CN106090627A - 一种基于电容法的排水管堵塞检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

基于电容法的排水管堵塞检测装置，在截面为圆形的管道上设有贴合圆形的管道电容传感器的结构，该电容传感器由两个相互绝缘的一对横截面为半圆形塑料板构成，塑料板内壁衬或镀一层导电金属(锡)箔，一对横截面为半圆形塑料板以高频绝缘材料固定，一对相对贴合的两个衬或镀金属的塑料板便构成电容传感器的两个极板。同时，由于电容传感器的一对极板间存在一定的高频电容损耗，所以我们还在导电金属(如锡箔)表层涂上了高频绝缘材料，一对极板连接电容检测仪器。

Description

一种基于电容法的排水管堵塞检测方法与装置

一、技术领域

本发明涉及一种排水管堵塞检测方法与装置。

二、背景技术

随着城市化的推进，新建商品住宅越来越多，越来越多的老百姓都住进了楼房，随之而来的污水堵塞倒灌到居民家中的事情也越来越多，如果污水倒灌后不能及时发现会造成严重后果。现有商品房的排水管都是共用管道，通过支管道连接到各层住户家中，主管道接入市政污水管网。排水管直径比较小，且各家住户都有U型弯头以防异味，容易发生油脂、杂物淤积，导致管道堵塞，管道堵塞时间一长污水就会倒流至底层住户家中，对居民的住宿环境造成恶劣影响。由于目前市场采用的排水管道均为不透明的PVC材料，住户很难判断下水道是否堵塞，也很难提前采取应对措施。在此背景下，如果能实时对排水管进行检测以判断管道中是否发生堵塞，提前发现排水管堵塞并进行报警，即可避免造成物质损失，达到防患于未然的目的。而且要求装置易于安装，对原有水管的改造降低到最小，而且能够长时间低功耗的工作，检测精确度要高，这就是我们这个技术的研发目的。

通过调研发现，为解决排水管堵塞这个问题目前常见种方法：

方法一：通过在水管上开透镜观察，以人工或图像识别方法来检测报警。

方法二：在排水管上加装污水阀，当排水管堵塞，污水淤积时会从污水阀溢出。

方法三：在排水管中增加限位环，在限位环中增加浮标，当水位上升到警戒值，浮标就触发警报装置发出报警。

以上三种方法均需要对排水管进行改造，不具有实际应用价值。

方法四：使用超声波检测，能比较准确发现水管堵塞情况。但是超声波检测需要的功耗比较高，不适合长时间实时检测，并且超声波的长期工作对周围居民的身体健康是有害的。

三、发明内容

本发明目的是：实现不需要对排水管进行改造，易于安装，操作简便，可长期检测并发出警报的低功耗解决方案。

本发明的技术方案是，基于电容法的排水管堵塞检测装置，在截面为圆形的管道上设有贴合圆形的管道电容传感器的结构，该电容传感器由两个相互绝缘的一对横截面为半圆形塑料板构成，塑料板内壁衬或镀一层导电金属(锡)箔(金属薄片上电镀锡等亦可)，一对横截面为半圆形塑料板以高频绝缘材料固定，一对相对贴合的两个衬或镀金属的塑料板便构成电容传感器的两个极板。同时，由于电容传感器的一对极板间存在一定的高频电容损耗，所以我们还在导电金属箔(如锡箔)表层涂上了高频绝缘材料，一对极板连接电容检测仪器。

传感器在使用时只需要根据实际水管的直径进行固定点的调整，使其能够紧密的贴合在水管的外壁，安装灵活且方便，能够在一定范围内适应不同直径大小的水管，安装灵活且方便。

基于电容法的排水管堵塞检测装置还采用锡片电容。

所述的装置进行排水管堵塞检测方法，为了区分是正常排水还是污水淤积，采用的定时脉冲测量，而且通过多次测量来验证，就是当第一次检测到有电容变化时，我们开始计数，检测连续5次(每次间隔1-3秒)的电容。若5次检测都为堵塞状态下的电容则判断是发生了污水的淤积。而如果是正常的排水则5次之中则会只出现一次到两次的电容异常；判断是正常排水还是污水淤积，排除误判。

本发明原理说明：用一个绝缘体将两个电导体隔开就构成一个电容器。如果两导体为相对平板，面积为A(m2),隔开距离为d(m)，绝缘体介电常数ε＝ε 0ε r,ε 0＝8.85×10-12F/m(1×10-9/36π)为真空介电常数。绝缘体的相对介电常数为ε r,则电容量为：

$C=\frac{\mathrm{\ϵ}A}{d}=\frac{\mathrm{\ϵ}0\mathrm{\ϵ}rA}{d}=\frac{\mathrm{\ϵ}rA}{36\mathrm{\π}d}=8.85\frac{\mathrm{\ϵ}rA}{d}{10}^{-6}\left(\mathrm{\μ}F\right)$

在排水管道外壁包裹两片相对的金属薄片相处两块独立相对的金属极板，则极板间存在一定大小的电容。当金属板极之间的正对面积和板间间距一定时，板间电容的大小与板间介质的相对介电常数(ε r)成正比。即：

Cx～ε r

其中Cx为金属极板间的电容，ε r为极板间的相对介电常数。也就是板间介质的变化可以通过板间电容的大小变化来反应出来。

各种常见物质的相对介电常数如下表：

因此，可以通过为排水管包裹两片独立相对的金属薄片形成一个电容器，检测电容值的大小变化来判断水管内是否发生了污水堵塞的情况。在实际测量中我们发现排水管介质为空气和水时，测得的电容值相差解决10倍。电容值是由介质的介电常数决定的，介电常数用于衡量绝缘体储存电能的性能，它是两块金属板之间以绝缘材料为介质时的电容量与同样的两块板之间以空气为介质或真空时的电容量之比。

本发明有益效果：能够解决现有技术未能解决的一下问题，1、首先需要对水管的检测要将对水管的改造降到最低，对住户生活的影响减到最小，检测装置必须小巧。

本发明测量装置采用的弧形贴合结构，能够在一定的范围内紧密的贴合在水管外壁上，无需对水管进行改造，而且装置重量较轻不易脱落。采用的电容测量法安全可靠，对住户生活不会造成影响(辐射、噪声等)。

2、排水管往往比较隐蔽，没有稳定供电来源，只能使用电池供电，为实现对管内的水量进行定时测量(一分钟测量一次)，功耗一定要低。

本发明：我们采用的是TI的MSP430低功耗MCU，同时结合间断测量的方法，采用定时脉冲测量，功耗极低，续航的能力强。

3、能适应不同粗细不同材质的排水管，排除因材质和粗细带来的误差，导致误判。

采用的技术方案：对于排水道积水堵塞情况的检测要求检测装置要简单易行，检测的准确率高，安装方便，而且要求续航时间长。所以我们这个方案采用的是低功耗的MCU搭配上电容检测的传感器，进而实现污水堵塞与否的判断以及反馈处理。

4、能识别出正常排水和污水淤积，不能因连续正常排水而误判。一旦检测出污水的堵塞要及时报警告知住户，以便及时采取应对措施。

四、附图说明

图1所示为本发明用于弧形管道贴合电容传感器的结构。

五、具体的实施方式：

图1所示，该传感器由两个相互绝缘正对的半圆形塑料固定板构成，塑料板内壁渡一层导电锡箔(也可采用镀金属极板，如镀锌、镀锡等)，两个塑料板的固定点为高频绝缘材料，正对的两个渡锡箔塑料板便构成电容传感器的两个极1，由固定夹2将两个极1固定。同时，由于极板间存在一定的高频电容损耗，所以我们还在导电镀锡箔表层涂上了高频绝缘材料。然后由外接电路3将信号引出处理。

传感器在使用时只需要根据实际水管的直径进行固定点的调整，使其能够紧密的贴合在水管的外壁，安装灵活且方便，能够在一定范围内适应不同直径大小的水管，安装灵活且方便。

基于电容法的排水管堵塞检测装置，截面为圆形的管道上设有贴合圆形的管道电容传感器的结构，该电容传感器由两个相互绝缘的一对横截面为半圆形塑料板构成，塑料板内壁衬或镀一层导电金属(锡)箔，一对横截面为半圆形塑料板以高频绝缘材料固定，一对相对贴合的两个衬或镀金属的塑料板便构成电容传感器的两个极板。同时，由于电容传感器的一对极板间存在一定的高频电容损耗，所以我们还在导电金属(如锡箔)表层涂上了高频绝缘材料，一对极板连接电容检测仪器。

传感器在使用时只需要根据实际水管的直径进行固定点的调整，使其能够紧密的贴合在水管的外壁，安装灵活且方便，能够在一定范围内适应不同直径大小的水管，安装灵活且方便。

基于电容法的排水管堵塞检测装置还包括，本发明中设计有几种不同类型的检测器，能够在一定的范围内调节，可以满足市场上大部分的水管的粗细要求。由于水管大部分的属属于高分子有机绝缘材料(塑料)的材质，检测装置两端采用锡片电容，经过实验的测试，材质的影响相对于管内液体的影响可以忽略不计。

基于电容法的排水管堵塞检测方法，首先，本发明经过实验测量得到，在水管空置和注满液体的两种情况下，管壁之间的电容可以达到十几倍的差别，这种检测方式对于判断是否有水是远远足够的。其次，为了区分是正常排水还是污水淤积，我们不仅采 用的定时脉冲测量，而且通过多次测量来验证。就是当第一次检测到有电容变化时，我们开始计数，检测连续5次(每次间隔1-3秒)的电容。若5次检测都为堵塞状态下的电容则可以判断是发生了污水的淤积。而如果是正常的排水则5次之中则会只出现一次到两次的电容异常。从而我们可以判断是正常排水还是污水淤积，排除误判。

将电容检测器夹在直径合适的水管上，两个极板间便形成一个电容，每隔一个特定的时间便通过电容检测电路检测出两个极板间的电容的数值的大小，将检测的数值送给单片机处理，当电容在设定的无水的范围内时则不报警。若检测到电容为堵塞时的电容时则连续进行多次检测，避免误差，多次检测后仍是堵塞电容值则发出报警。同时电容检测器会实时的显示管内的水量情况，以供检查。

相对于在水管上安装透镜和安装排污阀来说，电容检测不需要对水管的外观和结构进行改造，避免了改造水管带来的一系列的影响。而且电容检测相对于超声波的检测方法来说，对住户生活造成的影响小，而且比超声波检测的电路简单，功耗低，能够长时间低功耗的检测。

Claims (4)

1.基于电容法的排水管堵塞检测装置，其特征是在截面为圆形的管道上设有贴合圆形的管道电容传感器的结构，该电容传感器由两个相互绝缘的一对横截面为半圆形塑料板构成，塑料板内壁衬或镀一层导电金属箔，一对横截面为半圆形塑料板以高频绝缘材料固定，一对相对贴合的两个衬或镀金属的塑料板便构成电容传感器的两个极板。同时，由于电容传感器的一对极板间存在一定的高频电容损耗，所以我们还在导电金属箔表层涂上了高频绝缘材料，一对极板连接电容检测仪器。

2.根据权利要求1所述的基于电容法的排水管堵塞检测装置，其特征是传感器在使用时只需要根据实际水管的直径进行固定点的调整，使其能够紧密的贴合在水管的外壁，安装灵活且方便，能够在一定范围内适应不同直径大小的水管，安装灵活且方便。

3.根据权利要求1所述的基于电容法的排水管堵塞检测装置还采用锡片电容。

4.根据权利要求1所述的装置进行排水管堵塞检测方法，其特征是为了区分是正常排水还是污水淤积，采用的定时脉冲测量，而且通过多次测量来验证，就是当第一次检测到有电容变化时，我们开始计数，检测连续5次(每次间隔1-3秒)的电容。若5次检测都为堵塞状态下的电容则判断是发生了污水的淤积。而如果是正常的排水则5次之中则会只出现一次到两次的电容异常；判断是正常排水还是污水淤积，排除误判。