一种基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置和方法，包括待监测管道、低频磁场控制电路、低频磁场发生装置、监测机构以及反馈控制模块。将长距离直线运输处的充填管道放置在匀强磁场中，通过监测匀强磁场数值变化判断管道是否发生堵塞。由于构成充填料浆的原材料含有磁性物质，受重力影响，在长距离运输充填管道处充填料浆极易发生离析沉淀现象，此时管道底部的料浆浓度逐渐增大，磁性物质含量逐渐递增，影响管道周围匀强磁场强度，因此根据磁场强度的大小实现充填管道的监测。该装置能够实现充填管道的非接触式监测，并且可以精确地监测充填管道堵塞情况并迅速进行处理，安装方便快捷，提高充填管道的使用寿命和充填作业的运行效率。作业的运行效率。作业的运行效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置和方法


[0001]本专利技术涉及一种基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置和方法，属于矿山充填管道堵塞监测与处理领域。

技术介绍

[0002]煤炭作为我国的主体能源与重要化工原料，其产量从2005年的21.5亿吨增加至2020年的39.0亿吨。伴随着巨大采煤量的逐年递增，全国各地易采煤炭资源已几乎罄尽，因此需要将开采目标转向优质煤炭储量丰富的“三下”压煤。“三下”压煤一般是指储存在村庄下、铁路下与水体下的煤炭，通常在开采时需要采用充填开采的采煤方式，保障采空区的稳定性。胶结充填开采是常用的开采方式之一，其工作原理主要将以水泥、煤矸石、粉煤灰与外加剂为主的原材料加水搅拌而成的混合浆体通过充填管道泵送至采空区，等待养护凝固后能够起到支撑上覆岩层的作用。但在料浆输送的过程中极易发生离析沉淀现象，尤其是长距离运输处，受到重力影响，管道底部大颗粒物质逐渐堆积造成管道堵塞，严重时会造成管道炸裂等重大问题，带来巨大的经济损失。因此为了能够保障矿山充填作业的安全运行，需要对料浆输送过程中的状态进行实时监测，并对管道堵塞的情况及时进行处理，防止管道堵塞造成的一系列影响。
[0003]目前，国内外在充填管道的监测技术方面已有很多研究，根据监测装置的安装位置以及是否影响管道的基础设计将其分为两大类，分别是接触式监测和非接触式监测。通常将监测装置的传感器安装在管道内部，或者需要通过改变原管道尺寸和结构的方案被归类为接触式监测方法，例如压力传感器、电磁流量计以及电阻率传感器等。中国专利CN202210629246.X公开了一种全固废膏体料浆管道输送在线流变测试方法，通过两个压力传感器和一个电阻层析成像电极传感器完成监测，当料浆在被测管道内部稳定流动时，测量记录管内压强和料浆流速分布曲线，获取管道横截面上任意点的切应力分布表达式，并根据所获数据构建更为准确的料浆流变模型，为监测充填管道技术提供支撑。中国专利CN201810984338.3公开了一种监测管道中膏体充填料浆离析的试验装置及方法，主要通过在管道内壁上安装电阻率测量装置对管道中充填料浆离析状态；电阻率测量装置包括测量电极、多路转换器、多通道电阻率测试模块和数据采集与处理模块，测量电极安装在管道内壁，导线穿过通孔后依次与多路转换器、多通道电阻率测试模块和数据采集与处理模块相连，构成整体监测电路系统。以上接触式监测装置通常将传感器安装在管道的内测，且需要改到管道尺寸或结构，成本较高，不便推广使用。另一种非接触式监测装置一般不需要改变原管道结构，测量传感器等材料安装在监测管道外侧，能够直接对管道内部的情况进行监测，如超声波监测等。中国专利CN201710174967.5公开了一种膏体充填管路堵管监测装置及监测方法，该装置在管道外侧安装有磁性物质浓度测试装置，使用时需要在充填膏体中添加一定配比的磁铁矿沙，通过监测管道内磁性物质的浓度判断充填管道是否堵塞。除此之外，中国专利CN201710174436.6公开了一种非介入式膏体充填管路堵管监测装置及方法，该装置主要将超声波传感器的发射端和接收端放置在管道两侧，通过测量信号计算不
同的波速来反应管内充填料浆的流动情况。此类方法虽然方便快捷，且不需要替换原管道，但整体监测精度较低；为了满足监测效果，需要在料浆中添加一些充填物质，成本较高，不利于推广应用。
[0004]综上所述，矿山充填管道监测环节对充填领域具有重要意义。因此，需要在管道监测装置及方法上寻求绿色的、高效的创新型技术，研制一种新型的基于低频磁场监测充填管道堵塞及处理的装置和方法，可以有效的降低充填成本，提高监测效率和响应速度，更加迅速的判断管道堵塞情况，全面解决充填管道堵塞问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置和方法，能够监测充填管道的运行情况，精准的判断充填管道堵塞。
[0006]本专利技术的原理：将长距离直线运输处的充填管道放置在匀强磁场中，通过监测匀强磁场数值的变化判断管道是否发生堵塞。由于构成充填料浆的原材料用水搅拌后含有带电金属离子，如铁、铝、钙等金属离子；受到重力影响，在长距离运输充填管道处充填料浆极易发生离析沉淀现象，此时管道底部的料浆浓度逐渐增大，金属离子堆积导致管道底部磁性物质含量逐渐递增，会影响管道周围匀强磁场强度，因此可根据磁场强度的大小实现充填管道的监测。本专利技术提供的是一种非接触式监测机构，料浆在运输过程中发生离析沉淀现象，管道底部沉积材料的密度会逐渐增大，料浆中所有材料的成分在沉积处都会升高，因此通过监测磁场数值的变化来判断充填料浆是否聚集；监测准确度较高。此外，在实际应用中可考虑添加磁性物质以提高监测精度。
[0007]本专利技术提供了一种基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置，包括低频磁场控制电路、低频磁场发生装置、监测机构以及反馈控制模块；
[0008]待监测管道布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上；低频磁场控制电路连接低频磁场发生装置，匀强磁场布置在待监测的泵送式充填管道外侧，泵送式管道位于匀强磁场的中心水平位置，监测机构安装在管道水平方向两侧并与反馈控制模块相连，由此实现充填管道的监测和堵塞。
[0009]低频磁场控制电路由函数发生器、滑动变阻器、台式数字万用表和电源组成；函数发生器为低频磁场提供不同幅值与不同频率的正弦波信号；将线圈一侧的电路中正极导线与滑动变阻器连接，台式数字万用表与滑动变阻器并联，可通过台式数字万用表监测滑动变阻器两端电压，并进行调节；电源连接各个电器并为其提供电源支撑；
[0010]低频磁场发生装置由亥姆霍兹线圈和线圈绝缘支柱组成，由低频磁场控制电路引出的两条导线分别接在亥姆霍兹线圈的两个导体线圈上，线圈绝缘支柱用于固定两个导体线圈的位置与角度，确保发生匀强磁场的稳定性；
[0011]监测机构由两个探头和绝缘固定架组成，探头安装在水平方向上待监测管道的两侧，处于匀强磁场的监测区域，负责监测管道附近磁场强度的变化，通过绝缘固定架进行固定。
[0012]反馈控制模块主要由PC计算机、PLC和充填泵组成，探头输出的信号通过光缆连接PC计算机，由PC计算机对传输的数据进行处理与分析，判断管道是否发生堵塞，并可通过PLC控制充填泵调节泵送流量，快速处理堵管问题。
[0013]本专利技术中，基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置均匀连续地布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上，可以实现管道堵塞的监测与精准定位。
[0014]上述装置中，所述待监测管道布置在长距离直线运输段，由长度相等的多节管道组合而成，方便管道的安装与后期维修更换；每一节管道的长度为7～15米，管道内半径为7.5cm，管厚为1.5cm；待监测管道材料选用亚克力材质或PVC材质，减小对低频磁场的影响，提高监测精度；多节管道之间通过法兰进行连接，使用长螺钉穿过两相邻管道的法兰，并通过螺栓进行固定。监测区域中的长螺钉与螺母等零件也选用对磁场强度影响较小的亚克力材质或PVC材质。
[0015]上述装置中，在满足充填料浆坍落度和抗压强度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置，其特征在于：包括低频磁场控制电路、低频磁场发生装置、监测机构以及反馈控制模块；待监测管道布置在采空区长距离沿水平直线运输路径上；低频磁场控制电路连接低频磁场发生装置，匀强磁场布置在待监测的泵送式充填管道外侧，泵送式管道位于匀强磁场的中心水平位置，监测机构安装在管道水平方向两侧并与反馈控制模块相连，由此实现充填管道的监测和堵塞；低频磁场控制电路由函数发生器、滑动变阻器、台式数字万用表和电源组成；函数发生器为低频磁场提供不同幅值与不同频率的正弦波信号；将线圈一侧的电路中正极导线与滑动变阻器连接，台式数字万用表与滑动变阻器并联，通过台式数字万用表监测滑动变阻器两端电压，并进行调节；电源连接各个电器并为其提供电源支撑；低频磁场发生装置由亥姆霍兹线圈和线圈绝缘支柱组成，低频磁场控制电路引出的两条导线分别接在亥姆霍兹线圈的两个导体线圈上，线圈绝缘支柱用于固定两个导体线圈的位置与角度，确保发生匀强磁场的稳定性；监测机构由两个探头和绝缘固定架组成，探头安装在水平方向上待监测管道的两侧，处于匀强磁场的监测区域，负责监测管道附近磁场强度的变化，通过绝缘固定架进行固定；反馈控制模块由PC计算机、PLC和充填泵组成，探头输出的信号通过光缆连接PC计算机，由PC计算机对传输的数据进行处理与分析，判断管道是否发生堵塞，并可通过PLC控制充填泵调节泵送流量，快速处理堵管问题。2.根据权利要求1所述的基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置，其特征在于：所述待监测管道布置在长距离直线运输段，由长度相等的多节管道组合而成，每一节管道的长度为7～15米，管道内径为7.5cm，管厚为1.5cm；待监测管道材料选用亚克力材质或PVC材质，减小对低频磁场的影响，提高监测精度；多节管道之间通过法兰进行连接，使用长螺钉穿过两相邻管道的法兰，并通过螺栓进行固定；监测区域中的长螺钉与螺母也选用对磁场强度影响较小的亚克力材质或PVC材质。3.根据权利要求1所述的基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置，其特征在于：函数发生器提供的输出频率设置在1.0Hz
‑
25.0MHz；低频磁场的频率设置在10.0Hz
‑
400.0kHz；滑动变阻器的最大电阻值为50Ω，允许通过的最大电流值是1.5A。4.根据权利要求1所述的基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置，其特征在于：亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，两线圈内的电流方向一致，大小相同；线圈之间的距离等于圆形线圈的半径，确保在其公共轴中点附近产生较广的均匀磁场；函数发生器输出端口与圆形亥姆霍兹线圈连接，线圈半径为0.25m，在接入电路的滑动变阻器两端连接台式数字万用表，通过监测两端电压示数对低频磁场进行调节。5.根据权利要求1所述的基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置，其特征在于：通过调节亥姆霍兹线圈的匝数实现不同频率下低频磁场强度的监测，线圈匝数的范围是3
‑
50匝；5匝线圈能进行10.0Hz
‑
100.0kHz的频率响应监测，当监测频率为50Hz或60Hz时，使用40匝线圈专测，监测精度较高；亥姆霍兹线圈材质为铜线。6.根据权利要求5所述的基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置，其特征在于：亥姆霍兹线圈安装在线圈外壳中，线圈外壳向外方向有一个圆环形凹槽，与两端的线圈外壳圆心共轴，用于缠绕不同匝数的线圈；线圈外壳采用塑料或PVC，为满足亥姆霍兹线圈生成的匀
强磁场，圆环形凹槽的截面尺寸为：内径24.5cm，外径25.5cm，槽深2cm。7.根据权利要求1所述的基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置，其特征在于：在待监测管道外侧设有一组亥姆霍兹线圈，每组线圈由两个平行设置的亥姆霍兹线圈组成，在线圈的上、下两端采用平行绝缘支架进行连接，使用材质与线圈外壳相同，为塑料或PVC；在待监测管道两侧安装有一对探头，探头安装在每组线圈的中心等间距位置，距离管道外壁为3cm，防止紧挨管道时由于管道震动从而影响管壁的监测精度。8.根据权利要求7所述的基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置，其特征在于：探头为正方体结构，高度为9.0cm；探头通过光纤传递数据，并且内部自带有屏蔽电源，通过探头的充电接口进行充电。9.一种基于低频磁场监测充填管道堵塞的方法，采用权利要求1～8任一项所述的基于低频磁场监测充填管道堵塞的装置，其特征在于包括以下步骤：S1：安装充填管道并固定监测机构，连接电源线路与信号传输线路，将监测机构安装在长距离直线运输处，使管道通...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚庭野，张志城，冯国瑞，唐梓瑜，董可颖，潘大伟，成思远，徐宏涛，刘高廷，
申请(专利权)人：山西浙大新材料与化工研究院，
类型：发明
国别省市：