CN109580876A - 管道浆体固化剂掺量测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保疏浚浆体减量化工程技术领域，涉及一种管道浆体固化剂掺量测量系统及方法。该测量系统采用小量程、高精度的浆体浓度传感器和ADAM信号转换模块。在进出搅拌机两端各安装一个浓度计，将两个浓度计的信号线接入ADAM数据转换模块，将转换后的信号数据通过Rj45接口接入电脑，测量系统采用24V开关电源进行供电。此测量系统可以实现浆体浓度数据的传输、存储功能，极好地实现了长期、稳定、实时的对浆体浓度和固化剂掺量变化情况的监测，填补了浆体减量化处理工艺中无法实时的对固化剂掺量进行监测的空白，为环保疏浚浆体减量化工艺参数优化提供了技术支持。

Description

管道浆体固化剂掺量测量系统及方法

技术领域

本发明属于环保疏浚浆体减量化工程技术领域，具体涉及一种管道浆体固化剂掺量测量系统及方法。

背景技术

环保疏浚是将河湖中受污染的底泥通过绞吸船疏浚后，形成含水率为90％-95％的浆体，旨在清除河湖水体中的污染底泥，减少底泥污染物向水体的释放，实现河湖水环境的改善。其中环保疏浚所产生的疏浚浆体体积庞大，需要对其减量化处理。环保疏浚浆体减量化处理工艺是将浆体通过格栅机去除杂物后进入浓缩池进行重力浓缩，采用供浆设备将浓缩后的浆体送入均化池，其间通过投加固化剂对浆体进行处理，浆体和固化剂在均化池中充分混合后，通过供浆离心泵送入板框压滤机进行脱水。在经过一定时间的脱水处理后形成泥饼和尾水，从而达到泥水分离和浆体减量化的效果。

在环保疏浚浆体减量化处理工艺中，固化剂掺量不仅影响着浆体脱水的实际效果，而且是项目成本的重要影响因素，所以固化剂掺量一直是工程项目部关注的重点。在具体施工过程中，目前固化剂掺量只能通过经验方法获取，此种方法不能实时的获取固化剂掺量的变化情况，无法适应复杂的浆体性质的条件，并且经验估算的方法得到的固化剂掺量与浆体实际固化剂掺量相差很大，无法满足精细化施工的要求。

发明内容

为了实时、准确的获取施工过程中固化剂掺量的变化情况，更好的指导浆体减量化处理工艺中固化剂掺量的控制，实现工程项目的精细化施工，本发明给出了一种管道浆体固化剂掺量测量系统及方法。

该测量系统采用小量程、高精度的浆体浓度传感器和ADAM信号转换模块。在进出搅拌机两端各安装一个浓度计，将两个浓度计的信号线接入ADAM数据转换模块，将转换后的信号数据通过Rj45接口接入电脑，测量系统可采用24V开关电源进行供电。此测量系统可以实现浆体浓度数据的传输、存储功能，并通过进出搅拌机浆体浓度的变化利用软件计算出固化剂掺量，且实时显示浆体浓度和固化剂掺量的变化情况。

通过现场应用验证了这种管道浆体固化剂掺量测量方法的可行性，极好地实现了长期、稳定、实时的对浆体浓度和固化剂掺量变化情况的监测，填补了浆体减量化处理工艺中无法实时的对固化剂掺量进行监测的空白，为环保疏浚浆体减量化工艺中工艺参数优化提供了技术支持。

综上所述，本发明给出的一种管道浆体固化剂掺量测量系统及方法，能实时高频地采集、存储和显示环保疏浚浆体减量化处理工艺中进出搅拌机浆体浓度和浆体固化剂掺量的变化，为环保疏浚浆体减量化工艺中的固化剂掺量研究提供了稳定、有效的测量方法，为环保疏浚浆体减量化工艺优化提供了技术支持，为环保疏浚浆体减量化工程向精细化施工方向的发展提供了新方法和新思路。

为实现上述目标，本发明采用了下列技术方案解决了其技术问题：

一种管道浆体固化剂掺量测量系统，包括浆体搅拌机、浆体浓度采集设备、数据传输设备、数据处理终端、开关电源。

浆体浓度采集设备为浆体浓度传感器，浆体浓度传感器采用超声波式或者射线式，浆体浓度传感器安装方式采用管道法兰式。

数据传输设备包括2芯总线和ADAM模块。其中，2芯总线包括信号线和电源线，可同时用于系统的供电和数据传输；ADAM模块用于浆体浓度传感器信号的转换。

数据处理终端能够实现数据的接收、存储和计算，并能根据浆体浓度数据利用公式给出固化剂掺量，且实时显示进出搅拌机浆体浓度和固化剂掺量的变化情况。

本发明中用于固化剂掺量的计算公式为：

其中：λ为管道浆体的固化剂掺量；

C₁-加入固化剂前的浆体浓度；

C₂-加入固化剂后的浆体浓度；

α-水解后质量变化系数，

β-消耗泥浆中的水的质量系数。

(1)公式推导过程如下：假设泥浆管道截面积S，管内有一段泥浆L，其密度为ρ₁、浓度C₁、泥浆总质量为M₁，泥浆中干物质量为m₁、泥浆中水的质量为w₁，则：

M₁＝SLρ₁①

m₁＝M₁C₁②

w₁＝M₁*(1-C₁)③

假设固化剂掺入量为x，加入固化剂后泥浆体积不变，泥浆浆体中干物质量变化了α·x，水的质量变化了β·x，设其密度变为ρ₂、浓度为C₂、泥浆中干物质量变为m₂，泥浆中水的质量为w₂，泥浆总质量变为M₂，则：

M₂＝SLρ₂ ⑤

m₂＝M₂*C₂ ⑥

w₂＝M₂*(1-C₂) ⑦

M₂＝m₁+α·x+w₁+β·x ⑧

设固化剂掺量为

由公式①至⑩可知，固化剂掺量与泥浆浓度关系的数学模型f(C₁，C₂)：

式中，C₁-加入固化剂前的浆体浓度，

C₂-加入固化剂后的浆体浓度，

α-水解后质量变化系数，

β-消耗泥浆中的水的质量系数，

α、β-因选用具体固化剂、处理浆体对象而异。

(2)应用前α、β两个值的确定：

第一步：采集得到大量工程中实际的进浆浓度C₁、出浆浓度C₂以及对应的固化剂掺量λ数据，即N₁(C₁，C₂，λ)、N₂(C₁，C₂，λ)、N₃(C₁，C₂，λ)、N₄(C₁，C₂，λ)……N₁₀₀(C₁，C₂，λ)。

第二步：-5到+10之间取值赋予α、β，将N₁(C₁，C₂)、N₂(C₁，C₂)、N₃(C₁，C₂)、N₄(C₁，C₂)……N₁₀₀(C₁，C₂)数据带入公式(1)，得的预测的固化剂掺量数据N_1预测(λ)、N_2预测(λ)、N_3预测(λ)、N_4预测(λ)……N_100预测(λ)。

第三步：将实际测定的固化剂掺量减去预测的固化剂掺量得到两者的差值，

即W₁＝N₁(λ)-N_1预测(λ)

W₂＝N₂(λ)-N_2预测(λ)

W₃＝N₃(λ)-N_3预测(λ)

……

W₁₀₀＝N₁₀₀(λ)-N_100预测(λ)

第四步：将实际值与预测值之间的误差范围设定为±0.05％，当W₁、W₁、W₁……W₁₀₀之间的任何一个值小于-0.05％或者大于0.05％时，则重新选取新的值赋予α、β值，重复第二步和第三步，直到W₁、W₁、W₁……W₁₀₀之间所有值均大于-0.05％或者小于0.05％，此时所选取的α、β为所要的值。

值得提出的是此寻优过程有时会产生不止一组能满足要求的α、β值，具体应用时只需选取其中一组即可。

本发明还提供一种管道浆体固化剂掺量测量方法，包括以下步骤：

步骤A、测量设备及其配套设施的安装：

1.距离搅拌机进口15cm处将管道断开，露出断口；

2.在进搅拌机管道的两处断口端，各焊接一个法兰；

3.将经过标定的1#浆体浓度传感器安装于外接法兰盘；

4.距离搅拌机出口15cm处将管道断开，露出断口；

5.在出搅拌机管道的两处断口端，各焊接一个法兰；

6.将经过标定的2#浆体浓度传感器安装于法兰盘；

7.将两个浓度计通过信号线接入ADAM数据转换模块，将转换后的信号数据通过Rj45接口接入数据处理终端；

8.将两个浆体浓度传感器和ADAM模块通过电源线接入24V开关电源；

步骤B、浆体固化剂掺量的测量过程：

9.开启浆体浓度传感器、ADAM模块、以及数据显示模块的电源；

10.打开数据处理终端，设置数据采集频率和存储频率，并输入α和β两个系数值；

11.查看浆体浓度实测数据，对进出搅拌机浆体浓度实时监测和存储，并进行固化剂掺量λ的计算和显示；

其中，所述固化剂掺量λ通过公式(1)计算，

C₁-加入固化剂前的浆体浓度，

C₂-加入固化剂后的浆体浓度，

α-水解后质量变化系数，

β-消耗泥浆中的水的质量系数。

本发明的突出特点是通过进出搅拌机浆体浓度的变化计算固化剂掺量，通过数据处理终端实现参数的设置与存储功能。施工过程中的浆体浓度和固化剂掺量可以在控制界面适时显示，从而根据现场施工情况及时调整固化剂的添加量，本发明在浆体固化剂掺量的研究领域具有极高的应用前景和科研价值。

在现场应用过程中，整套测量系统方便拆装、布置与转场，为施工工艺优化、施工效率提高提供了技术支持，为环保疏浚设备向小型化、模块化和规模化的发展提供有力的技术支撑，不仅具有重要的经济效益，对环保疏浚的建设具有重要的推广意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的管道浆体固化剂掺量测量系统的示意图；

图2为本发明实施例提供的固化剂掺量和浆体浓度显示界面布设示意图；

图3为本发明实施例提供的固化剂掺量预测模型示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的管道浆体固化剂掺量测量系统及方法的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。

实施例

如图1至图3所示，本发明提供一种管道浆体固化剂掺量测量系统及方法。

管道浆体固化剂掺量测量系统包括浆体搅拌机、浆体浓度采集设备、数据传输设备、数据处理终端、24V开关电源。

其中，浆体浓度采集设备包括1#浆体浓度传感器、2#浆体浓度传感器，1#浆体浓度传感器通过法兰安装在浆体搅拌机进口管道处，2#浆体浓度传感器通过法兰安装在浆体搅拌机出口管道处。作为举例而非限定，1#浆体浓度传感器、2#浆体浓度传感器均采用超声波式或射线式。

数据传输设备包括2芯总线和ADAM模块；2芯总线包括信号线和电源线，可同时用于系统的供电和数据传输；ADAM模块与两个浆体浓度传感器通过信号线连接，用于实现浆体浓度传感器信号的实时转换，并将转换后的浆体浓度信号数据通过Rj45接口接入数据处理终端；同时两个浆体浓度传感器和ADAM模块通过电源线接入24V开关电源。

数据处理终端用以实现数据的接收、存储和计算，并根据浆体浓度数据利用公式计算出固化剂掺量，并实时显示进出搅拌机的浆体浓度以及固化剂掺量的变化情况。

进一步，数据处理终端包括数据获取模块、数据处理模块、数据显示模块；数据获取模块用以获取并存储转换后的浆体浓度信号数据、数据采集频率、存储频率、以及α和β两个系数值；数据处理模块与数据获取模块连接，并利用采集到的泥浆浓度数据根据下述公式计算固化剂掺量λ；

C₁-加入固化剂前的浆体浓度，

C₂-加入固化剂后的浆体浓度，

α-水解后质量变化系数，

β-消耗泥浆中的水的质量系数。

数据显示模块分别与数据获取模块、数据处理模块连接，用以实时显示进出搅拌机的浆体浓度以及固化剂掺量的变化情况。

作为举例而非限定，在本实施例中，数据处理终端可采用电脑；电脑中设置有数据接收模块，用以接收来自于ADAM模块的转换后的浆体浓度信号数据；电脑中还设置有软件设置界面，用以输入数据采集频率、存储频率、以及α和β两个系数值。

进一步，还提供一种管道浆体固化剂掺量测量方法，包括以下步骤：

步骤A、测量设备及其配套设施的安装：

1.距离搅拌机进口15cm处将管道断开，露出断口；

2.在进搅拌机管道的两处断口端，各焊接一个法兰；

3.将经过标定的1#浆体浓度传感器安装于外接法兰盘；

4.距离搅拌机出口15cm处将管道断开，露出断口；

5.在出搅拌机管道的两处断口端，各焊接一个法兰；

6.将经过标定的2#浆体浓度传感器安装于法兰盘；

7.将两个浓度计通过信号线接入ADAM数据转换模块，将转换后的信号数据通过Rj45接口接入电脑；

8.将两个浆体浓度计和ADAM模块通过电源线接入供电设施的24V开关电源；

步骤B、浆体固化剂掺量的测量过程：

9.开启浆体浓度计、ADAM模块的电源；

10.打开电脑电源，调出软件设置界面，设置数据采集频率和存储频率，并输入α和β两个系数值；

11.运行数据处理模块，对进出搅拌机浆体浓度实时监测和存储，并进行固化剂掺量λ的计算和显示；

其中，所述固化剂掺量λ通过公式(1)计算，

C₁-加入固化剂前的浆体浓度，

C₂-加入固化剂后的浆体浓度，

α-水解后质量变化系数，

β-消耗泥浆中的水的质量系数。

本实施例中，搅拌机供将设备为300m³/h的绞吸挖泥船，其疏浚排泥管线内径为DN200，浆体性质有机质含量4％、盐度30‰、PH＝7.8。本实施针对进出搅拌机的浆体浓度进行测量，并以此计算出浆体固化剂掺量，具体方法如下：

1)对管道内浆体浓度进行估算，其浆体浓度在10％～25％之间变化，采用量程为0～35％的超声波式浆体浓度计，其精度等级为0.05％。

2)采集得到大量的工程实际中的进浆浓度C₁、出浆浓度C₂以及对应的固化剂掺量λ数据，如表1中第1列—第3列，设置误差为+0.05％，按步骤第二步—第四步算出的两个值，分别为1.32和-0.209。

表1确定α、β两个值的大小

3)本实施在搅拌机进出口处各安装一个标定好的浆体浓度计，将传感器的信号线接入ADAM模块，将ADAM转换后的信号通过Rj45接口接入电脑，接通24V开关电源为整个系统供电。开启笔记本电脑中的运行软件，开启数据采集和存储功能，设置数据采集频率为1Hz，对进出搅拌机浆体浓度进行实时监测，查看笔记本电脑显示器上的浓度实测数据，根据进出搅拌机浆体浓度升高的情况，两个测点处浓度感器均正常工作。输入α和β两个系数的值，本实例中分别输入1.32和-0.209，界面会实时显示固化剂掺量。

该种管道浆体固化剂掺量测量系统及方法能够连续、实时、稳定地将2个浓度计的数据进行传输和存储，并在显示器上实时给出进出搅拌机的浆体浓度和固化剂掺量。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (6)

1.一种管道浆体固化剂掺量测量系统，包括浆体搅拌机，其特征在于：还包括浆体浓度采集设备、数据传输设备、数据处理终端、开关电源；

所述浆体浓度采集设备包括1#浆体浓度传感器、2#浆体浓度传感器，所述1#浆体浓度传感器通过法兰安装在浆体搅拌机进口管道处，所述2#浆体浓度传感器通过法兰安装在浆体搅拌机出口管道处；

所述数据传输设备包括2芯总线和ADAM模块；所述2芯总线包括信号线和电源线，可同时用于系统的供电和数据传输；所述ADAM模块和两个浆体浓度传感器通过电源线接入开关电源；所述ADAM模块与两个浆体浓度传感器通过信号线连接，用于实现浆体浓度传感器信号的实时转换，并将转换后的浆体浓度信号数据通过Rj45接口接入数据处理终端；

所述数据处理终端用以实现数据的接收、存储和计算，并根据浆体浓度数据通过公式(1)计算出固化剂掺量λ，并实时显示进出搅拌机的浆体浓度以及固化剂掺量的变化情况；

其中：C₁-加入固化剂前的浆体浓度，

C₂-加入固化剂后的浆体浓度，

α-水解后质量变化系数，

β-消耗泥浆中的水的质量系数。

2.根据权利要求1所述的管道浆体固化剂掺量测量系统，其特征在于：所述数据处理终端包括数据获取模块、数据处理模块、数据显示模块；

所述数据获取模块用以获取并存储转换后的浆体浓度信号数据、数据采集频率、存储频率、以及α和β两个系数值；所述数据处理模块与数据获取模块连接，并在浆体浓度传感器工作的情况下，根据公式(1)计算固化剂掺量λ；所述数据显示模块分别与数据获取模块、数据处理模块连接，用以实时显示进出搅拌机的浆体浓度以及固化剂掺量的变化情况。

3.根据权利要求1所述的管道浆体固化剂掺量测量系统，其特征在于：所述数据处理终端中设置有数据接收模块，用以接收来自于ADAM模块转换后的浆体浓度信号数据。

4.根据权利要求1所述的管道浆体固化剂掺量测量系统，其特征在于：所述数据处理终端中还设置有软件设置界面，用以输入数据采集频率、存储频率、以及α和β两个系数值。

5.一种管道浆体固化剂掺量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、测量设备及其配套设施的安装：

1)距离搅拌机进口15cm处将管道断开，露出断口；

2)在进搅拌机管道的两处断口端，各焊接一个法兰；

3)将经过标定的1#浆体浓度传感器安装于外接法兰盘；

4)距离搅拌机出口15cm处将管道断开，露出断口；

5)在出搅拌机管道的两处断口端，各焊接一个法兰；

6)将经过标定的2#浆体浓度传感器安装于法兰盘；

7)将两个浆体浓度传感器通过信号线接入ADAM数据转换模块，将转换后的信号数据通过Rj45接口接入数据处理终端；

8)将两个浆体浓度传感器和ADAM模块通过电源线接入电源；

步骤B、浆体固化剂掺量的测量过程：

9)开启浆体浓度传感器、ADAM模块、以及数据显示模块的电源；

10)打开数据处理终端，设置数据采集频率和存储频率，并输入α和β两个系数值；

11)查看浆体浓度实测数据，对进出搅拌机浆体浓度实时监测和存储，并进行固化剂掺量λ的计算和显示；

其中，所述固化剂掺量λ通过公式(1)计算，

C₁-加入固化剂前的浆体浓度，

C₂-加入固化剂后的浆体浓度，

α-水解后质量变化系数，

β-消耗泥浆中的水的质量系数。

6.根据权利要求5所述的管道浆体固化剂掺量测量方法，其特征在于：所述α、β两个值通过如下过程确定：

第一步：采集得到大量工程实际中的进浆浓度C₁、出浆浓度C₂以及对应的固化剂掺量λ数据，即N₁(C₁,C₂,λ)、N₂(C₁,C₂,λ)、N₃(C₁,C₂,λ)、N₄(C₁,C₂,λ)……N₁₀₀(C₁,C₂,λ)；

第二步：从-5到+10之间取值赋予α、β，将N₁(C₁,C₂)、N₂(C₁,C₂)、N₃(C₁,C₂)、N₄(C₁,C₂)……N₁₀₀(C₁,C₂)数据带入公式，得的预测的固化剂掺量数据N_1预测(λ)、N_2预测(λ)、N_3预测(λ)、N_4预测(λ)……N_100预测(λ)；

第三步：将实际测定的固化剂掺量减去预测的固化剂掺量得到两者的差值，

即W₁＝N₁(λ)-N_1预测(λ)

W₂＝N₂(λ)-N_2预测(λ)

W₃＝N₃(λ)-N_3预测(λ)

……

W₁₀₀＝N₁₀₀(λ)-N_100预测(λ)；

第四步：将实际值与预测值之间的误差范围设定为±0.05％，当W₁、W₁、W₁……W₁₀₀之间的任何一个值小于-0.05％或者大于0.05％时，则重新选取新的α、β值，重复第二步和第三步，直到W₁、W₁、W₁……W₁₀₀之间的所有值均大于-0.05％或者小于0.05％；此时所选取的α、β即为所要的值。