排水量高精度连续检测方法研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s & S e a l s No 0 2 2 0 1 6 d o i ： l O 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 2 0 0 3 排水量高精度连续检测方法研究 桑 勇， 代月帮， 王亚杰， 李锋涛， 段富海 ( 大连理工大学 机械工程学院 ，辽宁 大连l 1 6 0 2 4 ) 摘要： 三轴试验广泛应用在土力学试验中， 用于测量土壤强度和变形等特性。试样在高围压、 重载荷下的获得的排水量是衡量试样 体变的一个重要指标 ， 排水量的测量精度决定试验的成败。然而 ， 针对直径 1 0 m、 高2 0 m的超大试样 ， 试验过程中超大试样向外排水 量将达到1 6 0 L ， 甚至更高， 并且流量不均匀， 流速时快时慢， 排出时间长。传统的排水量检测方法由主观、 客观原因很难满足对其高精 度连续测量 。该文对常用的传统排水量测量方法的特点进行 了分析与梳理 ， 详细阐述了传统排水量测量方法对超大试样排水量测量 所面临的难题 ， 最后提出一种满足超大三轴试验中超大试样体变( 排水量) 特点的连续高精度测量装置设计方案 ， 并对该方案进行了 试验验证 ， 试验结果表明， 该装置测量精度较高 ， 装置稳定性较好 ， 能够实现对超大试样排水量连续高精度检测。 关键词 ： 超大三轴试验； 大排水量； 高精度 ； 连续检测 中图分类号： T H1 3 7 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 8 0 8 1 3 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 0 5 0 4 Re s e a r c h o n Hi g h p r e c i s i o n Co n t i n u o u s M e a s u r e me n t M e t h o d f o r f e r Dr a i na g e S A NG Y o n g , DA IY u e b a n g , W A NGY a -j i e , L 1 F e n g - t a o , DU A NF u - h a l ( S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g， Da l i a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， D a l i a n 1 1 6 0 2 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T ri a x i a l t e s t i s o n e o f t h e mo s t c o ml n o n s o i l t e s t s ， wh i c h C a l l b e u s e d t o me a s u r e s o i l c h a r a c t e ri s t i c s s u c h a s s e n g t h a n d d e f o r ma - t i o n e t c Wa t e r d r a i n a g e o b t a i n e d f r o m t e s t s a mp l e s c o mp r e s s e d b y h i g h c o n fin e d p r e s s u r e a n d h e a v y l o a d i s a k e y me a s u r e me n t i n d e x o f s p e c i me n d e f o r ma t i o n T h e me a s u r e me n t p r e c i s i o n o n wa t e r d r a i n a g e d e t e rm i n e s the S u c c e s s o f t h e t e s t Ho we v e r , f o r a h u g e t e s t s a mp l e o f a d i am e t e r o f 1 0 me t e r s ， 2 0 m e t e r s h i g h ， wa t e r dr a i n a g e c a n r e a c h 1 6 0 L， Or e v e n h i g h e r , wi t h a n o n u n i f o r m f l o w, a f a s t e r o r s l o we r fl o w r a t e a s we l l a s a l o n g t i me dra i n a g e Th e t r a d i t i o n a l me a s ure me n t me tho d s a r e d i ffi c u l t t o me e t t h e h i g h - p r e c i s i o n c o n t i n u o u s me a s u r e me n t d u e t o s u b j e c t i v e a n d o b j e c t i v e r e a s o n s I n t h i s p a p e r , fi r s t l y , t h e r e i s a a n a l y s i s a b o u t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e t r a d i t i o n a l me a s ure me n t me t h - o d s for wa t e r dr a i n a g e Th e n ， t h i s a r t i c l e a n a l y z e s t h e p r o b l e ms wh i c h tra d i t i o n a l me a s u r e m e n t me t h o d s f a c e t o a c h i e v e h i g h - p r e c i s i o n c o n t i n u o u s me a s ure me n t for wa t e r dra i n a g e o b t a i n e d fro m a h u g e t e s t s am p l e F i n a l l y , t h i s p a p e r p r o p o s e s a s o l u t i o n t o a c h i e v e h i g h p r e c i s i o n c o n t i n u o u s me a s u r e me n t o f l a r g e ， v e r y l a r g e wa t e r d r a i n a g e Ac c o r d i n g t o r e s u l t f r o m the e x p e rime n t ， T h i s s o l u t i o n s h o ws h i g h e r me a s u r i n g a c c ur a c y , s t r o n g e r s t a b i l i t y a n d c a n a c h i e v e h i g h p r e c i s i o n c o n t i n u o u s me a s u r e me n t for wa t e r dr a i n a g e o b t a i n e d f r o m a h u g e t e s t s a mp l e Ke y wo r d s ： l a r g e t r i - a x i a l t e s t ； h u g e wa t e r dr a i n a g e ； h i g h p r e c i s i o n ； c o n t i n u o us me a s u r e me n t O 引言 广泛运用在土力学试验中的三轴试验仪， 能够测 量土壤的强度和变形的诸多参数 ， 如剪切强度、 变形特 性、 固结特点和土壤渗透性等。在试验中， 通过试样在 大围压、 重载荷下获得的排水量是衡量试样体变的一 个重要指标， 排水量的测量精度决定试验的成败。 超大三轴试验仪主要针对超大试样( 直径 1 0 m， 高 2 0 m的圆柱试样) 来进行强度和变形特征测试， 来完成 大型、 特大型水电站土石坝材料特性试验工作 。超大 三轴试验仪试验中， 排水量如按照试样体积的 1 0 来 估算 ， 直径 1 0 m、 高 2 0 m的超大试样排水量将达到 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 7 1 3 基金项目： 国家自 然科学基金项目( 5 1 2 7 5 0 6 8 ) ； 航空科学基金( 2 0 1 3 0 8 6 3 ) ； 中央高校基本科研项 目( D U T I 5 L K 2 1 ) 作者简介 ： 桑勇( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 山东泰安人， 副教授 ， 博士 ， 主要从事大排 水量连续检测方面研究。 1 6 0 L， 最大可达2 0 0 L， 并且流量不均匀 ， 流速时快时慢 ， 排出时间持续长。要想实现对其实时连续精确测量是 非常困难的。目前， 国内并没有针对超大试样体变( 排 水量) 的实时连续精确测量装置。国外知名岩土设备 生产厂家G D S 公司在排水管路中接入专门设计的流量 传感器来实现试样体变( 排水量) 的检测。这种流量传 感器是G D S 公司拥有的专利， 测量精度不太高， 价格昂 贵且不对外出售。因此 ， 超大三轴试验中超大试样体 变( 排水量) 实时连续高精度测量的一个亟待解决的 问题 。 1超大三轴试验中排水量传统测量方法 1 1传统排水量测量方法的介绍 目前常用在排水量测量方法有标尺容器测量法、 天平测量法 、 雷达测量液位法、 电容式液位计测量液位 法 、 浮球测量液位法等 ， 下面分别对它们特点进行 介绍 。 5 液 压 气 动 与 罐 ：t d 2 0 1 6年 第0 2期 1 ) 标尺容器测量法 将所有排出水排人一个带有标尺的容器( 如量 筒) ， 根据排出水的液面所在标度， 人工读出排水量， 此 方法可以实时观察排出水量 ， 操作简单， 缺点是由于排 水量大 ， 若想达到一定精度 ， 则量筒 口径较小， 容器 占 地空间较大 ， 且需要人工操作 ， 耗费时 间， 不够智能 ， 人 工成本太高。 2 ) 天平测量法 将排水引入容器后 ， 利用排出水的重力， 实时连续 测量排出水的重量， 从而得到排出水量， 将天平测得数 据输入计算机即可， 可实现连续测量 ， 测量精度较高， 缺点是天平含有零点漂移， 会影响测量数据的准确性， 且开口容器容易造成排出水蒸发， 导致数据不准确。 3 ) 雷达测量液位法 在盛装排出水的容器中安装雷达液位传感器， 雷 达测量液位采用发射一反射一接收的工作模式。雷达 液位计的天线发射出电磁波 ， 这些波经被测对象表面 反射后， 再被天线接收， 电磁波从发射到接收的时问与 到液面的距离成正比， 雷达液位计记录脉冲波经历的 时间， 而电磁波的传输速度为常数 ， 则可算出液面到雷 达天线的距离 ， 从而知道液面的液位。根据液位的变 化即可实时测量排水量的变化。优点是不受噪声 、 粉 尘等影响， 耐高温， 高压， 测量精度较高， 但安装较困 难 ， 成本较高 。 4 ) 电容式液位计测量液位法 在待测排出水的容器中安装电容式液位传感器， 射频电容式液位变送器依据电容感应原理 ， 当被测介 质浸汲测量电极的高度变化时， 引起其电容变化。它 可将液位介质高度的变化转换成标准电流信号， 远传 至操作控制室供二次仪表或计算机装置进行集中显示 和自动控制 。其 良好的结构及安装方式可适用于高 温 、 高压、 强腐蚀， 易结晶， 防堵塞， 防冷冻及固体粉状、 粒状物料 。 5 ) 浮球测量液位法 在装有排出水的容器中投入浮球， 根据阿基米德 原理， 浮球 自身重力等于浮球排开液体体积的重力， 浮 球会浮于水面， 当容器的液位变化时浮球也随着上下 移动， 因此可认为浮球的位置即为液位， 在浮球上装上 传感器， 把液面位置变化成电信号 ， 通过显示仪表用数 字显示液体的实际位置 ， 浮子液位计从而实现液面的 远距离检测和控制。浮球测量传感器具有结构简单 ， 调试方便， 可靠性好 ， 精度高等特点。浮子液位计可广 泛适用于高温、 高压、 粘稠 、 脏污介质、 沥青、 含腊等油 品以及易燃、 易爆、 腐蚀性等介质的液位的连续测量。 6 1 2 传统排水量测量的分析比较 从传统的排水量测量方法总结可知， 标尺容器测 量法和天平测量法人工投 入太 大 ， 而且很难满足高精 度测量 ； 雷达测量液位法成本太高， 而且大型、 超大型 三轴试验仪采用液压系统 ， 施加重载的条件下会产生 较强的高频抖动 ， 在这样环境下工作 ， 雷达测量液位法 的稳定性和准确性很难得到保证 ； 电容式液位计测量 液位法测量精度能够满足要求 ， 同时其对工作环境要 求也比较低， 但是在超大试样试验时， 排水量能够达到 甚至超过 1 6 0 L ， 现有的电容式液位传感器量程很难满 足要求。同时， 为保证排水量的准确性， 需要保证试样 中部的压强与大气压强始终保持相等 ， 需要根据试样 的动态变形， 实时动态调节排水口的高度， 保证排水 口 的高度始终与试样的中部位置相等。由于试样高度一 般 很 高可 达 2 0 2 5 m， 试 样 高度 变 形可 达 4 0 0 5 0 0 ra m 。这么大距离的实时动态调整 ， 会造成液体在 汲测量电极上的波动， 既而影响电容式液位计测量液 位法的精度； 盛装排出水的容器内径越小， 横截面积越 小 ， 测量精度越高， 在高精度要求下， 就会造成浮球直 径过小 ， 既而影响测量过程中的动态特性 ， 浮球测量液 位法不能满足要求 。 其他类型的排水量测量法或是发展还不够完善 ， 研究还不够成熟 ， 或是受到超大型三轴试验仪工作条 件的制约， 或是价格过于昂贵， 均不十分适合于超大试 样排水量实时连续高精度测量当中。因此设计一个能 够适用于超大三轴试验中的造价便宜、 适应性强的实 时连续高精度排水量检测装置是一个亟待解决 的 问题。 2 超 大试样排水量 实时连续精 确测 量 的设计方案 为了解决超大三轴超大试样排水量的实时连续精 确测量装置难题 ， 设计了图1 a 一图1 d 所示的实时连续 高精度测量装置 ， 该装置主要由排水 口高度动态调整 子系统和排水量自动连续检测子系统组成。 排水 口高度动态调整子系统用于根据试样的实时 变形动态调整排水口的高度， 保证试样中部压强与大 气压强相等。主要由电动缸 ( 伺服电机 、 丝杠螺母组 合) 、 夹具 、 排水桶、 引水槽、 管路等组成。系统支撑柱 A、 系统支撑柱B 、 系统支撑柱 c 、 系统支撑柱 D固定于 地面上 ， 并支撑排水口高度动态调整子系统。右导轨 支撑板固定右导轨 ， 左导轨支撑板固定左导轨。右滑 块和左滑块固定在排水桶上。导轨支撑棒用来固定右 导轨支撑板和左导轨支撑板。排水桶固定于右导轨和 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s No 0 2 2 0 1 6 左导轨之间， 并能上下 自由滑动。排水桶与电动缸缸 体的输出轴相连接。试验过程中动态检测试样高度的 变化 ， 伺服电机 1 采用高精度位置控制式模式， 脉冲数 为 1 0 0 0 0 个 圈， 丝杠的螺距采用 5 ra m， 根据试样高度 计算伺服电机 l 所需的脉冲数 ， 根据试样的实时高度精 确控制排水桶上引水槽的高度 ， 保证了排水 口高度与 试样中部高度相等， 使得试样中部的压强与大气压强 相等， 保证试样排水的准确性。 ( a )主视图 l l 8 2 0 ( b ) 俯视 图 ( C ) 左视图 ( d ) 等轴测图 1 一 伺服电机 2 一 电动缸缸体 3 一 引水槽4 一 二通接头 5 一 排水桶 6 一 上软管7 有滑块8 一 右导轨 9 一 有软管1 0 一 右导轨支撑板 l 1 一 导轨支撑棒l 2 一 系统支撑柱A 1 3 一 细长量筒B 1 4 一 玻璃管支撑板 1 5 一 右压差传感器1 6 一 右下软管1 7 一 带有电磁阀的三通接头B 1 8 一 法兰盘1 9 一 水桶盖2 0 一 电动缸支撑板2 1 一 左导轨支撑板 2 2 一 左滑块2 3 一 带有电磁阀的三通接头A 2 4 一 左软管2 5 一 左导轨 2 6 一 系统支撑柱B 2 7 一 细长量筒A 2 8 一 左压差传感器2 9 一 左下软管 3 O 一 带有电磁阀的三通接头C 3 卜配重板 3 2 一 系统支撑柱c 3 3 一 系统支撑柱D 图1实时连续高精度测量装置 排水量 自动连续检测子系统用于实时连续高精度 地检测从排水桶排出的水量。该子系统主要有电磁 阀， 压力传感器 ， 长2 m直径 2 c m的细长量筒等组成。 细长量筒下装有高精度压差传感器， 静态标定后根据 压差传感器的输出电压值可以精确计算细长量筒中排 水量的大小。细长量筒A和细长量筒B固定于支撑板 上。上软管与左软管 右软管之间为带有电磁阀的三通 接头A， 左软管与细长玻璃量管A 相连 ， 右软管与细长 玻璃量管B 相连， 带有电磁阀的三通接头A实现与细长 玻璃量管A、 细长玻璃量管B 导通切换工作。左压差传 感器安装在细长玻璃量管A的下方 ， 右压差传感器安 装在细长玻璃量管B的下方。左压差传感器和右压差 传感器用来测量细长玻璃量管A和细长玻璃量管B 中 排水量的大小。带有电磁阀的三通接头c 和带有电磁 阀的三通接头B 通过左下软管和右下软管与细长玻璃 量管A 和细长玻璃量管B 相连， 并控制其通断实现向外 排水功能。 此外， 配重板起到平衡量筒支撑板、 细长量筒A和 细长量筒B 等重量的作用 ， 保证排水桶不发生倾斜。 3 试验及结论 为了验证超大试样排水量实时连续精确测量的效 果， 开了试验研究工作。试验开始时， 首先将高纯净水 装人到排水桶5 中， 使最高液面与排水桶5 的引水槽 3 持平 ， 对试样排水起到缓冲和引导作用。将试样排出 的水引人到水桶 5 中， 经由引水槽、 上软管、 三通接头A 流人到和三通接头A常开口相连接的细长量筒A 。 细长量筒A的排水接近其量程9 0 时， 让带有电 磁 阀的三通接头 A通 电。这时排水经过右软管与细长 量筒 B导通 ， 排水流向细长量筒 B 。同时让带有电磁阀 的三通接头c 通电， 细长量筒 A 实现向外排水， 排水结 束后让带有电磁阀的三通接头c 断电， 等待下一次测 量。同样， 当细长量筒 B 的排水接近其量程9 0 时， 让 带有电磁阀的三通接头A断电。这时排水经过右软管 与细长量筒A导通， 排水流向细长量筒A ， 同时让带有 电磁阀的三通接头B 通电， 细长量筒B 实现向外排水 ， 排水结束后让带有电磁阀的三通接头B 断电， 等待下 一 次测量 。 左压差传感器和右压差传感器输出2 I O V的电 压信号， 经过 l 6 位A D 转换由数据采集器接收， 然后数 据采集器把结果传送给计算机， 由计算机判断细长量 筒A和细长量筒B的9 0 的时间节点。这样， 控制细长 量筒A和细长量筒B 反复交替进水， 排水实现了超大试 样排水量的连续高精度测量。 图2 为试验所得A、 B 量筒排水量与总排水量的实 际测量结果， 排水量流速大约是4 5 m L m i n 。从图中可 知， A量筒首先工作 ， 大约5 5 0 s 后 ， 带电磁阀的三通A ( 下转第 1 1 页) 7 引 Hy d r a u l i c s P n e u ma ti c s & S e a l s No 0 2 2 0 1 6 时， 系统停止运行并报警； ( 5 ) 氧气浓度检测 ： 通过对氧气浓度检测 ， 控制高 温试验箱内氧含量低于航空煤油燃烧的最低氧含量 ， 主要通过向高温试验箱内充注氮气 ， 置换箱内空气而 达到降低箱内氧含量的目的， 如氧气浓度过高设定值 ， 系统停止运行并报警； ( 6 ) 采用耐高温防爆可燃气体浓度检测传感器检 测高温试验箱内可燃性气体 ， 当检测到箱内可燃性气 体超标时立即停机并报警； ( 7 ) 安全可靠的漏电断路保护装置和接地装置； ( 8 ) 高温试验箱内风机风叶采用软金属材料制作 ， 以避免摩擦或碰触电火花的产生； ( 9 ) 设计照明灯和摄像头f 安装在箱体外面) ， 便于 观察高温试验箱内被试产品的运行情况 ； ( 1 O ) 设置电源缺相、 错相保护， 防爆加热器短路等 保护装置 ， 并进行声光报警 ， 主控制 台设置 紧急停 按钮 ； +一 +- + - +- +- +- +- 十- +- +- +- +- + (1- 接第7 页) 动作将排水引入到B 量筒中， 同时A量筒将水卸掉， 大 约在 1 2 0 0 s 时， 带电磁阀的三通A动作将将排水引入到 A量筒中， 同时B 量筒将水卸掉， 如此往复， 实现对排水 量的连续高精度测量。结果证明该测量精度较高 ， 装 置稳定性好， 能够实现对超大试样排水量实时连续高 精度检测。 2 5 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 薹lo 0 0 5 0 0 O 时I 司 s 图2 排水量连续测量的实际结果 4 总结 在超大三轴试验中， 超大试样排水量将达到甚至 超过1 6 0 L ， 且流量不均匀 ， 流速时快时慢 ， 排出时间持 续两周左右。传统的排水量检测方法由于主观、 客观 原因很难满足对其进行实时连续高精度测量。本文对 常用的传统排水量测量方法的特点进行了分析与梳 理， 详细阐述了传统排水量测量方法对超大试样排水 ( 1 1 ) 在高温试验箱工作室顶部设置泄压门和泄 爆箱 ； ( 1 2 ) 高温试验箱的试验间具备良好的通风设施和 消防设备。 5 结束语 本文研制的航空煤油液压泵在线环境高温试验 箱， 已通过相关的试验 ， 能够实现其技术指标 ， 安全防 护措施能满足要求 ， 并可逐步运用 于生产试验 中， 为该 类航空煤油液压泵在线环境高温试验提供了技术参考 和依据。 参考文献 【 1 1 周修， 源江鲁 环境试验技术与设备发展概述f J 1 中国仪器仪 表， 2 0 0 8 ， ( 6 ) ： 8 8 - 9 2 【 2 康志萍 环境试验特点及其发展方向【 J 1 环境技术， 2 0 1 2 ， ( 4 ) 3 】 何志琴， 宋洪儒 在线参数优化的环境试验箱研究 f J 1 工业 控制计算机， 2 0 0 9 ， 2 2 ( 9 1 量测量所面临的难题， 最后提出一种满足超大三轴试 验中超大试样体变( 排水量) 特点的实时连续高精度测 量设计方案， 并对该方案进行了试样验证 ， 试样结果表 明， 该装置测量精度高 ， 装置稳定性好 ， 能够实现对超 大试样排水量实时连续高精度检测。 参考文献 【 1 崔治 ， 胡新江 ， 肖巍 H K U S T 体变测量方法在动三轴中的应 用 J 地震工程学报， 2 0 1 4 ， ( 4 ) 2 】 刘湘宁， 周克骥 ， 张建民 一台多用途的体变测量及控制系 统 J 】 _ 大坝观测与土工测试， 2 0 0 1 ， ( 3 ) 3 3 詹良通 ， 吴宏伟 新双室非饱和土体积变化测量系统 c 】 ， 中 国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文 集 北京： 清华大学出版社 ， 2 0 0 3 4 李小亭 ， 王小杰 ， 方立德， 刘然 ， 卢庆华 新型内外管差压流 量计特性研究 J 1 仪器仪表学报， 2 0 1 2 ， ( 1 o ) 【 5 】 姜勇 时差法超声波流量计设计与研究 D 】 杭州 ： 浙江大学 ， 2 0 0 6 6 】 濮 良贵， 纪名刚 机械设计【 M 】 北京 ： 高等教育出版社 ， 2 0 0 1 7 】 机械设计手册编委会 机械设计手册 ( 第3 卷) M 】 北京 ： 机 械工业出版社， 2 0 0 4 【 8 】 N u m e ri c a l S o l u t i o n o f t h e We i g h t F u n c t i o n f o r E l e c t r o m a g n e t i c ， F l o w Me t e r J 1 C o m p u t e r A i d e d D r a f t i n g ， D e s i g n a n d Ma n u f a e t u r i n g ， 2 0 1 0 ， ( 2 )