專利名稱：一種在處理過程中預(yù)測至少一個液體流動參數(shù)的在線設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一方面涉及一種在處理過程中在線預(yù)測至少一個液體流動參數(shù)的設(shè)備。另一方面，本發(fā)明涉及一種紫外線放射量在線測定器，用來在紫外線消毒過程中，對于一種給定的微生物，預(yù)測其生物測定等效劑量。另一方面，本發(fā)明涉及一種在處理過程中在線預(yù)測至少一個液體流動參數(shù)的方法。
例如，序號為4,482,809、4,872,980和5,006,244的美國專利(這三個專利都是Maarschalkerweerd申請的，而且都轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，在下文中稱作Maarschalkerweerd的1號專利)都描述了使用紫外線的重力自流液體處理系統(tǒng)。
這些系統(tǒng)包括一個紫外線燈框架陣列，該框架包括幾個紫外線燈，每個燈安裝在套管內(nèi)，套管從一對連接在連接板上的立柱之間伸出，并受到立柱的支撐。這些被支撐的套管(包括紫外線燈)插入被處理的液體之中，然后利用輻射進(jìn)行消毒。液體暴露于其中的輻射強(qiáng)度的大小由液體與燈的接近程度、燈的輸出瓦數(shù)和液體流經(jīng)燈的速度確定。典型情況下，使用一個或多個紫外線傳感器來監(jiān)測燈的紫外線輸出，在可能的范圍內(nèi)，可通過在處理設(shè)備的下游設(shè)置液位門或者同類裝置，對液體的液位進(jìn)行控制。
序號為5,418,370、5,539,210和5,590,390的美國專利(這三個專利都是Maarschalkerweerd申請的，而且都轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，在下文中稱作Maarschalkerweerd的2號專利)都描述了使用紫外線輻射的液體處理系統(tǒng)。特別是，Maarschalkerweerd的2號專利講授了一種布置成開放形式的紫外線處理系統(tǒng)，包括液體的重力自流流動。在一種優(yōu)選實施例中，經(jīng)過處理，液體被排入溪流、小河、大河、湖泊或者其它水系中，即這種實施例表示該系統(tǒng)在城市廢水處理廠中的應(yīng)用。
傳統(tǒng)上，在紫外線輻射處理系統(tǒng)工藝中，給定輻射區(qū)的輻射劑量通過下式進(jìn)行計算DOSE＝tave×Iave其中tave是微生物在輻射區(qū)中的平均時間，Iave是紫外線在輻射區(qū)體積內(nèi)的平均強(qiáng)度。
近來，有建議認(rèn)為這種相對簡單的計算方法可能在某種情況下導(dǎo)致實際上輻射到被處理液體的劑量不準(zhǔn)確——參見“在開放式紫外線系統(tǒng)中的流體動力學(xué)特性對微生物失活的影響”(K.Chiu，D.A.Lyn，和E.R.Blatchley III，CSCE/ASCE環(huán)境工程學(xué)會(1997)，1189-1199頁)。這可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因為許多紫外線輻射處理系統(tǒng)都規(guī)定大部分使用這種算法。進(jìn)一步，這種計算假定系統(tǒng)始終在最佳狀態(tài)下運行，因此將不會考慮諸如一個或多個紫外線輻射源工作不正常或者根本不工作的情況。
因此，本工藝需要有一種設(shè)備，能夠預(yù)測輻射給液體的劑量，并具有提高了的精度。如果這種設(shè)備能夠廣泛使用，而不限于預(yù)測紫外線處理系統(tǒng)輻射到液體中的劑量，就是說，不限于作為紫外線放射量測定器來使用，那將是非常有利的。
本發(fā)明的一個目標(biāo)是排除或者減小在先技術(shù)中上述缺點中的至少一個缺點。
本發(fā)明的另一個目標(biāo)是提供一種新型的在線設(shè)備，用于預(yù)測處理過程中的至少一個液體流動參數(shù)。
本發(fā)明的再一個目標(biāo)是提供一種新方法，用來在線預(yù)測處理過程中的至少一個液體流動參數(shù)。
在本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供一種在線設(shè)備，用來預(yù)測處理過程中的至少一個液體流動參數(shù)，處理過程包括一個有界的液體區(qū)域，該區(qū)域形成一個預(yù)定的方陣。該設(shè)備包括一臺計算機(jī)，該計算機(jī)具有(i)一個接收數(shù)據(jù)庫的存儲器，數(shù)據(jù)庫包括方陣中多個節(jié)點或微粒路徑的位置信息；(ii)從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置；和(iii)由數(shù)據(jù)庫和輸入數(shù)據(jù)計算至少一個液體流動參數(shù)的裝置。
在本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供一種在線設(shè)備，用來預(yù)測處理過程中的至少一個液體流動參數(shù)，處理過程包括一個有界的液體區(qū)域，該區(qū)域形成一個預(yù)定的方陣。該設(shè)備包括一臺計算機(jī)，該計算機(jī)具有(i)一個接收數(shù)據(jù)庫的存儲器，數(shù)據(jù)庫包括在預(yù)定部分內(nèi)關(guān)于多個節(jié)點和微粒路徑的相關(guān)信息；(ii)從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置；和(iii)由數(shù)據(jù)庫和輸入數(shù)據(jù)計算至少一個液體流動參數(shù)的裝置。
在本發(fā)明的又一方面，一種紫外線放射量在線測定器，用來在紫外線消毒過程中，對于一種給定的微生物，預(yù)測其生物測定的等效劑量，紫外線消毒過程包括一個流動區(qū)域，液體在該區(qū)域中流動。該設(shè)備包括一臺計算機(jī)，計算機(jī)具有(i)一個接收數(shù)據(jù)庫的存儲器，數(shù)據(jù)庫包括關(guān)于經(jīng)過流動區(qū)域的多個液體路徑的相關(guān)劑量信息；(ii)從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置，輸入數(shù)據(jù)選自液體的紫外線透射率、液體的流速和流動區(qū)域的強(qiáng)度范圍等數(shù)據(jù)；和(iii)由數(shù)據(jù)庫和輸入數(shù)據(jù)計算給定微生物的生物測定等效劑量的裝置。
在本發(fā)明的再一方面，本發(fā)明提供一種處理過程中在線預(yù)測至少一個液體流動參數(shù)的方法，處理過程包括一個流動區(qū)域，該處形成一個預(yù)定部分，液體流過這部分。該方法包括如下步驟(i)在計算機(jī)的存儲器中存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包括在預(yù)定部分內(nèi)關(guān)于多個節(jié)點和微粒路徑的相關(guān)信息；(ii)從處理過程獲得輸入數(shù)據(jù)；(iii)將輸入數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)；以及(iv)由數(shù)據(jù)庫和輸入數(shù)據(jù)計算至少一個液體流動參數(shù)。
對于化學(xué)、光化學(xué)或生物處理具有基本了解是預(yù)測和控制處理結(jié)果的關(guān)鍵。大多數(shù)此類處理包括液體流動，而液體特性可以很大程度上影響處理的效率。對液體流動理解得越好，處理的預(yù)測和控制就越好。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是在線預(yù)測至少一個液體流動參數(shù)，例如速度、壓力、溫度和紊流參數(shù)，這些參數(shù)優(yōu)選地通過計算流體動力學(xué)(CFD)計算出來，并與某些在處理中感興趣的離散點上在線測定的相關(guān)參數(shù)結(jié)合起來。如果所有在感興趣的流動區(qū)域上的相關(guān)流動參數(shù)都已知，就可以獲得更好的系統(tǒng)預(yù)測反應(yīng)，這將導(dǎo)致更好的處理控制。
例如，本發(fā)明可以應(yīng)用在紫外線輻射液體處理系統(tǒng)中預(yù)測劑量分布輪廓，從而減小和/或消除上述在先技術(shù)中的不足。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到本發(fā)明可用于多種其它應(yīng)用，例如光化學(xué)處理、化學(xué)處理、生物處理等等。
該數(shù)據(jù)庫包括方陣中多個節(jié)點的位置信息。數(shù)據(jù)庫可通過確定一個流動區(qū)域內(nèi)流動參數(shù)的分布而獲得(例如，在感興趣的處理過程中盛放液體的一個通道或者管道)。這可以在線和離線情況下獲得。
如果數(shù)據(jù)庫是在離線情況下獲得的，那么將用到兩種通用技術(shù)。第一種包括“直接測量”，使用諸如激光多普勒風(fēng)速測定法、熱線風(fēng)速測定法和微粒圖象測速法的技術(shù)。第二種包括“數(shù)值/計算技術(shù)”，典型地稱之為CFD(計算流體動力學(xué))—例如，參見Versteeg等所著“計算流體動力學(xué)介紹”(1995)。
如果數(shù)據(jù)庫為在線情況下獲得，則優(yōu)選地使用數(shù)值/計算技術(shù)，關(guān)于這些技術(shù)更多的細(xì)節(jié)可以在以下一篇或多篇文獻(xiàn)中找到1、“熱線風(fēng)速測定法”，G..Compte-Bellot，流體力學(xué)評論年報，第8卷，209-231頁(1976)；2、“激光測速法”，Ronald J.Adrian，“流體力學(xué)測試”第五章，Richard J.Goldstein編輯，1983；3、“數(shù)字微粒圖像測速法”，C.E.Willert和M.Gharib，流體實驗，第10期，181-193頁(1991)；4、TSI公司，網(wǎng)址為“http//www.tsi.com”；5、DANTEC測試技術(shù)，網(wǎng)址“http//www.dantecmt.com”；6、Fluent5用戶手冊，F(xiàn)luent公司，Lebanon，NH，美國；以及7、Versteeg，H.K.和W.Malalasekera.計算流體動力學(xué)介紹。Longman集團(tuán)有限公司，1995。
在本發(fā)明的優(yōu)選應(yīng)用(即一種紫外線放射量測定器)中，存儲在計算機(jī)存儲器中的數(shù)據(jù)庫，應(yīng)當(dāng)包括在有界流動區(qū)域預(yù)定方陣內(nèi)的多個節(jié)點中的每個節(jié)點的位置信息。優(yōu)選地，每個節(jié)點的位置信息包括節(jié)點的空間位置、速度矢量分量、壓力以及關(guān)于紊流的測量值，例如紊流動能和紊流耗散速率。
通過直接測試確定在流動區(qū)域內(nèi)的流動參數(shù)的優(yōu)選方法，就是通過在整個區(qū)域內(nèi)推理地測量參數(shù)(例如離線測量)，建立這些參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，其中測量的條件與感興趣的處理實驗相似。例如，在紫外線消毒反應(yīng)器的情況下，速度、壓力和紊流參數(shù)可以在反應(yīng)器內(nèi)細(xì)小的三維網(wǎng)格(即方陣)節(jié)點位置處進(jìn)行測量，此時的流動速度與反應(yīng)器的工作狀態(tài)相關(guān)。通過重復(fù)測量不同的體積流動速度狀態(tài)，可以建立起變化的流動狀況數(shù)據(jù)庫。實質(zhì)上，數(shù)據(jù)庫由代表物理測量位置的節(jié)點x、y、z位置組成，對于每個不同的體積流動速度，在每個節(jié)點測量相關(guān)流動參數(shù)(速度、壓力、紊流強(qiáng)度……)。
使用數(shù)值/計算技術(shù)在流動區(qū)域內(nèi)確定流動參數(shù)的優(yōu)選方法是使用CFD。通過在計算機(jī)上對反應(yīng)器內(nèi)的液體建模，可以建立起一個包括必要位置信息的合適的數(shù)據(jù)庫。
不管包括必要位置信息的數(shù)據(jù)庫是通過實驗還是數(shù)值模擬建立起來的，都希望它能夠與在線狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。這通過測量相關(guān)的體積流動參數(shù)來完成。在紫外線消毒反應(yīng)器的情況下，相關(guān)參數(shù)將很可能是體積流動速度。在在線CFD系統(tǒng)的情況下，當(dāng)流動速度改變時，將產(chǎn)生一個包含位置信息的新數(shù)據(jù)庫。另一方面，如果數(shù)據(jù)庫包括離線產(chǎn)生(使用CFD或者直接測量)的位置信息，那么將使用插值或者換算技術(shù)，以便由數(shù)據(jù)庫中的已有狀態(tài)接近地模擬在線狀態(tài)。
對于給定的在線狀態(tài)，一旦通過反應(yīng)器的液體確定了，就可以求解傳輸方程來確定相關(guān)處理函數(shù)(如上面所提到的)。在本發(fā)明的紫外線消毒反應(yīng)器的應(yīng)用中，興趣在于反應(yīng)器的執(zhí)行情況，或者特別是反應(yīng)器對于目標(biāo)病菌的失活。通過使用考慮第一階動力學(xué)、有關(guān)微生物的微粒、和微生物恢復(fù)過程的方程，生物失活可以建立成所用紫外線劑量的函數(shù)。
在第一階動力學(xué)中，生物失活可以建立為NN0=e-kD---(1)]]>其中N0是消毒前存活的微生物的數(shù)量，N為消毒后存活的微生物的數(shù)量。常數(shù)k依賴于失活的微生物的類型，D為輻射劑量。劑量定義為相對暴露時間的殺菌強(qiáng)度。在實際的反應(yīng)器中，紫外線強(qiáng)度隨反應(yīng)器內(nèi)空間位置(離燈越遠(yuǎn)的區(qū)域紫外線強(qiáng)度越弱)和水的紫外線透射率(UVT)不同而變化。由于燈的位置是已知的(反應(yīng)器的幾何形狀已知)，而且UVT可以在線測量，反應(yīng)器內(nèi)的強(qiáng)度場可以計算出來，并與在線傳感器讀數(shù)相關(guān)聯(lián)。當(dāng)微生物流經(jīng)反應(yīng)器，由于液體的運動(在該例中是水)，微生物將通過強(qiáng)度場。很明顯，當(dāng)流經(jīng)反應(yīng)器時，微生物路徑將經(jīng)歷程度變化的強(qiáng)度。對流經(jīng)線路上的強(qiáng)度場和紫外線暴露時間進(jìn)行積分，將對每個微生物產(chǎn)生一個劑量值。
一個紫外線反應(yīng)器將具有無限多個微生物通過的路徑，每個特定的線路接收特定的劑量。由于一個反應(yīng)器具有無限多個微生物可以通過的路徑，反應(yīng)器純失活可以寫作NN0=Σi=1∞fie-kDi---(2)]]>其中fi是接收劑量Di的微粒的分?jǐn)?shù)，這樣Σi=1∞fi=1]]>反應(yīng)器失活的模型為NN0=e-kDeqv---(3)]]>其中N0在這里是反應(yīng)器上游的存活微生物流量(或者在準(zhǔn)直射束研究(collimated beam study)的情況下是存活微生物的總數(shù))，N是消毒后反應(yīng)器下游的存活微生物數(shù)量。Deqv是反應(yīng)器輻射劑量。
反應(yīng)器輻射劑量，或者“等效劑量”，可以通過將方程(2)和(3)聯(lián)合求解得到NN0=e-kDeqv=Σi=1∞fie-kDi---(4)]]>或者Deqv=-1kln[Σi=1∞fie-kDi]---(5)]]>實質(zhì)上，反應(yīng)器執(zhí)行情況由通過反應(yīng)器的所有微生物路徑積分確定。在計算上，這可以由包括每個節(jié)點位置信息的數(shù)據(jù)庫確定?，F(xiàn)有的兩種傳統(tǒng)CFD方法可用來完成這個任務(wù)1、歐拉/標(biāo)量法；和2、拉各朗日微粒路徑法。
在歐拉法中，劑量D當(dāng)作一個標(biāo)量，標(biāo)量傳輸方程與強(qiáng)度場積分，而包括位置信息的數(shù)據(jù)庫可以用來確定反應(yīng)器出口的劑量分布。出口處劑量分布和出口處體積流速部分的積分和方程(5)將給出基于目標(biāo)微生物失活常數(shù)k的反應(yīng)器執(zhí)行值。歐拉方法的困難之處在于求解擴(kuò)散和將劑量平均了的紊流混合體的標(biāo)量方程。實際上，每個微生物都是一個離散實體，應(yīng)當(dāng)被當(dāng)作離散實體處理，而不能夠平均。商業(yè)軟件CFD能夠非常容易地用來求解方程——參見，例如FluentTMCFD軟件的操作手冊。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)數(shù)值模擬和實驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)庫包括可以使用現(xiàn)有CFD軟件的位置信息。
優(yōu)選方法是使用拉各朗日微粒路徑法。利用這種方法，包括每個節(jié)點的位置信息的數(shù)據(jù)庫可用來確定通過反應(yīng)器的離散微粒的運動。微粒路徑可以和已知的強(qiáng)度場進(jìn)行積分，以確定對每個微粒的輻射劑量。每個微粒將有自己的路徑，沒有兩條路徑是相同的，通過計算例如100個微粒的路徑可以獲得劑量分布的充分表示。在這種方法中，方程(4)和(5)可以直接使用，求和上限設(shè)置為n，此處n為代表微粒路徑的數(shù)目，并且fi＝1/n。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，數(shù)據(jù)庫包括方陣的至少一部分中的多個微粒路徑的位置信息(就是說，不是整個方陣中的多個節(jié)點的位置信息)。因此，數(shù)據(jù)庫不依賴于強(qiáng)度場得到。換句話說，不是在線存儲包括位置信息的數(shù)據(jù)庫，而是建立一個用來推斷微粒路徑數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，而且只有微粒路徑需要在線存儲。這種改進(jìn)進(jìn)一步建少了計算量。
如上所示，對于化學(xué)、光化學(xué)或生物處理具有基本了解是預(yù)測和控制處理結(jié)果的關(guān)鍵。例如，本發(fā)明可以用于在紫外線輻射液體處理系統(tǒng)中預(yù)測消毒執(zhí)行情況，從而減少和/或消除了在先技術(shù)中的上述缺點。更為特別的是，本發(fā)明的在線設(shè)備的一個優(yōu)選實施例是一種用于在給定的紫外線消毒系統(tǒng)和處理過程中預(yù)測生物測定等效劑量的紫外線放射量測定器。
在本設(shè)備的這種優(yōu)選實施例中，數(shù)據(jù)庫包括經(jīng)過紫外線消毒處理的多個實際微粒的劑量數(shù)據(jù)，其中每個實際微?？纱硪粋€微生物、一個微生物集合或其它物質(zhì)，或者一個化學(xué)分子。當(dāng)通過反應(yīng)器時，每個實際微粒的劑量可由微粒經(jīng)受的紫外線強(qiáng)度在紫外線消毒過程中微粒經(jīng)過的路徑上的積分確定。數(shù)學(xué)上，這種關(guān)系可以表示為Di=∫t=0t=trI(x,y,z)dt]]>其中Di為第i個實際微粒經(jīng)過紫外線消毒處理后所經(jīng)受的紫外線劑量，單位為mJ/cm2；I(x，y，z)為微粒經(jīng)過紫外線消毒處理路徑在位置(x，y，z)處經(jīng)受的紫外線強(qiáng)度，單位mW/cm2；t是時間，單位為秒，其中t＝0表示微粒進(jìn)入紫外線消毒處理的時刻，t＝tr表示微粒離開紫外線消毒處理的時刻。
實際微粒經(jīng)過反應(yīng)器的路徑可通過使用諸如激光多普勒風(fēng)速測定法、熱線風(fēng)速測定法和微粒圖象測速法等技術(shù)“直接測量”?；蛘咴撀窂娇赏ㄟ^使用“數(shù)值/計算技術(shù)”來預(yù)測，典型地稱之為計算流體動力學(xué)(CFD)。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚CFD技術(shù)允許給實際微粒賦予物理特性，這樣就能模擬作用在微粒上的諸如重力之類的外力的影響。
利用這些方法，典型情況下實際微粒的路徑將用空間—時間坐標(biāo)系(x，y，z，t)進(jìn)行確定，其中x，y和z確定一個空間的三維坐標(biāo)系統(tǒng)，而t表示時間。本領(lǐng)域技術(shù)人員知道可以使用徑向或者極坐標(biāo)系，并且考慮到對稱性，允許由一維或二維空間坐標(biāo)系表示通過紫外線消毒處理的實際微粒的路徑，而不是使用三維坐標(biāo)表示。
假定通過紫外線消毒處理的實際微粒的路徑能夠用連續(xù)的空間—時間坐標(biāo)典型地表示，那么輻射給每個微粒的劑量可以使用求和符號寫成Di=Σj=1j=ki(I(xj+1,yj+1,zj+1)+I(xj,yj,zj))2(tj+1-tj)]]>其中第i個經(jīng)過紫外線消毒處理的微粒的路徑由ki系列空間—時間坐標(biāo)表示。
紫外線消毒處理中位置(x，y，z)處的紫外線強(qiáng)度可以使用標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)計算出來，該技術(shù)或者使用徑向強(qiáng)度模型，在如下文獻(xiàn)中有描述C.N.Haas和G.P.Sakellaropoulos(1979)，“紫外線消毒示性分析”，環(huán)境工程國家會議，ASCE專業(yè)會議，舊金山，CA，7月9-11日，540-547頁；或者使用點源求和，在下文中有描述S.M.Jacob和J.S.Dranoff(1970)，“在完全混合的光反應(yīng)器中的光線強(qiáng)度設(shè)置集”，AIChE雜志，16卷，第3期，359-363頁；或者使用修改為包括折射效應(yīng)的點源求和，如J.R.Bolton(1999)，“在使用寬帶介質(zhì)—壓力水銀紫外線燈的環(huán)狀紫外線消毒反應(yīng)器中計算紫外線通量速度分布時折射和反射的重要性”。
本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，可為紫外線消毒處理定義多個強(qiáng)度模型，而且每個模型可以按照被處理水的紫外線吸收特性和紫外線反應(yīng)器的構(gòu)造，提供一個合理的紫外線強(qiáng)度預(yù)測結(jié)果。強(qiáng)度模型的合理性可以通過測量紫外線強(qiáng)度來驗證，測定時使用輻射計、輻射測量術(shù)、或者其它人們知道的紫外線測量方法。
在本發(fā)明的使用多個紫外線燈進(jìn)行紫外線消毒處理的一個優(yōu)選實施例中，每個以全部功率工作的紫外線燈輻射到實際微粒上的劑量可以計算出來并存入數(shù)據(jù)庫。因此，如果紫外線消毒處理使用“L”個紫外線燈，對于每個實際微粒來說，數(shù)據(jù)庫包括1號紫外線燈、2號紫外線燈等等一直到第L個紫外線燈輻射到那個微粒上的數(shù)據(jù)。在一種可能的數(shù)據(jù)庫表示中，3個燈的反應(yīng)器信息可按表1的結(jié)構(gòu)存放。
表1

本領(lǐng)域技術(shù)人員知道每個微粒通過紫外線消毒處理時的路徑將取決于水的流速以及其它特性。數(shù)據(jù)庫可包括通過消毒處理的許多流速的劑量數(shù)據(jù)，以及多個水的特性。然而，在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例中，只有有限的流動狀態(tài)存儲在數(shù)據(jù)庫中，而關(guān)于其它狀態(tài)的劑量值通過對存儲數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換而獲得。例如，輻射到實際微粒上的劑量在x流速方向的量可從y流速方向上的量乘以流速y與流速x的比例計算出來。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還知道，每個實際微粒經(jīng)過紫外線消毒處理時所經(jīng)受的強(qiáng)度，將取決于被處理水的紫外線透射率。數(shù)據(jù)庫可包括多個紫外線透射率值的劑量數(shù)據(jù)。然而，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，給定燈按給定的流速輻射到每個實際微粒上的劑量作為紫外線透射率的函數(shù)可存儲在數(shù)據(jù)庫中。例如，給定燈按給定的流速輻射到每個實際微粒上的劑量，可描述為紫外線透射率從30～99％的范圍內(nèi)的5階多項式函數(shù)。在這種情況下，數(shù)據(jù)庫只需包括與多項式函數(shù)相關(guān)的5個系數(shù)，以描述紫外線透射率范圍內(nèi)的劑量。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將進(jìn)一步知道紫外線燈可在不同的功率等級上工作，因而受諸如燈的壽命和燈套管的污垢等因素的影響，不同燈之間的紫外線輸出可能會有所變化。在本發(fā)明的一種示例中，某個給定燈輻射到每個實際微粒上的劑量，可能由燈本身電源設(shè)置縮放。在另一種示例中，輻射到每個實際微粒上的劑量由一個比例值縮放，該比例為使用標(biāo)準(zhǔn)紫外線傳感器測量的紫外線強(qiáng)度和使用適當(dāng)?shù)淖贤饩€強(qiáng)度模型計算出的該傳感器的紫外線強(qiáng)度的比例，或者和從使用新燈、無污垢的套管以及無污傳感器檢測窗口測得的傳感器結(jié)果預(yù)測得到的紫外線強(qiáng)度的比例。
第i個實際微粒經(jīng)過紫外線消毒處理所經(jīng)受的純劑量，可通過將反應(yīng)器內(nèi)每個燈輻射到該微粒的劑量加起來計算出來。在一種優(yōu)選示例中，每個微粒的純劑量可由此計算(NetDose)i=QCFDQΣn=1n=LDosein(UVT)fn]]>其中QCFD是與存儲在數(shù)據(jù)庫中的實際微粒軌跡的空間—時間坐標(biāo)系相關(guān)的流速；Q是經(jīng)過紫外線消毒處理的實際流速；
Dosein(UVT)是在UVT(紫外線透射率)為某個紫外線透射率值時第n個燈輻射到第i個實際微粒上的劑量；fn是第n個燈的縮放因子，說明表示污垢多少或燈的壽命的燈的電源設(shè)置和傳感器的測量值。
為了預(yù)測紫外線消毒處理的輻射劑量，應(yīng)當(dāng)對輻射到多個微粒上的劑量進(jìn)行計算。微粒的路徑應(yīng)當(dāng)從紫外線消毒處理上游的管道入口開始。管道入口內(nèi)的實際微粒開始位置應(yīng)當(dāng)在反應(yīng)器足夠上游的地方，這樣紫外線消毒處理輻射到微粒上的劑量不會受更上游位置移動的明顯影響。在本發(fā)明的一種優(yōu)選應(yīng)用中，實際微粒的開始位置在垂直于體積流量的平面內(nèi)，并且在該平面內(nèi)均勻分布。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到紫外線消毒處理的管道入口可在每次安裝中位置不一樣。由于管道入口的構(gòu)造將對實際微粒經(jīng)過紫外線消毒處理的路徑有影響，本發(fā)明的一個優(yōu)點是能夠估計對紫外線消毒處理的執(zhí)行有影響的現(xiàn)場特殊考慮。
在本發(fā)明的典型應(yīng)用中，確定輻射劑量大于250實際微粒。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到?jīng)]有兩個微粒會沿同一路徑通過紫外線消毒處理過程。因此，輻射到紫外線反應(yīng)器的劑量可代表一種劑量直方圖。進(jìn)一步，劑量直方圖可使用一種可能性分布進(jìn)行建模，這可和處理動力學(xué)聯(lián)合起來預(yù)測紫外線消毒處理的純影響。
紫外線消毒處理的純執(zhí)行性能可通過對輻射到每個微粒的純劑量影響進(jìn)行求和而計算出來。劑量的影響可使用由標(biāo)準(zhǔn)實驗室實驗確定的動力學(xué)方程來描述。在使用紫外線消毒的情況下，對于特定微生物的紫外線失活動力學(xué)，可通過將這些微生物的攪動懸浮液暴露在紫外線強(qiáng)度已知的紫外線燈光的準(zhǔn)直射束之下來確定。根據(jù)不同的暴露時間，使用不同的劑量。失活動力學(xué)可通過繪制作為輻射劑量的函數(shù)獲得的失活的圖形來得到。將失活作為劑量的函數(shù)來繪制可使用一階動力學(xué)建模
N/N0＝exp(-k Dose)其中N0為暴露在紫外線下之前存活微生物的濃度；N0為暴露在紫外線下之后存活微生物的濃度；k是微生物的一階失活常數(shù)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會認(rèn)識到微生物失活動力學(xué)不總是依照一階動力學(xué)。在那些情況下，一系列事件模型，一個雙指數(shù)模型或者其它一些傳統(tǒng)函數(shù)更適合用來描述失活和劑量之間的關(guān)系。
給定一個函數(shù)g(劑量)來描述微生物失活動力學(xué)，反應(yīng)器的純執(zhí)行情況可用下式計算N/N0=Σi=1i=mg((NetDose)i)/m]]>其中m為所考慮的經(jīng)過紫外線處理過程的實際微粒的總數(shù)。
反應(yīng)器的純執(zhí)行情況可以使用失活動力學(xué)通過求解下式與劑量等效值發(fā)生關(guān)聯(lián)g(DoseEquivalent)=Σi=1i=mg((NetDose)i)/m]]>在一階動力學(xué)的情況下，這些方程可以寫作N/N0=Σi=1i=mexp(k(NetDose)i)/m]]>和DoseEquivalent=-ln(Σi=1i=mexp(k(NetDose)i)/m)/k]]>盡管參考優(yōu)選實施例和特定圖例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，當(dāng)然本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對于這些優(yōu)選實施例和圖例的各種修改都不會偏離本發(fā)明的實質(zhì)和精神。
這里所參考的所有的出版物、專利和專利申請都整體并入本文以作參考，在相同程度上，就象每個單獨的出版物、專利或者專利申請都專門、分別表示整個作為參考并入本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種在處理過程中預(yù)測至少一個液體流動參數(shù)的在線設(shè)備，處理包括一個有界的液體區(qū)域，該區(qū)域形成一個預(yù)定的方陣，該設(shè)備包括一臺計算機(jī)，該計算機(jī)具有(i)一個接收數(shù)據(jù)庫的存儲器，數(shù)據(jù)庫包括方陣中多個節(jié)點或微粒路徑的位置信息；(ii)從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置；和(iii)由數(shù)據(jù)庫和輸入數(shù)據(jù)計算至少一個液體流動參數(shù)的裝置。
2.權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)庫獨立產(chǎn)生，并在存儲器中存儲至少一種預(yù)定流動狀態(tài)。
3.權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)庫使用拉各朗日型微粒軌跡路徑獨立產(chǎn)生。
4.權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)庫使用歐拉型標(biāo)量對流擴(kuò)散路徑獨立產(chǎn)生。
5.權(quán)利要求1-4中任一要求所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括當(dāng)輸入數(shù)據(jù)與至少一個預(yù)定流動狀態(tài)不對應(yīng)時調(diào)整數(shù)據(jù)庫的裝置。
6.權(quán)利要求1-5中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)庫通過計算流體動力學(xué)在線產(chǎn)生。
7.權(quán)利要求1-6中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，方陣包括一維節(jié)點陣列。
8.權(quán)利要求1-6中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，方陣包括二維節(jié)點陣列。
9.權(quán)利要求1-6中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，方陣包括三維節(jié)點陣列。
10.權(quán)利要求1-9中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，處理過程包括輻射流體處理過程。
11.權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個液體流動參數(shù)包括輻射劑量。
12.權(quán)利要求1-9中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，處理過程包括化學(xué)處理。
13.權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個液體流動參數(shù)包括處理過程中的至少一種化學(xué)藥品濃度。
14.權(quán)利要求1-9中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，處理包括生物處理。
15.權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個液體流動參數(shù)包括生物處理過程中一種有機(jī)物的存活性。
16.權(quán)利要求1-15中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，有界流動區(qū)域包括一個開放反應(yīng)器，處理過程在該反應(yīng)器中進(jìn)行。
17.權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于，開放反應(yīng)器包括一個液體流動的通道。
18.權(quán)利要求1-15中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，有界流動區(qū)域包括一個封閉反應(yīng)器，處理過程在該反應(yīng)器中進(jìn)行。
19.權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，封閉反應(yīng)器包括包含液體的通道。
20.權(quán)利要求1-19中任一要求所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括至少一個液體流動參數(shù)的計算值的表示裝置。
21.權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，表示裝置包括一個可見指示器。
22.權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，表示裝置包括一個顯示器。
23.權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，表示裝置包括一個彩色指示器。
24.權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，表示裝置包括一個音響指示器。
25.權(quán)利要求20所述的設(shè)備，其特征在于，表示裝置包括一個可見指示器和一個音響指示器。
26.權(quán)利要求1-25中任一要求所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括根據(jù)至少一個液體流動參數(shù)的計算值控制處理的裝置。
27.權(quán)利要求26所述的設(shè)備，其特征在于，控制裝置包括將至少一個液體流動參數(shù)的計算值和至少一個液體流動參數(shù)的預(yù)定閾值進(jìn)行比較的裝置。
28.權(quán)利要求1-27中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置包括一個鍵盤。
29.權(quán)利要求1-27中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置包括一個電子控制器。
30.權(quán)利要求1-30中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，計算機(jī)安裝在第一位置，處理工序位于相對第一位置較遠(yuǎn)的第二位置。
31.權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其特征在于，計算機(jī)進(jìn)一步包括一個遠(yuǎn)程通信鏈路鏈接，允許在第一位置和第二位置之間進(jìn)行通信。
32.一種在線設(shè)備，用來預(yù)測處理過程中的至少一個液體流動參數(shù)，處理過程包括一個流動區(qū)域，該處形成一個預(yù)定部分，液體在這部分內(nèi)流動，該設(shè)備包括一臺計算機(jī)，計算機(jī)具有(i)一個接收數(shù)據(jù)庫的存儲器，數(shù)據(jù)庫包括在預(yù)定部分內(nèi)關(guān)于多個節(jié)點和微粒路徑的信息；(ii)從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置；和(iii)由數(shù)據(jù)庫和輸入數(shù)據(jù)計算至少一個液體流動參數(shù)的裝置。
33.權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)庫獨立產(chǎn)生，并在存儲器中存儲至少一種預(yù)定流動狀態(tài)。
34.權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)庫使用拉各朗日型微粒軌跡路徑獨立產(chǎn)生。
35.權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)庫使用歐拉型標(biāo)量對流擴(kuò)散路徑獨立產(chǎn)生。
36.權(quán)利要求32-35中任一要求所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括當(dāng)輸入數(shù)據(jù)與至少一個預(yù)定流動狀態(tài)不對應(yīng)時調(diào)整數(shù)據(jù)庫的裝置。
37.權(quán)利要求32-36中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，數(shù)據(jù)庫通過計算流體動力學(xué)在線產(chǎn)生。
38.權(quán)利要求32-37中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，預(yù)定部分包括一維節(jié)點陣列。
39.權(quán)利要求32-37中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，預(yù)定部分包括二維節(jié)點陣列。
40.權(quán)利要求32-37中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，預(yù)定部分包括三維節(jié)點陣列。
41.權(quán)利要求32-40中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，處理過程包括輻射流體處理過程。
42.權(quán)利要求41所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個液體流動參數(shù)包括輻射劑量。
43.權(quán)利要求32-40中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，處理過程包括化學(xué)處理。
44.權(quán)利要求43所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個液體流動參數(shù)包括處理過程中的至少一種化學(xué)藥品濃度。
45.權(quán)利要求32-41中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，處理包括生物處理。
46.權(quán)利要求45所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個液體流動參數(shù)包括生物處理過程中一種有機(jī)物的存活性。
47.權(quán)利要求32-46中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，預(yù)定部分包括在有界流動區(qū)域內(nèi)。
48.權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其特征在于，有界流動區(qū)域包括一個開放反應(yīng)器，處理過程在該反應(yīng)器中進(jìn)行。
49.權(quán)利要求48所述的設(shè)備，其特征在于，開放反應(yīng)器包括一個液體流動的通道。
50.權(quán)利要求47所述的設(shè)備，其特征在于，有界流動區(qū)域包括一個封閉反應(yīng)器，處理過程在該反應(yīng)器中進(jìn)行。
51.權(quán)利要求50所述的設(shè)備，其特征在于，封閉反應(yīng)器包括包含液體的通路。
52.權(quán)利要求32-51中任一要求所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括至少一個液體流動參數(shù)的計算值的表示裝置。
53.權(quán)利要求52所述的設(shè)備，其特征在于，表示裝置包括一個可見指示器。
54.權(quán)利要求52所述的設(shè)備，其特征在于，表示裝置包括一個顯示器。
55.權(quán)利要求52所述的設(shè)備，其特征在于，表示裝置包括一個彩色指示器。
56.權(quán)利要求52所述的設(shè)備，其特征在于，表示裝置包括一個音響指示器。
57.權(quán)利要求52所述的設(shè)備，其特征在于，表示裝置包括一個可見指示器和一個音響指示器。
58.權(quán)利要求32-57中任一要求所述的設(shè)備，進(jìn)一步包括根據(jù)至少一個液體流動參數(shù)的計算值控制處理的裝置。
59.權(quán)利要求58所述的設(shè)備，其特征在于，控制裝置包括將至少一個液體流動參數(shù)的計算值和至少一個液體流動參數(shù)的預(yù)定閾值進(jìn)行比較的裝置。
60.權(quán)利要求32-59中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置包括一個鍵盤。
61.權(quán)利要求32-59中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置包括一個電子控制器。
62.權(quán)利要求32-61中任一要求所述的設(shè)備，其特征在于，計算機(jī)安裝在第一位置，處理工序位于相對第一位置較遠(yuǎn)的第二位置。
63.權(quán)利要求62所述的設(shè)備，其特征在于，計算機(jī)進(jìn)一步包括一個遠(yuǎn)程通信鏈路鏈接，允許在第一位置和第二位置之間進(jìn)行通信。
64.一種紫外線放射量在線測定器裝置，用來在紫外線消毒過程中，對于一種給定的微生物，預(yù)測其生物測定的等效劑量，紫外線消毒過程包括一個流動區(qū)域，液體在該區(qū)域中流動，該設(shè)備包括一臺計算機(jī)，計算機(jī)具有(i)一個接收數(shù)據(jù)庫的存儲器，數(shù)據(jù)庫包括關(guān)于經(jīng)過流動區(qū)域的多個液體路徑的相關(guān)劑量信息；(ii)從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置，輸入數(shù)據(jù)選自液體的紫外線透射率、液體的流速和流動區(qū)域的強(qiáng)度范圍；以及(iii)由數(shù)據(jù)庫和輸入數(shù)據(jù)計算給定微生物的生物測定等效劑量的裝置。
65.一種在處理過程中在線預(yù)測至少一個液體流動參數(shù)的方法，處理過程包括一個流動區(qū)域，該處形成一個預(yù)定部分，液體流過這部分，該方法包括如下步驟(i)在計算機(jī)的存儲器中存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包括在預(yù)定部分內(nèi)關(guān)于多個節(jié)點和微粒路徑的相關(guān)信息；(ii)從處理過程獲得輸入數(shù)據(jù)；(iii)將輸入數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)；以及(iv)由數(shù)據(jù)庫和輸入數(shù)據(jù)計算至少一個液體流動參數(shù)。
全文摘要
本文描述了一種用來預(yù)測處理過程中的至少一個液體流動參數(shù)的在線設(shè)備。在實施例中，所討論的處理過程包括一個流動區(qū)域，該處形成一個預(yù)定部分，液體在這部分那流動，該設(shè)備包括一臺計算機(jī)，計算機(jī)具有(i)一個接收數(shù)據(jù)庫的存儲器，數(shù)據(jù)庫包括在預(yù)定部分內(nèi)關(guān)于多個節(jié)點和微粒路徑的相關(guān)信息；(ii)從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置；以及(iii)由數(shù)據(jù)庫和輸入數(shù)據(jù)計算至少一個液體流動參數(shù)的裝置。在另一實施例中，所討論的處理過程包括一個有界的液體區(qū)域，該區(qū)域形成一個預(yù)定的方陣，該設(shè)備包括一臺計算機(jī)，該計算機(jī)具有(i)一個接收數(shù)據(jù)庫的存儲器，數(shù)據(jù)庫包括方陣中多個節(jié)點或微粒路徑的位置信息；(ii)從處理過程接收輸入數(shù)據(jù)的裝置；以及(iii)由數(shù)據(jù)庫和輸入數(shù)據(jù)計算至少一個液體流動參數(shù)的裝置。本設(shè)備作為一個紫外線放射量測定器使用時尤其具有優(yōu)勢。
文檔編號G01F1/00GK1408061SQ00816796
公開日2003年4月2日 申請日期2000年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月6日
發(fā)明者戴維·A·奧爾森, 尤里·勞里夏因, 哈羅德·賴特 申請人:特洛伊人技術(shù)公司