一種漏水自動關斷系統設計

摘" 要：日常生活中，水管破裂、設備故障、水閥忘關等造成漏水的情況時有發生，漏水將導致水資源浪費或造成間接財產損失。針對漏水問題，設計一種漏水自動關斷系統，并進行試驗驗證，給出系統方案設計、各部件組成、控制方式、試驗驗證等。該系統能自動檢測水管中水流是否長時間未關斷，若連續水流時間超過設置值，則系統通過電機帶動機械手自動關閉水閥，避免水資源的大量浪費。由于該系統時間設置靈活，并自帶水力發電機，無需自備或外部供電，使用和安裝非常方便。

關鍵詞：漏水；自動關斷；水資源浪費；水閥忘關；環保

中圖分類號：TP273" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0106-04

Abstract： In daily life， water leakage caused by water pipe rupture， equipment failure and water valve failure occurs from time to time， which will lead to waste of water resources or indirect property loss. In order to solve the problem of water leakage， an automatic turn-off system of water leakage is designed， and the experimental verification is carried out， and the system scheme design， composition of components， control mode， test verification and so on are given. The system can automatically detect whether the water flow in the water pipe has not been turned off for a long time. If the continuous flow time exceeds the set value， the system automatically closes the water valve by driving the manipulator through the motor， which avoids a lot of waste of water resources. Because the time setting of the system is flexible， and it has its own hydrogenerator， it does not need self-provided or external power supply， thereby is very convenient to use and install.

Keywords： water leakage; automatic shut-off; waste of water resources; water valve; environmental protection

我國是一個缺水嚴重的國家，人均淡水資源占有率約有2 300 m3，僅為世界平均水平的四分之一，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。全國城市缺水總量為60億m3，全國600多座城市中，已有400多個城市存在供水不足問題，其中嚴重的缺水城市達110個[1-2]。

然而，在我們日常生活中，水管漏水、設備故障以及人為疏忽忘關水龍頭等原因，導致水資源浪費的情況也是時有發生。漏水不但造成水資源浪費，而且還可能造成巨大經濟損失，如：水溢出后浸泡地板、家具，影響樓下鄰居或造成電氣短路等[3-6]。

為此，針對管路漏水、忘關閥等問題，本文設計了一種漏水自動關斷系統，該系統通過水力發電機自動檢測水管中水流是否長時間未關斷，若連續水流時間超過設定值，則系統利用水力發電機存儲的能量，控制電機帶動機械手自動關閉水閥，避免了水資源的大量浪費。相比于其他漏水報警或自關斷系統[7-9]，本系統最大優點是時間設置靈活，且不需要自帶電池，也無需外部電源供電，給使用和安裝帶來方便。

1" 系統方案設計

漏水自動關斷系統方案框圖如圖1所示，它由水力發電機、控制單元、電動機械手組成，整個系統安裝在家庭自來水入戶口總水管閥門或其他用水前端，水管閥門為帶旋轉手柄的普通閥門，通過機械連接與電動機械手相連，用于控制水閥的關閉。

系統安裝到管路后，必須能自動識別正常用水還是發生漏水，避免誤操作給用戶帶來煩惱。根據一般用水經驗，家庭生活中正常用水多為間斷式，其最大的特點是每次用一定時間的水量后都會關閉用水設備（如：刷牙、洗臉、洗手、洗菜、洗衣、沖馬桶等），一般連續用水量不會超過10 min，而發生漏水的特點是連續水流時間超過正常用水時間。根據這一用水特點，當用戶用水時，水管中有水流過，水力發電機轉動輸出電壓給控制單元，控制單元通過電壓判斷用水情況，同時將水力發電機輸出電能儲存起來，如果水力發電機連續有電壓輸出，說明水管中一直有水在流動，若控制單元檢測到發電機輸出電壓連續超過最大用水時間設置值（此時間設置值可根據不同需求進行更改），則判斷水管正在漏水，系統將立即發出控制信號，用控制單元儲存的電能驅動電動機械手關閉水管閥門，避免大量漏水導致嚴重后果的發生。

當系統觸發自動關閉功能后，用戶能夠在本系統上方便快捷地重新恢復正常用水功能，系統又重新開始新的保護工作。

2" 水力發電機

本系統采用的水力發電機為微型自來水發電機，由水輪、三相交流發電機、整流及穩壓模塊組成，如圖2所示，主要用于檢測管道中水流情況，同時提供電能給控制單元。

水力發電機是一種將水流機械能轉化為電能的裝置，使用時將它安裝在水管上，打開水龍頭，水開始流動并推動水輪轉動，由水輪帶動三相交流發電機進行發電，發出電壓與進水壓強關系如圖3所示，由圖3可以看出水壓越大，發電機發出電壓越高。為了防止過高電壓損壞控制單元，選用帶穩壓的水力發電機，其內部將三相交流電經全波整流再穩壓后供給控制單元，三相交流全波整流及穩壓電路如圖4所示，其中交流線間電阻Ra=Rb=Rc=10.5±0.5 Ω，輸出電壓VDC=12 V，輸出最大峰值電流為220 mA。

根據國家標準，入戶自來水水壓標準通常在0.15 ～0.35 MPa之間，滿足水力發電機對進水壓強的要求。

3" 電動機械手

電動機械手由直流電動機、減速機構、限位器、機械手臂、拉環離合器等組成，如圖5所示，作為執行機構，主要用于關閉水閥。當控制單元檢測到漏水時輸出電壓到直流電動機上，電機經減速機構增扭后，帶動機械手臂旋轉來關閉水閥。電動機械手通過支架與水閥開關安裝在一起，支架直接卡在水管上，機械手臂與水閥手柄相連，無需拆卸管路，安裝簡單、便捷，其安裝示意圖如圖6所示。

電動機械手有2個轉角限位器，防止機械手臂超出水閥轉角范圍，將機械手臂限制在90°范圍內，當機械手臂旋轉到達限位器時，觸動限位器微動開關，電機將停止轉動。

另外，電動機械手還有一個拉環離合器，往下拉動拉環離合器，機械手臂與電機脫離，用戶可以自由旋轉機械手臂，在系統關閉水閥時可以手動恢復正常供水。電動機械手主要指標參數：①工作電壓范圍DC5～18 V；②工作電流范圍20～1 000 mA；③關閥時間范圍5～30 s；④扭矩范圍30～60 kg.cm。

4" 控制單元

控制單元為整個系統的核心，它由充電儲能、放電、驅動電機等電路組成，如圖7所示，DC1為水力發電機，M1為電動機械手。打開水龍頭，水力發電機發出的直流電壓VDC經過二極管V11和可調電阻RP1向電容C11充電，當充電電壓將大于穩壓管Z1穩壓值時，晶閘管V14觸發導通，C11中儲存的電能通過V14驅動M1關閉水閥。如果在V14未觸發前關閉水龍頭，則VDC=0，三極管V13導通，C11儲存的電荷通過二極管V12、三極管V13向電阻R13放電，因此只要水流時間不超過設置值，系統將不會關閉水閥，保證正常用水需求，RP1用于調節水流時間設置值。

控制單元有3種工作方式。

1）充電儲能方式。正常用水時，發電機發出的電壓VDC通過V11和RP1向C11充電，此時V13和V14均處于關閉狀態，C11充電時兩端電壓Uc表達式如下

Uc=（VDC-Ve）×（1-e），" （1）

式中：直流電壓VDC=12 V，二極管V11兩端壓降Ve=0.7 V，t為充電時間，RP1×C11為充電時間常數，充電快慢由RP1阻值和C11容值決定。

2）放電方式。在未觸發系統自動關斷功能時，如果正常關閉水流，則VDC=0，V13導通，C11通過V12向R13放電，此時V14處于關閉狀態，忽略V12、V13壓降，C11放電時兩端電壓Uc表達式如下

Uc=U0×e， （2）

式中：U0為電容C11開始放電初始電壓，t為放電時間，R13×C11為放電時間常數，放電快慢由R13阻值和C11容值決定。

3）自動關斷方式。若水流長時間未關，當C11兩端充電電壓大于Z1穩壓值Uz時，觸發V14導通，C11存儲的電能通過電動機械手自動關斷水閥，C11存儲的電能Ec表達式如下

Ec=（Uz2-Um2）/2，" " " " " " （3）

式中：Uz為穩壓管Z1的穩壓值，Um為電機工作的最小電壓。

電機轉動消耗的電能Em表達式如下

Em=Um×Im×tm，" " " " " " " " " "（4）

式中：Um為電機工作的最小電壓，Im為電機在Um電壓工作下的電流，tm為電機帶動機械手臂關閉水閥的最長時間。

顯然，要使電機轉動直至關閉水閥需滿足條件：Ecgt;Em，即C11存儲的有效電能要大于電機轉動關閉水閥所消耗的電能。

5" 試驗驗證

試驗前，先給電機加上電壓Umin=5 V，并測得電機電流Im=30 mA，電動機械手關閉水閥所需時間tm=25 s，因此根據公式（4）計算出電機關閉水閥所需電能Em=3.75 J。選取法拉電容C11=0.5 F、穩壓管Z1穩壓值Uz=9.1V，根據式（3）計算出電容C11存儲的電能Ec=14.45 J，滿足條件：Ecgt;Em。

為了測試驗證系統功能，將系統按圖8所示連接，調整RP1=1 kΩ，根據公式（1）計算漏水關閉時間設置值約14 min。打開水閥，開始計時，此時發電機向C11充電，在計時到14.2 min時，電動機開始旋轉，直至關閉水閥，達到了自動關斷的目的。當RP1=0.5 kΩ時，計時7.1 min關閉水閥，實際關閉時間與計算時間相近。調整RP1不同阻值，試驗也獲得了不同時間的測試結果，且在到達設置時間后均能自動關閉水閥。

6" 結束語

漏水是日常生活常遇到的問題之一[10]，本文設計的漏水自動關斷系統，可根據用水時間來判斷是否漏水，通過安裝在水管中微型水力發電機，實時監測水管中的水流時間并存儲電能，若用水時間超過上限，則判斷漏水發生，觸發控制單元將存儲在電容中的電能輸出給電動機械手來關閉水閥，解決漏水問題，避免漏水故障進一步擴散，并進行了試驗驗證。本系統相比于其他漏水保護系統，最大特點是無需外部電源，也不用自備電池，安裝方便，使用簡單，且可靠性高，具有一定的應用前景。

參考文獻：

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