CN106568682A - 泥水平衡盾构泥浆密度检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种泥水平衡盾构泥浆密度检测装置及其检测方法，通过水平管与竖直管间隔连接构成盾构泥水的进泥管道及排泥管道，并在进泥管道或排泥管道上分别设置用以检测的水平管与竖直管管内压差的压力传感器，形成一种“Г”型差压差动装置，以消除动态流体力学的各种扰动因素对重力法检测管道泥浆密度产生的误差，解决了现有技术中，采用重力原理简单运用静态泥浆密度公式测量具有一定流量的泥浆密度造成检测误差极大，以及采用伽玛密度计存在维护管理复杂导致费时费力很不方便等技术问题。

Description

泥水平衡盾构泥浆密度检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及泥水平衡式盾构技术领域，具体涉及泥水平衡盾构泥浆密度检测装置及其检测方法。

背景技术

泥水平衡式盾构掘进施工，具有施工效率高、渣土运输便捷、地面建筑物沉降控制好等优点，在城市大直径公路隧道施工中广泛应用。泥浆循环是泥水盾构的关键技术，进出盾构泥浆比重控制是控制盾构掘进质量的重要基础。泥水处理系统通过调节进出盾构机泥浆的密度等指标，排出渣土，为盾构提供能够满足稳定开挖面的泥浆。

泥水平衡盾构泥水管道的泥浆密度检测主要有重力原理和放射性物质原理二种检测方法。

其一，重力原理适用于检测泥水管道不沉淀均匀介质静态泥浆密度，其可通过下式(1)计算获得：

σ＝dp/gh (1)

其中g是重力常数，dp是在h(被测点高度差)工况下的差力压。

盾构施工过程中需要测得泥水管道内具有一定流速的泥浆密度。由于管道内动态泥水测点的压力会随泥水流量而变，以及动态泥水湍流等复杂流体力学因素，所以简单运用静态泥浆密度公式测量具有一定流量的泥浆密度会造成很大的检测误差。

其二，伽玛密度计原理，是将伽玛密度计的放射源置于铅罐内、安装在被测管道一侧，探测器安装在管道另一侧。伽玛射线穿过管道和被测介质，一部分射线被泥水介质散射和吸收，剩余部分被管道另一侧的探测器接收。介质吸收的射线与被测介质的密度呈指数吸收规律，经计算可得出介质的密度。

用伽玛密度计检测动态泥水管路内泥浆密度的优点是检测精度高，可达到0.2％。缺点是维护管理复杂，在工程实际应用中，重复使用需要标定，具有放射源的伽玛密度计标定受环境保护部门严格监督、费时费力很不方便。

综上，现有的泥水平衡盾构泥浆密度检测装置及其检测方法仍有不完备而需要进一步改进之处。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提供一种泥水平衡盾构泥浆密度检测装置及其检测方法，通过水平管与竖直管间隔连接构成盾构泥水的进泥管道及排泥管道，并在进泥管道或排泥管道上分别设置用以检测的水平管与竖直管管内压差的压力传感器，形成一种“Г”型差压差动装置，以消除动态流体力学的各种扰动因素对重力法检测管道泥浆密度产生的误差，解决了现有技术中，采用重力原理简单运用静态泥浆密度公式测量具有一定流量的泥浆密度造成检测误差极大，以及采用伽玛密度计存在维护管理复杂导致费时费力很不方便等技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种泥水平衡盾构泥浆密度检测装置，所述盾构包括泥水仓以及连接在泥水仓与地面之间的进泥管道及排泥管道；其特征在于，所述泥浆密度检测装置包括：所述进泥管道，具有进泥水平管及进泥竖直管连接组成；所述排泥管道，具有排泥水平管及排泥竖直管连接组成；流量计，用于检测所述进泥管道及排泥管道的管内泥浆流量；压力传感器，用于检测所述进泥管道及所述排泥管道的管内泥浆压力，所述压力传感器包括设于所述进泥水平管上的二水平进泥压感器、设于所述进泥竖直管上的二竖直进泥压感器、设于所述排泥水平管上的二水平排泥压感器以及设于所述排泥竖直管上的二竖直排泥压感器；其中，所述二水平进泥压感器之间的水平间距差和所述二竖直进泥压感器之间的垂直高度差相等；所述二水平排泥压感器之间的水平间距差和所述竖直排泥压感器之间的垂直高度差相等；控制器，与所述流量计及述压力传感器连接，用以接收所述流量计输出的流量信号以及所述压力传感器输出的压感信号，并依据所述流量信号、所述压感信号、所述水平间距差及所述垂直高度差获得所述进泥管道及排泥管道的管内泥浆重力原始密度。

本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测装置的进一步改进在于，所述压力传感器设于水平管与竖直管上靠近管路转角处，且各所述压力传感器与所述管路转角处的距离相等；所述距离大于等于3米。

本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测装置的进一步改进在于，所述控制器连接有工控计算机及盾构数据采集系统；所述控制器，用以获取并输出所述流量计的流量信号、所述压力传感器的压感信号、所述水平间距差信号及所述垂直高度差信号；所述工控计算机，与所述控制器连接，用以接收所述控制器输出的信号，所述工控计算机分析并计算所述信号，以输出一包括密度计算结果的信号；所述盾构数据采集系统，与所述工控计算机连接，用以接收并存储所述包括密度计算结果的信号。

本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测装置的进一步改进在于，所述工控计算机用于由静态泥浆密度公式建立所述进泥管道及所述排泥管道的竖直管和水平管的静态差压分量公式(dp＝σgh)，以及用于由流体力学建立所述进泥管道及所述排泥管道的竖直管和水平管的动态差压分量公式(dq＝df*L)；联立所述静态差压分量公式与所述动态差压分量公式求得竖直管合成压力差公式(dph)及水平管合成压力差公式(dpL)；联立所述竖直管合成压力差公式及水平管合成压力差公式求解计算得出所述泥浆重力原始密度σ。

本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测装置的进一步改进在于，所述工控计算机用于建立进泥管道及排泥管道的流量系数Kqd(i,j)；所述流量系数Kqd(i,j)＝γi/σi，其中，

i为管道有效流量范围的多个区间；

j为有效原始密度范围的多个区间；

γi为泥水于所述多个有效流量范围区间测得的实际密度；i＝1指进泥管道内测得；i＝2指排泥管道内测得；

σi为所述工控计算机11计算获得的泥浆原始重力密度；i＝1指进泥管道内的泥浆密度；i＝2指排泥管道内的泥浆密度。

本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测装置的进一步改进在于，所述工控计算机用于利用所述流量系数Kqd(i,j)与所述泥浆重力原始密度σ建立泥浆重力输出密度mdgi，所述泥浆重力输出密度mdgi＝Kqdi(i,j)*σi；其中，Kqdi(i,j)为流量系数；i＝1是进泥管道的流量系数；i＝2是排泥管道的流量系数；σi为管道内的泥浆重力原始密度；i＝1指进泥管道内的泥浆密度；i＝2指排泥管道内的泥浆密度。

此外，本发明另提供一种根据前术泥水平衡盾构泥浆密度检测装置进行检测的方法，所述方法步骤包括：

开始步骤：将泥水平衡盾构泥浆密度检测装置进行初始化；

定时器准备步骤：确认PLC控制器的定时器是否完成准备工作，在定时器完成准备工作后进入下一步骤；

采集压力计信息步骤：由控制器自同设于进泥管道的水平管及竖直管上，以及同设于排泥管道的水平及竖直管上，分别采集至少一组设于水平管上的压力传感器的压感信号与至少一组设于竖直管上的压力传感器的压感信号；

工程标度步骤：使PLC控制器进行工程标度，以获得压力传感器的工程单位值；

滤波处理步骤：由PLC控制器对压力传感器输出的压力值进行滤波处理，并将滤波处理后的压力值信号输出至工控计算机；

差压计算步骤：由工控计算机根据所述压力值信号计算获得管道内差压值；

采集盾构信息步骤：将盾构的PLC控制信息输入至盾构数据采集系统；

静态标定步骤：于盾构信息完备后依下式计算获得管道内泥浆密度；其中，σ，为管道内泥浆密度，单位为kg/m³；

dph，为竖直管差压，单位为Pa；dpL，为水平管差压，单位为Pa；g，为重力常数，单位为kg/s²；h，为被测点高度差，单位为m；

动态标定步骤：将静态标定步骤获得的泥浆密度执行管道泥水动态流量度非线性误差标定，计算获得流量系数Kqd(i,j)；再将流量系数Kqd(i,j)执行管道动态密度非线性拟合，计算获得泥浆重力输出密度mdgi；

输出密度结果步骤：由工控计算机输出经过管道动态密度非线性拟合的管道内泥浆密度至盾构数据采集系统；

记录检测数据步骤：由盾构数据采集系统记录检测数据；

记录动态参数步骤：由盾构数据采集系统记录动态参数。

本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测方法的进一步改进在于：

所述工程标度步骤：使PLC控制器根据下式进行工程标度，Cij＝Knij*(Sij-Szij)；

其中，i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；j＝1～4指在同一管道上的编号；

Knij，为标度系数，是由工厂标定数据计算后作初始化数据；

Szij，为根据现场零点标定PLC内码数据手动输入作初始化数据；

Sij，为传感器PLC当前采集的内码；

Cij，为传感器工程单位值，单位为Pa；

所述滤波处理步骤：所述PLC控制器根据公式：pij＝af*Cij+(1-af)*pij对压力传感器输出的压力值进行滤波处理，并将滤波处理后的压力值信号输出至工控计算机；其中，

i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；j＝1～4指在同一管道上的编号；

aij，为滤波系数，aij≦1；

Cij，为传感器工程单位值；

pij，为传感器压力，其中自变量是上一采样值；

所述差压计算步骤：由工控计算机通过公式dpih＝pij-pij计算获得差压值；

其中，i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；j＝1～4指在同一管道上的编号；

pij，为滤波处理步骤获得的滤波后压力值，单位为Pa；

dpih，为滤波后压力值的差压值，单位为Pa。

本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测方法的进一步改进在于：

所述动态标定步骤：将静态标定步骤获得的泥浆密度根据公式：Kqdi(i,j)＝γi/σi执行管道泥水动态流量度非线性误差标定，计算获得流量系数Kqdi(i,j)；再将流量系数Kqdi(i,j)根据公式mdgi＝Kqd1(i,j)*(dph-dpL)/gh执行管道动态密度非线性拟合，计算获得泥浆重力输出密度mdgi；

其中，在公式Kqdi(i,j)＝γi/σi中，σi为本装置检测得到的原始泥浆密度数据，σi＞1；i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；

在mdgi＝Kqdi(i,j)*(dph-dpL)/gh公式中，

mdgi，为符合本装置相应条件下管道内泥浆的密度，i＝1指进泥管道；i＝2指排泥管道，单位为kg/m³；

Kqdi(i,j)，为管道的流量系数，Kqd1(i,j)为进泥管的流量系数，Kqd2(i,j)为排泥管的流量系数。

附图说明

图1为本发明泥水平衡盾构泥水输送系统示意图。

图2是本发明泥浆密度检测装置的硬件系统组成示意图。

图3是本发明差压盾构泥浆密度检测传感器安装位置三维空间示意图。

图4是本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测装置的检测方法步骤流程图。

具体实施方式

为利于对本发明的了解，以下结合附图及实施例进行说明。

请参阅图1至图4，说明本发明提供的一种泥水平衡盾构泥浆密度检测装置及其检测方法。

如图1所示，本发明的泥水平衡盾构包括泥水泵1、进泥管道2、盾构泥水仓3、排泥管道4、土压计5、流量计6、压力传感器7、密度计8、控制室9及控制器10，构成本发明泥水平衡控制系统，起到控制盾构切口泥水压力的平衡作用。其中，所述进泥管道2及所述排泥管道4与所述盾构泥水仓3连接并延伸至地面G；所述进泥管道2及所述排泥管道4上皆设有所述流量计6、压力传感器7与密度计8；所述土压计5设于所述盾构泥水仓3内部；所述控制室9内部设有控制器10。

如图2所示，所述控制器10与所述流量计6及所述压力传感器7连接，用以接收读取所述流量计6的流量信号以及所述压力传感器7的压感信号；所述控制器10具体通过压力传感器7或流量计6感测转换后的电量信号，以转换获取压感信号或流量信号。

所述控制器10另与工控计算机11、盾构数据采集系统12连接；所述工控计算机11与所述控制器10连接，用以接收所述控制器10输出的信号，所述工控计算机11分析并计算所述信号，以输出一包括密度计算结果的信号；所述盾构数据采集系统12与所述工控计算机11连接，用以接收并存储所述包括密度计算结果的信号。

于本发明中，所述控制器10是PLC控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)，具有A/D转换和信号隔离功能。

于本发明中，所述压力传感器7采用的是活塞式硅应变压力传感器，以避免泥沙磨损；所述压力传感器7的技术参数包括量程范围：0～1.5MPa；输出电量：4～20ma；温度范围：-10℃～60℃；防护等级：IP67。

如图1、图3所示，本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测装置中，所述进泥管道2及所述排泥管道4分别由间隔连接的水平管及竖直管构成，所述进泥管道2包括进泥水平管21及进泥竖直管22，所述排泥管道4包括排泥水平管41及排泥竖直管42。于本发明中，所述进泥管道2和排泥管道4较佳具有相同的设置形态，即具有相同数量的水平管和竖直管，并以相同的连接组态构成所述进泥管道2和排泥管道4。

如图3，所述压力传感器7设于所述进泥管道2及排泥管道4上用以检测管内泥浆压力；所述压力传感器7包括设于所述进泥水平管21上的二水平进泥压感器P₁₁、P₁₂、设于所述进泥竖直管22上的二竖直进泥压感器P₁₃、P₁₄、设于所述排泥水平管41上的二水平排泥压感器P₂₁、P₂₂以及设于所述排泥竖直管42上的二竖直排泥压感器P₂₃、P₂₄(P_ij：i＝1，指设于进泥管道；i＝2，指设于排泥管道；j，指同设于进泥管道或同设于排泥管道的压力传感器编号)。其中，所述二水平进泥压感器P₁₁、P₁₂之间的水平间距差L₂和所述二竖直进泥压感器P₁₃、P₁₄之间的垂直高度差h₁相等，L₂＝h₁；相同地，所述二水平排泥压感器P₂₁、P₂₂之间的水平间距差和所述竖直排泥压感器P₂₃、P₂₄之间的垂直高度差相等；进一步，较佳地，所述水平进泥压感器P₁₁、P₁₂之间的水平间距差与所述水平排泥压感器P₂₁、P₂₂之间的水平间距差相等，所述竖直进泥压感器P₁₃、P₁₄之间的垂直高度差与所述竖直排泥压感器P₂₃、P₂₄之间的垂直高度差相等，以利于管理泥水平衡盾构泥浆密度检测装置的参数及进行相关计算。

如图3，所述进泥管道2和所述排泥管道4的水平管和竖直管连接处形成管路转角，所述压力传感器7设于水平管与竖直管上靠近所述管路转角处，且各所述压力传感器7与所述管路转角处的距离z相等；所述距离z大于等于3米，z≧3m。具体地，以图3的进泥管道2为例说明，所述进泥管道2包括三个进泥水平管21及二个进泥竖直管22间隔连接，所述压力传感器7设于三个连续的管路转角之间；其中，从进泥方向来说，水平进泥压感器P₁₁设置在靠近第一管路转角处且与第一管路转角的距离为z₁，水平进泥压感器P₁₂及竖直进泥压感器P₁₃分别设置在靠近第二管路转角处的两端，且分别与第二管部转直的距离为z₂、z₃，竖直进泥压感器P₁₄设置在靠近第三管路转角处且与第三管路转角的距离为z₄，所述距离z₁＝z₂＝z₃＝z₄。

是以，本发明通过水平管与竖直管间隔连接构成盾构泥水的进泥管道及排泥管道，并在进泥管道或排泥管道上分别设置用以检测的水平管与竖直管管内压差的压力传感器，形成一种“Г”型差压差动装置，以消除动态流体力学的各种扰动因素对重力法检测管道泥浆密度产生的误差。

以下说明本发明通过在建立“Γ”型差压装置基础上，通过差动滤波方法、动态标定方法和非线性拟合方法获得盾构施工动态泥水介质密度的具体方法。

差动滤波方法

本装置利用泥水平衡盾构泥水管道从地面经过20多米深的施工竖井到隧道工作面的工况特点，在位于竖井泥水管道的竖直和水平的正交方向(即由水平管及竖直管间隔连接构成进泥管道2及排泥管道4)，并以相同的间距(h₁＝L₁；h₂＝L₂)和相同的转矩安装压力传感器(即压力传感器7至管路转角的距离，z)，以差动原理消除动态流体力学形成的误差。

以下以进泥管道2的进泥水平管21及进泥竖直管22为例说明本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测装置的密度公式推导。

根据由静态泥浆密度公式(dp＝σgh：g是重力常数；h是被测点高度差；dp是在h工况下的差力压；σ是静态泥浆密度)，建立所述进泥管道2及所述排泥管道4的竖直管和水平管的静态差压分量公式，以及由流体力学建立所述进泥管道2及所述排泥管道4的竖直管和水平管的动态差压分量公式：dq＝df*L(L是被测点水平间距差；df*是管道动态流量引起的单位长度压差分量；dq是在L工况下的流量差)，可得式(2)、式(3)：

竖直管静态差压分量：dp₁＝σgh₁

竖直管动态差压分量：dq₁＝df*h₁

竖直管合成压力差：dph＝σgh₁+df*h₁ (2)

以及，

水平管静态差压分量：dp₂＝σgh₂

水平管动态差压分量：dq₂＝df*L₂

水平管合成压力差：dpL＝σgh₂+df*L₂ (3)

其中，

h_i，指测压点之间的垂直高度差；

L_i，指测压点之间的水平间距差；

dp_i，指测压点在其对应垂直高度差工况下的压力差；

dq_i，指测压点在其对应水平间距差工况下的流量差；

i＝1时，表示竖直管上P₁₃与P₁₄之间的参数；

i＝2时，表示水平管上P₁₁与P₁₂之间的参数；

如图3，由于竖直进泥压感器P₁₃与竖直进泥压感器P₁₄位于相同高度位置，故h₂＝0；由于水平进泥压感器P₁₁与水平进泥压感器P₁₂同设于一竖直管上，故L₁＝0；且预设h₁＝L₂。

由于竖直管和水平管动态工况相近，用竖直管差压减水平管差压，由差动原理可消除管道泥水流体的动态误差，是以将竖直管合成压力差公式与水平管合成压力差公式联立可得式(4)：

dph-dpL＝σgh₁+df*h₁-σgh₂-df*L₂ (4)

其中，预设测压点P₁₃与P₁₄之间的垂直高度差(h₁)与测压点P₁₁与P₁₂之间的水平间距差(L₂)相等，即h₁＝L₂；由于水平管上的测压点P₁₁与P₁₂之间的垂直高度差(h₂)为零，即h₂＝0，故得下列式(5)、式(6)：

dph-dpL＝σgh (5)

其中，

σ，为管道内的泥浆重力原始密度，单位为kg/m³；

dph，为本装置条件下的竖直管差压，单位为Pa；

dpL，为本装置条件下的水平管差压，单位为Pa；

g，为重力常数，单位为kg/s²；

h，为被测点高度差，单位为m。

管道动态标定泥浆密度系数方法

本发明在用低密度泥浆循环清洗泥水输送管道的工况条件下，调整进排泥泵的流量，将有效流量范围设为10个区间(i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)，将有效原始密度范围设为10个区间(j＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)，区间的非线性流量系数(或称密度系数)为Kqd(i,j)，则得下列式(7)、式(8)：

进泥管道的流量系数：Kqd1(i,j)＝γ1/σ1 (7)

排泥管道的流量系数：Kqd2(i,j)＝γ2/σ2 (8)

其中，

σ为本装置检测得到的泥浆重力原始密度数据，σ＞1；单位为kg/m³；

γ为被泥水测实际密度(作为基准值)，可由人工在调整池进泥管附近测定或有条件时取自进泥管道γ泥密度计；单位为kg/m³。

管道动态流体密度非线性拟合方法

本发明通过式(6)计算获得进泥管道2及排泥管道4内部的泥浆重力原始密度(σ1、σ2)后，可经由式(7)、式(8)计算获得实测密度(γ1、γ2)与装置检测原始密度(σ1、σ2)的密度系数(Kqd 1(i,j)、Kqd2(i,j))后，可经由所述密度系数及原始密度再进一步求得管道内的泥浆重力输出密度(mdg1、mdg2)，如下列的式(9)、式(10)：

mdg1＝Kqd1(i,j)*(dph-dpL)/gh (9)

mdg2＝Kqd2(i,j)*(dph-dpL)/gh (10)

其中：

mdgi，为符合本装置相应条件下管道内泥浆重力输出密度；i＝1是进泥管道内泥浆的密度；i＝2是排泥管道内泥浆的密度；

Kqdi(i,j)，为非线性拟合系数；i＝1是进泥管；i＝2是排泥管。

以上说明了本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测装置的具体实施结构及其计算原理，以下请以图1至3配合参阅图4，说明本发明的泥水平衡盾构泥浆密度检测方法。

如图4，显示了本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测装置通过控制器10、工控计算机11及盾构数据采集系统12将程序功能模块集成为计算机的主控逻辑流程示意图。所述流程步骤包括：

开始步骤S1：将泥水平衡盾构泥浆密度检测装置进行初始化。

定时器准备步骤S2：确认PLC控制器10的定时器是否完成准备工作，在定时器完成准备工作后进入下一步骤。

采集压力计信息步骤S3：由控制器10自同设于进泥管道2的水平管及竖直管上，以及同设于排泥管道4的水平及竖直管上，分别采集至少一组设于水平管上的压力传感器7的压感信号与至少一组设于竖直管上的压力传感器7的压感信号。

工程标度步骤S4：使PLC控制器10根据下式进行工程标度，Cij＝Knij*(Sij-Szij)；

其中，i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；j＝1～4指在同一管道上的编号；

Knij，为标度系数，是由工厂标定数据计算后作初始化数据；

Szij，为根据现场零点标定PLC内码数据手动输入作初始化数据；

Sij，为传感器PLC当前采集的内码；

Cij，为传感器工程单位值，单位为Pa。

具体地，对照图3中的各个压力传感器7可得：

C11＝Kn11*(S11-Sz11)

C12＝Kn12*(S12-Sz12)

C13＝Kn13*(S13-Sz13)

C14＝Kn14*(S14-Sz14)

C21＝Kn21*(S21-Sz21)

C22＝Kn22*(S22-Sz22)

C23＝Kn23*(S23-Sz23)

C24＝Kn24*(S24-Sz24)

滤波处理步骤S5：由PLC控制器10对压力传感器输出的压力值进行滤波处理，并将滤波处理后的压力值信号输出至工控计算机11。于本发明中，PLC控制器10是根据公式：pij＝af*Cij+(1-af)*pij进行滤波处理；

其中，i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；j＝1～4指在同一管道上的编号；

aij，为滤波系数，aij≦1；aij＝1，不滤波；aij越小越迟滞；力求快速与稳定相结合；

Cij，为传感器工程单位值，单位为Pa；

pij，为传感器压力，其中自变量是上一采样值。

具体地，对照图3中的各个压力传感器7可得：

p11＝af*C11+(1-sf)*p11

p12＝af*C12+(1-sf)*p12

p13＝af*C13+(1-sf)*p13

p14＝af*C14+(1-sf)*p14

p21＝af*C21+(1-sf)*p21

p22＝af*C22+(1-sf)*p22

p23＝af*C23+(1-sf)*p23

p24＝af*C24+(1-sf)*p24

差压计算步骤S6：由工控计算机11通过公式dpih＝pij-pij计算获得差压值；

其中，i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；j＝1～4指在同一管道上的编号；

pij，为滤波处理步骤S5获得的滤波后压力值，单位为Pa

dpih，为滤波后压力值的差压值，单位为Pa。

具体地，对照图3中的各个压力传感器7可得：

进泥水平管差压：dp1L＝p11-p12

进泥竖直管差压：dp1h＝p14-p13

排泥水平管差压：dp2L＝p22-p21

排泥竖直管差压：dp2h＝p24-p23

采集盾构信息步骤S7：将盾构的PLC控制信息输入至盾构数据采集系统12；于本发明中，所述PLC信息可以通过检测装置获得，也可以通过手动预设获得。

静态标定步骤S8：于盾构信息完备后依据式(6)计算获得管道内泥浆密度；

式(6)：

其中，

σ，为管道内泥浆密度，单位为kg/m³；

dph，为本装置条件下的竖直管差压，单位为Pa；

dpL，为本装置条件下的水平管差压，单位为Pa；

g，为重力常数，单位为kg/s²；

h，为被测点高度差，单位为m。

具体地，垂直管静态时的一般公式为：dp＝σgh，其中σ＝dpih/(gh)，又dpih为竖管差压，g＝9.8，h为差压距离(单位米)；而在动态时，由于动态流速不同及流向突变等因素，动态引起的差压是一个复杂动态变量，然而，本发明通过将压力传感器设置在同管道、同弯管角度及同差距的动态差压具有像似度趋于1。举例说明，如水平进泥压感器P₁₁、P₁₂同设于进泥管道2的进泥水平管21，竖直进泥压感器P₁₃、P₁₄同设于进泥管道2的进泥竖直管22上，且所述水平进泥压感器P₁₁、P₁₂之间的间距与竖直进泥压感器P₁₃、P₁₄之间的间距相同，又进泥管道2的进泥水平管21与进泥竖直管22之间具有相同的弯管角度，且压感器P₁₁、P₁₂、P₁₃、P₁₄至所述弯管处(管路转角处)的距离相同，因此能够使得动态差压与静态差压具有相似度趋近于1。

是以，图3中的各个压力传感器7可进一步通过差动原理得到下式：

进泥管道的初步密度：σ1＝(dp1h-dp1L)/gh

排泥管道的初步密度：σ2＝(dp2h-dp2L)/gh

动态标定步骤S9：将静态标定步骤S8获得的泥浆密度根据公式：Kqdi(i,j)＝γi/σi执行管道泥水动态流量度非线性误差标定，计算获得流量系数Kqdi(i,j)；再将流量系数Kqdi(i,j)根据公式mdgi＝Kqd1(i,j)*(dph-dpL)/gh执行管道动态密度非线性拟合，计算获得泥浆的密度mdgi。

其中，在公式Kqdi(i,j)＝γi/σi中，

σi为本装置检测得到的原始泥浆密度数据，σ＞1；单位为kg/m³；i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；

γi为被泥水测实际密度(作为基准值)，可由人工在调整池进泥管附近测定或有条件时取自进泥管道γ泥密度计；单位为kg/m³；i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；

在mdgi＝Kqdi(i,j)*(dph-dpL)/gh公式中，

mdgi，i＝1为符合本装置相应条件下进泥管道内泥浆的密度；i＝2为符合本装置相应条件下排泥管道内泥浆的密度；单位为kg/m³；

Kqd1(i,j)，是进泥管的非线性拟合系数；

Kqd2(i,j)，是排泥管的非线性拟合系数。

具体地，本发明是在用低密度泥浆循环清洗泥水输送管道的工况条件下，调整进排泥泵的流量，将有效流量范围设为10个区间(i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)，将有效原始密度范围设为10个区间(j＝1,2,3,4,5,6,7,8,9,10)，区间的流量系数为Kqd(i,j)，

对照图3可得得前列式(7)、式(8)：

式(7)进泥管道的流量系数：Kqd1(i,j)＝γ1/σ1

式(8)排泥管道的流量系数：Kqd2(i,j)＝γ2/σ2

输出密度结果步骤S10：由工控计算机11输出经过管道动态密度非线性拟合的管道内泥浆密度至盾构数据采集系统12。

记录检测数据步骤S11：由盾构数据采集系统12记录检测数据。

记录动态参数步骤S12：由盾构数据采集系统12记录动态参数。

是以，本发明通过前述建立在“Γ”型差压装置基础上的泥水平衡盾构泥浆密度检测装置及其检测方法，得以通过建立式(1)至式(10)，用以消除动态流体力学的各种扰动因素对重力法检测管道泥浆密度产生的误差，进而获得以下的有益技术效果，包括：

(1)本发明泥水平衡盾构泥浆密度检测装置可替代放射源γ密度计，便于施工管理，实现无放射源绿色环保施工。

(2)利用上述特定“Γ”型型位置形成的水平管势能压力差为零、水平管差压动态分量与垂直管差压动态分量近似的特点，用垂直管压力差减水平管压力差，可在泥水管道内不同流速工况的瞬间获得泥水差压的静态分量参数。

(3)本发明通过泥水平衡盾构泥浆密度检测装置，并以所述装置为基础建立差动滤波方法，可用以反映泥水输送管道内介质的不同流向、泥水管道随掘进距离增长等特殊工况边界条件变化形成的检测误差。

(4)本发明通过泥水平衡盾构泥浆密度检测装置，并以所述装置为基础建立动态标定泥浆密度系数方法，可用以反映盾构切削土质、泥水加工材料和参数比等因素使介质颗粒、介质粘度等边界条件变化形成的检测误差。

(5)本发明通过泥水平衡盾构泥浆密度检测装置，并以所述装置为基础建立动态流体密度非线性拟合方法，能自动及时修正并减少各种施工条件变化形成的动态流体密度检测误差。

以上结合附图及实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种泥水平衡盾构泥浆密度检测装置，所述盾构包括泥水仓以及连接在泥水仓与地面之间的进泥管道及排泥管道；其特征在于，所述泥浆密度检测装置包括：

所述进泥管道，具有进泥水平管及进泥竖直管连接组成；

所述排泥管道，具有排泥水平管及排泥竖直管连接组成；

流量计，用于检测所述进泥管道及排泥管道的管内泥浆流量；

压力传感器，用于检测所述进泥管道及所述排泥管道的管内泥浆压力，所述压力传感器包括设于所述进泥水平管上的二水平进泥压感器、设于所述进泥竖直管上的二竖直进泥压感器、设于所述排泥水平管上的二水平排泥压感器以及设于所述排泥竖直管上的二竖直排泥压感器；其中，所述二水平进泥压感器之间的水平间距差和所述二竖直进泥压感器之间的垂直高度差相等；所述二水平排泥压感器之间的水平间距差和所述竖直排泥压感器之间的垂直高度差相等；

控制器，与所述流量计及述压力传感器连接，用以接收所述流量计输出的流量信号以及所述压力传感器输出的压感信号，并依据所述流量信号、所述压感信号、所述水平间距差及所述垂直高度差获得所述进泥管道及排泥管道的管内泥浆重力原始密度。

2.根据权利要求1所述的泥水平衡盾构泥浆密度检测装置，其特征在于：所述压力传感器设于水平管与竖直管上靠近管路转角处，且各所述压力传感器与所述管路转角处的距离相等；所述距离大于等于3米。

3.根据权利要求1所述的泥水平衡盾构泥浆密度检测装置，其特征在于：

所述控制器连接有工控计算机及盾构数据采集系统；

所述控制器，用以获取并输出所述流量计的流量信号、所述压力传感器的压感信号、所述水平间距差信号及所述垂直高度差信号；

所述工控计算机，与所述控制器连接，用以接收所述控制器输出的信号，所述工控计算机分析并计算所述信号，以输出一包括密度计算结果的信号；

所述盾构数据采集系统，与所述工控计算机连接，用以接收并存储所述包括密度计算结果的信号。

4.根据权利要求3所述的泥水平衡盾构泥浆密度检测装置，其特征在于：

所述工控计算机用于由静态泥浆密度公式建立所述进泥管道及所述排泥管道的竖直管和水平管的静态差压分量公式，以及用于由流体力学建立所述进泥管道及所述排泥管道的竖直管和水平管的动态差压分量公式；联立所述静态差压分量公式与所述动态差压分量公式求得竖直管合成压力差公式及水平管合成压力差公式；联立所述竖直管合成压力差公式及水平管合成压力差公式求解计算得出所述泥浆重力原始密度。

5.根据权利要求4所述的泥水平衡盾构泥浆密度检测装置，其特征在于：

所述工控计算机用于建立进泥管道及排泥管道的流量系数Kqd(i,j)；所述流量系数Kqd(i,j)＝γi/σi，其中，

i为管道有效流量范围的多个区间；

j为有效原始密度范围的多个区间；

γi为泥水于所述多个有效流量范围区间测得的实际密度；i＝1指进泥管道内测得；i＝2指排泥管道内测得；

σi为所述工控计算机11计算获得的泥浆原始重力密度；i＝1指进泥管道内的泥浆密度；i＝2指排泥管道内的泥浆密度。

6.根据权利要求5所述的泥水平衡盾构泥浆密度检测装置，其特征在于：

所述工控计算机用于利用所述流量系数Kqd(i,j)与所述泥浆重力原始密度σ建立泥浆重力输出密度mdgi，所述泥浆重力输出密度mdgi＝Kqdi(i,j)*σi；其中，

Kqdi(i,j)为流量系数；i＝1是进泥管道的流量系数；i＝2是排泥管道的流量系数；

σi为管道内的泥浆重力原始密度；i＝1指进泥管道内的泥浆密度；i＝2指排泥管道内的泥浆密度。

7.一种泥水平衡盾构泥浆密度检测方法，其特征在于，所述方法是基于如权利要求1至6中任一项所述的泥水平衡盾构泥浆密度检测装置进行泥浆密度检测；所述方法步骤包括：

开始步骤：将泥水平衡盾构泥浆密度检测装置进行初始化；

定时器准备步骤：确认PLC控制器的定时器是否完成准备工作，在定时器完成准备工作后进入下一步骤；

采集压力计信息步骤：由控制器自同设于进泥管道的水平管及竖直管上，以及同设于排泥管道的水平及竖直管上，分别采集至少一组设于水平管上的压力传感器的压感信号与至少一组设于竖直管上的压力传感器的压感信号；

工程标度步骤：使PLC控制器进行工程标度，以获得压力传感器的工程单位值；

滤波处理步骤：由PLC控制器对压力传感器输出的压力值进行滤波处理，并将滤波处理后的压力值信号输出至工控计算机；

差压计算步骤：由工控计算机根据所述压力值信号计算获得管道内差压值；

采集盾构信息步骤：将盾构的PLC控制信息输入至盾构数据采集系统；

静态标定步骤：于盾构信息完备后依下式计算获得管道内泥浆密度；其中，σ，为管道内泥浆密度，单位为kg/m³；

dph，为竖直管差压，单位为Pa；dpL，为水平管差压，单位为Pa；g，为重力常数，单位为kg/s²；h，为被测点高度差，单位为m；

动态标定步骤：将静态标定步骤获得的泥浆密度执行管道泥水动态流量度非线性误差标定，计算获得流量系数Kqd(i,j)；再将流量系数Kqd(i,j)执行管道动态密度非线性拟合，计算获得泥浆重力输出密度mdgi；

输出密度结果步骤：由工控计算机输出经过管道动态密度非线性拟合的管道内泥浆密度至盾构数据采集系统；

记录检测数据步骤：由盾构数据采集系统记录检测数据；

记录动态参数步骤：由盾构数据采集系统记录动态参数。

8.根据权利要求7所述的泥水平衡盾构泥浆密度检测方法，其特征在于：

所述工程标度步骤：使PLC控制器根据下式进行工程标度，Cij＝Knij*(Sij-Szij)；

其中，i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；j＝1～4指在同一管道上的编号；

Knij，为标度系数，是由工厂标定数据计算后作初始化数据；

Szij，为根据现场零点标定PLC内码数据手动输入作初始化数据；

Sij，为传感器PLC当前采集的内码；

Cij，为传感器工程单位值，单位为Pa；

所述滤波处理步骤：所述PLC控制器根据公式：pij＝af*Cij+(1-af)*pij对压力传感器输出的压力值进行滤波处理，并将滤波处理后的压力值信号输出至工控计算机；其中，

i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；j＝1～4指在同一管道上的编号；

aij，为滤波系数，aij≦1；

Cij，为传感器工程单位值；

pij，为传感器压力，其中自变量是上一采样值；

所述差压计算步骤：由工控计算机通过公式dpih＝pij-pij计算获得差压值；

其中，i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；j＝1～4指在同一管道上的编号；

pij，为滤波处理步骤获得的滤波后压力值，单位为Pa；

dpih，为滤波后压力值的差压值，单位为Pa。

9.根据权利要求7所述的泥水平衡盾构泥浆密度检测方法，其特征在于：

所述动态标定步骤：将静态标定步骤获得的泥浆密度根据公式：Kqdi(i,j)＝γi/σi执行管道泥水动态流量度非线性误差标定，计算获得流量系数Kqdi(i,j)；再将流量系数Kqdi(i,j)根据公式mdgi＝Kqd1(i,j)*(dph-dpL)/gh执行管道动态密度非线性拟合，计算获得泥浆重力输出密度mdgi；

其中，在公式Kqdi(i,j)＝γi/σi中，σi为本装置检测得到的原始泥浆密度数据，σi＞1；i＝1指进泥管，i＝2指排泥管；

在mdgi＝Kqdi(i,j)*(dph-dpL)/gh公式中，

mdgi，为符合本装置相应条件下管道内泥浆的密度，i＝1指进泥管道；i＝2指排泥管道，单位为kg/m³；

Kqdi(i,j)，为管道的流量系数，Kqd1(i,j)为进泥管的流量系数，Kqd2(i,j)为排泥管的流量系数。