一种矿山充填管道沿程压力测量装置及方法与流程

本发明涉及一种充填料浆输送管道测量技术，尤其涉及一种矿山充填管道沿程压力测量装置及方法。

背景技术

地下矿山充填输送管道是充填系统成套设备的重要组成部分，高浓度充填料浆管道输送过程工况极其复杂，易导致堵管与爆管等安全生产事故，影响充填系统的安全稳定运行。充填管道压力是反映管道输送系统运行状态的关键核心参数。因此，充填管道压力监测是有效解决管道输送安全风险的重要技术手段。通过对充填输送管道沿程压力进行有效监测，掌握充填管线不同位置的管道压力大小，用于优化充填管线布置、评估关键区域管线输送风险，为矿山安全生产提供重要支撑。

现有技术：

传统的管道压力监测方法是采用介入式或非介入式两种测量方法。介入式测量方法如机械式、压敏元件式等；非介入式测量方法如超声波法。介入式管道压力测量方法是在被测点安装压力传感器实现测点的管道压力监测；非介入式管道压力测量方式是在管道外壁夹装超声波换能器，即采用超声波作为管道压力测试手段，但井下电机车、汽车、大型采矿设备等发声设备影响监测效果。如图1所示，目前常用的管道压力测量方法是在被测点安装平膜式或者电容式压力传感器。安装方式为在充填管道上部开口，焊接一段短接管，短接管为一段铁管，直径与所用压力传感器相匹配，铁管另一端通过焊接法兰与压力传感器连接。一般通过直接读取表头显示值或者通过网络传输至中控室的方式获取监测点的压力。具体测量方式见图1。

现有技术的缺点：

1)监测点数量及位置受限。上述方案仅能针对安装了压力传感器的部位进行充填管道压力监测，无法对整个管线进行压力监测。尤其垂直管道部位，由于充填管道垂直段一般都安装在岩体中，而且垂直管段的充填管道往往磨损最为严重，无法通过在测试点安装压力传感器的方式对管道内的充填料浆压力进行有效监测。

2)感压元件易磨损。由于上述方案需要将压力传感器的感压元件与充填料浆直接接触，充填料浆高速磨蚀感压元件时，容易将其磨损，导致后期测量数据不准确，甚至使压力传感器报废。

3)短接管易堵塞。充填料浆中含有胶凝材料，充填料浆进入短接管后，会遗留部分充填料浆在短接管内，若清洗不及时，会导致胶凝材料在短接管内固结，逐渐将整个短接管堵塞。若将短接管焊接在充填管下方，更易堵塞，从而导致感应元件无法感触到管道内充填料浆的压力。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种矿山充填管道沿程压力测量装置及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的矿山充填管道沿程压力测量装置包括圆球形壳体，所述圆球形壳体内设有震动模块、电池、线路板和压力传感器，所述线路板通过线路板固定件固定在所述圆球形壳体内，所述压力传感器通过传感器固定件固定在所述圆球形壳体内，所述圆球形壳体上设有压力感应端子，所述压力传感器与所述压力感应端子的位置对应，该装置还设有通信单元。

上述的矿山充填管道沿程压力测量装置进行矿山充填管道沿程压力测量的方法，测量时将该测量装置放置于充填管道入口，测量装置随浆体一起进入管道，实时测量管道内压力并得到管道不同位置点的压力分布，并记录测量数据，从管道另一端获得测量球后连接到电脑或手机端获得不同时间的测量数据，从而得到管道内不同点的压力分布。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的矿山充填管道沿程压力测量装置及方法，由于在充填管道内随充填料浆一起流动，可测量充填料浆输送过程的管线沿程压力。同时，可有效避免传统监测方式造成的监测点数量与位置受限、短接管堵塞、感压元件磨损等问题。

附图说明

图1为现有技术中常规压力表测量料浆压力方法；

图2为本发明实施例中提供的矿山充填管道沿程压力测量装置结构示意图；

图3为本发明实施例中处理芯片主功能单元线路；

图4为本发明实施例中传感器压力采集转换线路；

图5为本发明实施例中数据存储功能线路；

图6为本发明实施例中3.3v稳压转换线路；

图7为本发明实施例中双稳态电源接入控制电路；

图8为本发明实施例中震动传感器控制线路；

图9为本发明实施例中程序设计逻辑。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明的矿山充填管道沿程压力测量装置及方法，其较佳的具体实施方式是：

矿山充填管道沿程压力测量装置包括圆球形壳体，所述圆球形壳体内设有震动模块、电池、线路板和压力传感器，所述线路板通过线路板固定件固定在所述圆球形壳体内，所述压力传感器通过传感器固定件固定在所述圆球形壳体内，所述圆球形壳体上设有压力感应端子，所述压力传感器与所述压力感应端子的位置对应，该装置还设有通信单元。

所述圆球形壳体包括两个组合在一起的半球壳体，所述圆球形壳体设有凹槽，所述压力感应端子设于所述凹槽内，所述压力感应端子低于所述圆球形壳体外表面。

所述圆球形壳体的直径为40mm，所述压力传感器为圆形微型压力传感器，直径为8.5mm，精度为0.5％。

所述压力传感器连接有低功耗的处理器芯片和存储器芯片。

所述电池连接有稳压转换线路。

所述通信单元包括蓝牙模块。

所述电池连接有磁感应开关。

所述震动模块包括震动传感器和一个开关管。

上述的矿山充填管道沿程压力测量装置进行矿山充填管道沿程压力测量的方法，测量时将该测量装置放置于充填管道入口，测量装置随浆体一起进入管道，实时测量管道内压力并得到管道不同位置点的压力分布，并记录测量数据，从管道另一端获得测量球后连接到电脑或手机端获得不同时间的测量数据，从而得到管道内不同点的压力分布。

该装置根据管道长度设置数据获取间隔时间。

本发明的矿山充填管道沿程压力测量装置，测量时将该测量装置放置于充填管道入口，测量装置随浆体一起进入管道，实时测量管道内压力并得到管道不同位置点的压力分布，并记录测量数据，从管道另一端获得测量球后连接到电脑获得不同时间的测量数据，从而得到管道内不同点的压力分布。

该装置可以根据管道长度设置数据获取间隔时间，从而解决了传统测量方法检测点受限的弊端。同时，在外形结构上为避免感压元件与管壁的碰撞及充填料浆间的磨损，将感压元件设置在外壳凹槽内，使其仅能被动受压，从而延长感压元件使用寿命。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的矿山充填管道沿程压力测量装置及方法，由于在充填管道内随充填料浆一起流动，可测量充填料浆输送过程的管线沿程压力。同时，可有效避免传统监测方式造成的监测点受限、短接管堵塞、感压元件磨损等问题。

具体实施例：

1.整体结构：

如图2所示，矿山充填管道沿程压力测量装置要放置于管道内随浆体流动测流动方向的压力分布，为保护各类电子元器件，外部只设置压力感应端子，并将压力感应端子设计在外壳凹槽内。内部包含压力检测传感器、驱动控制线路板、电池、磁感应开关及震动传感器等，同时还有一些内部固定结构件用于电子元器件和线路板等的固定，具体结构设计图如下图所示：

本发明所设计的装置直径40mm，为提高空间利用率，所选用的压力传感器为圆形微型压力传感器，直径为8.5mm，精度为0.5％。

2.采集和处理线路设计

如图3所示，矿山充填管道沿程压力测量装置主要功能是管道内浆体流动方向压力的感知和测量、记录测量时间、记录测量数据、并留有通信接口，与上位机连接实现数据的上传。考虑到该测量装置需要电池供电，因此，芯片选用低功耗的处理器芯片msp430f149，该芯片主要实现压力传感器数据的采集，数据的筛选，时间的标记，数据的存储和数据上传等功能。

1)压力传感器采集线路设计

选用的微型压力传感器是电压输出，实际感应压力值与电压输出成正比例关系，通过检测传感器的电压，根据比例关系换算得到实际的感应压力值，压力传感器的输出电压需要经过一次硬件阻抗变换、运算和滤波后提供给处理器采集，处理器有ad端口进行模拟量采集，并按照电压-压力对应关系换算得到压力数值。图4是压力采集转换线路，处理器采集放大线路输出的信号后，经过换算和处理得到实测压力值。

2)数据存储线路设计

采集的压力传感器输出电压经过处理和筛选后，再给每个数据添加一个采集时间，按照标准格式列表进行数据存储。数据存储选用一片高速的铁电数据存储器，掉电数据不丢失，保存机械球在下放过程中实时测量的压力值数据，该存储器芯片采用i2c接口。具体存储线路设计如图5所示。

3)电源转换线路设计

该测量装置只能使用电池供电，电池提供的不是稳定可用电压输出，需设计一组稳压转换线路，用于给传感器和线路提供稳定的供电电压，线路和传感器都可以用3.3v电压，因此采用一组高效的3.3v开关转换电源实现，具体线路设计如图6所示。

4)数据通信设计

该测量装置选用的数据通信采用蓝牙无线传输的方式，测量机械球从充填管道内取出后即可直接进行数据读取，外部采用一个手持终端或者控制器进行控制。选用一组小巧的蓝牙模块，该蓝牙模块长宽都小于10mm，适于放置于球体内应用，它有四针连接，一个电源3.3v，一个地，两根数据通信线，该蓝牙模块采用串行uart接口通信，lvttl电平，与处理器的串行通信口直接连接即可扩展通信功能应用。

5)电源接通、关断控制线路设计

由于该测量装置最终放置于浆体内一起流动，因此设计时外部接口越少越好，这里设计时外部没有预留任何接口，但是该球体内部线路和传感器的供电、断电需要进行控制，球体内线路在未测量时处于断电状态，节省电池能量，当开始测量时控制供电接入，在设计时该部分去掉了常用开关控制方式，这里供电控制由磁感应开关控制完成。

正常未测量时整个产品内部线路处于无供电消耗状态，当需要开始测量时，用一个磁铁在球体外晃动一下，球体内磁感应开关打开后产生一个电压信号，控制一组双稳态触发线路翻转，实现对整个系统接电的控制。

图7中，cp管脚是脉冲输入引脚，该引脚接收一次脉冲，最右面v3的三极管控制端电压翻转一次，当蓝牙模块被休眠唤醒的时候，cp端收到一个脉冲，v3基极控制端引脚变为高电平，三极管导通，微型继电器导通，控制电池接入，当蓝牙模块接收指令休眠时，通过处理器再产生一个脉冲信号接入到cp端，双稳态电路又感应一次脉冲，v3基极控制端引脚变为低电平，三极管截止，继电器断开，电池被孤立，断开供电。

采用这种控制方式，利用微小的电池消耗就可是实现程序控制设备开始工作和停止，极大的方便了测量使用，并符合应用环境，减少了外部控制开关。

6)震动模块设计

在球体内增加了震动传感器，一种用途是用于在某些情况下检测设备的工作状态，因为球体外无工作指示灯等，另一种用途是用于在测量完成后对设备掉落位置的查找，当测量球从管道内流出藏匿于泥浆之中时，通过不断的震动，使得工作人员能够定位测量球所在具体位置，减少复杂的球体寻找工作。该功能采用一个震动传感器，通过一个开关管对其进行开通关断控制即可实现功能，具体线路如图8所示。

3.软件设计

该测量装置内部控制处理器采用arm内核应用芯片，功耗小，速度高，接口全面，编写程序采用c语言实现，程序设计过程中先编写功能程序模块，再编写主程序实现模块，整体设计逻辑清晰，可优化调整性强，具体程序设计基本主逻辑如图9所示。

本发明的有益效果：

本发明设计的矿山充填管道沿程压力测量装置可快速测量整条充填管道的充填料浆压力值，无检测盲点，测量范围为整条充填管道，不受料浆是否满管、管道是否垂直布设等因素的影响；压力检测端子被动受压并受凹型槽保护，不易磨损；管道无需安装短接，不存在感压元件堵塞情况。同时，该发明的测量装置的数据采集、数据处理均通过传感器及芯片完成，数据接收通过无线方式传输至电脑或手机等终端设备，方便、简洁、可靠；供电由磁感应开关控制，节省电耗，减少了外部常规控制开关；震动模块的设计可通过不断的震动，使得工作人员能够定位测量球所在具体位置，减少复杂的球体寻找工作。

本发明方案不仅仅局限于外形尺寸为40mm、采用msp430f149芯片、采用圆形感压元件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。