CN110687160A - 土壤检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤检测装置和方法，属于检测技术领域，土壤检测装置包括：光缆组件、加热组件和测量组件；光缆组件包括光缆和加强芯，光缆被配置为延管道长度方向铺设，加强芯设置在光缆中，被光缆包裹；加热组件的一端与加强芯连接，加热组件的另一端与地面连接；测量组件与光缆组件连接，被配置为在加热组件的加热过程中测量光缆组件周围土壤的热状况。通过加热组件间歇对加强芯供电加热，测量组件测量加热过程中周围土壤的热状况，以此得到管道沿线土壤的温度变化情况并别温度异常区域。解决了相关技术中的温度检测装置对土壤的温度变化敏感度不高，从而无法精确检测出土壤的热状况的问题，达到了提高土壤检测的精确度的效果。

Description

土壤检测装置和方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别涉及一种土壤检测装置和方法。

背景技术

土壤的热状况是指土壤中的热量分布及其动态变化，可以通过土壤的导热率等因素来表现。目前通常通过检测管道周围土壤的温度变化从而识别土壤的热状况。高温土壤或冻土都会影响管道的安全性能，因此对土壤温度的测量有助于提前对管道进行防护等有效措施。

现有技术中的一种土壤检测装置，包括分布式光纤测温仪和光缆。在管道沿线铺设光缆，分布式光纤测温仪与光缆连接，被配置为对光缆及其附近土壤进行温度检测，进而根据温度的变化来确定土壤的热状况。

发明人在实现本发明的过程中，发现上述方式至少存在如下缺陷：上述检测装置对土壤的温度变化敏感度不高，从而无法精确检测出土壤的热状况。

发明内容

为了解决相关技术中对土壤的温度变化敏感度不高，从而无法精确检测出土壤的热状况的问题，本发明实施例提供了一种土壤检测装置和方法。所述技术方案如下：

根据本发明的第一方面，提供一种土壤检测装置，所述土壤检测装置包括：

光缆组件、加热组件和测量组件；

所述光缆组件包括光缆和加强芯，所述光缆被配置为延管道长度方向铺设，所述加强芯设置在所述光缆中，被所述光缆包裹；

所述加热组件的一端与所述加强芯连接，所述加热组件的另一端与地面连接；

测量组件，所述测量组件包括分布式光纤测温仪，所述测量组件与所述光缆组件连接，被配置为在所述加热组件的加热过程中测量所述光缆组件周围土壤的热状况。

可选的，所述加热组件包括恒电位仪，所述加强芯与所述恒电位仪的阴极连接，所述恒电位仪被配置为向所述加强芯提供电流。

可选的，所述恒电位仪通过对所述加强芯进行间歇式的电流加载进行加热。

可选的，所述测量组件被配置为测量所述土壤的初始温度、升温速率以及降温速率。

可选的，所述热状况包括热导率；所述测量组件被配置为在所述加热组件的加热过程中测量所述光缆组件周围土壤的热状况，包括：

所述测量组件用于根据热导率公式确定待检测管道的沿线温度变化，所述确定热导率公式为：

w＝a(T1-T2)/(t1-t2)+b；

其中，w为土壤热导率，T1为所述土壤初始温度、T2为升温后的温度，t1为通电开始时刻、t2为通电结束时刻,a和b为常数。

根据本发明的另一方面，提供一种土壤检测方法，其特征在于，所述方法包括：

将加强芯包裹在光缆中；

将包裹住所述加强芯的光缆延管道沿线铺设；

将所述测量组件与所述光缆连接；

将所述加热组件的一端与所述加强芯连接；

所述加热组件的另一端与地面连接；

使用加热组件对所述加强芯输入电流，进行加热；

使用所述测量组件在所述加热组件的加热过程中测量所述光缆组件周围土壤的热状况，所述测量组件包括分布式光纤测温仪。

可选的，所述加热组件包括恒电位仪，所述加强芯与所述恒电位仪的阴极连接，所述恒电位仪向所述加强芯提供电流。

可选的，所述恒电位仪通过对所述加强芯进行间歇式的电流加载进行加热。

可选的，在所述加热组件开始工作前，所述测量组件测量所述土壤的初始温度；

在所述加热组件工作时，所述测量组件测量所述土壤的升温速率；

在所述加热组件停止工作时，所述测量组件测量所述土壤的降温速率。

可选的，所述热状况包括热导率；使用所述测量组件在所述加热组件的加热过程中测量所述光缆组件周围土壤的热状况，包括：

所述测量组件用于根据热导率公式确定待检测管道的沿线温度变化，所述确定热导率公式为：

w＝a(T1-T2)/(t1-t2)+b；

其中，w为土壤热导率，T1为初始温度、T2为升温后的温度，t1为通电开始时刻、t2为通电结束时刻,a和b为常数。

本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过设置一种包括光缆组件、加热组件和测量组件的土壤检测装置，其中光缆组件包括光缆和加强芯，光缆被配置为延管道长度方向铺设，加强芯设置在光缆中，被光缆包裹；加热组件的一端与加强芯连接，加热组件的另一端与地面连接；测量组件与光缆组件连接，被配置为在加热组件的加热过程中测量光缆组件周围土壤的热状况。通过加热组件间歇对加强芯供电加热，测量组件测量加热过程中周围土壤的热状况，以此得到管道沿线土壤的温度变化情况，并通过该变化识别温度异常区域。解决了相关技术中的温度检测装置对土壤的温度变化敏感度不高，从而无法精确检测出土壤的热状况的问题，达到了提高土壤检测的精确度的效果。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明实施例提供的一种土壤检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种土壤检测装置的结构示意图；

图3是图2所示的土壤检测装置检测的温度曲线图；

图4是本发明实施例提供的一种土壤检测方法的流程图。

通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明实施例提供了一种土壤检测装置和方法，能够解决相关技术中出现的该问题。

目前，由于管道泄漏时泄漏液体渗入管道周围的土壤从而改变周围土壤的温度，可以通过检测管道周围土壤温度的变化，判断管道是否处于泄露等损伤状态。当土壤中产生冻土时，管道易发生冻胀，通过检测管道周围的温度可以及时对管道进行防护，避免冻胀造成的管道损伤。

现有技术中，由于管道铺设距离较长，通常使用平均导热率进行后续的计算和分析，或是将一部分土壤带入实验室中进行检测，以实验土壤的导热率作为管道沿线土壤进行分析计算。但是上述两种方法无法检测出管道沿线局部土壤的温度变化，从而无法判断管道当前的泄漏状况并及时对管道进行防护措施。

现有技术中的一种土壤检测装置，将光缆设置在与管道长度方向垂直距离一米左右，光缆随管道沿线分布铺设。但是，由于管道铺设距离长，管道沿线的土壤温度等参数均不相同，上述检测装置的检测精度差值在2℃左右，无法及时准确的检测出土壤的热状况。

图1是本发明实施例提供的一种土壤检测装置的结构示意图。该土壤检测装置10可以包括：

光缆组件11、加热组件12和测量组件13。

光缆组件11包括光缆111和加强芯112，光缆111被配置为延管道长度方向f铺设，加强芯112设置在光缆111中，被光缆111包裹。

加热组件12的一端与加强芯112连接，加热组件12的另一端与地面连接。

测量组件13，测量组件13包括分布式光纤测温仪(图中未示出)，测量组件13与光缆组件11连接，被配置为在加热组件12的加热过程中测量光缆组件11周围土壤的热状况。

综上所述，本发明实施例提供的一种包括光缆组件、加热组件和测量组件的土壤检测装置，其中光缆组件包括光缆和加强芯，光缆被配置为延管道长度方向铺设，加强芯设置在光缆中，被光缆包裹；加热组件的一端与加强芯连接，加热组件的另一端与地面连接；测量组件与光缆组件连接，被配置为在加热组件的加热过程中测量光缆组件周围土壤的热状况。通过加热组件间歇对加强芯供电加热，测量组件测量加热过程中周围土壤的热状况，以此得到管道沿线土壤的温度变化情况，并通过该变化识别温度异常区域。解决了相关技术中的温度检测装置对土壤的温度变化敏感度不高，从而无法精确检测出土壤的热状况的问题，达到了提高土壤温度检测的精确度的效果。

请参考图2，其示出了本发明实施例提供的另一种土壤检测装置的结构示意图，该土壤检测装置可以包括：

可选的，加热组件包括恒电位仪121，加强芯112与恒电位仪121的阴极连接。恒电位仪121被配置为向加强芯112提供电流。恒电位仪121是一种可以恒定输出电流的仪器，恒电位仪121的负极与加强芯112连接，另一端通过接地极将大地作为阳极，即加强芯112通过恒电位仪121可以与大地构成一个回路。恒电位仪121向加强芯112输出直流电，以使加强芯112散发热量。

加强芯112可以是金属材质，示例性的，加强芯112可以是磷化钢丝。磷化钢丝的材质均匀，电阻率一致且截面积均匀，使用该材质的加强芯112，在加热过程中，在延管道20铺设方向f长度上的每一段加强芯112在单位时间内所散发出的热量基本相同。也可以使用其他材质的加强芯112，本发明实施例在此不作限定。其中加强芯112的电阻符合电阻定律，其阻值与加强芯112的长度成正比，光缆111长度越长时加强芯112的电阻越大。加强芯112设置光缆111中，恒电位仪121向加强芯112输送电流时，加强芯112升温，光缆111的温度随之升高，为了避免过高温度破坏光缆111，通常将温度控制在50摄氏度以下。光缆111可以为GYTA53普通管道光缆，也可以是其他型号的光缆，本发明实施例在此不作限定。

可选的，恒电位仪121通过对加强芯112进行间歇式的电流加载进行加热。恒电位仪121向加强芯112输送电流是加强芯112升温，光缆111周围的土壤随之升温，恒电位仪121停止向加强芯112输送电流后，光缆111周围的土壤逐渐降温。在升温降温的过程中可以得到土壤的导热率，因此可以通过间歇式的向加强芯112输送电流以检测管道20沿线土壤的导热率，即可以通过主动对管道20周围的土壤进行升温及降温来检测管道的安全情况。其中恒电位仪可以将加强芯112接入直流电源的一极，另一极通过钢钎接地。电源电压一般不超过48V，回路时间一般不超过30min。

可选的，测量组件13被配置为测量土壤的初始温度、升温速率以及降温速率。测量组件13还包括分布式光纤测温仪和位于光缆111内的与分布式光纤测温仪连接的光纤1111。分布式光纤测温仪可以基于拉曼散射或布里渊散射进行超长距离的温度测量。光纤随管道沿程铺设，长度多为数十千米，分布式光纤测温仪可以同时测量该数十千米的光纤周围的温度。

可选的，测量组件13用于根据热导率公式确定待检测管道20的沿线温度变化，确定热导率公式为：

w＝a(T1-T2)/(t1-t2)+b；

其中，w为土壤热导率，T1为土壤初始温度、T2为升温后的温度，t1为通电开始时刻、t2为通电结束时刻,a和b为常数。导热率是指土壤具有将所吸收热量传导到周围土壤的性能。

对加强芯112加载电流前，可以先通过分布式光纤测温仪测量管道20沿线土壤的初始温度。同时还可以根据该初始温度判断光缆111及管道20的埋深(埋在土壤中的深度)。初始温度与光缆111埋深关系的判断方法如表1所示：

表1初始温度判断方法

土壤环境	外界环境	初始温度
			浅埋	正温	高
深埋或靠近热源	负温	高
			深埋或远离热源	正温	低
浅埋	负温	低

表1中，外界环境指气温与地温的差值，气温高于地温为正温，气温低于地温为负温。对于气温高于地温(例如夏季)的正温环境下，初始温度高于其他管段时，判断埋深较浅；气温低于地温(例如冬季)的负温环境下，初始温度低于其他管段时，判断埋深较浅；对负温环境下，初始温度温度高于其他管段时，判断埋深较深，或光缆靠近加热输送管道；对于正温环境下，初始温度温度低于其他管段时，判断埋深较深或者远离热源。

图3为本发明实施例中温度曲线图。以检测点为A点为例，检测A点的初始温度T1，初始时间t1对加强芯112输送电流，开始输送电流的初始时间为t1，加强芯112升温，向周围土壤传递温度，此时使用分布式光纤测温仪进行连续测量，温度达到的最高点为B点，该点的温度为T2，停止加温时的时间为t2，开始降温时的温度点为C点为，温度为T3，时间为t3，温度将至不再变化时为D点，温度将至D点是的时间为t4，温度为T4。通过上述时间点即可得出如图3所示的温度变化曲线图，并且能计算出升温速率即降温速率。

通过升温和降温的速率可以判断土壤中的管道的是否存在安全隐患。示例性的，可以通过表2进行判断。

表2升降温过程判断方法

土壤环境	初始温度	升温	降温
				比热容低		快	快
比热容高		慢	慢
				冻土或暗流	低	慢	快
悬空	高	快	慢

表2为判断管道沿线土壤的比热容高低和管道是否存在暗流和悬空的判断方法。对全线升温快、降温快的地方可以判断该处比热容低，容易发生凝管风险；相反升温慢、降温慢的地方比热容高，保温效果好。对于加热输送管道，当土壤初始温度升温慢降温快时，即判断该处可能存在暗流。当因为空气比热容低，初始温度高，升温快降温慢时，判断该处可能存在悬空管道状况。

综上所述，本发明实施例提供的一种包括光缆组件、加热组件和测量组件的土壤检测装置，其中光缆组件包括光缆和加强芯，光缆被配置为延管道长度方向铺设，加强芯设置在光缆中，被光缆包裹；加热组件的一端与加强芯连接，加热组件的另一端与地面连接；测量组件与光缆组件连接，被配置为在加热组件的加热过程中测量光缆组件周围土壤的热状况。通过加热组件间歇对加强芯供电加热，测量组件测量加热过程中周围土壤的热状况，以此得到管道沿线土壤的温度变化情况，并通过该变化识别温度异常区域。解决了相关技术中的温度检测装置对土壤的温度变化敏感度不高，从而无法精确检测出土壤的热状况的问题，达到了提高土壤温度检测的精确度的效果。

图4是本发明实施例提供的一种土壤检测方法的流程图，该方法包括下面几个步骤：

步骤401、将加强芯包裹在光缆中，并延管道铺设。

步骤402、将测量组件与光缆连接。

步骤403、将加热组件的一端与加强芯连接，将加强芯的另一端与地面连接。

加热组件包括恒电位仪，加强芯与恒电位仪的阴极连接。恒电位仪对加强芯提供电流。

步骤404、测量组件测量土壤的初始温度。

步骤405、使用加热组件对加强芯输入电流，进行加热，测量组件测量土壤的升温速率。

恒电位仪通过对加强芯进行间歇式的电流加载进行加热。

步骤406、在加热组件停止工作时，测量组件测量土壤的降温速率。

步骤407、确定土壤的导热率。

加热组件用于根据导热率公式确定待检测管道的沿线温度变化，确定热导率公式为：

w＝a(T1-T2)/(t1-t2)+b；

其中，w为土壤热导率，T1为初始温度、T2为升温后的温度，t1为通电开始时刻、t2为通电结束时刻,a和b为常数。

步骤408、判断土壤的温度异常区。

综上所述，本发明实施例提供的一种土壤检测方法，其中光缆组件包括光缆和加强芯，光缆被配置为延管道长度方向铺设，加强芯设置在光缆中，被光缆包裹；加热组件的一端与加强芯连接，加热组件的另一端与地面连接；测量组件与光缆组件连接，被配置为在加热组件的加热过程中测量光缆组件周围土壤的热状况。通过加热组件间歇对加强芯供电加热，测量组件测量加热过程中周围土壤的热状况，以此得到管道沿线土壤的温度变化情况，并通过该变化识别温度异常区域。解决了相关技术中的温度检测装置对土壤的温度变化敏感度不高，从而无法精确检测出土壤的热状况的问题，达到了提高土壤温度检测的精确度的效果。

以上所述仅为本发明的可选的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种土壤检测装置，其特征在于，所述土壤检测装置包括：

光缆组件、加热组件和测量组件；

所述光缆组件包括光缆和加强芯，所述光缆被配置为延管道长度方向铺设，所述加强芯设置在所述光缆中，被所述光缆包裹；

所述加热组件的一端与所述加强芯连接，所述加热组件的另一端与地面连接；

测量组件，所述测量组件包括分布式光纤测温仪，所述测量组件与所述光缆组件连接，被配置为在所述加热组件的加热过程中测量所述光缆组件周围土壤的热状况。

2.根据权利要求1所述的土壤检测装置，其特征在于，所述加热组件包括恒电位仪，所述加强芯与所述恒电位仪的阴极连接，所述恒电位仪被配置为向所述加强芯提供电流。

3.根据权利要求2所述的土壤检测装置，其特征在于，所述恒电位仪通过对所述加强芯进行间歇式的电流加载进行加热。

4.根据权利要求1所述的土壤检测装置，其特征在于，所述测量组件被配置为测量所述土壤的初始温度、升温速率以及降温速率。

5.根据权利要求1所述的土壤检测装置，其特征在于，所述热状况包括热导率；

所述测量组件被配置为在所述加热组件的加热过程中测量所述光缆组件周围土壤的热状况，包括：

所述测量组件用于根据热导率公式确定待检测管道的沿线温度变化，所述确定热导率公式为：

w＝a(T1-T2)/(t1-t2)+b；

其中，w为土壤热导率，T1为所述土壤初始温度、T2为升温后的温度，t1为通电开始时刻、t2为通电结束时刻,a和b为常数。

6.一种土壤检测方法，其特征在于，所述方法包括：

将加强芯包裹在光缆中；

将包裹住所述加强芯的光缆延管道沿线铺设；

将所述测量组件与所述光缆连接；

将所述加热组件的一端与所述加强芯连接；

所述加热组件的另一端与地面连接；

使用加热组件对所述加强芯输入电流，进行加热；

使用所述测量组件在所述加热组件的加热过程中测量所述光缆组件周围土壤的热状况，所述测量组件包括分布式光纤测温仪。

7.根据权利要求6所述的土壤检测方法，其特征在于，所述加热组件包括恒电位仪，所述加强芯与所述恒电位仪的阴极连接，所述恒电位仪向所述加强芯提供电流。

8.根据权利要求7所述的土壤检测方法，其特征在于，所述恒电位仪通过对所述加强芯进行间歇式的电流加载进行加热。

9.根据权利要求6所述的土壤检测方法，其特征在于，在所述加热组件开始工作前，所述测量组件测量所述土壤的初始温度；

在所述加热组件工作时，所述测量组件测量所述土壤的升温速率；

在所述加热组件停止工作时，所述测量组件测量所述土壤的降温速率。

10.根据权利要求6所述的土壤检测方法，其特征在于，所述热状况包括热导率；

使用所述测量组件在所述加热组件的加热过程中测量所述光缆组件周围土壤的热状况，包括：

所述测量组件用于根据热导率公式确定待检测管道的沿线温度变化，所述确定热导率公式为：

w＝a(T1-T2)/(t1-t2)+b；

其中，w为土壤热导率，T1为初始温度、T2为升温后的温度，t1为通电开始时刻、t2为通电结束时刻,a和b为常数。

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