巖土間含水層流動熱特性測試裝置及測試方法與流程

2023-05-15 19:55:06 2

本發明屬於土壤含水層流動熱特性測試設備技術領域，尤其是涉及一種巖土間含水層流動熱特性測試裝置及測試方法。

背景技術：

地源熱泵系統設計中最主要地質技術資料，就是深埋在土壤中的地埋管在地下的垂直土壤溫度分布情況、巖土層間含水層的位置情況以及流動熱特性。通常，在系統設計之前，都會對項目所在地的地下埋管區土壤進行熱物性測試試驗，獲得土壤原始溫度值和土壤的熱工特性。另外，在項目的地埋管系統施工完成並運行一段時間後，會對地下埋管進行抽樣測試，來檢測埋管中的水溫，根據埋管的測試水溫來判斷運行中土壤的溫度變化以及土壤的熱工特性的變化。

在地源熱泵項目應用中，一直缺乏一種長期穩定監測地下垂直土壤溫度分布、巖土層間含水層的位置以及流動熱特性的測試裝置。此裝置測出的數據以及數據分析能夠幫助設計更節能環保穩定的初始系統設計；以及統計並分析系統運行持續一定時間後的源側土壤溫度變化情況、巖土層間含水層的位置情況以及含水層流動熱特性等數據，作為系統後期的運行策略調整和改進做可靠的依據。利用此裝置讓系統達到一個持續穩定節能的程度。目前暫時還沒有此種巖土間含水層流動熱特性測試裝置。

為了解決現有技術存在的問題，人們進行了長期的探索，提出了各式各樣的解決方案。例如，中國專利文獻公開了土壤熱物性參數測量裝置及測量方法[申請號：201210320267.X]，該裝置包括電加熱電纜，設置在U型管的內部或U型管的外壁上，所述U型管埋設在土壤中，所述電加熱電纜用於向所述土壤提供熱量；溫度傳感器組，設置在所述U型管的內部或U型管的外壁上，包括按照不同深度間隔設置的多個光纖溫度傳感器；數據採集控制器，與所述溫度傳感器組中的各光纖溫度傳感器連接，用於採集各光纖溫度傳感器測量得到的不同深度位置的土壤溫度。

上述方案在一定程度上解決了現有檢測裝置檢測精度低的問題，但是該方案依然存在著：無法長期穩定監測地下垂直土壤溫度分布、巖土層間含水層的位置以及流動熱特性的測試的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是針對上述問題，提供一種結構簡單合理，能對垂直土壤溫度分布、巖土層間含水層的位置以及流動熱特性長期進行監測的巖土間含水層流動熱特性測試裝置。

本發明的另一個目的是針對上述問題，提供一種操作方便，測試精度高的巖土間含水層流動熱特性測試方法。

為達到上述目的，本發明採用了下列技術方案：本巖土間含水層流動熱特性測試裝置，包括具有內腔且豎直埋設於土壤中的測試管體，其特徵在於，所述的測試管體上自上向下依次設有若干加熱測溫組件，每一個加熱測溫組件均具有能檢測土壤溫度信息的溫度傳感器且能對溫度傳感器所處位置區域進行加熱的加熱器，所述的測試管體內自上向下設有若干與加熱測溫組件一一對應的數碼轉換控制變送器，所述的數碼轉換控制變送器包括與溫度傳感器相連的地址及溫度轉換器，所述的所述的地址及溫度轉換器通過信號反饋線與測試儀上的顯示模塊相連，所述的測試儀通過加熱電源線與加熱器相連，且所述的數碼轉換控制變送器內具有與加熱電源線相連的地址及電源控制器，所述的地址及電源控制器分別通過控制線與顯示模塊以及設置在測試儀上的加熱控制單元相連。這裡的溫度傳感器採用不鏽鋼外殼封裝，防水防潮。不鏽鋼外殼，僅有0.15mm的壁厚，具有很小的蓄熱量，同時採用導熱性高的密封膠灌封，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲。溫度傳感器支持「一線總線」接口，測量溫度範圍為-55℃～+125℃，在-10～+85℃範圍內，精度為±0.5℃。現場溫度直接以「一線總線」的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗幹擾性，通過溫度傳感器與土壤接觸來測量土壤的溫度即先通過溫度傳感器測得各個地址位置的初始溫度，然後再通過加熱器對各個位置或某一個、幾個進行地址位置進行加熱然後再測得加熱後的溫度，通過將初始溫度和加熱溫度進行對比來檢測巖土含水層位置以及含水層流動熱特性，其中，這裡的控制線為雙絞數據線且控制線由四組相互纏繞在一起的銅線封裝在一層絕緣外套中而組成的，之所以要進行相互纏繞，是因為當金屬線中有電流，即其實是數據流，通過的時候會產生電磁場，而將正、負信號線對繞，兩者產生的正、負磁場便會相互抵消，減少信號的幹擾。本發明專利雙絞數據線採用STP，即屏蔽雙絞線形式，雙絞數據線接口的最大傳輸距離不少於150米，並具有良好的抗幹擾性、抗溫性、阻燃性。

在上述的巖土間含水層流動熱特性測試裝置中，所述的顯示模塊包括溫度顯示單元以及地址碼顯示單元，所述的溫度顯示單元與地址及溫度轉換器相連，且所述的地址碼顯示單元分別與地址及溫度轉換器以及地址及電源控制器相連。

在上述的巖土間含水層流動熱特性測試裝置中，所述的加熱控制單元為設置在顯示模塊上觸屏控制單元或者所述的加熱控制單元為設置在測試儀上的加熱控制按鈕。

在上述的巖土間含水層流動熱特性測試裝置中，所述的測試管體自上向下依次等間距設有若干徑向貫穿於測試管體外側管壁的安裝孔，所述的加熱測溫組件均設置在安裝孔內，且所述的加熱測溫組件端部均與測試管體外側壁齊平。這樣可以防止測試管體埋設時對加熱測溫組件造成損傷。

在上述的巖土間含水層流動熱特性測試裝置中，所述的測試管體內部設有用於防止土壤內水流在測試管體內流動且能將內腔自上向下依次分割成若干用於放置數碼轉換控制變送器的安裝腔的隔離阻擋組件。

在上述的巖土間含水層流動熱特性測試裝置中，所述的隔離阻擋組件包括若干自上向下依次等間距設置在測試管體內的彈性隔離圈，且每一個彈性隔離圈均設置在相鄰兩個數碼轉換控制變送器之間從而將各個數碼轉換控制變送器分隔開。數碼轉換控制變送器之間設置的彈性隔離圈，克服了測試管體中水對流導致的溫度分布不均所造成的溫度檢測誤差。

在上述的巖土間含水層流動熱特性測試裝置中，所述的測試管體的長度為50-150米，所述的數碼轉換控制變送器自上向下依次等間距設置且相鄰兩個數碼轉換控制變送器之間的距離大小為3-8米。

上述的巖土間含水層流動熱特性測試裝置的巖土間含水層流動熱特性測試方法如下所述：本巖土間含水層流動熱特性測試方法，其特徵在於，本測試方法包括下述步驟:

A、測試管體埋設以及測試儀調試：將測試管體豎直埋設在土壤內，同時將測試儀通過加熱電源線與加熱器相連，通過信號反饋線將地址及溫度轉換器與顯示模塊相連，將地址及電源控制器分別通過控制線與顯示模塊以及加熱控制單元相連；

B、土壤層各個位置初始溫度檢測：關閉測試儀上的加熱控制單元，不啟動加熱器工作，通過溫度傳感器測量再通過地址及溫度轉換器將溫度轉換為數位訊號，將各個地址碼位置所測的溫度通過信號反饋線傳輸至測試儀上的顯示模塊顯示，將地址碼位置編號傳輸給測試儀上的顯示模塊顯示，從而測得地埋垂直土壤層的各個位置的初始溫度；

C、加熱並檢測土壤層各個位置加熱後溫度：開啟測試儀上的加熱控制單元，通過控制線對地址及電源控制器進行控制，開啟加熱器工作，對各個地址碼周圍進行加熱一段時間後，溫度傳感器測量溫度後再通過地址及溫度轉換器將溫度轉換為數位訊號，將所測的溫度及對應地址通過信號反饋線傳輸至測試儀上的顯示模塊上；

D、溫度匯總分析：將各個地址碼及所對應的溫度進行匯總，分析關閉加熱器時的各個地址碼的溫度和開啟加熱器後一段時間所測得的各個地址碼的溫度進行分析匯總，得出巖土間含水層流動熱特性。

在上述的巖土間含水層流動熱特性測試方法中，在步驟D中，若某個或某幾個地址碼所對應的溫度在經過加熱器加熱後測出的溫度仍然為初始溫度，或者溫度升高明顯小於其他地址碼所對應的溫升，則此地址碼所在的土壤層位置為巖土含水層位置，並且將數據反覆進行試驗分析可得出巖土間含水層流動熱特性。

在上述的巖土間含水層流動熱特性測試方法中，所述的顯示模塊包括溫度顯示單元以及地址碼顯示單元，所述的溫度顯示單元與地址及溫度轉換器相連，且所述的地址碼顯示單元分別與地址及溫度轉換器以及地址及電源控制器相連；所述的加熱控制單元為設置在顯示模塊上觸屏控制單元或者所述的加熱控制單元為設置在測試儀上的加熱控制按鈕。

與現有的技術相比，本巖土間含水層流動熱特性測試裝置及測試方法的優點在於：採用上述方案能測出土壤垂直溫度分布、巖土層間含水層的位置以及含水層流動熱特性，通過溫度傳感器、電加熱器及數碼轉換控制變送器將土壤溫度及土壤加熱溫升變化分析出巖土層間含水層的位置及含水層流動熱特性動態實時的顯示出來，並形成綜合分析的數據體系，為地源熱泵系統進行更合理、高效、節能的設計，對保證系統以後的運行效率提供更充分更可靠的數據依據。

附圖說明

圖1為本發明提供的數碼轉換控制變送器及溫度傳感器的結構示意圖。

圖2為本發明提供的測試儀的結構示意圖。

圖3為本發明提供的測試管體的結構示意圖。

圖中，加熱電源線1、控制線2、信號反饋線3、測試管體4、數碼轉換控制變送器5、彈性隔離圈6、加熱測溫組件7、安裝孔8、顯示模塊9、溫度顯示單元10、地址碼顯示單元11、加熱控制單元12、測試儀13、加熱器14、溫度傳感器15、地址及溫度轉換器16、地址及電源控制器17。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明。

如圖1-3所示，本巖土間含水層流動熱特性測試裝置，包括具有內腔且豎直埋設於土壤中的測試管體4，優選採用PE管且該測試管體4兩端封閉，測試管體4上自上向下依次設有若干加熱測溫組件7，每一個加熱測溫組件7均具有能檢測土壤溫度信息的溫度傳感器15且能對溫度傳感器15所處位置區域進行加熱的加熱器14，測試管體4內自上向下設有若干與加熱測溫組件7一一對應的數碼轉換控制變送器5，優選地，這裡的測試管體4的長度為100米，數碼轉換控制變送器5自上向下依次等間距設置且相鄰兩個數碼轉換控制變送器5之間的距離大小為5米，即測試管體內設有20個數碼轉換控制變送器5，數碼轉換控制變送器5包括與溫度傳感器15相連的地址及溫度轉換器16，地址及溫度轉換器16通過信號反饋線3與測試儀13上的顯示模塊9相連，測試儀13通過加熱電源線1與加熱器14相連，且數碼轉換控制變送器5內具有與加熱電源線1相連的地址及電源控制器17，地址及電源控制器17分別通過控制線2與顯示模塊9以及設置在測試儀13上的加熱控制單元12相連。

具體地，這裡的溫度傳感器16採用不鏽鋼外殼封裝，防水防潮。不鏽鋼外殼，僅有0.15mm的壁厚，具有很小的蓄熱量，同時採用導熱性高的密封膠灌封，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲。溫度傳感器16支持「一線總線」接口，測量溫度範圍為-55℃～+125℃，在-10～+85℃範圍內，精度為±0.5℃。現場溫度直接以「一線總線」的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗幹擾性，通過溫度傳感器16與土壤接觸來測量土壤的溫度即先通過溫度傳感器16測得各個地址位置的初始溫度，然後再通過加熱器14對各個位置或某一個、幾個進行地址位置進行加熱然後再測得加熱後的溫度，通過將初始溫度和加熱溫度進行對比來檢測巖土含水層位置以及含水層流動熱特性，其中，這裡的控制線2為雙絞數據線且2控制線由四組相互纏繞在一起的銅線封裝在一層絕緣外套中而組成的，之所以要進行相互纏繞，是因為當金屬線中有電流，即其實是數據流，通過的時候會產生電磁場，而將正、負信號線對繞，兩者產生的正、負磁場便會相互抵消，減少信號的幹擾。本發明專利雙絞數據線採用STP，即屏蔽雙絞線形式，雙絞數據線接口的最大傳輸距離不少於150米，並具有良好的抗幹擾性、抗溫性、阻燃性。

更具體地，本實施例中的顯示模塊9包括溫度顯示單元10以及地址碼顯示單元11，溫度顯示單元10與地址及溫度轉換器16相連，且地址碼顯示單元11分別與地址及溫度轉換器16以及地址及電源控制器17相連；這裡的加熱控制單元12為設置在顯示模塊9上觸屏控制單元或者所述的加熱控制單元12為設置在測試儀13上的加熱控制按鈕。進一步地，測試管體4自上向下依次等間距設有若干徑向貫穿於測試管體4外側管壁的安裝孔8，加熱測溫組件7均設置在安裝孔8內，且加熱測溫組件7端部均與測試管體4外側壁齊平，這樣可以防止測試管體4埋設時對加熱測溫組件7造成損傷。

更進一步地，本實施例中的測試管體4內部設有用於防止土壤內水流在測試管體4內流動且能將內腔自上向下依次分割成若干用於放置數碼轉換控制變送器5的安裝腔的隔離阻擋組件，優選地，這裡的隔離阻擋組件可以包括若干自上向下依次等間距設置在測試管體4內的彈性隔離圈6，且每一個彈性隔離圈6均設置在相鄰兩個數碼轉換控制變送器5之間從而將各個數碼轉換控制變送器5分隔開，數碼轉換控制變送器5之間設置的彈性隔離圈6，克服了測試管體4中水對流導致的溫度分布不均所造成的溫度檢測誤差。

本巖土間含水層流動熱特性測試方法，包括下述步驟:A、測試管體4埋設以及測試儀13調試：將測試管體4豎直埋設在土壤內，同時將測試儀13通過加熱電源線1與加熱器14相連，通過信號反饋線3將地址及溫度轉換器16與顯示模塊9相連，將地址及電源控制器17分別通過控制線2與顯示模塊9以及加熱控制單元12相連；B、土壤層各個位置初始溫度檢測：關閉測試儀13上的加熱控制單元12，不啟動加熱器14工作，通過溫度傳感器15測量再通過地址及溫度轉換器16將溫度轉換為數位訊號，將各個地址碼位置所測的溫度通過信號反饋線3傳輸至測試儀13上的顯示模塊9顯示，將地址碼位置編號傳輸給測試儀13上的顯示模塊9顯示，從而測得地埋垂直土壤層的各個位置的初始溫度；C、加熱並檢測土壤層各個位置加熱後溫度：開啟測試儀13上的加熱控制單元12，通過控制線2對地址及電源控制器17進行控制，開啟加熱器14工作，對各個地址碼周圍進行加熱一段時間後，溫度傳感器15測量溫度後再通過地址及溫度轉換器16將溫度轉換為數位訊號，將所測的溫度及對應地址通過信號反饋線3傳輸至測試儀13上的顯示模塊9上；D、溫度匯總分析：將各個地址碼及所對應的溫度進行匯總，分析關閉加熱器14時的各個地址碼的溫度和開啟加熱器14後一段時間所測得的各個地址碼的溫度進行分析匯總，得出巖土間含水層流動熱特性，且在步驟D中，若某個或某幾個地址碼所對應的溫度在經過加熱器14加熱後測出的溫度仍然為初始溫度，或者溫度升高明顯小於其他地址碼所對應的溫升，則此地址碼所在的土壤層位置為巖土含水層位置，並且將數據反覆進行試驗分析可得出巖土間含水層流動熱特性。

具體地，這裡的顯示模塊9包括溫度顯示單元10以及地址碼顯示單元11，溫度顯示單元10與地址及溫度轉換器16相連，且地址碼顯示單元11分別與地址及溫度轉換器16以及地址及電源控制器17相連；加熱控制單元12為設置在顯示模塊9上觸屏控制單元或者加熱控制單元12為設置在測試儀13上的加熱控制按鈕。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。

儘管本文較多地使用了加熱電源線1、控制線2、信號反饋線3、測試管體4、數碼轉換控制變送器5、彈性隔離圈6、加熱測溫組件7、安裝孔8、顯示模塊9、溫度顯示單元10、地址碼顯示單元11、加熱控制單元12、測試儀13、加熱器14、溫度傳感器15、地址及溫度轉換器16、地址及電源控制器17等術語，但並不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發明的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發明精神相違背的。