CN116148941B - 地下水流速流向测量装置、系统及方法 - Google Patents

地下水流速流向测量装置、系统及方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种地下水流速流向测量装置、系统及方法，属于地下水流速流向测量技术领域，用于解决地下水流速流向测量困难且精确度较低的问题。地下水流速流向测量装置包括：封装壳体；控制系统位于封装壳体中；中心加热管包括第一端和第二端；第一端位于封装壳体中，并连接于控制系统。第二端延伸至封装壳体之外，用于加热地下水；多个温度探杆位于封装壳体上，且环绕中心加热管均匀分布；每个温度探杆的远离封装壳体的一端设有温感探头，用于获取中心加热管周围的地下水温度；温感探头连接于控制系统。本申请的地下水流速流向测量装置能够适用于地下水流速流向的精确测量。

Description

地下水流速流向测量装置、系统及方法
技术领域
本申请属于地下水流速流向测量技术技术领域，具体涉及一种地下水流速流向测量装置、系统及方法。
背景技术
地下水是各种滑坡的变形破坏及防治中是极其重要的因素，通过进行地下水流速、流向测量，能够获得滑坡地下水的运动特征，从而为滑坡变形计算提供计算参数，为滑坡的有效防治提供有力依据。但微流级的地下水，流速大约是每天10~100m左右，且需要深入地层内部测量，从而使地下水流速流向测量在精度和可操作性上具有的极大挑战。因此，提出一种可实现高精度、小型化、轻量化的地下水流速流向测量装置具有重要意义。
中国发明专利CN103380353B公开了一种通过MEMS技术实现的热式气体流量计，包括形成于半导体基板的空洞部、覆盖于空洞部表面且由绝缘膜形成的薄膜部和形成在上述绝缘膜之间的发热电阻体和测温电阻体构成。中国发明专利CN107101684A公开了一种热式气体流量计，包括具有形成在隔膜上的发热电阻体的传感元件、温度检测元件、与传感元件电连接的驱动电路。恒温差热式流量计影响因素模拟与试验研究[J]（张夷非,魏勇,余厚全,陈强,刘国权,张学.石油钻探技术. 2021(02)）中给出了基于牛顿冷却定律计算流量的原理方法，且采用数值分析验证了环境温度对热式流量计的结果会产生影响。
但上述现有技术中，均通过控制系统施加功率于发热源使其发热，随后热源表面与流体之间会发生热交换而建立含有流速流向特征的温度场，同时采用热示踪法探测稳态温度场中的定点温度，从而计算提取得到流速流向信息。其中存在如下问题：（1）由于上述测量装置主要应用于空气流体测量，并不适用于地下水环境中流速流向的测量；（2）滑带附近的剧烈摩擦会产生大量摩擦热，且随地层深度的增加环境温度也会出现变化，环境温度变化会影响流速流向的测量结果，导致无法实现高精度测量；（3）地下水流向作为滑坡监测的重要参数之一，是反应地下水渗流方向的重要依据，现有的测量方法多数仅具备一维流向感知能力。
发明内容
因此，本申请要解决的技术问题在于提供一种地下水流速流向测量装置、系统及方法，能够适用于地下水流速流向的精确测量。
为了解决上述问题，本申请第一方面提供了地下水流速流向测量装置，包括：
封装壳体，封装壳体中包括控制系统。
中心加热管，中心加热管包括第一端和第二端。第一端位于封装壳体中。第二端延伸至封装壳体之外，用于加热地下水。
热源温感探头，包括第一热源温感探头和第二热源温感探头。第一热源温感探头设置于中心加热管上且靠近中心加热管的第二端，用于获取中心加热管的第一表面温度。第一表面温度用于计算地下水的流速。第二热源温感探头设置于中心加热管上且靠近中心加热管的第一端，用于获取中心加热管的第二表面温度。第二表面温度用于计算地下水的热导率。
导热阻隔套，环绕在中心加热管的外周，并将第二热源温感探头环绕在内。导热阻隔套用于阻隔第二热源温感探头所在位置周围的地下水流动。
多个温度探杆，多个温度探杆位于封装壳体上。多个温度探杆环绕中心加热管均匀分布且位于导热阻隔套外侧。每个温度探杆的远离封装壳体的一端设有温感探头，用于获取中心加热管周围的地下水温度。
控制系统分别连接于中心加热管、第一热源温感探头、第二热源温感探头及多个温度探杆上的温感探头。
可选的，封装壳体包括：
筒体，筒体包括开口端和封闭端。开口端上可拆卸的设置有防水堵头。中心加热管和多个温度探杆位于封闭端。
L型卡槽，设置于筒体的内壁上。L型卡槽包括相互连接的第一槽段和第二槽段。第一槽段沿筒体的轴线方向由开口端向封闭端延伸。第二槽段连接于第一槽段的靠近封闭端的一端。第二槽段的延伸方向沿封装壳体的周向。
限位挡板，限位挡板上包括限位滑块。限位挡板通过限位滑块与L型卡槽的配合安装于筒体中，并将筒体内部分隔为第一腔体和第二腔体。第一腔体靠近开口端，第二腔体靠近封闭端。控制系统位于第一腔体中。
定位组件，位于第二腔体中，用于固定中心加热管和多个温度探杆。
可选的，定位组件包括定位基体和转线板，转线板位于定位基体与限位挡板之间。转线板连接于控制系统。
定位基体上包括加热管连接孔及多个探杆连接孔。加热管连接孔位于定位基体的轴线上。多个探杆连接孔环绕加热管连接孔均匀分布。中心加热管的第一端穿过筒体的封闭端并安装于加热管连接孔中，并连接于转线板上。每个温度探杆的远离温感探头的一端穿过筒体的封闭端并安装于一个探杆连接孔中，并连接于转线板上。
可选的，定位基体与转线板之间还包括多个缓冲器。每个缓冲器包括：
第一安装槽，位于转线板上。
第二安装槽，位于定位基体上且与第一安装槽的位置相对应。
连接杆，连接杆的两端分别设有第一滑块和第二滑块。第一滑块设置于第一安装槽中，第二滑块设置于第二安装槽中。
第一缓冲弹簧，位于第一安装槽中且沿连接杆的轴线方向连接于第一安装槽与第一滑块之间。
第二缓冲弹簧，位于第二安装槽中且沿连接杆的轴线方向连接于第二安装槽与第二滑块之间。
可选的，控制系统包括防水壳体、主控板和陀螺仪；主控板和陀螺仪位于防水壳体中；陀螺仪连接于主控板；主控板上包括硬件电路；防水壳体上包括定位滑翼，防水壳体通过定位滑翼与L型卡槽的配合固定于第一腔体中。
第二方面，本申请提供了一种地下水流速流向测量系统，用于上述的地下水流速流向测量装置，测量系统包括：
第一温度采集单元，用于获取加热管的表面温度。
第二温度采集单元，用于获取多个温度探杆处的地下水温度。
热源控制单元，用于调整加热管的表面温度。
流速解算单元，连接于第一温度采集单元和第二温度采集单元，用于获取地下水的流速。
流向解算单元，包括陀螺仪和流向计算模块。陀螺仪连接于第二温度采集单元，用于获取地下水的流向。
热导率修正单元，热导率修正单元的输入端连接于第一温度采集单元，热导率修正单元的输出端连接于流速解算单元，用于修正地下水因温度改变造成的热导率参数误差。
动力粘度修正单元，动力粘度修正单元的输入端连接于第二温度采集单元，动力粘度修正单元的输出端连接于流速解算单元，用于修正地下水因温度改变造成的动力粘度参数误差。
可选的，还包括实时功率采集单元，用于获取中心加热管的实际功率。流速解算单元连接于实时功率采集单元。
可选的，还包括远程通信组件。远程通信组件的输入端分别连接于流速解算单元的输出端和流向解算单元的输出端，远程通信组件的输出端连接于地面上的服务器。
第三方面，本申请提供了一种地下水流速流向测量方法，用于上述的地下水流速流向测量装置，方法包括如下步骤：
获取中心加热管的表面温度和每个温度探杆处的地下水温度。
将多个温度探杆处的地下水温度进行对比，以找出最小值作为地下水的环境温度。
获取中心加热管的表面温度与环境温度的温差、当前温度下地下水的热导率及动力粘度，从而计算出地下水的流速。
获取地下水流速流向测量装置的位姿状态信息。
将多个温度探杆处的地下水温度拟合，以获取地下水的一维流向。
将位姿状态信息与地下水的一维流向进行标定，获取地下水流向相对于地球坐标的偏向角。
可选的，获取当前温度下地下水的热导率及动力粘度，还包括：
获取时刻t1时的中心加热管的表面温度T1，及时刻t2时的中心加热管的表面温度T2。
根据t1、t2和T1、T2获取地下水的热导率，并将热导率输入流速解算单元。
将环境温度输入动力粘度修正单元，获得随温度变化的地下水的动力粘度，并将动力粘度输入流速解算单元。
有益效果：
1．本发明的地下水流速流向测量装置通过封装壳体对控制系统进行防水处理更加适用于水下环境作业，达到了适用范围更广、可操作性更强的技术效果。同时，本发明的地下水流速流向测量装置的结构具有整体化和小型化的特点，使用方便。
2．本发明的地下水流速流向测量系统，通过采用第一温度采集单元与第二温度采集单元实时采集温度值，并利用热源控制单元施加于加热管一定的输出功率，从而控制加热管温度与环境温度的差值保持恒定。与此同时，通过在计算流速前设置了误差修正单元，有效降低了由于滑带附近伴随的剧烈摩擦产生大量摩擦热，以及随地层深度的增加环境温度所出现的变化，导致对流速流向计算结果的影响，实现了地下水流速流向的高精度测量。
3．本发明的地下水流速流向测量方法通过对热导率和动力粘度误差进行修正能够获取准确的流速信息，降低了流速计算误差。同时通过将位姿状态信息与地下水的一维流向进行标定，获取地下水流向相对于地球坐标的偏向角，实现了流体流向的测量，弥补了现有的流量计仅具备一维流向感知能力的技术问题，而且本实施例的地下水流速流向测量方法基于热示踪法测量流体流向，具有良好的硬件集成复用性，提高了温度场的信息提取率。
附图说明
图1为本申请实施例的地下水流速流向测量装置的立体结构示意图；
图2为本申请实施例的地下水流速流向测量装置的内部结构示意图；
图3为图2的局部放大图；
图4为本申请实施例的地下水流速流向测量装置的结构分解示意图；
图5为图4的A处放大图；
图6为本申请实施例的地下水流速流向测量装置的部分结构分解示意图；
图7为本申请实施例的筒体的结构示意图；
图8为本申请实施例的定位基体的结构示意图；
图9为本申请实施例的中心加热管的结构示意图；
图10为本申请实施例的控制系统的结构分解示意图；
图11为本申请实施例的缓冲器的结构示意图；
图12为本申请实施例的中心加热管处的局部结构示意图；
图13为本申请实施例的地下水流速流向测量装置的使用状态示意图；
图14为本申请实施例的地下水流速流向测量系统的示意图；
图15为本申请实施例的地下水流速流向测量方法的流程图；
图16为本申请实施例的地下水流速流向测量方法的流程图；
图17为环境温度为20℃下的流热耦合仿真温度云图；
图18为虚拟圆周双向展开方法示意图。
附图标记表示为：
1、地下水流速流向测量装置；110、筒体；111、封闭端；112、L型卡槽；120、定位组件；121、定位基体；1211、定位卡块；1212、探杆连接孔；1213、中心加热管连接孔；122、温度探杆；1221、伸出段；1222、温感探头；123、中心加热管；1231、空心导热管；1232、毛细玻璃管；1233、热源温感探头；12331、第一热源温感探头；12332、第二热源温感探头；1234、导热阻隔套；124、转线板；1241、卡口；125、限位挡片；130、电路水密单元；1301、防水壳；13011、定位滑翼；13012、出线口；1302、主控板；13021、陀螺仪；140、防水接口；150、缓冲器；151、第一限位滑槽块；152、缓冲滑杆；153、第二缓冲弹簧；154、第一缓冲弹簧；155、第二限位滑槽块；2、硬件电路；201、第二温度采集单元；202、第一温度采集单元；203、实际功率采集单元；204、热源控制单元；205、流速解算单元；206、流向解算单元；207、热导率修正单元；208、远程通信组件；209、动力粘度修正单元；3、上位机服务端。
具体实施方式
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例第一方面提供了一种地下水流速流向测量装置。图1为本实施例的地下水流速流向测量装置的立体结构示意图。图2为本实施例的地下水流速流向测量装置的内部结构示意图。如图1和图2所示，本实施例的地下水流速流向测量装置1包括：封装壳体、中心加热管123及多个温度探杆122。封装壳体中包括控制系统。中心加热管123包括第一端和第二端。第一端位于封装壳体中。第二端延伸至封装壳体之外，用于加热地下水。如图12所示，热源温感探头1233包括第一热源温感探头12331和第二热源温感探头12332。第一热源温感探头12331设置于中心加热管123上且靠近中心加热管123的第二端，用于获取中心加热管123的第一表面温度。第一表面温度用于计算地下水的流速。第二热源温感探头12332设置于中心加热管123上且靠近中心加热管123的第一端，用于获取中心加热管123的第二表面温度。第二表面温度用于计算地下水的热导率。导热阻隔套1234环绕在中心加热管123的外周，并将第二热源温感探头12332环绕在内。导热阻隔套1234用于阻隔第二热源温感探头12332所在位置周围的地下水流动。如图1、图2及图12所示，多个温度探杆122位于封装壳体上。多个温度探杆122环绕中心加热管123均匀分布且位于导热阻隔套1234外侧。每个温度探杆122的远离封装壳体的一端设有温感探头1222，用于获取中心加热管123周围的地下水温度。控制系统分别连接于中心加热管123、第一热源温感探头12331、第二热源温感探头12332及多个温度探杆122上的温感探头1222。
在一些示例中，如图5所示，每个温度探杆122的位于封装壳体外部的部分为伸出段1221，温感探头1222位于伸出段1221的自由端。本实施例将温感探头1222设置于伸出段1221的自由端远离封装壳体，能够避免封装壳体对地下水的扰动影响温感探头的测量结果，有利于获取准确的环境温度。
在一些示例中，如图9所示，中心加热管123的靠近第二端一侧为空心导热管1231，空心导热管1231内设有毛细玻璃管1232，在毛细玻璃管1232与空心导热管1231的内壁之间设有热源温感探头1233，热源温感探头1233连接于控制系统，用于获取中心加热管123的温度。
在一些示例中，如图12所示，热源温感探头1233包括第一热源温感探头12331和第二热源温感探头12332，第一热源温感探头12331靠近中心加热管123的第二端，第二热源温感探头12332靠近中心加热管123的第一端。其中第一热源温感探头12331获取的中心加热管123温度用于计算地下水的流速，第二热源温感探头12332获取的中心加热管123温度用于计算地下水的热导率。在中心加热管123的外周设有导热阻隔套1234，导热阻隔套1234将第二热源温感探头12332环绕在内，热阻隔套1234具有高导热性能，用于阻隔第二热源温感探头12332所在位置周围的地下水流动。本实施通过设置导热阻隔套1234有效避免了中心加热管123上半段地下水流动带来的扰动影响。当求解热导率完成后，紧接着通过第一热源温感探头12331采集到的中心加热管123温度，完成对流体流速的后续解算。
在一些示例中，如图12所示，为了同时满足线热源法测量热导率的基本假设，导热阻隔套1234位于中心加热管123与多个温度探杆122之间。但在其他实施中，导热阻隔套1234也可以将多个温度探杆122包围在内。如此设置有利于导热阻隔套对第二热源温感探头12332周围地下水流动的阻隔。需要说明的是，在地下水测量空间的允许范围之内，可以尽量扩大导热阻隔套1234的包围范围，以利于提高测量精度。
本实施例的地下水流速流向测量装置通过封装壳体对控制系统进行防水处理更加适用于水下环境作业，达到了适用范围更广、可操作性更强的技术效果。同时，本发明的地下水流速流向测量装置的结构具有整体化和小型化的特点，使用方便。
在一些实施例中，如图4所示，封装壳体包括：筒体110、L型卡槽112、限位挡板125及定位组件。如图7所示，筒体110包括开口端和封闭端111。如图2所示，开口端上可拆卸的设置有防水堵头140，防水堵头140上包括多个接线孔。中心加热管123和多个温度探杆122位于筒体110的封闭端111。如图7所示，L型卡槽112设置于筒体110的内壁上。L型卡槽112包括相互连接的第一槽段和第二槽段。第一槽段沿筒体110的轴线方向由开口端向封闭端111延伸。第二槽段连接于第一槽段的靠近封闭端111的一端。第二槽段的延伸方向沿筒体110的周向。如图4所示，限位挡板125上包括限位滑块。限位挡板125通过限位滑块与L型卡槽112的配合安装于筒体110中，并将筒体110内部分隔为第一腔体和第二腔体。第一腔体靠近开口端，第二腔体靠近封闭端111。如图2所示，控制系统位于第一腔体中。定位组件位于第二腔体中，定位组件用于固定中心加热管123和多个温度探杆122。
在一些示例中，L型卡槽112为两个，两个L型卡槽以筒体110的轴线为轴呈中心对称布置。限位挡板125上包括两个限位滑块，两个限位滑块对称设置，每个限位滑块位于一个L型卡槽112中。如此设置能够对限位挡板125进行有效的固定。
本实施例的封装壳体通过限位挡板125将筒体110内部分隔为两个腔室，两个腔室分别用于容纳控制系统和定位组件，集成化程度高，结构紧凑，且能够防止定位组件与控制系统发生碰撞。
在一些实施例中，如图4和图6所示，定位组件包括定位基体121和转线板124，转线板124位于定位基体121与限位挡板125之间。转线板124连接于控制系统。
定位基体121上包括中心加热管连接孔1213及多个温度探杆连接孔1212。中心加热管连接孔1213位于定位基体121的轴线上。多个温度探杆连接孔1212环绕中心加热管连接孔1213均匀分布。中心加热管123的第一端穿过筒体110的封闭端111并安装于中心加热管1213连接孔中，并连接于转线板124上。每个温度探杆122的远离温感探头1222的一端穿过筒体110的封闭端111并安装于一个温度探杆连接孔1212中，并连接于转线板124上。
在一些示例中，如图4和图7所示，筒体110的封闭端111设有多个通孔，多个通孔的位置与中心加热管连接孔1213及多个温度探杆连接孔1213的位置相对应。设置多个通孔用于中心加热管123和多个温度探杆122的穿过，且在每个通孔与中心加热管123或温度探杆122之间设有密封结构，以防止地下水进入封装壳体中。
在一些示例中，如图8所示，定位基体121的朝向转线板124的端面上设有一对定位卡块1211。如图6所示，转线板124设有一对卡口1241。定位基体121通过一对定位卡块1211与一对卡口1241的配合与转线板124卡接定位。如此设置，使定位组件的结构更加稳定和紧凑，同时又方便拆卸。
本实施例的定位组件通过通过定位基体121和转线板124的配合实现中心加热管123和温度探杆122的定位和与控制系统的连接，具有结构紧凑的特点，有效的减小了封装壳体的体积。
在一些实施例中，如图3所示，定位基体121与转线板124之间还包括多个缓冲器150。如图11所示，每个缓冲器包括：第一安装槽151、第二安装槽154、连接杆152、第一缓冲弹簧155及第二缓冲弹簧153。第一安装槽151位于转线板124上。第二安装槽154位于定位基体121上且与第一安装槽151的位置相对应。连接杆152的两端分别设有第一滑块和第二滑块。第一滑块设置于第一安装槽151中，第二滑块设置于第二安装槽154中。第一缓冲弹簧155位于第一安装槽151中且沿连接杆152的轴线方向连接于第一安装槽151与第一滑块之间。第二缓冲弹簧153位于第二安装槽154中且沿连接杆152的轴线方向连接于第二安装槽154与第二滑块之间。
本实施例通过在定位基体121与转线板124之间设置缓冲器150，有效降低了含有温感探头1222的定位组件在井下环境发生碰撞时的损坏率，提高了设备的自适应性。本实施例的地下水流速流向测量装置1的使用状态示意如图13所示，地下水流速流向测量装置1设置于地下水中，并通过线路连接位于地面上的上位机服务端3。当装置的温度探杆122或中心加热管123与土体发生碰撞时，定位组件整体相对于封装壳体向上运动，从而带动转线板124朝限位挡板125的方向运动，进而使得第一缓冲弹簧155和第二缓冲弹簧153在连接杆152的挤压下被压缩，从而缓冲了温度探杆122或中心加热管123因碰撞受到的反向力，有效实现了温感探头1222的保护。
在一些实施例中，如图10所示，控制系统包括防水壳体1301、主控板1302和陀螺仪13021。主控板1302和陀螺仪13021位于防水壳体1301中。陀螺仪13021连接于主控板1302。主控板1302上包括硬件电路2。防水壳体1301上包括定位滑翼13011，防水壳体1301通过定位滑翼13011与L型卡槽112的配合固定于第一腔体中。
在一些示例中，如图10所示，一对定位滑翼13011分别设置于防水壳体1301的两侧，防水壳体1301通过一对定位滑翼13011与L型卡槽112的配合固定于第一腔体中。
在一些示例中，如图10所示，防水壳体1301上还包括出线口13012，用于主控板1302的走线通过。
在一些示例中，如图4和图10所示，防水壳体1301将主控板1302封在其内部，形成电路水密单元130，且在防水壳体1301内部，在防水壳体1301与主控板1302的缝隙中填充有防水胶层，如此设置能够对主控板1302起到定位和防水的作用。
在一些示例中，硬件电路2中包括微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)
本实施例通过设置防水壳体1301对主控板1302进行防水保护，提高了测量装置的防水能力，能够具有更大的适用范围。
以上，对地下水流速流向测量装置的结构进行了说明。接下来介绍地下水流速流向测量系统。
第二方面，本实施例提供了一种地下水流速流向测量系统，用于上述的地下水流速流向测量装置。可以理解的，如图10所示，本实施例的水流速流向测量系统集成于硬件电路2中。
图14为本实施例的地下水流速流向测量系统的示意图。如图14所示，测量系统包括：第一温度采集单元201、第二温度采集单元202、热源控制单元204、流速解算单元205、流向解算单元206、热导率修正单元207及动力粘度修正单元209。
第一温度采集单元201用于获取中心加热管123的表面温度。
在一些示例中，如图14所示，第一温度采集单元包括与中心加热管123内部的热源温感探头1233连接的双路第二信号调理电路、与双路第二信号调理电路输出端连接的用于输出加热管表面温度的MCU内部的第一ADC控制器。
需要说明的是，如图12所示，热源温感探头1233包括第一热源温感探头12331和第二热源温感探头12332。第一热源温感探头12331设置于中心加热管123上且靠近中心加热管123的第二端，用于获取中心加热管123的第一表面温度。第一表面温度用于计算地下水的流速。第二热源温感探头12332设置于中心加热管123上且靠近中心加热管123的第一端，用于获取中心加热管123的第二表面温度。第二表面温度用于计算地下水的热导率。
第二温度采集单元201用于获取多个温度探杆122处的地下水温度。
在一些示例中，如图14所示，第二温度采集单元包括与多路温度探杆122下方的温感探头1222连接的模拟开关芯片、与模拟开关芯片输出端连接的第三信号调理电路、与第三信号调理电路的输出端连接的MCU内部的第二ADC控制器（即ADC控制器2）、与第二ADC控制器（即ADC控制器2）输出端连接的用于存储多路温感探头1222温度值的接收数据存储区。
需要说明的是，ADC（Automatic Data Controller）控制器即自动数据控制器。
热源控制单元204用于调整中心加热管123的表面温度。
在一些示例中，如图14所示，热源控制单元204包括与第一ADC控制器（即ADC控制器1）和接收数据存储区的输出信号流连接并用于对数据进行处理计算的功率输出计算单元、功率输出计算单元的输出端通过SPI控制器连接于用于将数字量转化为模拟电压信号的DAC转换芯片、与DAC转换芯片的输出端连接并用于将输出功率施加于中心加热管内部发热负载的可控电源。
示例的，DAC转换芯片与MCU的通信方式为SPI通信、IIC通信或USART通信中的至少一种。
流速解算单元205连接于第一温度采集单元201和第二温度采集单元201，用于获取地下水的流速。
在一些示例中，如图14所示，流速解算单元205包括与第一ADC控制器（即ADC控制器1）和接收数据存储区的输出信号流连接并含有流速求解核心算法的流速计算模块。
流向解算单元206包括陀螺仪13021和流向计算模块。流向解算单元206连接于第二温度采集单元202，用于获取地下水的流向。
在一些示例中，陀螺仪用于感知地下水流速流向测量装置1本体的姿态信息。如图14所示，流向解算单元206包括与陀螺仪的输出端双相连接的并用于控制收发信号的MCU内部的IIC（Inter-Integrated Circuit）控制器、与IIC控制器和接收数据缓冲区的输出信号流连接且含有流向求解核心算法的流向计算模块。
热导率修正单元207的输入端连接于第一温度采集单元201，热导率修正单元207的输出端连接于流速解算单元205，用于修正地下水因温度改变造成的热导率参数误差。
在一些示例中，如图14所示，热导率修正单元207的输入端与第一ADC控制器（即ADC控制器1）的输出信号流连接且热导率修正单元207中含有热导率求解算法。
动力粘度修正单元209的输入端连接于第二温度采集单元202，动力粘度修正单元209的输出端连接于流速解算单元205，用于修正地下水因温度改变造成的动力粘度参数误差。
在一些示例中，如图14所示，动力粘度修正单元209的输入端与接收数据存储区的输出信号流连接且动力粘度修正单元209中含有动力粘度求解算法。
本实施例通过采用第一温度采集单元201与第二温度采集单元202实时采集温度值，并利用热源控制单元204施加于中心加热管123一定的输出功率，从而控制中心加热管123的表面温度与环境温度的差值保持恒定。与此同时，通过在计算流速前设置了热导率修正单元207及动力粘度修正单元209，有效降低了由于滑带附近伴随的剧烈摩擦产生大量摩擦热，以及随地层深度的增加环境温度所出现的变化，导致对流速流向计算结果的影响，实现了地下水流速流向的高精度测量。
在一些实施例中，地下水流速流向测量系统还包括实时功率采集单元203，用于获取中心加热管123的实际功率。流速解算单元205与实时功率采集单元203连接。
在一些示例中，如14所示，实时功率采集单元203包括与中心加热管123的发热负载连接并具有差动放大功能的第一信号调理电路、与第一信号调理电路输出端连接并用于输出中心加热管实际功率的位于MCU内部的第三ADC控制器（即ADC控制器3）。
本实施例通过实时功率采集单元203实时采集中心加热管123的实际输出功率，用于避免由于中心加热管123内部负载元件的温度漂移所产生的理论输出功率值与实际值的误差所带来的影响，以降低流速计算误差，最终可通过流速解算单元205与流向解算单元206计算出地下水的流速流向。
在一些实施例中，地下水流速流向测量系统还包括远程通信组件208。远程通信组件208的输入端分别连接于流速解算单元205的输出端和流向解算单元206的输出端，远程通信组件208的输出端连接于地面上的上位机服务端3。
在一些示例中，如图14所示，远程通信组件208包括与流速计算模块和流向计算模块的输出信号流连接的位于MCU内部的USART（Universal Synchronous/AsynchronousReceiver/Transmitte）控制器、与USART控制器的输出信号流连接的下位机485通信转换芯片、与所述下位机485通信转化芯片的输出端连接的上位机485通信转换芯片、与所述上位机485通信转换芯片的输出端连接的RS232电平转换芯片、与RS232电平转换芯片的输出端连接的用于收发、处理和显示数据的上位机服务端3。如此设置，通过将地下水流速流向数据利用USART控制器输出，并经过485通信转换芯片转化为可实现长距离数据传输的485通信方式，从而确保了在井深环境下数据的有效传输。
本实施例地下水流速流向测量系统在工作过程中，通过远程通信组件与地面的上位机服务端（例如计算机）通讯，可实现远距离的数据传输，确保了地下水流速流向测量装置在井深环境下的数据传输。
以上介绍了地下水流速流向测量系统，接下来对地下水流速流向测量方法进行说明。
第三方面，本实施例提供了一种地下水流速流向测量方法，用于上述的地下水流速流向测量系统。图15为本实施例的地下水流速流向测量方法的流程图。如图15所示，测量方法包括如下步骤：
S1：获取中心加热管的表面温度和每个温度探杆处的地下水温度。
具体的，步骤S1包括：首先，参阅图13，将下位机（即地下水流速流向测量装置）置于地下水环境中并通电。经过初始化后，启动第一温度采集单元与第二温度采集单元，将温感探头和热源温感探头采集到的温度电信号分别经过第二信号调理电路和第三信号调理电路进行滤波、放大后传输给MCU内部第一ADC控制器和第二ADC控制器，从而实现将模拟量电信号转化为数字量，进而使系统得到各个温度场温感探头所在位置的流体温度值及加热管本身的温度值，并将多路流体温度值动态实时存储至接收数据存储区，以便后续为各个计算单元提供数据来源。
S2：将多个温度探杆处的地下水温度进行对比，以找出最小值作为地下水的环境温度。
具体的，步骤S2包括：启动功率输出计算单元，通过SPI控制器与DAC转换芯片进行通信并控制其输出恒定电压信号，从而控制可调电源按照固定电压输出，以固定功率输出并施加于中心加热管的内部发热负载，随后启动误差修正单元，对接收数据存储区中的温度值数据进行比较处理并找出最小值，以此作为流体的环境温度，并以中心加热管温度与环境温度作为自变量，以计算结果影响较大的水的物性参数（例如热导率和动力粘度）作为因变量，进行计算得出随温度变化对应水的物性参数变化后的结果，并将计算结果输入流速计算单元。
S3：获取中心加热管的表面温度与环境温度的温差、当前温度下地下水的热导率及动力粘度，从而计算出地下水的流速。
具体的，步骤S3包括：启动热源控制单元，对中心加热管温度与环境温度作差并将此事的实际温差与初始化所给定的固定温差做比对，通过PID控制算法动态调整施加于加热管上的发热功率，直至实际温差与给定的温差值相等；
启动实时功率采集单元，经过第一信号调理电路处理和第三ADC控制器模数转换后获取到中心加热管的实际输出功率，用于避免由于发热管内部负载元件的温度漂移所产生的理论输出功率值与实际值的误差所带来的影响；
启动流速解算处理硬件电路，系统将上述步骤转换得到的流体温度、加热管温度、加热管实际功率和经过修正后水的物性参数作为已知量输入至流速计算单元，随后将上述参量带入公式（1），从而计算得出流体流速。
Figure SMS_1
公式（1）
其中，v为流体流速，P为功率，d为中心加热管直径，λ ƒ为热导率，A为中心加热管加热表面积，ΔT为热源表面温度与流体环境温度的差值，η为动力粘度，C p为流体定压比热容，ρ为地下室密度。
S4：获取地下水流速流向测量装置的位姿状态信息。
具体的，步骤S4包括：定义陀螺仪本体在沿Z轴转动方向的姿态角为零度时的起始方向所在射线为零度基准线，零度基准线所指向的温度传感器为零度基准点，受到中心加热管激发的温度场影响的区域为温度变化感应区，未受到中心加热管激发的温度场影响的区域为环境温度感应区，并标记零度基准线对应的流向偏向角为0度；
如图18所示，将多路温度传感器所在的虚拟圆周沿零度基准点双向展开至水平，并定义虚拟圆周上各点距离零度基准点的长度为横坐标，得到定义域为两个连续完整圆周上的温度分布离散数据集，随后，如图17所示，对数据集进行比较，找出温度最大值点，并沿温度最大值点向左右两侧各取相同数量的数据点作为有效数据点，从而滤除掉环境温度感应区内温度传感器采集到的温度值，并对数据点的坐标进行矢量标记，记录为
Figure SMS_2
其中n x为温感探头所在的位置标度，T x ’为对应温感探头采集到的温度值；
S5：将多个温度探杆处的地下水温度拟合，以获取地下水的一维流向。
具体的，步骤S5包括：将n x和T x ’的数据集带入公式（2），所得拟合函数均值u即为中心加热管中心沿水流流向方向映射到虚拟圆周上的距离标度点，即地下水的一维流向；
Figure SMS_3
公式（2）
其中，u为均值，σ和e为常数。
S6：将位姿状态信息与地下水的一维流向进行标定，获取地下水流向相对于地球坐标的偏向角。
具体的，步骤S6包括：将流向的位置标度点带入：
Figure SMS_4
公式（3）
其中，s为弧长，r为多个温度探杆所在的虚拟圆周半径，n为温度探杆的数量，μ为均值。
将均值对应的距离标度转换为对应距离零度基准点的弧长，由：
Figure SMS_5
公式（4）
其中，θ 0为偏向角，s为弧长，r为多个温度探杆所在的虚拟圆周半径。
即可得出流向相对于地球坐标的偏向角。
本实施例的地下水流速流向测量方法通过对热导率和动力粘度引起的流速解算误差进行修正以够获取准确的流速信息，降低了流速计算误差。同时通过将位姿状态信息与地下水的一维流向进行标定，获取地下水流向相对于地球坐标的偏向角，实现了流体流向的测量，弥补了现有的流量计仅具备一维流向感知能力的技术问题，而且本实施例的地下水流速流向测量方法基于热示踪法测量流体流向，具有良好的硬件集成复用性，提高了温度场的信息提取率。
在一些实施例中，如图16所示，获取当前温度下地下水的热导率及动力粘度，还包括：
S31获取时刻t 1时的中心加热管的表面温度T 1，及时刻t 2时的中心加热管的表面温度T 2。
具体的，步骤S31包括：施加于中心加热管恒定功率的同时，启动误差修正单元，以Δt为时间间隔，连续从第一ADC控制器1中读取一次中心加热管的温度值，并输入至热导率计算单元。
S32：根据t 1、t 2和T 1、T 2获取地下水的热导率，并将热导率输入流速解算单元。
具体的，步骤S32包括：将最近一次读取时刻
Figure SMS_6
与前一次读取时刻/>
Figure SMS_7
以及对应两次采集到的温度值/>
Figure SMS_8
、/>
Figure SMS_9
带入
Figure SMS_10
公式（5）
其中，T 1、T 2分别为温感探头在t 1、t 2时刻测量的温度值，q为中心加热管单位长度下的发热功率。
根据SAM算法，评估得出热导率λ ƒ =K，并输入至流速计算单元，修正因热导率变化产生的流速解算误差。
S33：将环境温度输入动力粘度修正单元，获得随温度变化的地下水的动力粘度，并将动力粘度输入流速解算单元。
具体的，步骤S33包括：通过将采集到的环境温度输入至动力粘度计算单元，并带入
Figure SMS_11
公式（6）
Figure SMS_12
从而求解出随温度变化的水的动力粘度，并将计算结果输入至流速计算单元，从而计算流速，修正了动力粘度随温度变化引起的流速解算误差。
本实施例在施加于加热管恒定功率的同时，启动误差修正硬件电路，以
Figure SMS_13
为时间间隔，连续从ADC控制器中读取一次加热管的温度值，并输入至热导率计算单元，将最近一次读取时刻/>
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与前一次读取时刻/>
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以及对应两次采集到的温度值/>
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、/>
Figure SMS_17
带入公式（5），根据SAM算法，评估得出有效原位流体热导率/>
Figure SMS_18
，并输入至流速计算单元，从而修正了因原位流体热导率随环境参数变化引起的流速求解误差；与此同时，通过将采集到的环境温度输入至动力粘度计算单元，并带入公式（6），从而求解出随温度变化的水的动力粘度，并将计算结果输入至流速计算单元，从而修正了因动力粘度随温度变化引起的流速求解误差，消除了环境温度变化对地下水导热率及动力粘度的影响，使流速计算计算结果更加准确。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种地下水流速流向测量装置，其特征在于，包括：
封装壳体，所述封装壳体中包括控制系统；
中心加热管，所述中心加热管包括第一端和第二端；所述第一端位于所述封装壳体中；所述第二端延伸至所述封装壳体之外，用于加热地下水；
热源温感探头，包括第一热源温感探头和第二热源温感探头；所述第一热源温感探头设置于所述中心加热管上且靠近所述中心加热管的第二端，用于获取所述中心加热管的第一表面温度；所述第一表面温度用于计算地下水的流速；所述第二热源温感探头设置于所述中心加热管上且靠近所述中心加热管的第一端，用于获取所述中心加热管的第二表面温度；所述第二表面温度用于计算地下水的热导率；
导热阻隔套，环绕在所述中心加热管的外周，并将所述第二热源温感探头环绕在内；所述导热阻隔套用于阻隔第二热源温感探头所在位置周围的地下水流动；
多个温度探杆，所述多个温度探杆位于所述封装壳体上；所述多个温度探杆环绕所述中心加热管均匀分布；每个所述温度探杆的远离所述封装壳体的一端设有温感探头，用于获取所述中心加热管周围的地下水温度；
所述控制系统分别连接于所述中心加热管、所述第一热源温感探头、所述第二热源温感探头及所述多个温度探杆上的温感探头。
2.根据权利要求1所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述封装壳体包括：
筒体，所述筒体包括开口端和封闭端；所述开口端上可拆卸的设置有防水堵头；所述中心加热管和所述多个温度探杆位于所述封闭端；
L型卡槽，设置于所述筒体的内壁上；所述L型卡槽包括相互连接的第一槽段和第二槽段；所述第一槽段沿所述筒体的轴线方向由所述开口端向所述封闭端延伸；所述第二槽段连接于所述第一槽段的靠近所述封闭端的一端；所述第二槽段的延伸方向沿所述封装壳体的周向；
限位挡板，所述限位挡板上包括限位滑块；所述限位挡板通过所述限位滑块与所述L型卡槽的配合安装于所述筒体中，并将所述筒体内部分隔为第一腔体和第二腔体；所述第一腔体靠近所述开口端，所述第二腔体靠近所述封闭端；所述控制系统位于所述第一腔体中；
定位组件，位于所述第二腔体中，用于固定所述中心加热管和所述多个温度探杆。
3.根据权利要求2所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述定位组件包括定位基体和转线板，所述转线板位于所述定位基体与所述限位挡板之间；所述转线板连接于所述控制系统；
所述定位基体上包括加热管连接孔及多个探杆连接孔；所述加热管连接孔位于所述定位基体的轴线上；所述多个探杆连接孔环绕所述加热管连接孔均匀分布；所述中心加热管的第一端穿过所述筒体的封闭端并安装于所述加热管连接孔中，并连接于所述转线板上；每个所述温度探杆的远离所述温感探头的一端穿过所述筒体的封闭端并安装于一个所述探杆连接孔中，并连接于所述转线板上。
4.根据权利要求3所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述定位基体与所述转线板之间还包括多个缓冲器；每个所述缓冲器包括：
第一安装槽，位于所述转线板上；
第二安装槽，位于所述定位基体上且与所述第一安装槽的位置相对应；
连接杆，所述连接杆的两端分别设有第一滑块和第二滑块；所述第一滑块设置于所述第一安装槽中，所述第二滑块设置于所述第二安装槽中；
第一缓冲弹簧，位于所述第一安装槽中且沿所述连接杆的轴线方向连接于所述第一安装槽与所述第一滑块之间；
第二缓冲弹簧，位于所述第二安装槽中且沿所述连接杆的轴线方向连接于所述第二安装槽与所述第二滑块之间。
5.根据权利要求2所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述控制系统包括防水壳体、主控板和陀螺仪；所述主控板和所述陀螺仪位于所述防水壳体中；所述陀螺仪连接于所述主控板；所述主控板上包括硬件电路；所述防水壳体上包括定位滑翼，所述防水壳体通过所述定位滑翼与所述L型卡槽的配合固定于所述第一腔体中。
6.一种地下水流速流向测量系统，用于如权利要求1~5中任一项所述的地下水流速流向测量装置，其特征在于，所述测量系统包括：
第一温度采集单元，用于获取所述加热管的表面温度；
第二温度采集单元，用于获取所述多个温度探杆处的地下水温度；
热源控制单元，用于调整所述加热管的表面温度；
流速解算单元，连接于所述第一温度采集单元和所述第二温度采集单元，用于获取所述地下水的流速；
流向解算单元，包括陀螺仪和流向计算模块；所述陀螺仪所述连接于所述第二温度采集单元，用于获取所述地下水的流向；
热导率修正单元，所述热导率修正单元的输入端连接于所述第一温度采集单元，所述热导率修正单元的输出端连接于所述流速解算单元，用于修正所述地下水因温度改变造成的热导率参数误差；
动力粘度修正单元，所述动力粘度修正单元的输入端连接于所述第二温度采集单元，所述动力粘度修正单元的输出端连接于所述流速解算单元，用于修正所述地下水因温度改变造成的动力粘度参数误差。
7.根据权利要求6所述的地下水流速流向测量系统，其特征在于，还包括实时功率采集单元，用于获取所述中心加热管的实际功率；所述流速解算单元连接于所述实时功率采集单元。
8.根据权利要求6所述的地下水流速流向测量系统，其特征在于，还包括远程通信组件；所述远程通信组件的输入端分别连接于所述流速解算单元的输出端和所述流向解算单元的输出端，所述远程通信组件的输出端连接于地面上的服务器。
9.一种地下水流速流向测量方法，用于如权利要求6~8中任一项所述的地下水流速流向测量系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
获取所述中心加热管的表面温度和每个所述温度探杆处的地下水温度；
将多个所述温度探杆处的地下水温度进行对比，以找出最小值作为所述地下水的环境温度；
获取所述中心加热管的表面温度与所述环境温度的温差、当前温度下所述地下水的热导率及动力粘度，从而计算出所述地下水的流速；
获取所述地下水流速流向测量装置的位姿状态信息；
将多个所述温度探杆处的地下水温度拟合，以获取所述地下水的一维流向；
将所述位姿状态信息与所述地下水的一维流向进行标定，获取所述地下水流向相对于地球坐标的偏向角。
10.根据权利要求9所述的地下水流速流向测量方法，其特征在于，获取当前温度下所述地下水的热导率及动力粘度，还包括：
获取时刻t1时的中心加热管的表面温度T1，及时刻t2时的中心加热管的表面温度T2；
根据t1、t2和T1、T2获取所述地下水的热导率，并将所述热导率输入所述流速解算单元；
将所述环境温度输入所述动力粘度修正单元，获得随温度变化的所述地下水的动力粘度，并将所述动力粘度输入所述流速解算单元。
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