一種基于電容法的排水管堵塞檢測方法與裝置的制造方法
【專利摘要】基于電容法的排水管堵塞檢測裝置，在截面為圓形的管道上設有貼合圓形的管道電容傳感器的結構，該電容傳感器由兩個相互絕緣的一對橫截面為半圓形塑料板構成，塑料板內壁襯或鍍一層導電金屬(錫)箔，一對橫截面為半圓形塑料板以高頻絕緣材料固定，一對相對貼合的兩個襯或鍍金屬的塑料板便構成電容傳感器的兩個極板。同時，由于電容傳感器的一對極板間存在一定的高頻電容損耗，所以我們還在導電金屬(如錫箔)表層涂上了高頻絕緣材料，一對極板連接電容檢測儀器。
【專利說明】
一種基于電容法的排水管堵塞檢測方法與裝置 一、
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種排水管堵塞檢測方法與裝置。 二、
【背景技術】
[0002] 隨著城市化的推進，新建商品住宅越來越多，越來越多的老百姓都住進了樓房，隨 之而來的污水堵塞倒灌到居民家中的事情也越來越多，如果污水倒灌后不能及時發現會造 成嚴重后果。現有商品房的排水管都是共用管道，通過支管道連接到各層住戶家中，主管道 接入市政污水管網。排水管直徑比較小，且各家住戶都有U型彎頭以防異味，容易發生油脂、 雜物淤積，導致管道堵塞，管道堵塞時間一長污水就會倒流至底層住戶家中，對居民的住宿 環境造成惡劣影響。由于目前市場采用的排水管道均為不透明的PVC材料，住戶很難判斷下 水道是否堵塞，也很難提前采取應對措施。在此背景下，如果能實時對排水管進行檢測以判 斷管道中是否發生堵塞，提前發現排水管堵塞并進行報警，即可避免造成物質損失，達到防 患于未然的目的。而且要求裝置易于安裝，對原有水管的改造降低到最小，而且能夠長時間 低功耗的工作，檢測精確度要高，這就是我們這個技術的研發目的。
[0003] 通過調研發現，為解決排水管堵塞這個問題目前常見種方法：
[0004] 方法一:通過在水管上開透鏡觀察，以人工或圖像識別方法來檢測報警。
[0005] 方法二:在排水管上加裝污水閥，當排水管堵塞，污水齡積時會從污水閥溢出。
[0006] 方法三:在排水管中增加限位環，在限位環中增加浮標，當水位上升到警戒值，浮 標就觸發警報裝置發出報警。
[0007] 以上三種方法均需要對排水管進行改造，不具有實際應用價值。
[0008] 方法四：使用超聲波檢測，能比較準確發現水管堵塞情況。但是超聲波檢測需要的 功耗比較高，不適合長時間實時檢測，并且超聲波的長期工作對周圍居民的身體健康是有 害的。 三、
【發明內容】
[0009] 本發明目的是:實現不需要對排水管進行改造，易于安裝，操作簡便，可長期檢測 并發出警報的低功耗解決方案。
[0010] 本發明的技術方案是，基于電容法的排水管堵塞檢測裝置，在截面為圓形的管道 上設有貼合圓形的管道電容傳感器的結構，該電容傳感器由兩個相互絕緣的一對橫截面為 半圓形塑料板構成，塑料板內壁襯或鍍一層導電金屬(錫)箱(金屬薄片上電鍍錫等亦可）， 一對橫截面為半圓形塑料板以高頻絕緣材料固定，一對相對貼合的兩個襯或鍍金屬的塑料 板便構成電容傳感器的兩個極板。同時，由于電容傳感器的一對極板間存在一定的高頻電 容損耗，所以我們還在導電金屬箱(如錫箱)表層涂上了高頻絕緣材料，一對極板連接電容 檢測儀器。
[0011] 傳感器在使用時只需要根據實際水管的直徑進行固定點的調整，使其能夠緊密的 貼合在水管的外壁，安裝靈活且方便，能夠在一定范圍內適應不同直徑大小的水管，安裝靈 活且方便。
[0012] 基于電容法的排水管堵塞檢測裝置還采用錫片電容。
[0013] 所述的裝置進行排水管堵塞檢測方法，為了區分是正常排水還是污水淤積，采用 的定時脈沖測量，而且通過多次測量來驗證，就是當第一次檢測到有電容變化時，我們開始 計數，檢測連續5次(每次間隔1-3秒)的電容。若5次檢測都為堵塞狀態下的電容則判斷是發 生了污水的淤積。而如果是正常的排水則5次之中則會只出現一次到兩次的電容異常;判斷 是正常排水還是污水淤積，排除誤判。
[0014] 本發明原理說明：用一個絕緣體將兩個電導體隔開就構成一個電容器。如果兩導 體為相對平板，面積為A(m2),隔開距離為d(m)，絕緣體介電常數ε = ε 〇ε Γ，ε 〇 = 8.85X 10-12F/m(lX10-9/36Ji)為真空介電常數。絕緣體的相對介電常數為ε r，則電容量為：
[0016] 在排水管道外壁包裹兩片相對的金屬薄片相處兩塊獨立相對的金屬極板，則極板 間存在一定大小的電容。當金屬板極之間的正對面積和板間間距一定時，板間電容的大小 與板間介質的相對介電常數(ε r)成正比。即：
[0017] Cx~ε r
[0018] 其中Cx為金屬極板間的電容，ε r為極板間的相對介電常數。也就是板間介質的變 化可以通過板間電容的大小變化來反應出來。
[0019] 各種常見物質的相對介電常數如下表：
[0022]因此，可以通過為排水管包裹兩片獨立相對的金屬薄片形成一個電容器，檢測電 容值的大小變化來判斷水管內是否發生了污水堵塞的情況。在實際測量中我們發現排水管 介質為空氣和水時，測得的電容值相差解決10倍。電容值是由介質的介電常數決定的，介電 常數用于衡量絕緣體儲存電能的性能，它是兩塊金屬板之間以絕緣材料為介質時的電容量 與同樣的兩塊板之間以空氣為介質或真空時的電容量之比。
[0024]本發明有益效果：能夠解決現有技術未能解決的一下問題，1、首先需要對水管的 檢測要將對水管的改造降到最低，對住戶生活的影響減到最小，檢測裝置必須小巧。
[0025]本發明測量裝置采用的弧形貼合結構，能夠在一定的范圍內緊密的貼合在水管外 壁上，無需對水管進行改造，而且裝置重量較輕不易脫落。采用的電容測量法安全可靠，對 住戶生活不會造成影響(輻射、噪聲等）。
[0026] 2、排水管往往比較隱蔽，沒有穩定供電來源，只能使用電池供電，為實現對管內的 水量進行定時測量(一分鐘測量一次），功耗一定要低。
[0027]本發明：我們采用的是TI的MSP430低功耗MCU，同時結合間斷測量的方法，采用定 時脈沖測量，功耗極低，續航的能力強。
[0028] 3、能適應不同粗細不同材質的排水管，排除因材質和粗細帶來的誤差，導致誤判。
[0029]采用的技術方案:對于排水道積水堵塞情況的檢測要求檢測裝置要簡單易行，檢 測的準確率高，安裝方便，而且要求續航時間長。所以我們這個方案采用的是低功耗的MCU 搭配上電容檢測的傳感器，進而實現污水堵塞與否的判斷以及反饋處理。
[0030] 4、能識別出正常排水和污水淤積，不能因連續正常排水而誤判。一旦檢測出污水 的堵塞要及時報警告知住戶，以便及時采取應對措施。 四、【附圖說明】
[0031] 圖1所示為本發明用于弧形管道貼合電容傳感器的結構。
[0032]五、具體的實施方式：
[0033]圖1所示，該傳感器由兩個相互絕緣正對的半圓形塑料固定板構成，塑料板內壁渡 一層導電錫箱(也可采用鍍金屬極板，如鍍鋅、鍍錫等），兩個塑料板的固定點為高頻絕緣材 料，正對的兩個渡錫箱塑料板便構成電容傳感器的兩個極1，由固定夾2將兩個極1固定。同 時，由于極板間存在一定的高頻電容損耗，所以我們還在導電鍍錫箱表層涂上了高頻絕緣 材料。然后由外接電路3將信號引出處理。
[0034] 傳感器在使用時只需要根據實際水管的直徑進行固定點的調整，使其能夠緊密的 貼合在水管的外壁，安裝靈活且方便，能夠在一定范圍內適應不同直徑大小的水管，安裝靈 活且方便。
[0035] 基于電容法的排水管堵塞檢測裝置，截面為圓形的管道上設有貼合圓形的管道電 容傳感器的結構，該電容傳感器由兩個相互絕緣的一對橫截面為半圓形塑料板構成，塑料 板內壁襯或鍍一層導電金屬(錫)箱，一對橫截面為半圓形塑料板以高頻絕緣材料固定，一 對相對貼合的兩個襯或鍍金屬的塑料板便構成電容傳感器的兩個極板。同時，由于電容傳 感器的一對極板間存在一定的高頻電容損耗，所以我們還在導電金屬(如錫箱)表層涂上了 高頻絕緣材料，一對極板連接電容檢測儀器。
[0036] 傳感器在使用時只需要根據實際水管的直徑進行固定點的調整，使其能夠緊密的 貼合在水管的外壁，安裝靈活且方便，能夠在一定范圍內適應不同直徑大小的水管，安裝靈 活且方便。
[0037] 基于電容法的排水管堵塞檢測裝置還包括，本發明中設計有幾種不同類型的檢測 器，能夠在一定的范圍內調節，可以滿足市場上大部分的水管的粗細要求。由于水管大部分 的屬屬于高分子有機絕緣材料(塑料）的材質，檢測裝置兩端采用錫片電容，經過實驗的測 試，材質的影響相對于管內液體的影響可以忽略不計。
[0038] 基于電容法的排水管堵塞檢測方法，首先，本發明經過實驗測量得到，在水管空置 和注滿液體的兩種情況下，管壁之間的電容可以達到十幾倍的差別，這種檢測方式對于判 斷是否有水是遠遠足夠的。其次，為了區分是正常排水還是污水淤積，我們不僅采用的定 時脈沖測量，而且通過多次測量來驗證。就是當第一次檢測到有電容變化時，我們開始計 數，檢測連續5次(每次間隔1-3秒)的電容。若5次檢測都為堵塞狀態下的電容則可以判斷是 發生了污水的淤積。而如果是正常的排水則5次之中則會只出現一次到兩次的電容異常。從 而我們可以判斷是正常排水還是污水淤積，排除誤判。
[0039] 將電容檢測器夾在直徑合適的水管上，兩個極板間便形成一個電容，每隔一個特 定的時間便通過電容檢測電路檢測出兩個極板間的電容的數值的大小，將檢測的數值送給 單片機處理，當電容在設定的無水的范圍內時則不報警。若檢測到電容為堵塞時的電容時 則連續進行多次檢測，避免誤差，多次檢測后仍是堵塞電容值則發出報警。同時電容檢測器 會實時的顯示管內的水量情況，以供檢查。
[0040] 相對于在水管上安裝透鏡和安裝排污閥來說，電容檢測不需要對水管的外觀和結 構進行改造，避免了改造水管帶來的一系列的影響。而且電容檢測相對于超聲波的檢測方 法來說，對住戶生活造成的影響小，而且比超聲波檢測的電路簡單，功耗低，能夠長時間低 功耗的檢測。
【主權項】
1. 基于電容法的排水管堵塞檢測裝置，其特征是在截面為圓形的管道上設有貼合圓形 的管道電容傳感器的結構，該電容傳感器由兩個相互絕緣的一對橫截面為半圓形塑料板構 成，塑料板內壁襯或鍍一層導電金屬箱，一對橫截面為半圓形塑料板以高頻絕緣材料固定， 一對相對貼合的兩個襯或鍍金屬的塑料板便構成電容傳感器的兩個極板。同時，由于電容 傳感器的一對極板間存在一定的高頻電容損耗，所以我們還在導電金屬箱表層涂上了高頻 絕緣材料，一對極板連接電容檢測儀器。2. 根據權利要求1所述的基于電容法的排水管堵塞檢測裝置，其特征是傳感器在使用 時只需要根據實際水管的直徑進行固定點的調整，使其能夠緊密的貼合在水管的外壁，安 裝靈活且方便，能夠在一定范圍內適應不同直徑大小的水管，安裝靈活且方便。3. 根據權利要求1所述的基于電容法的排水管堵塞檢測裝置還采用錫片電容。4. 根據權利要求1所述的裝置進行排水管堵塞檢測方法，其特征是為了區分是正常排 水還是污水淤積，采用的定時脈沖測量，而且通過多次測量來驗證，就是當第一次檢測到有 電容變化時，我們開始計數，檢測連續5次(每次間隔1-3秒）的電容。若5次檢測都為堵塞狀 態下的電容則判斷是發生了污水的淤積。而如果是正常的排水則5次之中則會只出現一次 到兩次的電容異常;判斷是正常排水還是污水淤積，排除誤判。
【文檔編號】F17D5/06GK106090627SQ201610406686
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】方浩, 張志儉, 徐青, 李啟端, 高琴
【申請人】南京大學