CN205982150U - 岩土间含水层流动热特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种岩土间含水层流动热特性测试装置及测试方法。它解决了现有测量装置无法对岩土间含水层流动热特性实时检测等技术问题。包括测试管体、温度传感器、加热器与数码转换控制变送器，数码转换控制变送器包括地址及温度转换器、信号反馈线、测试仪上的显示模块，测试仪通过加热电源线与加热器相连，且数码转换控制变送器内具有地址及电源控制器，地址及电源控制器分别与显示模块以及加热控制单元相连。优点在于：能测出土壤垂直温度分布、岩土层间含水层的位置以及含水层流动热特性，能将土壤温度及土壤加热温升变化分析出岩土层间含水层的位置及含水层流动热特性动态实时的显示出来。

Description

岩土间含水层流动热特性测试装置

技术领域

本实用新型属于土壤含水层流动热特性测试设备技术领域，尤其是涉及一种岩土间含水层流动热特性测试装置。

背景技术

地源热泵系统设计中最主要地质技术资料，就是深埋在土壤中的地埋管在地下的垂直土壤温度分布情况、岩土层间含水层的位置情况以及流动热特性。通常，在系统设计之前，都会对项目所在地的地下埋管区土壤进行热物性测试试验，获得土壤原始温度值和土壤的热工特性。另外，在项目的地埋管系统施工完成并运行一段时间后，会对地下埋管进行抽样测试，来检测埋管中的水温，根据埋管的测试水温来判断运行中土壤的温度变化以及土壤的热工特性的变化。

在地源热泵项目应用中，一直缺乏一种长期稳定监测地下垂直土壤温度分布、岩土层间含水层的位置以及流动热特性的测试装置。此装置测出的数据以及数据分析能够帮助设计更节能环保稳定的初始系统设计；以及统计并分析系统运行持续一定时间后的源侧土壤温度变化情况、岩土层间含水层的位置情况以及含水层流动热特性等数据，作为系统后期的运行策略调整和改进做可靠的依据。利用此装置让系统达到一个持续稳定节能的程度。目前暂时还没有此种岩土间含水层流动热特性测试装置。

为了解决现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了土壤热物性参数测量装置及测量方法[申请号：201210320267.X]，该装置包括电加热电缆，设置在U型管的内部或U型管的外壁上，所述U型管埋设在土壤中，所述电加热电缆用于向所述土壤提供热量；温度传感器组，设置在所述U型管的内部或U型管的外壁上，包括按照不同深度间隔设置的多个光纤温度传感器；数据采集控制器，与所述温度传感器组中的各光纤温度传感器连接，用于采集各光纤温度传感器测量得到的不同深度位置的土壤温度。

上述方案在一定程度上解决了现有检测装置检测精度低的问题，但是该方案依然存在着：无法长期稳定监测地下垂直土壤温度分布、岩土层间含水层的位置以及流动热特性的测试的问题。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种结构简单合理，能对垂直土壤温度分布、岩土层间含水层的位置以及流动热特性长期进行监测的岩土间含水层流动热特性测试装置。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：本岩土间含水层流动热特性测试装置，包括具有内腔且竖直埋设于土壤中的测试管体，其特征在于，所述的测试管体上自上向下依次设有若干加热测温组件，每一个加热测温组件均具有能检测土壤温度信息的温度传感器且能对温度传感器所处位置区域进行加热的加热器，所述的测试管体内自上向下设有若干与加热测温组件一一对应的数码转换控制变送器，所述的数码转换控制变送器包括与温度传感器相连的地址及温度转换器，所述的所述的地址及温度转换器通过信号反馈线与测试仪上的显示模块相连，所述的测试仪通过加热电源线与加热器相连，且所述的数码转换控制变送器内具有与加热电源线相连的地址及电源控制器，所述的地址及电源控制器分别通过控制线与显示模块以及设置在测试仪上的加热控制单元相连。这里的温度传感器采用不锈钢外壳封装，防水防潮。不锈钢外壳，仅有0.15mm的壁厚，具有很小的蓄热量，同时采用导热性高的密封胶灌封，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，通过温度传感器与土壤接触来测量土壤的温度即先通过温度传感器测得各个地址位置的初始温度，然后再通过加热器对各个位置或某一个、几个进行地址位置进行加热然后再测得加热后的温度，通过将初始温度和加热温度进行对比来检测岩土含水层位置以及含水层流动热特性，其中，这里的控制线为双绞数据线且控制线由四组相互缠绕在一起的铜线封装在一层绝缘外套中而组成的，之所以要进行相互缠绕，是因为当金属线中有电流，即其实是数据流，通过的时候会产生电磁场，而将正、负信号线对绕，两者产生的正、负磁场便会相互抵消，减少信号的干扰。本实用新型专利双绞数据线采用STP，即屏蔽双绞线形式，双绞数据线接口的最大传输距离不少于150米，并具有良好的抗干扰性、抗温性、阻燃性。

在上述的岩土间含水层流动热特性测试装置中，所述的显示模块包括温度显示单元以及地址码显示单元，所述的温度显示单元与地址及温度转换器相连，且所述的地址码显示单元分别与地址及温度转换器以及地址及电源控制器相连。

在上述的岩土间含水层流动热特性测试装置中，所述的加热控制单元为设置在显示模块上触屏控制单元或者所述的加热控制单元为设置在测试仪上的加热控制按钮。

在上述的岩土间含水层流动热特性测试装置中，所述的测试管体自上向下依次等间距设有若干径向贯穿于测试管体外侧管壁的安装孔，所述的加热测温组件均设置在安装孔内，且所述的加热测温组件端部均与测试管体外侧壁齐平。这样可以防止测试管体埋设时对加热测温组件造成损伤。

在上述的岩土间含水层流动热特性测试装置中，所述的测试管体内部设有用于防止土壤内水流在测试管体内流动且能将内腔自上向下依次分割成若干用于放置数码转换控制变送器的安装腔的隔离阻挡组件。

在上述的岩土间含水层流动热特性测试装置中，所述的隔离阻挡组件包括若干自上向下依次等间距设置在测试管体内的弹性隔离圈，且每一个弹性隔离圈均设置在相邻两个数码转换控制变送器之间从而将各个数码转换控制变送器分隔开。数码转换控制变送器之间设置的弹性隔离圈，克服了测试管体中水对流导致的温度分布不均所造成的温度检测误差。

在上述的岩土间含水层流动热特性测试装置中，所述的测试管体的长度为50-150米，所述的数码转换控制变送器自上向下依次等间距设置且相邻两个数码转换控制变送器之间的距离大小为3-8米。

与现有的技术相比，本岩土间含水层流动热特性测试装置的优点在于：采用上述方案能测出土壤垂直温度分布、岩土层间含水层的位置以及含水层流动热特性，通过温度传感器、电加热器及数码转换控制变送器将土壤温度及土壤加热温升变化分析出岩土层间含水层的位置及含水层流动热特性动态实时的显示出来，并形成综合分析的数据体系，为地源热泵系统进行更合理、高效、节能的设计，对保证系统以后的运行效率提供更充分更可靠的数据依据。

附图说明

图1为本实用新型提供的数码转换控制变送器及温度传感器的结构示意图。

图2为本实用新型提供的测试仪的结构示意图。

图3为本实用新型提供的测试管体的结构示意图。

图中，加热电源线1、控制线2、信号反馈线3、测试管体4、数码转换控制变送器5、弹性隔离圈6、加热测温组件7、安装孔8、显示模块9、温度显示单元10、地址码显示单元11、加热控制单元12、测试仪13、加热器14、温度传感器15、地址及温度转换器16、地址及电源控制器17。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1-3所示，本岩土间含水层流动热特性测试装置，包括具有内腔且竖直埋设于土壤中的测试管体4，优选采用PE管且该测试管体4两端封闭，测试管体4上自上向下依次设有若干加热测温组件7，每一个加热测温组件7均具有能检测土壤温度信息的温度传感器15且能对温度传感器15所处位置区域进行加热的加热器14，测试管体4内自上向下设有若干与加热测温组件7一一对应的数码转换控制变送器5，优选地，这里的测试管体4的长度为100米，数码转换控制变送器5自上向下依次等间距设置且相邻两个数码转换控制变送器5之间的距离大小为5米，即测试管体内设有20个数码转换控制变送器5，数码转换控制变送器5包括与温度传感器15相连的地址及温度转换器16，地址及温度转换器16通过信号反馈线3与测试仪13上的显示模块9相连，测试仪13通过加热电源线1与加热器14相连，且数码转换控制变送器5内具有与加热电源线1相连的地址及电源控制器17，地址及电源控制器17分别通过控制线2与显示模块9以及设置在测试仪13上的加热控制单元12相连。

具体地，这里的温度传感器16采用不锈钢外壳封装，防水防潮。不锈钢外壳，仅有0.15mm的壁厚，具有很小的蓄热量，同时采用导热性高的密封胶灌封，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。温度传感器16支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，通过温度传感器16与土壤接触来测量土壤的温度即先通过温度传感器16测得各个地址位置的初始温度，然后再通过加热器14对各个位置或某一个、几个进行地址位置进行加热然后再测得加热后的温度，通过将初始温度和加热温度进行对比来检测岩土含水层位置以及含水层流动热特性，其中，这里的控制线2为双绞数据线且2控制线由四组相互缠绕在一起的铜线封装在一层绝缘外套中而组成的，之所以要进行相互缠绕，是因为当金属线中有电流，即其实是数据流，通过的时候会产生电磁场，而将正、负信号线对绕，两者产生的正、负磁场便会相互抵消，减少信号的干扰。本实用新型专利双绞数据线采用STP，即屏蔽双绞线形式，双绞数据线接口的最大传输距离不少于150米，并具有良好的抗干扰性、抗温性、阻燃性。

更具体地，本实施例中的显示模块9包括温度显示单元10以及地址码显示单元11，温度显示单元10与地址及温度转换器16相连，且地址码显示单元11分别与地址及温度转换器16以及地址及电源控制器17相连；这里的加热控制单元12为设置在显示模块9上触屏控制单元或者所述的加热控制单元12为设置在测试仪13上的加热控制按钮。进一步地，测试管体4自上向下依次等间距设有若干径向贯穿于测试管体4外侧管壁的安装孔8，加热测温组件7均设置在安装孔8内，且加热测温组件7端部均与测试管体4外侧壁齐平，这样可以防止测试管体4埋设时对加热测温组件7造成损伤。

更进一步地，本实施例中的测试管体4内部设有用于防止土壤内水流在测试管体4内流动且能将内腔自上向下依次分割成若干用于放置数码转换控制变送器5的安装腔的隔离阻挡组件，优选地，这里的隔离阻挡组件可以包括若干自上向下依次等间距设置在测试管体4内的弹性隔离圈6，且每一个弹性隔离圈6均设置在相邻两个数码转换控制变送器5之间从而将各个数码转换控制变送器5分隔开，数码转换控制变送器5之间设置的弹性隔离圈6，克服了测试管体4中水对流导致的温度分布不均所造成的温度检测误差。

本岩土间含水层流动热特性测试方法，包括下述步骤:A、测试管体4埋设以及测试仪13调试：将测试管体4竖直埋设在土壤内，同时将测试仪13通过加热电源线1与加热器14相连，通过信号反馈线3将地址及温度转换器16与显示模块9相连，将地址及电源控制器17分别通过控制线2与显示模块9以及加热控制单元12相连；B、土壤层各个位置初始温度检测：关闭测试仪13上的加热控制单元12，不启动加热器14工作，通过温度传感器15测量再通过地址及温度转换器16将温度转换为数字信号，将各个地址码位置所测的温度通过信号反馈线3传输至测试仪13上的显示模块9显示，将地址码位置编号传输给测试仪13上的显示模块9显示，从而测得地埋垂直土壤层的各个位置的初始温度；C、加热并检测土壤层各个位置加热后温度：开启测试仪13上的加热控制单元12，通过控制线2对地址及电源控制器17进行控制，开启加热器14工作，对各个地址码周围进行加热一段时间后，温度传感器15测量温度后再通过地址及温度转换器16将温度转换为数字信号，将所测的温度及对应地址通过信号反馈线3传输至测试仪13上的显示模块9上；D、温度汇总分析：将各个地址码及所对应的温度进行汇总，分析关闭加热器14时的各个地址码的温度和开启加热器14后一段时间所测得的各个地址码的温度进行分析汇总，得出岩土间含水层流动热特性，且在步骤D中，若某个或某几个地址码所对应的温度在经过加热器14加热后测出的温度仍然为初始温度，或者温度升高明显小于其他地址码所对应的温升，则此地址码所在的土壤层位置为岩土含水层位置，并且将数据反复进行试验分析可得出岩土间含水层流动热特性。

具体地，这里的显示模块9包括温度显示单元10以及地址码显示单元11，温度显示单元10与地址及温度转换器16相连，且地址码显示单元11分别与地址及温度转换器16以及地址及电源控制器17相连；加热控制单元12为设置在显示模块9上触屏控制单元或者加热控制单元12为设置在测试仪13上的加热控制按钮。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了加热电源线1、控制线2、信号反馈线3、测试管体4、数码转换控制变送器5、弹性隔离圈6、加热测温组件7、安装孔8、显示模块9、温度显示单元10、地址码显示单元11、加热控制单元12、测试仪13、加热器14、温度传感器15、地址及温度转换器16、地址及电源控制器17等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (7)

1.一种岩土间含水层流动热特性测试装置，包括具有内腔且竖直埋设于土壤中的测试管体(4)，其特征在于，所述的测试管体(4)上自上向下依次设有若干加热测温组件(7)，每一个加热测温组件(7)均具有能检测土壤温度信息的温度传感器(15)且能对温度传感器(15)所处位置区域进行加热的加热器(14)，所述的测试管体(4)内自上向下设有若干与加热测温组件(7)一一对应的数码转换控制变送器(5)，所述的数码转换控制变送器(5)包括与温度传感器(15)相连的地址及温度转换器(16)，所述的地址及温度转换器(16)通过信号反馈线(3)与测试仪(13)上的显示模块(9)相连，所述的测试仪(13)通过加热电源线(1)与加热器(14)相连，且所述的数码转换控制变送器(5)内具有与加热电源线(1)相连的地址及电源控制器(17)，所述的地址及电源控制器(17)分别通过控制线(2)与显示模块(9)以及设置在测试仪(13)上的加热控制单元(12)相连。

2.根据权利要求1所述的岩土间含水层流动热特性测试装置，其特征在于，所述的显示模块(9)包括温度显示单元(10)以及地址码显示单元(11)，所述的温度显示单元(10)与地址及温度转换器(16)相连，且所述的地址码显示单元(11)分别与地址及温度转换器(16)以及地址及电源控制器(17)相连。

3.根据权利要求2所述的岩土间含水层流动热特性测试装置，其特征在于，所述的加热控制单元(12)为设置在显示模块(9)上触屏控制单元或者所述的加热控制单元(12)为设置在测试仪(13)上的加热控制按钮。

4.根据权利要求1或2或3所述的岩土间含水层流动热特性测试装置，其特征在于，所述的测试管体(4)自上向下依次等间距设有若干径向贯穿于测试管体(4)外侧管壁的安装孔(8)，所述的加热测温组件(7)均设置在安装孔(8)内，且所述的加热测温组件(7)端部均与测试管体(4)外侧壁齐平。

5.根据权利要求4所述的岩土间含水层流动热特性测试装置，其特征在于，所述的测试管体(4)内部设有用于防止土壤内水流在测试管体(4)内流动且能将内腔自上向下依次分割成若干用于放置数码转换控制变送器(5)的安装腔的隔离阻挡组件。

6.根据权利要求5所述的岩土间含水层流动热特性测试装置，其特征在于，所述的隔离阻挡组件包括若干自上向下依次等间距设置在测试管体(4)内的弹性隔离圈(6)，且每一个弹性隔离圈(6)均设置在相邻两个数码转换控制变送器(5)之间从而将各个数码转换控制变送器(5)分隔开。

7.根据权利要求5所述的岩土间含水层流动热特性测试装置，其特征在于，所述的测试管体(4)的长度为50-150米，所述的数码转换控制变送器(5)自上向下依次等间距设置且相邻两个数码转换控制变送器(5)之间的距离大小为3-8米。