（机械电子工程专业论文）特殊固液两相流体相关参数测量系统的开发与应用.pdf

北京化丁大学硕上学位论文 特殊固液两相流体相关参数测量系统的开发与应用 摘要： 固液两相流体的参数测量是一个经常遇到的问题，由于它的特殊 性质，在对其实行测量时与一般液态流体有较大区别。本文以注浆减 沉工程中粉煤灰浆液的测量为实例，实现了对其的流量、压力与密度 等相关参数的测量，对固液两相流体测量中的一些问题进行了探讨。 本文主要内容有：第一，为减沉注浆工程设计了合适的数据采集 系统方案，确保满足注浆站工况要求；第二，比较和讨论了现有的各 种流量测量传感器、压力传感器和密度测量方法，在固液两相流体的 测量场合中各自的优点和不足，在此基础上，选择和改进了相关的硬 件，使得其能适应注浆减沉工程中的工况条件，构造了相应的数据采 集硬件体系，保证了数据的准确、稳定和实时测量的要求；第三，编 写、调试了软件体系，具有对系统进行数据采集与处理、数据管理、 图片显示、打印、局域网通信、并对历史数据进行查询等功能。 整个系统目前在唐山矿、范各庄矿等注浆减沉工程中应用，取得 了良好的效果，为减沉注浆工程的研究提供了科学数据管理，对其的 推广具有积极意义。 关键词：固液两相流体减沉注浆工程数据采集传感器数据管理 北京化t 大学硕士学位论文 r e l a t e dp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ts y s t e m s d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs p e c i a l s o l i d l i q u i dt w o p h a s ef l o w a b s t r a c t s o l i d l i q u i dt w op h a s ef l o w sp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n ti sac o m m o n p r o b l e m b e c a u s eo fi t ss p e c i a la t t r i b u t e s ，t h e r ea r eal o to fd i f f e r e n c e s w h e nm e a s u r i n gc o m p a r e dw i t hn o r m a ll i q u i df l o w t h i sp a p e rc o n s i d e r c o a l - - a s hf l o wu s e di ng r o u t i n gi ns e p a r a t e d - b e dt or e d u c es u r f a c e s u b s i d e n c ee n g i n e e r i n ga sa l le x a m p l e ，g e ti t sr e l a t e dp a r a m e t e r ss u c ha s f l o w , p r e s s u r e ，d e n s i t y , a n dd i s c u s s e ds o m eq u e s t i o n si ns o l i d l i q u i dt w o p h a s ef l o w sm e a s u r e m e n tp r o g r e s s s y s t e md e s i g ni n c l u d e d ：1 d e s i g n e d as u i t a b l em e a s u r e m e n ts y s t e mf o r g r o u t i n gi ns e p a r a t e d - b e dt od e c r e a s es u b s i d e n c ee n g i n e e r i n g ，m a k es u r e i tc a l lw o r kw e l li ng r o u t i n gs t a t i o n ；2 c o m p a r e da n dd i s c u s s e df l o w s e n s o r p r e s s u r es e n s o ra n dd e n s i t ys e n s o ru s e di ns o l i d l i q u i dt w op h a s e f l o wm e a s u r i n ga r e a , c h o o s et h em o s ts u i t a b l es e n s o ro ri m p r o v ei t s p e r f o r m a n c et of i tt h ew o r kc o n d i t i o n ，c o n s t r u c tah a r d w a r es y s t e mt o f u l f i l li t sr e q u i r e m e n t s ；3 d e v e l o pa n dd e b u gs o f t w a r et or e a l i z ed a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g ，d a t a b a s ea d m i n i s t r a t i o n ，p i c t u r es h o w i n g ， p r i n t i n ga n d l o c a ln e t w o r k sc o m m u n i c a t i o n 北京化工大学硕| 学位论文 t h es y s t e mn o wa r eu s e di nt a n g s h a nc o a lm i n eg r o u t i n ge n g i n e e r i n g ， f a n g e z h u a n gc o a lm i n eg r o u t i n gs y s t e m ，a n d i tw o r k sw e l ls i n c e i n s t a l l e d i t p r o v i d e s s c i e n c ed a t aa d m i n i s t r a t i o nt ot h e g r o u t i n g e n g i n e e r i n gr e s e a r c ha n dp l a y sap o s i t i v er o l ei nt h es p r e a d i n go ft h e g r o u t i n ge n g i n e e r i n g k e yw o r d ：s o l i d l i q u i dt w op h a s ef l o w ；g r o u t i n gt o r e d u c es u r f a c e s u b s i d e n c ee n g i n e e r i n g ；d a t aa c q u i s i t i o n ；s e n s o r ；d a t aa d m i n i s t r a t i o n i i i 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：望旦堕 日期：作者签名：童：塑塑日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在磐解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：! 望盟刍 铷签名：骅盘扯 日期：z 噬堑墨基垒望 醐：等哗 北京化丁大学硕士学位论文 1 1 绪论 第一章概述 在工农业生产中，固液两相流体( 或者叫液固两相流体) 是经常见到的。简而 言之，固液两相流体即在一种液态流体( 液相，通常为水) 中混入粉末状或颗粒 状等固体物质( 固相) 而形成的一种新流体。液固两相流体中固相含量较多者习 称浆液【l 】，是在石油、化工、冶金、造纸、建材、动力等流程工业和水力管道运 输中经常遇到的。如矿浆、泥浆、煤浆、纸浆、胶浆以及残渣的水力输送和污水 处理排放等【1 1 。固液两相流体在生产和生活中应用广泛，因此，对于它的相关性 质的测量就具有了重要的意义，并且也可以推广到其他一般流体领域使用。流体 的密度、压力、流速、流量等是我们重点关心的问题，在工业领域，像这种固体 颗粒含量较多，并且粒度不一时的浆液较为特殊，但又是需要严格来使用的。下 面本文以煤矿覆岩离层注浆减沉工程中使用的灰浆为例，研究固液两相流体的性 质及其相关参数的测量。 1 2 课题背景概论 1 2 1 覆岩离层减沉注浆 我国是一个产煤大国，目前每年从地下采出的煤炭超过l o x l 0 8 t ，同时，我 国“三下 压煤量也很大，特别在华东、华北平原的主要产煤区，地面村庄建筑 物密集，建下压煤问题十分突出【2 1 ；同时由于煤炭资源的长期开采，在地下形成 了大面积的采空区，导致地表出现大范围沉陷，部分城乡建筑和城市基础设施坐 落在煤田范围内，采煤沉陷和诸多地质灾害造成了矿区内大量的民宅、学校、医 院、企事业单位、商业网点、市政设施及农田的严重损坏，给矿区人民群众的生 产和生活带来极大不便，最终将导致地表的建筑物、水体、耕地、铁路、桥梁破 坏等诸多灾难性后果，随之带来一系列社会问题和环境问题。因此，如何开发研 究新技术解决建筑物下压煤开采和控制地表沉陷问题，是摆在采矿学者面前的紧 迫任务。目前国内外建筑物下压煤开采采取的技术途径主要有以下几种：迁址 开采；采取建筑物保护措施。采前加固、采后维修、建造抗变形结构房屋等： 采取减缓开采沉陷的开采措施，主要包括：条带开采、房柱式开采、采空区充 填注浆( 覆岩离层注浆) 开采【3 】。多年来，人们一直都在研究不同途径来控制煤 炭开采引起的沉陷破坏。迁址开采经济代价大，工程周期长，房屋加固是对地面 建筑物和重要地物进行加固，减少沉陷引起的破坏，总给人以治标不治本的隐患。 北京化t 大学硕r j ：学位论文 当前，我国大部分煤矿都是先开采，后治理，治理环节复杂、费用高、难度大， 而覆岩离层注浆技术是近些年来发展起来的新方法，它的出现为解决建下压煤的 开采和控制地面沉陷问题带来了新的希望。 覆岩离层注浆减沉方法利用煤层开采后上覆岩层移动过程中形成的离层空 间，由地表打钻孔至可利用的覆岩离层带，在地面设置一个注浆站，注浆材料可 以使用火力发电厂排出的废料粉煤灰，矸石粉或者黄土，然后与水配置成一定容 重的浆液，使用压力泵将粉煤灰浆液( 简称灰浆) 通过管路和钻孔，注入到覆岩的 离层空间内。在离层空间内，粉煤灰浆液会沉淀压实，形成粉煤灰压实湿灰体， 压实湿灰体起到支撑上覆岩层的作用，控制离层带上部岩体下沉的迸一步发展， 从而减小地表沉降【4 】，其原理如下图： 禽璧嚣 裂浆骺 铝嚣需 姑浆铱彳l 图1 - 1 覆岩离层注浆示意图 f i g 1 一ls k e t c hm a po fg r o u t i n gi ns e p a r a t e db e d 注浆工程所用的灰浆就是用粉煤灰和水混合而成的一种固液两相流体。注浆 所用的原料主要来自火电厂的固体废弃物粉煤灰。目前，我国的火力发电厂主 要是以煤炭为主要能源，一般大多建在煤炭产地附近。众说周知，火力发电厂是 耗能和污染的大户，它不仅需要大量的煤炭和水来运行，同时要排出大量的废水 和有害气体，与此同时，煤炭经燃烧后留下大量的粉煤灰，一般无大用处，还无 处堆积，甚至要占用耕地和其他民用土地；同时我国一些煤田地表潜水位较高， 地表塌陷后地下潜水位即可达到地面，在地面形成招泽，严重破坏了地面环境。 在这种情况下，如果采用离层注浆可以减缓地表下沉，使地表潜水位不致达到地 面，从而达到保护地面环境的目的【5 】。因此，就地取材将粉煤灰兑水混合成灰浆 并注入地下，既可有效控制地表下沉量，同时又可以将火电厂的废弃物粉煤灰变 为减沉注浆的绝好原料，真是一项利国利民的好工程。 2 北京化工大学硕士学位论文 1 2 2 灰浆的主要性质 两相流理论把水煤浆看成液体和固体组成，主要模型有：连续介质模型、离 散颗粒轨道模型和流体拟颗粒模型。水煤浆的管道输送数值模拟中主要采用连续 介质模型和离散颗粒轨道模型【6 j 。 将粉煤灰研磨后与水在灰浆池内搅拌均匀，就形成了注浆用的灰浆，显然， 灰浆是一种固液两相流体。据估算，粉煤灰颗粒直径在3 m m 以下，其所具有的主 要性质，这里重点讨论与测量有关的： 1 磨耗性：流体对于管道的磨耗主要因素有流态，流速，流体冲刷角度( 攻角) 和流体性质。液固两相流体的冲刷腐蚀行为较单相流体更为复杂，在相同液 相介质的情况下，其冲刷腐蚀对材料的破坏程度更为严重。 流体中的颗粒对液固两相冲刷腐蚀有很大的影响。一般来说，颗粒硬度 越高，颗粒半径越大，冲刷腐蚀越严重。颗粒浓度越大，冲刷腐蚀速率的绝 对值越大、但过大的颗粒浓度会导致屏蔽鼓应使得其冲刷腐蚀效率降低。多 角颗粒往往比球形颗粒造成更大的冲刷腐蚀。同时，在液固两相流中因颗粒 多角引起的表面膜损伤会进一步造成材料的电化学损伤，颗粒表面微观粗糙 度的下降是冲刷腐蚀速率随时间而降低的主要原因【7 】。 悬浮颗粒物对冲刷行为的影响参数主要在于其硬度、锋利性、粒径大小 及质量浓度。一般条件下，颗粒硬度越高，冲刷越严重【8 】。多角粒子的切削作 用要比圆形粒子的犁削作用产生更大的力学损伤。粒径越大，冲刷速率也越大 1 9 。颗粒质量浓度越大，冲刷腐蚀速率的绝对值越大，但高质量浓度条件下颗 粒间的相互影响所引起的屏蔽效应使得其冲蚀效率降低【1 0 1 。同时，流体中颗粒 物也影响电极反应的传质过程。颗粒物通过扩散层时加剧局部水体的搅动， 破坏扩散层状态，使得金属与介质中氧化剂的接触更为频繁，从而促进腐蚀过 程。可见，液固两相流体系中流体对材料的冲刷和剪切作用，再加上固体颗粒 的碰撞，促进了腐蚀过程。流体力学因素与电化学腐蚀的交互作用不是简单的 叠加，而是相互作用、彼此不可分割的。冲刷腐蚀失重量m t = m e + m c + m e c ， 其中m e 、m c 和m e c 分别为电化学腐蚀失重量、流体力学冲刷失重量以及两 者的交互作用所产生的质量损失【l l 】。 由于灰浆的冲蚀性，在选择传感器内衬时对于耐磨性以及耐腐蚀性就成 为了首要考虑目标。 2 结垢性：脱水后粉煤灰很容易结垢，尤其是在添加了水泥等成分以后，若管 道在长时期不注浆时，流体中的固相会沉淀在管道下方，造成仪表读数不准 确；在压力表选择时就应该注意到这一点，避免使用带弧形引管的压力表， 而使用平膜压力表。 北京化t 大学硕士学位论文 3 固相状况：查看一般固液两相流体的固相状态，是颗粒状还是纤维状。很显 然，灰浆主要是颗粒状的，粒度不一，最大颗粒度一般不会超过3 r a m 。粉煤 灰因煤质不同，会出现一定量的焦渣，大于3 m m 的焦渣约占干灰的5 左右。 如不在入泵前处理掉这些焦渣，必须加剧的磨损，也容易堵塞地层裂隙。减 少干灰的输送距离，降低注浆减沉的效果。为此，地矿公司采取了二级过滤 除渣措施：一是在电厂排灰管的出口安装了斜坡过滤筛；二是在注浆站搅拌 池上安装了两台振动筛，两次过滤可把3 m m 以上的焦渣全部除清【1 2 】。由于 固相颗粒较多较大，在选择非接触式传感器比如超声波式传感器时，应考虑 其声波能量信号的衰减。 4 密度与黏度：灰浆的密度：以唐山矿注浆减沉工程为例，该注浆站设计注浆 浆液容重设计为1 1 4 1 1 6 ，试验测定粉煤灰的干容重r 干灰= 1 8 6 ；饱和水粉煤 灰体容重为r 饱灰= 1 5 5 ，含水率为2 3 3 ；沉淀压实灰体( 压力= 1 1 1 m p a 下) 容重r 湿灰= 1 6 5 ，含水率为1 4 8 t 1 3 】。因此可以得出计算干灰量的近似经验公 式：粉煤灰= 灰浆流量1 5 9x ( 灰浆密度一水的密度) ，这个是本文计算 干灰量的重要公式。 此外，一般流体的密度测量多应用阿基米德定律，但在对固液两相流体 进行密度测量时，由于灰浆的黏度较大，常见的测量液体密度的方法并不适 用，同时应考虑黏度对于参数测量精度的影响。 5 流动时固相分布状况：有很多研究者做过固液两相流体的流动状态的研究， 在这里可以借鉴一下人家的成果。固液两相流中的固体颗粒性质和含量会有 很大的不同，而且还可能在一定条件下发生变化。伴随着这些变化，流体特 性往往也发生变化并且导致相应的运动、沉积和颗粒分选结梨1 4 1 。 高浓度固液两相流的流动和输运特性与低浓度固液两相流有着很大的不 同。高浓度挟沙水流经常表现出非牛顿流体的特性，不同于低浓度时的牛顿 流体。以往对于浓度固液两相流的描述多基于宾汉塑性体模型或拜格诺的膨 胀体模型。就含有粘性颗粒的高浓度固液两相流而言，中国学者提出了许多 关于屈服应力和宾汉粘性系数的经验表达式，这些表达式中大都采用颗粒浓 度和反映颗粒大小组分的变型1 5 】。 模拟液体中固体颗粒的流动，有两种主要的研究得到了发展，这就是连 续逼近法与离散逼近法。前者不能描述固态的不连续特性，它所用到的几个经 验参量也难以得到。因此，一般研究人员倾向于离散逼近法。最初，离散法 仅仅是对单相流体提出的。目前，它已被用来研究粒子在液体层面上的流动， 即两相流的问题【l 6 。 灰浆在管道内流动时，由于重力的作用管道下部会有较多固相成分，因 4 北京化工人学硕+ 学位论文 此在流量计安装时应尽量选择垂直安装，使流动状态下的流体两相能分布均 匀，并使得传感器的内衬磨损分布均匀。 1 2 3 数据采集 数据采集系统起始于2 0 世纪5 0 年代，1 9 5 6 年美国首先研究了用在军事上 的测试系统，目标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行操作，并 且测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有 高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任 务，因而得到了初步的认可【1 7 】。大约在6 0 年代后期，国外就有成套的数据采集 设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统。2 0 世纪 7 0 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的 数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表 和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展。从7 0 年代起，数据采集系统发 展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采 集系统。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行总线，工业现场数 据采集系统多采用串行数据总线。2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及应用，数据 采集系统得到了极大的发展，开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶 段的数据采集系统主要有两类，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算 机等构成。例如：国际标准i c e 6 2 5 ( g p i b ) 接口总线系统就是一个典型的代表。 这类系统主要用于实验室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集 卡、标准总线和计算机构成，例如：s t d 总线系统是这一类的典型代表。这种 接口系统采用积木式结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算 机控制。第二类系统在工业现场应用较多。这两种系统中，如果采集测试任务改 变，只需将新的仪用电缆接人系统，或将新卡再添加到专用的机箱即可完成硬件 平台重建，显然，这种系统比专用系统灵活得多。2 0 世纪8 0 年代后期，数据采 集系统发生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软 件管理，使系统的成本降低，体积减小，功能成倍增加，数据处理能力大大加强。 2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、航 空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的不断 提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统( d a s ) 。2 0 世纪9 0 年代发 展起来的虚拟仪器技术开辟了电子测控系统的新纪元。“软件就是仪器 的思想 十分符合国际上流行的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪 器一。虚拟仪器技术先进，功能强大，在科研、开发、测量、检测、计量、测控 等领域得到广泛的发展与应用。所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) ，实际上就是 5 北京化工大学硕士学位论文 一种基于计算机的自动化测试仪器系统，是电子测量技术与计算机技术深层次结 合的、具有很好发展前景的新一类电子仪器。一台工业标准计算机或工作站配上 功能强大的应用软件、低成本的硬件( 例如插入式板卡) 及驱动软件，他们在一 起共同完成传统仪器的功能。它将计算机采集测试分析引入到电子测量领域，用 数字化和软件技术极大地提高了测试的灵活性和可扩充性。 “数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后， 再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 从严格意义上说，数据采集系统应该是用计算机控制的多路数据自动检测或 巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算，以及从检测的数据中提 取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。总之，不论在哪个应用领域 中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。 数据采集系统的任务，具体地说，就是传感器从被测对象获取有用信息，并 将其输出信号转换为计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的处 理，得出所需的数据。同时，将计算得到的数据进行显示、储存或打印，以便实 现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用 来进行某些物理量的控制。 数据采集系统一般由数据输入通道、数据存储与管理、数据处理、数据输出 及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测、采样和信号转换等 工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库， 并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除干扰噪声、无关 信息和不必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据 进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原来的物理量形式，以可输出的 形态在输出设备上输出，如打印、显示、绘图等。数据输出及显示就是把数据以 适当的形式进行输出和显示。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件 下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。 1 3 课题的主要内容 本课题的主要研究内容为： 1 为了适应现场的恶劣工况条件，必须查阅大量资料来选择合适的流量传感 器来进行数据采集，必要时可以考虑进行试验，对特定流体的性质，看能否找到 最合适传感器，同时为了满足使用要求，应该与厂家协商，对传感器进行必要改 进，以提高传感器稳定性、精确性和使用寿命等性能； 6 北京化工大学硕上学位论文 2 为了更好的测量灰浆的密度，本文比较了常见的固液两相流体的测量方法 和所使用仪表，决定将研制新的密度测量系统( 间歇式密度计的开发) ，以适应注 浆站的特殊工况和现场要求； 3 注浆场合下压力计的选择与安装； 4 监测系统硬件结构设计，信号调理和数据采集模块的选择，流量计、压力 计、密度计等的数据采集、布线等； 5 监测系统软件开发，对减沉注浆系统的相关技术参数，包括流量、密度和 压力进行实时采集和处理，并显示在电脑屏幕上，若是超出安全范围则进行报警， 使管理人员可以随时了解并调整注浆现场的状态；并将采到的数据存储到数据 库，并架设局域网以便在公司内部进行数据的浏览，查阅和打印，同时允许系统 管理员对数据进行修改，增删等操作，这样就可以对注浆站的情况进行实时检测， 不用到现场也能对现场情况一目了然； 6 整套系统的通用化、模块化研究，以适应各种减沉注浆甚至小型的数据采 集场合。 1 4 课题研究的意义 注浆过程是控制注浆效果的关键，其中，流量、压力、密度是必须掌握的关 键参数，它们将直接影响注浆减沉效果，管理人员必须能够及时获取准确的注浆 参数才能更有效地实施控制并使其处于高效运行状态。然而目前该工程主要靠人 工计数与管理，测量机组运行流量是根据注浆泵额定泵量进行估算，这种方法只 能相对地估测流量，无法迅速地反映流速的变化及工作时间内流量的准确累积， 缺乏一定的科学性；并且地下的情况是相当复杂的，管道压力的变化却是未知的； 上灰与配浆几乎每时都在发生变化，人工每小时一次手工测量灰浆密度的方法太 过粗略，起不到有效掌控灰浆密度的效果。基于以上分析，很有必要开发一个测 量系统，对上述的参数进行科学地、实时地监测，以获取可靠的注浆参数，从而 掌控注浆工况状态，即时调整最佳注浆效果。 注浆监测系统开发目的在于在线获得注浆工程中浆体流量、密度和压力的实 时数据，经过数据处理后，存储在相应的数据库中，并按工程要求进行数据显示、 打印和备份等，与此同时将数据传送到企业局域网上供工程人员进行远程监控， 监控人员可以从注浆站监控现场和局域网上随时获得相关实时数据，并可以查看 任何时间段内的历史纪录。系统所涉及的硬件主要有流量计、密度计、压力计、 监控计算机以及其它辅助设施等，监控系统的软件按工程特点应具有较好的交互 性( 乔面友好) 、和开放性( 便于管理) 。 7 北京化t 大学硕 ：学位论文 课题讨论了一种固液两相流体( 粉煤狄浆) 的参数测量状况，完成了现场提出 的监测要求，为其他的两相流体测量场合提供了一定的经验，数据测量系统也可 以推广应用到其他小型数据采集场合。 1 5 课题研究方案及章节安排 首先是对现场工况的了解和需求的分析。现场有两个搅拌灰浆的池子，所以 必须准备两个间歇式密度测量系统，分别测量两个池子的密度，密度值可以检验 浆液的浓稠度，并依据该值和流量值，按经验公式计算出粉煤灰的量。四个注浆 管道分别对地下离层注浆，所以需要四个压力传感器和四个流量传感器，压力传 感器测量注浆管道内浆液的压力值，它是检测注浆状态的重要参数，流量传感器 可以测量灰浆流速，同时记录注入灰浆的总量。这样一共有1 0 个量需要系统来 作信号调理并采集到计算机中，将他们显示在工控电脑的屏幕上。同时考查现场 的具体位置以便日后的硬件安装。 然后根据现场的工况条件和需求，系统应选择合适的硬件设备，这个步骤是 最重要的，最好能做一些实验来选择合适的传感器。一共有流量，压力和密度这 3 种不同的数据需要测量，比如流量传感器，它就有容积式、压差式、流体阻力 式和速度式等几大类，其中测速式又有涡轮式、超声波式和电磁式几种，是选用 那一种才适用于灰浆这样的流体? 传感器又有二线制、三线制的差别，他们的接 线问题怎样? 选取怎样的线路能更好的屏蔽干扰? 传感器是用串行通信还是其 他的总线技术? 信号调理模块用那一种合适? 其次就是密度计的开发。由于核子密度计的稳定性及精确性，本来应该是首 选，但是它在申请和换用放射性物质时非常麻烦，同时由于现场对密度精度的要 求不高，故本文决定自己开发间歇式密度计。基本设想是用p l c 控制电机来带动 小桶对灰浆取样，测出桶内灰浆的质量，再将质量除以桶的体积，得出灰浆的密 度。 最后是程序的编写，前面已经说过，程序应该完成数据的采集、处理、显示、 存储和打印等基本功能。由于v b 的简单易学和便于维护等优点，本文选择v i s u a l b a s i c6 0 作为软件的开发工具，在动态网页的制作上选择了a s p 作为开发语言， 软件的编写工作应该在硬件完全确定之后。 本文的章节安排如下：第一章是概论，阐述课题的背景和意义；第二章是监 测系统的总体设计方案，以及课题难点；第三章写硬件选型和安装；第四章写软 件的编写与调试；第五章是课题总结和展望。 8 北京化工大学硕上学位论文 2 1 注浆站工况 第二章监测系统方案设计 2 1 1 注浆站外部环境 注浆站是注浆减沉工程的主要实施地点，一般离煤矿沉陷区较近，从注浆站 将管道铺设到采空区上方，注入定位好的孔中。下面以唐山矿注浆站为例，说明 注浆站的工作原理和工况条件。唐山矿注浆站位于唐山市南湖公园附近，其主要 的设施有如下几个部分： 拶 i 井mi 首咝一i 丌il1 上日l b f 千 二上一一一j r - 1r _ 1r il- o i o 一l 一i _ ll 聍 1 ii 注浆站 休，息区 、注浆 管道 图2 - 1 注浆站外部环境示意图 f i g 2 - 1g r o u t i n gs t a t i o n se n v i r o n m e n t 1 存灰场：注浆原料粉煤灰暂时堆放处，粉煤灰是附近从火电厂运过来的， 因为煤矿附近一般都有火电厂，因此就地取材，变废为宝； 2 注浆站：减沉注浆工程的主要实施地点，上灰、配浆、搅拌、浆体输送 等都在这里完成； 3 进出道路：人员、物料的通道； 4 休息区：工人们生活、休息的场所，离注浆站有一定距离； 5 注浆管道：灰浆输送通道，一直通到采空区上方。 9 北京化工大学硕十学位论文 2 1 2 注浆站内部情况 下面简单地介绍一下注浆站的内部情况，如下图所示： 图2 - 2 注浆站结构示意图 f i g 2 - 2s k e t c hm a po fg r o u t i n gs t a t i o n sc o n s t r u c t i o n 1 下灰房：现场工人按工作要求将粉煤灰定时定量加入灰浆池中，与灰浆池 中注水速度配合，可以得到不同浓度的灰浆，一般现场有固液配比表供参考； 2 灰浆池：直径6 米、深2 米左右的水泥池子，有水管不断向其中加水，流 量稳定，由下灰处工人加入粉煤灰量的多少决定灰浆的浓稠度，在这里将粉 煤灰和水搅拌均匀，形成注浆所需要的灰浆( 固液两相流体) ，灰浆的密度 值将由该池中测出； 3 注浆泵送系统：该注浆站有采用了四套5 0 7 2 m 3 h 的泥浆泵机组，上灰与 配浆、搅拌和注浆都是在注浆站完成，从灰浆池的出料口抽出灰浆，根据注 浆要求，也可以换为直接注入清水； 4 进水管道：往灰浆池中注水，也可直接连上注浆管道往孔中注水； 5 管道系统：前端铺设到注浆站门口，敞口，以便于对接上不同的注浆泵， 后端一直铺设到采空区上方指定地点，管道是灰浆输送的通道，本文关心的 注浆数据流速、压力等将在管道上采集。 6 传感器：安装在管道上，离开注浆泵应有一定的距离，以确保不被电磁干 扰； 1 0 北京化i 大学硕t 学位论i 7 主机房：安放工控机和二次仪表，是监测系统的心脏。 如上图所示，粉煤扶和水在扶浆池内搅拌成浓稠的扶浆，其密度可以由沉体 式安装在池底的密度计测得。4 奁柱塞泵从灰浆池抽浆口内抽出灰浆，经过铺设 的管道注入沉陷区上方的地 l 内。每根管道上安装流量传感器和压力传感器， 用来检测管道宴时的流量和压力值。 目前的设计为4 台泵，本设计应支持在不改变任何软件设置的情况下增加到 5 - 6 台泵持。每台泵需要采集其流量和压力作为工作参数，流量由流量计测量 通过r s 4 8 5 口连接到本系统；压力表输出4 - 2 0 m a 模拟信号，本系统进行a d 采 样后将数据 己录。 每台泵向哪个孔注入灰浆是动态可调的。每个孔又分为内孔和外孔，每台泵 可以向内孔注浆，也可以向外孔注浆。 2 2 监测系统整体结构设计 为了完成系统要求，设计时将系统大体划分为两个大部分：一是现场数据 采集与查处理部分，主要由现场注浆站的传感器、管道线路、供电电源等和主机 房的二次仪表柜、工控机、数据采集卡、触摸屏等构成，它是系统的核心部分， 注浆过程的数据最先就是从这里采集上来的；二是局域网的通信部分，从工控机 房到整个企业局域网的网络实现，使得企业每一个员工都能在办公室里看到注浆 站的最新情况，并能了解注浆历史数据。 图2 - 3 系统整体结构图 n g 2 - 3 w h o l es y s t e m sc o n s t r u c t i o n 谶者 丁0_一 一t 北京化工大学硕十学位论文 上图大概介绍了系统的整体结构，上部是现场采集与处理部分，下部是网络 通信部分，两者有机的联合在一起，完成系统的功能。 2 3 现场硬件组成 按照注浆站的工况要求，大概知道现场有4 条主要的注浆管道，因此在每一 条管道上应该安装有流量传感器，用来测量管道内流体的流速与流量；同时应该 知道每一条管道在注浆时的压力大小，以便于监测注浆状态，因此压力传感器也 是必不可少的；同时由于注浆时是使用同一个灰浆池中的浆液，因此密度值可以 只测一次，本文用灰浆池中抽浆口的浆液密度来近似代替管道内注浆液的密度， 这样我们就可以获得注浆相关参数了。 一般的电磁流量计会配有4 8 5 串口、现场总线接口等的二次仪表，这意味着 流量传感器的励磁和供电等功能由二次仪表完成( 转换器) ，不需多操心，因此在 选择流量计时，尽量选则可供方便安装和测量的； 一般的压力表输出的是4 2 0 m a 的电流信号，因此系统需要将标准模拟信号 转换成可供电脑识别的数字信号，需要在两者之间加上数据采集卡，已完成信号 转换和信号调理等功能； 密度计本文准备根据注浆站情况自行开发，暂定为模拟信号，也应走采集卡， 因此，数据采集卡至少要在5 通道以上，否则点数不够。 根据注浆站的工况，本文选择了小型的工控机作为系统的主要设备，对于要 采集的量来说，需要4 个流量数据通道( 若二次仪表提供寻址功能，如提供4 8 5 接口，则可共用一个口) 、4 个压力数据通道和一个密度值通道。二次仪表可以 整齐的安装在仪表柜中，便于检查和维护。各个数据由数据采集卡进入工控机中， 工控机与企业的局域网相连，完成数据的联网通信。 表2 - 1 现场主要硬件清单 t a b l e2 1m a i nh a r d w a r e1 i s t 1 2 北京化工人学硕十学位论文 下图显示了监测系统硬件组成的总体情况： 图2 - 4 测量系统硬件结构图 f i g 2 - 4m e a s u r i n gs y s t e m sh a r d w a r ec o n s t r u c t i o n 流量传感器各连接二次仪表，二次仪表信号线接4 8 5 - 2 3 2 串口转接头进计算 机串口； 压力信号等模拟信号先连数据采集卡在通过p c i 、u s b 或者串口等接口进计 算机，接口类型由数据采集卡决定。 小型数据采集系统的优点在于投资少、维护费用低；界面集中直观，使现场 人员能一目了然；工期短，灵活性高，可以普遍适用于各种小型数据采集场合。 1 3 北京化工大学硕l ：学位论文 2 4 网络通信部分 所谓计算机网络，是指将多个独立的计算机系统通过通信设备和通信线路连 接起来，并在网络软件的支持下能够实现数据通信和资源共享的集合【l 引。 按网络的组建规模和延伸范围，此时网络可以分为局域网，城域网和广域网 三类。 组建局域网的主要设备不外乎通信介质( 细缆、双绞线与光纤) 、通信设备( 交 换机、集线器) 、服务器以及一些配件等。如果要接入互联网，还需要路由器等 设备。就软件而言，主要是指服务器和工作站中需要安装的操作系统( 如w i n d o w s n t4 0 、w i n d o w s2 0 0 0 等) ，以及其他一些必要的软件。 局域网常用的连接方式，抛开联网时所采用的通信介质、通信设备等，局域 网中各计算机之间的常用的连接形式实际上只有两种，即总线型和星形。总线型 网络共用一条通信线缆，且不需额外的通信设备，因此可节约费用。但其缺点也 十分明显，一旦网络中某个节点出现故障，将使整个网络瘫痪；星型网络则无此 问题，但其每一个计算机需占用一条专用的通信线路，并且需要其他通信设备， 由于现在各种硬件设备都非常便宜了，目前大多数局域网采用的是星形连接。 工控机房的电脑通过集线器连接到企业网关，最后与企业服务器相连，企业 服务器为工控机分配了m 地址，这样就实现了计算机的网络连接任务。在工控 机上开启i i s 服务，使得局域网用户都能够通过网页实时了解注浆站的情况。 2 5 需要解决的问题 注浆站面临的主要问题包括：电磁干扰严重，现场有大小注浆泵5 台，三相 异步电机带动，同时灰浆池上也有搅拌电动机一台，这给测量时带来了麻烦；注 浆站现场粉尘弥漫，严重影响了仪器的使用寿命；噪声大，管道振动大。归纳起 来，整个系统应重点解决的问题主要有以下几个方面： 1 管道内流速、流量的测量问题： 对固液两相流体的流量测量是一个较为复杂的问题，选用合适的测量方法和 仪表是一个关键； 2 灰浆池中的密度测量问题： 应现场要求，寻求一般的核子密度计替代设备，测出灰浆池流体的密度； 3 电磁干扰的问题： 隔离、屏蔽、滤波和接地是抵抗电磁干扰的四种主要措施，一般情况下的电 磁干扰问题都能得到解决，注浆站内机组多，布线情况复杂，电磁场较混乱，应 1 4 北京化工大学硕十学位论文 对电磁干扰问题有足够的重视，在仪表安装时应按厂家要求进行，同时对仪表供 电应尽可能独立，防止相互干扰。 4 防水、防尘、防震问题： 为了仪器能正常稳定工作与长期使用，这些是必须考虑的，除了选用较高等 级的设备本身以外，仪器安装方式、安装地点、及无线方式等都应仔细考虑。 5 现场布线问题： 电磁干扰、防尘、防水是布线过程重点考虑的问题。比如在设备布置上，应 使主要的连接线与干扰源保持适当的物理距离。其次是计算机及控制电路与产生 噪声的设备及其布线之间保持一定的物理距离，这是降低噪声的重要措施。在难 以满足隔离的要求情况下，一般可采用以下措施： ( 1 ) 信号线和动力线垂直交叉或分槽布线； ( 2 ) 信号线与噪声线在端子板上分两端安装； ( 3 ) 在所规定的电流、引线阻抗及布线长度下，尽量减少所用导线的截面尺 寸； ( 4 ) 不要采用不同金属的导线相互连接； ( 5 ) 尽量减少或不设中间端子板或连接点； ( 6 ) 满足设备对环境温度、湿度及清洁度的要求； ( 7 ) 管道与电缆槽应可靠接地，并保证整个长度上连续接地； ( 8 ) 信号电路中使用双绞线或屏蔽电缆； ( 9 ) 采用管道屏蔽。 6 压力的稳定测量问题： 注浆过程中管道压力是不断变化的，在柱塞泵作用下，缸体每转一周，每个 柱塞完成吸、压浆液一次，使压力大体以一种脉动式的方式发生变化，因而使得 压力测量的准确性成为一个问题。设计暂时拟定以软件的方法来排除不合理数 据，并尽量提高压力值采集频率，对一定时间单位内的压力值取算术平均的办法 来获得管道压力值。 北京化丁大学硕士学位论文 第三章系统硬件选择及安装 仪表选择是一个重要的环节，既要考虑到满足使用要求，又要考虑到经济性 等指标。由于注浆站内噪声大、粉尘弥漫，电磁干扰严重，工况条件恶劣，考虑 到测量系统的准确性、稳定性、长期性等要求，系统要求有专用的机房来安放主 机，专用仪表柜来安放二次仪表，并对主机房的防尘措施等提出了具体要求，同 时对硬件的选择也有别于一般的测量场合。现场有四组注浆管道，意味着系统要 采集四组管道流量、四组管道压力，同时要对搅拌池中的液固两相流体( 灰浆) 进行密度测量。下面分别论述不同硬件的选择及安装。 3 0 传感器及硬件选择概述 传感器是将被测的某一物理量( 或信号) 按一定规律转换为另外一种( 或同种) 与之有确定对应关系的、便于应用的物理量( 或信号) 的输出装置【1 9 】。其中输出 为标准电信号的一般又称为变送器，传感器是测量的基本器件，他的性能直接关 系到测量的准确程度。 对于传感器的基本要求有：灵敏度高，输入和输出之间有较好的线性关系； 噪声小，并具有抗外部噪声的性能；滞后、漂移误差小；动态性能好；接入测量 系统时对被测量影响小；功耗小，复现性好，有互换性；防水及抗腐蚀性能好， 能长期使用；结构简单，容易维修和校正；低成本，通用性强。 传感器的分类方法很多，按传感器的物理原理来分，有电参量式传感器( 包 括电阻式、电容式、电感式三种基本类型，以及派生的涡流式、压磁式等) ，压 电式传感器，磁电式传感器，气电式传感器，光电式传感器，射线式传感器，波 式传感器( 超声波式及微波式等) ，半导体式传感器及其它类型传感器。 目前，普遍采用的传感器仍局限于非电物理量和电量的转换，由于传感器直 接与被测对象发生联系，将被测参数转换成可以直接测量的信号，为系统提供进 行处理和决策必需的原始信息，其性能直接影响整个测试工作的质量，因此传感 器已成为现代测试系统中的关键环节。 本系统的关键参数是流量、密度和压力，因此，本文主要对这三种传感器将 进行介绍。 在流量计的选择方面，与一般常见的容积式流量计、差压式流量计、流体阻 力式流量计、超声波流量计和电磁流量计等仪表中，电磁式流量计成为本文的最 终选择，认为它最适合于该类流体的流量、流速测量。本文将分别比较各类型流 量计的优劣和使用环境。流量传感器经过二次仪表和电脑主机相连，用4 8 5 串口 1 6 北京化工人学硕士学位论文 通信，既能保证通信距离，又有较好的抗干扰能力； 在压力传感器选择上，本文比较了应变片压力传感器原理与应用、陶瓷压力 传感器原理及应用、扩散硅压力传感器原理及应用工作原理，最后选择了平膜卫 生型压力传感器； 在密度计的选择上，本文简述了现在工场常用的核子密度计、泥浆密度计和 一般液体密度计的原理，以及为何在注浆现场设计不同密度采集系统的原因。针 对目前常用的测量液固两相流体密度的方式的不足，本文决定自己开发一个间歇 式的密度计，专门用来对像灰浆、泥浆等特殊的液固两相流体密度进行测量的专 用密度计。当然，它也可以用于一般的密度测量场合。最后，数据以4 8 5 串口通 信或者走数据采集卡的方式来进行采集，在电脑中汇总。 在间歇式密度计的开发方面，基于对该液固两相流体的特殊考虑，决定采取