CN102818818B - 一种实验用砂土介质热传导特性探测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种实验用砂土介质热传导特性探测系统，包括：主机、电控加热测量装置及开关阵列。电控加热测量装置包括加热棒和温度传感器，主机包括处理器和测控单元，开关阵列包括至少四个电极开关，每个电极开关包括电极、开关和开关测控装置，处理器向电控加热测量装置发送第一控制指令，控制加热棒对砂土介质加热，并且处理器向开关阵列发送第二控制指令，开关测控装置根据第二控制指令改变与其连接的开关的状态以响应改变与该开关连接的电极的电气参数，温度传感器测量砂土介质的温度，测控单元测量处于供电状态的电极的电气参数，开关测控装置测量处于测量状态的电极的电气参数。本申请提供的探测系统，结构简单、测量精度高且故障率低。

Description

一种实验用砂土介质热传导特性探测系统

技术领域

本发明涉及数据探测技术领域，尤其涉及一种实验用砂土介质热传导特性探测系统。

背景技术

近年来，随着我国经济建设的飞速发展，人民生活水平极大提高，能源消耗也急剧增加。在新能源中，地热能、风能、太阳能和潮汐能等，都是清洁、可再生的新能源。其中，在地热能利用的研究领域中，地源热泵(GroundSource Heat Pump，GSHP)技术具有很广阔的前景和发展潜力。

由于地源热泵系统的整体性能与当地岩土体的热物性参数密切相关，因此，研究并获取岩土体的热物性参数是地源热泵系统设计和应用的前提，也是当前浅层地热能利用技术推广的难点。岩土体的热物性参数包括：导热系数、比热和热扩散系数等，而导热系数是衡量地层换热能力的重要参数，即衡量地层特传导特性的重要参数，其主要取决于地层的成分、密度、温度和含水量等，而地层的成分、密度、温度和含水量等又与岩土体的电特性密切相关。为了研究岩土体的热物性参数，需要通过室内实验实时同步测量砂土介质的热物性参数和其电性参数。

然而，目前并不存在可以实时同步测量砂土介质的热物性参数和电性参数的装置。

发明内容

本发明提供了一种实验用砂土介质的热传导特性探测系统，用以解决目前并不存在专门室内实验用的可实时探测砂土介质的热物性参数和电性参数的装置的问题，其技术方案如下：

一种实验用砂土介质热传导特性探测系统，其特征在于，包括：主机、分别与所述主机相连的电控加热测量装置和开关阵列；

所述主机包括：互相连接的处理器和测控单元；

所述电控加热测量装置包括：加热棒和温度传感器；

所述开关阵列包括至少四个电极开关，所述开关阵列中的所有电极开关级联，每个所述电极开关包括：电极、开关和开关测控装置，其中，所述开关测控装置与所述开关连接，所述开关与所述电极连接；

所述处理器向所述电控加热测量装置发送第一控制指令，控制所述电控加热测量装置利用所述加热棒对砂土介质进行加热，并且，所述处理器向所述开关阵列发送第二控制指令，控制所述开关测控装置改变与其连接的开关的状态以响应改变与该开关连接的电极的电气参数；

所述温度传感器测量砂土介质的温度，所述处理器根据加热时间和与所述加热时间对应的温度计算砂土介质的导热系数；

所述测控单元测量处于供电状态的电极的电气参数；

所述开关测控装置测量测量处于测量状态的电极的电气参数。

所述处于供电状态的电极包括：处于第一供电状态的第一电极和处于第二供电状态的第二电极；所述处于供电状态的电极的电气参数包括：通过所述第一电极与所述第二电极供出的全时域供电电流，供电电流为正负双向方波供电；

所述处于测量状态的电极包括：处于第一测量状态的第三电极和处于第二测量状态的第四电极；所述处于测量状态的电极的电气参数包括：所述第三电极和所述第四电极间的全时域测量电压。

所述主机与所述开关阵列通过一根多芯电缆连接，其中：

所述多芯电缆中至少包括：4根控制流与数据传输线和2根高压供电线。

所述开关测控装置包括：控制器，分别和所述控制器相连的数据采集装置、供电输出控制单元和传输接口；

所述控制器通过所述传输接口接收所述处理器发送的第二控制指令，并根据所述控制指令获取电极的状态：

如果所述电极的状态为供电状态，则向所述供电输出控制单元发送供电控制指令，供电输出控制单元控制与其自身所在的开关测控装置连接的开关闭合，以使与该开关连接的电极和一根所述高压供电线接通，所述主机测量处于供电状态的电极的电气参数；

如果所述电极的状态为测量状态，则向所述数据采集装置发送测量控制指令，控制与自身所在的开关测控装置连接的开关闭合，以使与该开关连接的电极与所述数据采集装置接通，所述数据采集装置测量处于测量状态的电极的电气参数。

可选的，所述主机还包括：与所述处理器相连，实时显示所述砂土介质的温度和所述电极的电气参数的显示单元。

可选的，所述主机还包括：与所述处理器相连，存储所述砂土介质的温度和所述电极的电气参数的存储器。

可选的，所述主机还包括：与所述处理器相连，检测所述电控加热测量装置和开关阵列中各个电极开关是否正常工作的检测单元。

优选地，所述开关阵列包括12个电极开关单元，每个所述电极开关单元包括12个极距为4cm的电极开关。

优选地，所述开关阵列为0.6m×0.6m×0.08m的密封开关阵列。

本发明提供了一种专门的室内实验用砂土介质的热传导特性探测系统，该探测系统可实时测量在加热过程中砂土介质的热物性参数以及电性参数，通过砂土介质的热物性参数、电性参数以及二者的相关性可反映砂土介质的热传导特性。本发明提供的探测系统结构简单、稳定性好、测量精度高、故障率低，且易于操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的实验用砂土介质的热传导特性探测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的热传导特性探测系统中电极开关的结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的电极开关中开关测控装置的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的实验用砂土介质的热传导特性探测系统的结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种专门的室内实验用的砂土介质的热传导特性探测系统，图1为该系统的结构示意图，该系统可以包括：主机1，分别和主机1相连的开关阵列2和电控加热测量装置3，其中：

电控加热测量装置3包括加热棒和温度传感器。主机包括：互相连接的处理器11和测控单元12。开关阵列2放置于待测量的砂土介质上，开关阵列2包括至少四个电极开关，开关阵列中的所有电极开关顺序级联，每个电极开关包括：开关测控装置21、开关22和电极23，图2为电极开关的结构示意图，开关测控装置21与开关22连接，开关22与电极23连接。此外，在本实施例中，主机1与12V电源相连，电源用于向主机1供电，且测量时通过供电电极向外供电。

在本实施例中，主机1的处理器11向电控加热测量装置3发送第一控制指令，电控加热测量装置3根据第一控制指令控制加热棒对砂土介质进行加热，温度传感器实时测量砂土介质的温度，主机1的处理器11根据加热时间和与加热时间对应的温度计算砂土介质的导热系数。并且，主机1的处理器11向开关阵列2发送控制指令，开关阵列2中的每个开关测控装置根据控制指令改变与其连接的开关的状态以响应改变与该开关连接的电极的电气参数。主机的测控单元测量处于供电状态的电极的电气参数，开关测控装置测量处于测量状态的电极的电气参数。

在本实施例中，电控加热测量装置3根据第一控制指令控制加热棒利用恒流方式进行电控加热，处理器11下发第二控制指令至开关阵列2中所有的电极开关，每个电极开关中的开关测控装置根据第二控制指令控制与其连接的开关的状态，从而进一步控制与该开关连接的电极的状态，其中，电极的状态包括：第一供电状态、第二供电状态、第一测量状态、第二测量状态和空闲状态。此外，用户通过主机可以设定测量方式、开关阵列中电极的状态，供电时间、测量次数等，主机的处理器下发控制指令至开关阵列，该控制指令包含有数据测量方式、电极状态等信息，开关阵列的开关测控装置根据接收的第二指令控制开关的状态，进而控制电极的状态，开关测控装置和主机的测控单元按设定的测量方式、测量次数等进行测量。本实施中的测量方式可以包括：全测量方式、十字交叉测量方式和垂直剖面测量方式。

本实施例中处于供电状态的电极包括：处于第一供电状态的第一电极和处于第二供电状态的第二电极，处于测量状态的电极包括：处于第一测量状态的第三电极和处于第二测量状态的第四电极，测量时，四个电极须同时工作。处于供电状态的电极的电气参数包括：通过第一电极与第二电极供出的全时域供电电流，其中，供电电流为正负双向方波的供电电流，其占空比为1：1，且第一电极与第二电极的供电时间1s，2s，4s，8s，16s，32s，64s，128s分档可选；处于测量状态的电极的电气参数包括：第三电极和第四电极间的全时域测量电压。

主机与开关阵列可通过一根多芯电缆连接，其中，该多芯电缆至少包括4芯控制流与数据传输线和2芯高压供电线。

图2示出了本发明实施例提供的开关阵列中一个电极开关的开关测控装置21的一结构示意图。本实施例中的开关测控装置21可以包括：控制器211，分别和控制器211相连的传输接口212、供电输出控制单元213、数据采集装置214。

其中，控制器211通过传输接口212接收处理器11发送的第二控制指令，并根据第二控制指令获取电极23的状态：

如果电极23的状态为供电状态，则控制器211向供电输出控制单元213发送供电控制指令，供电输出控制单元213控制与其自身所在的开关测控装置21连接的开关22闭合，以使与该开关22连接的电极23和一根高压供电线接通，主机1测量处于供电状态的电极23的电气参数，具体地：

如果电极的状态为第一供电状态，则控制器211向供电输出控制单元213发送第一供电控制指令，供电输出控制单元213控制与其自身所在的开关测控装置21连接的开关22闭合，以使与该开关22连接的电极23和一根高压供电线接通，此时，电极23的状态即为第一供电状态，该电极23即为第一电极，需要说明的是，在测量数据时，开关阵列中使用两个电极供电，两个电极测量，也即，当电极23为第一供电状态时，开关阵列中必定存在另一个处于第二供电状态的第二电极，主机的测控单元12测量流经第一电极和第二电极的电流。相应的，如果电极的状态为第二供电状态，则控制器211向供电输出控制单元213发送第二供电控制指令，供电输出控制单元213控制与其自身所在的开关测控装置21连接的开关22闭合，以使与该开关22连接的电极23和一根高压供电线接通，此时，电极23的状态即为第二供电状态，该电极23即为第二电极。

如果电极23的状态为测量状态，则控制器211向数据采集装置214发送测量控制指令，控制与自身所在的智能控制装置21连接的开关22闭合，以使与该开关22连接的电极23与数据采集装置214接通，数据采集装置测量处于测量状态的电极的电气参数，具体地：

如果电极23的状态为第一测量状态，则控制器211向数据采集装置214发送第一测量控制指令，控制与自身所在的智能控制装置21连接的开关22闭合，以使与该开关22连接的电极23与数据采集装置214接通，此时，电极23的状态即为第一测量状态，该电极23即为第三电极，数据采集装置214测量该处于第一测量状态的电极23与处于第二测量状态的第四电极间的电动势。相应的，如果电极23的状态为第二测量状态，则控制器211向数据采集装置214发送第二测量控制指令，控制与自身所在的智能控制装置21连接的开关22闭合，以使与该开关22连接的电极23与数据采集装置214接通，此时，电极23的状态即为第二测量状态，该电极23即为第四电极，由处于第一测量状态的第三电极所在的电极开关的数据采集装置测量处于第一测量状态的第三电极与处于第二测量状态的第四电极23间的电动势。

在本实施例中，设定由第三电极所在的电极开关的数据采集装置测量第三电极和第四电极间的电动势，即第三电极和第四电极间的全时域测量电压。当然本实施例并不限定于此，也可由第四电极所在的电极开关的数据采集装置测量第三电极和第四电极间的电动势，只要通过数据采集装置能够测量出两个电极的电动势都是本发明保护的范围。

当测量完一组数据时，按设定的测量方式改变第一电极、第二电极、第三电极和第四电极的位置，位置的改变是根据处理器的控制命令改变开关阵列中电极的状态实现的，即通过主机可设置供电电极和测量电极的位置。此外，主机1的处理器11还可根据全时域供电电压与全时域供电电流，获取各测点的电阻率、频散率以及二次场电位衰减特征等多个电性参数。

通过本发明提供的室内实验用砂土介质的热传导特性探测系统，可同时测量在加热过程中砂土介质的导热系数以及电极的电气参数，通过砂土介质的导热系数、电极的电气参数以及二者的相关性可反映砂土介质的热传导特性。本发明提供的探测系统结构简单、稳定性好、测量精度高、故障率低，且易于操作。

实施例二

本发明实施例二提供了一种实验用砂土介质的热传导特性探测系统，图4为该系统的结构示意图，该系统同样包括：相连接的主机1及开关阵列2，与实施例一不同的是，本实施例二提供的系统中，主机1除了包括：处理器11和测控单元12之外，还包括：分别和处理器11相连的检测单元13、显示单元14和存储器15。

本实施例中的开关阵列2包括：12个电极开关单元，每个电极开关单元包括12个电极开关，开关阵列中的所有电极开关串联，与实施例一相同，每个电极开关均包括：开关测控装置21、开关22和电极23，开关测控装置21与开关22连接，开关22与电极23连接。此外，在本实施例中，主机1与12V电源相连，电源用于向主机1供电，且测量时通过供电电极向外供电。

主机1的检测单元13检测开关阵列中的电极开关是否正常工作，同时，检测单元13还用于检测电控加热测量装置3是否正常工作，如果电控加热测量装置3和开关阵列2中的电极开关全部正常，则处理器11向电控加热测量装置3发送第一控制指令，控制加热棒对待测量砂土介质进行加热，同时，温度传感器实时测量砂土介质的温度，并将测量的温度数据发送至主机1的处理器11，处理器11根据加热棒的加热时间和在加热时间内砂土介质的温度计算砂土介质的导热系数，显示单元14可实时显示砂土介质的温度和导热系数。并且，砂土介质的温度和导热系数可存储与主机1的存储器15中。

在电控加热测量装置3对待测量砂土介质进行加热的同时，处理器11向开关阵列2发送第二控制指令，开关测控装置根据第二控制指令改变与其连接的开关的状态以响应改变与该开关连接的电极的电气参数。主机的测控单元测量处于供电状态的电极的全时域供电电流，开关测控装置测量处于测量状态的电极的全时域测量电压。主机1的处理器11根据全时域供电电流和全时域测量电压计算各测点的电阻率、频散率以及二次场电位衰减特征等多个电性参数。主机1的显示单元14可实时显示全时域供电电流、全时域测量电压、电阻率、频散率以及二次场电位衰减特征等多个电性参数。并且，上述电性参数可存储于主机1的存储器15中。

通过上述获取的导热系数和电阻率等参数可以得知砂土介质的热物性参数与电性参数的关系。

需要说明的是，本发明实施例二中，主机的测控单元与开关测控装置测量电极的电极参数的过程与实施例一相同，在此不作赘述，详情可参见实施例一。

在本实施例中，主机与开关阵列通过一根9芯电缆连接，其中，9芯电缆中4芯为控制流与数据传输线，用于传输处理器下发的控制命令和开关测控装置测量的电极参数，2芯为高压供电线，用于与供电电极接通向外供电，2芯为开关阵列的工作电源线，用于使开关阵列中每个电极开关正常工作，1芯为公共地线。

在本实施例中，由12个极距为4cm的电极开关组成一个电极开关单元，由12个电极开关单元级联组成0.6m×0.6m×0.08m的密封开关阵列。其中，电极开关中的电极为长6cm直径为3mm的不锈钢电极。

通过本发明提供的室内实验用砂土介质的热传导特性探测系统，可同时获取砂土介质的热物性参数和电性参数，通过电特性参数、热物性参数以及电特性参数和热物性参数的相关性，可更好的研究砂土介质的热传导特性。本发明提供的探测系统结构简单、稳定性好、测量精度高、故障率低，且易于操作。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种实验用砂土介质热传导特性探测系统，其特征在于，包括：主机、分别与所述主机相连的电控加热测量装置和开关阵列； 

所述主机包括：互相连接的处理器和测控单元； 

所述电控加热测量装置包括：加热棒和温度传感器； 

所述开关阵列包括至少四个电极开关，所述开关阵列中的所有电极开关级联，每个所述电极开关包括：电极、开关和开关测控装置，其中，所述开关测控装置与所述开关连接，所述开关与所述电极连接； 

所述处理器向所述电控加热测量装置发送第一控制指令，控制所述电控加热测量装置利用所述加热棒对砂土介质进行加热，并且，所述处理器向所述开关阵列发送第二控制指令，控制所述开关测控装置改变与其连接的开关的状态以响应改变与该开关连接的电极的电气参数； 

所述温度传感器测量砂土介质的温度，所述处理器根据加热时间和与所述加热时间对应的温度计算砂土介质的导热系数； 

所述测控单元测量处于供电状态的电极的电气参数； 

所述开关测控装置测量处于测量状态的电极的电气参数； 

其中，所述处于供电状态的电极包括：处于第一供电状态的第一电极和处于第二供电状态的第二电极； 

所述处于供电状态的电极的电气参数包括：通过所述第一电极与所述第二电极供出的全时域供电电流，所述全时域供电电流为正负双向方波供电电流； 

所述处于测量状态的电极包括：处于第一测量状态的第三电极和处于第二测量状态的第四电极； 

所述处于测量状态的电极的电气参数包括：所述第三电极和所述第四电极间的全时域测量电压。 

2.根据权利要求1所述的系统，其特性在于，所述主机与所述开关阵列通过一根多芯电缆连接，其中： 

所述多芯电缆中至少包括：4根控制流与数据传输线和2根高压供电线。 

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述开关测控装置包括：控制器，分别和所述控制器相连的数据采集装置、供电输出控制单元和传输接口； 

所述控制器通过所述传输接口接收所述处理器发送的第二控制指令，并根据所述控制指令获取电极的状态： 

如果所述电极的状态为供电状态，则向所述供电输出控制单元发送供电控制指令，供电输出控制单元控制与其自身所在的开关测控装置连接的开关闭合，以使与该开关连接的电极和一根所述高压供电线接通，所述主机测量处于供电状态的电极的电气参数； 

如果所述电极的状态为测量状态，则向所述数据采集装置发送测量控制指令，控制与自身所在的开关测控装置连接的开关闭合，以使与该开关连接的电极与所述数据采集装置接通，所述数据采集装置测量处于测量状态的电极的电气参数。 

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主机还包括：与所述处理器相连，实时显示所述砂土介质的温度和所述电极的电气参数的显示单元。 

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主机还包括：与所述处理器相连，存储所述砂土介质的温度和所述电极的电气参数的存储器。 

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主机还包括：与所述处理器相连，检测所述电控加热测量装置和开关阵列中各个电极开关是否正常工作的检测单元。 

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述开关阵列包括12个电极开关单元，每个所述电极开关单元包括12个极距为4cm的电极开关。 

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述开关阵列为0.6m×0.6m×0.08m的密封开关阵列。