CN102141528A - 一种原位土层导热系数测定仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位土层导热系数测定仪，包括一可由机械贯入装置压入土层的锥形探头，所述探头由圆锥形锥头、缸筒和上接头组成，其中圆锥形锥头上设置有由同步伸缩装置控制的主探针和至少两根对应小探针，主探针内设置有加热装置，其位于锥头的中心，各小探针相对主探针等间隔均布在四周；小探针内设置有高灵敏度的温度传感器，小探针和主探针的信号导线穿过缸筒、上接头与控制仪表连接。总之，本发明为一种原位土层导热系数测定仪，其利用自然形成的土层温度场，以及有热源进入土层后该温度场的变化规律，方便快捷的取得原位不同深度土层的导热系数，具有测试数据准确度高、成本经济的特点。

Description

一种原位土层导热系数测定仪

技术领域

本项目涉及一种对大地土层的热物理特性进行快速原位测试的仪器，特别是一种原位土层导热系数测定仪。

背景技术

为了挽救和改善人类赖以生存的地球环境，减少和控制二氧化碳的排放，已成为人类的共识和共同努力的目标。其中，措施之一，就是减少矿物燃料(煤、石油)的使用，大力提倡和扩大清洁能源(太阳能、风能、核能、地热能、潮汐能等)的应用。而中国，作为经济发展最快的发展中国家，能源需求很大，承担的责任也更大。为了打破某些发达国家将减排CO₂责任转嫁给中国的阴谋，中国也已迅速启动了发展新型清洁能源的战略计划。其中，核能发电由于经济效益高，所以是首位发展，但是由此也产生了核废料(燃料棒)处理的问题。

核废料通常是被深埋，除了放射性以外，核废料还持续的产生一定热量，这就会提升周围环境土的温度。如何将温度升高控制在一定范围内，这就取决于土的热传导特性，并直接影响到核废料埋藏点的选择与结构设计。

另外，为了实现CO₂减排，美欧国家近年来发展了“地源热泵系统”。简单地说，地表土层一定深度下，其温度是相对稳定的，例如，江、浙沿海，地表下5m深至50m范围内，基本上是16°-18°左右，在冬天，它成了热源，而夏天又是冷源，如果在不同季节里把温差利用起来，就可达到节能减排目的。然而，发展该技术的关键仍然是土的热物理特性问题，这与土的结构、成分、含水量、埋藏条件等有关。

在之前，土层导热系数测定是把土样取到实验室里进行测试研究，由于土样被扰动，土的结构被改变或破坏，土中水分流失，所得的温度特性参数均已严重失真，不能反映土层导热系数的真实情况，因此，发展土的原位热物理特性测试技术已成为节能减排，发展新能源计划中不可缺少的一环。

就目前而言，由于缺乏原位测试技术和设备，相关的土层导热系数无法准确确定。应用时，就采用室内试验数据或在工程现场打孔深，埋钢管进行现场实测，这样不仅费用高，周期长，而且，由于测点限制，无法得到不同土层的正确结果，而是一个综合平均值，或者一个经验值，因此也无法事先为设计提供各土层的真实参数，这给地源热泵系统技术的可持续发展带来了很大影响。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种原位土层导热系数测定仪，其利用自然形成的土层温度场，以及有热源进入土层后该温度场的变化规律，方便快捷的取得原位不同深度土层的导热系数，具有测试数据准确度高、成本经济的特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种原位土层导热系数测定仪，其特征在于：包括一可由机械贯入装置压入土层的锥形探头，所述探头由圆锥形锥头、缸筒和上接头组成，其中圆锥形锥头上设置有由同步伸缩装置控制的主探针和至少两根对应小探针，主探针内设置有加热装置，其位于锥头的中心，各小探针相对主探针等间隔均布在四周；小探针内设置有高灵敏度的温度传感器，小探针和主探针的信号导线穿过缸筒、上接头与控制仪表连接。

上述锥头在主探针和小探针之间设置有采用绝热绝缘材料制作的隔热层。

上述同步伸缩装置为一气动式结构，包括间隔固定设置在缸筒内的上密封座和下密封座，上、下密封座形成的密闭空间被一设置在主探针上的活塞芯杆分成上腔室和下腔室；所述上密封座上设置有与上腔室导通的若干个进气孔，各进气孔通过上进气管并经一上压阀与上接头的内孔连通；所述主探针穿过上、下密封座且与两者活动连接，主探针内在活塞芯杆下部设置有与下腔室导通的下进气管，下进气管通过一下压阀与上接头的内孔连通；所述主探针在下密封座下部设置有用于定位小探针的活动针座。

上述活动针座采用绝热绝缘材料制作。

上述上进气管和下进气管中部通过一气管座定位。

上述上密封座外侧与缸筒之间、上密封座内孔与主探针之间均设置有密封件。

上述下密封座与活动针座之间设置有密封圈。

上述下密封座外侧与缸筒之间、下密封座内孔与主探针之间均设置有密封环。

上述缸筒由上到下分为上缸筒、次缸筒和主缸筒。

本发明的主探针具有探测温度和加热的双重功能，各小探针则只能探测温度。

在初始状态下，活塞芯杆位于上腔室顶部极限位置，此时，主探针和小探针头部均不露出于锥头。

在使用时，用静压设备把整个探头贯入到预定检测的土层位置，而后往上接头内孔施加气压，高压气体经上进气管、上密封座的进气孔进入上密封座与活塞芯杆形成的上腔室，进而推动活塞芯杆、主探针、活动针座和小探针随气压垂直滑动下移，此时主探针和小探针逐渐从锥头中伸出插入土中，该过程直到活塞芯杆到达下腔室底部的极限位置。而后对设置在主探针中心的加热器通电源使之发热，此时热能便会向周边的土体扩散传导，位于周边与主探针等距设置的各小探针接收到热能，并传输热信号到地面上的记录仪表进行显示，完成土层该点深度的测试。

而后将高压气体通过下进气管压入下腔室，此时，之前测试伸出的主探针和小探针在高压气体的作用下就会随活塞芯杆上提，该过程直到主探针和小探针完全回缩到锥头中去，接着再次启动静压设备把探头下压，当探头贯入到下一点设定的检查深度位置时，再次通过上进气管对上腔室进行加压使主探针和小探针伸出，操作方法同上，完成该点土层深度的测试，依次类推，即可方便快捷地测定原位土层不同深度的导热系数。

在此，本发明的主探针和小探针的尺寸都比较小，当其从锥头伸出贯入探头下的土层中时，对土样的扰动很小，不会改变或破坏土样结构，且土中水分不会流失，所得的温度特性参数真实。

本发明可通过探头对不同深度的土层测试，可测试得到原位土层的不同深度的导热系数，相比传统方法和设备，具有操作方便、快捷特点。其在测试过程中，利用自然形成的土层温度场结合热源进入土层后该温度场的变化规律，方便快捷的取得原位不同深度土层的导热系数，具有测试数据准确度高、成本经济的特点。

此外，由于主探针和小探针及机械部分均由金属制造而成，其导热系数远高于土层导热系数，另一方面探头在贯入土中时摩擦产生热量，会直接扩散至探针，所以针对主探针和小探针必须采取有效的隔热措施，在本发明中，锥头在主探针和小探针之间设置有采用绝热绝缘材料制作的隔热层，定位小探针用的活动针座同样采用绝热绝缘材料制作，以避免因上述因素的存在对主探针和小探针的测试数据造成影响。

另外，为便于缸筒内部配件的安装和设置，本发明的缸筒由上到下分为上缸筒、次缸筒和主缸筒。

附图说明

图1、本发明的平面结构示意图；

图2、本发明图1中A部的局部放大示意图；

图3、本发明图1中B部的局部放大示意图；

图4、本发明图1中C部的局部放大示意图；

具体实施方式

如图1-4所示，一种原位土层导热系数测定仪，包括一可由机械贯入装置压入土层的锥形探头，所述探头由圆锥形锥头1、缸筒2和上接头3组成。其中圆锥形锥头1上设置有由同步伸缩装置控制的主探针11和至少两根对应的小探针12，主探针11内设置有加热装置111，其位于锥头1的中心，各小探针12相对主探针11等间隔均布在四周，小探针12内设置有高灵敏度的温度传感器121，小探针12和主探针11的信号导线穿过缸筒2、上接头3与控制仪表连接。

所述同步伸缩装置为一气动式结构，包括间隔固定设置在缸筒2内的上密封座4和下密封座5，上密封座4外侧与缸筒2之间设置有密封件41，下密封座5外侧与缸筒2之间设置有密封环51。上、下密封座4、5形成的密闭空间被一设置在主探针11上的活塞芯杆6分成上腔室71和下腔室72。所述上密封座4上设置有与上腔室71导通的若干个进气孔42，各进气孔42通过上进气管711并经一上压阀712与上接头3的内孔连通。所述主探针11穿过上、下密封座4、5且与两者活动连接，在此，为保证上、下腔室71、72的密封性，上密封座4内孔与主探针11之间也设置有密封件41，下密封座5内孔与主探针11之间也设置有密封环51。主探针11内在活塞芯杆6下部设置有与下腔室72导通的下进气管721，下进气管721通过一下压阀722与上接头3的内孔连通，在此，上进气管711和下进气管721中部通过一气管座73定位。所述主探针11在下密封座5下部设置有用于定位小探针12的活动针座8，活动针座8与下密封座5之间设置有密封圈9。

本发明的主探针11具有探测温度和加热的双重功能，各小探针12则只能探测温度。

在初始状态下，活塞芯杆6位于上腔室71顶部极限位置，此时，主探针11和小探针12头部均不露出于锥头1。

在使用时，用静压设备把整个探头贯入到预定检测的土层位置，而后往上接头3内孔施加气压，高压气体经上进气管711、上密封座的进气孔42进入上密封座4与活塞芯杆6形成的上腔室71，进而推动活塞芯杆6、主探针11、活动针座8和小探针12随气压垂直滑动下移，此时主探针11和小探针12逐渐从锥头1中伸出插入土中，该过程直到活塞芯杆6到达下腔室72底部的极限位置。而后对设置在主探针11中心的加热器111通电源使之发热，此时热能便会向周边的土体扩散传导，位于周边与主探针11等距设置的各小探针12接收到热能，并传输热信号到地面上的记录仪表进行显示，完成土层该点深度的测试。

而后将高压气体通过下进气管721压入下腔室，此时，之前测试伸出的主探针11和小探针12在高压气体的作用下就会随活塞芯杆6上提，该过程直到主探针11和小探针12完全回缩到锥头1中去，接着再次启动静压设备把探头下压，当探头贯入到下一点设定的检查深度位置时，再次通过上进气管711对上腔室71进行加压使主探针11和小探针12伸出，操作方法同上，完成该点土层深度的测试，依次类推，即可方便快捷地测定原位土层不同深度的导热系数。

在此，本发明的主探针11和小探针12的尺寸都比较小，当其从锥头1伸出贯入探头下的土层中时，对土样的扰动很小，不会改变或破坏土样结构，且土中水分不会流失，所得的温度特性参数真实。

本发明可通过探头对不同深度的土层测试，可测试得到原位土层的不同深度的导热系数，相比传统方法和设备，具有操作方便、快捷特点。其在测试过程中，利用自然形成的土层温度场结合热源进入土层后该温度场的变化规律，方便快捷的取得原位不同深度土层的导热系数，具有测试数据准确度高、成本经济的特点。

此外，由于主探针11和小探针12及机械部分均由金属制造而成，其导热系数远高于土层导热系数，另一方面探头在贯入土中时摩擦产生热量，会直接扩散至探针，所以针对主探针11和小探针12必须采取有效的隔热措施，在本发明中，锥头1在主探针11和小探针12之间设置有采用绝热绝缘材料制作的隔热层13，定位小探针12用的活动针座9同样采用绝热绝缘材料制作，该结构设置可有效避免因上述因素的存在对主探针11和小探针12的测试数据造成影响。

另外，为便于缸筒2内部配件的安装和设置，本发明的缸筒由上到下分为上缸筒21、次缸筒22和主缸筒23。

综上所述，本发明为一种原位土层导热系数测定仪，其利用自然形成的土层温度场结合热源进入土层后该温度场的变化规律，可方便快捷的取得原位不同深度土层的导热系数，具有测试数据准确度高、操作简单、成本经济的特点。

Claims (9)

1.一种原位土层导热系数测定仪，其特征在于：包括一可由机械贯入装置压入土层的锥形探头，所述探头由圆锥形锥头、缸筒和上接头组成，其中圆锥形锥头上设置有由同步伸缩装置控制的主探针和至少两根对应小探针，主探针内设置有加热装置，其位于锥头的中心，各小探针相对主探针等间隔均布在四周；小探针内设置有高灵敏度的温度传感器，小探针和主探针的信号导线穿过缸筒、上接头与控制仪表连接。

2.如权利要求1所述的一种原位土层导热系数测定仪，其特征在于：所述锥头在主探针和小探针之间设置有采用绝热绝缘材料制作的隔热层。

3.如权利要求1或2所述的一种原位土层导热系数测定仪，其特征在于：所述同步伸缩装置为一气动式结构，包括间隔固定设置在缸筒内的上密封座和下密封座，上、下密封座形成的密闭空间被一设置在主探针上的活塞芯杆分成上腔室和下腔室；所述上密封座上设置有与上腔室导通的若干个进气孔，各进气孔通过上进气管并经一上压阀与上接头的内孔连通；所述主探针穿过上、下密封座且与两者活动连接，主探针内在活塞芯杆下部设置有与下腔室导通的下进气管，下进气管通过一下压阀与上接头的内孔连通；所述主探针在下密封座下部设置有用于定位小探针的活动针座。

4.如权利要求3所述的一种原位土层导热系数测定仪，其特征在于：所述活动针座采用绝热绝缘材料制作。

5.如权利要求3所述的一种原位土层导热系数测定仪，其特征在于：所述上进气管和下进气管中部通过一气管座定位。

6.如权利要求3所述的一种原位土层导热系数测定仪，其特征在于：所述上密封座外侧与缸筒之间、上密封座内孔与主探针之间均设置有密封件。

7.如权利要求3所述的一种原位土层导热系数测定仪，其特征在于：所述下密封座与活动针座之间设置有密封圈。

8.如权利要求3所述的一种原位土层导热系数测定仪，其特征在于：所述下密封座外侧与缸筒之间、下密封座内孔与主探针之间均设置有密封环。

9.如权利要求1所述的一种原位土层导热系数测定仪，其特征在于：所述缸筒由上到下分为上缸筒、次缸筒和主缸筒。

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