FI84207C - Anordning foer maetning av jordtemperatur. - Google Patents

Description

84207

MAAN LÄMPÖTILAN MITTAAMISEEN KÄYTETTÄVÄ LAITE

Keksintö koskee erityisesti routaantuneen maan lämpötilan ja/tai lämpötilaprofiilin mittaamiseen käytettävää laitetta, joka käsittää ainakin yhden, runko-osan yhteyteen 5 sovitetun mitta-anturin sekä asennusputken, jonka sisälle runko-osa mitta-antureineen on sovitettavissa, ja jolloin mainittu ainakin yksi mitta-anturi on sovitettavissa mittausyhteyteen asennusputken kanssa mittauksen suorittamiseksi. Lämpötilan mittaus suoritetaan erillistä, 10 mitta-antureihin kytkettyä mittalaitetta käyttäen.

Maaperän lämpötilan mittaukseen voidaan käyttää useita erilaisia mitta-antureita kuten esimerkiksi termistoria, termoelementtiä tai platinalanka-anturia.

Termistori on puolijohdeanturi, jonka sähkövastus muuttuu 15 lämpötilan mukana. Termistoreilla on mahdollista saavuttaa 0.1 °C:een mittaustarkkuus. Termoelementti taas perustuu siihen, että kahden erilaisen metallijohtimen liitoskohdan yli vaikuttaa ns. termoelektrinen jännite, jonka suuruus riippuu lämpötilasta. Yleisin geoteknisissä sovellutuksis-20 sa käytetty anturi on T-tyypin termoelementti, jossa liitoksen muodostaa kupari ja konstantaani. Termoelementit ovat halpoja, mutta niillä voidaan saavuttaa vain noin 0.5 °C:een mittaustarkkuus. Termoelementin käytössä on lisäksi hankaluutena se, että termoelementtijohtimien 25 toiset päät pitäisi pystyä liittämään mittalaitteen johti-miin mieluiten 0 "C:een referenssilämpötilassa eli jääve-dessä. Toinen mahdollisuus on käyttää mittalaitteessa elektronista lämpötilankompensointia, jolloin termoelementti johtimet voidaan suoraan liittää mittalaitteeseen.

30 Paras mittaustarkkuus lämpötilanmittauksessa saavutetaan käyttämällä platinalanka- eli ns. Pt-100-anturia. Anturi muodostuu ohuesta platinalangasta, jonka sähkövastus 0 °C:ssa on täsmälleen 100 ohmia ja jonka vastusriippuvuus lämpötilan funktiona tunnetaan suurella tarkkuudella.

2 84207

Maaperän lämpötilan mittausta varten joudutaan maaperään poraamaan reikä, johon asetetaan esimerkiksi PVC-muovista tai vastaavasta lämpöä eristävästä materiaalista valmistettu putki, jonka pinnalle on kiinnitetty kuparista tai 5 muusta metallista valmistetut mittauselektrodit halutuille mittauskorkeuksille. Elektrodit voivat olla esimerkiksi putken ympärille kiristettyjä liuskoja tai renkaita.

Näihin elektrodeihin kiinnitetään liimaamalla tai hitsaamalla putken sisäpuolelta esimerkiksi putkeen tehdyn 10 rei'än läpi mittausanturi, joka yhdistetään johtimella putken yläosassa oleviin mittausliittimiin.

On myös mahdollista koota laitteisto siten, että esimerkiksi 28 tai 36 mm:n muoviseen sähköasennusputkeen asennetaan tarpeellinen määrä termoelementtejä, joiden yhteen 15 hitsatut ja suojatut päät viedään putken seinämän läpi ja kiinnitetään putken ulkopintaan tavallisesti teippaamalla. Termoelementtien johdot kuljetetaan putken sisällä putken yläpäähän ja putki täytetään sen jälkeen hiekalla tai putkeen muodostetaan polyuretaanitulppia. Putken yläpään 20 läpiviennit tiivistetään, ja termoelementtijohdot viedään erillisessä putkessa asennuskoteloon sijoitetulle monipis-teliitintaululle. Valmiiksi kalustettu putki asennetaan maahan valmiiksi porattuun reikään. Itse lämpötilan mittaus suoritetaan liitintauluun kytkettyä erillistä mitta-25 laitetta käyttäen.

Anturit joutuvat maaperässä alttiiksi niin kovalle rasitukselle, että muiden kuin termoelementtien käyttö ei juuri tule kysymykseen. Näinollen mittauksissa joudutaan tyytymään suhteellisen epätarkkoihin termoelementtimit-30 tauksiin. Aiemmin mainittiin termoelementtimittauksen edellyttävän lämpötilakompensointia, joka on erityisen vaikea järjestää ulkona kenttäolosuhteissa suoritettavissa mittauksissa. Tällöin mittaus on suoritettava autosta tai erillisestä lämmitetystä suojapaikasta, jolloin mittajoh-35 timien johdinetäisyydet kasvavat ja johtimiin joudutaan 3 84207 tekemään liitoksia, mitkä tekijät lisäävät entisestään termoelementtimittauksen epätarkkuutta. Myös ulkoiset olosuhteet kuten jään sulaminen, vesi ja maan liikkeet saattavat joissakin tapauksissa aiheuttaa mittaustuloksen 5 vääristymiä.

Routatutkimuksissa joudutaan suorittamaan maaperän lämpötilan mittauksia hyvin monessa eri kohdassa. Tällöin joudutaan rakentamaan jokaista mittauskohtaa varten oma laitteisto ja varustamaan se tarpeellisella määrällä 10 termoelementtejä. Putkea maahan asennettaessa on suojauksesta huolimatta tarkoin huolehdittava, että antureiden päät eivät pääse rikkoutumaan tai vääntymään. Samaa mittalaitetta ei voida käyttää usempaan kertaan, koska anturi jäätyy kiinni maahan eikä sen siirtäminen paikasta toiseen 15 ole siten mahdollista. Vaikka itse mitta-anturi on halpa, mittalaitteen kokoaminen jokaista mittauskohtaa ja jokaista käyttökertaa varten erikseen vaatii työtä. Lämpötilan mittaukseen voitaisiin periaatteessa käyttää mittaustarkkuudeltaan parempia antureita, kuten platinalanka-antu-20 reita tai termistoreita, mutta näiden käyttö kertakäyttö-antureina ei kuitenkaan ole taloudellisesti perusteltua.

Keksinnön tavoitteena on saada aikaan antureilla varustettu maan lämpötilan mittaukseen soveltuva mittalaite, jota voidaan siirtää paikasta toiseen. Tällöin useat erilliset 25 antureilla varustetut mittalaitteet korvataan yhdellä siirrettävällä mittalaitteella, jolloin kalliimpien ja mittaustarkkuudeltaan parempien antureiden käyttö on perusteltua. Virhemahdollisuuksien karsimiseksi myös itse mittaustoimenpide voidaan suorittaa suoraan laitteen 30 päässä olevasta monivalintakytkimestä. Nämä tavoitteet saavutetaan keksinnön mukaista mittalaitetta käyttäen, joka on pääasiassa tunnettu siitä, että laite käsittää lisäksi ainakin yhden, runko-osan yhteydessä olevan, liikuteltavan elimen, johon mainittu ainakin yksi mitta-35 anturi on kiinnitetty, ja että mainittu mittausyhteys on 4 84207 järjestetty aikaansaatavaksi mainittua ainakin yhtä liikuteltavaa elintä käyttäen.

Runko-osan mitattavasta maasta poispäin olevaan päähän voidaan lisäksi järjestää asennustila esimerkiksi tieto-5 jenkeruuyksikölle, joka voidaan ohjelmoida erikseen ja purkaa sopivana ajankohtana mittauspaikalla tai siirtää purettavaksi muualle.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheiseen piirustukseen, joka esittää mitta-10 laitteen pystyleikkausta. Piirustuksessa laite on esitetty sen korkeussuunnassa vain osittain.

Mittalaite käsittää pääosittain tarkasteltuna runko-osan I, yhden tai useamman mittauskontaktin aikaansaavan elimen 5, yhden tai useamman, runko-osan 1 yhteyteen sovitetun ja 15 elimeen 5 kiinnitetyn mitta-anturin 2 sekä asennusputken 3, johon tarvittaessa voidaan muodostaa yksi tai useampia kontaktielimiä 4.

Runko-osa 1 on kuvan mukaisessa suoritusmuodossa putkimainen elin, johon on muodostettu aukkoja 10 ja jonka mitat-20 tavasta maasta poispäin olevaan yläpäähän on kiinnitetty putkea laajempi yläreunaosa 11. Runko-osa on valmistettu jostain kestävästä materiaalista kuten metallista tai kovanylonista.

Mitta-anturit 2 on kiinnitetty mittauskontaktin aikaansaa-25 vaan elimeen 5. Mitta-antureiden johdot on sijoitettu runko-osan sisälle ja kuljetettu laitteen yläreunaosaan II. Yläreunaosaan on järjestetty liitinosa 12, johon mitta-antureiden johdot on kytketty. Mitta-antureina on perusteltua käyttää korkealuokkaisia ja tarkkoja mittaus- 30 antureita, koska anturit eivät vaurioidu mittauksia suoritettaessa kuten tavanomaisissa ratkaisuissa. Yläreunaosaan 11 on mahdollista järjestää vielä asennustila mittaus- tai s 84207 tietojenkeruuyksikköä varten.

Kuvan mukaisessa suoritusmuodossa mittauskontaktin aikaansaava elin 5 on sijoitettu runko-osan 1 sisälle ja kiinnitetty runko-osaan 1. Elin 5 on salpamainen, kielekkeen 5 muotoinen elin. Kielekkeen ensimmäinen reuna on kiinnitetty tappiin 13 ja kielekkeen toinen reuna tukeutuu runko-osaan 1 muodostettuun aukkoon 10. Mitta-anturi 2 on kiinnitetty aukkoon 10 tukeutuvaan reunaan. Mitta-anturin 2 saattamiseksi mittausyhteyteen asennusputken 3 kanssa 10 menetellään seuraavasti. Tankomaista elintä 14, johon tappi 13 on kiinnitetty, liikuttamalla kieleke työnnetään osittain ulos runko-osasta 1 runko-osaan muodostetun aukon 10 läpi, jolloin mitta-anturi 2 joutuu kosketukseen asennusputken 3 tai asennusputkeen 3 mahdollisesti muodoste-15 tun kontaktielimen 4 kanssa.

Mittauskontaktin aikaansaava elin 5 voidaan järjestää myös siten, että runko-osan muodostaa putkimainen teleskooppi-runko, jonka vaippapinnalle järjestetään joustavasta materiaalista muodostettu renkaanmuotoinen kaulus. Kaulus 20 kiinnitetään molemmista reunoistaan runko-osaan. Runko- osan pituutta pienentämällä joustava elin taipuu ulospäin runko-osasta ja aikaansaa mittauskontaktin. Ratkaisuvaihtoehtoja löytyy monia muitakin mm. paisutettavan elimen ja paineväliaineen käyttäminen on mahdollista.

25 Mittauslaitteen asennusta ja siirtoa varten laite on varustettu erillisellä asennusputkella 3. Asennusputki 3 on valmistettu jostain halvasta mutta riittävän kestävästä ja lämmönjohtavuudeltaan sopivasta materiaalista esimerkiksi ohutseinäisestä muoviputkesta. Asennusputkeen 3 30 voidaan tarvittaessa mittauspisteiden kohdalle upottaa lämpöä hyvin johtavaa materiaalia esimerkiksi kuparia oleva kontaktielin 4, joskaan se ei ole välttämätöntä. Asennusputken 3 ensimmäinen pää 3a on muotoiltu siten, että mittalaite voidaan hyvin upottaa maahan mittaus- 6 84207 kohteessa. Tässä tapauksessa asennusputken pää 3a on kartionmuotoinen. Asennusputki voidaan pehmeässä maassa upottaa painamalla maahan ja kovassa maassa asennusputki upotetaan valmiiksi porattuun reikään. Asennusputken 3 5 toinen pää 3b, joka on poispäin mitattavasta maasta, on suljettu esimerkiksi kannella 7 tai tulpalla, joka käsittää aukon 8 mainittua runko-osaa 1 varten. Asennusputkea 3 voidaan käyttää yleensä vai yhden kerran, koska putki jäätyy kiinni maahan esim. routamittauksissa.

10 Laite kootaan siten, että asennusputki 3 upotetaan maahan ja runko-osa 1 mitta-antureineen 2 sovitetaan asennus-putken 3 sisälle siten, että mitta-anturi 2 ja kontak-tielin 4, silloin kun sitä käytetään, asettuvat kohdakkoin. Lämpötilan mittausta suoritettaessa mittauskontaktin 15 aikaansaava elin 5 läpäisee runko-osaan 1 muodostetun aukon 10 ja ulottuu edelleen runko-osan 1 ja asennus-putken 3 väliin muodostettuun tilaan. Tällöin mitta-anturi 2 koskettaa asennusputkea 3 tai asennusputkeen 3 muodostettua kontaktielintä 4 mittauskontaktin aikaansaami-20 seksi. Lämpötilan mittaus suoritetaan siis asennusputken sisäpinnasta eikä itse jäätyneestä maasta.

Mittauslaitteen siirtoa varten runko-osa 1 mitta-antureineen 2 on irrotettavasti kiinnitetty asennusputken 3 sisälle. Toisin sanoen runko-osa l on asetettu asennus-25 putken 3 sisälle siten, että se voidaan helposti irrottaa asennusputkesta ja siirtää toiseen asennusputkeen uutta mittausta varten. Asennusputkeen kiinnitys voidaan tarvittaessa toteuttaa kiinnityselimien avulla, jotka voivat olla esimerkiksi kierteet.

30 Runko-osan 1 ja asennusputken 3 väliin muodostettu tila on hyvä osastoida erityisesti mitta-anturin 2 molemmin puolin konvektiovirtauksen estävää tiivisterakennetta 9 käyttäen. Putkimaisen runko-osan 1 ja asennusputken 3 väliin jäävään tilaan on kuvan mukaisessa suoritusmuodossa muodostettu 7 84207 eristetulppia, jotka estävät konvektiovirtausten syntymisen putkessa.

Laitteen yläreunaosaan sijoitettu liitinosa 12 käsittää monivalintakytkimen, johon mitta-antureiden 2 johtiraet on 5 kytketty ja liittimen, johon ulkoinen mittalaite voidaan yhdistää. Monivalintakytkimestä voidaan kunkin mittausanturin lähettämä mittaussignaali mitata vuoronperään käyttäen ulkoista mittalaitetta, joka voi olla esimerkiksi digitaalinen volttimittari tai muu vastaava tarkkuusmitta-10 ri. Mikäli mittaus suoritetaan etäämmältä, valintakytki-meen asennetaan esim. monikanavainen mittausjohdin, joka on liitettävissä mittalaitteeseen. Jos antureina käytetään Pt-100-antureita, liittimet, johdotukset ja oheislaitteet on valittava yhteensopiviksi Pt-100 mittareille. 15 Liitinosaan on myös mahdollista asentaa erillinen lähetin, joka voi toimia joko ulkoisesta mittalaitteesta saatavalla virralla tai paristoilla. Lähetin muuntaa mittaussignaalin standardiviestiksi , joka siirretään mittauskeskukseen. Muisti- ja tietojenkeruuyksikön liittäminen yläreunaosaan 20 voi olla optiona, jolloin muistiin kerätyt mittaustiedot voidaan mittausjakson loputtua siirtää esimerkiksi kannettavaan mikrotietokoneeseen jatkokäsittelyä ja raportointia varten.

Keksintö ei ole rajoitettu edellä esitettyyn suoritusmuo-25 toon, vaan sitä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (6)

8 B 4207

1. Erityisesti routaantuneen maan lämpötilan ja/tai lämpö-tilaprofiilin mittaamiseen käytettävä laite, joka käsittää ainakin yhden, runko-osan (1) yhteyteen sovitetun mitta-5 anturin (2) sekä asennusputken (3), jonka sisälle runko-osa (1) mitta-antureineen (2) on sovitettavissa, ja jolloin mainittu ainakin yksi mitta-anturi (2) on sovitettavissa mittausyhteyteen asennusputken (3) kanssa mittauksen suorittamiseksi tunnettu siitä, että laite käsittää 10 lisäksi ainakin yhden, runko-osan (1) yhteydessä olevan, liikuteltavan elimen (5), johon mainittu ainakin yksi mitta-anturi (2) on kiinnitetty, ja että mainittu mit-tausyhteys on järjestetty aikaansaatavaksi mainittua ainakin yhtä liikuteltavaa elintä (5) käyttäen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite tunnettu siitä, että runko-osa (l) on putkimainen ja käsittää ainakin yhden mainittua ainakin yhtä liikuteltavaa elintä (5) varten muodostetun aukon (10) ja, että mainittu ainakin yksi liikuteltava elin (5) on sovitettu ainakin osittain 20 läpäisemään mainittu aukko (10) ja edelleen ulottumaan välittömään kosketusyhteyteen asennusputken (3) kanssa mainitun mittausyhteyden aikaansaamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite tunnettu siitä, että runko-osan (1) ja asennusputken (3) välinen tila on 25 osastoitu erityisesti mainitun ainakin yhden mitta-anturin (2) molemmin puolin konvektiovirtauksen estävää tiiviste-rakennetta (9) käyttäen.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite tunnettu siitä, että asennusputki (3) sisältää ainakin yhden kontaktieli- 30 men (4) ja, että mainittu ainakin yksi liikuteltava elin (5) on sovitettavissa mainittuun välittömään kosketusyhteyteen kontaktielimen (4) kanssa mainitun mittausyhteyden aikaansaamiseksi. 9 84207

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite tunnettu siitä, että kontaktielin (4) on asennusputkessa (3) oleva alue, joka on valmistettu lämpöä johtavasta materiaalista kuten kuparista.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite tunnettu siitä, että runko-osaan (1), sen maasta poispäin olevaan päähän on järjestetty yläreunaosa (11), jonka yhteyteen sovitettuun liitinosaan (12) mainitun ainakin yhden mitta-anturin (2) liitinjohdot on kytketty. ίο 84207