一种适用于灌浆全过程的高精度灌浆流量检测方法与装置与流程

1.本发明属于水利水电工程与地基基础处理工程领域，是专为灌浆工程中测量灌浆流量大小所设计的一种检测方法与装置。


背景技术：

2.灌浆工程中，浆液流量是评价灌浆工程质量的重要参数之一，动态精确地计量水泥灌浆量对保证资料的真实性和确保工程质量至关重要。电磁流量计由于其显著的优点广泛地应用于灌浆工程的检测中。大量研究数据表明，实际灌浆过程中，采用目前常用的电磁流量计，它在测量20l/min以上的流量时，传感器输出电动势与平均流速呈精确线性关系，测量误差约1％左右。但当灌浆流量在20l/min以下时，随着流量的减小，测量误差以近乎指数函数的形式增大，接近1l/min的流量时测量误差高达20％。
3.灌浆结束屏浆阶段浆液长时间处于低流速状态，水工建筑物水泥灌浆施工技术规范(sl/t 62-2020)5.9.1规定：灌浆的结束标准为灌浆段在最大设计压力下，注入率降低至不大于1l/min后，屏浆30min，且屏浆期间平均注入率不大于1l/min。如此小的流量下，电磁流量计的测量误差将严重影响屏浆阶段流量参数的测量精度和灌浆段的正常施工结束。同时电磁流量计属于接触式仪表，在流量检测过程中直接与水泥浆液接触，易受流体性质的影响，特别是小流速下水泥浆液易沉淀结垢，也会对电磁流量计的测量精度造成干扰。由于没有行之有效的解决方法，水工建筑物水泥灌浆施工技术规范(sl/t 62-2020)甚至提出必要时屏浆阶段流量可以采用手工记录代替，可见目前检测方法与检测装置和设备极大制约了灌浆技术发展。实现浆液流量的高精度的全过程动态检测已经成为灌浆工程中一个亟待解决的课题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种能够适应灌浆现场恶劣环境，高精度，操作简单的新型灌浆工程连续动态流量检测方法与装置，以取代目前灌浆工程中普遍使用的电磁流量计。
5.1)测量原理与流量计算方法
6.以搅浆桶底部中心为原点建立直角坐标系xoy。设搅拌轴半径为r，搅浆桶半径为r，搅拌轴旋转角速度为ω，选取液面上任一质量元dm，记为点a，其到搅拌轴轴线垂直距离为x(r《x《r)，l为a点处液面的切线，l与水平线夹角为α。当液面搅拌稳定时，易知此质量元做匀速圆周运动，在竖直面上受到液面的支持力n和重力g，二者的水平合力提供水平方向的向心力f，竖直合力提供浆液下降时的瞬时加速度a，支持力n的方向与水平线夹角为θ。
7.设浆液液面在直角坐标系xoy内的截线为y＝y(x)，对第一象限内的截线则有
[0008][0009]
式中：g＝gdm，f＝ω2(x)xdm，则：
[0010][0011]
式中：g为重力加速度；ω(x)为不同位置浆液旋转角速度；为y对x的导数。
[0012]
液面处浆液流速分布不均匀，存在沿半径方向的速度梯度。当r《x《r时，以y轴为对称轴，任取圆柱面形状的液面元δs，设液面元δs与内外两侧液体x1、x2之间的速度梯度分别为：
[0013][0014]
式中：为速度梯度。
[0015]
设水泥浆液符合宾汉流体，根据宾汉模型计算公式，δs所受内外两侧液体施加的粘滞力分别为：
[0016][0017]
式中：f1、f2为两侧所受粘滞力；b为液面元δs面积；μ0为浆液塑性粘度；τ0为屈服应力。一定温度和压力下，μ0、τ0均为常数。
[0018]
当液面搅拌稳定时，水平面内浆液做定常流动，此时液面元δs所受内外液体施加的粘滞力相等，即：
[0019][0020]
因此，沿半径方向速度梯度处处相等，即浆液流速v沿半径方向按一次函数v(x)＝kx b(r＜x＜r)分布，即：
[0021][0022]
式中：k、b为常数项。
[0023]
由于粘滞性，附着于浸在流体中的固体壁上的流体与固体表面的相对速度为0，因此ω(r)＝ω、ω(r)＝0，代入式(1.6)，得
[0024][0025]
将式(1.7)代入式(1.2)，得
[0026][0027]
假设同一时间点浆液液面各点竖向加速度值近乎相等，a与x无关，对式(1.8)求积分，得y(x)在第一象限内的表达式为：
[0028][0029]
式中：c为常数项。
[0030]
考虑到浆液液面在直角坐标系xoy第四象限内的截线，对x取绝对值，因此y(x)表达式即为：
[0031][0032]
当时间点t为n时，浆桶液面分布函数yn(x)表达式为：
[0033][0034]
式中：yn(x)为时间点t为n时的浆桶液面分布函数；an为时间点t为n时的浆液竖向加速度，通过函数拟合得到；cn为时间点为n时的常数项，通过函数拟合得到。n为正整数。
[0035]
当时间点t为n时，各激光测距传感器所测数据分别为(x
n1
,y
n1
)、(x
n2
,y
n2
)
……
(x
nm
,y
nm
)，其中m为激光测距传感器数量，分别代入式(1.11)，得到关于an、cn的方程组：
[0036][0037]
通过函数拟合求解an、cn，根据确定系数r2的大小得到最优解，记为确定系数r2计算公式如下：
[0038][0039]
式中：r2为确定系数，是度量拟合优度的统计量，r2的值越接近1，说明回归直线对真实值的拟合程度越好；ess为回归平方和；tss为总离差平方和；为拟合估计值；y
ni
为真实值；为真实平均值，i、m为正整数。
[0040]
因此，当时间点t为n时，浆桶液面分布拟合函数表达式为：
[0041][0042]
式中：为时间点t为n时的浆桶液面分布拟合函数；为时间点t为n时的浆液竖向加速度最优拟合值；为时间点为n时的常数项最优拟合值。n为正整数。
[0043]
激光测距传感器布置数量m可以根据精度要求进行调整，布置数量越多，越精确，流量计算结果越精确。
[0044]
浆液流量q
n 1
可按下式进行计算：
[0045][0046]
式中：q
n 1
为时间点t为n 1时的浆液流量；为时间点t分别为n和n 1时的浆桶液面分布拟合函数；δt为两连续时间点的时间间隔；vn、v
n 1
为两连续时间点t分别为n和n 1时浆桶内浆液体积，可表示为：
[0047][0048]
式中：为时间点t分别为n和n 1时的浆液竖向加速度最优拟合值；为时间点t分别为n和n 1时的常数项最优拟合值。n为正整数。
[0049]
考虑灌浆工程通用圆柱形搅浆桶，若搅浆桶为其他形状，可按对应旋转体体积积分公式进行修改并计算。
[0050]
2)传感器布局方法
[0051]
根据现场试验结果及理论公式推导，激光测距传感器布局方式如下：
[0052]
雷诺数是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，雷诺数越大，惯性对流场的影响大于粘滞力，流体流动越不稳定，液面波动也就越大。雷诺数可按下式计算：
[0053][0054]
式中：re为雷诺系数，ρ为流体密度，μ为粘度系数，v为流体速度，l为特征长度。
[0055]
搅浆桶内浆液液面流速v沿半径方向分布形式为v(x)＝xω(x)，根据式(1.7)得浆液液面旋转角速度沿半径方向分布形式为因此代入式(1.16)得雷诺系数沿半径方向分布形式为
式中ρ、μ、l、ω、r、r均为常数，根据一次函数特征，re值随x的增大而减小，即距搅拌轴越远的浆液液面，雷诺系数re越小，液面相对稳定。以为分界点，将搅浆桶内浆液液面分为波动区和相对稳定区，其中距搅拌轴中心的浆液液面为波动区，距搅拌轴中心的浆液液面为相对稳定区。
[0056]
此外，由于水泥浆液自身性质，当搅拌时间过长，浆液表面会形成一圈以搅拌轴为中心的浮浆，通过室内试验，测得浮浆分布半径约为。因此将距搅拌轴中心的浆液液面区域定为浮浆区。
[0057]
搅浆桶内浆液液面区域划分为不同区域。距搅拌轴中心范围内的浆液液面为浮浆区，考虑到浮浆会影响激光测距传感器测量结果，导致无法真实反映实际距离，因此该区域不布置传感器；距搅拌轴中心的浆液液面为波动区，该区域浆液流速大，液面波动幅度大；距搅拌轴中心的浆液液面为相对稳定区，浆液流速较小，液面较稳定。考虑到液面波动对传感器测量精度的影响，激光测距传感器按1:2～1:3的个数比布置于波动区和相对稳定区，区域内布置原则为等间距布置。
[0058]
用于实现本发明方法的装置包括：
[0059]
1)激光测距传感器
[0060]
选用激光测距传感器为近距离高精度激光测距传感器。传感器采用三角测距法，量程200～600mm，量程范围内测量误差不超过
±
1mm，能同时满足灌浆现场搅浆桶实际尺寸要求和灌浆规范中流量测量精度的要求。
[0061]
2)数据采集处理控制系统
[0062]
数据采集处理控制系统由数据采集处理器和工业计算机两部分组成。数据采集处理器主要功能是：实时采集传感器测量数据，并将各个传感器所测数据以1s为时间跨度进行分组，去掉每组数据中的最大值和最小值，取剩余数据的平均值作为这1s内该组数据对应监测点的液位高度值。工业计算机的主要功能是：接收来自数据采集处理器处理后的数据，采用上述流量计算方法对同一时刻下各激光传感器对应监测点的液位高度值进行曲线拟合，推导得到该时刻下浆液液面函数表达式；接着对拟合出的液面函数表达式进行二重积分计算得到该时刻下浆桶内的浆液体积；最后将两个不同时间点的浆液体积差与对应时间间隔相除即得到这段时间内的平均流量值；同时将计算所得流量值及各点液位高度-时间、流量-时间等曲线图显示于系统自带的显示屏上。工业计算机装有专门研制的数值计算及控制软件，对数据进行的处理，数据采集处理控制系统配备自适应电源适配器进行供电。
[0063]
3)刚性固定支架
[0064]
刚性固定支架由三部分组成：支架横梁、旋转式双层固定框和三螺栓固定夹。支架
横梁用于将激光测距传感器架在搅浆桶上，为矩形空芯结构。旋转式双层固定框用于将激光测距传感器固定在支架横梁上，由两个完全对称的双层固定框组成，内外两层固定框之间通过两个螺栓连接，同时固定框内框可绕该螺栓进行转动，固定框外框与支架横梁之间通过一个螺栓连接，旋转螺栓可实现双层固定框沿垂直于横梁的方向向中间移动，进而夹紧激光测距传感器实现传感器的固定，固定框外框上下完全贯通，以方便固定框内框的旋转，固定框内框底部布有底板以支撑激光测距传感器。三螺栓固定夹用于支架横梁与搅浆桶之间的固定，其顶部为一长条形的不锈钢板，钢板两条长边通过两长螺栓与两侧夹片相连接，两侧夹片可通过长螺栓绕顶部钢板两长边转动，两侧夹片由两个螺栓贯穿，旋紧螺栓便可实现两侧夹片向中间夹紧，三螺栓固定夹顶部的钢板由一个螺栓贯穿，并延伸至支架横梁内部，旋紧螺栓便可将三螺栓固定夹与支架横梁固定在一起。
[0065]
该灌浆流量检测方法能够适应灌浆现场恶劣环境，整个测量过程为非接触式测量，消除了灌浆过程中水泥颗粒对流量计测量的影响，有效弥补灌浆结束屏浆阶段电磁流量计测量误差大的缺陷，由于将激光测距传感器按1:2～1:3的个数比布置于波动区和相对稳定区，提高了传感器的效率，同时使测量精度较传统的电磁流量计提高了10％以上。
附图说明
[0066]
图1为搅浆桶内浆液液面受力分析图；
[0067]
图2为搅浆桶内浆液液面区域划分示意图；
[0068]
图3为本发明装置的正视示意图；
[0069]
图4为本发明装置的俯视示意图；
[0070]
图5为本发明的旋转式双层固定框结构示意图；
[0071]
图6为本发明的三螺栓固定夹结构示意图。
[0072]
ⅰ‑
浮浆区，
ⅱ‑
波动区，
ⅲ‑
相对稳定区，1-激光测距传感器，2-旋转式双层固定框，3-电动机，4-支架横梁，5-三螺栓固定夹，6-数据线，7-数据采集处理控制系统，8-搅浆桶，9-搅拌桨，10-浆液，21-旋转式双层固定框外框，22-旋转式双层固定框内框，23-60mmm8螺栓一，24-16mmm8螺栓二，25-底板，51-搅浆桶桶壁，52-固定夹顶部钢板，53-固定夹两侧夹片，54-32mmm12螺栓三，55-28mmm12螺栓四，56-100mmm5螺栓五。
具体实施方式
[0073]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述，对本发明内容的理解，不限于实施方式，与实施方式相似的等同替代都属于本发明的保护范围。
[0074]
1)测量原理与流量计算方法
[0075]
以搅浆桶底部中心为原点建立直角坐标系xoy，如图1所示。设搅拌轴半径为r，搅浆桶半径为r，搅拌轴旋转角速度为ω，选取液面上任一质量元dm，记为点a，其到搅拌轴轴线垂直距离为x(r《x《r)，l为a点处液面的切线，l与水平线夹角为α。当液面搅拌稳定时，易知此质量元做匀速圆周运动，在竖直面上受到液面的支持力n和重力g，二者的水平合力提供水平方向的向心力f，竖直合力提供浆液下降时的瞬时加速度a，支持力n的方向与水平线夹角为θ。
[0076]
设浆液液面在直角坐标系xoy内的截线为y＝y(x)，对第一象限内的截线则有
[0077][0078]
式中：g＝gdm，f＝ω2(x)xdm，则：
[0079][0080]
式中：g为重力加速度；ω(x)为不同位置浆液旋转角速度；为y对x的导数。
[0081]
液面处浆液流速分布不均匀，存在沿半径方向的速度梯度。当r《x《r时，以y轴为对称轴，任取圆柱面形状的液面元δs，设液面元δs与内外两侧液体x1、x2之间的速度梯度分别为：
[0082][0083]
式中：为速度梯度。
[0084]
设水泥浆液符合宾汉流体，根据宾汉模型计算公式，δs所受内外两侧液体施加的粘滞力分别为：
[0085][0086]
式中：f1、f2为两侧所受粘滞力；b为液面元δs面积；μ0为浆液塑性粘度；τ0为屈服应力。一定温度和压力下，μ0、τ0均为常数。
[0087]
当液面搅拌稳定时，水平面内浆液做定常流动，此时液面元δs所受内外液体施加的粘滞力相等，即：
[0088][0089]
因此，沿半径方向速度梯度处处相等，即浆液流速v沿半径方向按一次函数v(x)＝kx b(r＜x＜r)分布，即：
[0090][0091]
式中：k、b为常数项。
[0092]
由于粘滞性，附着于浸在流体中的固体壁上的流体与固体表面的相对速度为0，因此ω(r)＝ω、ω(r)＝0，代入式(6)，得
[0093][0094]
将式(7)代入式(2)，得
[0095][0096]
假设同一时间点浆液液面各点竖向加速度值近乎相等，a与x无关，对式(8)求积
分，得y(x)在第一象限内的表达式为：
[0097][0098]
式中：c为常数项。
[0099]
考虑到浆液液面在直角坐标系xoy第四象限内的截线，对x取绝对值，因此y(x)表达式即为：
[0100][0101]
当时间点t为n时，浆桶液面分布函数yn(x)表达式为：
[0102][0103]
式中：yn(x)为时间点t为n时的浆桶液面分布函数；an为时间点t为n时的浆液竖向加速度，通过函数拟合得到；cn为时间点为n时的常数项，通过函数拟合得到。n为正整数。
[0104]
当时间点t为n时，各激光测距传感器所测数据分别为(x
n1
,y
n1
)、(x
n2
,y
n2
)
……
(x
nm
,y
nm
)，其中m为激光测距传感器数量，分别代入式(11)，得到关于an、cn的方程组：
[0105][0106]
通过函数拟合求解an、cn，根据确定系数r2的大小得到最优解，记为确定系数r2计算公式如下：
[0107][0108]
式中：r2为确定系数，是度量拟合优度的统计量，r2的值越接近1，说明回归直线对真实值的拟合程度越好；ess为回归平方和；tss为总离差平方和；为拟合估计值；y
ni
为真
实值；为真实平均值，i、m为正整数。
[0109]
因此，当时间点t为n时，浆桶液面分布拟合函数表达式为：
[0110][0111]
式中：为时间点t为n时的浆桶液面分布拟合函数；为时间点t为n时的浆液竖向加速度最优拟合值；为时间点为n时的常数项最优拟合值。n为正整数。
[0112]
激光测距传感器布置数量m可以根据精度要求进行调整，布置数量越多，越精确，流量计算结果越精确。
[0113]
浆液流量q
n 1
可按下式进行计算：
[0114][0115]
式中：q
n 1
为时间点t为n 1时的浆液流量；为时间点t分别为n和n 1时的浆桶液面分布拟合函数；δt为两连续时间点的时间间隔；vn、v
n 1
为两连续时间点t分别为n和n 1时浆桶内浆液体积，可表示为：
[0116][0117]
式中：为时间点t分别为n和n 1时的浆液竖向加速度最优拟合值；为时间点t分别为n和n 1时的常数项最优拟合值。n为正整数。
[0118]
考虑灌浆工程通用圆柱形搅浆桶，若搅浆桶为其他形状，可按对应旋转体体积积分公式进行修改并计算。
[0119]
2)传感器布局方法
[0120]
搅浆桶内浆液液面区域划分为不同区域，如图2所示。距搅拌轴中心范围内的浆液液面为浮浆区ⅰ，考虑到浮浆会影响激光测距传感器测量结果，导致无法真实反映实际距离，因此该区域不布置传感器；距搅拌轴中心的浆液液面为波动区ⅱ，该区域浆液流速大，液面波动幅度大；距搅拌轴中心的浆液液面为相对稳定区ⅲ，浆液流速较小，液面较稳定。考虑到液面波动对传感器测量精度的影响，激光测距传感器按1:2～1:3的个数比布置于波动区和相对稳定区，区域内布置原则为等间距布置。
[0121]
3)激光测距传感器
[0122]
本流量检测方法与检测装置采用高精度激光测距传感器，传感器采用三角测距法进行测距，适用于近距离测距，测量误差不超过
±
1mm。传感器长40mm，宽20mm，高25mm，体积小巧。传感器配有led显示屏，可实时显示液位高度，所测数据通过数据线以电压或电流两种模拟量输出。传感器上安装有两个水准调平气泡，分别用于两个方向的调平。传感器中激光发射器发射的激光为0.5mw的二等激光，同时传感器配有电源接口并配备2.5m长电源线的自适应交流电源适配器。
[0123]
4)数据采集处理控制系统
[0124]
本发明中采用的数据采集处理控制系统为自行设计，可实现数据采集、数据处理和流量计算等功能。它由数据采集处理器和工业计算机两部分组成，数据采集处理器和工业计算机由专门的厂家做成一个整体，两者之间通过rs-485数据线连接。
[0125]
数据采集处理器外部装有各种模拟信号数据接口便于多种传感器数据采集，内部装有128gb存储卡可实现大量数据的存储，满足长时间测量的要求。数据采集处理器中装有设计好的程序，可实现传感器测量数据的实时采集，并将各个传感器所测数据以1s为时间跨度进行分组，去掉每组数据中的最大值和最小值，取剩余数据的平均值作为这1s内该组数据对应监测点的液位高度值。
[0126]
工业计算机上装有开发好的数值计算软件，根据数据采集处理器预处理的数据计算实时流量值。该软件可自动生成各点液位高度-时间、流量-时间等曲线图，并将流量大小和曲线图表实时显示在屏幕上。软件委托专业编程人员设计，工业计算机装有rs-485串口和usb接口方便数据输出及提取。计算机使用主频达3.70ghz的i5-9600kf处理器，内置500gb的固态硬盘，满足数值计算及数据存储要求。使用14英寸的ips屏和windows7操作系统，满足人眼安全和操作简便的要求。此外，采取相关技术手段加强系统整体防潮性能。以上技术特点委托专门厂家进行制造和装配。
[0127]
5)刚性固定支架
[0128]
刚性固定支架用于将8个激光测距传感器1按特定的布局方式固定在搅浆桶8上方，如图3、图4所示，它由三部分组成：支架横梁4、旋转式双层固定框2和三螺栓固定夹5。
[0129]
支架横梁4由厚度为4mm的303不锈钢板焊接而成，整体为矩形空心结构，刚度较好，整体长度为780mm，宽度为120mm，高度为24mm。单根支梁长度为780mm，宽度为24mm，高度为24mm。
[0130]
旋转式双层固定框2结构特点如图5所示，它包含两个完全对称的双层固定框，每个双层固定框通过长度为60mm的m8螺栓一23与支架横梁4连接，螺栓一23伸入固定框外框21并贯穿支架横梁4，同时可实现双层固定框绕螺栓一23转动。旋转m8螺栓一23可实现两个双层固定框向中间移动，从而夹紧激光测距传感器1实现传感器的固定。双层固定框由内外两层厚度均为5mm的固定框构成，内外两层固定框通过两个长度为16mm的m8螺栓二24贯穿固定在一起。内外层固定框两侧紧贴，顶部有30mm距离，可实现固定框内框22绕螺栓二24自由转动。固定框外框21上下完全贯通，固定框内框22底部布有长宽厚分别为50mm、10mm和5mm的底板25，用于支撑激光测距传感器1。
[0131]
三螺栓固定夹5用于支架横梁4与搅浆桶桶壁51之间的固定，其结构特点如图6所示。三螺栓固定夹5由顶部钢板52和两侧夹片53组成，采用刚度和抗腐蚀性较强的303不锈钢加工而成。顶部钢板52长100mm，宽24mm，厚6mm。两侧夹片53长100mm，宽74mm，厚6mm。三螺
栓固定夹5与支架横梁4之间通过一个长为32mm的m12螺栓三54连接在一起，旋紧螺栓三54可将三螺栓固定夹5的顶部钢板52与支架横梁4牢牢固定在一起。两侧夹片53由两个长为28mm的m12螺栓四55贯穿，旋紧两个螺栓四55便可使两侧夹片53向中间靠近，进而夹紧搅浆桶桶壁51。三螺栓固定夹5的顶部钢板52与两侧夹片53之间通过两个长为100mm的m5螺栓五56连接在一起，两侧夹片53可绕两个螺栓五56转动。通过以上结构设计可将激光测距传感器1按照特定的布局方式固定在搅浆桶上方。