用于泥水盾构的泥水比重检测装置及其比重检测方法
【专利摘要】本发明提供一种用于泥水盾构的泥水比重检测装置及其比重检测方法，通过在浆槽一侧设置直立的检测管，并在检测管上设置至少三个且彼此之间高度差不相等的压力传感器，在直立的检测管上形成多个测压点用以量测泥浆在不同高度位置的液压，以用于计算泥浆比重，解决了现有泥水平衡式盾构中的泥浆流速波动较大且介质均匀程度不稳定、连续搅拌干扰较大的恶劣环境所导致的比重在线检测精度和可靠性不佳的技术问题，实现了提供一种应用环境适应性强，承受管路振动、环境机械干扰能力强、可靠性高、可维护性强、系统精度高、稳定性好的比重检测装置及比重检测方法。
【专利说明】
用于泥水盾构的泥水比重检测装置及其比重检测方法
技术领域
[0001]本发明涉及泥水平衡式盾构技术领域，具体来说涉及进出盾构泥浆比重检测的装置及检测方法。
【背景技术】
[0002]泥水平衡式盾构掘进施工，具有施工效率高、渣土运输便捷、地面建筑物沉降控制好等优点，在城市大直径公路隧道施工中广泛应用。泥浆循环是泥水盾构的关键技术，进出盾构泥浆比重控制是控制盾构掘进质量的重要基础。泥水处理系统通过调节进出盾构机泥浆的密度等指标，排出渣土，为盾构提供能够满足稳定开挖面的泥浆。
[0003]目前国内外常用的液体比重测量方案主要有浮子式密度法、放射性同位素测量法、超声波浓度测量法、压差密度计等四种。以下说明各测定方法:
[0004]1、浮子式密度法:
[0005]是利用物体在流体内受到的浮力与流体密度有关的原理进行测量，流体密度越大浮力也越大。但浮子式密度计测量精度差，测量数据无输出功能，只能用于密度计量值的估笪并ο
[0006]2、放射性同位素测量法:
[0007]是较早出现测量仪表且目前技术成熟的测量法之一，主要用于检测液体、固体、砂浆、水泥浆等物质的密度及金属矿浆浓度的检测，测量精度高、响应速度快、具有独有的非接触测量以及适用性广的特点，尤其适用于被测物体粗糙坚硬、有腐蚀性或高温高压的恶劣条件。但放射性同位素测量法检测存在生产及维护成本高，放射源对环境和操作人员有一定的风险，管道内壁结垢及磨损将引起测量误差，涉及放射源造成采购审批程序繁琐、管理与检查严格、使用后的放射源也比较难于处理的缺陷。
[0008]3、超声波浓度测量法:
[0009]其工作原理是利用超声波在不同浓度介质下的衰减量变化特性，使用两个超声波换能器用于发送和接收波束，两个换能器齐平地安装于管段两侧或组成一个传感器，两个换能器的间距及工作频率的选择取决于不同的应用场合。但超声波浓度测量法在应用于砂浆泥浆这类介质中的测量精度较差，且寿命短、维护费用高昂。
[0010]4、压差式密度计
[0011]其工作原理是在液体容器或管路的高低两个位置上安装压力传感器，通过采集两个位置上的压力和两个位置之间的高度差计算得出液体密度值。在一个传感器中的两个换能器其之间间距及工作频率的选择取决于不同的应用场合。虽压差式密度计可适用于具一定粘稠度和颗粒物的液体，然而在实际应用中，当检测液体需要搅拌或者检测管路内液体存在共振和驻波时，精确度将受到很大影响，且高低两个压力传感器任一故障即无法工作，难以满足泥水盾构泥浆比重在线检测的精度和可靠性要求。
[0012]综上，现有的液体比重测量方案中在应用于泥水盾构泥浆比重在线检测时，仍有不完备而需要进一步改进之处。
【发明内容】
[0013]鉴于上述情况，本发明提供一种用于泥水盾构的泥水比重检测装置及其比重检测方法，通过在浆槽一侧设置直立的检测管，并在检测管上设置多个(至少三个)且彼此之间高度差不相等的压力传感器，在直立的检测管上形成多个测压点用以量测泥浆在不同高度位置的液压，以用于计算泥浆比重，解决了现有泥水平衡式盾构中的泥浆流速波动较大且介质均匀程度不稳定、连续搅拌干扰较大的恶劣环境所导致的比重在线检测精度和可靠性不佳的技术问题，确实且有效地提高了泥水盾构泥浆比重在线检测的精准度的技术效果。
[0014]为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种用于泥水盾构的泥水比重检测装置，其包括:浆槽，用以容置泥水盾构的循环泥浆，所述浆槽具有相对的槽顶及槽底，且所述楽槽在邻近槽底的槽壁上设有取样口 ；检测管，具有一输入口及一输出口，以及一直立形成于所述输入口及输出口之间的测量管段，所述输入口与所述浆槽的取样口连通;至少三个压力传感器，沿所述测量管段设置，且所述至少三个压力传感器之间的高度差不等长；令所述压力传感器感测所述测量管段内部泥浆在不同高度位置的液压并输出压感信号；系统控制器，与所述压力传感器连接，用以接收所述压感信号;所述系统控制器依据所述压感信号及所述高度差计算泥浆在测量管段的不同高度位置的比重数据。
[0015]本发明用于泥水盾构的泥水比重检测装置的进一步改进在于，所述系统控制器具有模数转换器、计算程序模块及压力传感器高度差数据库，其中，所述模数转换器与所述压力传感器及计算程序模块连接，所述模数转换器用以接收并将所述压感信号转换成位数字值，以输出供所述计算程序模块进行计算;所述压力传感器高度差数据库内建有所有压力传感器之间的高度差，所述压力传感器高度差数据库与所述计算程序模块连接用以输出高度差信号供计算程序模块进行计算;令所述计算程序模块依据所述压感信号及所述高度差信号计算泥浆在测量管段的不同高度位置的比重数据。
[0016]本发明用于泥水盾构的泥水比重检测装置的进一步改进在于，所述至少三个压力传感器之间具有至少三组高度差数据;所述各高度差为不等长且不为整数倍。
[0017]本发明用于泥水盾构的泥水比重检测装置的进一步改进在于，所述泥水比重检测装置具有使用者操作界面与所述系统控制器以及盾构的盾构泥浆循环系统连接，所述使用者操作界面用以接收及显示所述系统控制器计算得出的泥浆比重数据，以及输入操作命令控制盾构泥浆循环系统的工作参数。
[0018]本发明用于泥水盾构的泥水比重检测装置的进一步改进在于，所述浆槽为新浆槽或弃浆槽;所述取样口与所述浆槽的槽底之间具有第一距离大于等于0.5公尺(D1 ^0.5m)，且所述取样口与浆槽的低液位位置之间具有第二距离大于等于0.5公尺(D2 ^0.5m);所述检测管的测量管段与输入口之间具有输入管段连通，所述测量管段与输出口之间具有输出管段连通;所述输入管段设有循环栗提供泥浆循环动力，所述检测管内的泥浆具有平均流速0.15至0.6公尺/秒(0.15-0.6m/s)。
[0019]本发明还提供了前述用于泥水盾构的泥水比重检测装置的比重检测方法，其方法步骤包括:
[0020]在浆槽的槽壁邻近槽底处设置取样口；
[0021 ]将检测管直立地设置在浆槽一侧，且将检测管的输入口与所述取样口连通；
[0022]在检测管的测量管段上设置至少三个压力传感器，且所述压力传感器之间的高度差不相等；
[0023]所述压力传感器与系统控制器连接，令压力传感器感测测量管段不同高度位置的泥浆液压后，各别输出压感信号至系统控制器；
[0024]所述系统控制器经采集和处理所述测量管段上的少三个测压点，获得至少三组所述压感信号及所述高度差，以计算出至少三组泥浆在测量管段的不同高度位置的比重数据。
[0025]本发明前述比重检测方法进一步改进在于，所述取样口设置在与槽底之间距离大于等于0.5公尺(D1.5m)处，且所述取样口与浆槽的低液位位置之间距离大于等于0.5公K(D2^0.5m)o
[0026]本发明前述比重检测方法进一步改进在于，所述系统控制器具有模数转换器与所述压力传感器以及计算程序模块连接，令模数转换器接收并将所述压感信号转换成位数字值，以输出至所述计算程序模块进行计算;所述压力传感器高度差数据库内建有所有压力传感器之间的高度差，所述压力传感器高度差数据库与所述计算程序模块连接用以输出高度差信号供计算程序模块进行计算;令所述计算程序模块依据所述压感信号及所述高度差信号计算泥浆在测量管段的不同高度位置的比重数据。
[0027]本发明前述比重检测方法更进一步改进在于，所述系统控制器与使用者操作界面连接，且系统控制器通过计算程序模块将检测计算后获得的泥浆比重数据输出至使用者操作界面;所述计算程序模块通过比对计算，剔除可判断为故障测压点的连续大幅偏差测压数据，并形成报警提示信号输出至使用者操作界面示警。
[0028]本发明前述比重检测方法更进一步改进在于，所述计算程序模块通过比对计算剔除少数由于测压点与振动干扰谐振点接近或者信号干扰造成的偏离数据。
[0029]本发明由于采用了以上技术方案，使其具有以下有益效果:
[0030](I)避免了在盾构施工现场采用放射性同位素密度计带来的环境、人员健康风险和管理、处置成本。
[0031](2)改进了压力检测式密度计的结构、总体设计和计算方法，优化了适用范围、提高了使用效果和可靠性。
[0032](3)形成了压力检测式比重在线检测装置在泥水平衡式盾构中的泥浆流速波动较大且介质均匀程度不稳定、连续搅拌干扰较大的恶劣环境应用方案。
【附图说明】
[0033]图1是本发明泥水比重检测装置用于泥水盾构的架构示意图。
[0034]图2是本发明泥水比重检测装置中泥浆输送部件及压力传感器配置示意图。
[0035]图3是本发明泥水比重检测装置中压力传感器之间垂直高度差示意图。
[0036]图4是本发明泥水比重检测装置进行比重计算的参数获取流程示意图。
[0037]附图标记与部件的对应关系如下:
[0038]盾构10;盾构泥浆循环系统11；浆槽20;槽顶21;槽底22;取样口 23;检测管30;输入口 31;输出口 32;测量管段33;输入管段34;循环栗341;输出管段35;压力传感器40;第一压力传感器41;第二压力传感器42;第三压力传感器43;系统控制器50;模数转换器51;计算程序模块52;压力传感器高度差(Δ h)数据库53;使用者操作界面60;高度差△ h;第一距离Dl;第二距离D2;压感信号Sp ;第一压感信号Sp1 ;第二压感信号Sp2 ;第三压感信号Sp3 ;高度差信号 SAho
【具体实施方式】
[0039]为利于对本发明的了解，以下结合附图及实施例进行说明。
[0040]请参阅图1至图4，本发明提供一种用于泥水盾构的泥水比重检测装置及其比重检测方法。如图1，所述比重检测装置包括设于盾构10内部或外部的浆槽20、与所述浆槽20连通用以循环输送泥浆的的检测管30、设于所述检测管30上的压力传感器40，以及与所述压力传感器40连接用以采集、处理来自压力传感器40的压感信号。
[0041]如图2所示，所述浆槽20用以容置泥水盾构的循环泥浆，所述浆槽20具有相对的槽顶21及槽底22，且所述浆槽20在邻近槽底22的槽壁上设有取样口 23。较佳的，所述浆槽20可以是新浆槽或弃浆槽;所述取样口 23与所述浆槽20的槽底22之间具有第一距离Dl大于等于
0.5公尺(D1 ^0.5m)，且所述取样口 23与浆槽20的低液位位置之间具有第二距离D2大于等于 0.5 公尺(D2^0.5m)。
[0042]所述检测管30可以是用以循环输送盾构泥浆的管道，也可以独立的采样回路，从而提高了本发明的适用检测范围。所述检测管30具有一输入口31及一输出口32，以及一直立形成于所述输入口 31及输出口 32之间的测量管段33，所述输入口 31与所述浆槽20的取样口23连通。较佳的，所述检测管30的测量管段33与输入口31之间具有输入管段34连通，所述测量管段33与输出口 32之间具有输出管段35连通;所述输入管段34设有循环栗341提供泥浆循环动力，所述检测管30内的泥浆具有平均流速0.15至0.6公尺/秒(0.15-0.6m/s)。
[0043]需说明的是，本发明是基于公式:P= p.g.Ah(P:压强P:液体密度g:9.8牛顿/千克(常量)h:物体到液面的深度或距离差)，进行比重计算。因此，所述检测管30的测量管段33采直立设置，所述「直立」是指沿重力方向的竖直形态设置，以测得准确的高度差Ah。
[0044]所述至少三个压力传感器40是沿着所述测量管段33设置，且所述至少三个压力传感器40之间的高度差Ah不等长且较佳不为整数倍;令所述压力传感器40感测所述测量管段33内部泥浆在不同高度位置的液压并输出压感信号Sp;于本实施例中，如图3所示，所述至少三个压力传感器40之间具有至少三组高度差Ah数据;藉此，减少泥浆在检测管30内的流速变化以及泥浆搅拌引起的管路共振、驻波对压力检测的干扰。
[0045]所述系统控制器50与所述压力传感器40连接，用以接收所述压感信号Sp;所述系统控制器50依据所述压感信号Sp及所述高度差△ h计算泥浆在测量管段33的不同高度位置的比重数据。
[0046]于本实施例中，如图4所示，所述系统控制器50具有模数转换器51、计算程序模块52及压力传感器高度差(Ah)数据库53，其中，所述模数转换器51与所述压力传感器40及计算程序模块52连接，所述模数转换器51用以接收并将所述压感信号Sp转换成16位数字值，以输出供所述计算程序模块52进行计算;所述压力传感器高度差(Ah)数据库53内建有所有压力传感器40之间的高度差Ah，所述压力传感器高度差(Ah)数据库53与所述计算程序模块52连接用以输出高度差信号Sm供计算程序模块52进行计算;令所述计算程序模块52依据所述压感信号Sp及所述高度差信号Sm计算泥浆在测量管段33的不同高度位置的比重数据。
[0047]其中，所述压力传感器40是由独立模信号通道输入所述系统控制器50;所述模数转换器51为A/D转换器;且所述压力传感器高度差(Ah)数据库53中的高度差Ah数据可以是在设置压力传感器40后，将压力传感器40之间的高度差Ah数据内建于所述压力传感器高度差(A h)数据库53中，或者，由压力传感器40自行侦测其相对于其他压力传感器40的高度差距再传送储存于所述压力传感器高度差(A h)数据库53中，以进行后续的比对计算。
[0048]进一步地，如图4所示，所述泥水比重检测装置更具有使用者操作界面60与所述系统控制器50以及盾构10的盾构泥浆循环系统11连接，所述使用者操作界面60用以接收及显示所述系统控制器50计算得出的泥浆比重数据，以及输入操作命令控制盾构泥浆循环系统11的工作参数。
[0049]以上说明了本发明用于泥水盾构的泥水比重检测装置的具体实施态样，以下说明前述比重检测装置的比重检测方法。所述方法步骤包括:
[0050]在浆槽20的槽壁邻近槽底22处设置取样口23;
[0051 ]将检测管30直立地设置在浆槽20—侧，且将检测管30的输入口 31与所述取样口 23连通；
[0052]在检测管30的测量管段33上设置至少三个压力传感器40，且所述压力传感器40之间的尚度差△ h不相等；
[0053]所述压力传感器40与系统控制器50连接，令压力传感器40感测测量管段33不同高度位置的泥楽液压后，各别输出第一压感信号Sp1、第二压感信号Sp2、第三压感信号Sp3至系统控制器50;
[0054]所述系统控制器50经采集和处理所述测量管段33上的少三个测压点，获得至少三组所述压感信号Sp及所述高度差△ h，以计算出至少三组泥浆在测量管段33的不同高度位置的比重数据。
[0055]其中，所述取样口23较佳设置在与槽底22之间距离大于等于0.5公尺(D1.5m)处，且所述取样口 23与浆槽20的低液位位置之间距离D2大于等于0.5公尺(D2S0.5m);所述检测管30管内的平均流速较佳为0.15-0.6公尺/秒(0.15-0.6m/s)。
[0056]其中，所述系统控制器50具有模数转换器51与所述压力传感器40以及计算程序模块52连接，令模数转换器51接收并将所述第一压感信号Sp1、第二压感信号SP2、第三压感信号Sp3转换成16位数字值的压感信号SP，以输出至所述计算程序模块52进行计算;所述压力传感器高度差(Ah)数据库53内建有所有压力传感器40之间的高度差Ah，所述压力传感器高度差(A h)数据库53与所述计算程序模块52连接用以输出高度差信号Sm供计算程序模块52进行计算;令所述计算程序模块52依据所述压感信号Sp及所述高度差信号Sm计算泥浆在测量管段33的不同高度位置的比重数据。
[0057]其中，本发明通过用于泥水盾构的泥水比重检测装置具有校验及偏离检测功能。具体地，所述计算程序模块52可以通过比对计算，剔除可判断为故障测压点的连续大幅偏差测压数据;且进一步地，将所述系统控制器50与使用者操作界面60连接，且系统控制器50经由计算程序模块52将检测计算后获得的泥浆比重数据输出至使用者操作界面60;则计算程序模块52在发现大幅偏差测压数据后，可据其形成报警提示信号输出至使用者操作界面60示警，具有提高系统可靠性和可维护性，以及将剩余可信比重计算数据进行平均以提高数据精度等技术效果。此外，所述计算程序模块52可以通过比对计算剔除少数由于测压点与振动干扰谐振点接近或者信号干扰造成的偏离数据，以减少机械干扰影响，提高数据精度。
[0058]另需进一步说明的是，本发明所述高度差Ah数据是依据下列式(I)计算获得:
[0059][nX(n-l)]/2 (I)
[0060]其中，η是压力传感器40的数量。即每个压力传感器至其他压力传感器的所有高度差。
[0061]如图3，以三个压力传感器40进行说明，所述高度差Ah包括了第一压力传感器41到第二压力传感器42及第三压力传感器43的高度差(Δ h = hl-2、hl-3)，以及第二压力传感器42到第三压力传感器43的高度差(Δ h = h2-3)，其中，第二压力传感器42至第一压力传感器41的高度差等同于第一压力传感器41至第二压力传感器42的高度差，故不再重计。
[0062]是以，当设置四个或五个压力传感器40时，即可获得分别获得6组或10组的高度差Δ h数据，配合压力传感器40测得的压感信号Sp数据，可以计算出多组泥浆比重数据。
[0063]本发明是依据下列式(2)计算获得泥浆比重:
[0064]P= ΔΡ/gAh (2)
[0065]其中，△P:是压力传感器40测得液压差值;P:泥浆比重(密度)；g:重力加速度(常量)；Ah:压力传感器40之间的高度差。
[0066]如图3，第一压力传感器41至第二压力传感器42之间的泥浆比重计算为:Pl-2=(P1-P2)/g.hi—2;第二压力传感器42至第三压力传感器43之间的泥浆比重计算为:P2-3 =(P2-P3)/g.h2—3;又，第一压力传感器41至第三压力传感器43之间的泥浆比重为ph=^-
P3)/g.hi—3。
[0067]是以通过由至少三个压力传感器40测压采集而得的数据进行计算，可以获得至少三组由不同高度测得的泥浆比重数据，供系统控制器50的计算程序模块52进行比对、校验及离检测，从而获得相较于以往以两点测压更为精准的比重数据。
[0068]以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种用于泥水盾构的泥水比重检测装置，其特征在于，包括: 浆槽，用以容置泥水盾构的循环泥浆，所述浆槽具有相对的槽顶及槽底，且所述浆槽在邻近槽底的槽壁上设有取样口； 检测管，具有一输入口及一输出口，以及一直立形成于所述输入口及输出口之间的测量管段，所述输入口与所述浆槽的取样口连通； 至少三个压力传感器，沿所述测量管段设置，且所述至少三个压力传感器之间的高度差不等长;令所述压力传感器感测所述测量管段内部泥浆在不同高度位置的液压并输出压感信号； 系统控制器，与所述压力传感器连接，用以接收所述压感信号;所述系统控制器依据所述压感信号及所述高度差计算泥浆在测量管段的不同高度位置的比重数据。2.根据权利要求1所述的用于泥水盾构的泥水比重检测装置，其特征在于: 所述系统控制器具有模数转换器、计算程序模块及压力传感器高度差数据库，其中，所述模数转换器与所述压力传感器及计算程序模块连接，所述模数转换器用以接收并将所述压感信号转换成位数字值，以输出供所述计算程序模块进行计算;所述压力传感器高度差数据库内建有所有压力传感器之间的高度差，所述压力传感器高度差数据库与所述计算程序模块连接用以输出高度差信号供计算程序模块进行计算;令所述计算程序模块依据所述压感信号及所述高度差信号计算泥浆在测量管段的不同高度位置的比重数据。3.根据权利要求1或2所述的用于泥水盾构的泥水比重检测装置，其特征在于: 所述至少三个压力传感器之间具有至少三组高度差数据;所述各高度差为不等长且不为整数倍。4.根据权利要求1或2所述的用于泥水盾构的泥水比重检测装置，其特征在于: 所述泥水比重检测装置具有使用者操作界面与所述系统控制器以及盾构的盾构泥浆循环系统连接，所述使用者操作界面用以接收及显示所述系统控制器计算得出的泥浆比重数据，以及输入操作命令控制盾构泥浆循环系统的工作参数。5.根据权利要求1或2所述的用于泥水盾构的泥水比重检测装置，其特征在于: 所述浆槽为新浆槽或弃浆槽;所述取样口与所述浆槽的槽底之间具有第一距离大于等于0.5公尺，且所述取样口与浆槽的低液位位置之间具有第二距离大于等于0.5公尺； 所述检测管的测量管段与输入口之间具有输入管段连通，所述测量管段与输出口之间具有输出管段连通;所述输入管段设有循环栗提供泥浆循环动力，所述检测管内的泥浆具有平均流速0.15至0.6公尺/秒。6.—种根据权利要求1至5中任一项所述的用于泥水盾构的泥水比重检测装置的比重检测方法，其特征在于，所述方法包括: 在浆槽的槽壁邻近槽底处设置取样口 ； 将检测管直立地设置在浆槽一侧，且将检测管的输入口与所述取样口连通； 在检测管的测量管段上设置至少三个压力传感器，且所述压力传感器之间的高度差不相等； 所述压力传感器与系统控制器连接，令压力传感器感测测量管段不同高度位置的泥浆液压后，各别输出压感信号至系统控制器； 所述系统控制器经采集和处理所述测量管段上的少三个测压点，获得至少三组所述压感信号及所述高度差，以计算出至少三组泥浆在测量管段的不同高度位置的比重数据。7.根据权利要求6所述的用于泥水盾构的泥水比重检测装置的比重检测方法，其特征在于: 所述取样口设置在与槽底之间距离大于等于0.5公尺处，且所述取样口与浆槽的低液位位置之间距离大于等于0.5公尺。8.根据权利要求6所述的用于泥水盾构的泥水比重检测装置的比重检测方法，其特征在于: 所述系统控制器具有模数转换器与所述压力传感器以及计算程序模块连接，令模数转换器接收并将所述压感信号转换成位数字值，以输出至所述计算程序模块进行计算;所述压力传感器高度差数据库内建有所有压力传感器之间的高度差，所述压力传感器高度差数据库与所述计算程序模块连接用以输出高度差信号供计算程序模块进行计算;令所述计算程序模块依据所述压感信号及所述高度差信号计算泥浆在测量管段的不同高度位置的比重数据。9.根据权利要求8所述的用于泥水盾构的泥水比重检测装置的比重检测方法，其特征在于: 所述系统控制器与使用者操作界面连接，且系统控制器通过计算程序模块将检测计算后获得的泥浆比重数据输出至使用者操作界面； 所述计算程序模块通过比对计算，剔除可判断为故障测压点的连续大幅偏差测压数据，并形成报警提示信号输出至使用者操作界面示警。10.根据权利要求8所述的用于泥水盾构的泥水比重检测装置的比重检测方法，其特征在于: 所述计算程序模块通过比对计算剔除少数由于测压点与振动干扰谐振点接近或者信号干扰造成的偏离数据。
【文档编号】G01N9/26GK105865975SQ201610421833
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】黎燕, 王吉云, 季倩倩, 方卫, 刘小方, 左锋, 冯雷, 田海洋
【申请人】上海隧道工程有限公司