CN205826156U - 一种准分布式地层温度精细测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种准分布式地层温度精细测量装置，包括设置在测量区域内的串列传感采集部分和填埋在地层测量井中的串列温度传感部分，串列传感采集部分由第一、第二组多路转换开关及脉冲发生器、单片机、接口芯片组成，第1组多路转换开关由第1、2多路转换开关组成，第2组多路转换开关由第3、4多路转换开关组成；串列温度传感部分由超五类双绞线缆的一部分和多个铂热电阻构成，超五类双绞线缆的橙、棕、绿、蓝导线和橙白、棕白、绿白、蓝白导线形成4×4矩阵，矩阵每个节点处各连接一铂热电阻；超五类双绞线缆其余部分与第1和第2组多路转换开关连接。该系统传感数据能长距离可靠传输、长期稳定工作，其性价比高，可广泛推行应用。

Description

一种准分布式地层温度精细测量装置

技术领域

本实用新型涉及分布式传感技术领域，特别是涉及一种准分布式地层温度精细测量装置。

背景技术

浅层地热能资源作为一种环保、清洁、可再生的新型能源，在世界上正在以大于每年20％的增长速度被开发利用，我国大规模开发利用浅层地热能资源的势头同样十分迅猛。开发浅层地热能资源是发展绿色经济、低碳经济和循环经济的必然趋势。科学、数字、合理量化地规划和管理开发浅层地热能资源是浅层地热能可持续运用、与环境(包括植被、农作物、建筑)友好和资源化的关键。因此，动态地长期地取得表征浅层地热能资源最重要的地层温数据是十分重要的。

动态、长期地取得表征浅层地热能资源最重要的层温数据的传统方法为多点冗余布线测温传感器的方法，其缺点为：引线多和现场调试困难，一个测温点需要3条引线，因为要求测温达到0.1度的精度，不仅需要标定，而且需要再加一条调整精度的引线(调整导线长度的电阻)，因此一个测温点需要4条引线，对于一个浅层地热能测试点，要求长120米、以8米为间隔地分布温度测温点，共需64条引线。另外，所构成的传感器网体积大且呈不平滑状，因此下缆后会因为填土不易夯实而形成空隙，不能真实反映土壤层温。考虑到构成的传感器网的测温精度应该为0.2度，因此分辨率应该达到0.15度的标值。上述传感器，调试是困难的。更重要的是该分布传感器成本高，施工技术要求苛刻，不能满足国土地热资源的普查和浅层地热能动态监测的设计要求。

尽管分布式光纤光栅温度传感器可以用于浅层地层层温的测量，但是需要进行浅层地层层温测量的区域多，每个区域的测量点位数量大，因其价格的原因不能采用。

中国发明专利ZL201010227592.2公开了一种分布式地层温度测量和有线传输采集系统其采用单总线的数字方式传输测量温度的数值，实践表明，对于一个长度为120米分布传感系统，如果其采集器放置在地层层面井口并加以高质量的密封防水，基本能满足长期稳定测量的要求，但是，对于一个浅层地温能的利用区的动态监测，需要在这个区域不同的地方安装15-30个监测点，所述监测点距离浅层地热能动态监测站房距离最长为550米，采用上述专利技术以双绞线缆直接传输到采集器放置在地层层面井口的采集器中，实践表明，由于传输线线间的线间电容和其它干扰源，上述专利技术不能实现准确、长期、稳定的测量；中国发明专利ZL201010227606.2和ZL201010227620.0公开了一种分布式地层精细温度测量和无线或无线移动数字网传输采集系统，其采用采集器放置在地层层面井内、再以无线或无线移动数字网传输到浅层地热能动态监测站的方式进行测量，该技术的浅层地热能动态监测系统制造成本高，防水封装困难(特别是安装在人工湖底和人工河底的地层温度测量)，不能耐久使用，不能广泛推广。

发明内容

考虑到浅层地热能地层层温测量深度最深为180米，对于一个测量点其分布测量点最多16个，且温度均在0-20℃左右，在此范围精度调整易行，基于此，本实用新型提供一种传感数据能够长距离可靠传输、长期工作稳定、价比高、成本低廉的准分布式地层温度精细测量装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种准分布式地层温度精细测量装置，包括设置在测量区域内的准分布串列传感采集部分和填埋在地层测量井中的准分布串列温度传感部分，

所述准分布串列传感采集部分由第一组和第二组多路转换开关以及脉冲发生器(4)、单片机、接口芯片组成，所述第1组多路转换开关由第1和第2多路转换开关组成，所述第2组多路转换开关由第3和第4多路转换开关组成；

所述准分布串列温度传感部分由超五类双绞线缆的一部分和多个铂热电阻构成，所述超五类双绞线缆中的橙、棕、绿、蓝4条导线和橙白、棕白、绿白、蓝白4条导线形成4×4矩阵，所述矩阵的每个节点(即测量节点)处分别连接一个所述铂热电阻；

所述超五类双绞线缆的其余部分与第1和第2组多路转换开关连接；

其中，所述超五类双绞线缆中的橙、棕、绿、蓝导线分别与第1多路转换开关和第2多路转换开关的引脚(S1、S2、S3、S4)并联相连；所述超五类双绞线缆中的橙白、棕白、绿白、蓝白导线分别与第3多路转换开关和第4多路转换开关的引脚(S1、S2、S3、S4)并联相连；

所述第1、第2多路转换开关并联的输出端和第3、第4多路转换开关并联的输出端分别与脉冲发生器的确定脉冲宽度的时间常数RC的电阻的两端(A、B)相连；脉冲发生器的脉冲输出端与单片机的P3.2输入端相连；第1、第2多路转换开关的通道选择端(2×A0、2×A1、2×A2)分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2端口相连；第3、第4多路转换开关的通道选择端(2×A0、2×A1、2×A2)分别与单片机(5)的P1.3、P1.4、P1.5端口相连；单片 机(5)的P3.0、P3.1两端与接口芯片(6)相连。

优选的是，所述准分布串列温度传感部分中，超五类双绞线缆的长度为160m。

优选的是，对于每一个测量点，在焊接后用胶带拉力缠绕两圈，形成防水密封。

优选的是，所述各多路转换开关的型号均为AD7501；所述脉冲发生器的型号为74AC14；所述单片机的型号为AT89S52，采用24MHz晶振；所述接口芯片的型号为MAX485；所述铂热电阻为铂电阻PT1000。

每个测量节点，可按地层温度测量设计要求的不同长度，定制安装制作，测量节点之间的距离也可按照测量要求的不同，灵活确定。

本实用新型的测量系统克服了传统测量系统测试引线多、不易调试、分布式温度传感器成本高，施工技术要求高、不能平滑成缆、不能真实反映土壤层温的弊端，特别是传感数据能够长距离可靠传输、长期稳定工作。该测量系统性价比高，成本低廉，可广泛推行应用，满足全国国土地热资源的普查和浅层地热能动态监测的需求。

附图说明

图1是本实用新型的测量系统中串列传感采集部分的组成示意图；

图2是本实用新型的测量系统中串列温度传感部分的组成示意图；

图3是实用新型的测量系统的总体电路图；

图4是本实用新型中脉冲发生器的原理图；

图5是本实用新型中以测量脉冲宽度来测量电阻的方法示意图

其中：

1.超五类双绞线缆 2-1.第1多路转换开关 2-2.第2多路转换开关

3-1.第3多路转换开关 3-2.第4多路转换开关 4.脉冲发生器

5.单片机 6.接口芯片 7.铂热电阻

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的准分布式地层温度精细测量装置的组成进行详细说明。

在以下实施例中，各多路转换开关均为AD7501型多路开关；单片机型号为AT894051，采用24MHz晶振；铂热电阻采用PT1000铂热电阻；接口芯片为MAX485芯片。多路转换开关分为两组，第一组多路转换开关2由第1、第2多路转换开关2-1和2-2组成，第二组多路转换开关3由第3、第4多路转换开关3-1和3-2组成。

首先参见图3，超五类双绞线缆1中的橙、棕、绿、蓝导线与第一组多路转换开关2相连，为了降低导通电阻(可降低到75欧姆)，橙、棕、绿、蓝导线分别与第1多路转换开关2-1和第2多路转换开关2-2的S1、S2、S3、S4引脚并联相连；超五类双绞线缆1中的橙白、棕白、绿白、蓝白导线和第二组多路转换开关3相连，为了降低导通电阻(可降低到75欧姆)，橙白、棕白、绿白、蓝白导线分别与第3多路转换开关3-1和第4多路转换开关3-2的S1、S2、S3、S4引脚并联相连；第1、第2多路转换开关2-1、2-2并联的输出端和第3、第4多路转换开关3-1、3-2并联的输出端分别与脉冲发生器4的确定脉冲宽度的电阻R_X的两端相连；脉冲发生器4的脉冲输出端与单片机5的P3.2输入端相连，以利用单片机5内的定时器门控位GATE对输入脉宽进行计数，间接高精度测量PT铂热电阻的阻值变化；第1、第2多路转换开关2-1、2-2的通道选择端2×A0、2×A1、2×A2分别与单片机5的P1.0、P1.1、P1.2端口相连；第3、第4多路转换开关3-1、3-2的通道选择端2×A0、2×A1、2×A2分别与单片机5的P1.3、P1.4、P1.5端口相连；单片机5的P3.0、P3.1两端与接口芯片6相连。

以上部分构成串列传感采集部分8，即如图1所示，串列传感采集部分由第1-第4多路转换开关2-1、2-2、3-1、3-2和脉冲发生器4、单片机5、接口芯片6组成。

参见图2，超五类双绞线缆1中的橙、棕、绿、蓝导线与超五类双绞线缆1中的橙白、棕白、绿白、蓝白导线形成4×4矩阵状，这个矩阵的每个节点(按设计要求的间隔长度)分别连接一个铂热电阻7。对于每一个测量点，在焊接后以3M公司的2228胶带拉力缠绕两圈，即可达到固定防水密封效果。以上部分构成串列温度传感部分9，即：串列温度传感部分9由超五类双绞线缆1的一部分(其中的160米)和安装在超五类双绞线缆1的导线形成的4×4矩阵的每个节点上的铂热电阻7构成。

图中标记7为具有高热响应和测量精度高的厚膜型PT1000铂热电阻，它的阻值和温度的变化成正比。PT1000的阻值与温度变化关系为：当PT1000温度为0℃时它的阻值为1000欧姆，在100℃时它的阻值约为1385.005欧姆。它的工业原理是阻值会随着温度上升而匀速增长，1℃变化值为3.85欧姆。并且，厚膜型PT1000的通过电流≤3mA时，其测量值不受电流自加热的影响，本实施例中，脉冲发生器4流经PT1000的电流为2.6mA。

本实用新型的测量系统是这样工作的：

将本实用新型测量系统中的串列温度传感部分9(即超五类双绞线缆1的一部分(例如，160米)和安装在超五类双绞线缆1的导线形成的4×4矩阵的每个节点上的铂热电阻7)下线到地层测量井中，向井中填土密实，将超五类双绞线缆1的露出部分在地面水平引出并连接至位于本测量区域的浅层地热能动态监测站内的本实用新型的串列传感采集部分8。

开启串列传感采集部分8的电源，单片机5置P1.1＝0，P1.2＝0、P1.3＝0，将第1多路开 关2-1的通道S1和第2多路开关2-2的通道S1并联导通a；单片机5置P1.4＝0，P1.5＝0、P1.6＝0，将第3多路开关3-1的通道S1和第4多路开关3-2的通道S1并联导通b；通过导通a和导通b通道将对应的PT1000实时电阻值接入到脉冲发生器[4]的A、B两端作为时间常数RC的电阻值R，此时，脉冲发生器4的脉冲宽度T由接通后的这个(测量编号为1)PT1000的值R(t)乘以振荡电容值C决定.单片机5的P3.2接收脉冲发生器4输出端脉冲信号的上跳沿稳定的高电平时，启动16位计数器工作，直至本次脉冲信号下跳为稳定的零电平时，停止本次计数，将这个计数值代入公式中，计算出这个测量节点的温度值，其中，根据1℃变化值为3.85欧姆，K为单片机脉冲宽度计数值，T为测量的温度值，1.3为常数，得出这个PT1000测得的温度值T₁，该点测量温度值T₁存入单片机的缓存区地址为E₁。重复前述测量过程，测得的T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇....T₁₆通过接口芯片6的接口传至上位机，显示并形成浅层地热能动态监测数据库的一个记录(即这个区域的一个测量点不同地层深度的一系列温度值)。

以下数表为控制器历遍测量的命令数据：

本实用新型具有以下特点：

1、本实用新型的系统测量精度高：

参见图4的脉冲发生器4的原理图，

脉冲发生器4的使用手册表明，厚膜型PT1000的通过电流≤3mA时，其测量值不受电流自加热的影响，本实用新型的脉冲发生器4流经PT1000的电流为2.6mA，符合厚膜型PT1000准确测量的技术要求。

本实用新型以脉宽计数方式来测量PT1000的阻值变化，进而计算出测量温度值，由图4可见，脉冲发生器4的振荡周期按T＝1.3×RC计算，考虑到AT89S52单片机的晶振采用24MHz，因此计数周期为0.5μs,片内16位计数器可以计数65535，计量周期最长为32.768ms，脉冲发生器的振荡电容采用10μF的高稳定独石电容，考虑最极端的应用场合，分布式温度传感器长为650米(包括分布测量线和传输线)，其线阻值为60欧姆(超五类双绞线线阻标称值)；多路开关导通时，因采用两个多路开关并联，电阻为75欧姆，则总体测量通路电阻为60+75＝135欧姆，对PT1000的测量没有影响。又已知，当PT1000温度为0℃时，它的阻值为1000.0欧姆，在20℃时它的阻值约为1078.9欧姆。也就是测温阻值在1060-1138.9之间变化，也就是每1摄氏度变化3.9欧姆，振荡周期变化约为51μs，采用24MHz晶振，0.5μs计数为1，所以1℃的计数值为102左右，也就是说，1℃的分辨率可达到0.0098℃,符合浅层地热能地层层温测量的技术要求。

2、本实用新型测量系统的测量可靠性、稳定性、传输准确性高：

参见图5，由于整个电路均为直流电流型检测，因此，整个系统有很强的抗干扰能力、信号传输距离远、由于采用AT89S52单片机内的定时器门控位GATE对输入脉冲宽度进行计数，AT89S52当GATE＝1时，定时器的运行将同时受到TR₀和引脚电平的控制，在TR₀＝1时，若则启动计数，若时，停止计数，利用AT89S52这一工作特点，可以对外部输入脉冲的宽度进行计量。本实用新型将脉冲发生器的输出端与AT89S52的引脚P3.2相连，当fo_sc＝24MHz，它的计数值单位为0.5μs，间接地高精度测量出PT1000的阻值变化。本实用新型无信号放大环节，长距离传输准确，因此，测量系统可以长期可靠性工作。

3、本实用新型系统的性价比高：

本实用新型均采用常规的元器件，总体制造成本低廉，通过各个环节的优化和潜能挖掘 设计，达到了高精度、高可靠、高稳定的技术要求，因此，本实用新型的系统性价比较高。

4、本实用新型中的准分布式地层温度精细测量缆可以多条并用，可以增加测量间隔，也可以增加测量深度。

Claims (8)

1.一种准分布式地层温度精细测量装置，其特征在于：包括设置在测量区域内的准分布串列传感采集部分(8)和填埋在地层测量井中的准分布串列温度传感部分(9)，

所述准分布串列传感采集部分(8)由第一组和第二组多路转换开关(2、3)以及脉冲发生器(4)、单片机(5)、接口芯片(6)组成，所述第1组多路转换开关(2)由第1和第2多路转换开关(2-1、2-2)组成，所述第2组多路转换开关(3)由第3和第4多路转换开关(3-1、3-2)组成；

所述准分布串列温度传感部分(9)由超五类双绞线缆(1)的一部分和多个铂热电阻(7)构成，所述超五类双绞线缆(1)中的橙、棕、绿、蓝4条导线和橙白、棕白、绿白、蓝白4条导线形成4×4矩阵，所述矩阵的每个节点处分别连接一个所述铂热电阻(7)；

所述超五类双绞线缆(1)的其余部分与第1和第2组多路转换开关(2、3)连接；

其中，所述超五类双绞线缆(1)中的橙、棕、绿、蓝导线分别与第1多路转换开关(2-1)和第2多路转换开关(2-2)的引脚(S1、S2、S3、S4)并联相连；所述超五类双绞线缆(1)中的橙白、棕白、绿白、蓝白导线分别与第3多路转换开关(3-1)和第4多路转换开关(3-2)的引脚(S1、S2、S3、S4)并联相连；

所述第1、第2多路转换开关(2-1、2-2)并联的输出端和第3、第4多路转换开关(3-1、3-2)并联的输出端分别与脉冲发生器(4)的确定脉冲宽度的时间常数RC电阻的两端(A、B)相连；脉冲发生器(4)的脉冲输出端与单片机(5)的P3.2输入端相连；第1、第2多路转换开关(2-1、2-2)的通道选择端(2×A0、2×A1、2×A2)分别与单片机(5)的P1.0、P1.1、P1.2端口相连；第3、第4多路转换开关(3-1、3-2)的通道选择端(2×A0、2×A1、2×A2)分别与单片机(5)的P1.3、P1.4、P1.5端口相连；单片机(5)的P3.0、P3.1两端与接口芯片(6)相连。

2.根据权利要求1所述的准分布式地层温度精细测量装置，其特征在于：所述串列温度传感部分(9)中，超五类双绞线缆(1)的长度为160m。

3.根据权利要求1所述的准分布式地层温度精细测量装置，其特征在于：对于每一个所述节点，在焊接后用胶带拉力缠绕两圈，形成防水密封。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的准分布式地层温度精细测量装置，其特征在于：所述各多路转换开关的型号均为AD7501。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的准分布式地层温度精细测量装置，其特征在于：所述脉冲发生器的型号为74AC14。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的准分布式地层温度精细测量装置，其特征在于：所述单片机(5)的型号为AT89S52，采用24MHz晶振。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的准分布式地层温度精细测量装置，其特征在于：所述接口芯片(6)的型号为MAX485。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的准分布式地层温度精细测量装置，其特征在于：所述铂热电阻(7)为铂电阻PT1000。