CN107064645A - 一种土壤电阻率和温度对应关系的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土壤电阻率和温度对应关系的测量系统，涉及电力技术领域，用于测量土壤在不同温度下对应的电阻率，该测量系统包括：可调节直流电源、电流表、电压表、第一电流极板、第二电流极板、第一电压极棒、第二电压极棒、温度检测装置以及土壤样本装填装置，本发明用于电力系统的测量。

Description

一种土壤电阻率和温度对应关系的测量系统及方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种土壤电阻率和温度对应关系的测量系统及方法。

背景技术

在电力系统中，随着特高压直流输电工程的快速发展，直流系统受端接地极极址选择日益困难，多个直流系统共用接地极的情况日趋普遍，从而导致接地极所流过的入地电流也不断增大。当直流输电系统处于单极大地回线运行状态时，工作电流持续经由接地极向周围土壤散流，电阻热效应会使土壤在溢散电流的作用下发热升温，严重时甚至会影响电力系统的正常工作，因此需要对直流系统的接地极的热分布以及其它接地特性(例如：地表电位、散流分布等)进行计算并模拟出土壤的温升过程，从而对土壤温升进行控制确保电力系统的正常工作。

现有技术中，针对直流系统的接地极的发热分布以及其它接地特性(例如：地表电位、散流分布等)的计算，仍采用恒定的土壤热参数及土壤电阻率，忽略了土壤温度上升后与土壤参数的互相影响，在实际中直流系统的接地极温度的变化会导致土壤中水分蒸发从而影响土壤的电阻率，因此如何测量土壤在不同温度下对应的电阻率成为待解决的问题。

发明内容

本发明的实施例提供一种土壤电阻率和温度对应关系的测量系统及方法，用于测量土壤在不同温度下对应的电阻率。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供一种土壤电阻率和温度对应关系的测量系统，包括：可调节直流电源、电流表、电压表、第一电流极板、第二电流极板、第一电压极棒、第二电压极棒、温度检测装置以及土壤样本装填装置；

土壤样本装填装置为柱形结构，土壤样本装填装置的第一侧面为底面且两个端面与第一侧面垂直，可调节直流电源、电流表、第一电流极板、装填于土壤样本装填装置中的土壤样本、第二电流极板可依次串联形成回路，第一电流极板和第二电流极板均平行于端面，土壤样本装填于土壤样本装填装置中且各个部分的装填高度相同；

电压表的两端分别连接用于插入到土壤样本中的第一电压极棒、第二电压极棒，第一电压极棒和第二电压极棒位于第一电流极板和第二电流极板之间、且与第一电流极板的距离不同，温度检测装置位于土壤样本中。

第二方面，提供一种土壤电阻率和温度对应关系的测量方法，用于控制第一方面所述的测量系统，该方法包括：

获取第一横截面或第二横截面的面积，第一横截面为土壤样本在第一电压极棒位置处的横截面，第二横截面为土壤样本在第二电压极棒位置处的横截面；

获取第一横截面与第二横截面之间的距离；

调节可调节直流电源的输出电流；

根据每次调节的输出电流得出土壤样本的温度值、流过土壤样本的电流值以及第一电压极棒与第二电压极棒两端的电压值；

根据预设公式计算每次调节输出电流后土壤样本的温度对应的土壤样本的电阻率。

本发明实施例提供的土壤电阻率和温度对应关系的测量系统中，通过可调节直流电源、电流表、第一电流极板、装填于土壤样本装填装置中的土壤样本、第二电流极板可依次串联形成回路，电压表的两端分别连接用于插入到土壤样本中的第一电压极棒、第二电压极棒，第一电压极棒和第二电压极棒位于第一电流极板和第二电流极板之间、温度检测装置位于土壤样本中，可以测量土壤在不同温度下对应的电阻率。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的土壤电阻率和温度对应关系的测量系统示意图之一；

图2为本发明实施例提供的土壤电阻率和温度对应关系的测量系统示意图之二；

图3为本发明实施例提供的土壤电阻率和温度对应关系的测量方法步骤流程图。

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。

需要说明的是，本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明实施例提供一种土壤电阻率和温度对应关系的测量系统，包括：可调节直流电源、电流表、电压表、第一电流极板、第二电流极板、第一电压极棒、第二电压极棒、温度检测装置以及土壤样本装填装置。

土壤样本装填装置为柱形结构，土壤样本装填装置的第一侧面为底面且两个端面与第一侧面垂直，可调节直流电源、电流表、第一电流极板、装填于土壤样本装填装置中的土壤样本、第二电流极板可依次串联形成回路，第一电流极板和第二电流极板均平行于端面，土壤样本装填于土壤样本装填装置中且各个部分的装填高度相同。

电压表的两端分别连接用于插入到土壤样本中的第一电压极棒、第二电压极棒，第一电压极棒和第二电压极棒位于第一电流极板和第二电流极板之间、且与第一电流极板的距离不同，温度检测装置位于土壤样本中。

作为示例的，本发明实施例提供一种土壤电阻率和温度对应关系的测量系统，参照图1所示，包括：可调节直流电源11、电流表12、电压表13、温度检测装置14以及土壤样本装填装置15。

土壤样本装填装置15为柱形结构，土壤样本装填装置15为由自身的第一侧板151、第二侧板152、第三侧板153以及第四侧板154围成的长方体结构，其中第一侧板151与第二侧板152平行，第三侧板153与第四侧板154平行，且第一侧板151垂直于第三侧板153，土壤样本装填装置15被土壤样本填满。土壤样本装填装置15的第二侧面156平行于第一侧面155且未封闭，第一侧面155为底面。

需要说明的是，柱形结构为公知定义，土壤样本装填装置的端面即为上述的第一侧板151与第二侧板152。

可调节直流电源11的第一端连接电流表12的第一端，电流表12的第二端连接土壤样本装填装置15的第一侧板151，电压表13的第一端连接土壤样本中的预设长度L的第一端A，电压表13的第二端连接土壤样本中的预设长度的第二端B，其中土壤样本中的预设长度L与土壤样本装填装置15的第三侧板153平行，可调节直流电源11的第二端连接土壤样本装填装置15的第二侧板152，温度检测装置14位于土壤样本中。

需要说明的是，可调节直流电源11的第一端为正极，可调节直流电源11的第二端为负极，电流表12的第一端为正极，电流表12的第二端为负极，电压表13的第一端为正极，电压表13的第二端为负极，

可选的，参照图2所示，本发明实施例提供的一种土壤电阻率和温度对应关系的测量系统还包括：保护电阻16，保护电阻16串联在可调节直流电源11与电流表12之间。

具体的，保护电阻是对电路或用电器起保护作用的电阻。以防止电路出现意外时，用电器不至于电流过大而受损，保护电阻用于对测量系统进行限流和降压。

优选的，电压表13的第一端通过第一电压极棒P1连接土壤样本中的预设长度的第一端A，电压表13的第二端通过第二电压极棒P2连接土壤样本中的预设长度L的第二端B。

土壤样本中放置有至少两个温度检测装置14，其中至少有一个温度检测装置14放置于第一电压极棒P1与第二电压极棒P2之间。

示例性的，参照图2所示，该土壤样本装填装置15可以为电解槽19，电解槽19由自身的第一侧板151、第二侧板152、第三侧板153以及第四侧板154围成的长方体结构，其中第一电流极板C1与第二电流极板C2分别作为土壤样本装填装置15的两个端面，即第一侧面151与第二侧面152，第一电流极板C1与第二电流极板C2通过土壤样品与可调节直流电源11、电流表12、电压表13形成回路，温度检测装置14可以为温度传感器，土壤样品均匀盛放在电解槽19中，且土壤样本各个部分的装填高度相同，其中，土壤样本为直流系统的接地极的土壤中为了检测土壤电阻率而选取的部分土壤，同时电解槽19的侧板与端面均设置有刻度线，该刻度线用于计算电解槽19第一侧板151的面积S以及预设长度L，由于在实际操作中需考虑土壤升温后含水量的变化，因此电解槽19未进行密封，便于使土壤中的水分随温度的变化而自然蒸发。

需要说明的是，电解槽由槽体、阳极和阴极组成，多数用隔膜将阳极室和阴极室隔开。按电解液的不同分为水溶液电解槽、熔融盐电解槽和非水溶液电解槽三类。电解槽按电极的连接方式，可分为单极式和复极式两类电解槽。本发明实施例提供的电解槽可以为复极式电解槽，复极式电解槽两端的电极分别与直流电源的正负极相连，成为阳极或阴极。电流通过串联的电极流过电解槽时，中间各电极的一面为阳极，另一面为阴极,具有双极性。

可调节直流电源11用于提供当前的输出电流，电流表12用于提供当前流过土壤样本的电流值I，电压表13用于提供当前土壤样本中的预设长度L两端的电压值U，温度检测装置14用于提供当前土壤样本的温度值T；土壤样本装填装置15用于装填土壤样本并提供第一侧板151的面积S。

可选的，可调节直流电源11还用于调节输出电流的大小，根据实际情况，需要调节输出电压的大小使第一电流极板C1与第二电流极板C2通过土壤样品与可调节直流电源11、电流表12、电压表13形成回路并使电解槽19进行升温。

具体的，调节可调节直流电源输出电流逐渐增大从而模拟直流系统的接地极温升过程，观察温度传感器检测的温度变化，可调节直流电源开始改变当前的输出电流后，温度传感器每升高固定温度，对当前电压表的读数以及电流表的读数进行记录。

示例性的，为了对土壤电阻率进行精确的计算，回路中测量电流的电流表12为精度0.5级的C65型直流微安表，电解槽19第一侧板151与第二侧板152采用0.002m铜制的电流极板，需要说明的是，土壤样本中的预设长度L为第一横截面157与第二横截面158之间的距离，其中第一横截面157与第二横截面158均与第一侧板151平行，该预设长度L可由第一电压极棒P1与第二电压极棒P2的位置进行相应调整，本发明实施例对预设长度L的大小不做限定。

本发明实施例提供的土壤电阻率和温度对应关系的测量系统中，通过可调节直流电源、电流表、第一电流极板、装填于土壤样本装填装置中的土壤样本、第二电流极板可依次串联形成回路，电压表的两端分别连接用于插入到土壤样本中的第一电压极棒、第二电压极棒，第一电压极棒和第二电压极棒位于第一电流极板和第二电流极板之间、温度检测装置位于土壤样本中，可以测量土壤在不同温度下对应的电阻率。

示例性的，参照表1-1所示为根据本发明实施例提供的土壤电阻率和温度对应关系的测量系统中土壤样本在20℃至74℃范围内温度逐渐上升时土壤电阻率的变化情况。为了对土壤电阻率的变化原因作进一步的了解，本发明实施例还提供了水分测定仪用于测定在不同温度下土壤的含水量，其中T为温度值，M为土壤中的含水量，ρ为土壤样品的电阻率。

表1-1

具体的，由上表可知，土壤电阻率的变化呈现出平稳阶段与急剧增大阶段，其中平稳阶段为温度在20℃至50℃，急剧增大阶段为温度在50℃以上，在平稳阶段，初期温度升高既增加了土壤溶液中电解质的溶解度与电离度，又促进了土壤中水分的蒸发，虽然前者促使土壤电阻率降低，后者促使土壤电阻率增大。但在该阶段，由于土壤温度不太高其含水量只稍有下降，温度上升对土壤溶液中电解质的作用略大于水分减少给土壤电阻率带来的影响，土壤电阻率处于平稳阶段。而在急剧增长阶段，随着温度的持续升高，土壤中水分蒸发量逐渐增大，使土壤导电通道中电解溶液的含量大大降低，降低了土壤溶液中离子的迁移，使由离子运动呈现的离子电导逐渐消失，只剩下由土壤颗粒吸附电荷所构成的胶体电导作用，对比温升对土壤溶液中电解质溶解度与电离度的作用而言，此作用已不占主导影响，因此该阶段土壤电阻率急剧增大。

通过上述在温度变化过程中土壤电阻率的变化可知，当温度处于急剧增大阶段时，需要在对直流系统的接地极的热分布以及其它接地特性(例如：地表电位、散流分布等)考虑土壤电阻率的变化，并且直流系统的接地极的温升应尽量控制在平稳阶段以保持电力系统的正常工作。

本发明另一实施例提供一种土壤电阻率和温度对应关系的测量方法，用于控制上述实施例所述的测量系统，参照图3所示，该方法包括：

S11、获取第一横截面或第二横截面的面积，第一横截面为土壤样本在第一电压极棒位置处的横截面，第二横截面为土壤样本在第二电压极棒位置处的横截面。

S12、获取第一横截面与第二横截面之间的距离。

S13、调节可调节直流电源的输出电流。

S14、根据每次调节的输出电流得出土壤样本的温度值、流过土壤样本的电流值以及第一电压极棒与第二电压极棒两端的电压值。

S15、记录第一横截面或第二横截面的面积、第一横截面与第二横截面之间的距离、每次调节的输出电流得出土壤样本的温度值、流过土壤样本的电流值以及第一电压极棒与第二电压极棒两端的电压值。

需要说明的是，可以根据实际情况对第一电压极棒与第二电压极棒的位置进行调整。

S16、根据预设公式计算每次调节输出电流后土壤样本的温度对应的土壤样本的电阻率。

通过调节可调节直流电源的输出电流使温度逐渐升高，并通过土壤样本温度的变化以及记录的数据对每次调节输出电流后土壤样本的温度对应的土壤样本的电阻率进行计算，具体的，根据公式计算每次调节输出电流后土壤样本的温度对应的土壤样本的电阻率，其中ρ为土壤样本的电阻率，S为第一横截面或第二横截面的面积，U为第一电压极棒与第二电压极棒两端的电压值，I为流经土壤样本的电流值，L为第一横截面与第二横截面之间的距离。

本发明实施例提供的土壤电阻率和温度对应关系的测量方法中，通过获取第一横截面或第二横截面的面积，第一横截面与第二横截面之间的距离，流过土壤样本的电流值以及第一电压极棒与第二电压极棒两端的电压值，根据预设公式计算每次调节输出电流后土壤样本的温度对应的土壤样本的电阻率，可以测量土壤在不同温度下对应的电阻率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种土壤电阻率和温度对应关系的测量系统，其特征在于，包括：可调节直流电源、电流表、电压表、第一电流极板、第二电流极板、第一电压极棒、第二电压极棒、温度检测装置以及土壤样本装填装置；

所述土壤样本装填装置为柱形结构，所述土壤样本装填装置的第一侧面为底面且两个端面与所述第一侧面垂直，所述可调节直流电源、所述电流表、第一电流极板、装填于所述土壤样本装填装置中的土壤样本、第二电流极板可依次串联形成回路，所述第一电流极板和所述第二电流极板均平行于所述端面，所述土壤样本装填于所述土壤样本装填装置中且各个部分的装填高度相同；

所述电压表的两端分别连接用于插入到所述土壤样本中的所述第一电压极棒、所述第二电压极棒，所述第一电压极棒和所述第二电压极棒位于所述第一电流极板和所述第二电流极板之间、且与所述第一电流极板的距离不同，所述温度检测装置位于所述土壤样本中。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，还包括：保护电阻；

所述保护电阻串联在所述可调节直流电源与所述电流表之间。

3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述土壤样本装填装置为长方体结构，所述土壤样本装填装置的第二侧面平行于所述第一侧面且未封闭。

4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述土壤样本装填装置被所述土壤样本填满。

5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述土壤样本装填装置的侧面与端面均具有刻度线。

6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述土壤样本中放置有至少两个所述温度检测装置，其中至少有一个所述温度检测装置放置于所述第一电压极棒与所述第二电压极棒之间。

7.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述第一电流极板、所述第二电流极板分别作为所述土壤样本装填装置的两个端面。

8.一种土壤电阻率和温度对应关系的测量方法，其特征在于，用于控制权利要求1-7任一项所述的测量系统，其特征在于，包括：

获取第一横截面或第二横截面的面积，所述第一横截面为所述土壤样本在所述第一电压极棒位置处的横截面，所述第二横截面为所述土壤样本在所述第二电压极棒位置处的横截面；

获取所述第一横截面与所述第二横截面之间的距离；

调节所述可调节直流电源的输出电流；

根据每次调节的输出电流得出所述土壤样本的温度值、流过所述土壤样本的电流值以及所述第一电压极棒与所述第二电压极棒两端的电压值；

根据预设公式计算每次调节输出电流后所述土壤样本的温度对应的所述土壤样本的电阻率。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述第一电压极棒与所述第二电压极棒的位置进行调整。

10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述根据预设公式计算每次调节输出电流后所述土壤样本的温度对应的所述土壤样本的电阻率具体为：

根据公式计算每次调节输出电流后所述土壤样本的温度对应的所述土壤样本的电阻率，其中ρ为所述土壤样本的电阻率，S为所述第一横截面或所述第二横截面的面积，U为所述第一电压极棒与所述第二电压极棒两端的电压值，I为流经所述土壤样本的电流值，L为所述第一横截面与所述第二横截面之间的距离。