CN105784764A - 一种野外便携式岩石热物性参数测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种野外便携式岩石热物性参数测试装置，由手持式微电脑、传感器以及柔性的高导热银胶组成，手持式微电脑包括数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块，所述传感器为圆柱状的温度传感器，传感器包括加热元件、测温元件以及外壳，所述高导热银胶均匀涂抹在待测岩石的表面，形成人工平整光滑平面，传感器的底面与平整光滑平面相贴合；传感器中的加热元件对待测岩石进行加热，测温元件测量岩石的温度并将数据传输至手持式微电脑中的数据采集模块，数据处理模块对上述数据进行处理后并将结果通过数据显示模块进行显示。上述装置轻便小巧，便于野外携带。本发明同时还提供了一种基于上述装置的岩石热物性参数测试方法。

Description

一种野外便携式岩石热物性参数测试装置及方法

技术领域

本发明专利属于岩土热物性测试系统，尤其涉及一种野外便携式岩石热物性参数测试系统。

背景技术

21世纪人类面临着许多发展问题，无疑石油、煤、天然气资源短缺的问题尤为突出，因此人类的可持续发展需要依靠清洁可再生能源。

地热资源是一种“绿色能源”、“清洁能源”，合理的开发利用关系到人类未来的可持续发展。目前，人类对地热资源的开发利用主要包括地热发电、地热采暖、地热医疗和旅游等等。在开发利用地热资源过程中，准确获得地区岩石热物性参数尤为重要，岩石的热物性参数包括岩石的导热系数、比热容、热扩散系数等。以浅层地热开发技术地源热泵为例，若对地下岩石的热物性参数测量不够准确，盲目地增加或减少换热井的数量，极易造成机组选型过大，增加成本；或者导致用户供热制冷量不足，使热泵机组运行不稳定，从而影响系统使用寿命。

岩石热物性参数受到岩石的矿物分布，含量，结构孔隙度，压力温度，含水量等诸多因数的影响。这给测量岩石的热物性参数增加了难度。传统的野外岩石热物性测试技术，虽然可以较准确测得岩石热物性参数的实际值，但前期准备工作量大，设备复杂，周期长，花费大；同时室内实验对岩样平整光滑度要求高，需对岩样切割打磨，破坏了岩样原始的含水率，结构等参数，使得测得参数与场地实际值存在较大的误差。现在需要一种适用于野外便携式岩石热物性参数测试仪，能够在野外就方便的测出岩石的热物性参数，缩短周期，降低成本，提高精度，更好的为地热开发利用服务。

现有岩土体热物性参数测试方法有野外现场原位测试和室内测试。

野外现场原位测试中岩土热响应试验最为常见，包括测试岩土初始平均温度，地埋管换热器的循环水进出口温度、流量及试验过程中向地埋管换热器施加的加热功率。其测试过程包含了：制作场区测试孔及平整场地；测试岩土体初始温度；测试仪器与测试孔管道连接；设备检验；启动电加热、水泵等试验设备，待设备稳定后开始读取记录试验数据；最后提取试验数据，分析计算得出岩石体综合热物性参数。

现有野外现场原位岩土体热物性测试相关专利设备有：河北省科学院能源研究所研制的“变频热泵式岩土热物性测试仪”专利号CN103293185A；湖南凌天科技有限公司研制的“测量地埋管地温装置及测量方法”专利号CN103134602A；浙江建设职业技术学院研制的“一种岩土热物性测试仪”专利号CN103018274A；长安大学研制的“一种无人看管型土壤源热泵岩土热物性测试仪”专利号CN102628817A；徐坚研制的“基于多因素影响分析的岩土热物性测试评价系统和方法”专利号CN102411012A；东南大学研制的“地源热泵用多功能岩土体热物性测试装置”专利号CN102243192A；南京大学与江苏南华地下空间研究所有限公司研制的“地源热泵的地层原位热物性及地埋管换热量测试仪和测试方法”专利号CN102033079A；张建国研制的“岩土热物性测试系统”专利号CN101936931A；哈尔滨工业大学研制的“同步冷热响应岩土热物性测试仪”专利号CN101887040A；中航勘察设计研究院研制的“浅层岩土体热物理性质原位测试仪”专利号CN101477071A；上海交通大学研制的“地源热泵高精度土壤热物性测试仪”专利号CN101393149A；山东建筑工程学院地源热泵研究所研制的“基于地源热泵的便携式岩土热物性测试仪及其方法”专利号CN1815211A等。

稳态测试法是通过实验测量温度在具有定横截面积和厚度的岩土样品上的分布后，根据傅里叶导热定律计算出土壤的导热系数。最具有代表性的稳态测试法是稳态平板法，稳态平板法是基于岩石各向同性的假设。采用这种方式测试岩土导热系数的一般方法是首先采集不同的岩石试样，测试对岩石样品表面平整光滑度要求较高,测试前需切割打磨岩石试样成薄壁平板状。用游标卡尺测量厚度δ，导热面积F。然后将岩石试样安装在加热器的上下面，试件表面应与铜板严密接触，加热试样，待试样温度稳定后，测得平板两面的温差Δt，通过平板的导热量Q。根据在一维稳态情况下通过平板的导热量Q和平板两面的温差Δt成正比，和平板的厚度δ成正比，以及和导热系数λ成正比。

瞬态测试法是利用的是非稳态导热原理，利用常热流线热源或面热源模型。测试对岩石样品表面平整光滑度要求很高,测试前需对样品切割打磨，测试时需将线热源或面热源与岩石试样紧密接触。通过温度传感器测量记录热源温度随时间的变化值。根据测定的电加热器功率与温度传感器温度随时间的变化，求解导热微分方程，就可以求出被测岩土的热物性参数。

现有的室内测试专利有西南科技大学研制的“电法瞬态测量材料热物性的装置及方法”，专利号CN102636524A；西南科技大学研制的“脉冲法或恒流法瞬态测定热物性的系统”专利号CN102608154A；北京科技大学研制的“一种测量柱状隔热材料热物性的方法”专利号CN104502402Ab；中国科学院工程热物理研究所研制的“双螺旋平面结构谐波法测试材料热物性参数的装置”专利号CN103852485A；上海交通大学研制的“用于热物性测量的宽温区控温恒温装置”专利号CN103925759A；中国科学院工程热物理研究所研制的“测试材料热物性参数的装置及方法”专利号CN103149233A等等。

野外现场原位测试热物性参数最能接近场地岩石的真实热物性参数，可以根据工程需要布置测试点，减小测试带来的误差。但原位测试试验前期需要场地平整，钻孔，需要大量人力物力；设备方面，需要热源，水循环系统，温度测试系统，温度控制系统等，设备复杂，周期长，花费大。

室内测试方法需要取样，运输，制样加工，且对岩石试样的形状平整和光滑程度要求较高，岩石试样必须在实验室切割打磨，这些步骤破坏了岩石试样原始的含水率，结构等参数，并且在测试时岩石试样必须和传感器紧密贴合。这种方法的使用条件较为苛刻，得到的热物性参数的误差也比较大。

发明内容

本发明针对现有技术中的上述缺陷，提出了一种野外便捷式的岩石热物性测试装置及方法，该装置轻便小巧，便于野外携带。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种野外便携式岩石热物性参数测试装置，由手持式微电脑、传感器以及柔性的高导热银胶组成，手持式微电脑与传感器相连接，手持式微电脑包括数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块，所述传感器为圆柱状的温度传感器，传感器包括加热元件、测温元件以及外壳，所述高导热银胶均匀涂抹在待测岩石的表面，形成人工平整光滑平面，传感器的底面与平整光滑平面相贴合；传感器中的加热元件对待测岩石进行加热，测温元件测量岩石的温度并将数据传输至手持式微电脑中的数据采集模块，数据处理模块对上述数据进行处理后并将结果通过数据显示模块进行显示。

所述的传感器直径为60mm，高为50mm，加热功率为1.5w。

传感器中外壳的材质为低导热率的树脂玻璃。

本发明同时还提供了一种基于上述的岩石热物性参数测试装置的岩石热物性参数测试方法，包括以下步骤：首先清理待测岩石表面的碎渣、杂质，然后将柔性的高导热银胶均匀地涂抹于待测岩石的表面，涂抹的面积大于传感器底部面积，待高导热银胶完全贴合在待测岩石表面上形成人工平整光滑平面后，将传感器置于银胶表面，传感器的底面与平整光滑平面相贴合，然后操作手持式微电脑，数据采集模块采集传感器数据，数据处理模块计算并储存岩石热物性参数λ，数据显示模块显示岩石热物性参数λ，其计算方法如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{2q}{4\mathrm{\π}}\·\frac{\ln t_2-\ln t_1}{T_2-T_1}$

式中，q为加热功率，t₁为加热时间，T₁为与加热时间t₁对应的温度，t₂为加热时间，T₂为与加热时间t₂对应的温度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、本发明基于非稳态导热原理，常热流线热源模型，利用特殊的柔性高导热材料银胶，制造出光滑平整的平面，从而克服了野外很难携带设备对岩石进行切割打磨的问题，为野外测量提供切实可行性，在岩石的天然状态下进行测试，更符合实际情况。2、本发明提供的测试装置小巧轻便，便于携带，方便在野外进行岩石热物性参数测试。3、本发明提供的测试方法操作简单，测试费用低廉，测试周期短。

附图说明

图1为本发明提供的野外便携式岩石热物性参数测试装置；

图中：1-高导热银胶，2-数据采集模块，3-数据处理模块，4-数据显示模块，5-加热元件，6-测温元件，7-外壳。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

本发明提供的野外便携式岩石热物性参数测试装置的结构如图1所示，由手持式微电脑、传感器以及柔性的高导热银胶1组成，手持式微电脑与传感器相连接，手持式微电脑长20cm，宽10cm，高4cm，工作电压12v，其包括数据采集模块2、数据处理模块3、数据显示模块4，所述传感器为圆柱状的温度传感器，传感器包括加热元件5、测温元件6以及外壳7，外壳7的材质为低导热率的树脂玻璃。所述高导热银胶1均匀涂抹在待测岩石的表面，形成人工平整光滑平面，传感器的底面与平整光滑平面相贴合；传感器中的加热元件对待测岩石进行加热，测温元件测量岩石的温度并将数据传输至手持式微电脑中的数据采集模块，数据处理模块对上述数据进行处理后并将结果通过数据显示模块进行显示。所述的传感器直径为60mm，高为50mm，加热功率为1.5w。

本实施例中提供的岩石热物性参数测试方法包括以下步骤：首先清理待测岩石表面的碎渣、杂质，然后将柔性的高导热银胶均匀地涂抹于待测岩石的表面，涂抹的面积大于传感器底部面积，待高导热银胶完全贴合在待测岩石表面上形成人工平整光滑平面后，将传感器置于银胶表面，传感器的底面与平整光滑平面相贴合，然后操作手持式微电脑，数据采集模块采集传感器数据，数据处理模块计算并储存岩石热物性参数λ，数据显示模块显示岩石热物性参数λ，其计算方法如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{2q}{4\mathrm{\π}}\·\frac{\ln t_2-\ln t_1}{T_2-T_1}$

式中，q为加热功率，t₁为加热时间，T₁为与加热时间t₁对应的温度，t₂为加热时间，T₂为与加热时间t₂对应的温度。

Claims (4)

1.一种野外便携式岩石热物性参数测试装置，其特征在于由手持式微电脑、传感器以及柔性的高导热银胶组成，手持式微电脑与传感器相连接，手持式微电脑包括数据采集模块、数据处理模块、数据显示模块，所述传感器为圆柱状的温度传感器，传感器包括加热元件、测温元件以及外壳，所述高导热银胶均匀涂抹在待测岩石的表面，形成人工平整光滑平面，传感器的底面与平整光滑平面相贴合；传感器中的加热元件对待测岩石进行加热，测温元件测量岩石的温度并将数据传输至手持式微电脑中的数据采集模块，数据处理模块对上述数据进行处理后并将结果通过数据显示模块进行显示。

2.根据权利要求1所述的野外便携式岩石热物性参数测试装置，其特征在于：所述的传感器直径为60mm，高为50mm，加热功率为1.5w。

3.根据权利要求1所述的野外便携式岩石热物性参数测试装置，其特征在于：传感器中外壳的材质为低导热率的树脂玻璃。

4.基于权利要求1所述的岩石热物性参数测试装置的岩石热物性参数测试方法，其特征在于包括以下步骤：首先清理待测岩石表面的碎渣、杂质，然后将柔性的高导热银胶均匀地涂抹于待测岩石的表面，涂抹的面积大于传感器底部面积，待高导热银胶完全贴合在待测岩石表面上形成人工平整光滑平面后，将传感器置于银胶表面，传感器的底面与平整光滑平面相贴合，然后操作手持式微电脑，数据采集模块采集传感器数据，数据处理模块计算并储存岩石热物性参数λ，数据显示模块显示岩石热物性参数λ，其计算方法如下：

$\mathrm{\λ}=\frac{2q}{4\mathrm{\π}}\·\frac{\ln t_2-\ln t_1}{T_2-T_1}$

式中，q为加热功率，t₁为加热时间，T₁为与加热时间t₁对应的温度，t₂为加热时间，T₂为与加热时间t₂对应的温度。