CN111122649A - 一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，包括移动终端、加热丝、蓄电池、温度传感器、PLC数据采集模块、无线传输模块、可拆卸探针、金属容腔、密封圈、安装板、下压盖及防水螺丝，通过无线数据传输，节省电路处理的时间，提高工作效率；通过安装板、容腔内的环形板、蓄电池充电装置、密封圈和防水螺丝构成上段防水区，下压盖、密封圈、探针和螺丝构成下段防水区，有效防止探头内线路短路，提高工作效率。本发明实现通过密封圈、压盖和螺丝等形成密封效果以解决防水问题；带有无线传输模块，使用平板电脑可实现数据实时显示及计算热物性参数，操作简单方便；除手持平板电脑外，各部分都集成在探头容腔中，适用于野外工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种土层热物性参数测量装置，尤其涉及一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置。
背景技术
随着经济的快速发展，大量使用化石能源，造成了严重的环境问题，各国对可再生清洁能源的开发利用越来越重视。其中，地热能具有清洁、可再生、储量丰富等特点，成为各国关注的热点。
现有设备在测量土层的热物性参数时未考虑防水问题，导致探头进水，尤其是探针与金属容腔连接处及钻杆与金属容腔的连接处最易进水，导致线路短路，测量失败。而且，现有探针设备采用有线式，在测量过程中，线路的处理占用了大量的工作时间，导致整体测量进度缓慢。
发明内容
本发明提供一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，以克服现有技术领域的测量装置测量土层的热物性参数时易进水导致线路短路以及整体测量进度缓慢的缺点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，从上至下依次由金属容腔、中空的子弹头和一端穿过子弹头伸入金属容腔内的可拆卸探针组成；所述金属容腔与钻杆相连；
所述金属容腔内包括安装板，所述安装板上装有蓄电池、用于蓄电池充电的蓄电池充电装置、PLC数据采集模块和无线传输模块；所述可拆卸探针包括伸入金属容腔内的伸出端、设置在子弹头内的空腔以及封装在空腔内的加热丝和分布于加热丝上的温度传感器；所述温度传感器、加热丝、PLC数据采集模块、无线传输模块分别与蓄电池电连接；所述PLC数据采集模块通过分别信号线与温度传感器和无线传输模块相连，将采集的温度信息传输给无线传输模块，所述无线传输模块与移动终端相连，将数据传递给移动终端进行处理；
所述子弹头与金属容腔的接合处设有下压盖，且所述下压盖与子弹头内表面之间密封；所述安装板下方固定环形板Ⅰ，且所述安装板与环形板Ⅰ之间密封。
进一步地，所述可拆卸探针的空腔外周设有外螺纹，其与子弹头内的内螺纹间螺纹连接；所述可拆卸探针的伸出端伸出子弹头的高度为2cm，且伸出端外周也设有螺纹。
进一步地，所述可拆卸探针的长径比值在25-30之间，直径随长度变化。
进一步地，所述可拆卸探针内部空腔注有掺有石墨烯纳米片的导热环氧树脂。
进一步地，所述金属容腔内壁设有螺纹Ⅰ，所述钻杆旋入金属容腔内与其螺纹Ⅰ连接。
更进一步地，所述螺纹Ⅰ中的最下圈螺纹与安装板之间的距离为2cm。
进一步地，所述蓄电池充电装置通过外壳螺纹与安装板的螺纹Ⅱ连接；所述PLC数据采集模块和无线传输模块通过螺丝与安装板的螺丝孔固定。
进一步地，所述加热丝为康铜丝，缠绕成线状放入可拆卸探针的空腔中。
进一步地，所述温度传感器为三个光纤传感器，平均分布于加热丝上，计算温度时取三者平均值。
进一步地，所述下压盖与子弹头内表面之间设有密封圈Ⅱ，所述下压盖和密封圈通过防水螺丝与下压盖的螺丝孔及子弹头内的螺丝孔螺接进行固定，并于螺丝拧紧下变形挤压可拆卸探针的伸出端；所述安装板与Ⅰ环形板之间设置密封圈Ⅰ，所述安装板、Ⅰ环形板和密封圈Ⅰ通过防水螺丝与安装板的螺丝孔及Ⅰ环形板的螺丝孔螺接进行固定，并在螺丝拧紧下变形挤压管壁。所诉蓄电池充电装置与安装板预留螺纹孔之间设置有密封圈Ⅲ，所诉蓄电池充电装置、安装板和密封圈Ⅲ通过蓄电池充电装置的外壳螺纹与安装板的螺纹Ⅱ螺接进行固定，并且密封圈Ⅲ变形挤压预留螺孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过安装板、容腔内的环形板、蓄电池充电装置、密封圈、防水螺丝构成上段防水区，下压盖、密封圈、探针和螺丝构成下段防水区，在上段防水区密封圈Ⅰ放置在安装板和容腔内的环形板之间，密封圈Ⅲ放置在安装板预留螺孔和蓄电池充电装置之间，密封圈Ⅰ在螺丝拧紧下变形挤压管壁，密封圈Ⅲ在蓄电池充电装置的旋进挤压下变形挤压预留螺孔，在下段防水区，密封圈Ⅱ放置在下压盖和子弹头内表面之间，并在螺丝拧紧下变形挤压可拆卸探针螺旋段，外部水流沿螺旋流入探头后，被变形的密封圈阻挡无法进入容腔内部；带有无线传输模块，通过平板电脑可实现数据实时显示及计算，操作简单方便；除手持平板电脑外，各部分都集成在探头管状空腔中，适用于野外工作。
附图说明
图1为本发明防水无线式原位土层热物性参数测量装置的结构示意图；
图2为安装板的结构示意图；
图3为充电装置结构示意图；
图4为容腔环形板结构示意图；
图5为下压盖的结构示意图；
图6为子弹头结构示意图；
图7为防水螺丝位置示意图；
图8为下压盖的螺丝位置示意图；
图9为上段防水区放大图；
图10为下段防水区放大图。
图中，1.金属容腔 2.螺纹Ⅰ 3.安装板 4.密封圈Ⅰ 5.蓄电池充电装置 6.环形板Ⅰ7.密封圈Ⅲ 8.无线传输模块 9.蓄电池 10.PLC数据采集模块 11.下压盖 12.密封圈Ⅱ13.内螺纹 14.伸出端 15.可拆卸探针 16.加热丝 17.温度传感器Ⅰ 18.温度传感器Ⅱ19.温度传感器Ⅲ 20.环形槽 21.子弹头 22.移动终端 111.环形板Ⅲ 211.内表面 301.环形板Ⅱ 302.螺纹Ⅱ 501.外壳螺纹。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明防水无线式原位土层热物性参数测量装置，从上至下依次由金属容腔1、中空的子弹头21和一端穿过子弹头21伸入金属容腔1内的可拆卸探针15组成；所述金属容腔1与钻杆相连；
所述金属容腔1内包括安装板3，所述安装板3上装有蓄电池9、用于蓄电池9充电的蓄电池充电装置5、PLC数据采集模块10和无线传输模块8，所述无线传输模块8可为4G无线传输模块；所述可拆卸探针15包括伸入金属容腔1内的伸出端14、设置在子弹头21内的空腔以及封装在空腔内的加热丝16和分布于加热丝16上的温度传感器；所述温度传感器、加热丝16、PLC数据采集模块20、无线传输模块8分别与蓄电池9电连接；所述PLC数据采集模块20通过分别信号线与温度传感器和无线传输模块8相连，将采集的温度信息传输给无线传输模块8，所述无线传输模块8与移动终端22相连，将数据传递给移动终端22进行处理。所述移动终端22可以是平板电脑，且无线传输模块8与平板电脑上的无线接收装置连接，所述平板电脑安装有热物性处理软件，能够无线接收无线传输模块8传来的数据，实时显示温度、绘制增温与时间对数曲线并计算导热系数、体积比热容和热扩散系数。
所述子弹头21与金属容腔1的接合处设有下压盖11，且所述下压盖11与子弹头21内表面之间密封；所述安装板3下方固定环形板Ⅱ301，环形板Ⅱ301的间隙用于放置金属容腔环形板Ⅰ6凸出的螺孔如图4，且所述安装板3与环形板Ⅰ6之间密封。
本发明的一个实施例，所述可拆卸探针15的空腔外周设有外螺纹，其与子弹头21内的内螺纹13间螺纹连接，实现探针的可拆卸；所述可拆卸探针15的伸出端14伸出子弹头21的高度为2cm，且伸出端14外周也设有螺纹。
本发明的一个实施例，所述可拆卸探针15的长径比值在25-30之间，直径随长度变化。
本发明的一个实施例，所述可拆卸探针15内部空腔注有掺有石墨烯纳米片的导热环氧树脂。
本发明的一个实施例，所述金属容腔1内壁设有螺纹Ⅰ，所述钻杆旋入金属容腔1内与其螺纹Ⅰ连接。
本发明的一个实施例，所述螺纹Ⅰ2中的最下圈螺纹与安装板之间的距离为2cm，2cm的间隔用于放置蓄电池充电装置的输入端。
本发明的一个实施例，所述蓄电池充电装置5通过外壳螺纹501与安装板3的螺纹Ⅱ302连接；所述PLC数据采集模块10和无线传输模块8通过螺丝与安装板3的螺丝孔固定。
本发明的一个实施例，所述加热丝16为康铜丝，缠绕成线状放入可拆卸探针15的空腔中。
本发明的一个实施例，所述温度传感器为三个光纤传感器，如图1中包括温度传感器Ⅰ17、温度传感器Ⅱ18和温度传感器Ⅲ19，平均分布于加热丝16上，计算温度时取三者平均值。
本发明的一个实施例，所述下压盖11与子弹头21内表面之间设有密封圈Ⅱ12，所述下压盖11和密封圈Ⅱ12通过防水螺丝与下压盖11的螺丝孔及子弹头21内的螺丝孔螺接进行固定，并于螺丝拧紧下变形挤压可拆卸探针15的伸出端14；所述安装板3与环形板Ⅰ6之间设置密封圈Ⅰ4，所述安装板3、环形板Ⅰ6和密封圈Ⅰ4通过防水螺丝与安装板3的螺丝孔及环形板Ⅰ6的螺丝孔螺接进行固定，并在螺丝拧紧下变形挤压管壁，本发明中所述安装板3还用于充当密封圈Ⅰ4的压盖；所诉蓄电池充电装置5与安装板3的预留螺纹孔之间设有密封圈Ⅲ7，所诉蓄电池充电装置5、安装板3和密封圈Ⅲ7通过蓄电池充电装置5的外壳螺纹501与安装板3的螺纹Ⅱ302螺接进行固定，并且密封圈Ⅲ7变形挤预留螺孔。另外，上述实施例中所述可拆卸探针15的伸出端14伸出子弹头的高度为2cm，长出的2cm用于约束密封圈Ⅱ12的变形。
本发明中，所述子弹头21内预留有供所述下压盖11的环形板Ⅲ111放置的环形槽20，子弹头21内表面211比四周表面略凹，用于放置密封圈Ⅱ12。所述安装板3的环形板Ⅱ301用于约束密封圈Ⅰ4的变形，所述下压盖11的环形板Ⅲ111用于约束密封圈Ⅱ12的变形，所诉安装板3预留螺孔用于安装蓄电池充电装置5并与安装蓄电池充电装置5约束密封圈Ⅲ7。
本发明的一个实施例，本发明中金属容腔的圆管直径为50mm，长度200mm。
本发明中，所述安装板3、容腔内的环形板Ⅰ6、蓄电池充电装置5、密封圈Ⅰ4、密封圈Ⅲ7和防水螺丝构成上段防水区，所述下压盖11、密封圈Ⅱ12、可拆卸探针15和防水螺丝构成下段防水区，在上段防水区密封圈Ⅰ4放置在安装板3和容腔内的环形板Ⅰ6之间，密封圈Ⅲ7放置在安装板预留螺孔和蓄电池充电装置之间，密封圈Ⅰ4在螺丝拧紧下变形挤压管壁，密封圈Ⅲ7在蓄电池充电装置的旋进挤压下变形挤压预留螺孔，在下段防水区，密封圈Ⅱ12放置在下压盖11和子弹头21内表面之间，并在螺丝拧紧下变形挤压可拆卸探针15的伸出端14，外部水流沿螺旋流入可拆卸探针15后，被变形的密封圈Ⅱ12阻挡无法进入容腔内部；带有无线传输模块8，通过平板电脑可实现数据实时显示及计算，操作简单方便；除手持平板电脑外，各部分都集成在探头管状空腔中，适用于野外工作。
本发明的使用过程：
a、测量准备：钻孔至预测量土层深度后，将测量装置探头部分与钻杆连接，开启平板电脑并激活无线接收模块8；
b、通过热物性参数测量软件设置加热功率，并测量土层平衡温度；
c、待确定土层平衡温度后，进行加热，无线传输模块8将数据实时传输给平板电脑，热物性参数测量软件自动绘制增温与时间对数曲线；
d、待增温与时间对数曲线趋于平缓后，停止加热，选取直线段计算导热系数、体积比热容以及热扩散系数。
数据处理所用公式如下：
增温与时间对数曲线：
式中θ为增温，R为测温点与加热丝间的距离，τ为加热时间，A欧拉常数值为0.57726，B＝exp(A)＝1.7812，K＝q/(4πλ)，
当增温和时间对数曲线呈线性相关关系时，直线斜率K＝q/(4πλ)，在纵轴上的截距为
则土层热物性参数可推算得：导热系数λ＝q/(4πK)，热扩散系数a＝[BR2exp(b/K)]/4，体积比热容cρ＝λ/a。
式中θ为增温，R为测温点与加热丝间的距离，τ为加热时间，A欧拉常数值为0.57726，B＝exp(A)＝1.7812，K＝q/(4πλ)；
当增温和时间对数曲线呈线性相关关系时，直线斜率K＝q/(4πλ)，在纵轴上的截距为，则土层热物性参数可推算得：导热系数λ＝q/(4πK)，热扩散系数a＝[BR2exp(b/K)]/4，体积比热容cρ＝λ/a。
Claims (10)
1.一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，其特征在于：从上至下依次由金属容腔(1)、中空的子弹头(21)和一端穿过子弹头(21)伸入金属容腔(1)内的可拆卸探针(15)组成；所述金属容腔(1)与钻杆相连；
所述金属容腔(1)内包括安装板(3)，所述安装板(3)上装有蓄电池(9)、用于蓄电池充电(9)的蓄电池充电装置(5)、PLC数据采集模块(10)和无线传输模块(8)；所述可拆卸探针(15)包括伸入金属容腔(1)内的伸出端(14)、设置在子弹头(21)内的空腔以及封装在空腔内的加热丝(16)和分布于加热丝(16)上的温度传感器；所述温度传感器、加热丝(16)、PLC数据采集模块(10)、无线传输模块(8)分别与蓄电池(9)连接；所述PLC数据采集模块(10)通过分别信号线与温度传感器和无线传输模块(8)相连，将采集的温度信息传输给无线传输模块(8)，所述无线传输模块(8)与移动终端(22)相连，将数据传递给移动终端(22)进行处理；
所述子弹头(21)与金属容腔(1)的接合处设有下压盖(11)，且所述下压盖(11)与子弹头(21)内表面之间密封；所述安装板(3)下方固定环形板Ⅱ(301)，且所述安装板(3)与环形板Ⅰ(6)之间密封。
2.根据权利要求1所述的一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，其特征在于：所述可拆卸探针(15)的空腔外周设有外螺纹，其与子弹头(21)内的内螺纹(13)间螺纹连接；所述可拆卸探针(15)的伸出端(14)伸出子弹头(21)的高度为2cm，且伸出端(14)外周也设有螺纹。
3.根据权利要求1所述的一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，其特征在于：所述可拆卸探针(15)的长径比值在25-30之间，直径随长度变化。
4.根据权利要求1所述的一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，其特征在于：所述可拆卸探针(15)内部空腔注有掺有石墨烯纳米片的导热环氧树脂。
5.根据权利要求1所述的一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，其特征在于：所述金属容腔(1)内壁设有螺纹Ⅰ(2)，所述钻杆旋入金属容腔(1)内与其螺纹Ⅰ(2)连接。
6.根据权利要求5所述的一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，其特征在于：所述螺纹Ⅰ(2)中的最下圈螺纹与安装板(3)之间的距离为2cm。
7.根据权利要求1所述的一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，其特征在于：所述蓄电池充电装置(5)通过外壳螺纹(501)与安装板(3)的螺纹Ⅱ(302)连接；所述PLC数据采集模块(10)和无线传输模块(8)通过螺丝与安装板(3)的螺丝孔固定。
8.根据权利要求1所述的一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，其特征在于：所述加热丝(16)为康铜丝，缠绕成线状放入可拆卸探针(15)的空腔中。
9.根据权利要求1所述的一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，其特征在于：所述温度传感器为三个光纤传感器，平均分布于加热丝上，计算温度时取三者平均值。
10.根据权利要求1所述的一种防水无线式原位土层热物性参数测量装置，其特征在于：所述下压盖(11)与子弹头(21)内表面之间设有密封圈Ⅱ(12)，所述下压盖(11)和密封圈Ⅱ(12)通过防水螺丝与下压盖(11)的螺丝孔及子弹头(21)内的螺丝孔螺接进行固定，并于螺丝拧紧下变形挤压可拆卸探针(15)的伸出端(14)；所述安装板(3)与环形板Ⅰ(6)之间设置密封圈Ⅰ(4)，所述安装板(3)、环形板Ⅰ(6)和密封圈Ⅰ(4)通过防水螺丝与安装板(3)的螺丝孔及环形板Ⅰ(6)的螺丝孔螺接进行固定，并在螺丝拧紧下变形挤压管壁；所诉蓄电池充电装置(5)与安装板(3)预留螺纹孔之间设置密封圈Ⅲ(7)，所诉蓄电池充电装置(5)、安装板(3)和密封圈Ⅲ(7)通过蓄电池充电装置(5)的外壳螺纹(501)与安装板(3)的螺纹Ⅱ(302)螺接进行固定，并且密封圈Ⅲ(7)变形挤预留螺孔。
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