围压控制系统及其控制方法
阅读说明：本技术 围压控制系统及其控制方法 (Confining pressure control system and control method thereof ) 是由 张泽天 谢和平 张茹 陈领 高明忠 张志龙 李怡航 杨阳 李佳南 黄伟 任利 于 2021-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了围压控制系统及其控制方法,通过产生压力将高压油送入油缸,同时对压力进行测量,在压力不足时可通过蓄能器释放能量维持压力,实现了压力的产生与测量,适用于岩样的围压模拟实验。本发明构建了压力测量仪的电路,通过采用型号为PTH702H的压力传感器,从而实现高压力测量,并且设置有显示屏,可以实用显示压力。本发明设置有无线通讯电路,可以将数据传输至其他设备。本发明能够持续产生高压油,将高压油送入油缸以对岩样施加压力,模拟其地下高压的环境,实现了对岩样的围压测量。(The invention discloses a confining pressure control system and a control method thereof. The pressure measuring instrument circuit is constructed, the pressure sensor with the model of PTH702H is adopted, high pressure measurement is achieved, and the pressure measuring instrument circuit is provided with the display screen and can display pressure practically. The wireless communication circuit is arranged, and data can be transmitted to other equipment. The invention can continuously generate high-pressure oil, and the high-pressure oil is sent into the oil cylinder to apply pressure to the rock sample, so that the underground high-pressure environment is simulated, and the confining pressure measurement of the rock sample is realized.)
技术领域
本发明属于地质学与电力电子领域，具体涉及围压控制系统及其控制方法。
背景技术
赋存于地层中的岩体，尤其是深部岩层中的天然岩体，由于受到重力、板块运动及地壳收缩等因素的影响，岩体内部应力水平很高，呈现高地应力现象。岩体所处的应力环境(实验室通常使用围压进行模拟)直接影响了岩石自身物理力学性质、岩石破碎/破坏机制等，以及影响了开挖装置的破岩载荷特性、破岩效率和使用寿命等；因此，在实验室开展岩石力学行为测试时必须考虑天然应力环境的模拟及其影响。岩体在单轴应力条件下(即实验室无围压测试环境)表现出的特性与深部地层高围压及浅表地层中低围压应力条件下天然岩体表现出的特性截然不同，原位应力环境下岩体力学特性是大型地下洞室稳定性分析与工程设计的必要信息之一，对于深部高应力地下工程的安全评价与灾害防治尤为重要。因此，在研究与岩体应力息息相关的岩石力学与岩土工程学问题时，尤其是涉及诸如大埋深隧道环境下TBM(硬岩掘进机)掘进刀具破岩机理、深部煤炭巷道下掘锚机截割头煤岩开挖机理、局部地质构造高应力特殊深地工程的钻爆法施工等深部岩层的研究领域时，需要在研究过程中考虑到岩体围压作用，并应在相应的试验中模拟出岩体围压的真实状态。
参考当前现有的两轴岩石物理力学性能测试试验机的围压模拟原理，理论上可采用一对液压缸对顶的方式为岩石试样块施加侧向围压，但是其需要额外购置液压泵站等辅助设备和高精度伺服油缸，因此具有结构复杂、成本昂贵和难以维持的局限性，且很多围压模拟装置均没有围压测量的机构，不能实时反映围压大小。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的围压控制系统及其控制方法实现了深部高地应力环境的模拟实验，并以电子传感器来测量围压，以测量的围压压力为基础来调控围压压力，其解决了现有技术中围压控制系统结构复杂和成本昂贵的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种围压控制系统，包括液压泵，所述液压泵与外部油箱连接，且连接至电磁换向阀中第一管路的一端P和溢流阀的输入端，所述溢流阀的输出端连接至油箱，所述电磁换向阀中第一管路的另一端A分别与第一液控单向阀的进液口、增压器换向阀的管路一端和第二液控单向阀的进液口连接，所述第二液控单向阀的出液口连接至油缸，所述第二液控单向阀与油缸的连接管路上设置有蓄能器和压力测量仪，所述第一液控单向阀的出液口分别与第三液控单向阀的进液口和增压缸的顶部连接，所述增压缸的底部与增压器换向阀的管路另一端连接，所述增压缸的中部连接至增压器换向阀的阀芯和第四液控单向阀的进液口，所述第四液控单向阀的出液口与电磁换向阀中第二管路的一端B连接，所述电磁换向阀中第二管路的另一端T连接至外部油箱，所述第三液控单向阀的出液口连接至油缸。
进一步地，所述压力测量仪包括压力传感器U4、AD转换模块、单片机模块、显示模块和无线通信模块，所述压力传感器与AD转换模块连接，所述单片机模块分别与AD转换模块、显示模块和无线通信模块连接。
进一步地，所述压力传感器U4所采用的型号为PTH702H，所述压力传感器U4的第1引脚与+24V电压连接。
进一步地，所述AD转换模块包括型号为TCL549CD的AD转换芯片U3，所述AD转换芯片U3的REF+引脚与其VCC引脚均与+5V电压连接，所述AD转换芯片U3的REF-引脚和GND引脚接地，所述AD转换芯片U3的ANLG IN引脚与压力传感器U4的第3引脚连接。
进一步地，所述单片机模块包括型号为AT89S51的单片机U1，所述单片机U1的XTAL1引脚分别与晶振X1的一端和接地电容C2连接，所述单片机U1的XTAL2引脚分别与晶振X1和接地电容C3连接，所述单片机U1的RST引脚分别与电阻R1的一端、接地电容C1和接地开关K1连接，所述电阻R1的另一端与+5V电压邻接，所述单片机U1的P1.0引脚与AD转换芯片U3的CLK引脚连接，所述单片机U1的P1.1引脚与AD转换芯片U3的DO引脚连接，所述单片机U1的P1.2引脚与AD转换芯片U3的CS引脚连接。
进一步地，所述显示模块包括型号为LM1602的显示屏LCD1，所述显示屏LCD1的VSS引脚与+5V电压连接，所述显示屏LCD1的VDD引脚接地，所述显示屏LCD1的VEE引脚与滑动电阻RV1的滑动端连接，所述滑动电阻RV1的第一不动端接地，所述滑动电阻RV1第二不动端与+5V电压连接，所述显示屏LCD1的RS引脚、RW引脚和E引脚与单片机U1的P2.0引脚、P2.1引脚和P2.2引脚一一对应连接，所述显示屏LCD1的D0至D7引脚分别与排阻RP1的第2引脚至第9引脚一一对应连接，所述排阻RP1的第2引脚至第9引脚分别与单片机P0.0至P0.7引脚一一对应连接，所述排阻RP1的第1引脚与+5V电压连接。
进一步地，所述无线通信模块包括型号为NRF24L01+的无线通讯集成板U2，所述无线通讯集成板U2的CE引脚、CSN引脚、SCK引脚、MOSI引脚、MISO引脚、IRQ引脚分别与单片机U1的P3.0至P3.5一一对应连接，所述无线通讯集成板U2的VCC引脚与+3.3V电压连接，所述无线通讯集成板U2的GND引脚接地。
本发明的有益效果为：
(1)本发明构建了一种围压控制系统，可以通过产生压力，从而将高压油送入油缸，使油缸中存在较大的压力，同时测量压力，在压力不足时可通过蓄能器释放能量，维持大压力。
(2)本发明构建了压力测量仪的电路，通过采用型号为PTH702H的压力传感器，从而实现高压力测量，并且设置有显示屏，可以实用显示压力。
(3)本发明设置有无线通讯电路，可以将数据传输至其他设备。
(4)本发明的液压泵能够持续产生高压流体，作用在样品上产生高压，实现深地原位高压环境的模拟。
一种围压控制方法，包括以下步骤：
S1、将岩样放入至油缸中，使用PLC编程控制器作为所述围压控制系统的控制器，令电磁换向阀的导通方向为液压泵至第二液控单向阀以及增压器换向阀的初始导通方向为增压缸至电磁换向阀；
S2、通过PLC编程控制器控制液压泵工作，将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀，令油液依次经过通过第二液控单向阀、蓄能器和压力测量仪到达油缸；
S3、判断第二液控单向阀是否自动关闭，若是，则进入步骤S4，否则继续判断直至第二液控单向阀自动关闭，并进入步骤S4；
S4、将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀，令油液通过第一液控单向阀进入达到增压缸中顶部活塞HP，推动顶部活塞HP以及底部活塞LP直至增压缸的底部；
S5、通过油液带动增压器换向阀的阀芯向下运动至增压器换向阀换向，令油液从电磁换向阀达到增压缸底部，推动顶部活塞HP以及底部活塞LP向上运动，输出高压油；
S6、令高压油依次通过第三液控单向阀、蓄能器和压力测量仪到达油缸，并通过压力测量仪实时测量围压，并根据围压测量结果实时调整压力，完成应用于保真舱的围压控制。
进一步地，所述围压测量时，通过蓄能器蓄能，在压力测量仪测量压力小于设定阈值时，将蓄能器的能量释放以保障压力不会下降；
所述围压测量结束后，关闭液压泵，令电磁换向阀的导通方向为第二液控单向阀至液压泵，第四液控单向阀导通，令系统中残余油液依次通过第四液控单向阀和电磁换向阀回流至外部油箱。
本发明的有益效果为：
(1)本发明能够持续产生高压油，将高压油送入油缸以对岩样施加压力，模拟其地下高压的环境，实现了对岩样的围压测量。
(2)本发明在围压测量结束后，可将增压系统中存在的残留油液回流至外部油箱中。
附图说明
图1为本发明提出的一种围压控制系统示意图。
图2为本发明提出的压力测试仪的示意图。
图3为本发明提出的压力测试仪的电路图。
图4为本发明提出的一种围压控制方法流程图。
其中：1-液压泵、2-电磁换向阀、3-溢流阀、4-增压器换向阀、5-增压缸、6-第一液控单向阀、7-第二液控单向阀、8-第三液控单向阀、9-蓄能器、10-压力测量仪、11-油缸、12-第四液控单向阀；
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
下面结合附图详细说明本发明的实施例。
如图1所示，一种围压控制系统，包括液压泵1，所述液压泵1与外部油箱连接，且连接至电磁换向阀2中第一管路的一端P和溢流阀3的输入端，所述溢流阀3的输出端连接至油箱，所述电磁换向阀2中第一管路的另一端A分别与第一液控单向阀6的进液口、增压器换向阀4的管路一端和第二液控单向阀7的进液口连接，所述第二液控单向阀7的出液口连接至油缸11，所述第二液控单向阀7与油缸11的连接管路上设置有蓄能器9和压力测量仪10，所述第一液控单向阀6的出液口分别与第三液控单向阀8的进液口和增压缸5的顶部连接，所述增压缸5的底部与增压器换向阀4的管路另一端连接，所述增压缸5的中部连接至增压器换向阀4的阀芯和第四液控单向阀12的进液口，所述第四液控单向阀12的出液口与电磁换向阀2中第二管路的一端B连接，所述电磁换向阀2中第二管路的另一端T连接至外部油箱，所述第三液控单向阀8的出液口连接至油缸11。
如图2所示，所述压力测量仪10包括压力传感器U4、AD转换模块、单片机模块、显示模块和无线通信模块，所述压力传感器与AD转换模块连接，所述单片机模块分别与AD转换模块、显示模块和无线通信模块连接。
在本实施例中，压力测量仪10可采用BST-TGY-7.0G。
如图3所示，所述压力传感器U4所采用的型号为PTH702H，所述压力传感器U4的第1引脚与+24V电压连接。
所述AD转换模块包括型号为TCL549CD的AD转换芯片U3，所述AD转换芯片U3的REF+引脚与其VCC引脚均与+5V电压连接，所述AD转换芯片U3的REF-引脚和GND引脚接地，所述AD转换芯片U3的ANLG IN引脚与压力传感器U4的第3引脚连接。
所述单片机模块包括型号为AT89S51的单片机U1，所述单片机U1的XTAL1引脚分别与晶振X1的一端和接地电容C2连接，所述单片机U1的XTAL2引脚分别与晶振X1和接地电容C3连接，所述单片机U1的RST引脚分别与电阻R1的一端、接地电容C1和接地开关K1连接，所述电阻R1的另一端与+5V电压邻接，所述单片机U1的P1.0引脚与AD转换芯片U3的CLK引脚连接，所述单片机U1的P1.1引脚与AD转换芯片U3的DO引脚连接，所述单片机U1的P1.2引脚与AD转换芯片U3的CS引脚连接。
所述显示模块包括型号为LM1602的显示屏LCD1，所述显示屏LCD1的VSS引脚与+5V电压连接，所述显示屏LCD1的VDD引脚接地，所述显示屏LCD1的VEE引脚与滑动电阻RV1的滑动端连接，所述滑动电阻RV1的第一不动端接地，所述滑动电阻RV1第二不动端与+5V电压连接，所述显示屏LCD1的RS引脚、RW引脚和E引脚与单片机U1的P2.0引脚、P2.1引脚和P2.2引脚一一对应连接，所述显示屏LCD1的D0至D7引脚分别与排阻RP1的第2引脚至第9引脚一一对应连接，所述排阻RP1的第2引脚至第9引脚分别与单片机P0.0至P0.7引脚一一对应连接，所述排阻RP1的第1引脚与+5V电压连接。
所述无线通信模块包括型号为NRF24L01+的无线通讯集成板U2，所述无线通讯集成板U2的CE引脚、CSN引脚、SCK引脚、MOSI引脚、MISO引脚、IRQ引脚分别与单片机U1的P3.0至P3.5一一对应连接，所述无线通讯集成板U2的VCC引脚与+3.3V电压连接，所述无线通讯集成板U2的GND引脚接地。
在本实施例中，压力传感器U4测量压力，得到模拟信号，模拟信号经过AD转换模块转换为数字信号，将数字信号传输至单片机模块进行处理，得到压力值，并将压力值通过显示屏显示以及通过无线通信模块传输至计算机设备。
如图4所示，一种围压控制方法，包括以下步骤：
S1、将岩样放入至油缸中，使用PLC编程控制器作为所述围压控制系统的控制器，令电磁换向阀2的导通方向为液压泵1至第二液控单向阀7以及增压器换向阀4的初始导通方向为增压缸5至电磁换向阀2；
S2、通过PLC编程控制器控制液压泵1工作，将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀2，令油液依次经过通过第二液控单向阀7、蓄能器9和压力测量仪10到达油缸11；
S3、判断第二液控单向阀7是否自动关闭，若是，则进入步骤S4，否则继续判断直至第二液控单向阀7自动关闭，并进入步骤S4；
S4、将外部油箱中的油液抽向电磁换向阀2，令油液通过第一液控单向阀6进入达到增压缸5中顶部活塞HP，推动顶部活塞HP以及底部活塞LP直至增压缸5的底部；
S5、通过油液带动增压器换向阀4的阀芯向下运动至增压器换向阀4换向，令油液从电磁换向阀2达到增压缸5底部，推动顶部活塞HP以及底部活塞LP向上运动，输出高压油；
S6、令高压油依次通过第三液控单向阀8、蓄能器9和压力测量仪10到达油缸11，并通过压力测量仪10实时测量围压，并根据围压测量结果实时调整压力，完成应用于保真舱的围压控制。
在本实施例中，所产的压力为140MPa。
所述围压测量时，通过蓄能器9蓄能，在压力测量仪10测量压力小于设定阈值时，将蓄能器9的能量释放以保障压力不会下降；
所述围压测量结束后，关闭液压泵1，令电磁换向阀2的导通方向为第二液控单向阀7至液压泵1，第四液控单向阀12导通，令系统中残余油液依次通过第四液控单向阀12和电磁换向阀2回流至外部油箱。
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