自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置论文和设计-王超

全文摘要

本实用新型公开了自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，包括：主体机构、传动机构、发射信号光纤、接收信号光纤和气动涡轮旋转式钻头，主体机构包括微型计算机、显示屏、波形发射器和波形接收器；传动机构包括气泵和传动杆，传动杆的一端与主体机构相连，传动杆上沿长度方向上形成有贯穿的进气通道、回气通道和光纤通道，气泵与进气通道相连，且适于向进气通道内鼓入动力气体；发射信号光纤用于传输发射出的波形信号，接收信号光纤用于传输返回的波形信号；气动涡轮旋转式钻头通过气动涡轮与传动杆的自由端相连，且气动涡轮分别与进气通道和回气通道相连通。该装置具有测量精确度高、可以适用于高温环境，且价格低廉，成本低。

主设计要求

1.一种自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，其特征在于，包括：主体机构，所述主体机构包括微型计算机、显示屏、波形发射器和波形接收器，所述显示屏、波形发射器和波形接收器分别与所述微型计算机相连，所述微型计算机控制所述波形发射器发射波形信号和控制所述波形接收器接收返回的波形信号，并对发射出波形信号的时间和接收到返回的波形信号的时间进行分析，获得物料深度并显示在所述显示屏上；传动机构，所述传动机构包括气泵和传动杆，所述传动杆的一端与所述主体机构相连，所述传动杆上的外层设置有保温层，所述传动杆上沿长度方向上形成有贯穿的进气通道、回气通道和光纤通道，所述气泵与所述进气通道相连，且适于向所述进气通道内鼓入动力气体；发射信号光纤和接收信号光纤，所述发射信号光纤和接收信号光纤设置在所述光纤通道内，且所述发射信号光纤的一端与所述波形发射器相连用于传输发射出的波形信号，所述接收信号光纤与所述波形接收器相连用于传输返回的波形信号；气动涡轮旋转式钻头，所述气动涡轮旋转式钻头通过气动涡轮与所述传动杆的自由端相连，且所述气动涡轮分别与所述进气通道和所述回气通道相连通，并且通过所述动力气体带动所述气动涡轮转动，所述气动涡轮转动带动所述气动涡轮旋转式钻头转动；所述气动涡轮旋转式钻头与所述传动杆之间还设置有密闭滑动轴承，所述气动涡轮旋转式钻头上形成有贯穿的光束进出通道和排污通道，所述光束进出通道与所述光纤通道相连通且适于所述波形信号通过，所述排污通道与所述回气通道相连且适于将所述气动涡轮旋转式钻头工作时产生的废料末排出。

设计方案

1.一种自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，其特征在于，包括：

主体机构，所述主体机构包括微型计算机、显示屏、波形发射器和波形接收器，所述显示屏、波形发射器和波形接收器分别与所述微型计算机相连，所述微型计算机控制所述波形发射器发射波形信号和控制所述波形接收器接收返回的波形信号，并对发射出波形信号的时间和接收到返回的波形信号的时间进行分析，获得物料深度并显示在所述显示屏上；

传动机构，所述传动机构包括气泵和传动杆，所述传动杆的一端与所述主体机构相连，所述传动杆上的外层设置有保温层，所述传动杆上沿长度方向上形成有贯穿的进气通道、回气通道和光纤通道，所述气泵与所述进气通道相连，且适于向所述进气通道内鼓入动力气体；

发射信号光纤和接收信号光纤，所述发射信号光纤和接收信号光纤设置在所述光纤通道内，且所述发射信号光纤的一端与所述波形发射器相连用于传输发射出的波形信号，所述接收信号光纤与所述波形接收器相连用于传输返回的波形信号；

气动涡轮旋转式钻头，所述气动涡轮旋转式钻头通过气动涡轮与所述传动杆的自由端相连，且所述气动涡轮分别与所述进气通道和所述回气通道相连通，并且通过所述动力气体带动所述气动涡轮转动，所述气动涡轮转动带动所述气动涡轮旋转式钻头转动；所述气动涡轮旋转式钻头与所述传动杆之间还设置有密闭滑动轴承，所述气动涡轮旋转式钻头上形成有贯穿的光束进出通道和排污通道，所述光束进出通道与所述光纤通道相连通且适于所述波形信号通过，所述排污通道与所述回气通道相连且适于将所述气动涡轮旋转式钻头工作时产生的废料末排出。

2.根据权利要求1所述的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，其特征在于，所述光纤通道为柔性铠装通道，所述保温层为铠装柔性保护套。

3.根据权利要求1所述的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，其特征在于，所述气动涡轮旋转式钻头的外端面上形成有圆环型排污槽。

4.根据权利要求3所述的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，其特征在于，所述排污槽的截面呈V型，且所述排污槽的外周端与所述气动涡轮旋转式钻头的外侧面重合，所述排污槽的内周端与所述气动涡轮旋转式钻头的轴心重合。

5.根据权利要求4所述的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，其特征在于，所述排污槽的外周端至所述气动涡轮旋转式钻头的内端面的距离不小于所述排污槽的内周端至所述气动涡轮旋转式钻头的内端面的距离。

6.根据权利要求5所述的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，其特征在于，所述排污通道包括多个，多个所述排污通道在所述排污槽的外侧壁上沿周向分布。

7.根据权利要求6所述的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，其特征在于，所述光束进出通道包括多个，多个所述光束进出通道在所述排污槽的内侧壁上沿周向分布。

8.根据权利要求1所述的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，其特征在于，进一步包括：钻头保护固定套，所述钻头保护固定套适于保护和稳固所述气动涡轮旋转式钻头。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于测量物料高度或厚度的测量设备领域，具体而言，本实用新型涉及自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置。

背景技术

随着科技的进步，经济的发展，人民生活水平已经大幅度提高，市政污水处理量同时大幅度提高，产生的污泥量也日益增加。目前对污泥的较为先进的处理方式是污泥热解碳化，最终产品为生物炭。生物炭主要用于园林绿化，土壤改良等，做到了能源的回收利用。

目前污泥热解碳化所用的主要设备是干馏机。干馏机主要是由外保温筒，内加热筒(热传递)和旋转推进设备组成，这些设备主要是由金属制造而成。天然气燃烧产生的烟气将干馏机内筒加热，污泥运输至内加热筒内，通过内筒将热量传递给污泥，将污泥加热，利用引风机将污泥加热后产生的水蒸气蒸发，当桶内污泥温度达到550℃时，生成生物炭。

污泥在干馏机内筒进行加热期间，容易粘附、干化在干馏机内筒壁上，长时间不处理掉这些粘附、干化的污泥，会导致干馏机内筒壁附着厚厚的污泥，这些污泥会严重降低干馏机的热传递效率，造成天然气资源的浪费，严重情况将导致无法正常进行污泥热解碳化的进行。

因此，需要准确测量粘附、干化在干馏机内桶壁上的污泥厚度。当粘附、干化在干馏机内桶壁上的污泥达到一定厚度时(热传递效率降低到65％以下)，干馏机必须停机检修，清理粘附、干化在干馏机内桶壁的污泥。

目前现有的测量方法有采用高频雷达料位计或者X射线测厚仪，但是高频雷达料位计存在两个缺点：首先，测量精度低，对于毫米级物料变化根本无法测量；其次，高频雷达料位计一般应用于储油罐区、沥青储罐、污水罐等储料罐类领域，用于测量物料料面高度的装置，但对于储料罐底部物料结晶、板结或高温碳化后部分的厚度，根本没有方法测量。而X射线测厚仪仍存在以下缺点：首先，产生X射线，影响生活环境，防护不慎对人体造成的损坏非常巨大；其次，针对不同物料厚度，需专门定制X射线测厚仪，因此设备投资大，一般用户无法承担。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，利用该装置能够更加容易地测量出污泥碳化期间，在高温状态下粘附、干化在干馏机内筒壁上的污泥厚度，并且具有较高的测量精确度。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，根据本实用新型的实施例，该装置包括：

由此，本实用新型上述实施例的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置利用气动涡轮旋转式钻头对待测量污泥在厚度方向上打洞，在打洞的过程中，通过波形发射器发射波形信号以及通过波形接收器接收返回的波形信号，并根据发射出波形信号和接收到返回的波形信号的时间差，来确定气动旋转式钻头是否到达物料顶(底)部，从而计算粘附、干化在例如干馏机内筒壁上的污泥厚度，实现污泥厚度的精确测量。进一步地根据测量出的粘附、干化在干馏机内筒壁上的污泥厚度，来合理安排干馏机进行检修，排除粘附、干化在干馏机内筒壁上的干燥污泥，增加干燥机、干馏机热交换效率。

另外，根据本实用新型上述实施例的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置还可以具有如下附加的技术特征：

在本实用新型中，所述光纤通道为柔性铠装通道，所述保温层为铠装柔性保护套。

在本实用新型中，所述气动涡轮旋转式钻头的外端面上形成有圆环型排污槽。

在本实用新型中，所述排污槽的截面呈V型，且所述排污槽的外周端与所述气动涡轮旋转式钻头的外侧面重合，所述排污槽的内周端与所述气动涡轮旋转式钻头的轴心重合。

在本实用新型中，所述排污槽的外周端至所述气动涡轮旋转式钻头的内端面的距离不小于所述排污槽的内周端至所述气动涡轮旋转式钻头的内端面的距离。

在本实用新型中，所述排污通道包括多个，多个所述排污通道在所述排污槽的外侧壁上沿周向分布。

在本实用新型中，所述光束进出通道包括多个，多个所述光束进出通道在所述排污槽的内侧壁上沿周向分布。

在本实用新型中，上述实施例的装置还可以进一步包括：钻头保护固定套，所述钻头保护固定套适于保护和稳固所述气动涡轮旋转式钻头。

附图说明

图1是根据本实用新型一个实施例的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置的剖面图。

图2是根据本实用新型一个实施例的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置中气动涡轮旋转式钻头外端面的主视图。

图3是根据本实用新型一个实施例的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置的安装示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置，如图1-3所示，该装置包括：

主体机构100，所述主体机构100包括微型计算机110、显示屏120、波形发射器130和波形接收器140，所述显示屏120、波形发射器130和波形接收器140分别与所述微型计算机110相连，所述微型计算机110控制所述波形发射器130发射波形信号和控制所述波形接收器140接收返回的波形信号，并对发射出波形信号的时间和接收到返回的波形信号的时间进行分析，获得物料深度并显示在所述显示屏120上；

传动机构200，所述传动机构200包括气泵210和传动杆220，所述传动杆220的一端与所述主体机构100相连，所述传动杆220上的外层设置有保温层221，所述传动杆220 上沿长度方向上形成有贯穿的进气通道222、回气通道223和光纤通道224，所述气泵210 与所述进气通道222相连，且适于向所述进气通道222内鼓入动力气体；

发射信号光纤300和接收信号光纤400，所述发射信号光纤300和接收信号光纤400设置在所述光纤通道224内，且所述发射信号光纤300的一端与所述波形发射器130相连用于传输发射出的波形信号，所述接收信号光纤400与所述波形接收器140相连用于传输返回的波形信号；

气动涡轮旋转式钻头500，所述气动涡轮旋转式钻头500通过气动涡轮600与所述传动杆220的自由端相连，且所述气动涡轮600分别与所述进气通道222和所述回气通道223相连通，并且通过所述动力气体带动所述气动涡轮600转动，所述气动涡轮600转动带动所述气动涡轮旋转式钻头500转动；所述气动涡轮旋转式钻头500与所述传动杆220之间还设置有密闭滑动轴承700，所述气动涡轮旋转式钻头500上形成有贯穿的光束进出通道 510和排污通道520，所述光束进出通道510与所述光纤通道224相连通且适于所述波形信号通过，所述排污通道520与所述回气通道223相连且适于将所述气动涡轮旋转式钻头500 工作时产生的废料末排出。

下面对本实用新型上述实施例的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置进行详细描述。

根据本实用新型的实施例，所述主体机构100包括微型计算机110、显示屏120、波形发射器130和波形接收器140，所述显示屏120、波形发射器130和波形接收器140分别与所述微型计算机110相连，所述微型计算机110控制所述波形发射器130发射波形信号和控制所述波形接收器140接收返回的波形信号，并对发射出波形信号的时间和接收到返回的波形信号的时间进行分析，获得物料深度并显示在所述显示屏120上。

具体地，微型计算机110用于测厚装置的命令控制输出和复杂的程序计算，包括波形发射命令、波形发射计时；根据需测量厚度的介质硬度发出传动杆前进速度；通过接收波形信号的变化，判断气动涡轮旋转式钻头是否钻透待测物料，从而发出传动杆停止前进命令；计算传动杆前进距离，推算粘附、碳化和干化在干馏机内筒壁上的污泥厚度；将测量结果通过通讯接口传送给显示屏等。而波形发射器130和波形接收器140分别与所述微型计算机110相连，接收微型计算机110的命令，发出和接收波形信号；并将接收的波形信号发送给微型计算机110进行分析。

根据本实用新型的具体实施例，传动机构200包括气泵210和传动杆220，所述传动杆 220的一端与所述主体机构100相连，所述传动杆220上的外层设置有保温层221，所述传动杆220上沿长度方向上形成有贯穿的进气通道222、回气通道223和光纤通道224，所述气泵210与所述进气通道222相连，且适于向所述进气通道222内鼓入动力气体。

具体地，气泵210为传动杆220和气动涡轮旋转式钻头500提供稳定的前进动力和旋转动力。其中，通过进气通道222鼓入动力气体，推动传动杆220及气动涡轮旋转式钻头500前进；同时动力气体将气动涡轮旋转式钻头500工作时产生的废料沫通过进气通道222吸出。传动杆220上的光纤通道224为柔性铠装通道，可以保护光纤。具体地，传动杆220 可以具有柔性，能够根据需要弯曲安装。

更具体地，通过在传动杆220上设置进气通道222鼓入动力气体，还可以达到在高温情况下冷却传动杆220的目的，维持稳定的工作温度，提高测量的精确度，同时延长装置的使用寿命。而设置回气通道223不仅可以为气源提供回路；同时还可以将气动涡轮旋转式钻头500工作时产生的废料末通过此通道排出。

另外，传动杆220上的外层设置的保温层221可以在高温情况下保护光纤及内部结构不产生形变。进而提高测量的稳定性和精确度。具体地，保温层221为铠装柔性保护套。具体地，铠装柔性保护套中的铠装是指保护套材料是金属，能保护内部光纤；柔性指具有弹性。

根据本实用新型的实施例，发射信号光纤300和接收信号光纤400作为波形传输介质，其中，发射信号光纤300和接收信号光纤400均设置在所述光纤通道224内，且所述发射信号光纤300的一端与所述波形发射器130相连用于传输发射出的波形信号，所述接收信号光纤400与所述波形接收器140相连用于传输返回的波形信号。

根据本实用新型的实施例，气动涡轮旋转式钻头500通过气动涡轮600与所述传动杆 220的自由端相连，且所述气动涡轮600分别与所述进气通道222和所述回气通道223相连通，并且通过所述动力气体带动所述气动涡轮600转动，所述气动涡轮600转动带动所述气动涡轮旋转式钻头500转动；所述气动涡轮旋转式钻头500与所述传动杆220之间还设置有密闭滑动轴承700，所述气动涡轮旋转式钻头500上形成有贯穿的光束进出通道510 和排污通道520，所述光束进出通道510与所述光纤通道224相连通且适于所述波形信号通过，所述排污通道520与所述回气通道223相连且适于将所述气动涡轮旋转式钻头500 工作时产生的废料末排出。

根据本实用新型的实施例，如图1-2所示，气动涡轮旋转式钻头500的外端面上形成有圆环型排污槽530。由此，通过设置该圆环型排污槽530可以方便气动涡轮旋转式钻头500工作时产生的废料末排出；同时还可以增大气动涡轮旋转式钻头500的切削能力，提高测量速度。

根据本实用新型的具体实施例，排污槽530的截面具体呈V型，且所述排污槽的外周端与所述气动涡轮旋转式钻头的外侧面重合，所述排污槽的内周端与所述气动涡轮旋转式钻头的轴心重合。进而可以进一步提高排污效果和增大气动涡轮旋转式钻头500的切削能力。

根据本实用新型的具体实施例，如图2所示，排污槽530的外周端至所述气动涡轮旋转式钻头的内端面的距离L1不小于所述排污槽的内周端至所述气动涡轮旋转式钻头的内端面的距离L2。优选地，排污槽530的外周端至所述气动涡轮旋转式钻头的内端面的距离略大于所述排污槽的内周端至所述气动涡轮旋转式钻头的内端面的距离。进而可以使得转动产生的污泥废料向排污槽内汇聚，进而提高废料末的排出效果。

根据本实用新型的具体实施例，如图2所示，排污通道520包括多个，多个排污通道520在排污槽530的外侧壁上沿周向分布。进而可以保证及时地将废料末排出。根据本实用新型的具体实施例，如图2所示，光束进出通道510包括多个，多个光束进出通道510 在排污槽530的内侧壁上沿周向分布。需要说明的是，排污槽530的外侧壁是指邻近气动涡轮旋转式钻头500外周面的底壁，排污槽530的内侧壁是指邻近气动涡轮旋转式钻头500 轴心的底壁。

根据本实用新型的具体实施例，光束进出通道510延伸方向应同波形信号的传输方向重复，以保证波形信号的能够穿过光束进出通道510。

根据本实用新型的具体实施例，如图3所示，上述实施例的装置还可以进一步包括：钻头保护固定套800，所述钻头保护固定套800适于保护和稳固所述气动涡轮旋转式钻头 500。

下面对本实用新型上述实施例的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置的具体使用进行详细描述。

如图3所示，该装置可以设置在待测设备的底部，例如设置在干馏机的底壁上。具体地，预先将干馏机的底壁上钻孔，并设置可开闭的阀门，在不测量干馏机内壁污泥厚度时，将阀门关闭，使干馏机内筒与外界隔绝。还可以在阀门外侧设置固定销，在不测量干馏机内壁上的污泥厚度时，固定销用于固定气动涡轮旋转式钻头不脱落。

因此，本实用新型上述实施例装置采用独特的安装方式，即安装在需要测量的物料槽的底部，对顶部不宜安装测量装置的物料槽是很好的选择。

根据本实用新型的具体实施例，下面对利用本实用新型上述实施例的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置对干馏机内的污泥厚度进行测量，具体测量步骤如下：

首先在干馏机内筒壁的底部3mm圆孔，与气动涡轮旋转式钻头外径相同，将气动涡轮旋转式钻头保护固定套焊接在开孔处；将该装置的主体机构和传动机构固定在开孔部位附近；气动涡轮旋转钻头插入到钻头保护固定套内，用固定销固定钻头位置，然后将钻头保护固定套的阀门关闭。此时整套测厚装置的安装已经完成。

随着干馏机的运行，粘附、碳化和干化在干馏机内桶壁上的污泥逐渐增多，当需要测量这些粘附、干化在干馏机内桶壁的污泥厚度时，首先打开钻头保护固定套的阀门，然后启动测厚装置开始按钮(或者通过下位机程序启动测量开始)。

随着测量的开始，测量装置主体机构会控制气泵以恒定压力，对传动杆内的进气通道进行送气；当气体以恒定的速度撞击气动涡轮旋转式钻头时，气动涡轮旋转式钻头会以一定速度转动，随着气动涡轮旋转式钻头的旋转，会慢慢钻透粘附、碳化和干化在干馏机内筒壁上的污泥；产生的废料末会通过回气排污管道排出，不至堵塞气动涡轮旋转式钻头旋转和前进。

随着测量的开始，测量装置主体机构还会命令波形发射器发射波形至发射信号光纤，通过发射信号光纤来传输波形信号，当波信号形遇到气动旋转式钻头前端粘附、碳化和干化在干馏机内筒壁上的污泥时，波形信号会反射回接收信号光纤，然后通过接收信号光纤返回至微型计算机(CPU)，微型计算机(CPU)通过发射和接收到的波形的对比及时间的对比，判断气动涡轮旋转式钻头是否钻透粘附、干化在干馏机内筒壁上的污泥。当气动涡轮旋转式钻头钻透粘附、碳化和干化在干馏机内筒壁上污泥的瞬间，气动涡轮旋转式钻头前已经无阻挡物，则测量装置主体机构借助发射信号光纤发出的波形信号，已不能返回至接收信号光纤，此时判断钻头已经钻透粘附、碳化和干化在干馏机内筒壁上的污泥，测量装置记录此时的波形信号接收时间，同时微型计算机(CPU) 发出命令：传动机构的气泵的停止工作，且将传动杆退回至初始位置。测量装置的微型计算机(CPU)会通过计算传动杆前进的距离等于传动杆前进速度乘以波形信号发射时间，得出粘附、干化在干馏机内筒壁上的污泥厚度＝传动杆前进的距离-(干馏机罐体厚度+固定销距离罐底距离)。

本实用新型上述实施例的自冷却旋转式钻头铠装光纤测量物料深度的装置可用于对物料结晶、板结或高温碳化后形成的物料厚度的测量。且采用独到的测量原理和独特的安装方式。具体地，独到的测量原理为采用光纤传输波形信号，采集信号信息达到测量目的，该方法安全无辐射，对人体无害；独特的安装方式为通过安装在需要测量的物料槽的底部，对顶部不宜安装测量装置的物料槽是很好的选择。

其次，该装置操作简单，故障率低，防护级别IP65。并且采用全自动一体化测量；数据传输方式可选择模拟量信号或者485通讯方式。

另外，该装置的测量精度高达到0.1％。而且因其具有自冷却功能，进而可适用于高温环境下的测量。并且该装置价格低廉，可以显著节约成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型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必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

设计图

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