便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置及測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置及測(cè)試方法，是由平板電腦經(jīng)PLC與蓄電池連接，蓄電池分別連接固態(tài)繼電器和溫度變送器，PLC經(jīng)溫度變送器連接溫度傳感器，經(jīng)固態(tài)繼電器連接加熱絲構(gòu)成。本發(fā)明解決了長(zhǎng)期以來(lái)不能同時(shí)進(jìn)行原位測(cè)試淺層地溫和土層導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)測(cè)試的問(wèn)題；采用并聯(lián)電路控制，即可測(cè)溫又可測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)，帶有數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，測(cè)量精度高，操作簡(jiǎn)單，操作過(guò)程可視化；自帶貫入系統(tǒng)，方便攜帶，隨地測(cè)量，不受鉆孔設(shè)備與車輛限制，野外工作簡(jiǎn)便，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，工作效率高。
【專利說(shuō)明】便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置及測(cè)試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種工程地質(zhì)參數(shù)測(cè)量裝置及方法，尤其是獲取原位淺層地溫和導(dǎo)熱 系數(shù)測(cè)量裝置及測(cè)試方法

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著不可再生能源日益緊缺，開(kāi)發(fā)利用清潔無(wú)污染的可再生淺層地?zé)崮苜Y源已是 社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)淺層地?zé)崮芸碧健炯夹g(shù)領(lǐng)域】沒(méi)有專業(yè)的便攜式原位淺層地溫 和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)?，F(xiàn)有的便攜式溫度或?qū)嵯禂?shù)探針測(cè)試設(shè)備：
[0003] 《材料科學(xué)》2006. 39(6)p65-70公開(kāi)了孟凡鳳等"利用探針?lè)y(cè)定土壤的導(dǎo)熱系 數(shù)"，該方法且局限于地表使用，無(wú)法用于地下原位測(cè)量。
[0004] CN202770794U公開(kāi)了"一種實(shí)驗(yàn)用砂土介質(zhì)熱傳導(dǎo)特性探測(cè)系統(tǒng)電控加熱測(cè)量裝 置"包括加熱棒和溫度傳感器，主機(jī)包括處理器和測(cè)控單元，開(kāi)關(guān)陣列包括至少四個(gè)電極開(kāi) 關(guān)，每個(gè)電極開(kāi)關(guān)包括電極、開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)測(cè)控裝置，處理器向電控加熱測(cè)量裝置發(fā)送第一控 制指令，控制加熱棒對(duì)砂土介質(zhì)加熱，并且處理器向開(kāi)關(guān)陣列發(fā)送第二控制指令，開(kāi)關(guān)測(cè)控 裝置根據(jù)第二控制指令改變與其連接的開(kāi)關(guān)的狀態(tài)以響應(yīng)改變與該開(kāi)關(guān)連接的電極的電 氣參數(shù)，溫度傳感器測(cè)量砂土介質(zhì)的溫度，測(cè)控單元測(cè)量處于供電狀態(tài)的電極的電氣參數(shù)， 開(kāi)關(guān)測(cè)控裝置測(cè)量處于測(cè)量狀態(tài)的電極的電氣參數(shù)。
[0005] CN202770796U公開(kāi)了"一種導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)"用于采集測(cè)試樣品機(jī)上的溫度信 號(hào)進(jìn)行顯示、分析處理和控制測(cè)試樣品機(jī)工作的測(cè)試主機(jī)、用于計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)、實(shí)時(shí)觀測(cè)及 眾多數(shù)據(jù)的處理和打印輸出的上位機(jī)；所述測(cè)試主機(jī)通過(guò)連接線分別與測(cè)試樣品機(jī)、上位 機(jī)連接。
[0006] CN101320007公開(kāi)了一種"探針?lè)ú牧蠈?dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置"它包括探針、微機(jī)處 理系統(tǒng)和穩(wěn)壓電源，探針包括電加熱絲、探針管和熱電偶，熱電偶和加熱絲置于探針管的內(nèi) 部，插入被測(cè)材料測(cè)量材料的探針將溫度電勢(shì)信號(hào)送入微機(jī)處理系統(tǒng)內(nèi)，進(jìn)行處理、變換和 顯示；穩(wěn)壓電源給電加熱絲提供恒定電壓使加熱功率恒定，其電壓范圍值由微機(jī)處理系統(tǒng) 控制。僅測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)而不考慮測(cè)量溫度，且局限于地表使用，無(wú)法用于地下原位測(cè)量。
[0007] CN102141528A公開(kāi)了"一種原位土層導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀"包括一可由機(jī)械貫入裝置 壓入土層的錐形探頭，所述探頭由圓錐形錐頭、缸筒和上接頭組成，其中圓錐形錐頭上設(shè)置 有由同步伸縮裝置控制的主探針和至少兩根對(duì)應(yīng)小探針，主探針內(nèi)設(shè)置有加熱裝置，其位 于錐頭的中心，各小探針相對(duì)主探針等間隔均布在四周；小探針內(nèi)設(shè)置有高靈敏度的溫度 傳感器，小探針和主探針的信號(hào)導(dǎo)線穿過(guò)缸筒、上接頭與控制儀表連接。需大型車載機(jī)械貫 入裝置壓入土層，探頭壓入過(guò)程對(duì)地層具有較大的擾動(dòng)性。且僅測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)，并不能測(cè)量 地溫。單一的測(cè)量溫度或者導(dǎo)熱系數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確地計(jì)算地下熱流場(chǎng)，不能準(zhǔn)確地測(cè)出地下熱 異?，F(xiàn)象。
[0008] Sladek C, Coolbaugh M F, Zehner R E. Development of 2-meter soil temperature probes and results of temperature survey conducted at Desert Peak, Nevada, USA[J]. Geothermal Resources Council Transactions, 2007, 31:363-368.公開(kāi)了一種"2 米深的 土壤溫度探測(cè)器的發(fā)展和結(jié)果的溫度調(diào)查"，該設(shè)備依賴于車載發(fā)電機(jī)，利用電錘或電鉆將 2. 2米中鉆桿鉆入地下2米深處，然后將測(cè)溫探頭放入中空鉆桿內(nèi)部1小時(shí)后記錄測(cè)量溫 度，但是整套測(cè)試系統(tǒng)不夠便攜，測(cè)量工作局限于車輛可以到達(dá)的地方，測(cè)量方法和數(shù)據(jù)采 集方法過(guò)于機(jī)械化，不能測(cè)量地下導(dǎo)熱系數(shù)，不屬于原位測(cè)量技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0009] 本發(fā)明的目的就在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種便攜式原位淺層地溫和 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置；
[0010] 本發(fā)明的另一目的是提供一種便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置的測(cè)試 方法。
[0011] 本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0012] 便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置，是由預(yù)置數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的平板電 腦1經(jīng)PLC2與蓄電池3連接，蓄電池3分別連接固態(tài)繼電器5和溫度變送器4, PLC2的一 路經(jīng)溫度變送器4和導(dǎo)線與置于探針外殼8內(nèi)的溫度傳感器6連接，PLC2的另一路經(jīng)固態(tài) 繼電器5和導(dǎo)線與置于探針外殼8內(nèi)的加熱絲7連接，探針外殼8的前端設(shè)有探針9構(gòu)成。
[0013] 探針外殼8內(nèi)裝有導(dǎo)熱油。
[0014] 探針外殼8和探針9置于螺旋鉆頭的空腔中，鉆頭空腔前端裝有磁性錐尖11，其尾 端直徑略大于探針外殼8前段直徑。
[0015] 探針外殼8和鉆頭空腔均為變徑結(jié)構(gòu)，鉆頭空腔細(xì)徑段為> 5mm，探針外殼8細(xì)徑 段為< 5臟，鉆頭空腔上部粗徑段直徑為10臟，探針外殼8上部粗徑段直徑為< 10臟，鉆頭 空腔和探針外殼8的粗徑段與細(xì)徑段之間部均設(shè)有斜面抬肩，斜面與中心線夾角20°。
[0016] 探針外殼8在螺旋鉆頭10的空腔內(nèi)滑動(dòng)配合。
[0017] 便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，包括以下步驟：
[0018] A、開(kāi)始，輸入測(cè)量點(diǎn)位信息并保存；
[0019] 8、測(cè)量地溫七；
[0020] C、溫度穩(wěn)定，記錄數(shù)據(jù)并保存；
[0021] D、測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)；
[0022] E、加熱，記錄加熱時(shí)間τ，并記錄τ時(shí)刻溫度，計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)λ ;
[0023] F、導(dǎo)熱系數(shù)λ穩(wěn)定，記錄數(shù)據(jù)并保存；
[0024] G、將初始溫度h和導(dǎo)熱系數(shù)λ帶入地下傳熱模型f = 計(jì)算測(cè)量點(diǎn)地下熱 dZ 流場(chǎng)，根據(jù)熱傳導(dǎo)模型確定測(cè)量點(diǎn)是否具有熱異?，F(xiàn)象；
[0025] 式中，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，單位：WAm · K) ;T為隨深度遞增的溫度，K ;Z為深度，式中 的負(fù)號(hào)表示熱流的方向與溫度遞增的方向相反；
[0026] H、有熱異常，有熱源；否，無(wú)熱源。
[0027] 便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置的測(cè)試方法，包括以下步驟：
[0028] a、準(zhǔn)備工作：在地表先將磁性錐尖11轉(zhuǎn)入鉆頭前端的孔內(nèi)，連接鉆頭、鉆桿和動(dòng) 力頭，鉆機(jī)開(kāi)始鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)深度向上提升鉆桿2 - 3cm后停鉆，并固定鉆桿，卸下動(dòng) 力頭；
[0029] b、將連接電熱絲7的導(dǎo)線和連接溫度傳感器6的導(dǎo)線裝入導(dǎo)線套管，再將裝有導(dǎo) 線的導(dǎo)線套管一并裝入鉆桿和鉆頭空腔內(nèi)；
[0030] C、將連接溫度傳感器6的導(dǎo)線與溫度變送器4連接，同時(shí)將連接電熱絲7的導(dǎo)線 與固態(tài)繼電器5連接；
[0031] d、通過(guò)導(dǎo)線套管向下推探針9入土 10 - 12cm，將裝有傳感器部分的探針9插入鉆 頭下方未經(jīng)擾動(dòng)的土層；
[0032] e、溫度測(cè)量開(kāi)始，由平板電腦1通過(guò)可編程的存儲(chǔ)器2溫度傳感器6開(kāi)始采集地 溫信息，并反饋給平板電腦1，顯示地溫隨時(shí)間變化曲線，趨于穩(wěn)定后的溫度即為測(cè)量點(diǎn)地 下溫度場(chǎng)的初始溫度h并保存；
[0033] f、數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)打開(kāi)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量電路，加熱絲和溫度傳感器同時(shí)開(kāi)始工 作，從τ = 〇開(kāi)始計(jì)時(shí)，從i = 〇開(kāi)始記錄溫度采集次數(shù)，記錄τ i時(shí)刻第i次采集的溫度 心，通過(guò)公式：

【權(quán)利要求】
1. 一種便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置，其特征在于，是由預(yù)置數(shù)據(jù)采集管 理系統(tǒng)的平板電腦1經(jīng)PLC2與蓄電池3連接，蓄電池3分別連接固態(tài)繼電器5和溫度變送 器4, PLC2的一路經(jīng)溫度變送器4和導(dǎo)線與置于探針外殼8內(nèi)的溫度傳感器6連接，PLC2 的另一路經(jīng)固態(tài)繼電器5和導(dǎo)線與置于探針外殼8內(nèi)的加熱絲7連接，探針外殼8的前端 設(shè)有探針9構(gòu)成。
2. 按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置，其特征在 于，探針外殼8內(nèi)裝有導(dǎo)熱油。
3. 按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置，其特征在 于，探針外殼8和探針9置于螺旋鉆頭的空腔中，鉆頭空腔前端裝有磁性錐尖11，其尾端直 徑略大于探針外殼8前段直徑。
4. 按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置，其特征在 于，探針外殼8和鉆頭空腔均為變徑結(jié)構(gòu)，鉆頭空腔細(xì)徑段為> 5mm，探針外殼8細(xì)徑段為< 5mm，鉆頭空腔上部粗徑段直徑為10mm，探針外殼8上部粗徑段直徑為< 10mm，鉆頭空腔和 探針外殼8的粗徑段與細(xì)徑段之間部均設(shè)有斜面抬肩，斜面與中心線夾角20°。
5. 按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置，其特征在 于，探針外殼8在螺旋鉆頭10的空腔內(nèi)滑動(dòng)配合。
6. 按照權(quán)利要求1所述的一種便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置，其特征在 于，所述的數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，包括以下步驟： A、 開(kāi)始，輸入測(cè)量點(diǎn)位信息并保存； B、 測(cè)量地溫t; C、 溫度穩(wěn)定，記錄數(shù)據(jù)并保存； D、 測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)； E、 加熱，記錄加熱時(shí)間τ，并記錄τ時(shí)刻溫度，計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)λ ; F、 導(dǎo)熱系數(shù)λ穩(wěn)定，記錄數(shù)據(jù)并保存；
場(chǎng)，確定測(cè)量點(diǎn)是否具有熱異常現(xiàn)象； 式中，λ為巖石的導(dǎo)熱系數(shù)，單位：W/m · Κ ;Τ為隨深度遞增的溫度，Κ ;Ζ為深度，式中 的負(fù)號(hào)表示熱流的方向與溫度遞增的方向相反； Η、有熱異常，有熱源；否，無(wú)熱源。
7. -種便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試裝置的測(cè)試方法，其特征在于，包括以下 步驟： a、 準(zhǔn)備工作：在地表先將磁性錐尖11轉(zhuǎn)入鉆頭前端的孔內(nèi)，連接鉆頭、鉆桿和動(dòng)力頭， 鉆機(jī)開(kāi)始鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)深度停鉆，卸下動(dòng)力頭，向上提升鉆桿2 -3cm，并固定鉆桿； b、 將連接電熱絲7的導(dǎo)線和連接溫度傳感器6的導(dǎo)線裝入導(dǎo)線套管，再將裝有導(dǎo)線的 導(dǎo)線套管一并裝入鉆桿和鉆頭空腔內(nèi)； c、 將連接溫度傳感器6的導(dǎo)線與溫度變送器4連接，同時(shí)將連接電熱絲7的導(dǎo)線與固 態(tài)繼電器5連接； d、 通過(guò)導(dǎo)線套管向下推探針9入土 10 - 12cm，將裝有傳感器部分的探針9插入鉆頭下 方未經(jīng)擾動(dòng)的土層； e、 溫度測(cè)量開(kāi)始，由平板電腦1通過(guò)可編程的存儲(chǔ)器2溫度傳感器6開(kāi)始采集地溫信 息，并反饋給平板電腦1，顯示地溫隨時(shí)間變化曲線，趨于穩(wěn)定后的溫度即為測(cè)量點(diǎn)地下溫 度場(chǎng)的初始溫度h并保存； f、 數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)打開(kāi)導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量電路，加熱絲和溫度傳感器同時(shí)開(kāi)始工作，從 τ = 0開(kāi)始計(jì)時(shí)，從i = 0開(kāi)始記錄溫度采集次數(shù)，記錄τ i時(shí)刻第i次采集的溫度心，通 過(guò)公式：
計(jì)算^時(shí)刻的導(dǎo)熱系數(shù)λ i，并實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)熱系數(shù)λ隨時(shí)間變化曲線，當(dāng)曲線穩(wěn)定后 顯示的導(dǎo)熱系數(shù)即為測(cè)量點(diǎn)地層導(dǎo)熱系數(shù)。 g、通過(guò)初始溫度h和導(dǎo)熱系數(shù)λ確定測(cè)量點(diǎn)處是否具有熱異?，F(xiàn)象，若有熱異?，F(xiàn) 象，則判定測(cè)量點(diǎn)地下具有隱伏型熱源，反之判定為無(wú)。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK104048993SQ201410304878
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】張延軍, 李建明, 殷仁朝, 余海, 高平, 梅振宙, 胡忠君 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)