本发明涉及一种用于操作具有软化装置的水软化系统的方法，该软化装置包括离子交换材料，特别是h+/(na+和/或k+)交换树脂，该方法包括测量水特性，如滤液ph或电导率和体积，并从滤液ph或电导率相对于体积的数据来确定在耗尽该交换树脂之前仍然可以软化的剩余水体积。本发明还涉及一种水软化系统，其包括电子控制单元以及计算机程序和其上存储有计算机程序的计算机可读介质。
背景技术：
1、用于软化水的系统和方法在本领域中通常是已知的。最常用的方法之一是使用离子交换树脂，该离子交换树脂用钠离子(na+)置换碱土金属离子，特别是钙离子(ca2+)和镁离子(mg2+)。在一些装置中，原水供应被分成两股流，一股流通过离子交换树脂，而另一股流绕过离子交换树脂；然后将这两股流以预定比率掺混，以产生具有预定和所需总硬度的软化水。
2、因此，为了确定水软化装置中的掺混比和/或为了确定离子交换树脂的耗尽点，人们需要知晓水软化系统中使用的原水的总水硬度。一旦知晓需要用na+/h+置换多少当量的碱土金属离子，人们就可以计算离子交换树脂的耗尽点(其总na+/h+负载(容量)是已知的)，并且同样可以计算原水与过滤水的掺混比，以便获得低于原水硬度的期望目标水硬度。
3、许多系统测量原水和/或过滤水的电导率或电阻，并将电导率/电阻与总水硬度相关联。
4、现有技术
5、为了控制de 10 200 7 059 058 c5中的掺混装置，通过校准曲线(f2)从原水的测得电导率以及部分流“v(t)部分1软化水(v(t)part1soft)”和“v(t)部分2原水(v(t)part2raw)”的电导率导出原水的总硬度ii。根据流动通过离子交换树脂的未处理的水和离子交换树脂的储存容量，基于原水的总硬度i触发交换树脂的再生，所述原水的总硬度i通过校准曲线(f1)从原水的测量电导率导出。
6、ep 2 228 129 a1公开了一种用于适当执行水软化系统的软化装置的再生的方法，其中借助于电导率传感器在再生期间在冲洗通道中确定用过的再生剂溶液和/或冲洗水的电导率，并将其与存储的标称电导率分布进行比较。
7、de 10 201 1003326b4公开了基于软化水的总硬度g的离子交换材料的再生或耗尽信号的控制和/或掺混装置的自动控制，该方法包括以下步骤：
8、1)通过第一电导率传感器确定原水的电导率lf；
9、2)通过与存储的校准曲线进行比较，从原水的电导率lf确定原水的总硬度g；
10、3)通过第二电导率传感器确定软化水的电导率lf；
11、4)通过与第二存储的校准曲线进行比较，从所述软化水的电导率lf确定所述软化水的总硬度g。
12、wo 2014/006129公开了一种用于确定水的硬度的方法和设备。水被分成两部分。一部分在离子交换器中被处理，而另一部分绕过处理单元。两部分再次混合在一起以获得限定硬度的水。确定不同掺混比的水的电导率，并且使用电导率随掺混比的变化来确定用于将电导率值转换为硬度值的转换因子。
13、ep-b 2870473描述了与水的电导率和硬度相关的转换因子的确定。该方法包括：获得至少两个电导率值，其中电导率值涉及在未处理水与被引导通过水处理部分的水的不同比率下对水进行的测量；获得表示由于水处理引起的电导率变化的电导率差值；以及将所述差值转换成水硬度值。
14、发明目的
15、虽然一些现有技术的软化装置使用电导率来确定总水硬度，该确定需要用校准曲线校准，但通常在电导率和总水硬度/树脂寿命之间不存在相关性。如果人们使用线性回归来模拟测量数据(gh相对于lf；参见图1)，则基于此的预测会导致对于测量总数的约1/3将树脂寿命错误计算约1/3倍。因此，需要更可靠地确定和/或预测交换树脂的寿命(耗尽时间)。与交换树脂的寿命的确定/预测相关联并且其对于软化装置的用户甚至更重要的另一需求是，确定/预测在交换树脂耗尽之前仍然可以被软化的剩余水体积。
技术实现思路
1、上述需求/目的通过根据权利要求1所述的方法、通过根据权利要求11所述的包括电子控制单元的水软化系统、通过根据权利要求14所述的计算机程序以及通过根据权利要求15所述的计算机可读介质来实现。
2、根据本发明的方法包括以下步骤：
3、i)顺序地测量水特性w，其中w选自ph和电导率lf中的一个或多个，并且其中w由传感器在从过滤器装置获得的软化水中确定，在软化水体积(vs)的增量处获取测量数据点(vsi，wi)，其中i＝1，2，3，…，n且
4、ii)在步骤i)中每次测量连续数据点(vsi，wi)之后(该数据点被定义为新数据点)，在所有先前测量的数据点(vsp，wp)(其中p＝1，2，…i-1)与新数据点(vsi，wi)之间近似多项式；
5、iii)在步骤ii)中的每个多项式近似之后，针对拐点ip(vip，wip)分析多项式，所述拐点对应于以下点：
6、α)多项式的(vsi，wapp_i)是在步骤ii)中针对(vsi，wi)近似的点，其中在步骤ii)中针对(vs1，w1)近似的点的多项式的点(vs1，wapp_s1)的wapp_1与多项式的点(vsi，wapp_i)的wapp_i之间的差δw对于w是电导率lf时≥50μs/cm，或者对于w是ph时≥1.5；
7、β)其中多项式的二阶导数为0，或其中二阶导数的符号从正到负或从负到正变化；
8、iv)用下一个较高的i重复步骤ii)和iii)，并且当在步骤iii)中确定拐点时，基于拐点ip的vip计算rlv。
9、术语的定义
10、在本发明的含义内，以下引号中的术语，无论是以单数形式还是复数形式使用，都应具有以下含义：
11、“拐点”(ip)对应于指示过滤器装置中包含的离子交换树脂具有显著降低的rlv形式的剩余过滤容量的点。例如，对于具有h+/(na+和/或k+)负载的弱酸性离子交换树脂，vip是软化水的体积，在该体积下，借助于na+和/或k+的碱土金属离子(如ca2+和mg2+)的交换显著减少，使得通过h+的交换增加，这导致lf和ph的降低。lf和ph的这种降低令人惊奇地允许可靠地确定拐点(ip)，其中ip又允许计算在过滤器装置中包含的离子交换树脂耗尽之前仍然可以被软化的剩余水体积(rlv)。
12、“原水”或“rw”意指在经受软化过程之前的水。
13、“软化水”或“过滤水”或“滤液”意指已经经受软化的水。
14、“离子交换树脂”、“交换树脂”、“离子交换材料”、“离子交换剂”或“交换材料”意指作为离子交换介质的树脂或聚合物。它是一种不溶性基质(或支持结构)，通常是由有机聚合物基质制成的小(0.15-0.8mm半径)微珠的形式。这些微珠通常是多孔的，在其上和内部提供大的表面积。离子的捕获与伴随的其它离子的释放一起发生，且因此该过程被称为离子交换。存在多种类型的离子交换树脂。典型的市售树脂例如基于聚丙烯酸基质或由聚苯乙烯磺酸盐制成(参见例如https：//en.wikipedia.org/wiki/ion-exchange_resin)。
15、“耗尽时间”、“耗尽点”、“寿命”、“消耗时间”、“消耗点”意指当离子交换树脂不再能够用钠和/或钾离子和/或质子取代原水中的金属阳离子时的时间点。除了指示时间点之外，这也可以表示为在离子交换树脂不再能够用钠和/或钾离子和/或质子取代原水中的金属阳离子之前可以被软化的水的量(即体积)。这种不完全水软化的点也称为“硬度突破”。
16、“剩余水体积”在本文中缩写为“rlv”，意指在离子交换树脂耗尽时间/点之前仍然可以被软化的剩余水体积。
17、“剩余过滤时间”或“剩余过滤寿命”在本文中缩写为“rlz”，意指在交换树脂耗尽之前离子交换树脂仍然能够软化原水的剩余时间。
18、“总硬度”或“总水硬度”在本文中缩写为“gh”，通常由水中硫酸钙/氯化钙和/或硫酸镁/氯化镁的存在引起。总水硬度是ca2+和mg2+的摩尔浓度之和，并且表示为dgh或°dh。从dgh或°dh到例如mmol/l或永久硬度的其它单位的转化可以从https：//en.wikipedia.org/wiki/hard_water获得。
19、“临时硬度”、“临时水硬度”、“碳酸盐硬度”在本文中缩写为“kh”，是由溶解的碳酸氢盐矿物(如碳酸氢钙和碳酸氢镁)的存在引起的水硬度类型。当溶解时，这些类型的矿物产生钙和镁阳离子(ca2+，mg2+)以及碳酸盐和碳酸氢盐阴离子(co32-和hco3-)。碳酸盐水硬度表示为dkh或°dh。-dkh等于1 7.848mg/l caco3(参见https：//en.wikipedia.org/wiki/carbonate_hardness)。
20、“永久硬度”或“永久水硬度”，在本文中缩写为“ph”，是gh减去kh。
21、“ea2+”意指碱土金属离子，特别是ca2+和/或mg2+。
22、“lf”意指电导率。
23、步骤i)的“传感器”可以是能够测量水的ph或电导率lf的任何常规传感器。用于确定水特性w的该传感器可以布置在过滤器装置的软化水出口中。
24、此外，在步骤i)中，可以通过布置在过滤器装置的软化水出口中的体积计来测量vsi形式的软化水(vs)的增量，其中i＝1，2，3，...，n且体积计可以可选地与小时计或分钟计耦接。
1.确定在过滤器装置中包含的离子交换树脂耗尽之前仍然能够被软化的剩余水体积(rlv)的方法，所述确定包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下特征中的至少一个：
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤ii)中，在所有先前测量的数据点(vsp,wp)和新数据点(vsi，wi)之间近似多项式之前，在vsi＝0到阈值体积vt的范围内在第一测量数据点之间拟合具有斜率s11的直线l1。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，vt在所述离子交换树脂的最大体积容量vcmax的至多5％、优选至多4％、更优选至多2％、且最优选1.5％的范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过将rlv除以每小时水体积的平均水消耗dv平均来计算剩余过滤器寿命(rlz)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对于根据步骤iii)α)的所述拐点ip(vip，wip)，所述多项式是1次至4次多项式，优选地是1次或3次多项式，最优选地是1次多项式。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，对于根据步骤iii)β)的所述拐点ip(vip，wip)，所述多项式的次数为4至8，更优选地为5或6，并且最优选地所述次数为5。
8.根据权利要求1至5中任一项和/或权利要求7所述的方法，其特征在于，对于根据步骤iii)β)的拐点ip(vip，wip)，确定与拐点ip(vip，wip)相邻的局部最大值lm(vlm，wlm)，其中wip与wlm之间的差在预定范围wδ内，优选地，对于为电导率lf的水特性w，所述预定范围wδ为4μs/cm至1000μs/cm，更优选地为6μs/cm至800μs/cm，并且最优选地为10μs/cm至300μs/cm。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述局部最大值lm(vlm，wlm)是所述多项式的一阶导数，其中符号从正变为负，或者所述多项式的一阶导数为0且二阶导数小于0。
10.根据权利要求1至5中任一项和/或权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，对于根据步骤iii)β)的所述拐点ip(vip，wip)，对于为电导率lf的水特性w，在与所述拐点ip(vip，wip)相邻的局部最大值lm(vlm，wlm)与拐点ip(vip，wip)之间高于优选的预定范围、优选地＞300μs/cm的下降归因于原水品质的变化并且不是拐点。
11.一种水软化系统，包括：
12.根据权利要求11所述的水软化系统，其特征在于，在所述可执行计算机程序中，应用根据权利要求2至10中任一项所述的方法步骤。
13.根据权利要求11或12所述的水软化系统，其特征在于，所述水软化系统包括以下特征中的至少一个：
14.计算机程序，所述计算机程序包括使根据权利要求11至13中任一项所述的水软化系统执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的步骤的指令。
15.一种计算机可读介质，其上存储有根据权利要求14所述的计算机程序。
