CN102565129B - 一种在线监测冻土总含水率的平面型传感器的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种在线监测冻土总含水率的平面型传感器。该在线监测冻土总含水率的平面型传感器的壳体内底面上设置有电热薄膜，电热薄膜上端面设置有均热板，均热板上设置有温度传感器，均热板上方的壳体内填充有隔热材料，壳体侧面外壁套有隔热护套，温度传感器通过电缆与检测系统连接，电热薄膜通过电缆与检测系统连接，检测系统通过电缆与电源连接。本发明的传感器采用易于与被测土壤紧密接触的平面型结构，通过测量热流响应的方法测量介质的总含水率。解决长期连续监测冻土总含水率时所需要的性能高度稳定、抗干扰能力强的传感器，以满足诸如冻土地区的石油管道工程、铁路和公路路基工程在线监测的需要。

Description

一种在线监测冻土总含水率的平面型传感器的测量方法

技术领域：

本发明涉及寒区石油和天然气管道、铁路路基等构筑物周围冻土的总含水率监测等相关技术领域，是一种针对冻土中总含水率的平面型传感器的测量方法。

背景技术：

在石油和天然气管道工程中，特别是穿越冻土区的管道工程中，由于管道中输送的流体与管道周围冻土的温度不同以及环境温度随季节的变化，会造成冻土的冻胀和融沉，这种现象通常会引起管道的异常位移、应力变化甚至破坏。由于冻土中的总含水率是冻土冻胀和融沉的关键因素，因此，监测冻土中的总含水率的变化成为评价管道安全状态的重要手段之一。

冻土中的水分含量常用总含水率，即单位质量冻土中的含水质量（冻结和未冻结水）占总重量的比例来表达。按照测量原理，测量冻土中总含水率的方法可划分为直接法和间接法。

烘干法是最典型的直接法，通过分别测量得到的冻土样品在烘干前后的重量,直接计算出介质中的含水量。其优点是精度较高,测量范围宽。其缺点是无法在线快速测量、测量周期长。在间接的方法中，包括电导率法、电容法、热扩散法和射线法等，都是通过冻土总含水率对某种表观物理性质的依赖关系来获得的。例如，介电法（电容法）是根据土壤介电常数与总含水率的关系来测量总含水率。按照测量介电性质的技术可细分为时域反射法（TDR）、频域分解法（FDR）、驻波原理法（SWR）等。其优点是能够满足快速量测的实时性要求,缺点是测量的技术难度很大，仪器设备成本很高；不适用于冻结土壤。射线法的原理是射线直接穿过介质时能量会衰减,衰减量是总含水率的函数,通过射线探测器计数,经过校准后得出冻土总含水率。射线法的测量结果准确，缺点是需要经常校准，不适于在线监测。热扩散法的原理是冻土中的热扩散速率与其总含水率有关，通过测量介质在接收热脉冲前后的温度,通过校准可以得出冻土总含水率。该方法的优点是探头可以长期埋在地下，抗干扰能力强，适用于连续监测，缺点是测量周期长，传感器耗电量较大。

发明内容：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种在线监测冻土总含水率的平面型传感器的测量方法，本发明的传感器采用易于与被测土壤紧密接触的平面型结构，通过测量热流响应的方法测量介质的总含水率。解决长期连续监测冻土总含水率时所需要的性能高度稳定、抗干扰能力强的传感器，以满足诸如冻土地区的石油管道工程、铁路和公路路基工程在线监测的需要。

本发明采用的技术方案是：该在线监测冻土总含水率的平面型传感器的壳体内底面上设置有电热薄膜，电热薄膜上端面设置有均热板，均热板上设置有温度传感器，均热板上方的壳体内填充有隔热材料，壳体侧面外壁套有隔热护套，温度传感器通过电缆与检测系统连接，电热薄膜通过电缆与检测系统连接，检测系统通过电缆与电源连接。

本发明所涉及的传感器原理与热扩散法不同，前者是利用冻土的热扩散系数与冻土总含水率的关系来进行间接测量，而本发明是以冻土的吸热系数对总含水率依赖关系为基础。根据热传导理论中半无限介质表面在恒定热流作用下温度场的解析关系式，可以根据测量得到的传感器与冻土交界面处的温升曲线计算出冻土的吸热系数，再根据预先标定的吸热系数与总含水率的关系间接获得总含水率。

本发明的理论依据是热传导理论中半无限介质表面在恒定热流作用下温度场的解析关系式。根据热传导理论，介质内x点的温升与表面热流密度q_S、介质的热导率λ、热扩散系数a以及时间τ的关系如下：

$\mathrm{\Δt}(x,\mathrm{\τ})=\frac{q_S}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\frac{4\mathrm{a\τ}}{\mathrm{\π}}}(e^{-x^2/4\mathrm{a\τ}}-x\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{4\mathrm{a\τ}}}\mathrm{erfc}\frac{x}{\sqrt{4\mathrm{a\τ}}})---\left(1\right)$

如果计算表面（x=0处）的温度随时间的变化关系，则有

$\mathrm{\Δ}{t}_S=\frac{q_S}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\frac{4\mathrm{a\τ}}{\mathrm{\π}}}---\left(2\right)$

利用热扩散率a与热导率λ、密度ρ和比热c之间的关系a=λ/ρc，

得到

$\frac{\sqrt{\mathrm{\π}}\mathrm{\Δ}{t}_S}{2q_S}=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\λ\ρc}}}\sqrt{\mathrm{\τ}}---\left(3\right)$

在满足式（1）解析关系式的理想条件下，如果测量得到某个时刻τ的温升△t_S以及加热器的热流密度q_S，则由式（3）即可计算出吸热系数

对于多孔介质，

是总含水率的函数，因此对于给定的土壤样品，可以按照式(3)事先标定出

与总含水率的关系，在实用中再根据测得的吸热系数计算出对应的总含水率。

在实际的传感器中，由于温度测量可能存在的误差以及传感器本身的热惯性，并不能完全满足式（1）的前提条件，必须采取控制误差影响的数据处理方法。首先，根据式（3）可知温升

与时间

成线性关系，根据测量得到一系列的温升

与时间τ⁽ⁱ⁾，获得

的直线，该直线的斜率就是吸热系数的倒数由于吸热系数是总含水率的单调函数，因此斜率与总含水率就是一一对应的。

图2是根据实验数据整理出来的典型土壤

随总含水率的变化情况。图中表明

与介质的总含水率几乎成线性关系，这给传感器的标定带来了很大的便利。图3是对典型粒径含冰冻土的实验后整理出来的结果，图中拟合得到的直线斜率的倒数即为吸热系数

图3还表明的斜率对总含水率非常敏感。实际应用中，应采用线性回归的方法计算

的斜率，以减小测量误差的影响。

本发明具有如下有益效果：本发明通过传感器中的薄膜型加热器的定期对介质恒热流加热，并在一个测量周期内测量传感器和冻土交界处的温度变化，根据加热器的功率、温度变化规律获得吸热系数，再在实验室内预先标定的吸热系数与总含水率的关系计算出介质的总含水率。本发明提出的冻土总含水率传感器的原理简单，所测量的物理量与总含水率关系的线性度好，传感器校准方便，测量重复性好；传感器制造成本低廉，所采用硬件均属于市场上常用的材料和器件，极易获得。

采用本发明提出的传感器方法仅需要定时控制加热、定时测量温度、电流和电压三种物理量，因此检测系统（二次表）易于构建或制造，采用适当的二次表就可以实现自动监测而无需人工干预。根据本项发明提出的方法所制造的检测系统具有数据量小、占用资源少、算法简单、计算快捷的优点，极便于制成实现小型化的便携式仪器；可以在扩充了总线通信功能后实现远程分布式系统，可以用于同时检测多个测点的总含水率；在扩充了网络通讯功能后还可以实现网络化分布式检测和监测。

附图说明：

图1是传感器的结构示意图；

图2是

与总含水率的依赖关系图；

图3是不同含水率时的

关系图；

图4是校准斜率图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明进一步说明：

传感器置于被测介质1上，用侧面加绝缘胶带的圆形康铜薄膜作为电热薄膜2，电热薄膜2上端面设置有均热板3，圆形薄铝板制成均热板3,均热板3上设置有温度传感器4，均热板3上方的壳体6内填充有用聚苯乙烯泡沫圆柱作的隔热材料5，以上部件封闭安装在不锈钢薄板冲压制成的壳体6内,尼龙管切削制成隔热护套7用以防止侧向隔热,温度传感器4通过电缆与检测系统8连接，电热薄膜2通过电缆与检测系统8连接，检测系统8通过电缆与电源连接进行测量控制、数据采集和处理。电源可以采用12VDC蓄电池供电，以便制成便携式仪表。检测系统8购自台湾泓格科技有限公司。

本发明涉及的传感器用于测量与传感器接触的介质，如冻土、粉状物料等。

将传感器与被测沙土紧密接触，由检测系统8启动并控制传感器中的电热薄膜2的加热，通过温度传感器4测量均热板3的温度，根据预先设定的时间步长和测量时间记录自加热开始的时间τ⁽ⁱ⁾、温度t_S ⁽ⁱ⁾、电热薄膜2的电压V⁽ⁱ⁾和通过的电流I⁽ⁱ⁾的序列（隔热材料5，保护外壳6和隔热护套7是测量条件的保证性措施）；测量结束后，计算出温升序列△t_S ⁽ⁱ⁾=t_S ⁽ⁱ⁾-t_S ⁽⁰⁾、单位面积的加热功率q_S ⁽ⁱ⁾=V⁽ⁱ⁾I⁽ⁱ⁾/A（A是薄膜加热器的面积）以及

采用线性回归的方法拟合

直线，得到该直线的斜率

根据预先校准的

与总含水率的关系，获得介质的总含水率。

本发明的传感器在使用时，要针对被测的介质进行预校准。具体的过程是：

（1）将样品烘干称重得到干样品重量W₀（典型值为3kg）；

（2）根据总含水量的定义,掺入一定重量的水W_W，得到总含水率为 $\mathrm{\ω}=\frac{W_W}{W_0+W_W}$ 的样品；

（3）重复步骤（1）、（2）可以得到不同总含水率的系列样品；

（4）将样品静置一段时间（典型时间为48小时）；

（5）对于不同含水率ω⁽ⁱ⁾的样品，按照3.测量过程中的（1）—（4）步骤，获得 $K^{\left(i\right)}=1/{\sqrt{\mathrm{\λ\ρc}}}^{\left(i\right)}$ 及

重复（5）中的实验，进而通过线性回归得到ω⁽ⁱ⁾ 的关系。本例中针对沙土的典型结果为

将测量得到

关系的数据进行线性回归，即可得到拟合直线的斜率，图中的斜率为k=1.754×10^-4, $\sqrt{\mathrm{\λ\ρc}}=1/k=1/1.806\×{10}^{-4}=5537.1,$ 根据预先校准的

与总含水率的关系，计算得到 $\mathrm{\ω}=-0.001275\×\sqrt{\mathrm{\λ\ρc}}+7.2615=-0.001275\×5537.1+7.2615=0.2016,$ 与烘干法得到的数据的绝对偏差为0.016。对总含水率ω=0.19（烘干法）沙土样品测量结果。

Claims (2)

1.一种在线监测冻土总含水率的平面型传感器的测量方法，其特征在于：壳体(6)内底面上设置有电热薄膜(2)，电热薄膜(2)上端面设置有均热板(3)，均热板(3)上设置有温度传感器(4)，均热板(3)上方的壳体(6)内填充有隔热材料(5)，壳体(6)侧面外壁套有隔热护套(7)，温度传感器(4)通过电缆与检测系统(8)连接，电热薄膜(2)通过电缆与检测系统(8)连接，检测系统(8)通过电缆与电源连接；所述的电热薄膜(2)为侧面加绝缘胶带的圆形康铜薄膜，所述的均热板(3)由圆形薄铝板制成，镍铬—镍硅热电偶作为温度传感器(4)，壳体(6)由铝合金薄板冲压制成；

将上述的平面型传感器与被测介质紧密接触，由检测系统（8）启动并控制电热薄膜（2）加热，通过温度传感器（4）测量均热板（3）的温度，根据预先设定的时间步长和测量时间记录自加热开始的时间τ⁽ⁱ⁾、温度t_S ⁽ⁱ⁾、电热薄膜（2）的电压V⁽ⁱ⁾和通过的电流I⁽ⁱ⁾的序列；测量结束后，计算出温升序列△t_S ⁽ⁱ⁾=t_S ⁽ⁱ⁾-t_S ⁽⁰⁾、单位面积的加热功率q_S ⁽ⁱ⁾=V⁽ⁱ⁾I⁽ⁱ⁾/A，以及

其中A是薄膜加热器的面积；采用线性回归的方法拟合

直线，得到该直线的斜率

根据预先校准的

与总含水率的关系，获得介质的总含水率；所述的λ为热导率、ρ为密度、c为比热。

2.根据权利要求1所述的在线监测冻土总含水率的平面型传感器的测量方法，其特征在于：所述的预先校准的

与总含水率的关系的过程：

（1）将被测介质样品烘干称重得到干样品重量W₀；

（2）根据总含水量的定义,掺入一定重量的水W_W，得到总含水率为 $\mathrm{\ω}=\frac{W_W}{W_0+W_W}$ 的样品；

（3）重复步骤（1）、（2）可以得到不同总含水率的系列样品；

（4）将样品静置48小时；

（5）对于不同含水率ω⁽ⁱ⁾的样品，按照上述测量过程中的（1）～（4）步骤，获得 $K^{\left(i\right)}=1/{\sqrt{\mathrm{\λ\ρc}}}^{\left(i\right)}$ 及

重复（5）中的实验，通过线性回归得到ω⁽ⁱ⁾

的关系。

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