本发明涉及多相流领域用测试装置，具体涉及一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置。
背景技术：
泡沫轻质土因其密度低、比强度高、稳定性优良、施工工艺简单、绿色环保并且经济效益好，是新型轻质铁路路基的主要结构材料，并在铁路站台回填、软土路基填筑、台背回填、桥梁减跨等方面具有显著优势。泡沫轻质土一般采用二步法工艺进行制备，即先制得水泥浆，然后在泡沫轻质土制备一体机中，同时泵入水泥浆、发泡剂、水和压缩空气，发泡剂和水在管路内混合制得发泡液，发泡液和压缩空气在物理发泡管中混合成泡沫，然后泡沫与水泥浆同时进入静态混合器快速混合制得泡沫轻质土并通过输送管道进入浇注区域。泡沫轻质土的制备过程中，多个供料系统同时运作并分别由变频器控制。由于在连续作业过程中，各供料系统存在不同程度的损耗，所制备的泡沫轻质土的湿密度和稳定性存在较大波动。由于检测手段的不完善，很难判断引起波动的原因，也难以研究影响泵送管路内泡沫轻质土流动状态的因素，阻碍了现浇泡沫轻质土制备技术的发展。
技术实现要素：
鉴于目前技术的不足，本发明在综合各类多相流检测方法的基础上，设计了数据采集更全面、可靠性良好测试装置及，可以快速、准确的显示各供料系统内和泵送管路内物料的状态，并且能保证良好的平行性和重复性。
本发明采用的技术方案是：一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，其特征在于：适用于自动化的现浇泡沫轻质土生产设备，可实时监测供浆管路内水泥浆的体积流速、压力、温度、水胶比和供泡管路内泡沫流的体积流速、压力、气体含量以及泵送管路内泡沫轻质土的体积流速、压力、温度、流型、气体含量、气泡尺寸分布等参数。
所述装置主体由以下部分组成：1)水泥浆流监测系统①由检测管(1)、流量计(2)、压力检测器(3)温度检测器(4)和密度检测器(5)组成；2)泡沫流监测系统②由检测管(6)、流量计(7)、压力检测器(8)、温度检测器(9)和气-液相含率检测器(10)组成；3)泡沫轻质土流监测系统③由一组或多组泡沫轻质土流检测器④组成，一组泡沫轻质土流检测器由检测管(11)、流量计(12)、压力检测器(13)、温度检测器(14)、流型检测器(15)、气-液相含率检测器(16)、气泡分布检测器(17)组成；4)数据传输及处理系统⑤由信号处理器(18)、pc终端(19)组成。
所述装置的水泥浆流监测系统①，检测管(1)安装在供浆管路与泡沫轻质土混合器之间，检测管(1)内径与供浆管路内径相同，沿流动方向依次安装流量计(2)、压力检测器(3)温度检测器(4)和密度检测器(5)；流量计(2)为电磁流量计；压力检测器(3)由陶瓷压力传感器和变送器组成；温度检测器(4)为热电偶式温度传感器或热电阻式温度传感器；密度检测器(5)为音叉密度计，采用缩进式安装与检测管(1)内。
所述装置的泡沫流监测系统②，检测管(6)安装在供泡管路与泡沫轻质土混合器之间，检测管(6)内径与供泡管路内径相同，沿流动方向依次安装流量计(7)、压力检测器(8)温度检测器(9)和气-液相含率检测器(10)；流量计(7)为涡轮流量计；压力检测器(8)由陶瓷压力传感器和变送器组成；温度检测器(9)为热电偶式温度传感器或热电阻式温度传感器；气-液相含率检测器(10)为径向结构的两电极非接触电阻抗传感器。
所述装置的泡沫轻质土流检测器④，检测管(11)可安装在泡沫轻质土输送管路的任意位置，检测管(11)内径与泡沫轻质土输送管路内径相同，沿流动方向依次安装流量计(12)、压力检测器(13)、温度检测器(14)、流型检测器(15)、气-液相含率检测器(16)、气泡分布检测器(17)；流量计(12)为插入式涡轮流量计；压力检测器(13)由陶瓷压力传感器和变送器组成；温度检测器(14)为热电偶式温度传感器或热电阻式温度传感器；流型检测器(15)由多个钢化玻璃板直通管道视镜组成，管道视镜以一定径向间距分布在管道不同轴向位置，可观察管路内泡沫轻质土与气体的界面位置并具有较高的耐压等级；气-液相含率检测器(16)为轴向结构的多电极非接触电阻抗传感器，气泡分布检测器(17)为阵列式电导探针传感器。
所述装置的数据传输及处理系统⑤，信号处理器组(18)可同时对各传感器信号分别进行处理；pc终端(19)接收处理后的信号后，可对信号进行记录、转换、计算并显示供浆管路内水泥浆的体积流速、压力、温度、水胶比和供泡管路内泡沫流的体积流速、压力、温度、泡沫密度以及泵送管路内泡沫轻质土的体积流速、压力、温度、流型、湿密度、气泡尺寸分布等参数。
所述装置可根据供浆管路内水泥浆的体积流速、密度和供泡管路内泡沫流的体积流速、压力、泡沫密度计算泡沫轻质土理论湿密度和体积流速，并通过泵送管路内泡沫轻质土的体积流速、压力、温度、流型、湿密度、气泡尺寸分布等参数考察泡沫轻质土在泵送过程中的稳定性。同时可考察在供浆管路内水泥浆状态的变化或供泡管路内泡沫流状态的变化对泵送管路内泡沫轻质土流动状态的影响。
本发明的优点在于：(1)检测参数及时、全面、可靠；(2)根据不同物料的特性针对性的选择检测器，数据准确性高，对物料流的干扰小；(3)装置整合度高，安装方法简单、快捷。
附图说明：
图1为本发明的装置示意图。
图中：1-数据线2-流量计3-压力检测器4-温度检测器5-密度检测器6-流量计7-压力检测器8-温度检测器9-气-液相含率检测器10-流量计11-压力检测器12-温度检测器13-流型检测器14-气-液相含率检测器15-气泡分布检测器16-水泥浆流监测系统17-泡沫流监测系统18-泡沫轻质土流监测系统19-泡沫轻质土混合器20-数据传输及处理系统21-供浆管道22-供泡管路23-泡沫轻质土输送管路
具体实施方式:
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以互相组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
如图1所示，一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，将水泥浆流监测系统①安装在供浆管路末端，另一端与泡沫轻质土混合器相连，将泡沫流监测系统②安装在供泡管路末端，另一端与泡沫轻质土混合器相连，将泡沫轻质土流检测器④安装在距泡沫轻质土混合器出口15米处的泵送管路内，泵送管路总长20米，最后将各个检测器与数据传输及处理系统相连，打开测试软件进行测试。
测试时，预先制备1m3水胶比为0.5的水泥净浆，按照操作流程，依次开启供泡系统和供浆系统，待泵送管路出口处得到稳定的泡沫轻质土流后，开始记录测试装置的传感器读数，同时在出口处取泡沫轻质土样品检测其湿密度。在连续测试中，通过水泥浆泵变频器，每10min提高一次供浆系统中供浆泵频率，以提高泡沫轻质土湿密度。每次提高频率后，待传感器数值稳定后，取泡沫轻质土样品进行，用容量法进行湿密度测试，并与传感器所得数据进行比对，数据如下表所示：
表1供浆泵频率对泵送管道内泡沫轻质土的状态的影响
从表1的数据可以看出：随着供浆泵的频率提高，供浆管内水泥浆流量增大，管内压力增高，所制得的泡沫轻质土实际湿密度逐渐增大。而通过泡沫轻质土检测器-1采集的泡沫轻质土流信号，经计算得出的湿密度值与容量法测得的湿密度相近，误差不超过1.5％，说明本发明装置可以准确地检测泵送管路内泡沫轻质土的状态。
实施例2
如图1所示，一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，将水泥浆流监测系统①安装在供浆管路末端，另一端与泡沫轻质土混合器相连，将泡沫流监测系统②安装在供泡管路末端，另一端与泡沫轻质土混合器相连，将泡沫轻质土流检测器④安装在距泡沫轻质土混合器出口15米处的泵送管路内，泵送管路总长20米，最后将各个检测器与数据传输及处理系统相连，打开测试软件进行测试。
测试时，预先制备1m3水胶比为0.5的水泥净浆，按照操作流程，依次开启供泡系统和供浆系统，待泵送管路出口处得到稳定的泡沫轻质土流后，开始记录测试装置的传感器读数，同时在出口处取泡沫轻质土样品检测其湿密度。在连续测试中，通过变频器，每10min降低一次供泡系统中发泡剂泵的频率，以降低泡沫轻质土稳定性。每次降低频率后，待传感器数值稳定后，取泡沫轻质土样品进行，用容量法进行湿密度测试，并与传感器所得数据进行比对，数据如下表所示：
表2发泡剂泵频率对泵送管道内泡沫轻质土的状态的影响
从表2的数据可以看出：当频率降低到23hz后，发泡剂稀释倍率达到60倍时，出口处泡沫轻质土密度大幅增加，通过泡沫轻质土检测器-1采集的泡沫轻质土流信号可以看出，当稀释倍率达到60倍时，泵送管路内泡沫轻质土流型发生变化，说明泡沫稳定性发生大幅下降，管路内气体无法均匀分散在水泥浆内，导致流量、压力、气相含率、气泡平均直径和分布系数产生较大波动，说明本发明装置可以准确地检测泵送管路内泡沫轻质土的状态，可用于评价发泡剂的稳泡性能。
对比例1
如图1所示，一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，在不使用水泥浆流监测系统①的情况下将泡沫流监测系统②安装在供泡管路末端，另一端与泡沫轻质土混合器相连，将泡沫轻质土流检测器④安装在距泡沫轻质土混合器出口15米处的泵送管路内，泵送管路总长20米，最后将各个检测器与数据传输及处理系统相连，打开测试软件进行测试。
测试时，依次用预先制备水胶比为0.50、0.52、0.55、0.60、0.65的水泥净浆各0.5m3制备泡沫轻质土，按照操作流程，依次开启供泡系统和供浆系统，待泵送管路出口处得到稳定的泡沫轻质土流后，开始记录测试装置的传感器读数，同时在出口处取泡沫轻质土样品检测其湿密度。待传感器数值稳定后，取泡沫轻质土样品进行，用容量法进行湿密度测试，并与传感器所得数据进行比对，数据如下表所示：
表3水胶比对泵送管道内泡沫轻质土的状态的影响
从表3的数据可以看出：随着水胶比提高，水泥浆密度逐渐降低，所制得的泡沫轻质土实际湿密度逐渐降低。而通过在缺少供浆管路内水泥浆参数的情况下，泡沫轻质土检测器采集的泡沫轻质土流信号，经计算得出的湿密度值与容量法测得的湿密度相差较大，不能准确地检测泵送管路内泡沫轻质土的状态，说明本发明的装置中水泥浆检测器是保证准确检测泵送管路内泡沫轻质土流动状态的必要装置。
对比例2
如图1所示，一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，在不使用泡沫流监测系统②的情况下将水泥浆流监测系统①安装在供泡管路末端，另一端与泡沫轻质土混合器相连，将泡沫轻质土流检测器④安装在距泡沫轻质土混合器出口15米处的泵送管路内，泵送管路总长20米，最后将各个检测器与数据传输及处理系统相连，打开测试软件进行测试。
测试时，预先制备1m3水胶比为0.5的水泥净浆，按照操作流程，依次开启供泡系统和供浆系统，待泵送管路出口处得到稳定的泡沫轻质土流后，开始记录测试装置的传感器读数，同时在出口处取泡沫轻质土样品检测其湿密度。在连续测试中，通过稀释水泵变频器，每10min降低一次供泡系统中稀释水泵频率，以降低泡沫密度，测试3种不同稀释水泵频率制得的泡沫轻质土后，恢复稀释水泵频率至初始值，然后每10min降低一次供泡系统中发泡剂泵频率，以降低泡沫稳定性。每次降低频率后，待传感器数值稳定后，取泡沫轻质土样品进行，用容量法进行湿密度测试，并与传感器所得数据进行比对，数据如下表所示：
表4稀释水流量和发泡剂流量对泵送管道内泡沫轻质土的状态的影响
表4的数据可以看出：随着稀释水泵频率或发泡剂泵频率的下降，泡沫轻质土稳定性均大幅下降，出口湿密度大幅增大。而通过在缺少供泡管路内泡沫流参数的情况下，无法仅通过泡沫轻质土检测器采集的泡沫轻质土流信号，判断引起泡沫轻质土稳定性降低的原因，说明本发明的装置中泡沫流检测器是保证检测泵送管路内泡沫轻质土流动状态是可溯源的必要装置。
在本说明书的描述中，若出现术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，其特征在于：适用于自动化的现浇泡沫轻质土生产设备，可实时监测供浆管路内水泥浆的体积流速、压力、温度、水胶比和供泡管路内泡沫流的体积流速、压力、气体含量以及泵送管路内泡沫轻质土的体积流速、压力、温度、流型、气体含量、气泡尺寸分布等参数。
2.根据权利要求1所述的一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，其特征在于：所述装置由以下部分组成：1)水泥浆流监测系统①由检测管(1)、流量计(2)、压力检测器(3)温度检测器(4)和密度检测器(5)组成；2)泡沫流监测系统②由检测管(6)、流量计(7)、压力检测器(8)、温度检测器(9)和气-液相含率检测器(10)组成；3)泡沫轻质土流监测系统③由一组或多组泡沫轻质土流检测器④组成，一组泡沫轻质土流检测器由检测管(11)、流量计(12)、压力检测器(13)、温度检测器(14)、流型检测器(15)、气-液相含率检测器(16)、气泡分布检测器(17)组成；4)数据传输及处理系统⑤由信号处理器(18)、pc终端(19)组成。
3.根据权利要求1所述的一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，其特征在于：在所述装置的水泥浆流监测系统①，检测管(1)安装在供浆管路与泡沫轻质土混合器之间，检测管(1)内径与供浆管路内径相同，沿流动方向依次安装流量计(2)、压力检测器(3)温度检测器(4)和密度检测器(5)；流量计(2)为电磁流量计；压力检测器(3)由陶瓷压力传感器和变送器组成；温度检测器(4)为热电偶式温度传感器或热电阻式温度传感器；密度检测器(5)为音叉密度计，采用缩进式安装与检测管(1)内。
4.根据权利要求1所述的一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，其特征在于：在所述装置的泡沫流监测系统②，检测管(6)安装在供泡管路与泡沫轻质土混合器之间，检测管(6)内径与供泡管路内径相同，沿流动方向依次安装流量计(7)、压力检测器(8)温度检测器(9)和气-液相含率检测器(10)；流量计(7)为涡轮流量计；压力检测器(8)由陶瓷压力传感器和变送器组成；温度检测器(9)为热电偶式温度传感器或热电阻式温度传感器；气-液相含率检测器(10)为径向结构的两电极非接触电阻抗传感器。
5.根据权利要求1所述的一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，其特征在于：在所述装置的泡沫轻质土流检测器④，检测管(11)可安装在泡沫轻质土输送管路的任意位置，检测管(11)内径与泡沫轻质土输送管路内径相同，沿流动方向依次安装流量计(12)、压力检测器(13)、温度检测器(14)、流型检测器(15)、气-液相含率检测器(16)、气泡分布检测器(17)；流量计(12)为插入式涡轮流量计；压力检测器(13)由陶瓷压力传感器和变送器组成；温度检测器(14)为热电偶式温度传感器或热电阻式温度传感器；流型检测器(15)由多个钢化玻璃板直通管道视镜组成，管道视镜以一定径向间距分布在管道不同轴向位置，可观察管路内泡沫轻质土与气体的界面位置并具有较高的耐压等级；气-液相含率检测器(16)为轴向结构的多电极非接触电阻抗传感器，气泡分布检测器(17)为阵列式电导探针传感器。
6.根据权利要求1所述的一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，其特征在于：在所述装置的数据传输及处理系统⑤，信号处理器组(18)可同时对各传感器信号分别进行处理；pc终端(19)接收处理后的信号后，可对信号进行记录、转换、计算并显示供浆管路内水泥浆的体积流速、压力、温度、水胶比和供泡管路内泡沫流的体积流速、压力、温度、泡沫密度以及泵送管路内泡沫轻质土的体积流速、压力、温度、流型、湿密度、气泡尺寸分布等参数。
7.根据权利要求1所述的一种测试泵送管路内泡沫轻质土流动状态的装置，其特征在于：根据供浆管路内水泥浆的体积流速、密度和供泡管路内泡沫流的体积流速、压力、泡沫密度计算泡沫轻质土理论湿密度和体积流速，并通过泵送管路内泡沫轻质土的体积流速、压力、温度、流型、湿密度、气泡尺寸分布等参数考察泡沫轻质土在泵送过程中的稳定性。同时可考察在供浆管路内水泥浆状态的变化或供泡管路内泡沫流状态的变化对泵送管路内泡沫轻质土状态的影响。
技术总结