一种具有高温-高压数控装置的砂箱模拟系统的制作方法

本发明属于砂箱设计技术领域，具体涉及一种具有高温-高压数控装置的砂箱模拟系统。

背景技术：

构造物理模拟系统是通过自然界实例和实验室模型间几何学-运动-动力学相似和“实验-实例”互证理论来定性-定量地体现地质现象或地球动力学过程机制及其内涵。

在某些特殊情况下，过于简化实验室模型模拟结果不能外延至自然界复杂的地质构造，尤其是高温-超压盆地环境的流体水岩过程，如中国南方莺歌海和英国北海地区等，现今大量的研究表明砂箱物理模型中压缩空气遵守terzaghi有效力准则，能够有效模拟异常孔隙流体压力条件下的地层变形，但如何外延至高温气体充注条件砂箱物质变形仍然是值得思考的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的具有高温-高压数控装置的砂箱模拟系统解决了现有的相关模拟装置中不能准确的模拟出高温-高压的特殊环境中的砂箱物质变形问题，为高温-高压条件下砂箱物质变形与其流体/水岩过程与变形机理的研究，提供了数据支撑。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种具有高温-高压数控装置的砂箱模拟系统，包括高压气罐组、压力传感器、单向阀、高压气泵、高压线性阀、风道加热器、砂箱、主控模块和计算机；

所述高压气罐组包括若干个高压气罐，且每个高压气罐的出气口均与压力传感器以及高压线性阀连接，并通过单向阀与高压气泵连接；

所述高压线性阀通过风道加热器与砂箱连接，所述砂箱还与压力传感器连接；

所述主控模块分别与高压气泵、砂箱和计算机连接。

进一步地，所述砂箱内设置有3个压差型压力传感器和3个测温测压一体化单元；

所述3个压差型压力传感器埋于砂箱内部的砂子中，且从上到下依次排列于砂箱内部一侧，每两个相邻压差型压力传感器之间均通过砂子间隔，每个压差型压力传感器均与压力传感器和主控模块连接；

所述3个测温测压一体化单元埋于砂箱内部的砂子中，且从上到下依次排列于砂箱内部另一侧，每两个相邻测温测压一体化单元之间均通过砂子间隔，每个测温测压一体化单元均与压力传感器和主控模块连接；

所述砂箱箱体底部外侧设置有密孔过风板，密孔过风板通过风道加热器与高压线性阀连接；

密孔过风板与砂箱箱体底部外侧之间设置有100目纱布。

进一步地，每个所述测温测压一体化单元包括一个压强探头、一个温度探头和一个变送器；

所述压强探头和温度探头均与变送器连接，所述变送器通过通信线缆与主控模块连接。

进一步地，所述砂箱模拟系统还包括备用高压线性阀，所述备用高压线性阀分别与砂箱和主控模块连接。

进一步地，所述压力传感器的型号为mik-p300；

所述压差式传感器的型号为mik6100。

进一步地，所述主控模块包括传感器接口电路、电源电路、高压线性阀控制电路和主控电路；

所述传感器接口电路、电源电路和高压线性阀控制电路均与主控电路连接。

进一步地，所述电源电路包括220v转24v子电路、24v转12v子电路、24v转5v子电路、5v转3.3v子电路和电源滤波子电路；

24v转12v子电路中的电压转换芯片的型号为lt8610；24v转5v子电路中的电压转换芯片的型号为wd6-24s05a1；5v转3.3v子电路中的电压转换芯片的型号为ams1117；

其中，220v转24v子电路的信号输入端与家用电源连接；

220v转24v子电路的信号输出端分别与24v转12v子电路以及24v转5v子电路的信号输入端连接；

24v转5v子电路的信号输出端与5v转3.3v子电路的信号输入端连接；

220v转24v子电路的信号输出端还分别与高压线性阀控制电路和传感器接口电路的电源输入端连接；

5v转3.3v子电路的信号输出端通过电源滤波电路与主控电路的电源输入端连接；

电源滤波电路由6个完全相同的电容并联连接组成。

进一步地，所述主控电路的主控芯片型号为stm32f103rct6；

其连接的外围子电路包括程序下载接插件p20、晶振子电路、迪文显示屏接插件p19和两个开关控制子电路；

主控芯片通过程序下载接插件p20与程序下载线连接，用于控制主控芯片的工作；

晶振子电路与主控芯片的时钟端口连接，为主控芯片提供时钟振荡频率；

主控芯片通过迪文显示屏接插件p19与迪文显示屏连接，用于显示压差型压力传感器和测温测压一体化单元测得的数据；

主控芯片通过两个开关控制子电路分别与接插件p15及接插件p16连接；

迪文显示屏的电源输入端与24v转12v子电路信号输出端连接；

所述开关控制子电路均包括一个电阻、一个三极管、一个二极管和一个继电器：

所述电阻的一端分别作为信号输入端与主控芯片的开关控制端口连接，电阻的另一端与三极管的基极连接，三极管的集极与二极管的正极连接，三极管的发射极接地，二极管的负极与220v转24v子电路的信号输出端连接，二极管的负极与正极之间连接有继电器的线圈，继电器的衔铁通过接插件p17与火线连接，继电器的常开端分别与接插件p15或接插件p16的一个端口连接，接插件p15或接插件16均通过接插件p17与零线连接。

进一步地，所述传感器接口电路包括12个传感器连接子电路；

每个传感器连接子电路均为：

接插件pi的一个端口与220v转24v子电路的信号输出端连接，接插件pi的另一个端口与二极管di的负极、电阻ri的一端以及电容ci的一端连接，二极管di的正极、电阻ri的另一端以及电容ci另一端均接地；

接插件pi的另一个端口还与主控电路中主控芯片的传感器信号输入端口连接；

其中，i＝1,2....12。

进一步地，所述高压线性阀控制电路具体为：

运算放大器u1的同相输入端与主控电路中主控芯片的高压线性阀控制端口dac1连接，运算放大器u1的反相输入端分别与电阻r17的一端以及电阻r23的一端连接，运算放大器u1的电源输入端与220v转24v子电路的输出端连接，运算放大器u1的接地端接地，运算放大器u1的信号输出端与电阻r17的另一端通过接插件p13与高压线性阀连接；

运算放大器u3的同相输入端与主控电路中主控芯片的备用高压线性阀控制端口dac2连接，运算放大器u3的反相输入端与分别电阻r18的一端以及电阻r24的一端连接，运算放大器u3的电源输入端与220v转24v子电路的输出端连接，运算放大器u3的接地端接地，运算放大器u3的信号输出端与电阻r18的另一端通过接插件p13与备用高压线性阀连接，电阻r24的另一端与电阻r23的另一端连接并接地。

本发明的有益效果为：本发明提供的具有高温-高压数控装置的砂箱模拟系统解决了现有的相关模拟装置中不能准确的模拟出高温-高压的特殊环境中的砂箱物质变形问题，为高温-高压条件下砂箱物质变形与其流体/水岩过程与变形机理的研究，提供了数据支撑。

附图说明

图1为本发明提供的实施例中具有高温-高压数控装置的砂箱模拟系统结构框图。

图2为本发明提供的实施例中砂箱结构剖视图。

图3为本发明提供的实施例中电源电路图。

图4为本发明提供的实施例中电源滤波电路。

图5为本发明提供的实施例中主控电路的主控芯片示意图。

图6为本发明提供的实施例中主控芯片的外围电路图。

图7为本发明提供的实施例中传感器接口电路图。

图8为本发明提供的实施例中高压线性阀控制电路图。

图9为本发明提供的实施例中接插件示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，具有高温-高压数控装置的砂箱模拟系统包括高压气罐组、压力传感器、单向阀、高压气泵、高压线性阀、风道加热器、砂箱、主控模块和计算机；其中，压力传感器的型号为mik-p300；

高压气罐组包括若干个高压气罐，且每个高压气罐的出气口均与压力传感器以及高压线性阀连接，并通过单向阀与高压气泵连接；

高压线性阀通过风道加热器与砂箱连接，砂箱还与压力传感器连接；

主控模块分别与高压气泵、砂箱和计算机连接。

其中，通过高压气罐和主控模块结合使用，使系统达到预设的压强；通过线性调节阀实时调节高压气罐内的气压；通过压力传感器实时监测高压气罐内的气压；通过计算机与主控模块连接，可根据实际试验需要设置系统所需温度和压强；设置的备用高压线性阀，可在高压线性阀故障时进行使用。

如图2所示，上述砂箱内设置有3个压差型压力传感器和3个测温测压一体化单元；压差式传感器的型号为mik6100；

3个压差型压力传感器埋于砂箱内部的砂子中，且从上到下依次排列于砂箱内部一侧，每两个相邻压差型压力传感器之间均通过砂子间隔，每个压差型压力传感器均与压力传感器和主控模块连接；

3个测温测压一体化单元埋于砂箱内部的砂子中，且从上到下依次排列于砂箱内部一侧，每两个相邻测温测压一体化单元之间均通过砂子间隔，每个测温测压一体化单元均与压力传感器和主控模块连接；

砂箱箱体底部外侧设置有密孔过风板，密孔过风板通过风道加热器与高压线性阀连接；

密孔过风板与砂箱箱体底部外侧之间设置有100目纱布。

其中，每个测温测压一体化单元包括一个压强探头、一个温度探头和一个变送器；压强探头和温度探头均与变送器连接，变送器通过通信线缆与主控模块连接。

上述主控模块包括传感器接口电路、电源电路、高压线性阀控制电路和主控电路；

传感器接口电路、电源电路和高压线性阀控制电路均与主控电路连接；

如图3至图4所示，上述电源电路包括220v转24v子电路、24v转12v子电路、24v转5v子电路、5v转3.3v子电路和电源滤波子电路；

24v转12v子电路中的电压转换芯片的型号为lt8610；24v转5v子电路中的电压转换芯片的型号为wd6-24s05a1；5v转3.3v子电路中的电压转换芯片的型号为ams1117；

其中，220v转24v子电路的信号输入端与家用电源连接；

220v转24v子电路的信号输出端分别与24v转12v子电路以及24v转5v子电路的信号输入端连接；

24v转5v子电路的信号输出端与5v转3.3v子电路的信号输入端连接；

220v转24v子电路的信号输出端还分别与高压线性阀控制电路和传感器接口电路的电源输入端连接；

5v转3.3v子电路的信号输出端通过电源滤波电路与主控电路的电源输入端连接；

如图4所示，电源滤波电路由6个完全相同的电容并联连接组成。

如图5至图6所示，主控电路的主控芯片型号为stm32f103rct6；

其连接的外围子电路包括程序下载接插件p20、晶振子电路、迪文显示屏接插件p19和两个开关控制子电路；

主控芯片通过程序下载接插件p20与程序下载线连接，用于控制主控芯片的工作；

晶振子电路与主控芯片的时钟端口连接，为主控芯片提供时钟振荡频率；

主控芯片通过迪文显示屏接插件p19与迪文显示屏连接，用于显示压差型压力传感器和测温测压一体化单元测得的数据；

主控芯片通过两个开关控制子电路分别与接插件p15及接插件p16连接；

迪文显示屏的电源输入端与24v转12v子电路信号输出端连接；

开关控制子电路均包括一个电阻、一个三极管、一个二极管和一个继电器：电阻的一端分别作为信号输入端与主控芯片的开关控制端口连接，电阻的另一端与三极管的基极连接，三极管的集极与二极管的正极连接，三极管的发射极接地，二极管的负极与220v转24v子电路的信号输出端连接，二极管的负极与正极之间连接有继电器的线圈，继电器的衔铁通过接插件p17与火线连接，继电器的常开端分别与接插件p15或接插件p16的一个端口连接，接插件p15或接插件16均通过接插件p17与零线连接。在继电器没有导通工作时，继电器的衔铁与其常闭端连接，继电器导通工作时，继电器的衔铁与其常开端连接。

传感器接口电路包括12个传感器连接子电路，系统中的各个传感器均可通过传感器连接子电路接入主控芯片，进行数据的采集与处理；

如图7所示，传感器接口电路包括12个传感器连接子电路；

每个传感器连接子电路均为：

接插件pi的一个端口与220v转24v子电路的信号输出端连接，接插件pi的另一个端口与二极管di的负极、电阻ri的一端以及电容ci的一端连接，二极管di的正极、电阻ri的另一端以及电容ci另一端均接地；

接插件pi的另一个端口还与主控电路中主控芯片的传感器信号输入端口连接；

其中，i＝1,2....12。

如图8所示，高压线性阀控制电路具体为：

运算放大器u1的同相输入端与主控电路中主控芯片的高压线性阀控制端口dac1连接，运算放大器u1的反相输入端分别与电阻r17的一端以及电阻r23的一端连接，运算放大器u1的电源输入端与220v转24v子电路的输出端连接，运算放大器u1的接地端接地，运算放大器u1的信号输出端与电阻r17的另一端通过接插件p13与高压线性阀连接；

运算放大器u3的同相输入端与主控电路中主控芯片的备用高压线性阀控制端口dac2连接，运算放大器u3的反相输入端与分别电阻r18的一端以及电阻r24的一端连接，运算放大器u3的电源输入端与220v转24v子电路的输出端连接，运算放大器u3的接地端接地，运算放大器u3的信号输出端与电阻r18的另一端通过接插件p13与备用高压线性阀连接，电阻r24的另一端与电阻r23的另一端连接并接地。

如图9所示，提供了本发明实施例中所需的各个接插件的连接示意。

在本发明的一个实施例中，还提供了本发明中的砂箱模拟系统的工作过程：当该系统通电后，压力传感器会检测阵列式高压气罐内压力，同时将测得的数据发送至主控模块，主控模块收到压强数据后会与预先设定好的压强进行对比，若收集到的压强数据低于预先设定的压强值，主控模块会控制高压气泵进行工作，并通过单向阀控制，直到阵列式高压气罐达到预设压强才会关闭高压气泵；从而使整体系统能够达到满足工作的初始条件。当需要进行数据采集的实验时，首先将砂箱铺满要做试验的砂子，同时分别等距离预埋好三个压差型传感器和三个测温测压一体化单元，然后通过计算机设定好温度和压强，设定好的温度和压强会传输至主控模块，主控模块通过实时控制调节高压线性阀从而达到控制压强的目的，同时主控电路采用pid的调节方式控制风道加热器从而控制恒温的气流，最后通过计算机观察各个压差型传感器和测温测压一体化单元监测的数据，为研究高温-高压条件下砂箱变形无二致与其流体/水岩过程与变形机理提供数据支撑。

其中，预先设定的压强的范围是1mpa～10mpa，压强设定大小是根据地层压力梯度和库伦破裂准则原理条件确定的；高压线性阀的控制方式为1～10v的电压控制，其中0v对应高压线性阀全关，10v对应线性阀全开，因此，通过主控模块对高压线性阀一定的电压值，进而实现对高压线性阀的控制。

本发明的有益效果为：本发明提供的具有高温-高压数控装置的砂箱模拟系统解决了现有的相关模拟装置中不能准确的模拟出高温-高压的特殊环境中的砂箱物质变形问题，为高温-高压条件下砂箱物质变形与其流体/水岩过程与变形机理的研究，提供了数据支撑。