CN100570284C - 混凝土泵实时流量测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土泵实时流量测量方法及系统。将装有超声波传感器的四个声楔分别安装在混凝土输送管道上，其中两个超声波发射传感器通过发射模块向混凝土输送管道中流动的混凝土发射一定强度的超声波，超声波经过混凝土后被混凝土中的流动噪声信号调制，接收模块通过两个超声波接收传感器检测出流动噪声信号并进行信号处理，提取出含有混凝土流动信息的有用流动噪声，测量混凝土通过相距一定距离的两个截面的时间间隔，计算混凝土的流动速度，由于混凝土输送管道的截面积为定值，根据测得的混凝土流速就可以对混凝土泵实时流量进行测量。测量时不影响混凝土输送管道中混凝土的流场分布，且测量准确度几乎不受混凝土的温度、压力、浓度等参数的影响。

Description

混凝土泵实时流量测量方法及系统

技术领域

本发明涉及流量测量的方法及系统，尤其是涉及一种混凝土泵实时流量测量方法及系统。

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——提出急需流量计量系统(主要是随泵车的流量计量系统)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流量计量系统的需求。混凝土流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，随车的流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流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和技术方案包括：

(1)利用位移传感器、开关传感器进行流量计量的方法。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)流量的计量。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流量计量的方法。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流量计量。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流量进行计量。该方法原理简单，可以减少因流量系数不准确而造成的实际平均流量的误差。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混凝土泵实时流量测量方法及系统。该系统可以计算混凝土泵实际泵送流量。

本发明采用的技术方案如下：

一.混凝土泵实时流量测量方法：

本发明将四个声楔分别安装在混凝土输送管道上，将四个超声波传感器分别安装在四个声楔中，其中两个超声波发射传感器通过发射模块向混凝土输送管道中流动的混凝土发射一定强度的超声波，超声波经过混凝土后被混凝土中的流动噪声信号调制，接收模块通过两个超声波接收传感器检测出流动噪声信号并进行信号处理，提取出含有混凝土流动信息的有用流动噪声，测量混凝土通过相距一定距离的两个截面的时间间隔，计算混凝土的流动速度，由于混凝土输送管道的截面积为定值，根据测得的混凝土流速就可以对混凝土泵实时流量进行测量；该方法的具体步骤如下：

1)将四个声楔分别安装在混凝土输送管道上，将四个超声波传感器分别安装在四个声楔中；

2)将发射模块分别与两个超声波发射传感器连接，使两个超声波发射传感器一直处于发射状态；

3)将接收模块分别与两个超声波接收传感器连接，一直接收两个超声波接收传感器输出的信号；

4)将高频振荡模块与DSP连接，产生发射超声波触发脉冲；

5)将信号处理模块与接收模块连接，对接收模块检测出的流动噪声信号进行处理；

6)计算混凝土通过相距一定距离的两个截面的时间间隔，得到混凝土的流动速度，由于混凝土输送管道的截面积为定值，根据测得的混凝土流速就可以对混凝土泵实时流量进行测量；

$Q=S\·\mathrm{\υ}=S\·\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_0}$

式中：

Q-混凝土泵总的实际流量(m³/s)；S-混凝土输送管道的截面积(m²)；υ-混凝土流速(m/s)；L-两个超声波发射和接收传感器安装间隔(m)；τ₀-混凝土通过相距一定距离的两个截面的时间间隔(s)。

二.混凝土泵实时流量测量系统：

包括混凝土泵；还包括两个超声波发射传感器，两个超声波接收传感器，四个声楔，混凝土输送管道，信号处理模块，发射模块，接收模块，温度补偿模块，流量显示模块，DSP，串行通信模块和高频振荡模块；第一声楔和第三声楔分别置于混凝土输送管道两侧，再沿混凝土输送管道轴向，第二声楔和第四声楔分别置于混凝土输送管道两侧，第一超声波发射传感器安装在第一声楔中，第二超声波发射传感器安装在第二声楔中，第一超声波接收传感器安装在第三声楔中，第二超声波接收传感器安装在第四声楔中；发射模块分别与第一、第二超声波发射传感器连接，接收模块分别与第一、第二超声波接收传感器连接；信号处理模块与接收模块、DSP分别与信号处理模块，温度补偿模块，流量显示模块，串行通信模块和高频振荡模块连接。

所述的第一声楔和第三声楔、第二声楔和第四声楔均平行分别斜置或垂直置于混凝土输送管道两侧。

本发明具有的有益效果是：

通过检测混凝土输送管道中被流动噪声信号调制的超声波，提取出含有混凝土流动信息的有用流动噪声，测量混凝土通过相距一定距离的两个截面的时间间隔，计算混凝土的流动速度，对混凝土泵实时流量进行测量。测量时不影响混凝土输送管道中混凝土的流场分布，而且测量准确度几乎不受混凝土的温度、压力、浓度等参数的影响。

附图说明

图1是本发明的总体结构原理示意图。

图2是本发明的硬件结构原理示意图。

图3是本发明的软件结构原理示意图。

图4是本发明的工作流程原理示意图。

图中：1、超声波发射传感器，2、超声波发射传感器，3、超声波接收传感器，4、超声波接收传感器，5、声楔，6、声楔，7、声楔，8、声楔，9、混凝土输送管道，10、信号处理模块，11、发射模块 12、接收模块，13、温度补偿模块，14、流量显示模块，15、DSP，16、串行通信模块，17、高频振荡模块，18、混凝土泵。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括混凝土泵；还包括两个超声波发射传感器1、2，两个超声波接收传感器3、4，四个声楔5、6、7、8，混凝土输送管道9，信号处理模块10，发射模块11，接收模块12，温度补偿模块13，流量显示模块14，DSP15，串行通信模块16和高频振荡模块17；第一声楔5和第三声楔7分

别置于混凝土输送管道9两侧，再沿混凝土输送管道9轴向，第二声楔6和第四声楔8分别置于混凝土输送管道9两侧，第一超声波发射传感器1安装在第一声楔5中，第二超声波发射传感器2安装在第二声楔6中，第一超声波接收传感器3安装在第三声楔7中，第二超声波接收传感器4安装在第四声楔8中；发射模块11分别与第一、第二超声波发射传感器1、2连接，接收模块12分别与第一、第二超声波接收传感器3、4连接；信号处理模块10与接收模块12、DSP15分别与信号处理模块10，温度补偿模块13，流量显示模块14，串行通信模块16和高频振荡模块17连接。

所述的第一声楔5和第三声楔7、第二声楔6和第四声楔8均平行分别斜置或垂直置于混凝土输送管道9两侧。

如图3所示，本发明软件系统包括自检和故障处理模块、参数设置和修改模块、测量和信号处理模块、控制和串行通信模块以及数据显示和打印模块。

本发明的工作过程如下：

结合图2和图4，启动测量系统，系统首先进行自检，然后进行各种测量参数的设置。DSP程序发出控制信号至高频振荡模块，产生发射超声波触发脉冲，超声波换能器开始发射超声波。接收模块接收到调制信号后，对调制信号进行滤波、放大和解调，分离出含有流体流速信息的低频流动信号，输送至A/D转换器进行数据采集，将信号传输给DSP。编制DSP程序计算流动噪声信号的互相关函数，同时根据实时采集的各种测量参数进行误差修正和数据处理，计算实时排量和累积流量，并将计算结果显示出来。

如图2所示，超声波发射传感器1、2通过发射模块11向混凝土输送管道9中的混凝土发射一定强度的超声波，超声波经过混凝土后被混凝土中的流动噪声信号调制，到达超声波接收传感器3、4，然后被接收模块12接收。通过适当的信号解调，分别从超声波接收传感器3、4中提取出与混凝土流动状况有关的流动噪声信号x(t)和y(t)。当混凝土在管道内平稳流动时，随机流动噪声信号x(t)和y(t)可以分别看作是来自各态历经的平稳随机过程{x_i(t)}和{y_i(t)}的一个样本函数。将x(t)和y(t)做互相关运算可以得到互相关函数R_xy(τ)为：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{\mathrm{\τ}\→\∞}{\lim }\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}---\left(1\right)$

当超声波发射传感器1、2之间的距离在一定范围内时，流体流动噪声信号x(t)和y(t)具有一定的相似性，其互相关函数R_xy(τ)会出现一个峰值，该峰值所对应的时间位移τ₀即为理想状态下混凝土从超声波发射传感器1到超声波发射传感器2的时间。在该测量系统中，如果超声波发射传感器1和超声波发射传感器2之间的距离足够小，并且超声波发射传感器1和超声波发射传感器2前后的直管段比较长，那么当流体从超声波发射传感器1流动到超声波发射传感器2时，流体的流动相对变化较小，可以近似认为该流动系统满足“凝固”流动模型假设条件，因此流体的速度υ为：

$\mathrm{\υ}=\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_0}---\left(2\right)$

由于混凝土输送管道的截面积S为定值，根据测得的流速υ就可以得到混凝土的流量：

$Q=S\·\mathrm{\υ}=S\·\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_0}---\left(3\right)$

本发明采用的器件如超声波发射传感器T/R40、超声波接收传感器T/R40、发射模块RBA-24、接收模块RBA-23、串行通信模块ADAM-4510I、高频振荡模块FU-19、温度补偿模块143-131A、信号处理模块KLM-4701、流量显示模块LCM141和DSP市面上均可购买。

Claims (3)

1.一种混凝土泵实时流量测量方法，其特征在于：将四个声楔分别安装在混凝土输送管道上，四个超声波传感器分别安装在四个声楔中，其中两个超声波发射传感器通过发射模块向混凝土输送管道中流动的混凝土发射一定强度的超声波，超声波经过混凝土后被混凝土中的流动噪声信号调制，接收模块通过两个超声波接收传感器检测出流动噪声信号并进行信号处理，提取出含有混凝土流动信息的有用流动噪声，测量混凝土通过相距一定距离的两个截面的时间间隔，计算混凝土的流动速度，由于混凝土输送管道的截面积为定值，根据测得的混凝土流速就可以对混凝土泵实时流量进行测量；该方法的具体步骤如下：

1)将四个声楔分别安装在混凝土输送管道上，将四个超声波传感器分别安装在四个声楔中；

2)将发射模块分别与两个超声波发射传感器连接，使两个超声波发射传感器一直处于发射状态；

3)将接收模块分别与两个超声波接收传感器连接，一直接收两个超声波接收传感器输出的信号；

4)将高频振荡模块与DSP连接，产生发射超声波触发脉冲；

5)将信号处理模块与接收模块连接，对接收模块检测出的流动噪声信号进行处理；

6)计算混凝土通过相距一定距离的两个截面的时间间隔，得到混凝土的流动速度，由于混凝土输送管道的截面积为定值，根据测得的混凝土流速就可以对混凝土泵实时流量进行测量；

$Q=S\·\mathrm{\υ}=S\·\frac{L}{{\mathrm{\τ}}_0}$

式中：

Q-混凝土泵总的实际流量，单位是：m³/s；S-混凝土输送管道的截面积，单位是：m²；υ-混凝土流速，单位是：m/s；L-两个超声波发射和接收传感器安装间隔，单位是：m；τ₀-混凝土通过相距一定距离的两个截面的时间间隔，单位是：s。

2.一种混凝土泵实时流量测量系统，包括混凝土泵(18)；其特征在于：还包括两个超声波发射传感器(1、2)，两个超声波接收传感器(3、4)，四个声楔(5、6、7、8)，混凝土输送管道(9)，信号处理模块(10)，发射模块(11)，接收模块(12)，温度补偿模块(13)，流量显示模块(14)，DSP(15)，串行通信模块(16)和高频振荡模块(17)；第一声楔(5)和第三声楔(7)分别置于混凝土输送管道(9)两侧，再沿混凝土输送管道(9)轴向，第二声楔(6)和第四声楔(8)分别置于混凝土输送管道(9)两侧，第一超声波发射传感器(1)安装在第一声楔(5)中，第二超声波发射传感器(2)安装在第二声楔(6)中，第一超声波接收传感器(3)安装在第三声楔(7)中，第二超声波接收传感器(4)安装在第四声楔(8)中；发射模块(11)分别与第一、第二超声波发射传感器(1、2)连接，接收模块(12)分别与第一、第二超声波接收传感器(3、4)连接；信号处理模块(10)与接收模块(12)连接，DSP(15)分别与信号处理模块(10)，温度补偿模块(13)，流量显示模块(14)，串行通信模块(16)，高频振荡模块(17)，发射模块(11)和接收模块(12)连接。

3.根据权利要求2所述的一种混凝土泵实时流量测量系统，其特征在于：所述的第一声楔(5)和第三声楔(7)、第二声楔(6)和第四声楔(8)均平行分别斜置或垂直置于混凝土输送管道(9)两侧。

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