一种充填料浆管道输送可视化监测实验装置及使用方法与流程

1.本发明涉及矿山充填管道输送技术领域，特别是指一种充填料浆管道输送可视化监测实验装置及使用方法。


背景技术：

2.管道输送是矿山充填技术的关键环节。长距离管输过程中，料浆在管道内的流动状态难以预测，特别是料浆由水平管路进入垂直管路时，其流动状态会由相对稳定转变为不稳定，具体体现在垂直管段极易发生振动、鸣响、堵塞以及磨损破裂。因此，保证充填料浆在管内的稳定流动是矿山顺利生产、系统高效运行的重要前提。
3.现阶段，管道内料浆流动过程的复杂性限制了人们对其进行较为深入的了解和研究，再加上缺乏有效可靠的测试方法和技术手段，充填料浆在管内的流动规律并没有得到揭示，这无疑增加了工程设计的盲目性和系统维护的难度，在一定程度上也制约着矿山充填技术的推广和应用。因此，亟需一种充填料浆管道输送可视化监测实验装置，在不影响和干扰管道内部结构、料浆流动要素的前提下，捕捉料浆管输局域瞬时的流动特性参数，实现料浆管输流动行为的可视化监测，为研究管内料浆的浓度、流速、流型以及流变参数的变化规律奠定设备基础，从而促进充填管输理论和矿山充填技术的发展和完善。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种充填料浆管道输送可视化监测实验装置及使用方法，能够实现充填料浆动态管输过程的实时、可视化监测，获取料浆流动参数，为料浆管输流动行为特征的研究奠定基础。
5.该装置包括l型管道输送系统、电阻层析成像系统、料浆循环泵送系统和高速摄像系统，其中，l型管道输送系统包括装料斗、垂直管线和水平管线，装料斗下方连接垂直管线，垂直管线连接水平管线；电阻层析成像系统包括电极传感器、信号电缆、数据采集装置、数据线和主控计算机，电极传感器根据实验需求安装在垂直管线或水平管线的相应位置，电极传感器通过信号电缆与数据采集装置相连接，数据采集装置通过数据线与主控计算机相连接；料浆循环泵送系统包括盛料槽、渣浆泵、普通管道、管卡和螺纹杆，普通管道由管卡包住，并通过螺纹杆固定在固定面上，盛料槽内的料浆通过渣浆泵进入普通管道，料浆通过普通管道回流至装料斗中；高速摄像系统包括高速摄像机和三脚架，高速摄像机置于三脚架之上，高速摄像系统置于l型管道输送系统一侧。
6.垂直管线和水平管线均包括不少于一个有机玻璃管、不少于一个压力变送器和不少于一个电磁流量计，有机玻璃管之间通过法兰或三通法兰连接，当采用三通法兰连接时，三通法兰另一端连接压力变送器，电磁流量计安装在有机玻璃管上，垂直管线和水平管线通过弯头一连接，水平管线末端设置弯头二，以引导料浆进入盛料槽；水平管线通过支撑架安装在水平面上，装料斗通过钢支架支撑固定。
7.装料斗下部安装球阀一。
8.水平管线设置有球阀二，球阀二安装在水平管线电极传感器之后的位置。
9.装料斗为有机玻璃材质，其外壁刻有容量刻度线。
10.电极传感器沿管道轴向设有两个电极平面，每个电极平面包含十六个沿电极传感器管壁均匀分布的螺纹孔，每个螺纹孔均安装一个电极。
11.信号电缆由十六根信号线和一根地线组成，每根信号线均连接一个圆形预绝缘端子。
12.电极由硅胶垫片、金属垫片、不锈钢螺母、不锈钢螺栓组成，信号电缆每根信号线连接的圆形预绝缘端子均连接到一个不锈钢螺栓上，不锈钢螺栓通过螺纹孔穿透电极传感器管壁，且不锈钢螺栓的螺杆顶部平面与管道内壁相齐平，最后依次通过硅胶垫片、金属垫片、不锈钢螺母将不锈钢螺栓进行固定。
13.该实验装置的使用方法，包括步骤如下：
14.s1：根据实验方案，确定球阀一、有机玻璃管、电极传感器、压力变送器、电磁流量计和球阀二的数量和位置，并进行连接；
15.s2：将每个电极传感器与各自的数据采集装置、主控计算机正确连接，将每根信号电缆中的地线与数据采集装置相连接并接地；
16.s3：打开装料斗底部的球阀一，关闭水平管线的球阀二；
17.s4：根据实验方案，在盛料槽中配制充填料浆；开启渣浆泵，将盛料槽中的料浆泵送至装料斗，当料浆完全充满球阀一和球阀二之间的所有管路时，关闭渣浆泵；
18.s5：运行电阻层析成像系统，测量并记录标定值，测量完毕后，开启球阀二，排净料浆并用清水冲洗管道；
19.s6：关闭球阀一，开启球阀二；
20.s7：开启渣浆泵，将盛料槽中的料浆泵送至装料斗，当料浆液面达到实验要求的容量刻度线时，关闭渣浆泵；
21.s8：将高速摄像机固定在三脚架上，移动并调节三脚架高度，使高速摄像机聚焦在需要观测的有机玻璃管段；
22.s9：打开球阀一，开启高速摄像机，运行电阻层析成像系统，载入标定值，主控计算机实时显现管内料浆是否满管、料浆沿管道截面的浓度分布信息，进而分析得到料浆流速、分相含率；实验过程中，根据需求打开渣浆泵控制和调整装料斗中料浆液面的位置；
23.s10：实验结束，排净管内料浆，用清水冲洗管道。
24.本发明的上述技术方案的有益效果如下：
25.上述方案中，能够在不影响和干扰管道内部结构、料浆流动要素的前提下，以可视化动态图像的方式实时监测管道内料浆是否满管和沿管道截面的浓度分布，并获取管内压力、流量、流速、分相含率等料浆流动参数；另一方面，该装置可自由拆卸与安装，各组件的随机组合能够满足不同充填倍线条件下垂直和水平任意管段料浆流动状态的捕捉和测定，为料浆管输流动行为特征的研究提供基础数据。
附图说明
26.图1为本发明的充填料浆管道输送可视化监测实验装置结构示意图；
27.图2为本发明的充填料浆管道输送可视化监测实验装置中电极传感器俯视图；
28.图3为本发明的充填料浆管道输送可视化监测实验装置中电极传感器的电极安装示意图。
29.其中：1
‑
l型管道输送系统；2
‑
电阻层析成像系统；3
‑
料浆循环泵送系统；4
‑
高速摄像系统；101
‑
装料斗；102
‑
球阀一；103
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有机玻璃管一；104
‑
三通法兰一；105
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压力变送器一；106
‑
有机玻璃管二，107
‑
法兰；108
‑
有机玻璃管三；109
‑
三通法兰二；110
‑
压力变送器二；111
‑
弯头一；112
‑
有机玻璃管四；113
‑
三通法兰三；114
‑
压力变送器三；115
‑
球阀二；116
‑
有机玻璃管五；117
‑
电磁流量计；118
‑
有机玻璃管六；119
‑
弯头二；120
‑
钢支架；121
‑
支撑架一；122
‑
支撑架二；123
‑
支撑架三；201
‑
电极传感器一；202
‑
电极传感器二；203
‑
信号电缆一；204
‑
信号电缆二；205
‑
数据采集装置一；206
‑
数据采集装置二；207
‑
数据线一；208
‑
数据线二；209
‑
主控计算机一；210
‑
主控计算机二；2011
‑
硅胶垫片；2012
‑
金属垫片；2013
‑
不锈钢螺母一；2014
‑
不锈钢螺母二；2015
‑
不锈钢螺栓；2031
‑
圆形预绝缘端子；301
‑
盛料槽；302
‑
渣浆泵；303
‑
普通管道；304
‑
管卡；305
‑
螺纹杆；401
‑
高速摄像机；402
‑
三脚架。
具体实施方式
30.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
31.本发明提供一种充填料浆管道输送可视化监测实验装置及使用方法。
32.该装置包括l型管道输送系统1、电阻层析成像系统2、料浆循环泵送系统3和高速摄像系统4，其中，l型管道输送系统1包括装料斗101、垂直管线和水平管线，装料斗101下方连接垂直管线，垂直管线连接水平管线；电阻层析成像系统2包括电极传感器、信号电缆、数据采集装置、数据线和主控计算机，电极传感器根据实验需求安装在垂直管线或水平管线的相应位置，电极传感器通过信号电缆与数据采集装置相连接，数据采集装置通过数据线与主控计算机相连接；料浆循环泵送系统包括盛料槽301、渣浆泵302、普通管道303、管卡304和螺纹杆305，普通管道303由管卡304包住，并通过螺纹杆305固定在固定面上，盛料槽301内的料浆通过渣浆泵302进入普通管道303，料浆通过普通管道303回流至装料斗101中；高速摄像系统4包括高速摄像机401和三脚架402，高速摄像机401置于三脚架402之上，高速摄像系统4置于l型管道输送系统1一侧。
33.垂直管线和水平管线均包括不少于一个有机玻璃管、不少于一个压力变送器和不少于一个电磁流量计，有机玻璃管之间通过法兰或三通法兰连接，当采用三通法兰连接时，三通法兰另一端连接压力变送器，电磁流量计安装在有机玻璃管上，垂直管线和水平管线通过弯头一111连接，水平管线末端设置弯头二119，以引导料浆进入盛料槽301；水平管线通过支撑架安装在水平面上，装料斗101通过钢支架120支撑固定。
34.该实验装置的使用方法，包括步骤如下：
35.s1：根据实验方案，确定球阀一102、有机玻璃管、电极传感器、压力变送器、电磁流量计和球阀二115的数量和位置，并进行连接；
36.s2：将每个电极传感器与各自的数据采集装置、主控计算机正确连接，将每根信号电缆中的地线与数据采集装置相连接并接地；
37.s3：打开装料斗101底部的球阀一102，关闭水平管线的球阀二115；
38.s4：根据实验方案，在盛料槽301中配制充填料浆；开启渣浆泵302，将盛料槽301中
的料浆泵送至装料斗101，当料浆完全充满球阀一102和球阀二115之间的所有管路时，关闭渣浆泵302；
39.s5：运行电阻层析成像系统2，测量并记录标定值，测量完毕后，开启球阀二115，排净料浆并用清水冲洗管道；
40.s6：关闭球阀一102，开启球阀二115；
41.s7：开启渣浆泵302，将盛料槽301中的料浆泵送至装料斗101，当料浆液面达到实验要求的容量刻度线时，关闭渣浆泵302；
42.s8：将高速摄像机401固定在三脚架402上，移动并调节三脚架402高度，使高速摄像机401聚焦在需要观测的有机玻璃管段；
43.s9：打开球阀一102，开启高速摄像机401，运行电阻层析成像系统2，载入标定值，主控计算机实时显现管内料浆是否满管、料浆沿管道截面的浓度分布信息，进而分析得到料浆流速、分相含率；实验过程中，根据需求打开渣浆泵302控制和调整装料斗101中料浆液面的位置；
44.s10：实验结束，排净管内料浆，用清水冲洗管道。
45.下面结合具体实施例予以说明。
46.如图1所示，该装置包括l型管道输送系统1、电阻层析成像系统2、料浆循环泵送系统3和高速摄像系统4。其中，l型管道输送系统1由装料斗101、垂直管线和水平管线组成，装料斗101下部设置球阀一102，垂直管线包括有机玻璃管一103、三通法兰一104、压力变送器一105、有机玻璃管二106、法兰107、有机玻璃管三108、三通法兰二109、压力变送器二110，且有机玻璃管一103、三通法兰一104、有机玻璃管二106、法兰107、有机玻璃管三108、三通法兰二109依次连接，三通法兰一104连接压力变送器一105，三通法兰二109连接压力变送器二110，水平管线包括有机玻璃管四112、三通法兰三113、压力变送器三114、球阀二115、有机玻璃管五116、电磁流量计117、有机玻璃管六118，有机玻璃管四112通过弯头一111连接三通法兰二109，有机玻璃管四112、三通法兰三113、球阀二115、有机玻璃管五116、电磁流量计117、有机玻璃管六118依次连接，三通法兰三113连接压力变送器三114，有机玻璃管六118末端连接弯头二119，水平管线通过支撑架一121、支撑架二122、支撑架三123固定支撑，钢支架120支撑装料斗101。
47.电阻层析成像系统2包括电极传感器一201、电极传感器二202、信号电缆一203、信号电缆二204、数据采集装置一205、数据采集装置二206、数据线一207、数据线二208、主控计算机一209、主控计算机二210。电极传感器一201连接垂直管线，并通过信号电缆一203与数据采集装置一205相连接，数据采集装置一205通过数据线一207与主控计算机一209相连接；同样地，电极传感器二202连接水平管线，并通过信号电缆二204与数据采集装置二206相连接，数据采集装置二206通过数据线二208与主控计算机二210相连接。
48.料浆循环泵送系统3包括盛料槽301、渣浆泵302、普通管道303、管卡304、螺纹杆305；普通管道303由管卡304包住，并通过螺纹杆305固定在固定面上，使料浆可通过普通管道303回流至装料斗101中。
49.高速摄像系统4包括高速摄像机401、三脚架402，高速摄像机401置于三脚架402之上。
50.具体的，装料斗101为有机玻璃材质，其外壁刻有容量刻度线。装料斗101放置在钢
支架120上，下部连接球阀一102。球阀一102往下依次连接有机玻璃管一103、三通法兰一104、有机玻璃管二106、电极传感器一201、有机玻璃管三108和三通法兰二109，构成l型管道输送系统1的垂直管线，压力变送器一105通过三通法兰一104连接到垂直管线的上部，压力变送器二110通过三通法兰二109连接到垂直管线的下部。垂直管线末端连接弯头一111，弯头一111往后依次连接有机玻璃管四112、三通法兰三113、电极传感器二202、球阀二115、有机玻璃管五116、电磁流量计117和有机玻璃管六118，构成l型管道输送系统1的水平管线，压力变送器三114通过三通法兰三113连接到水平管线，水平管线末端连接弯头二119用以引导料浆流向盛料槽301。弯头一111、有机玻璃管四112和有机玻璃管五116底部分别用支撑架一121、支撑架二122和支撑架三123共同支撑以保持水平管线稳定。
51.电极传感器一201和电极传感器二202沿管道轴向均设有两个电极平面，每个电极平面包含十六个沿电极传感器管壁均匀分布的螺纹孔，每个螺纹孔均安装一个电极，如图2所示为该实验装置中电极传感器的俯视图。
52.信号电缆一203和信号电缆二204结构完全相同，均由十六根信号线和一根地线组成，每根信号线均连接一个圆形预绝缘端子2031。
53.如图3所示为该实验装置中电极传感器的电极安装结构示意图，电极由硅胶垫片2011、金属垫片2012、不锈钢螺母一2013、不锈钢螺母二2014和不锈钢螺栓2015组成。每个圆形预绝缘端子2031均连接到一个不锈钢螺栓2015上，不锈钢螺栓2015通过螺纹孔穿透电极传感器管壁，且螺杆顶部平面与管道内壁相齐平，最后依次通过硅胶垫片2011、金属垫片2012、不锈钢螺母一2013和不锈钢螺母二2014将不锈钢螺栓2015进行固定。
54.钢支架120、支撑架一121、支撑架二122、支撑架三123和三脚架402均可根据实验需求调整高度。
55.具体实验中，按上述设计充填料浆管道输送可视化监测实验装置，l型管道输送系统1是管道内径50mm，壁厚5mm的料浆输送系统，其所包含的法兰和三通法兰均与50mm管径相匹配；装料斗101由上部的圆柱体和下部的圆锥状漏斗组成，圆柱体直径为80cm，高10cm，圆锥状漏斗锥角为90
°
；有机玻璃管一103长30cm，有机玻璃管二106长90cm，有机玻璃管三108长30cm，有机玻璃管四112长100cm，有机玻璃管五116长100cm，有机玻璃管六118长100cm；弯头一111和弯头二119均为90
°
弯管。压力变送器一105、压力变送器二110、压力变送器三114、电磁流量计117可连接数据记录仪用以持续记录和保存实验过程中的管内压力和流量数据。电极传感器一201和电极传感器二202结构完全相同，采用upvc管，长度为26cm，以管道中心截面为对称面，上、下分别布置一个电极平面，电极平面与管道中心截面的距离为3cm。不锈钢螺栓2015采用公称直径m4的304不锈钢六角螺栓，硅胶垫片、金属垫片、不锈钢螺母和圆形预绝缘端子均与m4螺栓相配套。盛料槽301为一个长2m，宽1m，高30cm的长方体不锈钢槽，普通管道303采用upvc管，内径50mm，壁厚5mm。
56.该装置在实验中，具体步骤如下：
57.步骤一：根据实验方案，确定有机玻璃管一103、三通法兰一104、压力变送器一105、有机玻璃管二106、电极传感器一201、有机玻璃管三108、三通法兰二109、压力变送器二110、弯头一111、有机玻璃管四112、三通法兰三113、压力变送器三114、电极传感器二202、球阀二115、有机玻璃管五116、电磁流量计117、有机玻璃管六118和弯头二119的位置，并进行正确连接。
58.步骤二：将每个电极传感器与各自的数据采集装置、主控计算机正确连接，将每根信号电缆中的地线与数据采集装置相连接并接地。
59.步骤三：打开装料斗101底部的球阀一102，关闭水平管线的球阀二115。
60.步骤四：根据实验方案，在盛料槽301中配制一定浓度的充填料浆；开启渣浆泵302，将盛料槽301中的料浆泵送至装料斗101，当料浆完全充满球阀一102和球阀二115之间的所有管路时，关闭渣浆泵302。
61.步骤五：运行电阻层析成像系统2，测量并记录标定值。测量完毕后，开启球阀二115，排净料浆并用清水冲洗管道。
62.步骤六：关闭球阀一102，开启球阀二115。
63.步骤七：开启渣浆泵302，将盛料槽301中的料浆泵送至装料斗101，当料浆液面达到实验要求的容量刻度线时，关闭渣浆泵302。
64.步骤八：将高速摄像机401固定在三脚架402上，移动并调节三脚架402高度，使高速摄像机401聚焦在需要观测的有机玻璃管段；
65.步骤九：打开球阀一102，开启高速摄像机401，运行电阻层析成像系统2，载入标定值，主控计算机能够实时显现管内料浆是否满管、料浆沿管道截面的浓度分布信息，进而分析得到料浆流速、分相含率。实验过程中，可根据需求打开渣浆泵302控制和调整装料斗101中料浆液面的位置。
66.步骤十：实验结束，排净管内料浆，用清水冲洗管道。
67.步骤十一：当改变料浆配比时，需重复步骤三至步骤十。当拆卸l型管道输送系统1时，需重复步骤一至步骤十。
68.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。