电容法检测非金属管道内部堵塞研究

方 浩, 张志俭, 庄建军, 陈毅煌, 高 琴

(南京大学 电子科学与工程学院, 江苏 南京 210023)

电容法检测非金属管道内部堵塞研究

方 浩, 张志俭, 庄建军, 陈毅煌, 高 琴

(南京大学 电子科学与工程学院, 江苏 南京 210023)

针对下水管道堵塞的问题,设计了一种新型的弧形管道贴合电容传感器及其测量电路,并运用微小电容测量方法,实现了非金属管道内部堵塞检测。实验结果表明,由于空气和水之间的介电常数相差非常大,利用管壁间电容的变化来判断管内堵塞是可行的。该电容检测法具有较高的灵敏度、稳定性、便捷性以及良好的动态特性,为非金属管道内部堵塞判断及预警提供了一个方便、快速、有效的手段。

管道堵塞; 堵塞检测； 电容法； 介电常数

厨房下水道的倾倒物中含有大量油脂,加上排水管道的设计不合理、施工不规范[1],即使安装了厨房垃圾粉碎机,依然会因为油脂堵塞管道导致污水倒灌入户,下水道堵塞一直是困扰城市居民的一个重大隐患[2]。由于排水管道的不透明及安装位置不易观察,不能及时发现下水道堵塞以采取相应的应对措施。目前国内外对这种不透明物体内部情况的检测方法大都是采用的超声波检测法[3],但由于超声波探测功耗高、成本高,不适合大规模安装和长期检测[4]；同时长时间的大功率超声波发射会对周边住户居民的身体健康产生影响。因此本文研究了一种通过检测水管外壁间电容值的变化来判断下水管道是否堵塞的新方法[5],并为此设计了一种弧形贴合电容传感器结构和后续微小电容检测电路。经实验测试表明,通过电容值大小的变化完全可以判断管道中是否发生堵塞现象。由于电容法检测原理简单、灵敏度高,不会对住户生活产生任何负面影响。同时,装置简单,安装方便且功耗低,使用电池即可长期工作,这为非金属管道内部堵塞判断及预警提供了一个方便、快速、有效的手段。

1 测量原理

由2块金属平板电极夹一层绝缘介质组成的电容器的面积为A(m2),间隔距离为d(m),绝缘体介电常数ε=ε0εr,其中ε0=8.85×10-12F/m为真空介电常数[6]。绝缘的相对介电电容量为

(1)

式中，A为金属板面积m2;d为板间距，m;εr为绝缘介质相对介电常数，ε为绝缘体介电常数，ε=εoεr，εo为真空介电常数，εo=8.85×10-12F/m。

可见，当平行金属板的面积和板间间距一定时,极板间电容的大小与极板间介质的相对介电常数(εr)成正比。几种常见物质的相对介电常数见表1。

表1 各种常见物质的相对介电常数

由表 1可知，空气的相对介电常数为1,而水的相对介电常数为81,两者有显著的差别，管道是否有水的电容值会有较大差别。因此可以通过对比检测得到的管壁间的电容值的大小变化来判断水管内是否发生了污水堵塞[7]。

2 弧形贴合电容传感器结构

图 1为弧形管道贴合电容传感器模型。该传感器由2个相互绝缘正对的半圆形塑料固定板构成,塑料板内壁贴一层导电锡箔,2个塑料板的固定点为高频绝缘材料,正对的2个镀锡箔塑料板便构成电容传感器的2个极。为了减少板间的高频电容损耗,在导电锡箔表层涂上了高频绝缘材料[8]。

图1 电容传感器模型图

电容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,使其能够紧密地贴合在水管的外壁,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。

3 微小电容检测电路设计

由于水管的表面积有限,传感器中电容极板的正对面积比较小,而且水管中无水时空气的相对介电常数很小,极板间的电容值非常小,因此需要设计一个微小电容测量电路来测量水管管壁间电容。目前常用的微小电容测量方法有：充/放电电容测量、AC电桥电容测量、交流锁相放大电容测量、基于V/T变换的电容测量、基于混沌理论的恒流式混沌测量、基于电荷放大原理的电容测量等[9]。考虑到实际应用中需要低功耗、长时间运行,同时要求电路简单、便于安装和后期维护,并且考虑实际使用中成本,本文采用基于V/T变换的电容测量法[10]。

基于V/T变换的电容测量法电路框图见图2。其中Io为4DH型精密恒流管,它与待测电容C构成了闭合串联回路,电压比较器的两端输入电压为待测电容的端电压。电路首先通过闭合模拟开关K1,通过恒流源给待测电容进行充电,充电完毕之后Uc=Us；模拟开关K1断开,K2闭合,电容在恒流源Io的作用下开始放电,同时通过单片机的计数器记录电容放电到Uc=0的时间,计时器计数值与放电时间成正比。计数器与放电时间的关系曲线见图3。

图2 基于V/T变换的电容测量法电路框图

图3 放电时间关系曲线

电容两端电压Uc与恒流源电流I0的大小满足：

(2)

当电容放电完毕，则Uc=0，有

(3)

式中，N为计数器的计数值,Tc为计数器的计数脉冲周期。待测电容的大小与N的大小成正比,因此测量电路只需要测量出放电过程中计数值N即可求出被测电容的大小[11-12]。

基于V/T变换的电容测量法,只需要一次放电过程即可以测出电容的大小,电路简单而且测量的精度比较高,工作稳定不易干扰,是实现微小电容测量比较理想的方法。

4 实验测量

对居民楼房普遍使用的PVC材质排水管(2种型号，直径分别为3.6 cm和直径6 cm)在管内积水和无水下分别测量了管壁间电容,测量结果见表2。

表2 实际测量数据 PF

注：锡箔厚度0.5 mm。

对比2组实验数据可知,无论是直径为3.6 cm的水管，还是直径为6 cm的水管,满水管的电容测量值远远高于空水管的测量值,高达4.7～11.5倍，可见管内是否有水其电容值的变化是明显的,因此完全可以通过电容值变化来判断管内是否积水。

另外,从实验数据可以看到,同一直径的水管锡箔面积的大小与测量的电容值变化倍率并不呈线性关系,这是由于电容传感器极板是半圆形,3个面积不等的锡箔代表弧度由小到大,其中30 cm2和100 cm2是近乎完全包裹。为提高判断准确率,在产品设计时金属极板弧度不宜过大,可横向扩展金属极板程度提高正对面积。

5 结论

(1) 水管内的积水对于管壁之间的电容大小的影响十分明显,选择面积合适的电容传感器,空水管和满水管电容大小差别在10倍左右。因此可用电容值的变化率作为管内中是否有积水的判断依据。

(2) 基于V/T变换的电容测量法的测量电路简单,低功耗,易于操作,为管道堵塞提供了一个切实可行、简单高效的检测手段。

(3) 以弧形贴合电容传感器,配合微小电容测量电路,定时对楼房下水道进行电容值检测,通过电容值的变化进而判断管道中是否积水,然后发出警报或通过无线通信手段将数据传输到管理单位,可很好地防止污水倒灌,给居民生活带来便利。另外还可根据不同物质的相对介电常数差异,可用于其他领域的堵点检测,方便管道维护。

References)

[1] 高雪成.建筑底层排水堵塞的分析和解决方法J].给水排水，2013，39(3)：75-78.

[2] 王淑芝，马秀凤，曲秀贤.城市排水管道堵塞的原因及防护措施[J].森林工程，2000，16(2)：58-59.

[3] 王茜，韩庆邦，赵胜永，等.波纹管注浆缺陷超声波检测方法[J].实验技术与管理，2014，31(2)：53-56.

[4] 马剑峰，王丽，马絮飞，等.超声波液位测量装置设计及在实验室的应用[J].实验技术与管理，2012，29(10)：74-75.

[5] 王宇辰，陈建业，徐璐，等.基于电容法的管内低温流体液膜厚度测量方法[J].浙江大学学报，2016，50(10):1855-1858.

[6] 沙占友，王晓君.实用数字化测量技术[M].北京：国防工业出版社，1991.

[7] 刘志壮，吕贵勇.基于电容法的稻谷含水率检测[J].农业机械学报，2013，44(7):179-182.

[8] 周真，苑惠娟. 传感器原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2011.

[9] 邱桂苹，于晓洋，陈德运.微小电容测量电路[J].黑龙江电力，2006，28(5)：362-366.

[10] 李新娥，马铁华，祖静，等. 基于充放电原理的小电容测量电路[J].探测与控制学报，2012，34(2)：42-48.

[11] 刘凯. 微小电容检测及报警电路的设计[J].新技术新仪器，2009，29(5)：1-4.

[12] 侯亚宾，卜雄洙，孙斌. 微小电容检测系统的设计及应用[J].应用天地，2015，34(12)：1-4.

Study on capacitance method for detecting internal blockage in non-metallic pipeline

Fang Hao, Zhang Zhijian, Zhuang Jianjun, Chen Yihuang, Gao Qin

(School of Electronic Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023,China)

Aiming at the problem of sewer pipeline blockage,a new type of capacitive sensor and its measuring circuit for the arc pipeline are designed,and the micro capacitance measurement method is used to realize the detection of the blockage in the non-metal pipeline. The experimental results show that as the dielectric constant between the air and water varies greatly,the blockage effect of the capacitance between the outer walls of the water pipe is very obvious. It is feasible to determine the blockage inside the pipe with the change of the capacitance between the pipe walls. The capacitance detection method has high sensitivity,stability,convenience and good dynamic characteristics,which provides a convenient,fast and effective means for judging and early warning of the blockage in the non-metal pipeline.

pipeline blockage; blockage detection; capacitance method; dielectric constant

10.16791/j.cnki.sjg.2017.07.018

2016-12-26

2017-02-22

江苏省高等教育教改研究立项课题(2015JSJG165,2015JSJG069)；2016年教育部产学合作协同育人项目(201601004005、201601012023); 2016年度电子信息类专业教指委研究课题重点项目(2016-Z1)

方浩(1995—),男,安徽潜山,本科生,通信工程专业

E-mail：141180020@smail.nju.edu.cn

张志俭(1976—),男,江苏常熟,学士,工程师,主要从事嵌入式系统、电路实验教学和研究.

E-mail：njuzzj@sina.com

TU823

B

1002-4956(2017)07-0066-03