CN106768599B - 一种液体压力监测装置及监测方法 - Google Patents

一种液体压力监测装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液体压力监测装置及监测方法,该装置整体为圆柱结构,圆柱体上下分别为上端盖和下端盖,上端盖和下端盖分别与中部的承载管接触,上端盖、下端盖和承载管组成的内部空间为承载腔,上端盖、下端盖和承载管之间分别通过螺纹连接;上端盖顶部中心设有阳直接头,与液压支架连接;承载管外侧设有圆环状显色材料,显色材料与承载管之间设有环状反光材料,显色材料外侧设有环状偏振片。采用上述装置监测时,承载管受压导致显色材料产生周向拉应力;在矿用头灯照射下可清晰分辨不同颜色,通过颜色‑压力表的对应关系,即可监测液压支架所受的压力。本发明能有效预测顶板的坍落,确保煤矿安全生产。

Description

一种液体压力监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及一种液体压力监测装置及监测方法,尤其涉及一种用于液压支架内高压液体压力的测量装置及监测方法,属于传感技术领域。
背景技术
工程中存在许多需要监测或显示液体压力的场合,例如液压缸内的压力,输油管道内的油压,以及矿井液压支架的压力等等。能够及时、准确地显示这些压力对于工程设施的质量保证具有十分重要的意义。目前液体压力监测装置可分为两类,一类需要供电设施,如振弦式测压仪可以将液体的压力转换为钢弦的振动频率进而换算出油压,数字压力表可将液体压力直接以数字的形式显示出来;另一类不需要供电设施,如弹簧管压力表,通过油压引起波登管的变形,再通过传动机构将该压力指示出来。但上述几种装置各有其不足,振弦式测压仪硬件复杂,成本高;数字压力表读数有一定局限,而且需经常更换电池;弹簧管压力表需就近读数,光线不足时读数尤其困难。
因此,需要一种低成本、可靠、无需电源且适合大规模安装使用的监测装置,在矿井下安装该装置后可实现液体压力准确、方便、远距离和多角度的监测,人人均可观测,保证工程质量和安全。
中国专利CN86200409公开了一种在远离测试点处从液晶显示器上读取准确数据的煤矿用防爆数字式精密压力计,但由于显示器单面显示原因导致读数盲区较大,造成读数不易;中国专利CN204514526U公开了一种通过在分流装置和测量装置中合理布置液压阀来测定煤矿井下管路处的水压测定装置,但其结构不紧凑、回路复杂;中国专利CN201410008882.6公开了一种以波登管、压力形变转换结构、角度感应器和数显屏为主要组件的机械式数显压力表,该仪表耐震、精度高,但因数显屏需要供电,故难以满足煤矿防爆的要求;中国专利CN201210045190.X公开了一种以波纹管代替波登管、波纹管通过拨叉带动压力表内的指针指示来测定水压的波纹管压力表,该仪表耐震、寿命高,但因显示问题,该仪表只能近距离观测。
发明内容
本发明旨在提供一种液体压力监测装置及监测方法,是一种由承载机构与显示装置组成的液体压力监测装置,通过显示装置将承载机构产生的稳定压力转化为不同的颜色,再通过观察颜色来判断液体压力的大小。根据以上分析综合考虑液压力监测装置,采用颜色作为显示装置的输出量。
本发明提供了一种液体压力监测装置,整体为圆柱结构,圆柱体上下分别为上端盖和下端盖,上端盖和下端盖分别与中部的承载管接触,上端盖、下端盖和承载管组成的内部空间为承载腔,上端盖、下端盖和承载管之间分别通过螺纹连接;上端盖、下端盖的截面为U型结构,承载管为圆环管状,承载管上端设有内凹的连接头,下端设有外凸的连接头;上端盖顶部中心设有阳直接头,与液压支架连接;承载管外侧设有圆环状显色材料,显色材料与承载管之间设有环状反光材料,显色材料外侧设有环状偏振片。
上述装置中,所述上端盖和下端盖由钢制材料制成,如45#、20Cr等;承载管根据变形量选择铝合金或钢材料。所述显色材料选用环氧树脂或聚碳酸酯材料。
上述装置中,所述上端盖和承载管之间设有上密封圈,下端盖和承载管之间设有下密封圈。
本发明提供了一种液体压力监测方法,采用上述的整个装置通过上端盖上的阳直接头与液压支架上的阴接头相连接并以U形销锁紧,当支架里的高压液体注入承载腔并作用到承载管后,承载管受压而产生径向膨胀,导致显色材料产生周向拉应力。具体包括以下步骤:
(1)通过上端盖上的阳直接头与液压支架立柱下腔回油管处的阴接头相连接,并以U形销锁紧;
(2)高压乳化液经阴、阳接头流入监测装置承载腔;由于监测装置的承载腔与立柱下腔经回油管处的阴、阳接头相连通,故承载腔内与立柱下腔内的乳化液压力保持一致;
(3)当顶板压力增大时,立柱下腔内的乳化液压力升高,承载腔内的乳化液压力也随之升高;而在采煤机割煤后,在支护新裸露的顶板时,需对立柱卸载,此时立柱下腔内的乳化液压力降低,承载腔内的乳化液压力也随之降低;
(4)现场观测时,使用矿用头灯照射传感器,即可清晰分辨不同颜色,通过颜色-压力表的对应关系,即可监测立柱油腔压力,即液压支架所受的压力。
根据力学模型,不同的液体压力会导致显色材料产生不同的周向拉应力,进而导致不同的颜色,从而实现液体压力的颜色指示。
本发明中,力的关系通过图2分析,根据弹性力学,承载管径向膨胀量为:
其中r:承载管外径;
εr:径向应变;
p1:腔内油压力;
p2:显色材料反作用力;
E1:承载管弹性模量。
显色材料力学模型如图3所示,根据弹性力学,显色材料径向膨胀量为:
其中E2为显色材料弹性模量。
在受载过程中,显色材料与承载管始终接触,因此径向膨胀量有
Δr1=Δr2 (3)
将式(1)、(2)同(3)联立得
又根据显色材料受力平衡有:
其中σ:显色材料周向应力;
δ:显色材料壁厚。
将(1)式同(4)、(5)式联立得:
由式(6)可以看出显色材料周向应力σ正比于传感器压力p1,因此σ可以作为p1的观测量。
由双折射模型(见图4)所示,当有光线从外部照射通过偏振片后形成平面偏振光FP,进入显色材料内部,因显色材料具有双折射效应,FP经显色材料双折射作用而形成两个和主应力相关的偏振光矢量F1和F2,这两个光矢量到达反光材料后,又沿原路返回,穿过显色材料到达人眼,这两个矢量由于由同一光源产生,从而产生干涉,导致不同颜色条纹的变化。该变化规律符合:
其中α:两光矢量的相位差(不同的相位差代表不同的颜色);
λ:光线波长;
c:材料常数;
d:显色材料厚度;
σ1:第一主应力;
σ2:第二主应力(由于显色材料约束条件可知σ2=0)。
所以式(7)可表示为:
此模型中显色材料周向应力即为第一主应力,即σ=σ1,由上述式(6)和(8)可以看出,不同液体压力会导致不同的应力,进而导致不同的颜色,从而实现力的颜色指示。
所述液压支架内部的液体压力一般为0~60MPa,以液压支架内部液体压力60MPa为100%为例,由于受到顶板来压的影响,液压支架内部液体压力发生变化,采用本发明变色传感器,压力与颜色的对应关系如下:
液体压力0%,无色;
液体压力0~16.7%,从无色渐变成淡黄色;
液体压力16.7%~25%,从淡黄色渐变成深黄色;
液体压力25%~33.3%,从深黄色渐变成红色;
液体压力33.3%~50%,从红色渐变成蓝色;
液体压力50%~83.3%,从蓝色渐变成白色;
液体压力83.3%~100%,从白色渐变成金黄色。
本发明实现了液压支架液体压力原位变色显示,即传感器颜色可根据液体压力的大小而发生改变,不同的液体压力对应不同的颜色,再加上传感器中具有增强反光效果,可以通过头灯或其他光源实现远距离高效观测,这样,利用该传感器能够对整个液压支架支护工程海量布点监测,无需维护管理,无需专人点检,人人均可成为安全员,对液压支架的正常支护管理和安全生产具有十分重要的意义。
本发明的有益效果:
本发明主要涉及液体压力的监测,即对液压支架支护质量的监测,对矿井的安全生产具有十分重要的意义。其中,支架压力监测用于监测顶板压力,避免顶板塌方冒顶且提供顶板支护参数,为巷道布置支护设计,顶板安全监测提供可靠的技术参数;同时为煤矿工程技术人员和检测人员提供确定支架性能参数、了解所使用支架的合理性和经济性所需要的科学依据;从而有效地防止顶板的坍落事故的发生,确保煤矿安全生产。
附图说明
图1为本发明液体压力监测装置示意图。
图2为承载管受力模型图。
图3为显色材料受力模型图
图4为双折射模型图。
图中:1为上端盖,2为显色材料,3为偏振片,4为反光材料,5为承载管,6为下端盖,7为下密封圈,8为上密封圈,9为阳直接头,10为光线。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明,但不局限于以下实施例。
实施例1:
如图1所示,一种液体压力监测装置,整体为圆柱结构,圆柱体上下分别为上端盖1和下端盖6,上端盖1和下端盖6分别与中部的承载管5接触,上端盖1、下端盖6和承载管5组成的内部空间为承载腔,上端盖1、下端盖6和承载管5之间分别通过螺纹连接;上端盖1、下端盖6的截面为U型结构,承载管5为圆环管状,承载管5上端设有内凹的连接头,下端设有外凸的连接头;上端盖1顶部中心设有阳直接头,与液压支架连接;承载管5外侧设有圆环状显色材料2,显色材料2与承载管5之间设有环状反光材料4,显色材料2外侧设有环状偏振片3。
上述装置中,所述上端盖和下端盖由钢制材料制成,如45#、20Cr等;承载管根据变形量选择铝合金或钢材料。所述显色材料选用环氧树脂或聚碳酸酯材料。
上述装置中,所述上端盖和承载管之间设有上密封圈,下端盖和承载管之间设有下密封圈。
上述装置的监测方法为:
本监测装置通过上端盖上的阳直接头与液压支架立柱下腔回油管处的阴接头相连接,并以U形销锁紧,高压乳化液经阴、阳接头流入监测装置承载腔。由于监测装置的承载腔与立柱下腔经回油管处的阴、阳接头相连通,故承载腔内与立柱下腔内的乳化液压力保持一致。当顶板来压时,立柱下腔内的乳化液压力升高,承载腔内的乳化液压力也随之升高;而在采煤机割煤后,在支护新裸露的顶板时,需对立柱卸载,此时立柱下腔内的乳化液压力降低,承载腔内的乳化液压力也随之降低。根据力学模型,不同的液体压力会导致显色材料产生不同的颜色,从而实现液体压力的颜色指示。现场观测时,使用矿用头灯照射传感器,即可清晰分辨不同颜色,通过颜色-压力表的对应关系,即可监测立柱油腔压力,即液压支架所受的压力。
液压支架内部液体压力一般为0~60MPa,故传感器可适配于常用的液压支架可以实现以下归一化的颜色读数,以液压支架内部液体压力60MPa为例,由于受到顶板来压的影响,液压支架内部液体压力发生变化,采用本发明变色传感器产生如下变化:
液体压力0MPa,无色;
液体压力0~10MPa,从无色渐变成淡黄色;
液体压力10~15MPa,从淡黄色渐变成深黄色;
液体压力15~20MPa,从深黄色渐变成红色;
液体压力20~30MPa,从红色渐变成蓝色;
液体压力30~50MPa,从蓝色渐变成白色;
液体压力50~60MPa,从白色渐变成金黄色;
据此,观察员可以根据不同颜色判断液体压力的变化,从而为液压支架的支护提供相应的维护方法,实现巷道的安全支护。

Claims (4)

1.一种液体压力监测装置,其特征在于:整体为圆柱结构,圆柱体上下分别为上端盖和下端盖,上端盖和下端盖分别与中部的承载管接触,上端盖、下端盖和承载管组成的内部空间为承载腔,上端盖、下端盖和承载管之间分别通过螺纹连接;上端盖、下端盖的截面为U型结构,承载管为圆环管状,承载管上端设有内凹的连接头,下端设有外凸的连接头;上端盖顶部中心设有阳直接头,与液压支架连接;承载管外侧设有圆环状显色材料,圆环状显色材料与承载管之间设有环状反光材料,圆环状显色材料外侧设有环状偏振片;
所述上端盖和下端盖由钢制材料制成;承载管根据变形量选择铝合金或钢材料;所述上端盖和承载管之间设有上密封圈,下端盖和承载管之间设有下密封圈。
2.根据权利要求1所述的液体压力监测装置,其特征在于:所述圆环状显色材料选用环氧树脂或聚碳酸酯材料。
3.一种液体压力监测方法,采用权利要求1~2任一项所述的装置,其特征在于:包括以下步骤:
(1)通过上端盖上的阳直接头与液压支架立柱下腔回油管处的阴接头相连接,并以U形销锁紧;
(2)高压乳化液经阴接头、阳直接头流入监测装置承载腔;由于监测装置的承载腔与立柱下腔经回油管处的阴接头、阳直接头相连通,故承载腔内与立柱下腔内的乳化液压力保持一致;
(3)当顶板压力增大时,立柱下腔内的乳化液压力升高,承载腔内的乳化液压力也随之升高;而在采煤机割煤后,在支护新裸露的顶板时,需对立柱卸载,此时立柱下腔内的乳化液压力降低,承载腔内的乳化液压力也随之降低;
(4)现场观测时,使用矿用头灯照射传感器,即可清晰分辨不同颜色,通过颜色-压力表的对应关系,即可监测立柱下腔压力,即液压支架所受的压力。
4.根据权利要求3所述的液体压力监测方法,其特征在于:所述液压支架内部的液体压力一般为0~60MPa,以液压支架内部液体压力60MPa为100%为例,由于受到顶板来压的影响,液压支架内部液体压力发生变化,压力与颜色的对应关系如下:
液体压力0%,无色;
液体压力0~16.7%,从无色渐变成淡黄色;
液体压力16.7%~25%,从淡黄色渐变成深黄色;
液体压力25%~33.3%,从深黄色渐变成红色;
液体压力33.3%~50%,从红色渐变成蓝色;
液体压力50%~83.3%,从蓝色渐变成白色;
液体压力83.3%~100%,从白色渐变成金黄色。
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