CN104897718A - 一种深层土壤热参数监测传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深层土壤热参数监测传感器及检测方法，主要包含下述单元：直流稳压电压源，为加热电路提供能量；绝缘电热丝，用于为探针加热；球形探针，为铜锌合金制作的空心球壳，埋入土壤中，通过向周围土壤传热的情况来测定土壤的热参数；测温模块，热电阻作为温度传感器置于探针球壳内表面，用于测量探针表面的温度变化；监测装置：由电阻分压器和一个取样电阻组成，用于监测绝缘电热丝两端电压和电流；平衡电阻，用于在开始测量前稳定输出电压和稳定的温度变化，数据采集单元，用于对探针表面温度以及绝缘电热丝两端电压、电流的数据进行采集。本发明具有测量方便、快速、便携等优点，可以直接深埋地下，实时监测电缆周围土壤的热参数。

Description

一种深层土壤热参数监测传感器及检测方法

【技术领域】

本发明涉及土壤热参数测量技术及其应用领域，特别涉及电缆周围深层土壤热参数实时监测的便携式传感器。

【背景技术】

近些年来，热探针法在测量土壤热参数时的适用越来越广泛，热探针法通过测量埋入土壤中的探针的温度变化曲线以及相应的数学模型可以计算出被测量土壤的热参数。

然而，上述测量方法在实际使用中仍然存在亟待解决的技术问题：

(1)在传统热探针测量时，建立的热探针模型基于其长度远大于探针直径的理想化假设，在实际中往往不能满足；

(2)热探针表面无法保证为一个理想的等温面，影响测量的准确性；

(3)测量过程中忽略热探针自身的自热容，影响测量的准确性；

(4)测量过程中忽略探针与土壤之间的接触热阻，影响测量的准确性。

(5)目前传统热探针适用范围有限，主要用于表层土壤和实验室测量。

因此，设计、制作一种精确、快速测量的便携的土壤热参数监测传感器，以解决以上所述基于传统热探针法测量土壤热参数所面临的现实问题，是当前业界重要的研究课题之一。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种深层土壤热参数监测传感器，具有测量快速精确、安全、便携且可以长期深埋地下等特点，以克服现有传统热探针法技术在实际工程和研究应用中存在的不足和困难。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种深层土壤热参数监测传感器，主要包含：直流电源DC11，用于为探针加热电路提供能量；绝缘电热丝H11，用于将电能转换为热能，均匀贴付在探针内壁，对探针进行加热；球形探头，与土壤直接接触，产生热量以测量土壤的热参数；测温模块T11，用于测量球形探针表面的温度变化；绝缘电热丝电压监测模块R11，用于监测绝缘电热丝的电压信号；绝缘电热丝电流监测模块R12，用于监测绝缘电热丝的电流信号；双掷开关S11，用于选择电路工作状态；数据采集及处理单元D11。

所述球形探头为铜锌合金制作的空心球壳，通过两个半球壳拼接在一起。

所述绝缘电热丝为表面绝缘的电热丝，为保证绝缘电热丝均匀紧贴在球形探针内表面，采用两根电热丝并联，分别均匀贴附在球形探针外壳的两个半球内表面，。

所述测温模块采用PT100热电阻作为温度传感器，通过密封胶粘贴在球形探针内表面，以测量空心球壳表面的温度变化。

所述PT100热电阻通过双恒流源三运放差分调理放大电路将信号传输给数据采集单元。

所述双恒流源三运放差分调理放大电路包括三运放差分集成测量芯片，以及与该芯片相连的第一和第二恒流源，所述第一和第二恒流源均包括直流电源、稳压二极管，以及三极管，所述三极管的基极和发射极之间串联有第一电阻和所述稳压二极管，所述三极管的集电极通过标准电阻或PT100热电阻接地；所述稳压二极管和第一电阻之间的节点与直流电源相连，所述稳压二极管与三极管的基极相连的一端通过第二电阻接地，所述第一和第二恒流源通过集电极与三运放差分集成测量芯片的输入相连。

所述绝缘电热丝电压监测模块，由两个电阻R21和R22串联形成电压分压器。

所述绝缘电热丝电流监测模块，由与电热丝串联的已知阻值的小电阻R23的电压值测量回路电流值，所述小电阻R23的阻值小于1Ω。所述直流电源的两端并联有平衡电阻R13，该平衡电阻R13与直流电源的正极之间串有双掷开关，该双掷开关可以接通平衡电阻或电热丝，该平衡电阻的阻值与所用电热丝常温下阻值相等，用于使得输出电压在开通时更为稳定。

一种基于上述深层土壤热参数监测传感器的检测方法，在时间t内，通过测温模块采集所测土壤的一系列温度数据，将该系列温度数据根据目标函数进行最小二乘法进行拟合，最终得到土壤的热参数；所述目标函数为：

$\mathrm{\θ}=K_1(1-\exp \left({{\mathrm{\α}}_1}^{2}t\right)\mathrm{erfc}\left(\sqrt{{{\mathrm{\α}}_1}^{2}t}\right))+K_2(1-\exp \left({{\mathrm{\α}}_2}^{2}t\right)\mathrm{erfc}\left(\sqrt{{{\mathrm{\α}}_2}^{2}t}\right)).$

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明传感器只需要将球形探针埋入需要测量的点，在一定的时间范围内通过球形探针表面的温度变化以及电热丝两端电压、电流的值，通过数学拟合和计算，最终可以计算出土壤的热参数，使得测量效率高，速度快，测量操作方便，便携性强。

附图说明

图1是本发明深层土壤热参数监测传感器的一个实施例的主电路结构示意图。

图2是图1中电热丝电压和电流信号的监测电路示意图。

图3是图1中电热丝绕制结构示意图。

图4是图1中测温模块的电路结构图。

图5是本发明深层土壤热参数监测传感器的一个实施例中温度响应数据及其拟合曲线。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加的清楚，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，是本发明深层土壤热参数监测传感器的一个实施例。该深层土壤热参数监测传感器主要包括：直流电源DC11，绝缘电热丝H11，球形探针，测温模块T11，电热丝电压监测模块，电热丝电流监测模块，以及数据采集和处理单元。

其中，直流电源DC为加热电路提供能量，为保证加热功率选取在准确测量的范围内，在一个实施例中选择输出为12V，1A的直流稳压电源。

选取表面经过绝缘处理的电热丝，以防止电热丝与球形探针壳体直接接触形成短路，并且需要均匀紧贴粘附在球形探针球壳的内表面。在一个实施例中，绝缘电热丝选取耐高温表面绝缘铁铬铝电热丝，电热丝线径为0.31mm，每米电阻为20.27Ω，选择两根相同长度的电热丝，长度都为1.5m，则单根电热丝常温下电阻为30.4Ω，并联总电阻为15.2Ω，理论计算其发热功率为9.47W。通过环氧胶将电热丝均匀紧贴球形探针壳体内表面，尽量保证传热均匀，电热丝在壳体内的缠绕方式如图3所示。

球形探针为直接与土壤接触进行传热的部分，在一个实施例中，球形探针壳体选择铜锌合金制作的空心球壳，在保证具有高导热率的同时具有一定的硬度，以使探针可以长期深埋地下而不易变形，球径为10cm，壁厚1mm，球顶有0.5cm的孔，方便引出线。

测温模块，以PT100热电阻作为温度传感器，直接紧贴粘连在球形探针球壳的内表面，并连接到双恒流源三运放差分调理放大电路，在一个实施例中，电路和参数的选择如图3所示，恒流源电路直流电源选用12V锂电池，在三极管发射极和基极间连接一个4kΩ电阻以及稳压二极管1N4738，三极管集电极输出1.8mA恒定电流，一个恒流源中三极管集电极连接标准电阻，另一个恒流源中三极管集电极连接PT100热电阻，标准电阻的阻值与PT100常温阻值相同，为100Ω，将标准电阻的电压和PT100的电压连接到三运放差分集成测量芯片AD620的输入端口，选择如图参数时，放大倍数为100。因此，当球形探针球壳表面的温度每升高1℃，经过调理放大后的测量电压增加0.07V。

图2中，R21、R22为一组分压器，用以测量电热丝电压，R23为电流取样电阻，用以测量加热回路的电流值。在一个实施例中，由于电热丝电阻约为16Ω，因此，选用的分压器电阻R21、R22应尽可能大，R23尽量小，因此选择R21＝50kΩ，R22＝100kΩ，测得R21电压为U1，则可以得到电热丝电压为3U1，R23选用5W，0.5Ω的水泥电阻，测得R23两端的电压为Us，则流过电热丝的电流为Us/0.5A。

为了保证，检测过程更平稳，在直流电源的两端并联有平衡电阻R13，该直流电源和平衡电阻之间还串联有双掷开关S11，该双掷开关可以分别接通平衡电阻R13或电热丝，平衡电阻R13在阻值上等于电热丝的阻值，直接使用一个30W，10Ω和一个30W，5Ω的水泥电阻串联而成。

数据采集单元用来采集温度信号以及电热丝的电压和电流信号，在一个实施例中，采用pico3404A型号的4通道虚拟示波器进行数据采集和传输到计算机。

测量时，预先将球形探针埋入需要测量的土壤中，使探针与周围土壤环境达到一个稳定状态，测量开始前先将双掷开关S11置于平衡电阻上，当开关S11置于电热丝上，则表示测量开始，测量开始后，球形探针球壳表面的温度和电热丝的电压、电流的数据通过pico3404A记录到计算机中，用来计算得到所测量土壤的热阻，热阻率，热扩散率以及探针与突然之间的接触热阻。

在一个实施例中，在某点土壤处测得球形探针表面的温度变化如图5中的数据点，通过传热学以及数学推导得出球形探针表面的温度表达式为：

$\mathrm{\θ}=K_1(1-\exp \left({{\mathrm{\α}}_1}^{2}t\right)\mathrm{erfc}\left(\sqrt{{{\mathrm{\α}}_1}^{2}t}\right))+K_2(1-\exp \left({{\mathrm{\α}}_2}^{2}t\right)\mathrm{erfc}\left(\sqrt{{{\mathrm{\α}}_2}^{2}t}\right))$

其中，α₁、α₂、K₁、K₂分别为温度曲线的系数，表达式为：

${\mathrm{\α}}_1=\frac{-1+a\sqrt{1-4C_k(R_0+R_k)}/x_0^2}{2C_k(R_0+R_k)}\·\sqrt{\frac{x_0^2}{a}}$

${\mathrm{\α}}_2=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1{C}_k(R_0+R_k)}$

$K_1=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1}[\frac{1}{{\mathrm{\α}}_1{C}_k}-\frac{R_k}{C_k(R_0+R_k)}\·\sqrt{\frac{x_0^2}{a}}]$

K₂＝R₀+R_k-K₁

其中，R₀为土壤的热阻，ρ为土壤的热阻率，a为土壤的热扩散率，R_k为接触热阻，x₀为球探针半径，C_k为球探针热容。

通过计算机得到的球形探针表面的温度数据，以上述探针表面温度表达式为目标函数进行最小二乘拟合，拟合的结果如图5中曲线，通过拟合可以得到α₁、α₂、K₁和K₂的值，然后得到土壤的热阻R₀，热阻率ρ，热扩散率a和接触热阻R_k。在实施例中，可以测得被测土壤热阻率为1.149Km/W，热扩散率为0.93mm²/s，球探针与土壤的接触热阻为0.9K/W。

此外，还需要通过得到的电热丝的电压、电流数据观察在测量范围内，电热丝的发热功率是否稳定。

本发明的实施例，具有如下有益效果：

1、本发明中的深层土壤热参数监测传感器采用创新的电路拓扑结构，建立新的数学模型，使得测量结果更加准确、可靠。

2、本发明中的探针为铜锌合金球壳，导热率大，使得探针可以看做一个理想的等温面，使得测量结果更为精确；

3、本发明中的开关S11在未测量时置于平衡电阻上，与电源相连，测量开始后S11置于电热丝上，由于平衡电阻与电热丝电阻阻值相等，使得输出电压和温度变化更加稳定，提高测量准确性；

4、本发明实施例的深层土壤热参数监测传感器在现场测量时，只需要将球形探针埋入需要测量的点，在一定的时间范围内通过计算机观察和记录球形探针表面的温度变化以及电热丝两端电压、电流的值，通过数学拟合和计算，最终可以通过数学公式计算出土壤的热参数，使得测量效率高，速度快，测量操作方便，便携性强。

5、本发明实施例的深层土壤热参数监测传感器，还可以长期深埋地下，进行实时数据监测，防止电缆过热，保证电力输送安全、可靠，提高资源利用率，经济效益高。

以上所揭露的仅是本发明的较佳实施例而已，然不能以此来限定本发明的权利范围，本领域技术人员利用上述揭露的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深层土壤热参数监测传感器，其特征在于，主要包含：

直流电源DC11，用于为探针加热电路提供能量；

绝缘电热丝H11，用于将电能转换为热能，均匀贴付在探针内壁，对探针进行加热；

球形探头，与土壤直接接触，通过热量传递以测量土壤的热参数；

测温模块T11，用于测量球形探针表面的温度变化；

绝缘电热丝电压监测模块R11，用于监测绝缘电热丝的电压信号；

绝缘电热丝电流监测模块R12，用于监测绝缘电热丝的电流信号；

双掷开关S11，用于选择电路工作状态；

数据采集及处理单元D11。

2.如权利要求1所述的一种深层土壤热参数监测传感器，其特征在于，所述球形探头为铜锌合金制作的空心球壳，通过两个半球壳紧密拼接在一起。

3.如权利要求2所述的一种深层土壤热参数监测传感器，其特征在于，所述绝缘电热丝为表面绝缘的电热丝，为保证绝缘电热丝均匀紧贴在球形探针内表面，采用两根电热丝并联，分别均匀贴附在球形探针外壳的两个半球内表面。

4.如权利要求1所述的一种深层土壤热参数监测传感器，其特征在于，所述测温模块采用PT100热电阻作为温度传感器，通过密封胶粘贴在球形探针内表面，以测量空心球壳表面的温度变化。

5.如权利要求4所述的一种深层土壤热参数监测传感器，其特征在于，所述PT100热电阻通过双恒流源三运放差分调理放大电路将信号传输给数据采集单元。

6.如权利要求5所述的一种深层土壤热参数监测传感器，其特征在于，所述双恒流源三运放差分调理放大电路包括三运放差分集成测量芯片，以及与该芯片相连的第一和第二恒流源，所述第一和第二恒流源均包括直流电源、稳压二极管，以及三极管，所述三极管的基极和发射极之间串联有第一电阻和所述稳压二极管，所述三极管的集电极通过标准电阻或PT100热电阻接地；所述稳压二极管和第一电阻之间的节点与直流电源相连，所述稳压二极管与三极管的基极相连的一端通过第二电阻接地，所述第一和第二恒流源通过集电极与三运放差分集成测量芯片的输入相连。

7.如权利要求1所述的一种深层土壤热参数监测传感器，其特征在于，所述绝缘电热丝电压监测模块，由两个电阻R21和R22串联形成电压分压器。

8.如权利要求7所述的一种深层土壤热参数监测传感器，其特征在于，所述绝缘电热丝电流监测模块，由与电热丝串联的已知阻值的小电阻R23的电压值测量回路电流值，所述小电阻R23的阻值小于1Ω。

9.如权利要求7所述的一种深层土壤热参数监测传感器，其特征在于，所述直流电源的两端并联有平衡电阻R13，该平衡电阻R13与直流电源的正极之间串有双掷开关，该双掷开关可以接通平衡电阻或电热丝，该平衡电阻的阻值与所用电热丝常温下阻值相等，用于使得输出电压在开通时更为稳定。

10.一种基于权利要求所述深层土壤热参数监测传感器的检测方法，其特征在于，在时间t内，通过测温模块采集所测土壤的一系列温度数据，将该系列温度数据根据目标函数进行最小二乘法进行拟合，最终得到土壤的热参数；所述目标函数为：

$\mathrm{\θ}=K_1(1-\exp \left({{\mathrm{\α}}_1}^{2}t\right)\mathrm{erfc}\left(\sqrt{{{\mathrm{\α}}_1}^{2}t}\right))+K_2(1-\exp \left({{\mathrm{\α}}_2}^{2}t\right)\mathrm{erfc}\left(\sqrt{{{\mathrm{\α}}_2}^{2}t}\right)).$