CN100406733C - 活塞式混凝土泵实时排量计量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞式混凝土泵实时排量计量方法及系统。通过测量混凝土缸活塞位移和混凝土缸压力，以混凝土缸活塞位移信号为基准，根据混凝土缸活塞位移信号与混凝土缸压力信号周期相同但特征点出现的时间不同的信息，将混凝土缸活塞位移信号和混凝土缸压力信号相结合，对混凝土缸活塞位移信号和混凝土缸压力信号进行分析，计算实时泵送效率系数，对活塞式混凝土泵实时排量进行计量。针对混凝土泵出口压力、液压系统压力变化导致活塞在不同行程、不同冲次时运动速度不同的问题，利用混凝土缸压力信号蕴涵的信息提出计算结果的修正量，排除拌合物流变状态、成分比例不同以及泵出口压力工况变化、液压驱动力变化的影响，提高计量准确度。

Description

活塞式混凝土泵实时排量计量方法及系统

技术领域

本发明涉及流量测量的方法及系统，尤其是涉及一种活塞式混凝土泵实时排量计量方法及系统。

背景技术

混凝土的搅拌和泵送通常是在相距较远的两地进行的，搅拌、运输和施工方也常为三个不同的单位。建筑机械租赁业中因信息不对称处于劣势的一方——施工用户方——提出急需排量计量系统(主要是随泵车的排量计量系统)来弥补这方面的不足。在泵(车)运行状态监测、施工管理和施工质量、泵车质量的评价方面也存在着对排量计量系统的需求。一个典型的例子是：在用水泥浆(或石灰浆)浇筑地基或用深层搅拌法打桩时，由于没有较可靠的计量记录装置，灌入的水泥数量难以保证，技术和人为原因时常造成“豆腐渣工程”，给人民生命财产造成巨大损失，也使一些整机设备、施工工艺的使用受到限制。混凝土排量计量技术已成为建筑施工设备中的一项亟待解决的工程实际应用技术问题，随车的排量计量装置及控制系统、统计管理系统的开发，被国内各主要建筑机械生产企业视为新一代泵车的标志性功能。

国内外有关混凝土泵排量计量技术的直接研究鲜有报道，正使用或正在研究之中的计量方法包括：

(1)利用位移传感器、开关传感器进行排量计量的方法。这种方法采用开关传感器对泵送冲程次数进行记数，并根据按照经验设定的泵送效率进行活塞式混凝土泵(泥浆泵)排量的计量。由于不能在计量方法上排除“空行程”及出口压力变化的影响，这种方法存在较大计量误差。

(2)利用液压系统信号进行排量计量的方法。这种方法利用液压系统的压力信号与活塞缸往复的对应关系进行混凝土泵的排量计量。这一方法虽具有简单可靠的特点，但本质上仍停留在测量液压驱动活塞的往复次数上，且不能区分背压信号，在复杂工况下的精度是很有限的。

(3)基于实测吸入容积效率的计量方法。通过现场实测混凝土缸吸入容积效率计算平均吸入容积效率，并测量混凝土缸的活塞在最大行程时每分钟的冲程数，然后根据平均吸入容积效率对混凝土泵排量进行计量。该方法原理简单，可以减少因排量系数不准确而造成的实际平均排量的误差。但要求有专门的测量管道，同时也增加了操作人员的劳动量。不仅耗费时间，频繁测定也不现实。

发明内容

本发明的目的在于提供一种活塞式混凝土泵实时排量计量方法及系统。该系统可以计算理论排量、实际排量、实时泵送效率系数和平均泵送效率系数。

本发明是通过下面的技术方案来实现的：

一.活塞式混凝土泵实时排量计量方法

通过测量混凝土缸活塞位移和混凝土缸压力，以活塞位移信号为基准，根据活塞位移信号与混凝土缸压力信号周期相同但特征点出现的时间不同的信息，将活塞位移信号和混凝土缸压力信号相结合，对活塞位移信号和混凝土缸压力信号进行分析，计算实时泵送效率系数，对活塞式混凝土泵实时排量进行计量；该方法的具体步骤如下：

1)将一个固定支架安装在水箱处，将两个拉绳式直线位移传感器安装在固定支架上，两个位移传感器的拉绳末端分别接在混凝土泵各自活塞杆与混凝土缸活塞的连接法兰上，分别测量两个混凝土泵活塞位移；

2)将两个混凝土缸压力传感器分别安装在各自混凝土缸活塞上，分别测量泵送混凝土时混凝土缸压力；

3)将两个开关传感器安装在水箱处，测量每个泵送冲程的开始时间和结束时间；

4)对开关传感器信号、位移传感器信号和压力传感器信号进行采集，根据开关传感器信号确定各自泵送冲程的开始时间和结束时间，以活塞位移信号为基准，将活塞位移信号和混凝土缸压力信号相结合，利用活塞位移信号与混凝土缸压力信号周期相同但特征点出现的时间不同的信息，计算实时泵送效率系数，实现混凝土泵实时排量的计量：

$Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^{2}S\·{\mathrm{\η}}_i$

式中：

Q-混凝土泵总的实际排量(m³)；Q_i-第i个泵送冲程的实际排量(m³)；D-混凝土缸直径(m)；S-混凝土缸理论长度(m)；η_i-第i个泵送冲程的实时泵送效率系数。

二.活塞式混凝土泵实时排量计量系统

包括两个拉绳式直线位移传感器，两个开关传感器，两个混凝土缸压力传感器，输入装置、输出装置和微处理器。两个拉绳式直线位移传感器装在活塞式混凝土泵水箱的固定支架上，两个位移传感器的拉绳末端分别经定滑轮接在各自混凝土泵活塞杆与混凝土缸活塞的连接法兰上；两个混凝土缸压力传感器分别安装在各自混凝土缸无杆腔一端的活塞上；用于确定每个泵送冲程的开始时间和结束时间的两个开关传感器安装在固定支架上；六个传感器分接微处理器，微处理器还分别与用于输入排量计量所需参数的输入装置和用于将计算结果显示或打印的输出装置相连接。

所述的L型垫片安装在活塞杆与混凝土缸活塞连接的法兰上，所述的另一片L型垫片安装在另一根活塞杆与另一个混凝土缸活塞连接的法兰上；两个位移传感器的拉绳末端分别固定在两片L型垫片上，通过两个定滑轮分别对两个位移传感器拉绳进行换向，保证两个位移传感器拉绳与各自活塞杆轴线平行。

本发明具有的有益效果是：

针对混凝土泵出口压力、液压系统压力变化导致活塞在不同行程、不同冲次时运动速度不同的问题，进一步利用混凝土缸压力信号蕴涵的信息提出计算结果的修正量，从计量方法上基本排除拌合物流变状态、成分比例不同以及泵出口压力工况变化、液压驱动力变化的影响，提高计量准确度。

附图说明

图1是本发明系统总体结构框图；

图2是本发明系统安装结构示意图；

图3是位移传感器之一安装示意图；

图4是混凝土缸压力信号和活塞位移信号关系图；

图5是本发明系统工作流程图。

图中：1、拉绳式直线位移传感器，2、拉绳式直线位移传感器，3、开关传感器，4、开关传感器，5、混凝土缸压力传感器，6、混凝土缸压力传感器，7、输入装置，8、输出装置，9、定滑轮，10、定滑轮，11、主油缸，12、主油缸，13、混凝土缸，14、混凝土缸，15、主油缸活塞，16、主油缸活塞，17、活塞杆，18、活塞杆，19、L型垫片，20、L型垫片，21、法兰，22、法兰，23、混凝土缸活塞，24、混凝土缸活塞，25、微处理器，26、固定支架。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括两个拉绳式直线位移传感器1、2，两个开关传感器3、4，两个混凝土缸压力传感器5、6，输入装置7、输出装置8和微处理器25；两个拉绳式直线位移传感器1、2装在活塞式混凝土泵水箱的固定支架26上，两个位移传感器1、2的拉绳末端分别经定滑轮9、10接在各自混凝土泵活塞杆17、18与混凝土缸活塞23、24的连接法兰21、22上；两个混凝土缸压力传感器5、6分别安装在各自混凝土缸13、14无杆腔一端的活塞23、24上；用于确定每个泵送冲程的开始时间和结束时间的两个开关传感器3、4安装在固定支架26上；六个传感器分接微处理器25，微处理器25还分别与用于输入排量计量所需参数的输入装置7和用于将计算结果显示或打印的输出装置8相连接。11和12分别为活塞式混凝土泵的两个主油缸，15、16分别为活塞式混凝土泵的主油缸活塞。

如图3所示，所述的L型垫片19安装在活塞杆17与混凝土缸活塞23连接的法兰21上，所述的另一片L型垫片20安装在另一根活塞杆18与另一个混凝土缸活塞24连接的法兰22上；两个位移传感器1、2的拉绳末端分别固定在两片L型垫片19、20上，通过两个定滑轮9、10分别对两个位移传感器1、2拉绳进行换向，保证两个位移传感器1、2拉绳与各自活塞杆17、18轴线平行。

如图2所示，拉绳式直线位移传感器1和2分别安装在固定支架26上，其中位移传感器1用于测量混凝土缸活塞23的位移，位移传感器2用于测量混凝土缸活塞24的位移。开关传感器3和4分别安装在固定支架上，用于确定每个泵送冲程的开始时间和结束时间。混凝土缸压力传感器5和6分别安装在混凝土缸活塞23和24上，用于测量混凝土缸13、14的压力。输入装置7用于输入排量计量所需参数如坍落度、混凝土缸直径、长度等。输出装置8用于将计算结果显示或打印。微处理器25用于分析混凝土缸压力信号、活塞位移信号和中断信号，并提供系统所需时钟，计算混凝土泵实时排量并将结果发送给输出装置。

本发明工作过程：

结合图2和图5，第i个泵送冲程启动后，当混凝土缸活塞23或24离开开关传感器3或4时，开关传感器3或4发出一个中断信号(从高电平到低电平)给微处理器25，微处理器25根据其内部自带的时钟电路确定第i个泵送冲程开始的时间；当混凝土缸活塞23或24到达混凝土缸17或18末端时，相应地，混凝土缸活塞24或23到达开关传感器4或3，开关传感器4或3发出一个中断信号(从低电平到高电平)给微处理器25，微处理器25根据其内部自带的时钟电路确定第i个泵送冲程结束的时间。当微处理器25收到开关传感器3和4发出的中断信号后，说明第i个泵送冲程完成，提取出第i个泵送冲程中位移传感器1或2和混凝土缸压力传感器5或6采集的信号，并对第i个泵送冲程的混凝土缸活塞位移信号和混凝土缸压力信号进行分析。

第i个泵送冲程中混凝土缸压力信号和混凝土缸活塞位移信号的关系如图4所示。其中(a)为混凝土缸压力-时间图，(b)为混凝土缸活塞位移-时间图，(c)为开关传感器中断信号-时间图。由于混凝土缸13或14在吸入混凝土拌和物时，不能完全充满整个混凝土缸，在泵送时有一个压实混凝土的过程。在压实混凝土的过程中，混凝土缸13或14内的压力逐渐上升；当混凝土被完全压实时，混凝土缸13或14内的压力保持稳定值。微处理器25通过对第i个泵送冲程中的混凝土缸活塞位移信号和混凝土缸压力信号进行分析，当混凝土缸压力信号保持稳定值时，确定此刻所对应的时间为t_1i。而在第i个泵送冲程中，各个时刻都有一个位移值与之相对应。第i个泵送冲程开始时，时间t_0i对应的位移为S_0i；第i个泵送冲程结束时，时间t_2i对应的位移为S_2i；第i个泵送冲程中，当压力信号保持稳定值时，时间t_1i对应的位移为S_1i。由前面分析可知，S_2i-S_1i为第i个泵送冲程的有效位移，而S_2i-S_0i为第i个泵送冲程的总位移，则第i个泵送冲程的实时泵送效率系数为： ${\mathrm{\η}}_i=\frac{S_{2i}-S_{1i}}{S_{2i}-S_{0i}}.$ 已知第i个泵送冲程的理论排量为： $Q_0=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^{2}S,$ 则可以得到第i个泵送冲程的实际排量：

$Q_i=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^{2}S\·{\mathrm{\η}}_i=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^{2}S\·\left(\frac{S_{2i}-S_{1i}}{S_{2i}-S_{0i}}\right)$

将各个泵送冲程的实际排量累加起来，则可以得到总的实际排量：

$Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_0\·{\mathrm{\η}}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^{2}S\·{\mathrm{\η}}_i=\mathrm{\Σ}\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}^{2}S\·\left(\frac{S_{2i}-S_{1i}}{S_{2i}-S_{0i}}\right)$

将各个泵送冲程的泵送效率系数累加起来，除以总的泵送冲程次数，即可得到平均泵送效率系数。

本发明采用的位移传感器、开关传感器、混凝土缸压力传感器和微处理器市面上均可购买。

Claims (3)

1.活塞式混凝土泵实时排量计量方法，其特征在于：通过测量混凝土缸活塞位移和混凝土缸压力，以混凝土缸活塞位移信号为基准，根据混凝土缸活塞位移信号与混凝土缸压力信号周期相同但特征点出现的时间不同的信息，将混凝土缸活塞位移信号和混凝土缸压力信号相结合，对混凝土缸活塞位移信号和混凝土缸压力信号进行分析，计算实时泵送效率系数，对活塞式混凝土泵实时排量进行计量；该方法的具体步骤如下：

1)将一个固定支架安装在水箱处，将两个拉绳式直线位移传感器安装在固定支架上，两个位移传感器的拉绳末端分别接在混凝土泵各自活塞杆与混凝土缸活塞的连接法兰上，分别测量两个混凝土泵活塞位移；

2)将两个混凝土缸压力传感器分别安装在各自混凝土缸活塞上，分别测量泵送混凝土时混凝土缸压力；

3)将两个开关传感器安装在水箱处，测量每个泵送冲程的开始时间和结束时间；

4)对开关传感器信号、位移传感器信号和压力传感器信号进行采集，根据开关传感器信号确定各自泵送冲程的开始时间和结束时间，以活塞位移信号为基准，将活塞位移信号和混凝土缸压力信号相结合，利用活塞位移信号与混凝土缸压力信号周期相同但特征点出现的时间不同的信息，计算实时泵送效率系数，实现混凝土泵实时排量的计量：

$Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{4}{\mathrm{\πD}}^{2}S\·{\mathrm{\η}}_i$

式中：

Q-混凝土泵总的实际排量(m³)；Q_i-第i个泵送冲程的实际排量(m³)；D-混凝土缸直径(m)；S-混凝土缸理论长度(m)；η_i-第i个泵送冲程的实时泵送效率系数。

2.活塞式混凝土泵实时排量计量系统，其特征在于：包括两个拉绳式直线位移传感器(1、2)，两个开关传感器(3、4)，两个混凝土缸压力传感器(5、6)，输入装置(7)、输出装置(8)和微处理器(25)；两个拉绳式直线位移传感器(1、2)安装在活塞式混凝土泵水箱的固定支架(26)上，两个位移传感器(1、2)的拉绳末端分别经定滑轮(9、10)接在各自混凝土泵活塞杆(17、18)与混凝土缸活塞(23、24)的连接法兰(21、22)上；两个混凝土缸压力传感器(5、6)分别安装在各自混凝土缸(13、14)无杆腔一端的活塞(23、24)上；用于确定每个泵送冲程的开始时间和结束时间的两个开关传感器(3、4)安装在固定支架(26)上；六个传感器分接微处理器(25)，微处理器(25)还分别与用于输入排量计量所需参数的输入装置(7)和用于将计算结果显示或打印的输出装置(8)相连接。

3.根据权利要求2所述的活塞式混凝土泵实时排量计量系统，其特征在于：L型垫片(19)安装在活塞杆(17)与混凝土缸活塞(23)连接的法兰(21)上，另一片L型垫片(20)安装在另一根活塞杆(18)与另一个混凝土缸活塞(24)连接的法兰(22)上；两个位移传感器(1、2)的拉绳末端分别固定在两片L型垫片(19、20)上，通过两个定滑轮(9、10)分别对两个位移传感器(1、2)拉绳进行换向，保证两个位移传感器(1、2)拉绳与各自活塞杆(17、18)轴线平行。

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