[0001] 本发明涉及用于例如废水泵站的实时流量计以及泵管理系统。

[0002] 废水泵站有一口井，污水从管道进入井中，并通过一个或多个泵泵出。在配备恒速泵的泵站中，使用模拟和数字水位检测技术在预定水位启动和停止泵，从而形成填充循环和泵送循环。理想地，为了使由泵启动应力引起的泵的磨损最小化，这些水位之间的距离应该最大化。容积式流量计使用这些预定水位和它们之间的水的体积来生成从一个水位移动到下一个水位所花费的时间内的平均流量。这意味着只有达到已知水位时才能计算流量，这可能需要几秒到几小时。因此，由容积式流量计生成的值始终是旧数据的平均值。

[0003] 泵站流量计之类的产品在被授予专利权的现有技术中是众所周知的，如以下序号的美国专利：发明人Martin的4,127,030，Jorristma的4,455,870、4,669,308和4,821,580，Olson的4,467,657，Free等人的4,897,797，Hon的4,856,343，Adney的4,962,666，Marsh等人的5,313,842和5,385,056，Beaudo的5,597,960、5,831,174、6,990,431和2004/0260514，Saukko的8,740,574和2011/0076163，以及Duncan等人的8,956,125、9,464,925和2009/0202359。所有这些专利文献都为了容积式流量计或为了工作负载效率而以某种方式使用水位测量来计算体积。它们都假设其公式、方法、过程或装置中使用的水位代表精确的水位，没有可能存在的误差系数。这些专利中的一些专利通过将其与其他流量结果进行比较来分析所得到的流量，但是它们都没有在工艺开始时通过分析用于计算流量结果的原始水位值进行这种操作。它们都没有提到用于计算它们的流量的水位测量的精度或由这些水位测量的波动引起的误差，因此先前的发明都没有描述能够显著增加水位测量的精度以足以增加由前面提到的发明所计算出的流量的装置。

[0004] 因为安装和使用简单且便宜，容积式流量技术很受欢迎，但其精度波动很大，因为它与水位之间的距离成正比。泵的运行基于从水位检测设备接收的信号。在认为达到预定水位时，水位检测设备产生信号。实际上，井中水面上的波浪的大小极大地影响了该信号。在水的平均表面达到预定的启动水位之前，波的顶部将触发泵的启动；在水的平均表面达到预定的停止水位之前，波的底部将触发泵的停止。因此，容积式流量计的精度由以下公式确定：
流量精度误差＝瞬时水位精度/用于计算流量的水位之间的距离

[0005] 如果波浪为1/2英寸，泵启动或停止处的水位之间的距离为20英寸，则流量精度误差为2.5％(0.5/20)。如果波是1/2英寸，水位之间的距离是2英寸，则流量精度误差是25％(0.5/2)。减小用于计算站中流量的水位之间的距离大大增加了计算的流量误差，增加到它变得毫无意义。在上面的例子中，如果流量计算中使用的水位精度为0.05英寸，那么计算水位之间为2英寸的流量计的精度将为2.5％(0.05/2)。因此，在该领域需要一种能够减少与容积式流量计算所使用的水位值相关的误差的方法。

[0006] 有多种流量技术可以在泵站生成实时流量，但只有以下技术足够成熟而能够在废水中长时间正常工作：磁通道、超声波通道和开放通道。这些技术及其多种变种的问题是它们的购买和安装成本，当物理限制允许安装它们时，这些成本非常高。这就是为什么大多数废水泵站没有采用任何实时流量技术的原因。

[0007] 求平均值的公式和统计学公式已被用于对多个值取平均以改善一些水位检测技术的输出，但它从未与带时间戳的值一起使用以在特定时间获得由任何水位检测技术生成的最可能的水位。

[0008] 实时流量意味着生成一个在技术上尽可能精确地接近其使用时间的流量值。为了更接近“实时”值，泵运行的水位之间的距离被分成多个较小的中间水位，这样的话可以在每个循环期间执行多次容积式流量计算。使用设置为特定水位的多个浮动切换器或电极甚至模拟水位检测设备来执行此操作都有其自身的问题：一、如果水位在两个已知水位之间长时间停留，即使它们很小，那么计算得到的流量仍然是旧数据的平均值。此问题的解决方案是使用计时器替代预设水位，或计时器与预设水位一起使用。这保证了容积式流量计生成的值足够新鲜而可以被称为“实时”。
二、如前所述，实时流量值的精度与用于计算流量的水位之间的距离成反比。

[0009] 其他类型的传感器(如基于压力的水位传感器)也会出现类似问题。压力值受到污水和碎屑掉进站井中或泵本身的异常行为的影响。这意味着传感器的即时值可能不代表实际的平均表面水位，这可能会在结果中产生相当大的误差。对于超声波水位传感器，弹跳无线电波也会产生相同种类的误差，因此也需要同样的求平均值的机制来提高精度。

[0010] 因此，需要一种用于精确计算流入废水泵站的实时即时体积流量的方法和系统。

[0011] 废水泵站领域的另一个常见问题涉及泵的管理。配备有最大流量不同的多个恒速泵的废水泵站使用不同的方案来运行泵。最常用的操作顺序是使泵之间轮换启动的次数均匀，以便均匀地磨损它们。当运行中的泵的流量低于进入泵站的水的流量时，另外启动和运行一个或多个泵直到水位降低到正常运行水位。一次运行多个泵是非常低效的，例如，一次运行两个泵需要的能量比一次运行一个泵多100％，但泵送的水仅多50％。此外，由于不同的泵以不同的流量运行，即使泵的启动次数可以相同，它们的运行时间也会大大不同。这导致泵的磨损速度不同。

[0012] 另一种使用较少的泵管理方法基于根据一天中的时间进行轮换，决定激活哪一个泵。例如，可以把多个泵编程为在中午、午夜或一天的不同时间进行切换。但是，通过使用这种方法，每个泵的启动次数和每个泵的运行时间都会因其不同的运行流量而变化。因此，该方法效率不高，而且也会导致泵的磨损速度不同。

[0013] 因此，需要一种泵的管理方法，其通过试图平衡每个泵的启动次数和运行时间，并通过使多个泵必须同时运行的次数最小化来提高效率。

[0029] 本发明的一个实施例可用于废水泵站。图1展示了典型泵站的立体剖切图。它具有井100，水以未知的流量通过流入管102进入井100。当水位104达到由水位传感器106检测到的预定水位时，一个或多个泵108开始通过止回阀110和出口管112将水从泵站泵出。有时，当进入泵站的管102的流量高于泵的流量时，水位104到达溢流管114，溢流管114将过量的水排空到另一个位置。

[0030] 由于是容积式流量计算，所以流量＝体积/时间，所得流量的精度与用于执行公式的体积的精度和时间的精度直接相关。在废水泵站中使用的本发明的一个实施例中，时间的精度可以在一秒以内，但是对于另一个实施例，10秒的精度可能就足够了，因为事件不会在几分钟内发生，而是在几小时内发生。因此，时间的精度与使用本发明的设备的类型有关。

[0031] 现在参考图2，其示出了根据本发明的说明性实施例的用于生成实时流量值的系统的流程图。该系统包括：精确水位生成装置300、精确流量计算装置400、实时流入量计算装置500、预测异常事件调节装置600和附条件重复装置700。

[0032] 精确水位生成装置300在其存储器中累积多个水位值，然后执行求平均值的公式，该公式去除异常值和极值以生成测量的平均时间的最可能的水位值。在将两个带时间戳的水位值传送到精确体积生成装置400之前，该过程重复两次。

[0033] 图3示出了精确水位生成装置300，其从水位传感器302获得数值，从时钟机构获得时间值304，从泵监测设备获得泵状态306，并获得采样周期308和周期频率310。

[0034] 基于水位传感器302的值和时间值304生成带时间戳的值312。带时间戳的值312被添加到原始水位存储器314，直到切换器316检测到采样周期308的结束。然后，对原始水位存储器314的所有带时间戳的值312执行求平均值的公式318。切换器320检测所得到的水位值是否来自精确水位存储器322中的第一组数据。如果它是第一组数据，则将该值命名为精确水位1并保存在精确水位存储器322中。记录器324还将泵状态306记录在精确水位存储器322中。功能326擦除原始水位存储器。定时功能328等待周期频率310的结束，然后重新开始整个过程。此时，切换器320检测精确水位存储器322中的数据，由此功能330将该数值命名为精确水位2并将其保存在精确水位存储器322中。功能332将以下数据传送到精确流量生成装置(如图2和4所示)：精确水位1(338)、精确水位2(340)、水位1的时间(342)、水位2的时间(344)和泵状态346。

[0035] 然后，功能334擦除精确水位1。另一个功能336将精确水位2重新命名为精确水位1。功能326擦除原始水位存储器。定时功能328等待周期频率310的结束，然后重新开始整个过程。

[0036] 图4示出了精确流量生成装置400，其使用由精确水位生成装置300生成的精确水位1(338)和精确水位2(340)来计算体积Δ体积402。有多种方法可以计算两个水位之间的体积。本发明的实施方式不限于任何特定的体积算式(volumetric formula)。在功能402中呈现了一个实施例的例子，其中精确水位1(338)和精确水位2(340)之间的距离与井404的给定面积相乘。

[0037] 以下是计算Δ体积402的一些实施例。这些是例子：一、生成特定水位x的绝对体积的算式表。如果在不同的水位井的几何形状变化，那么算式表会根据井的不同形状的数量具有多个算式。如果整个井的几何形状相同，那么该表将只有一个算式。表中的每个算式都有以下变量：a、b、c、d、minLevel。
(1)a、b、c、d用于以下算式中：
体积＝a×x3+b×x2+c×x+d
(2)minLevel是在其计算体积的水位。
(3)在大多数泵站中，井的几何形状是恒定的。在这种情况下，算式中的许多变量都没有用，因此算式变为：
(4)绝对体积＝面积×水位。
(5)精确水位生成装置提供的两个水位之间的体积ΔV是在这些水位下计算出的两个绝对体积之间的差值。
二、为每个可能的最小水位变化创建一个体积表。假设这样的实施例，其中该最小水位变化为1毫米，该表将包括与水位的可能值一样多的累积体积的行。
(1)在表中选择水位后，该水位和该水位以下的体积被退回。
(2)精确水位生成装置提供的两个水位之间的体积ΔV是这些水位处的由表提供的两个体积之间的差值。
(3)为每个可能的最小水位变化创建一个体积表。假设这个最小水位变化为1毫米，该表格将包括该水位处的毫米体积。存在与水位的可能值一样多的体积的行。
(4)精确水位生成装置提供的两个水位之间的体积ΔV是所提供的两个水位之间的表的所有体积值的总和。

[0038] 泵状态切换器406基于泵状态346选择用于计算流量的算式。当泵状态346指示没有泵在运行时使用算式408，当泵状态346指示有泵在运行时使用算式410。是否接收泵流量数据与泵状态的变化相同。

[0039] 如果没有泵在运行，则使用以下算式408：精确流量414等于计算出的Δ体积402除以水面在两个带时间戳的水位344和342之间移动所花费的时间。它看起来像这样：精确流量＝Δ体积/(水位2的时间-水位1的时间)

[0040] 如果泵在运行中，则使用以下算式410：精确流量414等于泵流量412乘以水面在两个带时间戳的水位344和342之间移动所花费的时间加上计算出的Δ体积402，接着该结果除以水面在两个带时间戳的水位344和342之间所花费的时间。精确流量＝[泵流量×(水位2的时间-水位1的时间)+Δ体积]/(水位2的时间-水位1的时间)

[0041] 泵流量412表示运行中的泵的泵送量。该值可以通过外部流量计量装置计算、测量，或由用户提供。泵流量412的精度误差直接影响实时流量计的精度，因此应尽可能使用最好的泵流量计。

[0042] 图5示出了实时流入量计算装置500，其从精确流量生成装置400获取精确流量414，并添加通过泵或管道从泵送井出来的其他流量，以计算在执行计算的时间段内进来的液体的总流量。

[0043] 井流量＝ΔV/ΔΤ。井流量值502在填充泵站时通常为正，在泵运行时为负，而在溢流条件期间不确定。ΔT是水面在用于计算精确流量414的两个带时间戳的水位344和342之间移动所花费的时间。

[0044] 流出量＝泵流量+溢流量。流出量504表示从泵站流出的所有物质，包括泵流量412、溢流量506和虹吸流量(其相当于负的溢流量506)。溢流量506的精度误差直接影响实时流量计的精度，因此应尽可能使用最好的溢流计。

[0045] 即时流入量＝井流量+流出量。即时流入量公式508是正值井流量502和通常为负值的流出量504相加。结果是即时流入量510。

[0046] 在泵站中，当泵启动时，数千升液体从停止状态进入移动状态。这数千公斤液体的加速和减速不会立即发生。当泵启动或停止时，假设成泵瞬间提供其泵送流量的100％或其正常流量的0％与现实情况不符，因为在这些事件期间其能力变化很大。几起相互冲突的事件在同一时期发生。

[0047] 当泵启动时，出口管中的水的加速度与井中的水位、泵出口处的压力、其功率和其涡轮机的设计有关。在此期间，水位继续上升，但当泵送能力超过流入时，水位的上升逐渐减缓直到开始退却。

[0048] 当泵停止时，出口管112中的水的减速(图1)引起虹吸效应，虹吸效应与出口压力、水锤机构和出口管道系统的总配置有关。虹吸效应意味着在泵不运行时水通过泵。在该虹吸期间，水位继续下降，但是当虹吸效应的流量变得低于流入流量时，水位下降得越来越慢直到开始上升。

[0049] 当使用软启动机构时，泵的速度与管道中的水一样加速或减速。水位变化率的增加受前两段所述情况的影响。

[0050] 因为其所有变量，导致这几秒的过渡期很难计算，而且可能产生错误的结果。图6示出了预测异常事件调节装置600，其从即时流入量510中过滤并去除异常值。

[0051] 即使利用所有机制实现尽可能高的精度，有时候，计算得到的流量太高或太低，仍然没有意义，必须予以纠正。在预测异常事件调节装置600中，切换器602将从实时流入量计算装置500接收的即时流入量510与最大值604和最小值606进行比较，以便选择要执行的正确操作。如果结果值太高或太低，则实时流量616等于计算出的最后的有效的实时流量614。

[0052] 如果从实时流入量计算装置500接收的即时流入量510在最大值604和最小值606之间，则切换器608监视精确水位2是否“接近(≈)”启动水位610或停止水位612。“接近(≈)”与水位的可接受的变化有关。本发明的不同实施例可以使用但不限于由用户给出的变化，或者基于该时段期间的异常结果或基于来自外部流量计的泵流量计算出的变化。

[0053] 如果精确水位2接近(≈)启动水位610或停止水位612，则实时流量616将等于计算出的最后的有效的实时流量614。

[0054] 如果即时流入量510不是太高，也不是太低，而且不接近开始或停止水位，则对多个即时流入量执行求平均值的公式615来生成实时流量616。有多种方法可以计算平均结果。平均算法可以使用简单平均、正态曲线、回归、描述性分析、推理分析或归纳分析、相关、百分等级或其他方法来生成平均值，例如平均值的平均值或求平均值的公式的混合。

[0055] 图7示出了具有切换器的附条件重复装置700，其限制了整个实时流量过程的重复。

[0056] 第一切换器702检测时间是否已到达周期频率结束。如果它到达周期频率结束，则整个过程从精确水位生成装置300重新开始。如果没有到达，则切换器704检测是否到达启动水位610或停止水位612。如果到达其中一个水位，则整个过程从精确水位生成器300重新开始。如果没有到达，则切换器706检测泵状态346是否有任何变化。如果泵状态存在变化，则整个过程从精确水位生成器300重新开始。如果没有变化，则切换器708检测精确水位1和精确水位2之间的变化(Δ水位)是否高于允许的最大水位变化710。如果水位变化高于它，则整个过程从精确水位生成装置300重新开始。

[0057] 废水泵站领域的另一个常见问题涉及泵管理。配备有最大流量不同的恒速泵的废水泵站使用不同的方案来运行泵。现在参照图8，其以图的形式示出已知的常用的泵运行顺序800a，其中至少两个泵(示例性地表示为具有较低流量的泵802和具有较高流量的泵804)被均匀地且轮换地使用，以使得它们以相似的速度被磨损。虽然图8以及后面的附图都涉及配备有两个泵的废水泵站，但是本领域技术人员会理解，泵选择系统经常控制具有不同流量能力的多于两个的泵。

[0058] 仍然参考图8，有需要时，可以使用双运行模式806，由此泵802和804二者同时运行。长条802、804和806的宽度表示每个泵的相应运行时间，长条802、804和806的高度表示每个泵的相应流量。另外，虚线808表示进入给定废水泵站的水的流量，实线810表示废水泵站中的当前废水水位。通常，当泵运行时废水水位810下降，当所有泵都关闭时废水水位上升。当进入站的流量808高于当前运行的泵的流量802、804时，可以启动另外的泵，以使得将泵组合以获得更高的同时流量806，但需要耗费更多的能量。在该运行方案下，具有较低流量的泵802将比具有较高流量的泵804需要更多时间来降低废水水位810。这样，即使泵802、804的启动次数可以相同，它们的运行时间也会大大不同，而且流量较低的泵802将以更快的速度被磨损。因此，该运行方案既不高效也不经济。

[0059] 现在参照图9，其以图的形式示出不太常见的已知的泵运行顺序800b，其中泵802、804基于一天中的时间轮换使用，例如在中午或午夜切换。在该方案中，泵802、804的启动次数和运行时间是不均匀的，因为流量较低的泵802必须比流量较高的泵804运行更长的时间段，从而以更快的速率退化。另外，在流量较低的泵802的运行期间，由于流量较低的泵802不能处理进入废水泵站的水的流量808，因此通常需要同时运行806额外的泵。因此，与运行方案800a一样，运行方案800b既不高效也不经济。

[0060] 现在参照图10，根据本发明，其以图的形式示出运行方案800c，其中在进入流量808相对较高时使流量较高的泵804运行，而进入流量808相对较低时使流量较低的泵802运行。根据该方案，泵802和804的启动次数相似，运行时间也相似。此外，该方案将需要同时运行多个泵的频率最小化。

[0061] 现在参考图11，根据本发明的另一个实施例，其以图的形式示出了用效率作为运行的主要决定因素的运行方案800d。效率可以计算为用于泵送某体积液体的每瓦电力所泵送的液体体积，或者可以计算为泵送一定体积液体所消耗的瓦数。再参考图12，运行方案800d可以通过基于效率的泵选择装置900获得。泵选择装置900接收详细描述进入废水泵站的水的流量的流入量数据902、详细描述多个泵中的每个泵的流量的泵流量数据904、以及每个泵的能耗数据906。泵选择装置900通过将每个泵流量数据904除以相应的能耗数据906来计算每个泵的效率908。然后，切换器910确定进入废水泵站的水的流量是否小于当前运行的泵的泵流量。如果答案为“否”，则在步骤912，泵选择装置900从流量高于进入废水泵站的水的流量902的可用泵中选择效率最高的泵。然而，如果答案为“是”，那么在步骤914，泵选择装置900简单地选择效率最高的泵。在替代性实施例中，可以使用计时器(未示出)，从而可以使效率较低的泵不时地运行，以更好地分配泵的退化。在另一替代性实施例中，泵的选择可以部分地基于流量，从而使得效率最高的泵或效率最低的泵仅在选定的时间百分比下运行。