CN206362733U - 一种原位地层热物性参数测量探针 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种原位地层热物性参数测量探针，由管状底板、传输通道、热敏电阻、温度传感器、绝热层、圆锥尖头组成，本实用新型解决了长期以来不能同时进行原位土壤比热容和导热系数测试的问题；之前导热系数的测量，一次只能确定一个深度的导热系数，本实用新型能够分析出垂直高度上的土壤导热系数的分布特征，可以在厘米级上区分不同的导热系数；使用本实用新型进行测量时，传感器不必保持在确定的深度，导热系数和比热容的连续测量，使测试变得更快；本实用新型不止可以应用于表层土壤，只要是探针可以匀速推进的土壤，土壤不论什么深度，均可以进行测量；野外工作简便，工艺简单，成本低廉，工作效率高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种土壤热物性参数测量探针，尤其是获取原位地层比热容和导热系数测量探针及测试方法。
背景技术
自工业革命以来，能源科学的发展成为推动社会进步的强大动力，然而以常规化石燃料为主的能源结构所带来的环境负面效应也同时显现出来。为了应对环境问题，改善能源结构，各国纷纷着眼于可再生能源。地热能已经成为世界第三大可再生能源。清洁无污染的地热能资源的开发和利用已成为重中之重。
土层导热系数和比热容是地热能开发利用时的必要参数。现有的原位岩土热物性参数测试探头有以下几种。地温测量，如CN104405291B公开了一种组合式原位浅层地温测量钻头，可以用来精确的测量浅层地温；导热系数测量，如CN102141528A公开了一种原位土层导热系数测定仪，可以用来测量导热系数；地温和导热系数同时测量，如CN104048993A公开的便携式原位浅层地温和导热系数测量装置及测试方法，可以同时测量土层温度和导热系数。目前国内没有可同时测定原位土层比热和导热系数的专业探针。
发明内容
本实用新型的目的是提供了一种原位地层热物性参数测量探针。
本实用新型包括原位土层比热容及导热系数测量探针、计算机、电路控制装置、供电装置和数据采集传输装置，原位土层比热容和导热系数测量探针由管状底板、热敏电阻、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第一绝热层、第二绝热层、第三绝热层、第四绝热层、第五绝热层、第七绝热层、传输通道、圆锥尖头组成，热敏电阻位于管状底板的环形内壁中心位置，用来提供一个稳定的热源输出；第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第一绝热层、第二绝热层、第三绝热层、第四绝热层、第五绝热层和第七绝热层位于管状底板内；第一绝热层、第二绝热层、第三绝热层和第四绝热层位于热敏电阻上部，第一绝热层、与第二绝热层间隔设置、第二绝热层与第三绝热层间隔设置，第三绝热层与第四绝热层间隔设置；第五绝热层和第七绝热层位于热敏电阻下部，第五绝热层和第七绝热层间隔设置；
第一温度传感器设置在第一绝热层与第二绝热层之间，第二温度传感器设置在第二绝热层与第三绝热层之间，第三温度传感器设置在第三绝热层与第四绝热层之间，第四温度传感器设置在第五绝热层与第七绝热层之间，第五温度传感器设置在第七绝热层下部；传输通道用来进行电源的供应和数据的传输；传输通道设置在管状底板中，热敏电阻、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和第五温度传感器的导线均分别连接电路控制装置和数据采集传输装置，电路控制装置和数据采集传输装置均连接计算机，计算机和电路控制装置与供电装置连接。
第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器和第五温度传感器用来测量每个温度传感器附近土壤的温度；
第一绝热层、第二绝热层、第三绝热层、第四绝热层、第五绝热层和第七绝热层起到隔的作用，防止探针内部热量的传输对温度传感器的测量引起误差。
本实用新型的测量方法，包括以下步骤：
a、准备工作：钻孔至需要测量的深度，准备检测探针；
b、给热敏电阻设定一个加热温度，使它可以持续不断的均匀提供热量；
c、将测量探针以速度V匀速推进所需测量的土壤，通过探针中的各温度传感器测量不同深度不同时刻土壤的温度，并将数据传给计算机；
d、通过计算机中的数据处理系统得出不同深度处相对比热容和相对导热系数；
e、在已知比热和导热系数的标准样品中以相同的测试条件进行测试，得出其与所测土壤的比热和导热系数的比值，然后求得不同深度处的比热容和导热系数的绝对值。
本实用新型的有益效果：
本实用新型解决了长期以来不能同时进行原位土壤比热容和导热系数测试的问题；之前导热系数的测量，一次只能确定一个深度的导热系数，本实用新型能够分析出垂直高度上的土壤导热系数的分布特征，可以在厘米级上区别不同的导热系数；使用本实用新型进行测量时，传感器不必保持在确定的深度，导热系数和比热容的连续测量，使测试变得更快；本实用新型不止可以应用于表层土壤，只要探针可以匀速推进土壤，土壤不论什么深度，均可以进行测量；野外工作简便，工艺简单，成本低廉，工作效率高；
附图说明
图1是本实用新型的结构图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本实用新型包括原位土层比热容及导热系数测量探针19、计算机1、电路控制装置2、供电装置3和数据采集传输装置4，原位土层比热容和导热系数测量探针19由管状底板20、热敏电阻13、第一温度传感器7、第二温度传感器9、第三温度传感器11、第四温度传感器15、第五温度传感器17、第一绝热层6、第二绝热层8、第三绝热层10、第四绝热层12、第五绝热层14、第七绝热层16、传输通道5、圆锥尖头18组成，热敏电阻13位于管状底板20的环形内壁中心位置，用来提供一个稳定的热源输出；第一温度传感器7、第二温度传感器9、第三温度传感器11、第四温度传感器15、第五温度传感器17、第一绝热层6、第二绝热层8、第三绝热层10、第四绝热层12、第五绝热层14和第七绝热层16位于管状底板20内；第一绝热层6、第二绝热层8、第三绝热层10和第四绝热层12位于热敏电阻13上部，第一绝热层6、与第二绝热层8间隔设置、第二绝热层8与第三绝热层10间隔设置，第三绝热层10与第四绝热层12间隔设置；第五绝热层14和第七绝热层16位于热敏电阻13下部，第五绝热层14和第七绝热层16间隔设置；
第一温度传感器7设置在第一绝热层6与第二绝热层8之间，第二温度传感器9设置在第二绝热层8与第三绝热层10之间，第三温度传感器11设置在第三绝热层10与第四绝热层12之间，第四温度传感器15设置在第五绝热层14与第七绝热层16之间，第五温度传感器17设置在第七绝热层16下部；传输通道5用来进行电源的供应和数据的传输；传输通道5设置在管状底板20中，热敏电阻13、第一温度传感器7、第二温度传感器9、第三温度传感器11、第四温度传感器15和第五温度传感器17的导线均分别连接电路控制装置2和数据采集传输装置4，电路控制装置2和数据采集传输装置4均连接计算机1，计算机1和电路控制装置2与供电装置3连接。
第一温度传感器7、第二温度传感器9、第三温度传感器11、第四温度传感器15和第五温度传感器17用来测量每个温度传感器附近土壤的温度；
第一绝热层6、第二绝热层8、第三绝热层10、第四绝热层12、第五绝热层14和第七绝热层16起到隔的作用，防止探针内部热量的传输对温度传感器的测量引起误差。
本实用新型的测量方法，包括以下步骤：
a、准备工作：钻孔至需要测量的深度，准备检测探针；
b、给热敏电阻13设定一个加热温度，使它可以持续不断的均匀提供热量；
c、将测量探针以速度V匀速推进所需测量的土壤，通过探针中的各温度传感器测量不同深度不同时刻土壤的温度，并将数据传给计算机1；
d、通过计算机1中的数据处理系统得出不同深度处相对比热容和相对导热系数；
e、在已知比热和导热系数的标准样品中以相同的测试条件进行测试，得出其与所测土壤的比热和导热系数的比值，然后求得不同深度处的比热容和导热系数的绝对值。
数据处理所用公式简述如下：
土壤被热敏电阻13加热后，温度会有变化：Q＝CiMiATiMi＝ρiVi；假设相同的时间内被加热的土壤体积相同，不同深度处热敏电阻提供的热量Q也相同，则可以推出
由式1-1可以得出不同深度的相对比热容曲线。
土壤原始温度为T0，被加热后，短时间内热量的传递遵循如下公式：
土壤被加热后温度变为T1，热敏电阻远离之后，热量损失，温度下降，其中ΔQ1＝CiMiΔTi，化简可得于是可得如下公式：
由式1-2可以得出不同深度处的相对导热系数曲线。
Claims (1)
1.一种原位地层热物性参数测量探针，其特征在于：包括原位土层比热容及导热系数测量探针(19)、计算机(1)、电路控制装置(2)、供电装置(3)和数据采集传输装置(4)，原位土层比热容和导热系数测量探针(19)由管状底板(20)、热敏电阻(13)、第一温度传感器(7)、第二温度传感器(9)、第三温度传感器(11)、第四温度传感器(15)、第五温度传感器(17)、第一绝热层(6)、第二绝热层(8)、第三绝热层(10)、第四绝热层(12)、第五绝热层(14)、第七绝热层(16)、传输通道(5)、圆锥尖头(18)组成，热敏电阻(13)位于管状底板(20)的环形内壁中心位置，用来提供一个稳定的热源输出；第一温度传感器(7)、第二温度传感器(9)、第三温度传感器(11)、第四温度传感器(15)、第五温度传感器(17)、第一绝热层(6)、第二绝热层(8)、第三绝热层(10)、第四绝热层(12)、第五绝热层(14)和第七绝热层(16)位于管状底板(20)内；第一绝热层(6)、第二绝热层(8)、第三绝热层(10)和第四绝热层(12)位于热敏电阻(13)上部，第一绝热层(6)、与第二绝热层(8)间隔设置、第二绝热层(8)与第三绝热层(10)间隔设置，第三绝热层(10)与第四绝热层(12)间隔设置；第五绝热层(14)和第七绝热层(16)位于热敏电阻(13)下部，第五绝热层(14)和第七绝热层(16)间隔设置；
第一温度传感器(7)设置在第一绝热层(6)与第二绝热层(8)之间，第二温度传感器(9)设置在第二绝热层(8)与第三绝热层(10)之间，第三温度传感器(11)设置在第三绝热层(10)与第四绝热层(12)之间，第四温度传感器(15)设置在第五绝热层(14)与第七绝热层(16)之间，第五温度传感器(17)设置在第七绝热层(16)下部；传输通道(5)设置在管状底板(20)中，热敏电阻(13)、第一温度传感器(7)、第二温度传感器(9)、第三温度传感器(11)、第四温度传感器(15)和第五温度传感器(17)的导线均分别连接电路控制装置(2)和数据采集传输装置(4)，电路控制装置(2)和数据采集传输装置(4)均连接计算机(1)，计算机(1)和电路控制装置(2)与供电装置(3)连接。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024104635A1 (en) * | 2022-11-14 | 2024-05-23 | Fnv Ip B.V. | Heat flow penetrometer and method of making the same |
| US20240255451A1 (en) * | 2022-04-14 | 2024-08-01 | Seas Geosciences, Llc | Thermal conductivity probe |
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2016
- 2016-12-15 CN CN201621380897.6U patent/CN206362733U/zh not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| US20240255451A1 (en) * | 2022-04-14 | 2024-08-01 | Seas Geosciences, Llc | Thermal conductivity probe |
| WO2024104635A1 (en) * | 2022-11-14 | 2024-05-23 | Fnv Ip B.V. | Heat flow penetrometer and method of making the same |
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