CN105277236A - 非开挖传感装置和钻杆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非开挖传感装置和钻杆，涉及非开挖随钻测量装置领域。该非开挖传感装置包括导向传感装置、可充电电池以及水力发电机，水力发电机、可充电电池以及导向传感装置依次电连接。该非开挖传感装置和钻杆具有节能环保、效率高、节省成本的特点。

Description

非开挖传感装置和钻杆

技术领域

本发明涉及非开挖随钻测量装置领域，具体而言，涉及一种非开挖传感装置和钻杆。

背景技术

随着城市基础建设的大规模发展，非开挖技术的应用越来越广泛，尤其在各种管线的铺设和地铁施工等地下工程中，为了能够保障按照预定的路线铺设和施工，在钻进地表的过程需要利用导向传感装置对钻头的位置、姿态以及温度等信息进行导向和测量。

现在对具有较多岩石的地质条件的地下层施工时，钻进的速度很慢，往往一杆需要三至五天，甚至十几天，普通非开挖传感装置的电池续航能力一般最长为24小时，不能满足实际操作需求。在复杂的地质条件下(如岩石，沙土，胶土等)，由于钻进的速度非常缓慢，同样的工程长度可能需要数天甚至几个星期才能完成，这就需要非开挖传感装置有足够的续航时间，现有技术无法解决该问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种非开挖传感装置和钻杆，以改善上述的问题。

本发明实施例是这样实现的：

一种非开挖传感装置，包括导向传感装置、可充电电池以及水力发电机，所述水力发电机、所述可充电电池以及所述导向传感装置依次电连接。

本发明实施例提供的一种非开挖传感装置，使用时，将非开挖传感装置的导向传感装置和可充电电池放入非开挖钻杆的钻头的腔体内，将钻头靠近杆身的一端设置凹槽，涡轮发电机位于钻头靠近杆身的一端的凹槽内。由于在施工时，需要利用杆身的管腔内的冷却液对钻头进行冷却，当冷却液通过管腔内的水力发电机时，水力发电机即利用冷却液的动能发电，并且将电能输出到可充电电池存储。

进一步地，所述水力发电机为涡轮发电机。

涡轮发电机(Turbineengine，或常简称为Turbine)是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式，是内燃机的一种。涡轮发电机包括涡轮机，涡轮机可利用流体冲击叶轮转动而产生动能，并将动能转化为电能，为可充电电池充电。

进一步地，所述水力发电机为水轮发电机。

水轮发电机是指以水轮机为原动力将水能转化为电能的发电机。水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子，将机械能转换成电能而输出。

进一步地，所述非开挖传感装置还包括稳压电路，所述水力发电机、所述稳压电路、所述可充电电池以及所述导向传感装置依次电连接。

稳压电路可保证当电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定的电路，避免了可充电电池为导向传感装置提供的电能不稳定而出现测量数据不标准情况。

进一步地，所述非开挖传感装置还包括充电保护电路，所述水力发电机、所述稳压电路、所述充电保护电路、所述可充电电池以及所述导向传感装置依次电连接。

考虑到在单位时间内水流为水力发电机提供的动能过大时，水力发电机产生的电流和电压也较大，可能会超过导向传感装置的一些元器件的额定工作电压和额定工作电流，导致导向传感装置被损坏。当超过导向传感装置的一些元器件的额定工作电压和额定工作电流时，充电保护电路自动断开，可保护导向传感装置不被损坏。

进一步地，所述导向传感装置包括控制器、温度传感器、地磁敏感器、加速度传感器以及无线通信单元，所述控制器分别与所述温度传感器、所述地磁敏感器、加速度传感器以及所述无线通信单元电连接，所述可充电电池与所述控制器电连接。

温度传感器用于测量钻头的温度，加速度传感器用于测量钻头静止前的重力加速度的空间分量，进而获得钻头倾角和工具面倾角，既而获得钻头的位移数据，地磁敏感器用于检测钻头的指向和地磁极方向的夹角来获得方位的基准，既而获得钻头的运动方向，上述的数据信息均通过控制器处理后，通过无线通信单元发送到地面的导向仪显示。

进一步地，所述可充电电池为锂电池。

锂电池具有使用寿命长、能量高、重量轻、高低温适应性强、绿色环保等特点，实用性强。

进一步地，所述可充电电池为镍氢电池。

镍氢电池是由氢离子和金属镍合成，电量储备量可比镍镉电池多30％，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染，具有一定的环保性。

另一方面，本发明实施例还提供了一种非开挖钻杆，包括钻头、杆身以及上述任一所述的非开挖传感装置，所述钻头的一端设有多个第一出水孔，所述钻头的另一端与所述杆身的一端连接，所述钻头包括第一腔体和与所述第一出水孔数量相同的输水通道，所述杆身包括用于导流的空心的管腔，每个所述输水通道分别与所述管腔、一个所述第一出水孔导通，所述可充电电池、所述导向传感装置均位于所述第一腔体内，所述钻头靠近所述杆身的一端设有凹槽，所述水力发电机位于所述钻头靠近杆身的一端的所述凹槽内，所述水力发电机包括叶轮和转子轴，所述叶轮套设于所述电机的转子轴外。

进一步地，所述钻头的远离所述第一出水孔的一端设有凹槽，所述凹槽内设有螺纹，所述钻杆的一端设有与所述凹槽内的螺纹相匹配的螺纹，所述钻头与所述钻杆螺纹连接。

将钻头与钻杆螺纹连接，在当水力发电机或者导向传感装置损坏时，方便施工人员将钻头与杆身拆卸，将里面的元器件拿出进行检修。

相对现有技术，本发明实施例具有以下有益效果：本发明实施例提供的一种非开挖传感装置和钻杆，该非开挖传感装置和钻杆具有以下特性：1、避免了将电池使用完后丢弃对环境造成巨大的二次污染，本发明实施例巧妙地利用将冷却水的动能转化为电能为可充电电池充电，使得可充电电池可循环使用，不仅节能而且环保。2、对于任何复杂的工程，不会因非开挖传感装置的电能耗完，导致工作无法进行，需要钻杆回抽重新安装电池，本发明实施例无需进行电池更换，具有一定地高效性。3、对于很多工程，较少的观测点就可以保证整个系统监测，由于本发明实施例提供的非开挖传感装置电池的续航能力很强，一杆可以在任何地质条件下，在钻机扭力允许的范围内打出最长的长度，大大节省成本。

为使本发明实施例的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明实施例的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明实施例的范围，而是仅仅表示本发明实施例的选定实施例。基于本发明实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

图1为本发明实施例一提供的一种非开挖传感装置的原理示意图；

图2为本发明实施例一提供的涡轮发电机的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的涡轮发电机的俯视图；

图4为本发明实施例一提供的涡轮发电机的左视图；

图5为本发明实施例二提供的一种非开挖传感装置的原理示意图；

图6为本发明实施例三提供的一种非开挖传感钻杆的外观示意图；

图7为本发明实施例三提供的一种非开挖传感钻杆的结构示意图。

其中，附图标记与部件名称之间的对应关系如下：导向传感装置101，涡轮发电机102，水轮发电机103，稳压电路104，充电保护电路105，可充电电池106，钻头107，杆身108，第一出水孔109，输水通道110。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明实施例的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明实施例的范围，而是仅仅表示本发明实施例的选定实施例。基于本发明实施例的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。

随着城市基础建设的大规模发展，非开挖技术的应用越来越广泛，非开挖技术是指在钻进的过程利用导向传感装置对钻头的位置、姿态以及温度等信息进行导向和测量。现在对地下层的岩石较多的地质条件施工时，钻进的速度很慢，往往一杆需要三至五天，甚至十几天，普通非开挖传感装置的电池续航能力一般最长为24小时，不能满足实际操作需求。

有鉴于此，发明人经过长期观察和研究发现，提供了一种非开挖传感装置和钻杆，该非开挖传感装置包括导向传感装置、可充电电池以及水力发电机，水力发电机、可充电电池以及导向传感装置依次电连接。该非开挖传感装置和钻杆具有节能环保、效率高、节省成本的特点。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明实施例做进一步的详细描述。

参阅图1，本发明实施例提供了一种非开挖传感装置，包括导向传感装置101、可充电电池106以及水力发电机，水力发电机、可充电电池106以及导向传感装置101依次电连接。

如图2、图3、图4所示，所述水力发电机选用涡轮发电机102，涡轮发电机(Turbineengine，或常简称为Turbine)是一种利用旋转的机件自穿过它的流体中汲取动能的发动机形式，是内燃机的一种。涡轮发电机包括涡轮机，涡轮机可利用流体冲击叶轮转动而产生动能，并将动能转化为电能，为可充电电池106充电。

可充电电池106选用一节4000mA的可充电锂电池，锂电池具有使用寿命长、能量高、重量轻、高低温适应性强、绿色环保等特点，实用性强。

所述导向传感装置101包括控制器、温度传感器、地磁敏感器、加速度传感器以及无线通信单元，控制器分别与温度传感器、地磁敏感器、加速度传感器以及无线通信单元电连接，可充电电池106与控制器电连接。温度传感器用于测量钻头的温度，加速度传感器用于测量钻头静止前的重力加速度的空间分量，进而获得钻头倾角和工具面倾角，既而获得钻头的位移数据，地磁敏感器用于检测钻头的指向和地磁极方向的夹角来获得方位的基准，既而获得钻头的运动方向，上述的数据信息均通过控制器处理后，通过无线通信单元发送到地面的导向仪显示。

本发明实施例提供的一种非开挖传感装置，使用时，将非开挖传感装置装置的导向传感装置101和可充电电池106放入非开挖钻头的腔体内，将钻头107靠近杆身108的一端设置凹槽，涡轮发电机102位于钻头107靠近杆身108的一端的凹槽内。由于在施工时，需要利用杆身的管腔内的冷却液(冷却液为冷却水或者膨润土泥浆)对钻头进行冷却，当冷却液通过管腔内的涡轮发电机102时，液体冲击叶轮转动而产生动能，并将动能转化为电能为可充电电池106充电，并且将电能输出到可充电电池106存储。

该非开挖传感装置具有以下特性：1、避免了将电池使用完后丢弃对环境造成巨大的二次污染，本发明实施例巧妙地利用将冷却水的动能转化为电能为可充电电池106充电，使得可充电电池106可循环使用，不仅节能而且环保。2、对于任何复杂的工程，不会因非开挖传感装置的电能耗完，导致工作无法进行需要将钻杆回抽重新安装电池，本发明实施例无需进行电池更换，具有一定地高效性。3、对于很多工程，较少的观测点就可以保证整个系统监测，由于本发明实施例提供的非开挖传感装置电池的续航能力很强，一杆可以在任何地质条件下，在钻机扭力允许的范围内打出最长的长度，大大节省成本。

参阅图5，本发明实施例二提供的一种非开挖传感装置，包括导向传感装置101、可充电电池106以及水力发电机，水力发电机、可充电电池106以及导向传感装置101依次电连接。

本实施例中，所述水力发电机选用水轮发电机103。水轮发电机是指以水轮机为原动力将水能转化为电能的发电机。水流经过水轮机时，将水能转换成机械能，水轮机的转轴又带动发电机的转子轴，将机械能转换成电能而输出为可充电电池106供电。

所述可充电电池106选用镍氢电池。镍氢电池是由氢离子和金属镍合成，电量储备量可比镍镉电池多30％，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染，具有一定的环保性。

所述非开挖传感装置还包括稳压电路104，水轮发电机103稳压电路104、可充电电池106以及导向传感装置101依次电连接。稳压电路104可保证当电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定的电路，避免了可充电电池106为导向传感装置101提供的电能不稳定而出现测量数据不标准情况。

进一步地，所述非开挖传感装置还包括充电保护电路105，水轮发电机103、稳压电路104、充电保护电路105、可充电电池106以及导向传感装置101依次电连接。考虑到在单位时间内水流为水力发电机提供的动能过大时，水力发电机产生的电流和电压也较大，可能会超过导向传感装置101的一些元器件的额定工作电压和额定工作电流，导致导向传感装置101被损坏。当超过导向传感装置101的一些元器件的额定工作电压和额定工作电流时，充电保护电路105自动断开，可保护导向传感装置101不被损坏。

参阅图6、图7，本发明实施例提供了一种非开挖钻杆，包括钻头107、杆身108以及本发明实施例一所述的非开挖传感装置，钻头107的一端呈锥形，并且该钻头107呈锥形的一端设有多个第一出水孔109，钻头107的远离第一出水孔109的一端设有凹槽，凹槽内设有螺纹，钻杆的一端设有与凹槽内的螺纹相匹配的螺纹，钻头107与杆身108螺纹连接。钻头107包括第一腔体和与第一出水孔109数量相同的输水通道110，杆身108包括用于导流的空心的管腔，每个输水通道110分别与管腔、一个第一出水孔109导通，可充电电池106、导向传感装置101均位于所述第一腔体内，水力发电机为涡轮发电机102，钻头107靠近杆身108的一端设有凹槽，涡轮发电机102位于钻头107靠近杆身108的一端的凹槽内。涡轮发电机102包括涡轮和电机，叶轮套设于电机的转子轴外。该非开挖钻杆还包括法兰，法兰的外壳套设在电机外，并且法兰通过螺钉与电机螺纹连接，并且法兰通过螺钉固定于钻头107的远离第一出水孔109的一端。

本发明实施例三提供的非开挖钻杆，由于安装了本发明实施例一提供的非开挖传感装置，在施工的过程中，当利用水泵抽取冷却液冷却钻头107时，冷却液通过钻杆的杆身108的管腔，由于钻头107靠近杆身108的一端设有凹槽，涡轮发电机102位于钻头107靠近杆身108的一端的凹槽内。冷却液通过管腔时，冲刷叶轮旋转，叶轮旋转时带动电机的转子轴旋转，此时电机发电为可充电电池106充电，由于在施工时，随时都在利用水泵抽取冷却液冷却钻头107，因此涡轮发电机102也随时都在为可充电电池106充电，使得非开挖钻杆的非开挖传感装置具有续航时间长的特点。另外，由于非开挖钻杆的非开挖传感装置的续航时间较长，使得该非开挖钻杆具有节能环保、工作效率高、节省成本的特点，具体可参考本发明实施例一中的内容。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本发明实施例的优选实施例而已，并不用于限制本发明实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非开挖传感装置，其特征在于，包括导向传感装置、可充电电池以及水力发电机，所述水力发电机、所述可充电电池以及所述导向传感装置依次电连接。

2.根据权利要求1所述的非开挖传感装置，其特征在于，所述水力发电机为涡轮发电机。

3.根据权利要求1所述的非开挖传感装置，其特征在于，所述水力发电机为水轮发电机。

4.根据权利要求1所述的非开挖传感装置，其特征在于，所述非开挖传感装置还包括稳压电路，所述水力发电机、所述稳压电路、所述可充电电池以及所述导向传感装置依次电连接。

5.根据权利要求4所述的非开挖传感装置，其特征在于，所述非开挖传感装置还包括充电保护电路，所述水力发电机、所述稳压电路、所述充电保护电路、所述可充电电池以及所述导向传感装置依次电连接。

6.根据权利要求1～5任一所述的非开挖传感装置，其特征在于，所述导向传感装置包括控制器、温度传感器、地磁敏感器、加速度传感器以及无线通信单元，所述控制器分别与所述温度传感器、所述地磁敏感器、加速度传感器以及所述无线通信单元电连接，所述可充电电池与所述控制器电连接。

7.根据权利要求6所述的非开挖传感装置，其特征在于，所述可充电电池为锂电池。

8.根据权利要求6所述的非开挖传感装置，其特征在于，所述可充电电池为镍氢电池。

9.一种非开挖钻杆，其特征在于，包括钻头、杆身以及权利要求1～8任一所述的非开挖传感装置，所述钻头的一端设有多个第一出水孔，所述钻头的另一端与所述杆身的一端连接，所述钻头包括第一腔体和与所述第一出水孔数量相同的输水通道，所述杆身包括用于导流的空心的管腔，每个所述输水通道的两端分别与所述管腔、一个所述第一出水孔导通，所述可充电电池、所述导向传感装置均位于所述第一腔体内，所述钻头靠近杆身的一端设有凹槽，所述水力发电机位于所述钻头靠近所述杆身的一端的所述凹槽内，所述水力发电机包括叶轮和转子轴，所述叶轮套设于所述电机的转子轴外。

10.根据权利要求9所述的非开挖钻杆，其特征在于，所述钻头的远离所述第一出水孔的一端设有凹槽，所述凹槽内设有螺纹，所述钻杆的一端设有与所述凹槽内的螺纹相匹配的螺纹，所述钻头与所述钻杆螺纹连接。