CN102147276B

CN102147276B - 一种具有化学灌浆流量计的气动单缸双液式化学灌浆泵

Info

Publication number: CN102147276B
Application number: CN 201010597418
Authority: CN
Inventors: 李浩宇
Original assignee: Individual
Current assignee: HUNAN QUANCHEN TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: CN102147276A

Abstract

本发明涉及一种用于化学灌浆的计量高粘度溶液的流量计，用这种流量计计量流量的方法以及应用这种化学灌浆流量计的气动单缸双液式化学灌浆泵。本发明的气动单缸双液式化学灌浆泵包括可调气阀、化学灌浆流量计和控制电路，所述气缸上设置有总电磁气阀和分电磁气阀，所述位移传感器上设置有左接近开关和右接近开关，所述液缸端头上设置有A组份进浆电磁液阀、B组份进浆电磁液阀和灌浆电磁液阀，所述液缸上设置有用于混合进浆液体的搅拌器。本发明可准确测量化学灌浆的流量，使化学灌浆组份的比例可连续调节，使用方便。

Description

一种具有化学灌浆流量计的气动单缸双液式化学灌浆泵

技术领域

本发明涉及一种用于化学灌浆的具有化学灌浆流量计的气动单缸双液式化学灌浆泵。

背景技术

化学灌浆(Chemical Grouting)是将一定的化学材料(无机或有机材料)配制成真溶液，用化学灌浆泵等压送设备将其灌入地层或缝隙内，使其扩散、胶凝或固化，以增加地层强度、降低地层渗透性、防止地层变形和进行混凝土建筑物裂缝修补的一项地基处理和混凝土修补技术。即化学灌浆是化学与工程相结合，应用化学科学和化学浆材解决地基和混凝土缺陷处理(加固补强、防渗堵漏)，保证工程的顺利进行或借以提高工程质量的一项工程技术。

化学灌浆中的灌浆条件和终灌条件都以灌浆流量作为一项重要指标，根据《中华人民共和国电力行业标准-水工建筑物化学灌浆施工规范》，化学灌浆的结束标准：帷幕化学灌浆在最大设计压力下，灌浆流量不大于20mL/min后，继续灌注30min或达到胶凝时间；固结化学灌浆在最大设计压力下，灌浆流量不大于50mL/min后，继续灌注30min或达到胶凝时间。所以，灌浆过程中流量的计量是不可缺少的一项工作，灌浆流量将直接决定化学灌浆质量。

化学灌浆所用灌浆材料主要是环氧树脂等高分子化合物，它对金属和非金属材料的表面具有优异的粘接强度，介电性能良好。正是由于灌浆材料的高粘度、绝缘性，使现在已有的流量计不能满足其要求。目前的流量计主要有容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计和超声流量计。

其中，容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、涡街流量计和质量流量计要与测量液体接触，化学灌浆的灌浆材料粘度高且会胶凝(凝固)，所以，凡是与测量液体接触的流量计都不能满足要求。

化学灌浆中流量要求是体积流量，质量流量计只能通过公式换算得到体积流量，但化学灌浆是以一定压力灌浆，浆液经过压缩后，体积发生变化，所以质量流量计不能用于化学灌浆的流量计量。

电磁流量计只适合于测量导电性液体的流量，而化学灌浆的灌浆材料是属于绝缘材料。

超声流量计对所测量液体有具体的要求，传播时间法超声流量计只能用于清洁液体和气体；而多普勒法超声流量计只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体。化学灌浆材料是多种(一般是两种)化学材料混合而成，不同的灌浆要求有不同的配比，所以浆液的物理性质是不定的，而同一种浆液随着时间的变化物理性质也随之改变。用超声流量计计量化学灌浆流量会造成较大误差。化学灌浆中对流量计的误差要求可以通过下式计算：

γ < \frac{q_{v \min}}{q_{v \max}} \times 100 %

(公式A)

其中，γ为流量计的误差，q_vmin为终灌要求中的最小体积流量(mL/min)，q_vmax为灌浆中的最大体积流量(mL/min)。

一般灌浆条件下，q_vmax＝2000mL/min，q_vmin＝20mL/min(行业标准)，则流量计的误差要求γ＜1％，这样，超声流量计不能达到要求。

现有技术中，并没有应用在化学灌浆设备中的流量计，这给灌浆质量带来很大影响。中国专利授权公告号为CN11172086C的发明专利气动柱塞式灌浆泵和配浆机及自动配浆灌浆设备包括驱动气缸、工作液缸和活塞杆，驱动气缸上设置有减压调压阀、换向电磁阀和行程控制开关，压缩空气经减压调压阀、换向电磁阀后进入驱动气缸，推动活塞杆带动工作液缸的活塞往复运动，本发明没有流量计，不能测量灌浆的流量，流量的监控完全依靠工作人员的经验，灌浆质量和稳定性都不能得到保证。在实现两组份或多组份灌浆时，本发明采用两台或多台单缸泵并联组成，通过交替往复控制电路控制灌浆泵交替吸浆压浆，采用同步往复控制电路将多台气动柱塞式灌浆泵同端的行程开关串联而组成控制电路，组份之间的比例是依靠各工作液缸的缸径和行程来确定的，这样会产生多方面的影响质量的问题：各工作液缸的进浆管路(长度和管型)不一致会导致配比误差；灌浆时两个活塞运动的速度不同也会导致配比不准确；由于两个缸截面积不同，两个活塞所需要的推力不一样，会导致灌浆压力不均匀；组份的比例需要通过更换液缸和行程而调节，不能连续可调，可调的比例范围也有限，调节很不方便；而且在实际应用时需要用到多台气动柱塞式灌浆泵并联，使用的成本高且不方便。

现有技术中，化学灌浆的数据只能记录最后的数据，比如灌浆总量等，不能记录灌浆时的流量和状态，不便分析和控制灌浆质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是化学灌浆不便测量灌浆流量、化学灌浆组份不能连续可调、调节不方便、使用成本高且不能实时记录数据等问题中的一个或多个，提供一种具有化学灌浆流量计的气动单缸双液式化学灌浆泵。

本发明的内容是：一种具有化学灌浆流量计的气动单缸双液式化学灌浆泵，所述的化学灌浆流量计包括气缸、液缸、连接气缸和液缸的活塞杆以及通过位移传感器连接杆与活塞杆连接的用于测量液缸活塞移动位移的位移传感器，所述的气缸设置有进出气口I和进出气口II，所述液缸设置有进浆口，所述液缸后端头采用悬盖密封；所述化学灌浆流量计还包括信号采集与处理电路，所述信号采集与处理电路包括位移传感器、转换位移传感器传送过来的电压信号为数字信号的A/D转换器、处理数字信号以得到流量数据的单片机以及用于显示流量数据的液晶显示器；所述气动单缸双液式化学灌浆泵，还包括可调气阀和控制电路，所述气缸上设置有总电磁气阀和分电磁气阀，所述总电磁气阀一端与可调气阀连接，另一端与分电磁气阀连接，所述位移传感器上设置有左接近开关和右接近开关，所述液缸端头上设置有A组份进浆电磁液阀、B组份进浆电磁液阀和灌浆电磁液阀，所述液缸上设置有用于混合进浆液体的搅拌器。

优选地，所述搅拌器由设置在液缸外的搅拌电机和通过输出轴与搅拌电机相连接的搅拌叶轮组成。

优选地，灌浆电磁液阀设置在灌浆管上，灌浆管还设置有压力传感器。

优选地，所述控制电路包括CPU，传送环境温度和浆液温度信号给CPU的传感器模块，传送灌浆压力信号给CPU的压力传感器模块，传送活塞杆位移信号给CPU的传感器模块，接受来自CPU信号的电磁阀控制模块，接受并传送信号给CPU的接近开关模块，用来通信和下载的串口模块，驱动电机转动的电机驱动模块以及控制设备的启动、暂停和停止的输入输出模块。

本发明的有益效果是：本发明的液缸内部是一个圆柱体，液缸活塞在液缸内来回运动，把浆液吸进和压出，当浆液压出时，活塞向右运动，通过活塞杆和位移传感器连接杆将活塞的位移传递到位移传感器，用位移传感器适时测量活塞的位移，再由(公式1)计算出灌浆的体积流量。

灌浆时的活塞位移s(cm)通过电阻式位移传感器转换成电压信号u(V)，通过二进制A/D转换器，转换成数字信号D，由单片机中的软件完成流量计算，得到的流量数据通过液晶显示屏显示，如图2所示。

在本发明中，假设液缸行程L＝5cm，电阻式位移传感器量程等于液缸行程，输出电压信号范围为0～5V，二进制A/D转换器为12位A/D转换器，化学灌浆流量计信号采集与处理系统转换式为：

D＝k₁k₂s (公式2)

其中，k₁是电阻式位移传感器的传递系数，单位是V/cm，k₂是12位A/D转换器的传递系数，单位是1/V。其中k₁和k₂的计算公式如下：

k_{1} = \frac{u}{s} = \frac{5}{5} = 1

(公式3)

k_{2} = \frac{D}{u} = \frac{2^{12}}{5} = 819.2

(公式4)

本发明的化学灌浆流量计的误差很小，可满足实际需求，误差的计算如下：

化学灌浆流量计误差由电阻式位移传感器的误差和A/D转换器的精度决定，可以由下列公式计算：

γ＝γ₁+γ₂ (公式5)

其中，γ₁为电阻式位移传感器的误差，为0.2％，γ₂假设为12位A/D转换器的精度，

γ_{2} = \frac{1}{2^{12}} = 0.02 % .

所以，化学灌浆流量计误差γ＝0.22％，小于1％，可以满足化学灌浆要求。

本发明的气动单缸双液式化学灌浆泵，通过流量计的计算，可以两组份的准确配比，即只需要采用一个液缸就可以实现双液灌浆功能，避免了采用两个液缸带来的问题，比如两个液缸活塞运动的速度不同导致配比不准的缺陷，灌浆压力不均的现象；可以随时连续可调两组份的流量和比例，可以显示灌浆时的流量以准确的控制灌浆时的流量大小和灌浆总量，保证化学灌浆质量。本发明采用软件控制，实时监控和记录化学灌浆时的数据，保证数据的准确性。本发明结构简单，维护方便，使用成本低。

附图说明

图1是本发明的化学灌浆流量计的结构示意图；

图2是本发明的化学灌浆流量计信号采集与处理电路系统示意图；

图3是本发明的气动单缸双液式化学灌浆泵的结构示意图；

图4是发明的气动单缸双液式化学灌浆泵的控制电路的结构原理示意图；

图5是本发明控制电路的流程图。

在图中，1气泵接口、2可调气阀、3总电磁气阀、4分电磁气阀、5气缸、6活塞杆、7左接近开关、8位移传感器连接杆、9位移传感器、10右接近开关、11气缸活塞、12液缸活塞、13灌浆电磁液阀、14压力传感器、15搅拌电机、16搅拌叶轮、17A组份储浆桶、18B组份储浆桶、19A组份进浆电磁液阀、20B组份进浆电磁液阀、21液缸、22进出气口I、23进出气口II、24进浆口。

具体实施方式

如图1所示，本发明的化学灌浆流量计包括气缸5、液缸21、连接气缸5和液缸21的活塞杆6以及通过位移传感器连接杆8与活塞杆6连接的用于测量液缸活塞12移动位移的位移传感器9，所述的气缸5设置有进出气口I22和进出气口II23，所述液缸21设置有进浆口24。本发明采用在所述液缸21后端头采用悬盖密封，可在使用完毕后打开以清洗液缸21，在图1中未显示。

如图2所示，本发明化学灌浆流量计还包括信号采集与处理电路，所述信号采集与处理电路包括位移传感器、转换位移传感器传送过来的电压信号为数字信号的A/D转换器、处理数字信号以得到流量数据的单片机以及用于显示流量数据的液晶显示器。

本发明的流量计量方法包括如下步骤：

(1)测量液缸21的直径，计为R；

(2)进出气口I22进气，活塞杆6向右移动到一定位置以排除气体，然后进出气口II23进气以使活塞杆6向左移动的同时进浆口24进浆液，浆液达到一定量后，活塞杆6向右移动，测量活塞杆6在向右运动过程中的单位时间内的位移，计为

(3)根据如下公式计算灌浆的流量：

q_{v} = π {(\frac{R}{2})}^{2} \frac{ds}{dt}

公式(1)

其中，q_v为体积流量，R为液缸直径，

为单位时间内的位移。

如图3所示，本实用新型包括可调气阀2、上述化学灌浆流量计和控制电路，所述气缸5上设置有总电磁气阀3和分电磁气阀4，所述位移传感器9上设置有左接近开关7和右接近开关10，所述液缸21端头上设置有A组份进浆电磁液阀19、B组份进浆电磁液阀20和灌浆电磁液阀13，所述液缸21上设置有用于混合进浆液体的搅拌器，所述的搅拌器由设置在液缸21外的搅拌电机15和通过输出轴与搅拌电机15相连接的搅拌叶轮16组成。灌浆电磁液阀13设置在灌浆管上，所述灌浆管还设置有压力传感器14。

本发明的气动单缸双液式化学灌浆泵的工作流程分5个过程：

(1)复位过程

机器启动时，进入复位过程，手动调节可调气阀2，给本发明提供一个合适气压，一般为0.4MPa，此时总电磁气阀3接通，分电磁气阀4接通左边，气缸5左边进气，在气压的作用下，气缸活塞11向右运动，通过活塞杆6，驱动液缸活塞12向右运动，此时，A组份进浆电磁液阀19和B组份进浆电磁液阀20都断开，灌浆电磁液阀13接通，当液缸活塞12运行到右端终点时，右接近开关10感应到信号，总电磁气阀3断开，A组份进浆电磁液阀19、B组份进浆电磁液阀20和灌浆电磁液阀13都断开，复位过程结束。

(2)A组份进浆过程

复位过程结束，进入A组份进浆过程，总电磁气阀接3通，分电磁气阀4接通右边，气缸5右边进气，在气压的作用下，气缸活塞11向左运动，通过活塞杆6，驱动液缸活塞12向左运动，此时，灌浆电磁液阀13和B组份进浆电磁液阀20都断开，A组份进浆电磁液阀19接通，将A组份从A组份储浆桶17吸进液缸21内，位移传感器9适时测量液缸活塞12位移，A组份进浆位移可以通过下式求出：

l_{A} = \frac{\frac{A}{B} L}{(1 + \frac{A}{B})}

(公式6)

其中，l_A为A组份进浆位移，单位为cm，L为液缸21总行程，单位为cm，

为A组份与B组份的配比。

当液缸活塞12位移达到A组份进浆位移l_A时，总电磁气阀3断开，A组份进浆电磁液阀19断开，A组份停止进浆，A组份进浆过程结束。

(3)B组份进浆过程

A组份进浆过程结束，进入B组份进浆过程，总电磁气阀3接通，分电磁气阀4接通右边，气缸5右边进气，在气压的作用下，气缸活塞11向左运动，通过活塞杆6，驱动液缸活塞12向左运动，此时，灌浆电磁液阀13和A组份进浆电磁液阀19都断开，B组份进浆电磁液阀20接通，将B组份从B组份储浆桶18吸进液缸21内，位移传感器9适时测量液缸活塞12位移，B组份进浆位移可以通过下式求出：

l_{B} = \frac{L}{(1 + \frac{A}{B})}

(公式7)

其中，l_B为B组份进浆位移，单位为cm，L液缸21总行程，单位为cm，为A组份与B组份的配比。

当液缸活塞12位移达到B组份进浆位移l_B时，总电磁气阀3断开，B组份进浆电磁液阀20断开，B组份停止进浆，B组份进浆过程结束。

其中，左接近开关7可以起保护作用，当B组份进浆位移l_B未到，但左接近开关7感应到信号，停止B组份进浆。

(4)混合过程

B组份进浆过程结束，进入混合过程，搅拌电机15加电旋转，驱动搅拌叶轮16旋转，使A、B组份在液缸21内达到充分混合。混合时间可以控制，定为10秒，时间到就停止混合。

(5)灌浆过程

混合过程结束，进入灌浆过程，总电磁气阀3接通，分电磁气阀4接通左边，气缸5左边进气，在气压的作用下，气缸活塞11向右运动，通过活塞杆6，驱动液缸活塞12向右运动，此时，A组份进浆电磁液阀19和B组份进浆电磁液阀20都断开，灌浆电磁液阀13接通，浆液在液缸活塞12的推动下，从灌浆管的出浆口排出，压力传感器14能适时测量灌浆压力，然后通过调节可调气阀2，能调节灌浆压力。通过位移传感器9能适时测量灌浆流量。当液缸活塞12运行到右端终点时，右接近开关10感应到信号，总电磁气阀3断开，A组份进浆电磁液阀19、B组份进浆电磁液阀20和灌浆电磁液阀13都断开，灌浆过程结束。然后重复A组份进浆过程。

以上过程都是通过控制电路控制，如图4所示，所述控制电路包括以下几个部分：

1、CPU(中央处理单元)：CPU采用的是STC89C58RD+，整个模块包括复位电路，晶振电路，是整个设备的控制核心部件，分析处理来自其它各个模块的信息，然后发出相应的动作指令。

2、温度传感器模块：温度传感器模块采用的是数字温度传感器DS18B20，两个分别用来测试环境温度和浆液的温度。

3、压力传感器模块：压力传感器采用的是SCB3111P平面型压力变送器，用来测试出浆口的压力，输出电流信号，通过12位的TLC1549模数转换后输出数字信号给CPU做出相应的处理。

4、位移传感器模块：位移传感器采用的是KTC系列高精度位移传感器，是计量灌浆量的核心部件，输出电压信号，通过12位的TLC1549模数转换后输出数字信号给CPU做出相应的处理。

5、电磁阀控制模块：电磁阀采用的是SNS系列电磁阀，该模块还包括电磁阀驱动ULN2803和光隔TLP521-4，其接收到来自CPU的命令，执行相应开关阀的动作，是控制电磁阀的直接部件。

6、接近开关模块：气动单缸双液式化学灌浆泵采用NPN常开型接近开关来接收缸运行到底的信号，然后把这个信号传输给CPU，是一个输入模块。

7、串口模块：串口模块包括MAX232的电平转换电路，是设备用来通信和下载的模块。

8、电机驱动模块：电机驱动电路是用来驱动电机搅拌混合浆液的，采用TIP122和TIP127构成的H桥驱动电路，通过电机驱动电路可控制电机的转速和正反转方向。

9、输入输出模块：输入模块包括三个按键，分别控制设备的启动，暂停和停止。输出模块采用OCMJ4*8C的液晶屏，输出显示灌浆压力、罐浆量、环境温度、浆液温度、灌浆速度和灌浆状态。

本发明的控制流程如图5所示，本发明的元件通过控制电路控制以实现准确运行。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有化学灌浆流量计的气动单缸双液式化学灌浆泵，所述的化学灌浆流量计包括气缸(5)、液缸(21)、连接气缸(5)和液缸(21)的活塞杆(6)以及通过位移传感器连接杆(8)与活塞杆(6)连接的用于测量液缸活塞(12)移动位移的位移传感器(9)，所述的气缸(5)设置有进出气口I(22)和进出气口II(23)，所述液缸(21)设置有进浆口(24)，所述液缸(21)后端头采用悬盖密封；所述的化学灌浆流量计还包括信号采集与处理电路，所述信号采集与处理电路包括位移传感器、转换位移传感器传送过来的电压信号为数字信号的A/D转换器、处理数字信号以得到流量数据的单片机以及用于显示流量数据的液晶显示器；其特征在于，所述气动单缸双液式化学灌浆泵还包括可调气阀(2)和控制电路，所述气缸(5)上设置有总电磁气阀(3)和分电磁气阀(4)，总电磁气阀(3)一端与可调气阀(2)连接，另一端与分电磁气阀(4)连接；所述位移传感器(9)上设置有左接近开关(7)和右接近开关(10)，所述液缸(21)端头上设置有A组份进浆电磁液阀(19)、B组份进浆电磁液阀(20)和灌浆电磁液阀(13)，所述液缸(21)上设置有用于混合进浆液体的搅拌器。

2.根据权利要求1所述的一种具有化学灌浆流量计的气动单缸双液式化学灌浆泵，其特征在于，所述的搅拌器由设置在液缸(21)外的搅拌电机(15)和通过输出轴与搅拌电机(15)相连接的搅拌叶轮(16)组成。

3.根据权利要求1所述的一种具有化学灌浆流量计的气动单缸双液式化学灌浆泵，其特征在于，所述的灌浆电磁液阀(13)设置在灌浆管上，所述灌浆管还设置有压力传感器(14)。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种具有化学灌浆流量计的气动单缸双液式化学灌浆泵，其特征在于，所述的控制电路包括CPU，传送环境温度和浆液温度信号给CPU的温度传感器模块，传送灌浆压力信号给CPU的压力传感器模块，传送活塞杆位移信号给CPU的位移传感器模块，接受来自CPU信号的电磁阀控制模块，接受并传送信号给CPU的接近开关模块，用来通信和下载的串口模块，驱动电机转动的电机驱动模块以及控制设备的启动、暂停和停止的输入输出模块。