具体实施方式

图1至图9示出了盖装式水采样和检测系统10，其适于流体连接至如图3所示的水总管(W)。水采样系统10被用于从水管线(W)获得与加压水样本相对应的水质参数，并将与所述水质参数相关的信息经由网络(N)传输至远程位置。系统水采样系统10包括水采样装置12，其安装于坑盖11的下侧部分，适于覆盖地下的坑箱20。坑盖11包括外(或在用的上表面)13，其包括允许踩踏或碾压坑盖10的结构特征。坑盖11适于定位以覆盖坑箱20，使得在使用期间坑盖11的外表面13基本在地面水平，且适于定位在位于地下的坑箱20上。

坑盖11的下侧部分连接到水采样装置12。在使用期间，水采样装置12适于定位在由坑箱20限定的内容积中，使得水采样装置12在地平面以上是不可见的。这种配置允许水采样和检测系统10基本上隐藏在视线之外。上述配置还允许水采样和检测系统10易于与通常用于安装水表的传统坑箱(例如坑箱20)结合使用。

水采样装置12可包括入口14，该入口可设有快速连接配件以流体连接水管线(W)，获得与来自水管线(W)的加压水的样本对应的水质参数。采样阀25与进水口14并排设置，以控制进入水采样装置12的水流(采样流)。采样阀25可以以电致动电磁阀的形式提供，并与处理单元P通信。一个或多个水采样程序可以本地存储在与机载处理单元P通信的非易失性存储设备M上。在一些实施例中，采样阀25可以从远程位置致动。举例来说，处理单元P可以与数据收发器15通信，该数据收发器15可以经由网络N从远程连接的设备接收操作指令。

水采样装置12包括采样管线L，采样管线L分成第一采样管线L1和第二采样管线L2。第一采样管线L1与水管线连接，以允许水从水管线流动至动态压力传感器S_TP，该动态压力传感器S_TP适于以跨越宽范围的采样率测量瞬态压力。例如，压力传感器S_TP可以高精度地测量流经管线1的水的瞬态压力，范围从每半小时一次读数到每毫秒一次读数。动态压力传感器S_TP与机载处理单元P通信，后者又与机载非易失性存储器单元M通信。

动态瞬态压力传感器S_TP与机载信号处理单元P结合，基于用户定义的参数或标准识别和处理测量的瞬态压力。在初始采样步骤瞬态压力检测期间，数据采样率保持恒定，然而，数据全部记录在永久存储器中，并且优选地被传输并存储于远程位置以用于进一步检索和分析。在低功耗操作模式下，以相对较低的采样率进行测量并记录。参考图11，流程图描绘了在当前描述的水采样系统实施例中，操作动态压力传感器的优选方法。当瞬态压力满足预定标准时，操作员可以对机载存储单元M进行编程，以将采样率设置为预设参数。每次由动态压力传感器S_TP测量瞬态压力时，机载信号处理单元P将对测得的瞬态压力参数进行处理以评估是否满足预定标准。在图13所示的一个示例中，瞬态压力变化超过100kPa会触发事件(事件1和事件2)。应当理解，这样的标准不受限制，并且在不脱离本发明的范围的情况下，操作者可以预先设置多个其他预定标准。一旦事件被触发，机载处理单元P与控制器通信以增加采样率。如图14和图15所示，瞬态压力的变化每毫秒触发一次瞬态压力的测量，从而仅在检测到事件期间产生高分辨率数据。高频数据检测和记录继续进行，直至采样管线L1中的压力恢复到不满足操作者设定的预定标准的稳态值。本实施例的非限制性优点之一是在未检测到事件时以低采样率运行动态压力传感器S_TP，使得功耗更低、磨损更少并延长动态压力传感器S_TP的寿命。这种测量方法还减少了需要在远程位置存储在存储设备(例如服务器)上的测量数据量。简而言之，当需要此类细节时，事件期间的大量数据点可提供对瞬态压力变化性质的详细洞察。一些最严重的瞬态压力变化可能仅持续几秒钟，在非常长的时间段内以非常高的频率进行瞬态压力采样是不切实际的，当前描述的水采样系统10以优雅的方式解决了这个问题。

第二采样管线L2与多个采样室S1-S5连接，以引导水从水管线流动至采样室S1-S5。最佳地如图6所示，每个采样室S1-S5包括用于测量游离氯浓度(探针121)、温度(探针122)、氧化还原电位(探针123)、电导率Ec(探针124)和pH(探针125)的采样探针。一旦与采样室S1-S5相关的采样探针对水进行采样，采样的水就可以通过出口19释放。出口19还可以设有快速连接配件，以允许出口19连接至排水管线D(如图3所示)。减压阀16设置于第二采样管线L2的线上，用于降低进入水采样室S1-S5的水的压力。自来水管线(W)中的自来水压力可高达1000kPa，减压阀16的使用将把压力降低至较低压力，例如350kPa。阀16的减压能力可根据所需的应用而变化。使用减压阀16降低压力，增加了水在每个采样室中的停留时间，从而提高了采样精度。

重要的是，要注意减压阀16的使用必须限于第二采样管线L2，且不得在用于监测瞬态压力变化的第一采样管线L1中降低压力。采样装置12的新颖配置允许瞬态压力和其他重要参数，例如氯浓度(探针121)、温度(探针122)、氧化还原电位(探针123)、电导率Ec(探针124)和pH(探针125)被同时测量。瞬态压力变化可能由于多种原因而发生，仅瞬态压力的变化并不能提供有关变化是由于机械原因(例如阀门的打开或关闭)或是否存在泄漏而发生的决定性细节，从而导致更高的水污染风险。例如，任何泄漏都可能产生负瞬态压力，从而将污染物引入水管。通过使用盖装式水采样系统10测量多个特性以及瞬态压力，为操作员和最终用户提供了更高水平的细节，从而提高了操作员以更有效的方式检测水管中问题的能力。

同样重要的是要注意，水采样装置12包括在相应的采样室例如S1、S2、S3、S4、S5中的多个采样探针，其适于对被采样的水样的水质参数进行采样。在优选实施例中，多个采样探针121-125串联连接，使得来自采样管线的水从一个采样室流向另一个采样室(串联)以进行水的采样。额外的探针和额外的采样室可用于测量以下一项或多项参数：次氯酸浓度；消毒剂残留；TC浓度；浊度；总有机碳浓度；总氯浓度；组合氯浓度；过氧化氢浓度。

在开始描述图中所示的水采样装置12的操作之前，有必要对ORP测量进行简要讨论。ORP是离子反应中发生的电子交换电位的量度。由于大多数配水系统分配不断变化的水，因此通常会产生不希望的平衡。ORP测量允许控制电化学平衡。

水管中的水流是高度湍流的。因此，任何污染物都会迅速形成混合良好的“堵塞物”，与停留在管线中的时间相比，该堵塞物保持其初始浓度的时间更长。在一种情况下，由于引入了污染物，探针可能会检测到30mV的氧化还原电位或更高的电位升降。许多其他有害生物物质或活的生物有机体会对氧化还原电位产生类似的影响，通过大量减少氯或通过共同引入化学还原剂去除氯屏蔽，从而保护以极低浓度引入的生物物质浓度。一个或多个探针可以检测不论任何原因造成的氯化损失，这将允许通常存在于水中或被吸收到覆盖水管内部的粘液中的有害微生物大量繁殖。

ORP探针可以是非特异性的，从而对将生物或化学还原剂引入氯化水中提供广泛的响应。一个实施例中，ORP探针可以包括一对电极：一个是Pt或石墨涂层电极；另一个是无害参比电极，是医疗程序中使用的Ag/AgCl电极类型。各种实施例中的探针包括一对电极，其在接近平衡条件下输出与水中氧化材料的量和强度成比例的电势。电位或氧化电位对氧化剂的性质不敏感，对所有常用的消毒剂都有反应，包括元素氯、次氯酸钠、氯胺、二氧化氯、过氧化氢或臭氧，甚至元素氧。ORP探针可以通过与pH传感器或用于元素氯或其他有毒离子或化合物的特定离子电极结合来增强。位于采样室S1-S5中的探针可以作为自主单元操作。采样室S1-S5中的一个或多个可以测量采样水的氧化还原电位并传输水采样数据，如以下部分所述。

位于各个采样室S1-S5中的采样探针与机载信号处理器P信号通信，该处理器P可用于接收和处理测量的水质参数(如由一个或多个采样探针测得的)。用于操作采样探针的操作和处理指令可以被写入与处理器P通信的非易失性存储设备M上，以允许采样装置120的操作。数据收发器15与处理单元P通信，将处理后的水质参数传输至处理器P，并从处理器P经由网络N传输至远程服务器或计算设备。在优选实施例中，水采样装置12的操作由远程服务器或计算设备(优选为基于云或基于网络的接口)控制或编程，从而允许从远程位置改变采样装置120的操作程序。

一旦在远程服务器接收到与水质参数相关的信息，服务器就可以根据一个或多个预定规则处理该信息。例如，可以将用以检查采样水的pH水平是否低于预定阈值水平的规则保存至存储设备M上。类似地，可以将用以检查采样水的ORP是高于还是低于预定阈值水平的另一规则保存至存储设备上。类似地，可以在存储设备上保存涉及多个规则的组合。此外，根据配水和管理系统的具体要求，这些规则可能会在远程位置进行例行更改。

如前所述，水采样装置12还可以测量一段时间内水管线W中的压力变化(称为“瞬态压力”)。通过最初确定预定义的瞬态压力波特征以建立数据库，然后将那些预定义的特征与实际瞬态压力测量值相匹配，可以检测特定类型的水的相关事件。可以将由来自采样装置12的输出信号指示的瞬态压力波特征与存储或保存在存储器设备M或远程定位的服务器上的预定义瞬态压力波特征进行比较。因此，先前描述的在触发预定瞬态压力事件时，以更高采样率获得瞬态压力值的方法会非常有用。

还可以使用与远程服务器或远程计算设备相连接的用户输入接口，通过网络N从远程位置访问处理器P和存储设备M，以检查采样装置12的操作状态，改变或管理采样程序以及配置，和更新处理器P的操作固件。

数据收发器15还包括固定于坑盖11的外表面13下方的天线元件A。在优选的实施例中，天线元件A的顶部(在图2中最佳示出)定位于坑盖11的下侧附近，用于将与测得的水质参数相关的信息传输至远程定位的计算设备。有利地，该系统还配备机载GPS单元G，其与GPS卫星G1至G3通信以指示水采样和检测系统10的地理位置。将天线元件A定位在靠近坑盖11的位置显著地改善了从水采样系统10到远程位置的数据传输。类似地，将GPS单元G定位在靠近坑盖11的位置提高了水采样系统10的定位精度。

采样室S1-S5安装在框架组件17上，用于将水采样装置12可拆卸地安装于坑盖11的下侧部分中。框架组件17允许垂直定向的采样室S1-S5从坑盖11的下侧向下延伸，从而允许将采样装置120容纳于坑箱20的范围内。

应当理解，数据发送器15(通过网络N)与远程服务器或任何其他远程设备之间的信号通信可以通过蜂窝网络、使用诸如GSM、GPRS、3G、4G或5G网络。该技术还可以被配置为通过一个或多个无线或光纤网络发送和接收串行信号进行通信。该技术还可以配置为通过以太网连接、400-900MHz无线电、微波无线电或蓝牙设备与远程设备进行通信。也可以使用其他信号连接方法来致动采样阀25或将信息从采样装置12传输到远程位置。.

当前描述的水采样和检测系统10的众多优点之一是该系统可以位于地平面以下(如图2所示)，同时还可以即时向远程位置提供与水质参数相关的信息，而无需任何延误。系统10的紧凑且隐蔽的配置允许系统10易于与已经在世界各地广泛使用的坑箱一起安装。

参照图7至图11，水采样系统10还包括用于封闭水采样装置12的外壳50。外壳50优选地被提供为中空长方体的形状(尽管在不脱离本文所述的本发明的范围的情况下可以提供其他形状)并且包括远离坑盖11的底座，使用时外壳50的直立壁朝向坑盖11延伸。直立壁的上部通过使用密封垫圈54密封在坑盖11上。当密封时，外壳50提供气窝，水采样装置12容纳在气窝中。安装于坑箱20中的任何电气设备的潜在问题之一是突然的洪水或水浸，这总是会对水采样装置12的电子部件造成损坏。形成密封以形成气窝(采样装置12容纳在其中)的外壳50将降低对水采样装置12造成损坏的可能性。紧固夹52用于将外壳50紧固到坑盖11，从而保持外壳50的密封构造。

外壳50也被配重(例如通过使用配重构件56)以使坑盖11、水采样装置12和外壳50的组合在组合浸没于充满坑箱20的水中时产生负浮力。坑盖11、水采样装置12和外壳50的负浮力组合推靠坑箱20的边缘，从而防止该组合在洪水事件期间弹出而漂浮在水面上。在外壳50的底部还设有排水口58，以在外壳50内有少量泄漏或积水(由于冷凝)时允许水排出外壳。密封外壳50内的空气防止任何水通过出口58进入。出口58的尺寸和位置被设计成确保即使随着水压升高(由于水位增加)，水压也更加压缩外壳50内的空气。然而，由于密封外壳50内的空气不能逸出，空气继续占据外壳50内的体积，从而防止水对水采样装置12造成损坏。此外，减压阀16将水压调节到101.35kPa以上的压力，优选地处于137kPa和206kPa之间的范围内，从而可以在任何时候从外壳50内的水采样装置12的任何部分的任何漏水，将在高于101.35kPa的大气压的压力下发生。结果，泄漏到外壳50中的任何水将通过出口58到达外壳50外部的大气，或者外壳50本身被水包围的地方，然后它将进入坑箱20的环境水中。

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