CN116046096A - 一种管道泥浆产量测量方法及其实施装置 - Google Patents

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Abstract

一种疏浚技术领域的管道泥浆产量测量方法及其实施装置，包括以下步骤：第一，在过流管路上游布置单气泡发生器，在过流管路下游布置三层电极阵列；第二，通过对气泡流过三层电极阵列外侧两层电极阵列时电压信号的采集与处理，得到泥浆流速；通过对三层电极阵列中间层电极阵列电压信号的采集与处理，得到泥浆浓度；第三，通过步骤二得到泥浆流速和泥浆浓度，计算得出泥浆产量；其中，三层电极阵列的中间层电极阵列上的电极装置周向均匀布置在过流管路的壁面上；三层电极阵列外侧两层电极阵列上的电极装置布置在过流管路壁面的上端。本发明设计合理，占用空间小，可以直接测量管道泥浆产量。

Description

一种管道泥浆产量测量方法及其实施装置
技术领域
本发明涉及的是一种疏浚技术领域的泥浆产量测量方法，特别是一种带有单气泡发生器和三层电极阵列的管道泥浆产量测量方法及其实施装置。
背景技术
管道泥浆浓度是管道输送施工工艺的重要参数，泥浆产量计量则直接关系着工程量值。当前管道泥浆浓度测量仪器主要光电式浓度计、超声波浓度计和放射性浓度计等。光电式浓度计量程小，受色度影响；超声波浓度计受管道直径的限制；放射性浓度计放射源存在环境和安全隐患。泥浆产量的测量则需通过流量计测得流量后与浓度计测得的浓度结合得出。流量计与产量计分属两种类型的仪器，配套使用时对安装空间有较高要求；且对于两者采集的数据还需后续的集成处理才能给出实时产量值。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种管道泥浆产量测量方法及其实施装置，不但占用空间小，还可以直接测量管道泥浆产量。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供一种球种管道泥浆产量测量方法，包括以下步骤：第一，在过流管路上游布置单气泡发生器，在过流管路下游布置三层电极阵列；第二，通过对气泡流过三层电极阵列外侧两层电极阵列时电压信号的采集与处理，得到泥浆流速；通过对三层电极阵列中间层电极阵列电压信号的采集与处理，得到泥浆浓度；第三，通过步骤二得到泥浆流速和泥浆浓度，计算得出泥浆产量；
其中，所述三层电极阵列的中间层电极阵列上的电极装置个数为双数，电极装置周向均匀布置在过流管路的壁面上；三层电极阵列外侧两层电极阵列上的电极装置个数均为双数，电极装置布置在过流管路壁面的上端；三层电极阵列的外侧两层电极阵列和中间层电极阵列采用不同频率的激励信号。
进一步地，在本发明的方法中，中间层电极阵列上电极装置的个数为十六个，通过三层电极阵列中间层电极阵列得到泥浆浓度的方法为：在过流管路内输送淡水/海水，测得边界电压为Uij；在过流管路内输送泥浆，测得边界电压为Vij,单位为mV；通过反投影成像算法与电导率-泥浆公式可以获得泥浆浓度c：
Figure BDA0004000761880000021
Figure BDA0004000761880000022
Figure BDA0004000761880000023
其中，BLij为反投影系数，L为敏感场划分之后的第L个单元格，Ωij为反投影域；σm为泥浆电导率，单位为mS/cm；σ0为淡水/海水电导率，单位为mS/cm；i表示第i次激励，j表示第j次测量；Uij为过流管路内淡水/海水的边界电压，单位为mV；Vij为过流管路内泥浆的边界电压,单位为mV；c为得到的泥浆浓度，单位为百分比。
更进一步地，在本发明的方法中，三层电极阵列外侧两层电极阵列上电极装置的个数均为四个，通过三层电极阵列外侧两层电极阵列得出泥浆流速的方法为：
v＝L/Δt；
其中，v为管道断面泥浆的平均流速，单位为米/秒；L为外侧两层电极层间距，单位为米；Δt为气泡从上游外侧电极阵列到达下游外侧电极阵列的时间差，单位为秒。
本发明还提供了一种实施上述管道泥浆产量测量方法的装置，包括过流管路、压力传感器、单气泡发生器、三层电极阵列、排气管、信号采集与处理系统、屏蔽功能信号线、数据线；压力传感器、单气泡发生器、三层电极阵列、排气管沿过流方向依次布置在过流管路上，压力传感器、单气泡发生器、排气管布置在过流管路的管道上端；三层电极阵列的中间层电极阵列上电极装置的个数为双数，电极装置周向均匀布置在过流管路的壁面上；三层电极阵列外侧两层电极阵列上电极装置的个数均为双数，电极装置布置在过流管路壁面的上端；三层电极阵列上的电极装置为电极片和接引柱的一体结构；压力传感器、单气泡发生器通过数据线相连接；信号采集与处理系统通过屏蔽功能信号线与三层电极阵列上的电极装置相连接。
进一步地，在本发明的实施装置中，过流管路为水平管道；单气泡发生器的安装位置距压力传感器不大于一倍管径，距三层电极阵列的距离不小于二倍过流管径。
更进一步地，在本发明的实施装置中，中间层电极阵列上的电极装置，在管道径向方向电极片宽度与电极片之间的间隔等宽，电极片轴向宽度为径向宽度的两倍。
更进一步地，在本发明的实施装置中，信号采集与处理系统包括现场可编程门阵列控制模块、数模转换模块、信号采集滤波模块、电极选通模块、外侧电极阵列信号自激励模块、中间层电极阵列信号自激励模块；现场可编程门阵列控制模块用于发布指令并完成相关计算，数模转换模块用于完成电信号向数字的转换，信号采集滤波模块用于对信号进行采集和滤波处理，电极选通模块用于控制激励电极与采集电极的切换，外侧电极阵列信号自激励模块、中间层电极阵列信号自激励模块用于产生电流激励信号；现场可编程门阵列控制模块通过外侧电极阵列信号自激励模块，与三层电极阵列外侧两层电极阵列上的电极装置相通讯；现场可编程门阵列控制模块通过数模转换模块、信号采集滤波模块、电极选通模块、中间层电极阵列信号自激励模块，与三层电极阵列中间层电极阵列上的电极装置相通讯。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明设计合理，结构简单，实施装置只需安装于水平管段，对安装空间要求小；反应速度快，自动化程度和集成度高，能够实时给出产量信息；安全环保，安装方便。
附图说明
图1为本发明实施装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中三层电极阵列中间层电极阵列的结构示意图；
图3为本发明实施例中三层电极阵列外侧两层电极阵列的结构示意图；
图4为本发明实施例中信号采集与处理系统的结构示意图；
图5为本发明实施例中三层电极阵列的电极装置结构示意图；
图中标号：1、过流管路，2、压力传感器，3、数据线，4、单气泡发生器，5、上游外侧电极阵列，6、中间层电极阵列，7、下游外侧电极阵列，8、屏蔽功能信号线，9、信号采集与处理系统，10、排气管，51、电极片，52、接引柱，91、现场可编程门阵列控制模块，92、数模转换模块，93、信号采集滤波模块，94、电极选通模块，95、下游外侧电极阵列信号自激励模块，96、上游外侧电极阵列信号自激励模块，97、中间层电极阵列信号自激励模块，98、下游外侧电极阵列接线端，99、中间层电极阵列接线端，910、上游外侧电极阵列接线端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
本发明如上图1至5所示，本发明包括过流管路1、压力传感器2、数据线3、单气泡发生器4、上游外侧电极阵列5、中间层电极阵列6、下游外侧电极阵列7、屏蔽功能信号线8、信号采集与处理系统9、排气管10，压力传感器2、单气泡发生器4、上游外侧电极阵列5、中间层电极阵列6、下游外侧电极阵列7、排气管10沿过流方向依次布置在过流管路1上，压力传感器2、单气泡发生器4、排气管10布置在过流管路的管道上端；上游外侧电极阵列5、中间层电极阵列6、下游外侧电极阵列7构成三层电极阵列；中间层电极阵列6上电极装置的个数为十六个，十六个电极装置周向均匀布置在过流管路的壁面上，十六个电极装置相对于轴线对称分布；上游外侧电极阵列5、下游外侧电极阵列7上电极装置的个数均为四个，电极装置布置在过流管路1的壁面上端；上游外侧电极阵列5、中间层电极阵列6、下游外侧电极阵列7上的电极装置均为电极片51和接引柱52的一体结构。中间层电极阵列6上的电极装置，在管道径向方向电极片51宽度与电极片51之间的间隔等宽，电极片轴向宽度为径向宽度的两倍。
过流管路1为水平管道；单气泡发生器4的安装位置距压力传感器2不大于一倍管径，距上游外侧电极阵列5的距离不小于二倍过流管径。压力传感器2布置在过流管路1的管道顶部，用于测量单气泡发生器4附近的管道压力，压力传感器2、单气泡发生器4通过数据线3相连接，压力传感器2测得的压力作为单气泡发生器4的加压压力。单气泡发生器4产生的气泡为连续单气泡，气泡平面尺寸与电极片51大小相当。
信号采集与处理系统9包括现场可编程门阵列控制模块91、数模转换模块92、信号采集滤波模块93、电极选通模块94、下游外侧电极阵列信号自激励模块95、上游外侧电极阵列信号自激励模块96、中间层电极阵列信号自激励模块97、下游外侧电极阵列接线端98、中间层电极阵列接线端99、上游外侧电极阵列接线端910；现场可编程门阵列控制模块91、下游外侧电极阵列信号自激励模块95、下游外侧电极阵列接线端98通过线束依次串接在一起，现场可编程门阵列控制模块91、上游外侧电极阵列信号自激励模块96、上游外侧电极阵列接线端910通过线束依次串接在一起，现场可编程门阵列控制模块91、数模转换模块92、信号采集滤波模块93、电极选通模块94、中间层电极阵列接线端99通过线束依次串接在一起；中间层电极阵列信号自激励模块97的一端通过线束与现场可编程门阵列控制模块91、数模转换模块92之间的线束连接在一起，中间层电极阵列信号自激励模块97的另一端通过线束与电极选通模块94、中间层电极阵列接线端99之间的线束连接在一起；下游外侧电极阵列信号自激励模块95、下游外侧电极阵列接线端98之间的线束，通过线束与上游外侧电极阵列信号自激励模块96、上游外侧电极阵列接线端910之间的线束连接在一起；下游外侧电极阵列接线端98通过屏蔽功能信号线8与下游外侧电极阵列7上电极装置的接引柱52连接在一起，上游外侧电极阵列接线端910通过屏蔽功能信号线8与上游外侧电极阵列5上电极装置的接引柱52连接在一起，中间层电极阵列接线端99通过屏蔽功能信号线8与中间层电极阵列6上电极装置的接引柱52连接在一起。现场可编程门阵列控制模块91用于发布指令并完成相关计算，数模转换模块92用于完成电信号向数字的转换，信号采集滤波模块93用于对信号进行采集和滤波处理，电极选通模块94用于控制激励电极与采集电极的切换，下游外侧电极阵列信号自激励模块95、上游外侧电极阵列信号自激励模块96、中间层电极阵列信号自激励模块97用于产生电流激励信号。
三层电极阵列外侧两层和中间层采用不同频率的激励信号，中间层电极阵列6激励信号采用50KHZ,上游外侧电极阵列5、下游外侧电极阵列7采用500KHZ。对于上游外侧电极阵列5、下游外侧电极阵列7，采集信号不经过电极选通模块94，采用外侧两个电极装置激励，内侧两个电极装置测量的方式。中间层电极阵列6采用相邻电极激励，相邻电极采集的方式。
在本发明的实施过程中，首先通中间层电极阵列6得到泥浆浓度：在过流管路内输送淡水/海水，测得边界电压为Uij；在过流管路内输送泥浆，测得边界电压为Vij,单位为mV；通过反投影成像算法与电导率-泥浆公式可以获得泥浆浓度c：
Figure BDA0004000761880000051
Figure BDA0004000761880000052
Figure BDA0004000761880000053
其中，BLij为反投影系数，L为敏感场划分之后的第L个单元格，Ωij为反投影域；σm为泥浆电导率，单位为mS/cm；σ0为淡水/海水电导率，单位为mS/cm；i表示第i次激励，j表示第j次测量；Uij为过流管路内淡水/海水的边界电压，单位为mV；Vij为过流管路内泥浆的边界电压,单位为mV；c为得到的泥浆浓度，单位为百分比。
而后，利用上游外侧电极阵列5、下游外侧电极阵列7测量泥浆流速：气泡发生器4产生的气泡通过上游外侧电极阵列5、下游外侧电极阵列7时，会引起这两个电极阵列测量电压的波动，这两个电极阵列出现最大电压的时刻t1和t2之差为气泡从上游外侧电极阵列5到达下游外侧电极阵列7的时间间隔Δt，单位为秒；所测泥浆流速通过公式转换为管道断面平均流速v＝L/Δt，单位为米/秒；L为上游外侧电极阵列5、下游外侧电极阵列7之间的间距，单位为米。
最后，把气泡经过中间层电极阵列6时引起顶端电极电压突变的数据剔除，t1和t2时刻之间的测量值取平均，测得(t1+t2)/2时刻的泥浆产量为：
Figure BDA0004000761880000061
其中，D为管道内径，单位为米；c为泥浆平均浓度,其值为t1至t2时刻之间中间各次泥浆浓度测量值的平均值，单位为百分比；Q为泥浆产量，单位为立方米/秒。
以上对本发明的具体操作方式进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定操作方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种管道泥浆产量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一，在过流管路上游布置单气泡发生器，在过流管路下游布置三层电极阵列；
第二，通过对气泡流过三层电极阵列外侧两层电极阵列时电压信号的采集与处理，得到泥浆流速；通过对三层电极阵列中间层电极阵列电压信号的采集与处理，得到泥浆浓度；
第三，通过步骤二得到泥浆流速和泥浆浓度，计算得出泥浆产量；
其中，所述三层电极阵列的中间层电极阵列上的电极装置个数为双数，电极装置周向均匀布置在过流管路的壁面上；三层电极阵列外侧两层电极阵列上的电极装置个数均为双数，电极装置布置在过流管路壁面的上端；三层电极阵列的外侧两层电极阵列和中间层电极阵列采用不同频率的激励信号。
2.根据权利要求1所述的管道泥浆产量测量方法，其特征在于所述中间层电极阵列上电极装置的个数为十六个，通过三层电极阵列中间层电极阵列得到泥浆浓度的方法为：在过流管路内输送淡水/海水，测得边界电压为Uij；在过流管路内输送泥浆，测得边界电压为Vij,单位为mV；通过反投影成像算法与电导率-泥浆公式可以获得泥浆浓度c：
Figure FDA0004000761870000011
Figure FDA0004000761870000012
Figure FDA0004000761870000013
其中，BLij为反投影系数，L为敏感场划分之后的第L个单元格，Ωij为反投影域；σm为泥浆电导率，单位为mS/cm；σ0为淡水/海水电导率，单位为mS/cm；i表示第i次激励，j表示第j次测量；Uij为过流管路内淡水/海水的边界电压，单位为mV；Vij为过流管路内泥浆的边界电压,单位为mV；c为得到的泥浆浓度，单位为百分比。
3.根据权利要求1所述的管道泥浆产量测量方法，其特征在于所述三层电极阵列外侧两层电极阵列上电极装置的个数均为四个，通过三层电极阵列外侧两层电极阵列得出泥浆流速的方法为：
v＝L/Δt；
其中，v为管道断面泥浆的平均流速，单位为米/秒；L为外侧两层电极阵列的间距，单位为米；Δt为气泡从上游外侧电极阵列到达下游外侧电极阵列的时间差，单位为秒。
4.一种实施权利要求1所述管道泥浆产量测量方法的装置，其特征在于，包括过流管路、压力传感器、单气泡发生器、三层电极阵列、排气管、信号采集与处理系统、屏蔽功能信号线、数据线；
所述压力传感器、单气泡发生器、三层电极阵列、排气管沿过流方向依次布置在过流管路上，压力传感器、单气泡发生器、排气管布置在过流管路的管道上端；
所述三层电极阵列的中间层电极阵列上电极装置的个数为双数，电极装置周向均匀布置在过流管路的壁面上；三层电极阵列外侧两层电极阵列上电极装置的个数均为双数，电极装置布置在过流管路壁面的上端；
所述三层电极阵列上的电极装置为电极片和接引柱的一体结构；
所述压力传感器、单气泡发生器通过数据线相连接；
所述信号采集与处理系统通过屏蔽功能信号线与三层电极阵列上的电极装置相连接。
5.根据权利要求4所述的管道泥浆产量测量方法的实施装置，其特征在于所述过流管路为水平管道；单气泡发生器的安装位置距压力传感器不大于一倍管径，距三层电极阵列的距离不小于二倍过流管径。
6.根据权利要求4所述的管道泥浆产量测量方法的实施装置，其特征在于所述中间层电极阵列上的电极装置，在管道径向方向电极片宽度与电极片之间的间隔等宽，电极片轴向宽度为径向宽度的两倍。
7.根据权利要求4所述的管道泥浆产量测量方法的实施装置，其特征在于所述信号采集与处理系统包括现场可编程门阵列控制模块、数模转换模块、信号采集滤波模块、电极选通模块、外侧电极阵列信号自激励模块、中间层电极阵列信号自激励模块；
所述现场可编程门阵列控制模块用于发布指令并完成相关计算，数模转换模块用于完成电信号向数字的转换，信号采集滤波模块用于对信号进行采集和滤波处理，电极选通模块用于控制激励电极与采集电极的切换，外侧电极阵列信号自激励模块、中间层电极阵列信号自激励模块用于产生电流激励信号；
所述现场可编程门阵列控制模块通过外侧电极阵列信号自激励模块，与三层电极阵列外侧两层电极阵列上的电极装置相通讯；
所述现场可编程门阵列控制模块通过数模转换模块、信号采集滤波模块、电极选通模块、中间层电极阵列信号自激励模块，与三层电极阵列中间层电极阵列上的电极装置相通讯。
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WO2024125197A1 (zh) * 2022-12-15 2024-06-20 中交疏浚技术装备国家工程研究中 心有限公司 一种管道泥浆产量测量方法及其实施装置

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