CN102628817B - 一种无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪，电源连接管道式电加热器、变频器、智能电量变送器和数据采集模块以供电，管式电加热器的供电线路上按照电流方向依次安装有接触器、可控硅调压器和智能电量变送器；供水管路的进水口和回水管路的出水口分别连接管道式电加热器；在供水管路上按照水流方向依次安装有水流开关、第三温度传感器、第二流量传感器和第四温度传感器；在回水管路上按照水流方向依次安装有第一温度传感器、变频循环水泵、第一流量传感器和第二温度传感器，变频循环水泵与变频器连接并由变频器驱动；本发明实现了岩土热物性参数的自动测量、故障自动诊断、自动报警和干扰自动消除，减少了人力物力，大大降低了实验测试成本。

Description

一种无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪

技术领域

本发明属于地源(土壤源)热泵领域，具体涉及一种无人看管型地源热泵岩土热物性测试仪。

背景技术

浅层地表岩土热物性对地源热泵系统性能影响最大，是土壤源热泵系统设计和研究过程中最基本、最重要的参数。通过岩土热响应测试可以获得岩土热物性参数(如土壤换热系数、钻孔热阻等)，这些参数直接影响这地源热泵系统的投资和运行效果。岩土热响应测试已成为当前土壤源热泵埋管换热器数量和长度设计的前期准备基础，通过测试获得的岩土热物性参数可为地热分析和设计提供有价值的数据参考。

根据国家标准《地源热泵系统工程技术规范》(GB50366-2009)规定，岩土热响应试验应连续不间断，持续时间不宜少于48小时。这对岩土热物性测试仪提出了严格要求。为满足此要求，需要土壤源热泵岩土热物性测试仪具有很强的鲁棒性，并且要求现场有人看管设备。岩土热物性测试过程中，土壤源热泵岩土热物性测试仪不应出现故障，否则需要重新实验。另外，在实验现场受其他施工点的影响，往往供电电压会出现不平稳的情况。这种电压波动势必会影响流体流速和加热器功率的变化，而且电磁干扰会对传感器测量值的精度产生影响。目前，一般地源热泵岩土热物性测试仪不具有远程测控和自我故障诊断功能。为保证实验安全顺利进行，需要现场人员看管地源热泵岩土热物性测试仪，但这势必增加了人力物力，提高了实验成本；而且，目前的土壤源热泵岩土热物性测试仪均没有供电保障措施来消除电压波动的影响。

发明内容

为了克服现有的地源热泵岩土热物性测试仪不能远程测控和不能自我故障诊断的缺陷，本发明公开了一种无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪，该装置通过对地源热泵岩土热物性测试仪的无线远程监测与控制，现场无人看管且不受距离限制。实现了岩土热物性参数的自动测量、故障自动诊断、自动报警和干扰自动消除，减少了人力物力，大大降低了实验测试成本。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决方案：

一种无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪，其特征在于，包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、声音传感器、管道式电加热器、供水管路、回水管路、变频循环水泵、可控硅调压器、变频器、智能电量变送器、电源、数据采集模块、GPRS数据传输模块、接触器、水流开关和计算机；

所述电源连接管道式电加热器、变频器、智能电量变送器和数据采集模块以供电，其中，管式电加热器的供电线路上按照电流方向依次安装有接触器、可控硅调压器和智能电量变送器；供水管路的进水口和回水管路的出水口分别连接管道式电加热器；在供水管路上按照水流方向依次安装有水流开关、第三温度传感器、第二流量传感器和第四温度传感器；在回水管路上按照水流方向依次安装有第一温度传感器、变频循环水泵、第一流量传感器和第二温度传感器，变频循环水泵与变频器连接并由变频器驱动；其中，第二温度传感器位于管道式电加热器的入水口处，水流开关和第三温度传感器位于管道式电加热器的出水口处；

第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、声音传感器、可控硅调压器、变频器、智能电量变送器、电源、GPRS数据传输模块、接触器和水流开关分别与数据采集模块连接；数据采集模块通过GPRS数据传输模块与计算机进行无线通信。

本发明还包括如下其他技术特征：

所述温度传感器、第三温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、声音传感器、管道式电加热器、变频循环水泵、变频器和智能电量变送器安装在一个箱体内，供水管路、回水管路的一部分也位于该箱体内。

所述数据采集模块采用ADAM6024。

所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、声音传感器、可控硅调压器、变频器、智能电量变送器、GPRS数据传输模块、接触器和水流开关均通过屏蔽信号线与数据采集模块连接。

本发明的有益效果是，可实现无线远程测量，在无人看管情况下实现多工况测量；可实现自动故障诊断、恒加热功率、恒流量的闭环控制，保证测量精度，有效提高地源热泵岩土热物性工作效率，减少人力物力，降低测试成本。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明无线数据采集与系统控制示意图。

图3是基于数据融合技术的自动故障诊断原理图。

图4是本发明的电气连接原理图。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明的无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪，包括第一温度传感器1、第二温度传感器2、第三温度传感器3、第四温度传感器4、第一流量传感器5、第二流量传感器6、声音传感器7、管道式电加热器8、供水管路9、回水管路10、变频循环水泵11、可控硅调压器12、变频器13、智能电量变送器14、电源16、数据采集模块17、GPRS数据传输模块18、接触器19、水流开关20和计算机21。

如图4所示，电源16连接管道式电加热器8、变频器13、智能电量变送器14和数据采集模块17以供电，其中，管式电加热器8的供电线路上按照电流方向依次安装有接触器19、可控硅调压器12和智能电量变送器14；供水管路9的进水口和回水管路10的出水口分别连接管道式电加热器8；在供水管路9上按照水流方向依次安装有水流开关20、第三温度传感器3、第二流量传感器6和第四温度传感器4；在回水管路10上按照水流方向依次安装有第一温度传感器1、变频循环水泵11、第一流量传感器5和第二温度传感器2，变频循环水泵11与变频器13连接并由变频器13驱动；其中，第二温度传感器2位于管道式电加热器8的入水口处，水流开关20和第三温度传感器3位于管道式电加热器8的出水口处；

供水管路9的出口端和回水管路10的入口端分别连接地源热交换器15(地埋管)。

上述部件中，温度传感器2、第三温度传感器3、第一流量传感器5、第二流量传感器6、声音传感器7、管道式电加热器8、变频循环水泵11、变频器13和智能电量变送器14安装在一个箱体内，供水管路9、回水管路10的一部分也位于该箱体内。

数据采集模块17采用ADAM6024。

变频循环水泵11包括第一变频循环水泵和第二变频循环水泵，第一变频循环水泵和第二变频水泵一用一备。

变频循环水泵11与管道式电加热器8形成连锁，即：利用水流开关20检测供水管道9中是否有水流，当检测到没有水流时，计算机21通过无线网路向数据采集模块17发出控制信号，数据采集模块17将控制信号发给串联在管道式电加热器8供电线路中的接触器19和可控硅调压器12，切断电源，防止管道式电加热器8空烧。

第一温度传感器1、第二温度传感器2、第三温度传感器3、第四温度传感器4、第一流量传感器5、第二流量传感器6、声音传感器7、可控硅调压器12、变频器13、智能电量变送器14、电源16、GPRS数据传输模块18、接触器19和水流开关20分别与数据采集模块17连接；所有测量信号，如温度、流量、加热器功率和声量均通过屏蔽信号线连接至数据采集模块17，数据采集模块17将接收到的模拟信号转换为数字信号。数据采集模块17通过GPRS数据传输模块18与计算机21进行无线通信。图2中，AI为模拟量输入；DI为开关量输入；AO为模拟量输出；DO为开关量输出。

本发明中，各部件的作用或设计意图如下：

在管道式电加热器8的进出口和供、回水管路上均安装两个温度测点(4个温度传感器均由计量单位标定)，保证温度测量的冗余度和准确性；在供、回水管上(管道式电加热器8的进出口处)各安装一个流量传感器测量循环水流量。

所有传感器输出标准电流信号直接发送给数据采集模块17。可控硅调压器12可接受数据采集模块17输出的0～5V控制信号，实现对管道式电加热器8功率0～9kW的连续调节，并利用智能电量变送器14实时监测管道式电加热器8的实际功率，为热流量计算提供参考依据。数据采集模块17具有多路数字输入和接触器19的输出信号，可实现对流量开关20、变频循环水泵11的状态监测控制。在回水管路10上安装变频循环水泵11，为变频循环水泵11配备了变频器13，变频器可接受数据采集模块170～5V的控制信号以实现水流速和流量的连续调节，且节能。计算机21(上位机)具有良好的人机界面，易操作，易扩展，运行闭环控制算法、数据融合算法，对采集数据进行实时显示、历史数据显示，在线处理数据获得岩土热物性参数。

本发明的工作过程如下：

数据采集模块17通过GPRS数据传输模块18将现场数据发送到远端网络中的计算机21，计算机21实时记录现场信号，并根据现场信号的状况发出控制信号，控制信号通过GPRS无线网络发送给GPRS数据传输模18，GPRS数据传输模块18与数据采集模块17通信，由数据采集模块17下发到变频器13和可控硅调压器12，实现流体流量和加热功率的控制。计算机21运行上位专用软件，对所有温度、流量和功率值可进行实时曲线显示、历史趋势曲线显示和数据记录、处理，利用测量数据实时在线计算岩土热物性参数。计算机21通过水流开关20采集的信号判断流体是否流动，如果没有流动，则通过GPRS数据传输模块18向数据采集模块17发送控制信号，该控制信号控制可控硅调压器12和接触器19联合动作对管道式电加热器8的功率进行控制，防止管道式电加热器8空烧，起到保护设备。

在计算机21中设定流体流量，对流量实现闭环反馈控制，在外界干扰(如电压波动时)下可保证实际流量与设定期望值一致。管内流体被变频循环水泵11输送并被管道式加热器8加热后送入地埋管热交换器15。设定管道式加热器8的功率，对加热功率实现闭环反馈控制，可克服现场电压波动实现恒功率控制。利用温度传感器监测流体温度，流量传感器监测流体流量，智能电量变送器监测加热器功率。流体被管道式加热器8加热后，依次经过水流开关20、第三温度传感器3、第二流量传感器6、第四温度传感器4、供水管路9、地埋管15(地源热泵热交换器)、回水管路10、第一温度传感器1、第一流量传感器5、第二温度传感器2，变频循环水泵11，最后循环回到管道式加热器8。被加热的流体经过地源热交换器15与土壤发生热交换，对土壤进行放热后，回水温度低于供水温度。这样不断循环，经过一定时间后，达到传热平衡。利用所有传感器测量值可以计算岩土热物性参数。

供回水温差ΔT可用以下公式计算：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{T3+T4-T1-T2}{2}---\left(1\right)$

式中，T1，T2，T3，T4分别代表第一温度传感器1、第二温度传感器2、第三温度传感器3和第四温度传感器4的测量值。

图3给出了应用本发明的装置，基于数据融合技术的自动故障诊断原理图。数据融合算法在远端计算机上实现。收集所有温度、流量、加热功率、声量等模拟输入信号和所有水流开关、供电主线路接触器触点等开关量信号，根据所有模拟输入量和开关输入量的信息，利用数据融合技术判断是否出现故障，如果出现故障则发出声光报警。如利用声音传感器测量现场和设备正常运行时的声量，以该声量为设备正常运行的基准声量。设定声量报警的上下限范围。如果检测到现场声音超过该范围，并保持一定时间仍未消失，同时，考虑现场其他模拟量和开关量数据，来判断是否出现故障。即利用数据融合技术进行故障诊断，如出现故障则及时报警，并自动切断电源，避免严重事故发生。

本发明的特点之一是可进行测量数据的实时曲线显示和记录，并可进行历史数据查询调用，自行开发热响应分析软件，对数据可实时进行自动分析处理，获得换热数据和土壤物性参数等；特点之二是热泵地埋管内水流量和加热功率可根据需要进行连续调节，以实现不同负荷工况下土壤热物性的测量，并将结果进行对比，提高测量精度；特点之三是系统具有自动数据分析功能，可根据采集到的数据在线分析计算，获得土壤热物性参数；特点之四是可自动故障诊断。

Claims (4)

1.一种无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪，其特征在于，包括第一温度传感器（1）、第二温度传感器（2）、第三温度传感器（3）、第四温度传感器（4）、第一流量传感器（5）、第二流量传感器（6）、声音传感器（7）、管道式电加热器（8）、供水管路（9）、回水管路（10）、变频循环水泵（11）、可控硅调压器（12）、变频器（13）、智能电量变送器（14）、电源（16）、数据采集模块（17）、GPRS数据传输模块（18）、接触器（19）、水流开关（20）和计算机（21）；

所述电源（16）连接管道式电加热器（8）、变频器（13）、智能电量变送器（14）和数据采集模块（17）以供电，其中，管道式电加热器（8）的供电线路上按照电流方向依次安装有接触器（19）、可控硅调压器（12）和智能电量变送器（14）；供水管路（9）的进水口和回水管路（10）的出水口分别连接管道式电加热器（8）；在供水管路（9）上按照水流方向依次安装有水流开关（20）、第三温度传感器（3）、第二流量传感器（6）和第四温度传感器（4）；在回水管路（10）上按照水流方向依次安装有第一温度传感器（1）、变频循环水泵（11）、第一流量传感器（5）和第二温度传感器（2），变频循环水泵（11）与变频器（13）连接并由变频器（13）驱动；其中，第二温度传感器（2）位于管道式电加热器（8）的入水口处，水流开关（20）和第三温度传感器（3）位于管道式电加热器（8）的出水口处；

第一温度传感器（1）、第二温度传感器（2）、第三温度传感器（3）、第四温度传感器（4）、第一流量传感器（5）、第二流量传感器（6）、声音传感器（7）、可控硅调压器（12）、变频器（13）、智能电量变送器（14）、电源（16）、GPRS数据传输模块（18）、接触器（19）和水流开关（20）分别与数据采集模块（17）连接；数据采集模块（17）通过GPRS数据传输模块（18）与计算机（21）进行无线通信。

2.如权利要求1所述的无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪，其特征在于，所述第二温度传感器（2）、第三温度传感器（3）、第一流量传感器（5）、第二流量传感器（6）、声音传感器（7）、管道式电加热器（8）、变频循环水泵（11）、变频器（13）和智能电量变送器（14）安装在一个箱体内，供水管路（9）、回水管路（10）的一部分也位于该箱体内。

3.如权利要求1所述的无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪，其特征在于，所述数据采集模块（17）采用ADAM6024。

4.如权利要求1所述的无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪，其特征在于，所述第一温度传感器（1）、第二温度传感器（2）、第三温度传感器（3）、第四温度传感器（4）、第一流量传感器（5）、第二流量传感器（6）、声音传感器（7）、可控硅调压器（12）、变频器（13）、智能电量变送器（14）、GPRS数据传输模块（18）、接触器（19）和水流开关（20）均通过屏蔽信号线与数据采集模块（17）连接。

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