CN111664912A - 一种水下整平机抛石管内碎石量监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下整平机抛石管内碎石量监测系统，包括光传感器组和压力计组以及综合采集仪和计算机系统，光传感器组包括至少两个光传感器，分别安装在抛石管的设计碎石量最高位置处和最低位置处，压力计组包括至少两个压力计，分别安装在抛石管的设计碎石量最高位置处和最低位置处，压力计和光传感器将采集的实时数据和信号通过综合采集仪传输至计算机系统，计算机系统对实时数据和信号进行处理，获得水下整平机工作过程中抛石管内碎石顶面的高度输出至输出设备。本发明还公开了利用上述监测系统的水下整平机抛石管内碎石量监测方法。本发明输出结果准确可靠，能够极大地提高整平作业效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种抛石管内碎石量监测系统及方法，具体地，涉及一种沉管隧道水下基础整平机的抛石管内碎石量监测系统及其监测方法。
背景技术
随着沉管法技术的不断发展，国内越来越多的跨河、跨海通道都采用沉管隧道的形式，其埋深浅、断面大的优势使较短的路隧过渡段就可连通两岸的交通，避免了过长的引线工程，是繁华中心城区最适宜的跨河、跨海通道形式。
沉管隧道工程施工中至关重要的一个环节就是沉管基础的整平处理。在预先开挖完成的基槽内，铺设一层直径20-60mm的碎石垫层，碎石垫层设置V形槽，纵断面呈锯齿形，平面S型铺设。V形槽的设计既可以增强纳淤能力，又便于对局部高点进行刮平处理。水下整平机负责完成碎石基础垫层的铺设，整平机的抛石管下端开口，最下部是刮刀，通过调整整平机液压支腿的高度使刮刀面高程达到设计高程，施工船将碎石输送至整平机的抛石管内，碎石就会落到基槽底部，通过移动抛石管就可以将碎石铺设至基槽内，同时将顶面刮平。为了保证对碎石面有一定的预压力，抛石管内的碎石量要适中，碎石量过少会造成预压力不足，碎石量过多会造成输料软管堵塞。
抛石管内碎石量通常用管内碎石顶面高度来衡量，根据碎石垫层厚度和抛石管长度，会给出管内碎石顶面高度的最低值和最高值，低于最低值就要往抛石管内输送石料，高于最高值则要停止输送石料。目前抛石管内碎石面高度监测通常采用水下摄像头的方式，在抛石管侧壁开孔安装摄像头，观察摄像头附近有无石料，没有石料说明碎石面比摄像头所在高度低，有石料则意味着碎石面在摄像头所在高度上方。向抛石管内输送石料时，水体异常浑浊，能见度极低，需静置等水体变清才能观察，极大地影响监测的准确性和工作效率。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种水下整平机抛石管内碎石量监测系统及方法，能够实时监测并显示水下整平机工作过程中抛石管内碎石顶面的高度，结果准确可靠，能够提高整平作业效率。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的一个技术方案是：一种水下整平机抛石管内碎石量监测系统，包括光传感器组和压力计组以及综合采集仪和计算机系统，所述光传感器组包括至少两个光传感器，一个是光传感器Ⅰ，安装在抛石管的设计碎石量最高位置处，另一个是光传感器Ⅱ，安装在抛石管的设计碎石量最低位置处，所述光传感器Ⅰ和所述光传感器Ⅱ位于抛石管的右侧，所述压力计组包括至少两个压力计，一个是压力计Ⅰ，安装在抛石管的设计碎石量最高位置处，另一个是压力计Ⅱ，安装在抛石管的设计碎石量最低位置处，所述压力计Ⅰ和所述压力计Ⅱ位于抛石管的左侧，所述计算机系统包括计算机、数据处理与分析模块、控制模块以及与所述计算机连接的输入设备和输出设备，所述数据处理与分析模块和所述控制模块均安装在计算机上，所述控制模块控制所述压力计Ⅰ和所述压力计Ⅱ的采集频率，所述压力计Ⅰ和所述压力计Ⅱ将采集的实时数据和信号通过所述综合采集仪传输至所述数据处理与分析模块，所述光传感器Ⅰ和所述光传感器Ⅱ将采集的实时数据和信号传输至所述数据处理与分析模块，所述数据处理与分析模块对来自所述压力计Ⅰ、所述压力计Ⅱ、所述光传感器Ⅰ和所述光传感器Ⅱ的实时数据和信号进行处理，分析抛石管的设计碎石量最高位置处和最低位置处是否有碎石，并获得水下整平机工作过程中抛石管内碎石顶面的高度输出至输出设备。
在所述压力计Ⅰ和所述压力计Ⅱ之间还设有压力计Ⅲ和压力计Ⅳ，从上至下依次布置的所述压力计Ⅰ、所述压力计Ⅲ、所述压力计Ⅳ和所述压力计Ⅱ均匀布置；在所述光传感器Ⅰ和所述光传感器Ⅱ之间还设有光传感器Ⅲ和光传感器Ⅳ，从上至下依次布置的所述光传感器Ⅰ、所述光传感器Ⅲ、所述光传感器Ⅳ和所述光传感器Ⅱ均匀布置。
在抛石管上对应所述压力计Ⅰ、所述压力计Ⅱ、所述压力计Ⅲ和所述压力计Ⅳ的监测位置设有四个压力监测口，在每个所述压力监测口上固接有压力监测仓，所述压力监测仓的纵剖面为三角形，设有三角形左右侧壁、上侧壁和下侧壁，所述压力监测仓的下侧壁与抛石管侧壁所成夹角为锐角，在所述压力监测仓的下侧壁上设有传压口，在所述传压口上固接有压力计埋设盒，所述压力计Ⅰ、所述压力计Ⅱ、所述压力计Ⅲ和所述压力计Ⅳ分别埋设在对应的所述压力计埋设盒内，作用面与所述传压口平行，在所述压力计埋设盒的口部设有封盖在所述传压口上的减震隔板。
所述压力监测仓的下侧壁与抛石管侧壁所成夹角为20～45°锐角。
在抛石管上对应所述光传感器Ⅰ、所述光传感器Ⅱ、所述光传感器Ⅲ和所述光传感器Ⅳ的监测位置设有四个光感口，在所述光感口上固接有料位监测仓，所述料位监测仓设有互相平行的左右侧壁以及上侧壁和下侧壁，所述料位监测仓的下侧壁与抛石管的侧壁所成夹角为锐角，所述光传感器Ⅰ、所述光传感器Ⅱ、所述光传感器Ⅲ和所述光传感器Ⅳ均设有感光器和光源，所述感光器与抛石管垂直地安装在对应料位监测仓的左侧壁上，所述光源与抛石管垂直地安装在对应料位监测仓的右侧壁上，所述感光器与所述光源对面设置，并采用钢化玻璃板封盖对视端面，所述钢化玻璃板固定在所述料位监测仓上。
所述料位监测仓的下侧壁与抛石管的侧壁所成夹角为20～45°锐角。
所述压力计Ⅰ、所述压力计Ⅲ、所述压力计Ⅳ和所述压力计Ⅱ均为振弦式土压力计。
所述综合采集模块为弦式传感器数据采集模块，设有数据储存区域。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的另一个技术方案是：一种利用上述监测系统的水下整平机抛石管内碎石量监测方法，通过控制模块控制压力计Ⅰ和压力计Ⅱ的采集频率，压力计Ⅰ和压力计Ⅱ按照设定的采集频率采集抛石管侧壁的压力值，并传输至数据处理与分析模块；光传感器Ⅰ和光传感器Ⅱ实时采集抛石管侧壁光信号，并传输至数据处理与分析模块；数据处理与分析模块对接收到的抛石管侧壁压力值和光信号进行处理，分析抛石管在设计碎石量最高位置处和最低位置处是否有碎石，并获得抛石管内碎石顶面的高度输出。
采用均布在压力计Ⅰ和压力计Ⅱ之间的压力计Ⅲ和压力计Ⅳ按照设定的采集频率采集抛石管侧壁的压力值，并传输至数据处理与分析模块；采用均布在光传感器Ⅰ和光传感器Ⅱ之间的光传感器Ⅲ和光传感器Ⅳ实时采集抛石管侧壁光信号，并传输至数据处理与分析模块；数据处理与分析模块对接收到的抛石管侧壁压力值和光信号进行处理，分析各监测点是否有碎石，并获得抛石管内碎石顶面的高度输出，压力计Ⅲ和压力计Ⅳ的采集频率由控制模块控制。
本发明具有的优点和积极效果是：通过在抛石管的两侧、碎石量设计最低位置处和最高位置处之间等距安装四台压力计和光传感器，采用两种独立的数字化方式实时监测并显示水下整平机工作过程中抛石管内碎石顶面的高度，其结果更加准确可靠，能够极大地提高整平作业效率。
附图说明
图1为本发明一种水下整平机抛石管内碎石量监测系统的结构示意图；
图2为图1的A部放大图，也是压力计Ⅰ的安装结构示意图；
图3为光传感器Ⅰ的安装结构示意图。
图中：1-1、压力计Ⅰ；1-2、压力计Ⅲ；1-3、压力计Ⅳ；1-4、压力计Ⅱ；1-5、压力监测仓；1-6、压力计埋设盒；1-7、减震隔板；2-1、光传感器Ⅰ；2-2、光传感器Ⅲ；2-3、光传感器Ⅳ；2-4、光传感器Ⅱ；2-5、料位监测仓；2-6、感光器；2-7、光源；3、抛石管。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
一种水下整平机抛石管内碎石量监测系统，包括光传感器组和压力计组以及综合采集仪和计算机系统，所述光传感器组包括至少两个光传感器，一个是光传感器Ⅰ2-1，安装在抛石管3的设计碎石量最高位置处，另一个是光传感器Ⅱ2-4，安装在抛石管3的设计碎石量最低位置处，所述光传感器Ⅰ2-1和所述光传感器Ⅱ2-4位于抛石管3的右侧，所述压力计组包括至少两个压力计，一个是压力计Ⅰ1-1，安装在抛石管3的设计碎石量最高位置处，另一个是压力计Ⅱ1-4，安装在抛石管3的设计碎石量最低位置处，所述压力计Ⅰ1-1和所述压力计Ⅱ1-4位于抛石管3的左侧，所述计算机系统包括计算机、数据处理与分析模块、控制模块以及与所述计算机连接的输入设备和输出设备，所述数据处理与分析模块和所述控制模块均安装在计算机上，所述控制模块控制所述压力计Ⅰ1-1和所述压力计Ⅱ1-4的采集频率，所述压力计Ⅰ1-1和所述压力计Ⅱ1-4将采集的实时数据和信号通过所述综合采集仪传输至所述数据处理与分析模块，所述光传感器Ⅰ2-1和所述光传感器Ⅱ2-4将采集的实时数据和信号通过电缆传输至所述数据处理与分析模块，所述数据处理与分析模块对来自所述压力计Ⅰ1-1、所述压力计Ⅱ1-4、所述光传感器Ⅰ2-1和所述光传感器Ⅱ2-4的实时数据和信号进行处理，分析抛石管的设计碎石量最高位置处和最低位置处是否有碎石，并获得水下整平机工作过程中抛石管内碎石顶面的高度输出至输出设备。
所述数据处理与分析模块可以对接收到的压力数据和光信号进行解译，根据有无碎石遮挡实时光信号来判断光传感器所在高度有无碎石；根据压力数据变化判断是否有碎石对压力计产生压力，并根据压力值获得抛石管内碎石顶面的高度。
为了提高监测质量，提高输出结果的准确性，在所述压力计Ⅰ1-1和所述压力计Ⅱ1-4之间还设有压力计Ⅲ1-2和压力计Ⅳ1-3，从上至下依次布置的所述压力计Ⅰ1-1、所述压力计Ⅲ1-2、所述压力计Ⅳ1-3和所述压力计Ⅱ1-4均匀布置；在所述光传感器Ⅰ2-1和所述光传感器Ⅱ2-4之间还设有光传感器Ⅲ2-2和光传感器Ⅳ2-3，从上至下依次布置的所述光传感器Ⅰ2-1、所述光传感器Ⅲ2-2、所述光传感器Ⅳ2-3和所述光传感器Ⅱ2-4均匀布置。
所述压力计Ⅰ1-1、所述压力计Ⅲ1-2、所述压力计Ⅳ1-3和所述压力计Ⅱ1-4采用高精度的土压力计，通常为振弦式土压力计，是一种预埋式的压力传感器，其量程通常小于0.2MPa，分辨率高于全量程的0.1％。所述综合采集模块与振弦式土压力计相匹配的弦式传感器数据采集模块，所述弦式传感器数据采集模块能够按照设置的采集频率进行数据采集，并且设有数据储存区域。
所述压力计Ⅰ1-1、所述压力计Ⅲ1-2、所述压力计Ⅳ1-3和所述压力计Ⅱ1-4的安装结构为：
在抛石管3上对应所述压力计Ⅰ1-1、所述压力计Ⅱ1-4、所述压力计Ⅲ1-2和所述压力计Ⅳ1-3的监测位置设有四个压力监测口，在每个所述压力监测口上固接有压力监测仓1-5，所述压力监测仓1-5的纵剖面为三角形，设有三角形左右侧壁、上侧壁和下侧壁，所述压力监测仓的下侧壁与抛石管侧壁所成夹角为锐角，在所述压力监测仓的下侧壁上设有传压口，在所述传压口上固接有压力计埋设盒1-6，所述压力计Ⅰ1-1、所述压力计Ⅱ1-4、所述压力计Ⅲ1-2和所述压力计Ⅳ1-3分别埋设在对应的所述压力计埋设盒1-6内，作用面与所述传压口平行，在所述压力计埋设盒1-6的口部设有封盖在所述传压口上的减震隔板1-7。所述压力计Ⅰ1-1、所述压力计Ⅱ1-4、所述压力计Ⅲ1-2和所述压力计Ⅳ1-3均采用细砂埋设。
为了便于压力监测仓内的碎石下落，推荐所述压力监测仓1-5的下侧壁与抛石管侧壁所成夹角为20～45°锐角。
所述光传感器Ⅰ2-1、所述光传感器Ⅲ2-2、所述光传感器Ⅳ2-3和所述光传感器Ⅱ2-4的安装结构为：
在抛石管3上对应所述光传感器Ⅰ2-1、所述光传感器Ⅲ2-2、所述光传感器Ⅳ2-3和所述光传感器Ⅱ2-4的监测位置设有四个光感口，在所述光感口上固接有料位监测仓2-5，所述料位监测仓2-5设有互相平行的左右侧壁以及上侧壁和下侧壁，所述料位监测仓2-5的下侧壁与抛石管3的侧壁所成夹角为锐角，所述光传感器Ⅰ2-1、所述光传感器Ⅲ2-2、所述光传感器Ⅳ2-3和所述光传感器Ⅱ2-4均由感光器2-6和光源2-7两部分组成，光源2-7提供光信号，感光器2-6可以识别光源2-7发出的光信号。感光器2-6与抛石管3垂直地安装在对应料位监测仓2-5的左侧壁上，光源2-7与抛石管3垂直地安装在对应料位监测仓2-5的右侧壁上，所述感光器2-6与光源2-7面对面设置，并采用钢化玻璃板封盖对视端面，以确保两者之间通视。钢化玻璃板固定在料位监测仓2-5上。
推荐所述料位监测仓2-5的下侧壁与抛石管3的侧壁所成夹角为20～45°锐角，以便于料位监测仓内的碎石下落。
一种利用上述监测系统的水下整平机抛石管内碎石量监测方法：通过控制模块控制压力计Ⅰ1-1、压力计Ⅲ1-2、压力计Ⅳ1-3和压力计Ⅱ1-4的采集频率，压力计Ⅰ1-1、压力计Ⅲ1-2、压力计Ⅳ1-3和压力计Ⅱ1-4按照设定的采集频率采集抛石管侧壁的压力值，并传输至数据处理与分析模块；所述光传感器Ⅰ2-1、所述光传感器Ⅲ2-2、所述光传感器Ⅳ2-3和所述光传感器Ⅱ2-4实时采集抛石管侧壁光信号，并传输至数据处理与分析模块；数据处理与分析模块对接收到的抛石管侧壁压力值和光信号进行处理，分析各监测点是否有碎石，并获得抛石管内碎石顶面的高度输出。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水下整平机抛石管内碎石量监测系统，其特征在于，包括光传感器组和压力计组以及综合采集仪和计算机系统，所述光传感器组包括至少两个光传感器，一个是光传感器Ⅰ，安装在抛石管的设计碎石量最高位置处，另一个是光传感器Ⅱ，安装在抛石管的设计碎石量最低位置处，所述光传感器Ⅰ和所述光传感器Ⅱ位于抛石管的右侧，所述压力计组包括至少两个压力计，一个是压力计Ⅰ，安装在抛石管的设计碎石量最高位置处，另一个是压力计Ⅱ，安装在抛石管的设计碎石量最低位置处，所述压力计Ⅰ和所述压力计Ⅱ位于抛石管的左侧，所述计算机系统包括计算机、数据处理与分析模块、控制模块以及与所述计算机连接的输入设备和输出设备，所述数据处理与分析模块和所述控制模块均安装在计算机上，所述控制模块控制所述压力计Ⅰ和所述压力计Ⅱ的采集频率，所述压力计Ⅰ和所述压力计Ⅱ将采集的实时数据和信号通过所述综合采集仪传输至所述数据处理与分析模块，所述光传感器Ⅰ和所述光传感器Ⅱ将采集的实时数据和信号传输至所述数据处理与分析模块，所述数据处理与分析模块对来自所述压力计Ⅰ、所述压力计Ⅱ、所述光传感器Ⅰ和所述光传感器Ⅱ的实时数据和信号进行处理，分析抛石管的设计碎石量最高位置处和最低位置处是否有碎石，并获得水下整平机工作过程中抛石管内碎石顶面的高度输出至输出设备。
2.根据权利要求1所述的水下整平机抛石管内碎石量监测系统，其特征在于，在所述压力计Ⅰ和所述压力计Ⅱ之间还设有压力计Ⅲ和压力计Ⅳ，从上至下依次布置的所述压力计Ⅰ、所述压力计Ⅲ、所述压力计Ⅳ和所述压力计Ⅱ均匀布置；在所述光传感器Ⅰ和所述光传感器Ⅱ之间还设有光传感器Ⅲ和光传感器Ⅳ，从上至下依次布置的所述光传感器Ⅰ、所述光传感器Ⅲ、所述光传感器Ⅳ和所述光传感器Ⅱ均匀布置。
3.根据权利要求2所述的水下整平机抛石管内碎石量监测系统，其特征在于，在抛石管上对应所述压力计Ⅰ、所述压力计Ⅱ、所述压力计Ⅲ和所述压力计Ⅳ的监测位置设有四个压力监测口，在每个所述压力监测口上固接有压力监测仓，所述压力监测仓的纵剖面为三角形，设有三角形左右侧壁、上侧壁和下侧壁，所述压力监测仓的下侧壁与抛石管侧壁所成夹角为锐角，在所述压力监测仓的下侧壁上设有传压口，在所述传压口上固接有压力计埋设盒，所述压力计Ⅰ、所述压力计Ⅱ、所述压力计Ⅲ和所述压力计Ⅳ分别埋设在对应的所述压力计埋设盒内，作用面与所述传压口平行，在所述压力计埋设盒的口部设有封盖在所述传压口上的减震隔板。
4.根据权利要求3所述的水下整平机抛石管内碎石量监测系统，其特征在于，所述压力监测仓的下侧壁与抛石管侧壁所成夹角为20～45°锐角。
5.根据权利要求2所述的水下整平机抛石管内碎石量监测系统，其特征在于，在抛石管上对应所述光传感器Ⅰ、所述光传感器Ⅱ、所述光传感器Ⅲ和所述光传感器Ⅳ的监测位置设有四个光感口，在所述光感口上固接有料位监测仓，所述料位监测仓设有互相平行的左右侧壁以及上侧壁和下侧壁，所述料位监测仓的下侧壁与抛石管的侧壁所成夹角为锐角，所述光传感器Ⅰ、所述光传感器Ⅱ、所述光传感器Ⅲ和所述光传感器Ⅳ均设有感光器和光源，所述感光器与抛石管垂直地安装在对应料位监测仓的左侧壁上，所述光源与抛石管垂直地安装在对应料位监测仓的右侧壁上，所述感光器与所述光源对面设置，并采用钢化玻璃板封盖对视端面，所述钢化玻璃板固定在所述料位监测仓上。
6.根据权利要求5所述的水下整平机抛石管内碎石量监测系统，其特征在于，所述料位监测仓的下侧壁与抛石管的侧壁所成夹角为20～45°锐角。
7.根据权利要求2所述的水下整平机抛石管内碎石量监测系统，其特征在于，所述压力计Ⅰ、所述压力计Ⅲ、所述压力计Ⅳ和所述压力计Ⅱ均为振弦式土压力计。
8.根据权利要求7所述的水下整平机抛石管内碎石量监测系统，其特征在于，所述综合采集模块为弦式传感器数据采集模块，设有数据储存区域。
9.一种利用权利要求1所述监测系统的水下整平机抛石管内碎石量监测方法，其特征在于，通过控制模块控制压力计Ⅰ和压力计Ⅱ的采集频率，压力计Ⅰ和压力计Ⅱ按照设定的采集频率采集抛石管侧壁的压力值，并传输至数据处理与分析模块；光传感器Ⅰ和光传感器Ⅱ实时采集抛石管侧壁光信号，并传输至数据处理与分析模块；数据处理与分析模块对接收到的抛石管侧壁压力值和光信号进行处理，分析抛石管在设计碎石量最高位置处和最低位置处是否有碎石，并获得抛石管内碎石顶面的高度输出。
10.根据权利要求9所述的水下整平机抛石管内碎石量监测方法，其特征在于，采用均布在压力计Ⅰ和压力计Ⅱ之间的压力计Ⅲ和压力计Ⅳ按照设定的采集频率采集抛石管侧壁的压力值，并传输至数据处理与分析模块；采用均布在光传感器Ⅰ和光传感器Ⅱ之间的光传感器Ⅲ和光传感器Ⅳ实时采集抛石管侧壁光信号，并传输至数据处理与分析模块；数据处理与分析模块对接收到的抛石管侧壁压力值和光信号进行处理，分析各监测点是否有碎石，并获得抛石管内碎石顶面的高度输出，压力计Ⅲ和压力计Ⅳ的采集频率由控制模块控制。
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