CN104048993B - 便携式原位浅层地温和导热系数测量装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式原位浅层地温和导热系数测量装置及测试方法，是由平板电脑经PLC与蓄电池连接，蓄电池分别连接固态继电器和温度变送器，PLC经温度变送器连接温度传感器，经固态继电器连接加热丝构成。本发明解决了长期以来不能同时进行原位测试浅层地温和土层导热系数同时测试的问题；采用并联电路控制，即可测温又可测导热系数，带有数据采集管理系统，测量精度高，操作简单，操作过程可视化；自带贯入系统，方便携带，随地测量，不受钻孔设备与车辆限制，野外工作简便，工艺简单，成本低廉，工作效率高。

Description

便携式原位浅层地温和导热系数测量装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种工程地质参数测量装置及方法，尤其是获取原位浅层地温和导热系数测量装置及测试方法。

背景技术

随着不可再生能源日益紧缺，开发利用清洁无污染的可再生浅层地热能资源已是社会发展的必然趋势。目前国内浅层地热能勘探技术领域没有专业的便携式原位浅层地温和导热系数测试系统。现有的便携式温度或导热系数探针测试设备：

《材料科学》2006.39(6)p65-70公开了孟凡凤等“利用探针法测定土壤的导热系数”，该方法且局限于地表使用，无法用于地下原位测量。

CN202770794U公开了“一种实验用砂土介质热传导特性探测系统电控加热测量装置”包括加热棒和温度传感器，主机包括处理器和测控单元，开关阵列包括至少四个电极开关，每个电极开关包括电极、开关和开关测控装置，处理器向电控加热测量装置发送第一控制指令，控制加热棒对砂土介质加热，并且处理器向开关阵列发送第二控制指令，开关测控装置根据第二控制指令改变与其连接的开关的状态以响应改变与该开关连接的电极的电气参数，温度传感器测量砂土介质的温度，测控单元测量处于供电状态的电极的电气参数，开关测控装置测量处于测量状态的电极的电气参数。

CN202770796U公开了“一种导热系数测量系统”用于采集测试样品机上的温度信号进行显示、分析处理和控制测试样品机工作的测试主机、用于计算导热系数、实时观测及众多数据的处理和打印输出的上位机；所述测试主机通过连接线分别与测试样品机、上位机连接。

CN101320007公开了一种“探针法材料导热系数测量装置”它包括探针、微机处理系统和稳压电源，探针包括电加热丝、探针管和热电偶，热电偶和加热丝置于探针管的内部，插入被测材料测量材料的探针将温度电势信号送入微机处理系统内，进行处理、变换和显示；稳压电源给电加热丝提供恒定电压使加热功率恒定，其电压范围值由微机处理系统控制。仅测量导热系数而不考虑测量温度，且局限于地表使用，无法用于地下原位测量。

CN102141528A公开了“一种原位土层导热系数测定仪”包括一可由机械贯入装置压入土层的锥形探头，所述探头由圆锥形锥头、缸筒和上接头组成，其中圆锥形锥头上设置有由同步伸缩装置控制的主探针和至少两根对应小探针，主 探针内设置有加热装置，其位于锥头的中心，各小探针相对主探针等间隔均布在四周；小探针内设置有高灵敏度的温度传感器，小探针和主探针的信号导线穿过缸筒、上接头与控制仪表连接。需大型车载机械贯入装置压入土层，探头压入过程对地层具有较大的扰动性。且仅测量导热系数，并不能测量地温。单一的测量温度或者导热系数无法准确地计算地下热流场，不能准确地测出地下热异常现象。

Sladek C,Coolbaugh M F,Zehner R E.Development of 2-meter soiltemperature probes and results of temperature survey conducted at DesertPeak,Nevada,USA[J].Geothermal Resources Council Transactions,2007,31:363-368.公开了一种“2米深的土壤温度探测器的发展和结果的温度调查”,该设备依赖于车载发电机，利用电锤或电钻将2.2米中钻杆钻入地下2米深处，然后将测温探头放入中空钻杆内部1小时后记录测量温度，但是整套测试系统不够便携，测量工作局限于车辆可以到达的地方，测量方法和数据采集方法过于机械化，不能测量地下导热系数，不属于原位测量技术。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种便携式原位浅层地温和导热系数测量装置；

本发明的另一目的是提供一种便携式原位浅层地温和导热系数测量装置的测试方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

便携式原位浅层地温和导热系数测量装置，是由预置数据采集管理系统的平板电脑1经PLC 2与蓄电池3连接，蓄电池3分别连接固态继电器5和温度变送器4，PLC2的一路经温度变送器4和导线与置于探针外壳8内的温度传感器6连接，PLC2的另一路经固态继电器5和导线与置于探针外壳8内的加热丝7连接，探针外壳8的前端设有探针9构成。

探针外壳8内装有导热油。

探针外壳8和探针9置于螺旋钻头的空腔中，螺旋钻头空腔前端装有磁性锥尖11，其尾端直径略大于探针外壳8前段直径。

探针外壳8和螺旋钻头空腔均为变径结构，螺旋钻头空腔细径段为﹥5mm，探针外壳8细径段为﹤5mm，螺旋钻头空腔上部粗径段直径为10mm，探针外壳8上部粗径段直径为﹤10mm，螺旋钻头空腔和探针外壳8的粗径段与细径段之间份部均设有斜面抬肩，斜面与中心线夹角20°。

探针外壳8在螺旋钻头10的空腔内滑动配合。

便携式原位浅层地温和导热系数测试装置的数据采集管理系统，包括以下步骤：

A、开始，输入测量点位信息并保存；

B、测量地温t；

C、温度稳定，记录数据并保存；

D、测量导热系数；

E、加热，记录加热时间τ，并记录τ时刻温度，计算导热系数λ；

F、导热系数λ稳定，记录数据并保存；

G、将初始温度t₀和导热系数λ带入地下传热模型计算测量点地下热流场，根据热传导模型确定测量点是否具有热异常现象；

式中，λ为导热系数，单位：W/(m·K)；T为随深度递增的温度，K；Z为深度，式中的负号表示热流的方向与温度递增的方向相反；

H、有热异常，有热源；否，无热源。

便携式原位浅层地温和导热系数测试装置的测试方法，包括以下步骤：

a、准备工作：在地表先将磁性锥尖11转入螺旋钻头前端的孔内，连接螺旋钻头、钻杆和动力头，钻机开始钻进，当钻进到设计深度向上提升钻杆2—3cm后停钻，并固定钻杆，卸下动力头；

b、将连接加热丝7的导线和连接温度传感器6的导线装入导线套管，再将装有导线的导线套管一并装入钻杆和螺旋钻头空腔内；

c、将连接温度传感器6的导线与温度变送器4连接，同时将连接加热丝7的导线与固态继电器5连接；

d、通过导线套管向下推探针9入土10—12cm，将装有传感器部分的探针9插入螺旋钻头下方未经扰动的土层；

e、温度测量开始，由平板电脑1通过PLC2温度传感器6开始采集地温信息，并反馈给平板电脑1，显示地温随时间变化曲线，趋于稳定后的温度即为测量点地下温度场的初始温度t₀并保存；

f、数据采集管理系统打开导热系数测量电路，加热丝和温度传感器同时开始工作，从τ＝0开始计时，从i＝0开始记录温度采集次数，记录τ_i时刻第i次采集的温度t_i，通过公式：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\frac{n\Σt_i{\mathrm{ln\τ}}_i-\Σt_i\Σ{\mathrm{ln\τ}}_i}{n\Σt_i^2-{(\Σt_i)}^2}$

计算τ_i时刻的导热系数λ_i，并实时显示导热系数λ随时间变化曲线，当曲线稳定后显示的导热系数即为测量点地层导热系数。

g、通过初始温度t₀和导热系数λ确定测量点处是否具有热异常现象，若有热异常现象，则判定测量点地下具有热源，反之判定为无。

有益效果：本发明解决了长期以来不能进行原位测试浅层地温和土层导热系数同时测试的问题；采用并联电路控制，即可测温又可测导热系数，带有数据采集管理系统，测量精度高，操作简单，操作过程可视化；自带贯入系统，方便携带，随地测量，不受钻孔设备与车辆限制，野外工作简便，工艺简单，成本低廉，工作效率高；

附图说明：

附图1是便携式原位浅层地温和导热系数测量装置结构图

附图2是图1中A—A′剖视图

附图3是图1中螺旋钻头10结构图

附图4是图1中螺旋钻头10剖视图

附图5是便携式原位浅层地温和导热系数测试流程图

1平板电脑，2PLC，3蓄电池，4温度变送器，5固态继电器，6温度传感器，7加热丝，8探针外壳，9探针，10螺旋钻头，11磁性锥尖。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

便携式原位浅层地温和导热系数测试仪，是由预置数据采集管理系统的平板电脑1经2与蓄电池3连接，蓄电池3分别连接固态继电器5和温度变送器4，PLC2的一路经温度变送器4和导线与置于探针外壳8内的温度传感器6连接，PLC2的另一路经固态继电器5和导线与置于探针外壳8内的加热丝7连接，探针外壳8的前端设有探针9构成。

探针外壳8内装有导热油。

探针外壳8和探针9置于螺旋钻头10的空腔中，螺旋钻头10空腔前端装有磁性锥尖11，其尾端直径略大于探针外壳8前段直径。

探针外壳8和螺旋钻头空腔均为变径结构，钻头空腔细径段为﹥5mm，探针外壳8细径段为﹤5mm，螺旋钻头空腔上部粗径段直径为10mm，探针外壳8上部粗径段直径为﹤10mm，螺旋钻头空腔和探针外壳8的粗径段与细径段之间部均设有斜面抬肩，斜面与中心线夹角20°。

探针外壳8在螺旋钻头10的空腔内滑动配合。

便携式原位浅层地温和导热系数测试装置的数据采集管理系统，包括以下步骤：

A、开始，输入测量点位信息并保存；

B、测量地温t；

C、温度稳定，记录数据并保存；

D、测量导热系数；

E、加热，记录加热时间τ，并记录τ时刻温度，计算导热系数λ；

F、导热系数λ稳定，记录数据并保存；

G、将初始温度t₀和导热系数λ带入地下传热模型计算测量点位地下热流场，根据热传导模型确定测量点是否具有热异常现象；

式中，λ为岩石的导热系数，单位：W/(m·K)；T为随深度递增的温度，K；Z为深度，式中的负号表示热流的方向与温度递增的方向相反，热流q基于两项基本测量：一是实地的温度测量，二是温度测量段地质体导热系数测量；

H、有热异常，有热源；否，无热源。

便携式原位浅层地温和导热系数测试装置的测试方法，包括以下步骤：

a、准备工作：在地表先将磁性锥尖11转入螺旋钻头前端的孔内，连接螺旋钻头、钻杆和动力头，钻机开始钻进，当钻进到设计深度向上提升钻杆2—3cm后停钻，并固定钻杆，卸下动力头；

b、将连接加热丝7的导线和连接温度传感器6的导线装入导线套管，再将装有导线的导线套管一并装入钻杆和钻头空腔内；

c、将连接温度传感器6的导线与温度变送器4连接，同时将连接加热丝7的导线与固态继电器5连接；

d、通过导线套管向下推探针9入土10—12cm，将装有传感器部分的探针9插入螺旋钻头下方未经扰动的土层；

e、温度测量开始，由平板电脑1通过PLC2温度传感器6开始采集地温信息，并反馈给平板电脑1，显示地温随时间变化曲线，趋于稳定后的温度即为测量点地下温度场的初始温度t₀并保存；

f、数据采集管理系统打开导热系数测量电路，加热丝和温度传感器同时开始工作，从τ＝0开始计时，从i＝0开始记录温度采集次数，记录τ_i时刻第i次采集的温度t_i，通过公式：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\frac{n\Σt_i{\mathrm{ln\τ}}_i-\Σt_i\Σ{\mathrm{ln\τ}}_i}{n\Σt_i^2-{(\Σt_i)}^2}$

计算τ_i时刻的导热系数λ_i，并实时显示导热系数λ随时间变化曲线，当曲线稳定后显示的导热系数即为测量点地层导热系数。

g、通过初始温度t₀和导热系数λ确定测量点处是否具有热异常现象，若有热异常现象，则判定测量点地下具有热源，反之判定为无。

在无限大的等温介质中置入长度无限长、直径无限小的线热源，如用恒定功 率的热流对热线源进行加热，热线源及其周围物质就会产生温升，根据热线源的温升就可以得到介质的导热系数。从理论上说，探针法是基于无限介质中的非稳态热传导，传热过程中的简化条件如下：

(1)地下土壤被近似为无限大的初始温度均匀的传热介质；

(2)地下土壤的热物性是均匀的，且不随土壤温度的变化而变化；

(3)忽略钻孔的几何尺度而把钻孔近似为轴心线上无限长的线热源；

根据上述假设，深度方向(包括地表)的传热不予考虑，进而将该传热问题简化为圆柱坐标系下的一维传热问题。钻孔周围的传热实际上为一维轴对称问题，控制方程、初始条件和边界条件分别为：

$\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{a}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(r\frac{\∂T}{\∂r}\right)$

T(r,0)＝0

$-\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂r}(0,\mathrm{\τ})\·2\mathrm{\π}r{|}_{r=0}=q$

则τ时刻的过于温度场分布函数为：

$\mathrm{\θ}=t-t_0=\frac{-q}{4\mathrm{\π}\mathrm{\λ}}{E}_i(-\frac{r^2}{4a\mathrm{\τ}})---\left(1\right)$

式中，θ为过余温度；τ为加热时间；q为加热功率；λ为介质导热系数；a为热扩散系数(Thermal Diffusivity)；r为某点到线热源的距离；t为τ时刻的温度；t₀为初始温度；E_i为指数积分函数，其表达式为：

$E_i(-\mathrm{\μ})=C+\ln \left(\mathrm{\μ}\right)-\mathrm{\μ}+\frac{{\mathrm{\μ}}^2}{2\·2!}-\frac{{\mathrm{\μ}}^3}{3\·3!}+...+\frac{{(-\mathrm{\μ})}^i}{i\·i!}+...$

其中μ＝r²/4aτ。

当r较小，τ较大时，即μ的值很小时，E_i(-μ)的值近似取级数展开式的前两项表示，即：

E_i(-μ)＝C+ln(μ)

代入(1)式有：

$\mathrm{\θ}=t-t_0=\frac{-q}{4\mathrm{\π}\mathrm{\λ}}\[-C-\ln \left(\frac{r^2}{4a\mathrm{\τ}}\right)\]---\left(2\right)$

式中，c＝0.57726，称为欧拉常数。

当τ＝τ₁时，t＝t₁；τ＝τ₂时，t＝t₂，则r处的温度可表示为：

${\mathrm{\θ}}_2-{\mathrm{\θ}}_1=t_2-t_1=\frac{q}{4\mathrm{\π}\mathrm{\λ}}\ln \left(\frac{{\mathrm{\τ}}_2}{{\mathrm{\τ}}_1}\right)$

故有：

$\mathrm{\λ}=\frac{q}{4\mathrm{\π}(t_2-t_1)}\ln \left(\frac{{\mathrm{\τ}}_2}{{\mathrm{\τ}}_1}\right)---\left(3\right)$

通过式(3)变形有：

$\frac{4\mathrm{\π}\mathrm{\λ}}{q}=\frac{{\mathrm{ln\τ}}_2-{\mathrm{ln\τ}}_1}{t_2-t_1}---\left(4\right)$

可以看出lnτ与t为线性关系，设：

lnτ＝α₀+α₁t (5)

应用《最小二乘法原理》，将实测值lnτ_i与利用式(5)计算值(lnτ_j＝a₀+a₁t_i)的离差的平方和∑(lnτ_i-lnτ_j)²最小为“优化判据”；得到：

$a_0=\frac{(\Σ{\mathrm{ln\τ}}_i)-a_1(\Σt_i)}{n}---\left(6\right)$

$a_1=\frac{n\Σt_i{\mathrm{ln\τ}}_i-\Σt_i\Σ{\mathrm{ln\τ}}_i}{n\Σt_i^2-{(\Σt_i)}^2}---\left(7\right)$

由(5)与(7)有：

$\frac{4{\mathrm{\π\λ}}_i}{q}=\frac{n\Σt_i{\mathrm{ln\τ}}_i-\Σt_i\Σ{\mathrm{ln\τ}}_i}{n\Σt_i^2-{(\Σt_i)}^2}---\left(8\right)$

即：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\frac{n\Σt_i{\mathrm{ln\τ}}_i-\Σt_i\Σ{\mathrm{ln\τ}}_i}{n\Σt_i^2-{(\Σt_i)}^2}$

以长春某地实验为例：

1、组装测量装置，将磁性锥尖11装入螺旋钻头尖端小孔内，连接螺旋钻头、钻杆和汽油机，将螺旋钻头尖端置于地表选好的钻入位置，扶住汽油机保持钻杆为竖直向；启动汽油机，使钻头钻入土层，钻入深度达到1.95米后停止钻进，卸下汽油机；钻杆上提2～3厘米，使螺旋钻头10与土层脱离，连接测量探头，并通过导线套管将探头和导线放入钻杆孔内，待放入1.95米深度，探针外壳8尖端和磁性锥尖11接触后，对导线套管向下施力，使测量探针9向下将磁性锥尖11顶出小孔，探针通过钻头尖端小孔顺利插入钻头下方未经扰动的土层，插入深度10厘米后停止对导线套管施力，完成测量探针贯入，进行2.00米深度低温和导热系数原位测量；

2、按图1平板电脑1通过导线分别连接温度传感器6和加热丝7，开启平板电脑，运行平板电脑内的数据采集管理系统，输入测量点位的坐标、地层信息、测量时间及测量环境等信息；

3、通过数据采集管理系统，点击“温度测量”按钮，打开温度测量电路， 温度变送器和温度传感器开始工作，数据采集管理系统实时采集地下测得的温度数据并动态显示温度变化曲线，约5分钟后温度曲线趋于平稳，采样十次，依次显示温度t₀为：25.58、19.63、18.14、17.76、17.49、17.36、17.29、17.30、17.28、17.29；单位：W/(m·K)。17.29W/(m·K)即为测量点地下2.00米深处温度场的初始温度，点击“保存”按钮，保存测量数据；

4、通过数据采集管理系统，点击“导热系数测量”按钮，打开导热系数测量电路，加热系统和测温系统同时工作，从τ＝0开始计时，从i＝0开始记录温度采集次数，记录τ_i时刻第i次采集的温度t_i，通过公式：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\frac{n\Σt_i{\mathrm{ln\τ}}_i-\Σt_i\Σ{\mathrm{ln\τ}}_i}{n\Σt_i^2-{(\Σt_i)}^2}$

计算τ_i时刻的导热系数λ_i，并实时显示导热系数λ随时间变化曲线，当曲线稳定后显示的导热系数即为测量点地质体导热系数。

数据采集管理系统实时计算导热系数λ，并动态显示导热系数λ随时间变化曲线，约1分钟后，曲线稳定，采样十次，依次显示导热系数λ₀为：2.358、1.790、1.620、1.571、1.553、1.541、1.539、1.536、1.537、1.535；单位：W/(m·K)。1.535W/(m·K)即为测量点地层导热系数，点击“保存”按钮，保存导热系数测量数据；

6、通过数据采集管理系统，点击“大地热流计算”按钮，判断结果显示不具有热异常，从而判断该处不存在地下潜伏热源。

7、该点测量结束，断开连接导线，拔出钻杆，点“退出”按钮退出数据采集管理系统；

8、重复上述1-7步骤，改变测量深度，重新开始新的测量工作。

Claims (3)

1.一种便携式原位浅层地温和导热系数测试装置，其特征在于，包括预置数据采集管理系统的平板电脑(1)经PLC(2)与蓄电池(3)连接，蓄电池(3)分别连接固态继电器(5)和温度变送器(4)，PLC(2)的一路经温度变送器(4)和导线与置于探针外壳(8)内的温度传感器(6)连接，PLC(2)的另一路经固态继电器(5)和导线与置于探针外壳(8)内的加热丝(7)连接，探针外壳(8)的前端设有探针(9)，探针外壳(8)内装有导热油，探针外壳(8)和探针(9)置于螺旋钻头(10)的空腔中，探针外壳(8)在螺旋钻头(10)的空腔内滑动配合，螺旋钻头(10)空腔前端装有磁性锥尖(11)，其尾端直径略大于探针外壳(8)前段直径；

探针外壳(8)和螺旋钻头(10)空腔均为变径结构，螺旋钻头(10)空腔细径段为﹥5mm，探针外壳(8)细径段为﹤5mm，螺旋钻头(10)空腔上部粗径段直径为10mm，探针外壳(8)上部粗径段直径为﹤10mm，螺旋钻头(10)空腔和探针外壳(8)的粗径段与细径段之间部分均设有斜面抬肩，斜面与中心线夹角20°。

2.按照权利要求1所述的一种便携式原位浅层地温和导热系数测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、开始，输入测量点位信息并保存；

B、测量地温t；

C、温度稳定，记录数据并保存；

D、测量导热系数；

E、加热，记录加热时间τ，并记录τ时刻温度，计算导热系数λ；

F、导热系数λ稳定，记录数据并保存；

G、将初始温度t₀和导热系数λ带入地下传热模型计算测量点地下热流场，确定测量点是否具有热异常现象；

式中，λ为岩石的导热系数，单位：W/m·K；T为随深度递增的温度，K；Z为深度，式中的负号表示热流的方向与温度递增的方向相反；

H、有热异常，有热源；否，无热源。

3.按照权利要求1所述的一种便携式原位浅层地温和导热系数测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、准备工作：在地表先将磁性锥尖(11)转入钻头前端的孔内，连接钻头、钻杆和动力头，钻机开始钻进，当钻进到设计深度停钻，卸下动力头，向上提升钻杆2～3cm，并固定钻杆；

b、将连接加热丝(7)的导线和连接温度传感器(6)的导线装入导线套管，再将装有导线的导线套管一并装入钻杆和钻头空腔内；

c、将连接温度传感器(6)的导线与温度变送器(4)连接，同时将连接加热丝(7)的导线与固态继电器(5)连接；

d、通过导线套管向下推探针(9)入土10～12cm，将装有传感器部分的探针(9)插入钻头下方未经扰动的土层；

e、温度测量开始，由平板电脑(1)通过可编程逻辑控制器(2)和温度传感器(6)开始采集地温信息，并反馈给平板电脑(1)，显示地温随时间变化曲线，趋于稳定后的温度即为测量点地下温度场的初始温度t₀并保存；

f、数据采集管理系统打开导热系数测量电路，加热丝和温度传感器同时开始工作，从τ＝0开始计时，从i＝0开始记录温度采集次数，记录τ_i时刻第i次采集的温度t_i，通过公式：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{q}{4\mathrm{\π}}\frac{{\mathrm{n\Σt}}_i{\mathrm{ln\τ}}_i-{\mathrm{\Σt}}_i{\mathrm{\Σln\τ}}_i}{{\mathrm{n\Σt}}_i^2-{\left({\mathrm{\Σt}}_i\right)}^2}$

式中n为测温总次数，

计算τ_i时刻的导热系数λ_i，并实时显示导热系数λ随时间变化曲线，当曲线稳定后显示的导热系数即为测量点地层导热系数；

g、通过初始温度t₀和导热系数λ确定测量点处是否具有热异常现象，若有热异常现象，则判定测量点地下具有隐伏型热源，反之判定为无。