述离子交换材料为纤维形式。

12.一种软水器系统，其包括与如权利要求1至11任一项所述的一个或更多个传感器流体相连的软水器设备。

13.根据权利要求12所述的系统，其中权利要求1的传感器被放置为使得流出软水器的部分流体流经传感器。

14.根据权利要求12所述的系统，其中权利要求1的传感器被放置为使得流经软水器的部分流体在经过软水器期间流经传感器。

15.一种使用权利要求1至11任一项所述的传感器检测流体的离子组成变化的方法，其包括：(a)在第一时间点测量连接至连续的离子交换材料的电极之间的第一电压，所述连续的离子交换材料(i)使电流通过，(ii)与电阻器电串联且(iii)与流体接触；

(b)在第二时间点测量连接至连续的离子交换材料的电极之间的第二电压，所述连续的离子交换材料(i)使电流通过，(ii)与电阻器电串联且(iii)与流体接触；

(c)基于所述第一电压和第二电压的差，确定流体的离子组成变化。

16.根据权利要求15所述的方法，其还包括在测量所述第一电压和第二电压之前的预定时间段后从所述传感器排出流体样品。

说明书

用于测量流体电导率的方法和装置

[0001] 本申请是要求2014年3月6日提交的美国临时专利申请第61/949155号的优先权的国际申请，所述美国临时专利申请通过引用以其整体并入本文。

背景技术

[0002] I.技术领域

[0003] 本发明涉及用于监测离子交换材料状态的设备、传感器和/或方法，在某些方面涉及将这些信息用于软水器控制。

[0004] II.背景技术

[0005] 一些软水器被配置为使硬水通过离子交换树脂或矿物质床以从水中去除硬度离子。离子交换树脂或矿物质还在一定程度上通过离子交换过程去除溶解的铁。通过使盐水通过树脂或矿物质床以及通过反洗将离子交换树脂或矿物质床重生以再生其硬度和铁的去除能力。

[0006] 当离子交换树脂或矿物质床离子交换失效时，通常使用NaCl盐水使其再生。软水器控制的重要方面是确定何时启动再生。为了用于再生的盐和用于冲洗的水的最有效利用，一检测到突破点就启动再生是有利的，但是目前用于测量水硬度的分析仪器是众所周知地昂贵的和耗费时间的。检测突破点的替代方法是用基于通过树脂床的给水硬度和水量的假定的计算来做出树脂何时失效的保守估计。在一种方法中，估计日常用水总量，在经过一定天数后计时器启动再生。计时器不区分没有水流量的日子和有高流量的日子，软水器可当其容量很少或没有被利用时再生，或软水器在突破点已出现很久后再生，这导致未经处理的硬水通过。

[0007] 另一种方法是使用流量累加器，其测量已经通过软水器处理的水量，当已处理预选量的水时启动再生。使用流量累加器通常导致比计时器更好的盐经济性，但是该方法未考虑水源硬度的变化或随着树脂老化离子交换容量的劣化。

[0008] 在另一个方法中，将树脂床的电导率用于确定再生的必要性。电导率测量的利用基于钙离子更紧密地保持于树脂，因此树脂以钙形式的电导率比以钠形式低的事实。然而，树脂床电导率的测量被两个问题困扰。第一，树脂珠之间的电流连续性通过球体之间的点接触，所以通过树脂珠路径测量的电导率比个体珠的电导率低得多。第二，珠之间的溶液也是导电的，所以溶液电导率的改变会通过提供电流流经处的分流影响测量的电导率。缓解这些问题的常规方法是在树脂床中安装多对电极并比较测量值。这些嵌入的探头仍受其依赖于间接测量和不直接检测钙的突破点的事实的困扰。

[0009] 需要用于检测软水器树脂突破点或失效的其他设备和方法。

[0010] 发明概述

[0011] 某些实施方案涉及通过测量与电解质溶液接触或接触过的离子交换材料的离子电导率用于评估溶液的离子组成的设备、装置和/或方法。离子交换材料是连续的材料，其可以以膜、纤维、纤维束等形式放置在两个电极之间。与先前报道的测量颗粒床电导率方法相比，本文的设备、装置和方法使用传感器中的连续离子交换材料以克服与颗粒-颗粒接触和颗粒间导电溶液的分流作用相关的不准确性。

[0012] 某些方面涉及导电率的测量和解读以获得关于溶液离子组成的信息。在某些方面，溶液是电解质溶液。在进一步的方面，电解质溶液是水。在更进一步的方面，水是使用软水器装置或方法处理过的水或正在处理的水。

[0013] 在某些应用中，关于通过软水器处理的水的离子组成的信息可以用作当需要时以及根据需要准确指导软化柱或软化材料再生的控制方案的基础。本文所描述的装置或方法可以提供用于再生的盐和水的最小量，因此减少了需要处置或处理的耗费盐水的量。使用本发明的传感器系统，仅在需要的时候进行再生，导致废水处理系统较低的负担和向环境中减少的盐排放。

[0014] 某些实施方案涉及用于测量电导率的传感器设备，其包括连续的离子交换材料和分压器，其中离子交换材料充当分压器的一个臂，以产生与离子交换材料电导率成比例的电压。离子交换材料可以是已经用离子交换基团改性的聚合物、纸张、或塑料。在某些实施方案中，分压器的其他臂为电阻器。在某些方面，电阻器为热敏电阻。热敏电阻是电阻器的一个类型，其电阻随温度显著变化，比标准电阻器的变化更大。热敏电阻广泛用作涌入电流限流器、温度传感器(通常是NTC型)、自重置过电流保护器和自调节加热元件。热敏电阻与电阻式温度检测器(RTD)的不同在于热敏电阻中使用的材料通常是陶瓷或聚合物，而RTD使用纯金属。温度响应也不同，RTD在更大温度范围是有用的，而热敏电阻在受限的温度范围内、通常为-90℃至130℃实现较高精度。

[0015] 一个实施方案涉及用于测量电导率的传感器，其包括(i)连续的离子交换材料和(ii)分压器，其中离子交换材料充当分压器的一个臂，以产生与电导率成比例的电压。在某些方面，分压器的臂为电阻器，例如，热敏电阻。在其他方面，使开关以使得所述电流从所述传感器两个方向中的任一个流入或以从所述传感器中去除电流流动的方式周期性闭合。在其他方面，将电压锁定以储存与所述电导率成比例的值。

[0016] 某些实施方案涉及用于检测流体离子组成变化的传感器，其包括(i)第一非导电板和第二非导电板，其配置为形成测试流体流经的空腔，(ii)连续的离子交换材料，其位于空腔内并与流体接触，(iii)与离子交换材料第一部分接触的第一电极，与离子交换材料第二部分接触的第二电极，第一电极和第二电极以预定距离分开，和(iv)与离子交换材料连接的装置，其配置为用于测量通过离子交换材料的电导率。在某些方面，连续的离子交换材料是膜或纤维。离子交换膜可以是阳离子交换膜或阴离子交换膜。在某些方面，非导电板为平面的或半圆形的。在其他方面，传感器进一步包括位于非导电板和离子交换材料之间的空腔中的隔板，所述隔板配置为向隔板施加压力后转移隔板和离子交换材料之间的流体，以去除作为电极间电流流动的替代路径的流体。在某些方面中，隔板与致动器连接。致动器可以是电动致动器、液压致动器、气动致动器或机械致动器。在某些方面，致动器移动隔板以使传感器空腔排空。在某些方面，将空腔在一段时间后打开，流体流经空腔直到启用致动器。

[0017] 其他实施方案涉及软水器系统，其包括与本文所描述的一个或更多个传感器流体相连的软水器设备。在某些方面，传感器被放置为使得流出软水器的部分流体流经传感器。在进一步的方面，传感器被放置为使得流经软水器的部分流体在经过软水器期间流经传感器。

[0018] 在进一步的实施方案中，水硬度传感器可以包括(i)第一非导电板和第二非导电板，其配置为形成测试流体流经的空腔，其中面向空腔的至少一个板的表面被化学改性以形成离子交换表面，(ii)与离子交换表面第一部分接触的第一电极，与离子交换表面第二部分接触的第二电极，第一电极和第二电极以预定距离分开，和(iii)用于测量通过离子交换表面的电导率的装置，其与第一电极和第二电极可操作地连接。

[0019] 在更进一步的实施方案中，水硬度传感器可以包括(i)形成传感器外壳的非导电块，所述块形成空腔；(ii)形成纤维束的两种或更多种离子交换纤维置于空腔中，其中纤维束的一端与第一电极电接触，另一端与第二电极电接触，第一电极和第二电极以预定距离分开，且(iii)第一电极和第二电极与用于测量通过离子交换纤维的电导率的设备相连。

[0020] 某些实施方案涉及利用如本文所描述的传感器的方法。用于检测流体离子组成变化的方法，其可以包括(i)在第一时间点用第一流体样品接触传感器，其中传感器包括电串联的连续的离子交换材料和电阻器，其中离子交换材料两端的电压与离子交换材料的电导率成比例，检测在第一时间点离子交换材料两端的电压；(ii)在第二时间点用第二流体样品接触传感器，检测在第二时间点离子交换材料两端的电压；(iii)基于离子交换材料两端电压的变化，确定流体离子组成的变化。在某些方面，方法可以还包括在检测离子交换材料两端的电压之前的预定时间段后从传感器空腔中排出流体样品。

[0021] 贯穿本申请全文讨论了本发明的其他实施方案。关于本发明一个方面所讨论的任意实施方案也适用于本发明的其他方面，反之亦然。本文所描述的每一个实施方案应理解为适用于本发明所有方面的本发明实施方案。预期对于本发明的任意系统、装置、方法或组合物可以实施本文所讨论的任意实施方案，反之亦然。

[0022] 当在权利要求和/或说明书中与术语“包含”一起使用时，指示物前面不使用数量词可以表示“一个”，但是其也符合“一个或更多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的意思。

[0023] 贯穿本申请全文，术语“约”用于表明值包括为确定该值使用的设备或方法的误差的标准差。

[0024] 术语“或”在权利要求中的使用用于表示“和/或”，除非明确说明仅指选择方案，或选择方案是相互排斥的，尽管公开内容支持指仅选择方案和“和/或”的定义。

[0025] 如本说明书和权利要求所使用的，词语“包含”、“具有”、“包括”或“含有”是包括性的或开放式的，并且不排除附加的、未列举的要素或方法步骤。

[0026] 本发明的其它目的、特征和优点通过以下详细说明会变得明显。然而应该理解的是，因为在本发明的精神和范围内的各种变化和修改通过该详细说明对本领域技术人员会变得明显，所以尽管详细说明和具体实施例表明本发明的具体实施方案，但是其仅通过举例说明的方式给出。

附图说明

[0027] 以下附图形成部分的本说明书，并被纳入以进一步说明本发明的某些方面。通过结合本文所提供的说明书实施方案的详细说明参考这些附图中的一幅或更多幅可以更好地理解本发明。

[0028] 图1是本发明平面传感器的横截面视图。

[0029] 图2是具有脊状物的本发明平面传感器的横截面视图。

[0030] 图3是具有隔板的本发明平面传感器的横截面视图。

[0031] 图4是本发明管式传感器的横截面视图。

[0032] 图5是本发明扁管式传感器的横截面视图。

[0033] 图6是用纤维制造的传感器的横截面视图。

[0034] 图7示出说明几种配置的硬度传感器响应的数据。

[0035] 图8描绘用于测量电导率的分压器。

[0036] 图9描绘分压器，其中测量的电导率取决于温度并通过热敏电阻补偿。

[0037] 图10描绘用于狭长离子交换材料膜的周期性转换极性的电路。

[0038] 图11描绘控制施加电流到狭长离子交换材料膜的两个方向中的任一个或去除电流流动的电路。

[0039] 图12描绘用于锁定与电阻成比例的已知极性的电压输出的电路。

[0040] 说明

[0041] 软水器可以包含具有吸附阳离子例如钠离子、钾离子、钙离子和镁离子能力的阳离子交换树脂。在软水器中有用的典型阳离子交换树脂通过苯乙烯单体和交联剂二乙烯基苯的悬浮聚合制备以形成聚合物珠。然后将聚合物珠用磺化剂处理，使磺酸基团连接到聚合物上。磺酸基团赋予阳离子交换珠以阴离子电荷。当珠暴露于盐溶液时，负电荷变为与溶液中的阳离子关联。例如，当珠暴露于氯化钠溶液时，珠中的阳离子为钠离子。

[0042] 如果水具有高浓度(＞24mg/L Ca)的溶解的矿物质，其被认为是“硬的”，所述矿物质易于在管线和固定装置上沉淀和产生水垢。当该水垢在厕所或水槽中沉积时，其可以是在美观上令人反感的。水垢还可以引起管线直径的减少，并可通过阻碍对流和增加传导热阻以阻碍热交换器的热传递。为了避免矿物质沉积，使用阳离子交换树脂将水软化可以去除溶解的矿物质。在稀释的水溶液中，经磺化的苯乙烯-二乙烯基苯型的阳离子交换树脂对于钙离子和镁离子具有强亲和力，钙离子和镁离子是水硬度的主要成因。如果以钠离子形式的树脂暴露于硬水，则钙离子和镁离子进入树脂珠并与钠离子交换。当已将大部分钠离子置换时，树脂的离子交换容量被认为是枯竭的。树脂的离子交换容量可以通过将树脂暴露于氯化钠的浓溶液(即盐水)来再生。盐水中的钠离子置换树脂中的硬度离子，并使树脂的离子交换容量再生。

[0043] 由于钙通常是水中主要的硬度离子，在以下的讨论中使用钙代表硬度。应理解，软化过程去除其他离子，包括镁离子、锶离子、铁离子和通过阳离子交换树脂去除的其他阳离子。典型软水器设备包括容纳于圆柱形罐中的阳离子交换珠。使硬水向下流经树脂珠床，随着水与珠接触将钙离子去除。在树脂床顶部的珠首先变为失效的，然后沿着床向下继续发生失效直到流动停止或直到树脂完全失效。当树脂床失效时出现突破点的情况，在经处理的水中钙离子以越来越高的浓度出现。

[0044] 一在从罐流出的溶液中检测到钙离子浓度的增加即突破点出现就停止水流并使树脂再生是期望的。通过从树脂床底部引入氯化钠的浓溶液或盐水、被认为是反流向再生的方法可以实现再生。随着盐水经过床缓慢向上移动，将钙离子置换并随盐水带出。由再生产生的盐水溶液被称为废盐水，其通常在再生循环的开始具有高浓度的氯化钙。随着再生的进行钙离子浓度降低。除了钠离子和钙离子外，废盐水可以包含其他置换的离子，例如镁离子。因为床底部的树脂暴露于纯氯化钠溶液，所以床底部的树脂变为完全再生的。在一些情况下，床顶部的树脂可以是仅部分再生的。

[0045] 在停止盐水流动后，将水从树脂床顶部引入以置换盐水。在某些方面，水为去离子水。该步骤称作缓慢冲洗，其得益于盐水具有比置换盐水的水更高密度的事实。在缓慢冲洗后为快速冲洗，以从树脂床洗去所有剩余的氯化钠。快速冲洗通常以更高流速，例如1至1.5gpm每立方英尺。在快速冲洗后，树脂床准备好用于下一个失效循环。通常，控制系统管理提到的操作。控制系统通常位于容纳树脂的圆柱形罐的顶部。控制系统包括控制操作循环排序所需要的控制器、阀门、电动机、齿轮、计时器、开关、仪表和电路。

[0046] 某些实施方案涉及通过与电解质溶液接触的离子交换材料的离子电导率的测量来评估电解质溶液离子组成的方法和设备。测量可以用于确定控制动作。在某些方面，离子交换材料会与从软水器流出的经处理的水接触。当出现突破点时，经处理的水会开始具有较高的钙离子浓度，这会影响传感器中离子交换材料的离子电导率。在一些设定中，在预设阈值以上离子电导率的绝对下降表明树脂床正在变为失效的。

[0047] 可以存在能够确定启动再生的多个传感器输入。这些传感器输入可以包括来自传感器的多个离子电导率测量值。这些传感器输入还可以包括流速的测量值和环境温度、树脂床温度或流体流温度的测量值的一个或更多个。

[0048] 可以单独收集随时间变化的传感器数据，然后分批处理以确定控制动作。例如，如果传感器测量的离子电导率是快速变化的，这可能表明容量迅速枯竭的树脂床。与此相反，缓慢变化的离子电导率，特别是如果其与温度变化相关，可能仅仅是老化和/或测量电导率的温度依赖性的反映。

[0049] I.传感器设备

[0050] 现在更详细地谈及本发明，图1显示了平面传感器10，其包括膜11形式的离子交换材料，离子交换材料的边缘与以预定距离分开的一对电极12和电极13接触。将膜11暴露于空腔14，经过所述空腔14溶液流经膜，即进入图1的页面或从其中出来。电极12和电极13与膜11电接触。弹性材料的垫片15用来将膜紧压于电极以确保电接触。端板16和端板17可以由非导电材料制成并提供用于传感器的结构。更详细地，图1显示了平面传感器10的元件的最简单排列。流经空腔14的流体与膜11接触，流体中的离子与膜11中的离子交换直到接近平衡状态。在将传感器用作软水器的硬度传感器和膜11包括阳离子交换材料的情况下，流体会是主要包含钠离子和钙离子的水。传感器的膜11会与软水器流经空腔14排放的水接触。当软水器的树脂床未接近失效时，钠离子是水中的主要阳离子，因此在膜11中钠离子是主要的阳离子。在该条件下，膜11处于其最导电状态。通过与用于测量溶液电导率的方法相似的方法测量膜11的电导率。某些方面使用高频率和低安培数的交流电以最小化在膜11和电极12和电极13之间接触处的极化。膜电导率的基本稳定值的测量是树脂床仍具有有用的软化能力的象征。

[0051] 当软水器的树脂床接近失效时，钙离子出现在软水器的排出流中。因为钙离子比钠离子更紧密地被结合，钙离子置换膜11中的钠离子，膜11变得导电性较差。在膜11电导率减少的测量提供了钙突破点的象征。通过控制器解读的膜电导率逐步减少作为树脂床应该再生的象征。

[0052] 离子交换材料在图1中显示为膜片，但是本发明包括其他形式的离子交换材料。本发明包括纤维形式的离子交换材料。在某些实施方案中，纤维与电极电接触。本发明还可以包括中空纤维或管的使用，其中纤维或管的壁包含离子交换材料。在某些方面，待测试的流体流经中空纤维或管的内腔，将电极放置在中空纤维或管的末端。

[0053] 离子交换材料还可以是端板16和端板17中的一者或两者的整体部分。本发明可以包括整体的离子交换材料，其通过包括黏合、融合、在端板材料上或端板材料中单体的聚合、或端板聚合物的官能化以在板表面上形成离子交换基团的方法附着到端板表面。在某些方面，将由聚(氯乙烯)(PVC)制成的端板暴露于单体苯乙烯和二乙烯基苯，其被吸收到PVC板的表面中。然后将板表面暴露于聚合引发剂例如过氧化苯甲酰、辐射或其他已知的聚合引发剂或催化剂。在聚合后，用在聚合物上产生离子交换基团的试剂处理聚合物涂层。硫酸是在苯乙烯/二乙烯基苯共聚物上产生阳离子交换基团的处理剂的实例。在其他方面，板表面包含由包含苯乙烯的单体制备的聚合物。包含苯乙烯的聚合物的实例包括聚(丙烯腈-共丁二烯-共-苯乙烯)(ABS)、聚(苯乙烯-异丁烯-苯乙烯)三嵌段共聚物(SIBS)和丁苯橡胶(SBR)。将包含苯乙烯的聚合物用磺化剂例如硫酸处理以赋予聚合物表面阳离子交换性能。在对聚合物表面赋予离子交换性能的聚合物的任何表面处理中，可以最小化离子交换材料的层厚度以最小化离子扩散到聚合物表面中的必要距离。减少扩散距离有利减少硬度传感器的响应时间。

[0054] 图2显示了平面传感器，其中端板26和端板27包括多个槽28，溶液通过所述槽28流动。槽通过靠近或接触膜21的脊状物29分开。脊状物通过阻断邻接槽之间的流体路径用来阻断电极22和电极23之间经由溶液的电流流动，从而减少电极之间和经由溶液的导电路径。通过在端板中切割槽28或将其模塑到端板中或通过插入具有平行线的非导电网例如由Conwed供应的网可以形成脊状物29。如图2所示，脊状物29和槽28可以在膜21的两侧，或其可以仅在膜的一侧。在膜21两侧具有脊状物29和槽28的益处是溶液可以在膜21两侧流动，使得膜21中的离子交换位点更快平衡。应注意的是，槽28起到通过传感器输送溶液以接触膜的作用，其与图1中空腔14的作用相同。

[0055] 图3示出具有隔板30的传感器，可以驱动隔板30以转移空腔34中的溶液，溶液经过空腔34接触膜31。可以将设备配置为用于驱动隔板。隔板可以使用液压、气压、机械力等、或本领域中已知的用于移动隔板的任何方法来驱动。移动隔板仅是转移与膜接触的溶液的一种方式。目的是从膜电导率的测量路径中去除溶液，使得溶液电导率的改变不影响测量。在测量电导率期间用于转移溶液的任何方法均包括在本发明中。例如，使用通过螺线管直接驱动或间接驱动的活塞是转移溶液的方法。驱动隔板30的优选方法是限制溶液流入空腔34并将溶液转移至隔板背面以实现隔板背面比空腔中的压力更高。在图3示出的传感器的操作中，溶液流经空腔34以使得检测膜31和溶液之间的离子交换。当测试时，停止流经空腔34的溶液，驱动隔板30使得其被挤压在膜31上以转移来自空腔34的溶液。之后，测量膜的电导率。最后反向驱动隔板30，使得溶液流经空腔34。如之前所描述的，通过赋予端板37表面离子交换性能可以替代膜31的离子传导功能。

[0056] 隔板的额外益处是其使得传感器起到两种作用。如果传感器位于或连接至输送溶液流出树脂床的路线，在软水器使用周期期间将传感器暴露于经处理的水，在再生周期期间将传感器暴露于盐水或冲洗溶液。在空腔中有大体积时，当空腔充满，膜促成可以忽略的传感器电导率，从而传感器测量溶液的电导率。但是当空腔体积被隔板替代时，膜电导率占优势，传感器测量膜的电导率，该电导率反映与膜接触的溶液组成。这种双功能传感器在软水器的操作中是有用的，因为其可以用于检测何时软水器需要再生，并且其可以检测何时盐水已经从经再生的树脂完全冲洗掉。后述检测的益处是一经检测到充分冲洗就可以停止冲洗水流，而不是在冲洗的程序化时间之后才停止冲洗水。

[0057] 图4示出具有半圆形隔板40的管式配置的传感器，可以将其驱动以转移空腔44中的溶液，溶液经过空腔44接触半圆形膜41。在某些方面，装置包括用于隔板40的致动器。通过使用液压、气压、机械力或本领域已知的用于移动隔板的其他方法，致动器可以作用于隔板40。电极42和电极43可被放置到管的相对侧并且通过膜41边缘附着到膜41表面。当隔板40未驱动时，如图4左图所示，空腔是大开的，流经空腔的流体中的离子与膜41中的离子平衡。此外，由于流体占据电极42和电极43之间的大部分体积，在电极42和电极43之间测量的电导率会指示空腔44中流体电导率。当将隔板40驱动时，如右图中所示，空腔44中流体的体积是可忽略的，在电极42和电极43之间测量的电导率会指示膜电导率。因此，图4中所描述的传感器是两用传感器，其既可以用于测量流体的电导率也可以用于测量膜的电导率，可以将其理解为溶液离子组成的指示。当该管式传感器暴露于流出软水器树脂床的溶液时，其可以检测何时软水器需要再生，并且其可以检测在软水器的再生循环中何时盐水已经被冲洗水置换。可以将两用管式传感器置于树脂床底部，或在树脂床的失效和再生循环期间，其可以接收从树脂床底部排出的溶液样品。

[0058] 图5示出通过使用热平压以使聚合物管材变平而制备的管式配置的传感器。将变平的聚合物管材51的内表面经化学处理以赋予聚合物阳离子交换性能。在优选的实施方案中，管材的材料是增塑的聚氯乙烯(PVC)，管材的内壁已用单体例如苯乙烯和二乙烯基苯浸泡，然后将其聚合。管材的内壁用浓硫酸处理以赋予管材的内壁阳离子交换性能。管材的内壁还可以包含聚合物，例如ABS、SIBS或已经磺化的SBR。管材中空腔52的体积通过活塞53控制，在测量管材内壁上离子交换材料的电导率期间，可以驱动活塞53将管材挤压在板54上以转移空腔中的溶液。当移除来自活塞的压力时，管材膨胀，传感器测量膨胀空腔中溶液的电导率。通过位于管材末端的电极55和电极56来检测两个电导率值。将连接电线57与每个电极相连。电极优选是耐腐蚀金属环，其适合于套在非导电刚性管58末端，溶液经过刚性管58流入和流出传感器。夹具59将聚合物管51紧压于刚性管58以及两端的电极环55和电极环
56。

[0059] 图6示出其中离子导电材料由离子交换纤维构成的传感器。传感器的主体是刚性塑料块60。该块包括或形成孔61，离子交换纤维62通过孔61插入。与纤维孔61相连的是孔63和孔64，溶液经过孔63和孔64流入和流出传感器。在纤维束62的每个末端中嵌入的是电极丝65，其与纤维和用于测量纤维束电导率的电路电接触。纤维和电极的末端优选用导电性黏合剂(例如，填充银的环氧树脂)涂覆以增强纤维和电极之间的电接触。使用纤维的益处是提高对溶液组成变化的响应。因为相比于膜的实际厚度可以将纤维直径制得非常小，所以离子在纤维中扩散的距离相比于在膜中的扩散距离可以是短的。

[0060] 本文所描述的传感器的配置采用若干配置以通过阻断电流路径或通过减少含有溶液的空腔体积来减少电解质溶液对狭长离子交换材料电导率测量的影响。用于减少电解质溶液对测量的影响的另一种方法是在进行测量前将溶液从空腔中排干。排干溶液是图3和图4中驱动隔板的替代选择。如果在电导率测量前将管式传感器排干，则可以去除隔板，离子交换膜可以覆盖管材全壁。可以将电极置于管材相对面的任一面上，如图4所示，或可以将其置于管材末端。具有排水特性的管式设计是双功能的传感器。当管材充满溶液时，测量的电导率反映溶液的电导率，当将溶液排干时，测量的膜电导率反映溶液的离子组成。

[0061] 本文所描述的设备、装置或方法的一个优势是传感器可以检测狭长离子交换材料电导率的变化，可以将电导率理解为溶液中离子的比例变化。相比于测量离子交换微粒床电导率的现有技术，其测量受微粒与微粒接触和微粒之间流体电导率的困扰，使用本发明的装置消除了微粒与微粒接触的问题和最小化或消除了流经导电流体的电流平行路径的问题，获得与流体接触的离子交换材料电导率的准确测量。带有隔板的管式配置允许用单对电极测量流体的离子组成以及溶液的电导率。

[0062] 除了使用本文所描述的装置作为用于检测软水器产品水的硬度的传感器，本装置或传感器具有检测其他离子交换设备失效的效用。例如，本发明可用于检测在脱矿物质器中使用的阳离子交换树脂和阴离子交换树脂的失效。

[0063] II.用于闭合环路软水器控制的膜传感器的电处理

[0064] 图8描绘了称为分压器的电路。参照共同结点82的任意电压V施加至结点80。将两个电阻器R1 84和R2 86电串联连接到结点82和结点80之间。流经串联的电阻器84和电阻器86的电流通过等式1给出。

[0065]

[0066] 其中I是以安培计的电流。电阻器84和电阻器86之间的结点88的电压(V1)通过如等式2的分压定律给出。

[0067]

[0068] 如果R1 84是已知电阻，那么可以使用结点88的电压测量值和R1 84的已知值一起通过等式3来确定R2 86的值。

[0069]

[0070] 电导(或电导率)是电阻(或电阻率)的倒数，所以R2 86的电导率是通过取倒数容易计算出的。在用于监测传感器离子电导率的电路中，将狭长离子交换材料用作电阻R2 86。应注意的是，传感器两端测量的电压V1可以用来通过等式3计算传感器的电阻，通过使用等式3计算传感器的电导，然后取倒数，或在控制方案中可以直接使用电压V1。

[0071] 尽管描述了以下串联分压器，其中R1 84是连接在结点80一端的固定电阻，R2 86是狭长离子交换材料，其根据钙原子的离子电导改变电阻，且其与共同结点82相连，然而两个电阻可以在原位互换，传感器电阻的值由分压定律和已知的固定电阻值计算。

[0072] 图9描绘了由狭长离子交换材料97与热敏电阻95电串联构成的分压器。热敏电阻95是以已知方式用温度变化改变电阻的装置。其是温度依赖性装置。钙检测传感器97响应接触传感器的流体流中钙的水平而改变电阻。但是其电阻还可以对温度T敏感。通过放置与流体流热接触的热敏电阻95，由传感器97的测量可以是温度不敏感的，所述热敏电阻95具有以和离子交换材料97随温度改变的相同方式随温度改变的电阻。由热敏电阻和传感器之间的结点98的电压测量会与钙水平成比例且对温度变化会不敏感。

[0073] 用类似图8的电路应用分压定律以确定传感器电导率的一个问题是传感器两端的电压具有不改变的极性。这导致离子在狭长离子交换材料上移动至材料的一个末端，降低其正确检测水硬度的能力。图10描绘了使用转换极性法实施分压器用于检测狭长离子交换材料1020电阻值的电路。转换通过控制算法完成。转换的目的是在传感器任一侧使用单刀双掷开关1022、开关1024周期性反转穿过传感器1020的极性。在锁定步骤中操作开关1022和开关1024，即控制其同时运作。图10A描绘了一种极性。通过改变两个开关的状态，将通过如图10B的传感器1020的电流反转。通过周期性改变状态，在狭长离子交换材料的任一方向离子的净优先移动减少。在将图10A或图10B中任一位置的开关1022、开关1024闭合后，可以使用在结点1018测量的电压以根据等式3计算传感器电阻值。

[0074] 图11描绘了传感器一侧与单刀三掷开关1125相连的实施方案。在该情况下，三掷开关1125上的第三位置1127可以是不具有电连接的开放结点。通过控制开关1125在第三位置1127，会有零外部电流流经传感器1120，其会阻止离子通过狭长离子交换材料移动。使用类似于图11描绘的系统的优势是通过分别控制开关1122和1125，对传感器1120应用三种状态是可能的。电流以一个方向通过传感器1120，或电流以相反方向或没有电流流量通过传感器1120。

[0075] 图12描绘了使用称作采样和保持的电路1234以锁定传感器电阻的测量。在该电路中，单刀单掷开关1226暂时闭合以连接分压结点1218以使电容器1228充电。然后将单刀单掷开关1226打开，使得电容器1228保持电压不变。与称作射极输出器结构连接的运算放大器1230具有非常高的输入阻抗和非常低的输出阻抗，其作为缓冲器以产生输出端1232。使用开关1226以锁定取样和保持1234输出端1232的电压的优势是当改变开关1222和开关1224的位置时，在结点1218的电压可能不稳定。因此，可以控制开关1226以使仅当输入稳定时才修改输出。输出端1232的电压代表膜电阻，可以用在管理水软化的控制算法中。输出端
1232的电压还代表电导，因为电阻和电导互为倒数。如果给定时间样品t的电压测量是v(t)，可以使用该值和过去的测量值、v(t-1)、v(t-2)等构建控制算法。
III.实施例

[0076] 包括以下实施例和图以说明本发明优选的实施方案。本领域技术人员应理解，实施例或图中所公开的技术代表发明人发现的在本发明实践中运行良好的技术，因此可以认为其构成了对于其实践的优选方式。然而，根据本公开，本领域技术人员应理解在所公开的具体实施方案中可以做出许多改变，并仍然获得相同或相似的结果，而不脱离本发明的精神和范围。

[0077] 实施例1

[0078] 进行实验以说明几种配置的硬度传感器的响应。在每一种情况下，使传感器与调节为匹配本地自来水电导率的NaCl溶液平衡。在平衡后，将传感器暴露于自来水，测量作为时间的函数的传感器电导率。通过使传感器暴露于自来水时测量的电导率除以将传感器暴露于NaCl溶液时的电导率来归一化数据。对于所有实验，流速为4.1毫升/分钟。用Universal LCR Meter 878(BK Precision)在1kHz做出测量。数据在图7中描绘。

[0079] 作为狭长阳离子交换材料的实例的比较参照，测量强酸阳离子交换树脂电导率的变化。树脂柱的直径为0.25”，长1”，具有作为电极的0.25”OD不锈钢管。树脂床的电导率在68分钟减少了20％。

[0080] 在图1示出的平面传感器中测试0.7mm厚的阳离子交换膜，RalexCM-PES(MEGA)。电导率在480分钟减少了20％。

[0081] 在图1示出的平面传感器中测试Nafion 117膜。电导率在150分钟减少了20％。

[0082] 在图1示出的平面传感器中测试0.18mm厚的阳离子交换膜，NeoseptaCMX。电导率在40分钟减少了20％。

[0083] 在图6示出的传感器中测试阳离子交换纤维。电导率在6分钟减少了20％。

[0084] 虽然已特别参考这些优选实施方案详细描述了本发明，但其他实施方案可以实现相同结果。本发明的变化方案和修改方案对本领域的技术人员会是明显的，并且旨在所附权利要求中覆盖所有这些修改方案和等同方案。