CN114264696B - 一种大地热流测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大地热流测量装置，包括：将探杆插入陆上沉积物后，利用测温电路板控制加热丝对探杆周围的沉积物进行加热，并采集不同高度处温度传感器的温度数据，上位机根据温度数据计算大地热流值，能够免于钻孔且能够进行大地热流的长期稳态监测，降低测量成本，提高测量精度，而且便捷、高效，解决了现有依赖于陆上钻孔条件的大地热流测量技术存在的测量成本高、空间分布不均且为短期非稳态测量导致测量误差大的技术问题。

Description

一种大地热流测量装置

技术领域

本发明涉及大地热流测量技术领域，具体涉及一种大地热流测量装置。

背景技术

大地热流（热流密度）是表征地球内热通过传导方式散失的基本物理参数，它是研究地球内部热状态，获取地壳深部温度，分析岩石圈热结构不可或缺的参数，是评估区域地热资源的关键参数，也能为其它新能源的优化选择提供基础参数。中国科学院地质与地球物理研究所自1988年至今先后开展了四次大地热流汇编，已获得我国大陆地区大地热流1230个，但仍和欧美等发达国家存在较大差距，严重限制了我国地热产业的发展。一方面，现有的大地热流探测技术通常需要依托钻孔条件，通过钻孔地温测量和岩石热导率测试间接获得，但在无钻孔地区或浅孔地区等钻孔缺乏地区，大地热流值的获取极为困难，极大地限制了区域地热资源的勘探和研究。另一方面，钻井过程中，钻井液通过钻杆压入井底(钻头端)，而后通过钻杆与井壁之间的循环空间返回地面，形成井液循环。井液在循环过程中，对井壁围岩的温度具有较大干扰，使其地温场偏离了原始的平衡状态。目前在技术实施过程中，普遍在钻井完成后较短时间（通常短于1个月）内进行测温工作，但研究表明钻井地温场恢复至原始平衡状态所需时间约为钻进时间（通常为6-12月）的1.5倍左右。因此，现有钻井温度测量一般为非稳态测量，所获得的钻井温度数据误差较大，不能有效地反映真实的地层温度分布情况。可见，现有大地热流测量技术依赖于陆上钻孔条件，其测量成本高，空间分布不均，无法进行长期稳态观测导致测量误差较大，且不够便捷、高效。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的现有大地热流测量技术依赖于陆上钻孔条件的缺陷，从而提供一种大地热流测量装置。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供一种大地热流测量装置，包括：探杆、仓体、多个温度传感器、加热丝、电源及测温电路板，其中，探杆的尾端与仓体的首端连接；在探杆的内部设置多个温度传感器；在探杆内部设置加热丝；在仓体内部设置电源及测温电路板；测温电路板分别与温度传感器、加热丝、电源、上位机连接；测温电路板用于在探杆插入至沉积物后，触发加热周期，在一个加热周期内驱动加热丝持续加热，并在需要采集温度时发送温度采集信号至温度传感器；每个温度传感器基于温度采集信号，在升温过程中测量探杆周围温度，并将温度发送回温度电路板；温度电路板获取每个温度传感器发送的温度，并将每个温度传感器对应的温度-时间数据发送至上位机，以便上位机根据每个温度传感器的高度及其对应的温度-时间数据，计算得到大地热流值。

在一实施例中，电源包括：第一电源模块及第二电源模块，其中，第一电源模块及第二电源模块均与测温电路板连接；第一电源模块及第二电源模块为测温电路板竞争供电。

在一实施例中，测温电路板包括：电源电路、电源开关电路、温度采集电路、加热丝驱动电路、低功耗微控制器，其中，电源开关电路与第二电源模块、电源电路、低功耗微控制器连接；电源电路与第一电源模块、温度采集电路、加热丝驱动电路、低功耗微控制器连接；低功耗微控制器与温度采集电路、加热丝驱动电路连接；温度采集电路与温度传感器连接；加热丝驱动电路与加热丝连接；在每个加热周期内，低功耗微控制器控制电源开关电路处于导通状态，电源电路将第一电源模块或第二电源模块的输出电压转换为供电电压；在探杆插入至沉积物后，低功耗微控制器触发加热周期，在一个加热周期内通过控制加热丝驱动电路导通后，加热丝被施加供电电压，加热丝加热；在需要采集温度时，低功耗微控制器通过温度采集电路发送温度采集信号至温度传感器，温度传感器基于温度采集信号，在升温过程中测量探杆周围温度，并将温度通过温度传感器发送回低功耗微控制器；低功耗微控制器还通过温度采集电路为温度传感器充电。

在一实施例中，测温电路板还包括：电池电量检测电路，电池电量检测电路分别与第一电源模块及低功耗微控制器连接；低功耗微控制器通过电池电量检测电路采集第一电源模块的电压，并结合第一电源模块的放电曲线计算第一电源模块在该电压下的剩余电量。

在一实施例中，电源开关电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第一开关、第二开关，其中，第一开关，其控制端通过第一电阻与低功耗微控制器连接，其第一端通过第二电阻与第二电源模块连接，其第二端接地；第二开关，其控制端与第一开关的第一端连接，其第一端与第二电源模块连接，其第二端与电源电路连接，其第二端还通过第三电阻与第二电源模块连接；第一电容，其第一端与第二电源模块连接，其第二端接地。

在一实施例中，加热丝驱动电路包括：第四电阻、第五电阻、第二电容、第一二极管、第三开关，其中，第三开关，其控制端通过第四电阻与低功耗微控制器连接，其控制端还通过第五电阻接地，其第一端与第一二极管的阳极连接，其第一端还与加热丝的第一端连接，其第二端接地；第一二极管，其阴极与电源电路连接，其阴极还通过第二电容接地；加热丝，其第二端与电源电路连接。

在一实施例中，电池电量检测电路包括：第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第四开关、第五开关、第三电容，其中，第四开关，其控制端通过第六电阻与低功耗微控制器连接，其第一端通过第七电阻与第一电源模块连接，其第二端接地；第五开关，其控制端与第四开关的第一端连接，其第二端与第一电源模块连接，其第二端通过第八电阻与低功耗微控制器、第九电阻的第一端连接；第九电阻，其第二端接地，其第二端还通过第三电容与低功耗微控制器连接。

在一实施例中，测温电路板还包括：存储电路，存储电路与电源电路、低功耗微控制器连接，存储电路用于存储温度-时间数据。

在一实施例中，测温电路板还包括：第一通信接口，第一通信接口用于实现低功耗微控制器与上位机的通信连接。

在一实施例中，测温电路板还包括：第二通信接口，第二通信接口用于实现低功耗微控制器与移动终端的通信连接，低功耗微控制器通过第二通信接口将温度-时间数据传输至移动终端。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的大地热流测量装置，将探杆插入陆上沉积物后，利用测温电路板控制加热丝对探杆周围的沉积物进行加热，并采集不同高度处温度传感器的温度数据，上位机根据温度数据计算大地热流值，能够免于钻孔且能够进行大地热流的长期稳态监测，降低测量成本，提高测量精度，而且便捷、高效，解决了现有依赖于陆上钻孔条件的大地热流测量技术存在的测量成本高、空间分布不均且为短期非稳态测量导致测量误差大的技术问题。

2.本发明提供的大地热流测量装置，通过对现有电源芯片进行改进得到低温电源电路，以及对现有低功耗单片机进行改进得到低功耗微控制器，并设计了低功耗的温度采集与加热丝驱动电路，得到低温低功耗的测温电路板，能够在陆上进行大地热流的长期观测，降低了陆域气温波动大使测量电路电流过载引起的测量误差对测量精度的影响，从而提高大地热流的测量精度与可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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大地热流测量装置的一个具体示例的示意图；

图2为本发明实施例提供的大地热流测量装置的另一个具体示例的示意图；

图3为本发明实施例提供的大地热流测量装置的另一个具体示例的示意图；

图4为本发明实施例提供的大地热流测量装置的另一个具体示例的示意图；

图5为本发明实施例提供的电源电路的具体电路结构图；

图6为本发明实施例提供的电源开关电路的具体电路结构图；

图7为本发明实施例提供的低功耗微控制器的具体电路结构图；

图8为本发明实施例提供的加热丝驱动电路及温度采集电路的具体电路结构图；

图9为本发明实施例提供的大地热流测量装置的另一个具体示例的示意图；

图10为本发明实施例提供的电池电量检测电路的具体电路结构图；

图11为本发明实施例提供的大地热流测量装置的另一个具体示例的示意图；

图12为本发明实施例提供的存储电路的具体电路结构图；

图13为本发明实施例提供的第一通信接口的具体电路结构图；

图14为本发明实施例提供的第二通信接口的具体电路结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例

本发明实施例提供一种大地热流测量装置，包括：探杆1、仓体2、多个温度传感器3、加热丝4、电源5及测温电路板6。

具体地，如图1所示，探杆1的尾端与仓体2的首端连接，例如通过螺纹连接；在仓体2内部设置电源5及测温电路板6。在探杆1的内部设置多个温度传感器3，例如：沿探杆轴向等距设置温度传感器；在探杆1内部设置加热丝4。

具体地，如图2所示，测温电路板6分别与温度传感器3、加热丝4、电源5、上位机连接，测温电路板6主要实现长期无人值守条件下对单总线温度数据进行采集记录，同时按照设定的周期和逻辑启动加热丝4对探杆1进行加热。该电路板采用超低功耗设计。

具体地，在探杆1插入至沉积物后，测温电路板6触发加热周期（温度电路板可以接收用户的输入的开关信号后，触发加热周期），在一个加热周期内驱动加热丝4持续加热，并在需要采集温度时发送温度采集信号至温度传感器3；每个温度传感器3基于温度采集信号，在升温过程中测量探杆周围温度，并将温度发送回温度电路板；温度电路板获取每个温度传感器3发送的温度，并将每个温度传感器3对应的温度-时间数据发送至上位机，以便上位机根据每个温度传感器3的高度及其对应的温度-时间数据，计算得到大地热流值。

具体地，本发明实施例在探杆1的内部沿轴向等距设置多个温度传感器3，在探杆1插入陆上沉积物后，测温电路板6内部的定时器立刻触发加热周期，同时测温电路板6控制加热丝4对周围的沉积物进行周期性加热；当需要采集温度时，测温电路板6发送温度采集信号至每个温度传感器3，温度传感器3将采集的探杆周围温度回传至测温电路板6，测温电路板6记录当前采集温度得到每个温度传感器3的温度-时间数据，并将温度-时间数据发送至上位机，上位机用于根据不同高度处温度传感器3测量到的温度数据解算热传导方程，获取陆上沉积物的原位热导率，再通过傅里叶定律计算出大地热流值。

在一具体实施例中，如图3所示，电源5包括：第一电源模块51及第二电源模块52，其中，第一电源模块51及第二电源模块52均与测温电路板6连接；第一电源模块51及第二电源模块52为测温电路板6竞争供电。

具体地，本发明实施例的两个电源模块为测温电路板6竞争供电，例如：在电源5为测温电路板6开始供电之前，假设第一电源模块51输出电压大于第二电源模块52，则首先第一电源模块51为测温电路板6供电，等到第一电源模块51输出电压小于第二电源模块52的输出电压时，第二电源模块52再为测温电路板6供电。

具体地，本发明实施例的第一电源模块51可以为中功率锂电池组，第二电源模块52可以为一次性锂亚电池组，其中，中功率锂电池组由多个可充电锂电池并联而成，中功率锂电池组配置有过充过放保护板，一次性锂亚电池组由多个锂亚电池并联而成。

需要说明的是，本发明实施例的第一电源模块51、第二电源模块52部仅限于中功率锂电池组、一次性锂亚电池组，还可以是其他电源，在此不作限制。

在一具体实施例中，如图4所示，测温电路板6包括：电源电路61、电源开关电路62、温度采集电路63、加热丝驱动电路64、低功耗微控制器65。

如图4所示，电源开关电路62与第二电源模块52、电源电路61、低功耗微控制器65连接；电源电路61与第一电源模块51、温度采集电路63、加热丝驱动电路64、低功耗微控制器65连接；低功耗微控制器65与温度采集电路63、加热丝驱动电路64连接；温度采集电路63与温度传感器3连接；加热丝驱动电路64与加热丝4连接。

具体地，在每个加热周期内，低功耗微控制器65控制电源开关电路62处于导通状态，电源电路61将第一电源模块51或第二电源模块52的输出电压转换为供电电压，两个电源模块为温度采集电路63、加热丝驱动电路64、低功耗微控制器65供电；在探杆1插入至沉积物后，低功耗微控制器65触发加热周期，在一个加热周期内通过控制加热丝驱动电路64导通后，加热丝4被施加供电电压，加热丝4加热；在需要采集温度时，低功耗微控制器65通过温度采集电路63发送温度采集信号至温度传感器3，温度传感器3基于温度采集信号，在升温过程中测量探杆周围温度，并将温度通过温度传感器3发送回低功耗微控制器65。

具体地，本发明实施例的电源电路61如图5所示，电源电路61包含电源芯片U1，电源芯片U1的引脚BST与电容C1的一极连接，引脚SW与电容C1的另一极连接后与电感器L1的一端连接，引脚PG与电阻R1的一端连接，引脚FB与电容C7的一极、电阻R2的一端、电阻R3的一端连接，引脚VIN与引脚EN/UV连接后依次与电容C5的一极、电容C4的正极、稳压二极管D4的阴极、熔断器F1的一端连接，引脚INTVCC与电容C6的一极连接，引脚TR/SS与电容C9的一极连接，引脚RT与电阻R4的一端连接，引脚GND接地；电容C7的另一极、电阻R2的另一端连接后与电容C10的正极连接，电容C10的正极还依次与电阻R1的另一端、电感器L1的另一端连接，电感器L1的另一端依次与电容C8的一极、稳压二极管D3的阴极、电容C2的正极、电容C3的一极连接，电容C3的另一极依次与电容C2的负极、稳压二极管D3的阳极、电容C8的另一极、电容C10的负极、电阻R3的另一端连接后接地，稳压二极管D4的阳极依次与电容C4的阴极、电容C5的另一极、电容C6的另一极、电容C9的另一极、电阻R4的另一端连接后接地；熔断器F1的另一端与二极管D1的阴极、二极管D2的阴极连接；将二极管D1的阳极作为接口12V，二极管D2的阳极作为接口PWRIN 7.2V，电容C3的另一极作为接口VCC3.3；接口VCC3.3连接有电阻R5，电阻R5的另一端与二极管D5的阳极连接，二极管D5的阴极接地；7.2V端与第二电源模块52的输出端连接，12V端与第一电源模块51的输出端连接，VCC3.3端为电源电路61输出端，PWRIN 7.2V端与电源开关电路62输出端连接。

具体地，图5中，电源电路61中电源芯片U1型号为LT8609EMSE，其可以实现2uA的静态电流，转换效率高达90%，为设备长期续航提供可靠的保障。本发明实施例采用双电源供电，12V的中功率锂电池组作为主电源，可以提供高功率，主要为加热丝4提供电力；7.2V的一次性锂亚电池组作为系统的备用电源。正常情况下12V电源输入端的电压高于7.2V，由于二极管的单向导通性，D1导通、D2截止，12V的中功率锂电池组给系统供电。当12V电源输入端的电压小于7.2V时，D2导通、D1截止，7.2V的一次性锂亚电池组作为系统电源。经过LT8609EMSE将电池电压转换为系统所需的3.3V，给包括低功耗微控制器65在内的所有模块供电。电源及其相关电路采用标准的工业元器件，满足工业电子产品的使用温度规范：-40~85℃。

具体地，如图6所示，电源开关电路62包括：第一电阻R10、第二电阻R8、第三电阻R11、第一电容C14、第一开关Q4、第二开关Q3，其中，第一开关Q4的控制端通过第一电阻R10与低功耗微控制器65连接，第一开关Q4的第一端通过第二电阻R8与第二电源模块52连接，第一开关Q4的第二端接地；第二开关Q3的控制端与第一开关Q4的第一端连接，第二开关Q3的第一端与第二电源模块52连接，第二开关Q3的第二端与电源电路61连接，第二开关Q3的第二端还通过第三电阻R11与第二电源模块52连接；第一电容C14的第一端与第二电源模块52连接，第一电容C14的第二端接地；7.2V端与第二电源模块52的输出端连接；接口12V、接口7.2V分别与图5中接头CON1的引脚2、引脚4连接，接头CON1的引脚1、引脚3均接地；图6中的Q3为PMOS管，Q4为NMOS管。

具体地，图6中，NMOS管Q4为si2300，当低功耗微控制器65控制Q4的栅极G拉高后，栅极G电压为单片机电源域3.3V，DS导通；PMOS管Q3为si2301，si2300导通后si2301栅极被拉低，所以DS导通，实现低压控制高压开关的功能。

具体地，本发明实施例的低功耗微控制器65如图7所示，该低功耗微控制器65选用单片机STM32L431CBT6，单片机STM32L431CBT6的引脚PA1、PA2、PA3分别连接有管脚LINK_E、USART2_TX、USART2_RX，引脚PA8、PA9、PA10、PA11、PA12、PA13、PA14分别连接有管脚TEMP、HEAT、INT、IIC_SDA、IIC_SCL、JTMS-SWDIO、JICK-SWCLK，引脚PC14-OSC32_IN、PC15-OSC32_OUT、PH0-OSC_IN、PH1-OSC_OUT分别连接有管脚XT1_2、XT1_1、XT2_1、XT2_2，引脚VLCD、VDD_1、VDD_2、VDD_3、VDDA均与接口VCC3.3连接，引脚PB0、PB1、PB2、PB4、PB5分别连接有管脚12VADC、WKP、RST_E、PWRON 7.2V、PWRON ADC，引脚PB10、PB11、PB12、PB13、PB14、PB15分别连接有管脚USART3_TX、USART3_RX、SPI_SCK、SPI_MOSI、SPI_MISO、F_CS，引脚NRST通过管脚RESET与电阻R6的一端、电容C13的一极连接，引脚BOOT0、VSS_1、VSS_2、VSS_3、VSSA及电容C13的另一极均接地；管脚XT1_2、XT1_1分别连接在晶振Y1的端口1、端口2，管脚XT2_1、XT2_2分别连接在晶振Y2的端口1、端口2，晶振Y2的端口1、端口2分别与电容C20的一极、电容C21的一极连接，电容C20的另一极、电容C21的另一极均接地，电阻R6的另一端与接口VCC3.3连接，电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电容C19并联后在一端与端口VCC3.3连接、在另一端接地，接口VCC3.3与接头Header4的引脚1连接，接头Header4的引脚2接地，接头Header4的引脚3、引脚4分别与管脚JICK-SWCLK、JTMS-SWDIO连接。

具体地，为保证系统低功耗的特性，低功耗微控制器65采用低功耗单片机STM32L431CBT6，作为M4内核的高性能低功耗产品，通过芯片多种低功耗模式，可以实现uA级别的待机功耗，休眠时电流为10uA左右。大地热流测量装置是周期性的采集记录，大部分时间是STOP模式，在这个模式下STM32L431CBT6表现出不俗的低功耗性能，只有几微安。活动模式下多级流水线的结构为数据处理提供了强大的性能。STM32L431CBT6内置了高精度的RTC，通过实时时钟的闹钟功能，可以设定从秒钟到小时级别的采集周期。

具体地，如图8所示，加热丝驱动电路64包括：第四电阻R15、第五电阻R16、第二电容C28、第一二极管D6、第三开关Q5，其中，第三开关Q5的控制端通过第四电阻R15与低功耗微控制器65连接，第三开关Q5的控制端还通过第五电阻R16接地，第三开关Q5的第一端与第一二极管D6的阳极连接，第三开关Q5的第一端还与加热丝4的第一端连接，第三开关Q5的第二端接地；第一二极管D6的阴极与电源电路61连接，第一二极管D6的阴极还通过第二电容C28接地；加热丝4的第二端与电源电路61连接；接头CON2的引脚3、引脚4分别与加热丝4的两端连接，引脚1、引脚2与温度传感器3的正极、负极连接，引脚2接地，引脚3与电源电路61的输出端连接。

具体地，本发明实施例的加热丝驱动电路64与低功耗微控制器65的通用IO引脚连接，实现开关的通断，其中设置有中功率MOS管STN442D（第三开关Q5）和二极管1N4007（D6），第一二极管D6反向并联在第三开关Q5的D极和S极之间。第三开关Q5是加热丝4的驱动开关，为了减少加热时开关本身的功耗和发热情况，本发明实施例使用高管压降低导通电阻的MOS管，而非传统的大功率的三极管，加热丝4电流上限为1A，此时低端控制的第三开关Q5自身功耗微乎其微。当单低功耗微控制器65定时器触发加热周期时，管脚HEAT被拉高，第三开关Q5导通，加热丝4两端被加压，电流约为450mA，功率为10W；待加热过程结束，管脚HEAT被拉低，第三开关Q5关闭，加热丝4两端压降为0。在待机时加热丝驱动电路64被关断，耗流为0，实现低功耗。

具体地，如图8所示，本发明实施例的温度采集电路63包括电阻R19，低功耗微控制器65还通过温度采集电路63（电阻R19）为温度传感器3充电。温度采集电路63为单总线温度采集电路，其采用一个通信线同时为温度传感器3供电和通信，主要是由弱上拉电阻R19和双向IO组成，通过单总线驱动时序实现双向通信。采集转换前，通过R19上拉电阻为温度传感器3充电，通过寄生电容方式，保证温度传感器3采集所需的电量。采集启动后，通过TEMP拉低启动总线上所有温度传感器3的复位，然后拉高TEMP一秒以上通过寄生电容给温度传感器3供电，充电完毕后发起采集命令，所有温度传感器3同时转换温度，转换完成后TEMP一次读取总线上的所有温度传感器3的温度值。通过温度采集电路63，在保证采集精度的前提下，可以实现数十个传感器在2秒内采集完成的优异性能。

在一具体实施例中，如图9所示，测温电路板6还包括：电池电量检测电路66，电池电量检测电路66分别与第一电源模块51及低功耗微控制器65连接；低功耗微控制器65通过电池电量检测电路66采集第一电源模块51的电压，并结合第一电源模块51的放电曲线计算第一电源模块51在该电压下的剩余电量。

具体地，如图10所示，电池电量检测电路66包括：第六电阻R9、第七电阻R7、第八电阻R12、第九电阻R13、第四开关Q1、第五开关Q2、第三电容C22，其中，第四开关Q1的控制端通过第六电阻R9与低功耗微控制器65连接，第四开关Q1的第一端通过第七电阻R7与第一电源模块51连接，第四开关Q1的第二端接地；第五开关Q2的控制端与第四开关Q1的第一端连接，第五开关Q2的第二端与第一电源模块51连接，第五开关Q2的第二端通过第八电阻R12与低功耗微控制器65、第九电阻R13的第一端连接；第九电阻R13的第二端接地，第九电阻R13的第二端还通过第三电容C22与低功耗微控制器65连接；接口PWRON、接口12V ADC均与低功耗微控制器65连接，接口12V与第一电源模块51的输出端连接。

具体地，图10中，Q1为NMOS管，Q2为PMOS管，R12、R13为高精度检测电阻，电池电量检测是通过电压拟合电池放电曲线实现的。为了延长电池的待机时长，电池电量检测电路66做了开关处理，当采集电压时，低功耗微控制器65的管脚PWRON ADC拉高，Q1导通，Q1的漏极被拉低，Q2导通，实现低压控制高压开关，通过R12和R13分压接低功耗微控制器65的ADC管脚进行中功率锂电池组的电压采集。根据中功率锂电池组电压的变化，综合中功率锂电池组的放电曲线，可以计算出中功率锂电池组在任意电压时对应的剩余电量。当电量低于预设阈值时（例如总电量的10%）时，建议及时充电。

在一具体实施例中，如图11所示，测温电路板6还包括：存储电路67、第一通信接口68、第二通信接口69。存储电路67与电源电路61、低功耗微控制器65连接，存储电路67用于存储温度-时间数据；第一通信接口68用于实现低功耗微控制器65与上位机的通信连接；第二通信接口69用于实现低功耗微控制器65与移动终端的通信连接，低功耗微控制器65通过第二通信接口69将温度-时间数据传输至移动终端。

具体地，本发明实施例的存储电路67的具体结构如图12所示，存储电路67包括存储芯片U6，存储芯片U6的引脚CS、SO、SCK、SI分别与管脚F_CS、SPI_MISO、SPI_SCK、SPI_MOSI连接，引脚GND与电容C31的一极连接，引脚WP、VCC、HOLD及电容C31的另一极均与接口VCC3.3连接，引脚GND接地。

具体地，存储电路67中存储芯片U6型号可以为W25Q128，其通过SPI总线与低功耗微控制器65相连，通过低功耗微控制器65的SPI接口读写存储器的数据。存储芯片U6采用高速SPI接口，每秒可以读取4M的字节量。同时16M的存储数据量可以存储记录大于100万条，完全满足需求。

具体地，本发明实施例的第一通信接口68可以为USB通信接口，其具体结构如图13所示，USB通信接口包括USB芯片U5、电容C27、电容C29；USB芯片U5的引脚V3与电容C27的一极连接，引脚VCC与电容C29的一极、接口VUSB连接，引脚RXD、引脚TXD分别与管脚USART3_TX、管脚USART3_RX连接，电容C27的另一极、电容C29的另一极均接地；接口VUSB与电阻R17的一端、电容C32的一极连接，电阻R17的另一端、电容C32的另一极连接后与USB插座J1的引脚D+连接，USB插座J1的引脚D+与电阻R18的一端连接，引脚D-与电阻R20的一端连接，引脚VCC依次与电容C33的一极、电容C34的一极、接口VUSB连接，电阻R18的另一端、电阻R20的另一端分别与USB芯片CH340的引脚UD+、引脚UD-连接，电容C33的另一极、电容C34的另一极连接后接地。

具体地，为了方便和上位机通信，本发明实施例的测温电路板6在USB通信接口中配置了高速的USB芯片CH340E，该芯片通过UART与单片机的串口相连，通过全双工的UART实现与USB设备通信。和其他同类芯片相比，CH340E在体积、性能上优势很大，通常条件下与上位机软件的通信速率可以达到10KB/S，而且能保证误码率。由于该芯片是通过电脑端的USB接口供电，在不工作的情况下，耗电量为0。

具体地，本发明实施例的第二通信接口69可以为蓝牙通信接口，其结构如图14所示，蓝牙通信接口包括蓝牙芯片U3，选型为E104-BT52，蓝牙芯片U3的引脚VH+依次与引脚VCC、电容C11的一极、电容C12的一极连接、接口VCC3.3连接，引脚GND依次与电容C11的另一极、电容C12的另一极连接后接地，引脚WKP、TXD、RXD、LINK分别与管脚WKP、USART2_RX、USART2_TX、LINK_E、RST_E连接；蓝牙通信接口与移动终端无线连接。蓝牙通信接口中蓝牙芯片U3通过UART与低功耗微控制器65相连，实现双向通信。

综合上述结构，本发明实施例提供的大地热流测量装置的工作原理为：

（1）将探杆1的首端插入陆上浅层沉积物中，当低功耗微控制器65的定时器触发加热周期时，低功耗微控制器65中管脚HEAT被拉高，加热丝驱动电路64中NMOS管Q5导通，加热丝4两端被加压，通过加热丝4对探杆1周围的沉积物进行加热；待加热过程结束时，管脚HEAT被拉低，NMOS管Q5关闭，加热丝4两端压降为0。

（2）当启动温度采集任务后，低功耗微控制器65中管脚TEMP被拉低，启动总线上所有温度传感器3的复位；所有温度传感器3复位后，管脚TEMP被拉高一秒以上，通过寄生电容给温度传感器3供电，充电完毕后，发起温度采集命令，所有温度传感器3对升温过程中探杆1周围沉积物的温度进行测量并同时转换温度。

（3）低功耗微控制器65中管脚TEMP一次读取总线上所有温度传感器3的温度值，将温度-时间数据存储在存储电路67中，并通过USB通信接口将温度-时间数据传输给上位机，上位机根据不同高度处温度传感器3测量到的温度数据解算热传导方程，获取陆上沉积物的原位热导率，再通过傅里叶定律计算出大地热流值。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种大地热流测量装置，其特征在于，包括：探杆、仓体、多个温度传感器、加热丝、电源及测温电路板，其中，

所述探杆的尾端与仓体的首端连接；在所述探杆的内部设置多个温度传感器；在所述探杆内部设置加热丝；在所述仓体内部设置所述电源及测温电路板；所述测温电路板分别与所述温度传感器、加热丝、电源、上位机连接；

所述测温电路板用于在所述探杆插入至沉积物后，触发加热周期，在一个加热周期内驱动所述加热丝持续加热，并在需要采集温度时发送温度采集信号至所述温度传感器；

每个所述温度传感器基于所述温度采集信号，在升温过程中测量探杆周围温度，并将所述温度发送回所述温度电路板；

所述温度电路板获取每个温度传感器发送的温度，并将每个温度传感器对应的温度-时间数据发送至上位机，以便所述上位机根据每个温度传感器的高度及其对应的温度-时间数据，计算得到大地热流值；

所述电源包括：第一电源模块及第二电源模块，其中，所述第一电源模块及所述第二电源模块均与所述测温电路板连接；所述第一电源模块及所述第二电源模块为所述测温电路板竞争供电；在电源为测温电路板开始供电之前，第一电源模块输出电压大于第二电源模块，则首先第一电源模块为测温电路板供电，等到第一电源模块输出电压小于第二电源模块的输出电压时，第二电源模块再为测温电路板供电，第一电源模块充电；

第一电源模块为中功率锂电池组，第二电源模块为一次性锂亚电池组。

2.根据权利要求1所述的大地热流测量装置，其特征在于，所述测温电路板包括：电源电路、电源开关电路、温度采集电路、加热丝驱动电路、低功耗微控制器，其中，

所述电源开关电路与所述第二电源模块、电源电路、低功耗微控制器连接；所述电源电路与所述第一电源模块、温度采集电路、加热丝驱动电路、低功耗微控制器连接；所述低功耗微控制器与所述温度采集电路、加热丝驱动电路连接；所述温度采集电路与所述温度传感器连接；所述加热丝驱动电路与所述加热丝连接；

在每个加热周期内，所述低功耗微控制器控制所述电源开关电路处于导通状态，所述电源电路将第一电源模块或第二电源模块的输出电压转换为供电电压；

在所述探杆插入至沉积物后，所述低功耗微控制器触发加热周期，在一个加热周期内通过控制所述加热丝驱动电路导通后，所述加热丝被施加供电电压，所述加热丝加热；

在需要采集温度时，所述低功耗微控制器通过所述温度采集电路发送温度采集信号至所述温度传感器，所述温度传感器基于所述温度采集信号，在升温过程中测量探杆周围温度，并将所述温度通过所述温度传感器发送回所述低功耗微控制器；

所述低功耗微控制器还通过所述温度采集电路为所述温度传感器充电。

3.根据权利要求2所述的大地热流测量装置，其特征在于，所述测温电路板还包括：

电池电量检测电路，所述电池电量检测电路分别与所述第一电源模块及低功耗微控制器连接；

所述低功耗微控制器通过所述电池电量检测电路采集所述第一电源模块的电压，并结合所述第一电源模块的放电曲线计算所述第一电源模块在该电压下的剩余电量。

4.根据权利要求2所述的大地热流测量装置，其特征在于，所述电源开关电路包括：第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第一开关、第二开关，其中，

第一开关，其控制端通过所述第一电阻与所述低功耗微控制器连接，其第一端通过所述第二电阻与所述第二电源模块连接，其第二端接地；

第二开关，其控制端与所述第一开关的第一端连接，其第一端与所述第二电源模块连接，其第二端与所述电源电路连接，其第二端还通过所述第三电阻与第二电源模块连接；

第一电容，其第一端与所述第二电源模块连接，其第二端接地。

5.根据权利要求2所述的大地热流测量装置，其特征在于，所述加热丝驱动电路包括：第四电阻、第五电阻、第二电容、第一二极管、第三开关，其中，

第三开关，其控制端通过所述第四电阻与所述低功耗微控制器连接，其控制端还通过所述第五电阻接地，其第一端与所述第一二极管的阳极连接，其第一端还与所述加热丝的第一端连接，其第二端接地；

第一二极管，其阴极与所述电源电路连接，其阴极还通过所述第二电容接地；

加热丝，其第二端与电源电路连接。

6.根据权利要求3所述的大地热流测量装置，其特征在于，所述电池电量检测电路包括：第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第四开关、第五开关、第三电容，其中，

第四开关，其控制端通过所述第六电阻与所述低功耗微控制器连接，其第一端通过所述第七电阻与所述第一电源模块连接，其第二端接地；

第五开关，其控制端与所述第四开关的第一端连接，其第二端与所述第一电源模块连接，其第二端通过所述第八电阻与所述低功耗微控制器、所述第九电阻的第一端连接；

第九电阻，其第二端接地，其第二端还通过所述第三电容与所述低功耗微控制器连接。

7.根据权利要求2所述的大地热流测量装置，其特征在于，所述测温电路板还包括：

存储电路，所述存储电路与所述低功耗微控制器连接，所述存储电路用于存储所述温度-时间数据。

8.根据权利要求2所述的大地热流测量装置，其特征在于，所述测温电路板还包括：

第一通信接口，所述第一通信接口用于实现所述低功耗微控制器与所述上位机的通信连接。

9.根据权利要求2所述的大地热流测量装置，其特征在于，所述测温电路板还包括：

第二通信接口，所述第二通信接口用于实现所述低功耗微控制器与移动终端的通信连接，所述低功耗微控制器通过所述第二通信接口将所述温度-时间数据传输至所述移动终端。

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