化学灌浆流量计量新方法

李浩宇

(湖南湘禹防水有限公司，湖南娄底，417500)

作者简介: 李浩宇(1975—)，男，湖南娄底人，工程师，主要从事化学灌浆设备的研究。

【摘 要】 针对化学灌浆材料高粘度、高绝缘性的特征，提出了化学灌浆流量计量的新方法。介绍了化学灌浆流量计的基本原理、机械结构和实现方法。为化学灌浆提供高性能、高精度的计量方法。

【关键词】 化学灌浆; 流量计; 方法

1 前言

化学灌浆中的灌浆条件和终灌条件都以灌浆流量作为一项重要指标，根据《中华人民共和国电力行业标准——水工建筑物化学灌浆施工规范》，化学灌浆的结束标准: 帷幕化学灌浆在最大设计压力下，灌浆流量不大于20m L/min·m后，继续灌注30min或达到胶凝时间;固结化学灌浆在最大设计压力下，灌浆流量不大于50m L/min·m后，继续灌注30min或达到胶凝时间。所以，灌浆过程中流量的计量是不可缺少的一项工作，灌浆流量将直接决定化学灌浆质量。

2 化学灌浆流量计量的方案设计与论证

化学灌浆所用灌浆材料主要是环氧树脂等高分子化合物，它对金属和非金属材料表面具有优异的粘结强度，介电性能良好。正是由于灌浆材料的高粘度、高绝缘性，使现在已有的流量计不能满足工艺要求。

2．1 目前的流量计量方法

目前的流量计主要有容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计和超声流量计。

容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、涡街流量计和质量流量计要与测量液体接触，化学灌浆的灌浆材料粘度高且会胶凝(凝固)，所以，凡是与测量液体接触的流量计都不能满足要求。

化学灌浆中流量要求是体积流量，质量流量计只能通过公式换算得到体积流量，但化学灌浆是以一定压力灌浆，浆液经过压缩后，体积发生变化，所以质量流量计不能用于化学灌浆的流量计量。

电磁流量计只适合于测量导电性液体的流量，而化学灌浆的灌浆材料是属于绝缘材料。

超声流量计对所测量液体有具体的要求，传播时间法超声流量计只能用于清洁液体和气体; 而多普勒法超声流量计只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体。化学灌浆材料是多种(一般是两种)化学材料混合而成，不同的灌浆要求有不同的配比，所以浆液的物理性质是不定的，而同一种浆液随着时间的变化物理性质也随之改变。用超声流量计计量化学灌浆流量会造成较大误差。化学灌浆中对流量计的误差要求可以通过下式(1)计算:

其中，γ为流量计的误差，qvmin为终灌要求中的最小体积流量(m L/min)，qvmax为灌浆中的最大体积流量(m L/min)。

一般灌浆条件下，qvmax=2000m L/min，qvmin=20m L/min(行业标准)，则流量计的误差要求γ＜1%，这样，超声流量计不能达到要求。

现有技术中，并没有应用在化学灌浆设备中的流量计，这给灌浆质量带来很大影响。化学灌浆的数据只能记录最后的数据，比如灌浆总量等，不能记录灌浆时的流量和状态，不便于分析和控制灌浆质量。

2．2 化学灌浆流量计量要求

化学灌浆对流量计量的要求有:

(1)可测量不导电液体的流量，测量准确度高，流量计的误差要求γ＜1%。

(2)可以测量高粘度、胶凝的高分子化合物。

3 化学灌浆流量计量新方法

3．1 组成原理

(1)化学灌浆流量计的构成

图1是化学灌浆流量计结构示意图。化学灌浆流量计由位移传感器、灌浆缸、活塞杆、位移传感器连杆和活塞构成。

图1 化学灌浆流量计结构示意图

1—灌浆缸; 2—活塞杆; 3—位移传感器连接杆; 4—活塞;5—位移传感器; 6—出浆口; 7—进浆口

(2)化学灌浆流量计的工作原理

化学灌浆流量计的基本工作原理是通过位移传感器测量灌浆缸中活塞的位移，然后根据公式计算出灌浆流量。计算公式如下:

式中，qv——体积流量(m L/min);

R——灌浆缸直径(cm);

s——灌浆缸内部活塞的位移(cm);

灌浆缸内部是一个圆柱体，活塞在灌浆缸内来回运动，把浆液吸进和压出，当浆液压出时，活塞向右运动，通过活塞杆和位移传感器连接杆将活塞的位移传递到位移传感器，用位移传感器适时测量活塞的位移，再由公式(2)计算出灌浆的体积流量。

3．2 信号采集与处理电路

(1)化学灌浆流量计信号采集与处理电路构成

图2是化学灌浆流量计信号采集与处理电路系统图，由电阻式位移传感器、12位A/D转换器、STC89C58单片机和液晶显示屏组成。

图2 化学灌浆流量计信号采集与处理电路系统图

(2)化学灌浆流量计信号采集与处理电路原理

灌浆时的活塞位移s(cm)通过电阻式位移传感器转换成电压信号u(V)，通过12位二进制A/D转换器，转换成数字信号D，由单片机STC89C58中的软件完成计算，得到的流量数据通过液晶显示屏显示。

灌浆缸行程L=5cm，电阻式位移传感器量程等于灌浆缸行程，输出电压信号范围为0～5V。化学灌浆流量计信号采集与处理系统转换式为:

D=k1k2s　(3)

其中，k1是电阻式位移传感器的传递系数，k2是12位A/D转换器的传递系数。

4 结语

4．1 化学灌浆流量计误差计算

化学灌浆流量计误差由电阻式位移传感器的误差和A/D转换器的精度决定，可以由下列公式计算:

γ=γ1+γ2　(4)

式中，γ1——电阻式位移传感器的误差，为0．2%;

所以，化学灌浆流量计误差γ=0.22%。小于1%，可以满足化学灌浆要求。

4．2 化学灌浆流量计量新方法的主要优点

(1)传感器不与浆液接触，避免了由于浆液的高粘度、胶凝带来的测量难点。

(2)不采用电磁原理测量，可以测量不导电液体。

(3)直接测量体积流量，避免浆液物理性质变化(压缩)造成的误差。

(4)测量误差与浆液的物理性质和化学性质无关。

(5)测量误差可以达到0.5%(已通过湖南省计量检测研究院测试)，能满足化学灌浆流量计量要求。

参考文献

［1］明仁雄，万会雄.液压与气压传动［M］.北京: 国防工业出版社.2003，10.

［2］郭宗仁，吴亦锋，等.可编程序控制器应用系统设计及通讯网络技术［M］.北京: 人民邮电出版社. 2002，9.

［3］蒋硕忠.我国化学灌浆技术发展与展望［J］.长江科学院院报，2003，(5).

［4］蒋硕忠，邓敬森.中国化学灌浆的现状与未来［M］.武汉: 长江出版社，2005，11.