一种用于地下工程透水事故多信息监测钻孔安装式传感器

技术领域

本发明涉及岩土工程监测技术领域，尤其涉及一种用于地下工程透水事故多信息监测钻孔安装式传感器。

背景技术

地下工程(金属矿、煤矿、隧道工程、水利工程等)面临复杂的地质条件，地下含水层或储水结构在开采(开挖)扰动下极易发生破坏，所诱发的透水事故往往造成较大的人员伤亡和经济损失，严重影响工程的正常施工。因此，开展地下工程透水事故孕育过程的相关透水信息监测，获得透水事故前兆信息演化规律，可为地下工程透水灾害的救灾决策提供重要的技术支撑。

地下工程透水事故在孕育过程中，往往伴随着岩体内渗透压(水压)、水温变化、离子浓度升高等一系列前兆。现有技术中也出现了一些专利进行上述三项指标的监测，如专利号为CN113465812A的一种电感式水压传感器，实现了对管道内水压的监测功能；专利号为CN102445282A的一种水温传感器，实现了对水温监测的功能；专利号为CN111024911A的一种水质组合传感器，实现了对水质信息的监测功能。

以上现有传感器主要针对单一水文信息进行监测。如果要实现渗透压、水温、离子浓度等透水多源信息监测，需要布置较多的传感器，必然会增加现场安装工作量。同时，较多的传感器布线复杂，容易受现场施工而损坏，造成信息监测的不连续性，进而影响对多源前兆信息的系统分析。因此，研发透水前兆信息集成监测传感器具有必要性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于地下工程透水事故多信息监测钻孔安装式传感器，实现对岩体裂隙中的水进行水压、水温和离子浓度的监测，并可实现单一传感器兼具水压、水温和离子浓度的集成监测功能。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种用于地下工程透水事故多信息监测钻孔安装式传感器，包括处理器、信号传输线缆、传感器外壳、安装在外壳内的传感器元件组；所述外壳一端设置防砂网，能够使液体流入外壳内，在外壳内形成液体通道；所述传感器元件组中各传感器元件分别通过对应的模拟信号线缆与信号传输线缆连接，将传感器元件组采集的模拟信号传输至处理器。

优选地，所述信号传输线缆通过线缆密封装置接入传感器外壳内，一端与处理器连接，另一端分别通过模拟信号线缆与外壳内的传感器元件组中的各传感器元件连接。

优选地，所述传感器元件组包括水压力传感元件、铂电阻温度传感元件、离子浓度传感元件；所述铂电阻温度传感元件和离子浓度传感元件分别安装在外壳内壁两侧；所述水压力传感元件安装在铂电阻温度传感元件和离子浓度传感元件中间；与传感器元件组中各传感器元件对应的模拟信号线缆分别为压力模拟信号线缆、温度模拟信号线缆和离子浓度模拟信号线缆。

优选地，所述外壳内壁还设置有支撑架，对外壳进行支撑，用于保护外壳内的传感器元件。

优选地，所述用于地下工程透水事故多信息监测钻孔安装式传感器还包括密封垫；所述密封垫一侧与水压力传感元件连接，另一侧与防砂网连接。

优选地，所述外壳内壁与三个传感元件之间采用硅胶充填，并在外壳设置有防砂网的一端保留空腔，用于实现各传感元件的探头与水接触；外壳采用耐腐蚀高强度金属材质。

优选地，所述处理器包括信号接收模块、信号转换模块、微处理器模块和输出模块；所述信号接收模块接收传感器元件组采集的信号，并传输至信号转换模块，信号转换模块将获取到的水温、水压力和离子浓度信号通过A/D信号转换，将模拟信号转换为数字信号；微处理器模块将输入的数字信号处理后传输至输出模块，输出模块将数据传输到远程控制中心或者其他监控设备上，并输出温度值、水压力值和离子浓度值，实现技术人员的远程在线监测。

优选地，所述处理器的信号接收模块包括接线板以及与接线板连接的温度变送器、压力变送器和离子浓度变送器；温度变送器通过温度模拟信号线缆与铂电阻温度传感元件连接在一起，压力变送器通过压力模拟信号线缆与水压力传感元件连接在一起，离子浓度传感元件通过离子浓度模拟信号线缆与离子浓度传感元件连接在一起；各变送器将各自传感元件采集到的模拟值，通过接线板传输到信号转换模块；所述接线板与信号转换模块连接，信号转换模块将铂电阻温度传感元件测量到的温度在量程范围内直接输出与温度呈线性的4～20mA直流信号，将水压力传感元件测量到的压力信号转换为4～20mA的直流信号，将离子浓度传感元件测量到的离子浓度值转换为4～20mA直流信号；所述微处理器模块对数据进行存储和处理，将采集到的数据与设置的报警阈值进行对比，判断是否进行报警；所述输出器模块与微处理器模块连接，输出模块将信号转换模块转换得到的直流信号输出。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种用于地下工程透水事故多信息监测钻孔安装式传感器，将传统的水温传感器、水压力传感器和离子浓度传感器合为一体，同时具备上述三种传感器的所有功能。各传感元件直接与水接触，保证了测量的精度。采用钻孔式安装，可对岩体中的水文信息进行实时监测，提前发现异常信息。同时对获取到的多源信息进行协同分析，可以对透水事故的发生做出预判，从而减少人员伤亡和经济损失。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于地下工程透水事故多信息监测钻孔安装式传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的处理器的工作原理图；

图3为本发明实施例提供的处理器的信号输入端接线示意图。

图中：1、防砂网；2、密封垫；3、液体通道；4、传感器外壳；5、压力模拟信号线缆；6、铂电阻温度传感元件；7、离子浓度传感元件；8、支撑架；9、充填硅胶；10、离子浓度模拟信号线缆；11、线缆密封装置；12、信号线缆；13、处理器；14、水压力传感元件；15、温度模拟信号线缆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例中，一种用于地下工程透水事故多信息监测钻孔安装式传感器，如图1所示，包括处理器13、信号传输线缆12、传感器外壳4、安装在外壳内的传感器元件组；传感器外壳一端设置防砂网1，能够使液体流入外壳4内，在外壳4内形成液体通道3；传感器元件组中各传感器元件分别通过对应的模拟信号线缆与信号传输线缆12连接，将传感器元件组采集的模拟信号传输至处理器13。传感器外壳4内壁还设置有支撑架8，对外壳进行支撑，用于保护外壳内的传感器元件。本实施例中，支撑架8与传感器外壳4通过翻边工艺连接在一起。处理器与传感器元件组中各传感元件顶端在线缆密封装置11的保护下通过传输信号线缆12连接在一起。

本实施例中，信号传输线缆通过线缆密封装置11接入传感器外壳4内，一端与处理器13连接，另一端分别通过模拟信号线缆与外壳内的传感器元件组中的各传感器元件连接。

本实施例中，传感器元件组包括水压力传感元件14、铂电阻温度传感元件6和离子浓度传感元件7；铂电阻温度传感元件6和离子浓度传感元件7分别安装在传感器外壳4内壁两侧；水压力传感元件14安装在铂电阻温度传感元件6和离子浓度传感元件7中间；外壳内壁与三个传感元件之间采用硅胶9充填，并在外壳设置有防砂网的一端保留空腔，用于实现各传感元件的探头与水接触；外壳采用耐腐蚀高强度金属材质。与传感器元件组中各传感器元件对应的模拟信号线缆分别为压力模拟信号线缆5、温度模拟信号线缆15和离子浓度模拟信号线缆10。

本实施例中，地下水经过防砂网1进入液体通道3，液体通道中的水分别与铂电阻温度传感元件6、水压传感元件14和离子浓度传感元件7接触，各传感元件将获得的模拟信号通过各自模拟信号线缆传输到信号线缆12，再由信号线缆12传输到处理器13，从而在电脑终端输出水温值、水压力值和离子浓度值。

本发明将传统的水温传感器、水压力传感器和离子浓度传感器合为一体，同时具备上述三种传感器的所有功能。可以对液体的压力、温度和离子浓度同时进行测量，也可以根据现场情况选择型输出部分测量值。

本实施例中，该钻孔安装式传感器还包括密封垫2，密封垫2一侧与水压力传感元件14连接，另一侧与防砂网1连接。

本实施例中，处理器如图2所示，包括信号接收模块、信号转换模块、微处理器模块和输出模块；信号接收模块接收传感器元件组采集的信号，并传输至信号转换模块，信号转换模块将水压力传感元件14、铂电阻温度传感元件6和离子浓度传感元件7获取到的水温、水压力和离子浓度信号通过A/D信号转换，将模拟信号转换为数字信号；微处理器模块将输入的数字信号处理后传输至输出模块，输出模块将数据传输到远程控制中心或者其他监控设备上，并输出温度值、水压力值和离子浓度值，实现技术人员的远程在线监测。

本实施例中，处理器的信号接收模块如图3所示，包括接线板以及与接线板连接的温度变送器、压力变送器和离子浓度变送器；温度变送器通过温度模拟信号线缆与铂电阻温度传感元件连接在一起，压力变送器通过压力模拟信号线缆与水压力传感元件连接在一起，离子浓度传感元件通过离子浓度模拟信号线缆与离子浓度传感元件连接在一起；各变送器将各自传感元件采集到的模拟值，通过接线板传输到信号转换模块；接线板与信号转换模块连接，信号转换模块将铂电阻温度传感元件测量到的温度在量程范围内直接输出与温度呈线性的4～20mA直流信号，将水压力传感元件测量到的压力信号转换为4～20mA的直流信号，将离子浓度传感元件测量到的离子浓度值转换为4～20mA直流信号；微处理器模块对数据进行存储和处理，将采集到的数据与设置的报警阈值进行对比，判断是否进行报警；所述输出器模块与微处理器模块连接，输出模块将信号转换模块转换得到的直流信号输出。

本发明的传感器内封装有水压力传感元件，采用压阻式的测量原理，具有较高的精度，当外界有压力作用在上面时，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电压输出；铂电阻水温传感元件采用接触式测温法，当金属铂在温度变化时自身电阻值有也随之改变，这种温度传感元件具有准确度和灵敏度较高、输出信号大、测量范围广和稳定性好等优点；离子浓度传感元件具有精度高、稳定性好和免维护等优点，可以实时监测水中的离子浓度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。