地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置的制作方法

本實用新型屬于土壤熱平衡測試設備技術領域，尤其是涉及一種地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置。

背景技術：

地源熱泵系統中最主要的組成部分之一，就是深埋在土壤中的地埋管在實際運行中，埋管區域土壤垂直溫度分布情況以及地下水位分布的檢測，地埋管區域的土壤熱平衡會直接影響到整個地源熱泵系統的運行效果。通常，在安裝地源熱泵系統之前，都會對地下土壤進行熱物性測試試驗，獲得土壤原始溫度值。另外，在項目的地埋管系統施工完成并運行一段時間后，會對地下埋管進行抽樣測試，來檢測埋管中的水溫，根據埋管的測試水溫來判斷運行中土壤的溫度變化。在地源熱泵項目應用中，很少會檢測土壤的實時變化，即使有，也是采用電阻型溫度傳感器點對點單項測量回水溫度的變化，但采集到的數據缺乏準確性，無法準確的反映埋管區域地下溫度的實時變化，也無法記錄土壤的溫度變化情況，同時也無法連續記錄歷年的土壤變化值，運行幾年后也無法獲得地下土壤的吸熱和散熱情況，因此土壤的熱平衡便不能確定，從而不能根據土壤變化做出準確的補救措施，對整個系統及設備常年運行造成不必要的損失。

為了解決現有技術存在的問題，人們進行了長期的探索，提出了各式各樣的解決方案。例如，中國專利文獻公開了一種用于測量水位與溫度傳感器[申請號：201320820692.5]，包括傳感器本體、防水管、磁芯浮球、溫度測量點及多個水位測量點；防水管設在水池中，防水管底部密封，傳感器本體設在防水管內，磁芯浮球套在防水管上，溫度測量點設在防水管內；多個水位測量點包括第一0％水位測量點、第二10％水位測量點、第三20％水位測量點、第四30％水位測量點、第五40％水位測量點、第六50％水位測量點、第七60％水位測量點、第八70％水位測量點、第九80％水位測量點、第十90％水位測量點及第十一100％水位測量點，從上到下等間距依次設置在傳感器本體上。

上述方案在一定程度上解決了現有檢測傳感器適用范圍小，實現了水位檢測和溫度檢測同時進行的問題，但是該方案依然存在著：穩定性差，檢測精度低，無法實時進行檢測的問題。

技術實現要素：

本實用新型的目的是針對上述問題，提供一種結構簡單合理，能對土壤溫度及水位進行連續監測的地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置。

為達到上述目的，本實用新型采用了下列技術方案：本地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置，其特征在于，本裝置包括具有內腔且豎直埋設于土壤中的U型管體，所述的U型管體上端具有兩個敞口，所述的U型管體下端內部具有能將內腔分隔成相互獨立的溫度檢測腔和水位檢測腔的分隔結構，所述的U型管體一側內部具有位于溫度檢測腔內且用于檢測土壤溫度變化信息的土壤溫度檢測機構，所述的U型管體另一側內部具有位于水位檢測腔內且用于檢測土壤水位變化信息的土壤水位檢測機構，且所述的土壤溫度檢測機構與土壤水位檢測機構均與設置在U型管體上端外側的顯示模塊相連。即由于U型管體埋設在土壤內且通過土壤水位檢測機構和土壤溫度檢測機構能對土壤內的溫度和水位變化信息進行連續監測。這里的U型管體為PE管，且通過U型管體與巖土層自然換熱，通過對地下巖土層垂直溫度分布和地下水位的檢測，獲得土壤溫度及地下水位分布數據，通過數據采集模塊處理并存儲數據，最終在計算及顯示模塊中實現數據的顯示及處理，其解決了地源熱泵在運行中土壤溫度及水位的連續監測及監視問題，為地埋管應用項目更好的提供埋管區域的地下溫升或溫降的數值依據，從而為項目設計之初提供有利的埋管分布設計依據，為優化土壤的熱平衡問題提供可靠的數值依據，在一定程度上加長項目的運行年限。

在上述的地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置中，所述的分隔結構包括設置在U型管體下端中部且能將U型管體分成溫度檢測子管和水位檢測子管的分隔板，且所述的溫度檢測腔形成于溫度檢測子管內，所述的水位檢測腔形成于水位檢測子管內。這樣保證了土壤溫度和土壤水位檢測的準確性，防止土壤溫度檢測機構和土壤水位檢測機構相互干擾。

在上述的地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置中，所述的土壤溫度檢測機構包括若干自上向下依次徑向設置在溫度檢測子管外側管壁上的安裝孔，每一個安裝孔內均設有位于溫度檢測子管內的溫度傳感器，每一個溫度傳感器均通過測溫電纜與數碼變送器相連，每一個數碼變送器均通過數據線與溫度采集模塊相連，且所述的溫度采集模塊連接有與顯示模塊相連的MCU控制模塊。優選地，各個數碼變送器之間還設有電源線，溫度傳感器采用不銹鋼外殼封裝，防水防潮。不銹鋼外殼，僅有0.15mm的壁厚，具有很小的蓄熱量，同時采用導熱性高的密封膠灌封，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲。溫度傳感器支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10～+85℃范圍內，精度為±0.5℃。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。通過溫度傳感器與土壤接觸來測量土壤的溫度，這里的溫度傳感器以5米的間距從下至上垂直均勻分布，將溫度傳感器連接在對應的數碼變送器上并通過數據線將數據傳送至溫度采集模塊，通過MCU控制模塊處理將所測結果顯示在顯示模塊上。

在上述的地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置中，所述的溫度檢測子管一側內部設有用于防止土壤內水流在溫度檢測腔內流動且能將溫度檢測腔自上向下依次分割成若干用于放置數碼變送器的安裝腔的隔離阻擋組件。

在上述的地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置中，所述的隔離阻擋組件包括若干自上向下依次等間距設置在溫度檢測子管內的彈性隔離圈，且每一個彈性隔離圈均設置在相鄰兩個數碼變送器之間從而將各個數碼變送器分隔開。數碼變送器之間設置的彈性隔離圈，克服了U型管中水對流導致的溫度分布不均所造成的溫度檢測誤差。

在上述的地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置中，所述的溫度傳感器自上向下依次等間距設置，且每一個溫度傳感器端部均與溫度檢測子管外側壁齊平；所述的數據線為雙絞數據線且數據線包括由四組銅線相互纏繞而成的內芯，所述的內芯周向外側套設有絕緣外套。顯然，溫度傳感器端部與溫度檢測子管外側壁齊平可減少U型管體埋設時對溫度傳感器的摩擦損傷；雙絞數據線由四組相互纏繞在一起的銅線封裝在一層絕緣外套中而組成的，之所以要進行相互纏繞，是因為當金屬線中有電流，即其實是數據流，通過的時候會產生電磁場，而將正、負信號線對繞，兩者產生的正、負磁場便會相互抵消，減少信號的干擾。本實用新型專利雙絞數據線采用STP，即屏蔽雙絞線形式，雙絞數據線接口的最大傳輸距離不少于150米，并具有良好的抗干擾性、抗溫性、阻燃性。

在上述的地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置中，所述的土壤水位檢測機構包括若干周向開設在水位檢測子管外側管壁上的微孔，所述的水位檢測子管周向設有尼龍網，在水位檢測子管內設有位于水位檢測腔內且用于感應土壤內水位的變化產生的壓力大小的水位感應組件，所述的水位感應組件連接有水位采集模塊，且所述的水位采集模塊通過MCU控制模塊與顯示模塊相連。也就是說，這里的水位感應組件與水位采集模塊連接，所述水位采集模塊與MCU控制模塊連接，并將所測土壤水位數據顯示在顯示模塊上。

在上述的地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置中，所述的水位感應組件包括設置在水位檢測子管內且呈波紋管狀的波紋彈性壓力包，所述的波紋彈性壓力包一端端面設置在基座上，另一端為自由端，所述的波紋彈性壓力包與穿設于U型管體內的氣壓管相連，所述的氣壓管上端延伸至U型管體上端外側且與水位采集模塊相連。通過地下水的自然滲透水位檢測子管內中的水位即為土壤的水位線，水位檢測子管內有一個傳導管內氣壓變化的氣壓管，優選地，這里的氣壓管為PE氣壓管，氣壓管為真空管道，所述氣壓管與一個波紋彈性壓力包連接，通過波紋彈性壓力包的伸縮來測試水壓，得出土壤水位變化，即通過土壤水位的變化產生的壓力引起波紋彈性壓力包的變化，并將壓力變化通過氣壓管將氣壓變化傳至水位采集模塊，通過MCU控制模塊將土壤水位數據顯示在顯示模塊上，其中，波紋彈性壓力包的檢測原理在于：由于波紋彈性壓力包呈波紋管狀，在壓力或軸向力的作用下，波紋彈性壓力包將伸長或縮短，由于它在軸向容易變形，所以靈敏度較高。當波紋彈性壓力包作為壓力敏感元件時，將波紋彈性壓力包開口的一個端面焊接于固定的基座上，壓力由此傳至管內，在壓力差的作用下，波紋彈性壓力包伸長或壓縮一直到壓力為彈性力平衡時為止，這時波紋彈性壓力包的自由端就產生一定位移，使得波紋彈性壓力包的自由端的位移與所測壓力成正比。

在上述的地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置中，所述的尼龍網通過環氧樹脂材料粘接于水位檢測子管周向外側；所述的微孔的直徑為3-8mm且所述的微孔的開孔率為10％。優選地，這里的微孔的直徑為5mm。

在上述的地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置中，所述的顯示模塊包括溫度顯示屏和水位顯示屏，且所述的溫度顯示屏和水位顯示屏均設置在一個移動支撐柜體上，且所述的移動支撐柜體內設有分別與水位采集模塊、MCU控制模塊、顯示模塊、溫度傳感器以及溫度采集模塊相連的電源模塊。

與現有的技術相比，本地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置的優點在于：

1、本地源巖土層溫度及水位測試裝置針對地源熱泵運行時土壤溫度及水位變化情況而推出的測試裝置，通過數字溫度傳感器及水位監測裝置將土壤溫度及水位的變化動態實時的顯示出來，并形成綜合分析的數據體系，為客戶及環境監察部門提供輔助的參考資料，本裝置具有測量準確，數據記錄信息量大，采集時間長等優點。

2、本實用新型通過埋于地下土壤中的溫度傳感器獲取溫度數據后，通過數據采集模塊的處理并存儲，最終將結果顯示在液晶顯示屏上，其解決了地源熱泵系統在運行時，土壤溫度的連續監測及監視問題，而且測量方便，能為地源熱泵系統正常運行及消除土壤熱平衡問題提供準確的數據。

3、本實用新型在溫度檢測管內設置了彈性隔離圈，克服了U型管中水對流導致的溫度分布不均所造成的溫度檢測誤差。

4、本裝置結構比較簡單，操作安全方便，無需日常維護。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的結構示意圖。

圖2為本實用新型提供的溫度檢測子管的結構示意圖。

圖3為本實用新型提供的水位檢測子管的結構示意圖。

圖中，U型管體1、溫度檢測子管11、溫度檢測腔111、水位檢測子管12、水位檢測腔121、分隔板13、土壤溫度檢測機構2、安裝孔21、溫度傳感器22、測溫電纜23、數碼變送器24、數據線25、MCU控制模塊26、彈性隔離圈27、電源線28、土壤水位檢測機構3、微孔31、尼龍網32、波紋彈性壓力包33、基座34、氣壓管35、顯示模塊4、溫度顯示屏41、水位顯示屏42、移動支撐柜體43、電源模塊44。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步詳細的說明。

如圖1-3所示，本地源巖土層垂直溫度分布測試及地下水位測量裝置，包括具有內腔且豎直埋設于土壤中的U型管體1，U型管體1上端具有兩個敞口，U型管體1下端內部具有能將內腔分隔成相互獨立的溫度檢測腔111和水位檢測腔121的分隔結構，這里的分隔結構可以包括設置在U型管體1下端中部且能將U型管體1分成溫度檢測子管11和水位檢測子管12的分隔板13，且溫度檢測腔111形成于溫度檢測子管11內，水位檢測腔121形成于水位檢測子管12內，U型管體1一側內部具有位于溫度檢測腔111內且用于檢測土壤溫度變化信息的土壤溫度檢測機構2，U型管體1另一側內部具有位于水位檢測腔121內且用于檢測土壤水位變化信息的土壤水位檢測機構3，這里的分隔板13保證了土壤溫度和土壤水位檢測的準確性，防止土壤溫度檢測機構和土壤水位檢測機構相互干擾，且土壤溫度檢測機構2與土壤水位檢測機構3均與設置在U型管體1上端外側的顯示模塊4相連。

即由于U型管體1埋設在土壤內且通過土壤水位檢測機構3和土壤溫度檢測機構2能對土壤內的溫度和水位變化信息進行連續監測。這里的U型管體1為PE管，且通過U型管體1與巖土層自然換熱，通過對地下巖土層垂直溫度分布和地下水位的檢測，獲得土壤溫度及地下水位分布數據，通過數據采集模塊處理并存儲數據，最終在計算及顯示模塊4中實現數據的顯示及處理，其解決了地源熱泵在運行中土壤溫度及水位的連續監測及監視問題，為地埋管應用項目更好的提供埋管區域的地下溫升或溫降的數值依據，從而為項目設計之初提供有利的埋管分布設計依據，為優化土壤的熱平衡問題提供可靠的數值依據，在一定程度上加長項目的運行年限。

進一步地，本實施例中的土壤溫度檢測機構2包括若干自上向下依次徑向設置在溫度檢測子管11外側管壁上的安裝孔21，每一個安裝孔21內均設有位于溫度檢測子管11內的溫度傳感器22，每一個溫度傳感器22均通過測溫電纜23與數碼變送器24相連，每一個數碼變送器24均通過數據線25與溫度采集模塊相連，且所述的溫度采集模塊連接有與顯示模塊4相連的MCU控制模塊26，優選地，溫度傳感器22采用不銹鋼外殼封裝，防水防潮。不銹鋼外殼，僅有0.15mm的壁厚，具有很小的蓄熱量，同時采用導熱性高的密封膠灌封，保證了溫度傳感器22的高靈敏性，極小的溫度延遲。溫度傳感器22支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10～+85℃范圍內，精度為±0.5℃。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。通過溫度傳感器22與土壤接觸來測量土壤的溫度，這里的溫度傳感器22以5米的間距從下至上垂直均勻分布，將溫度傳感器22連接在對應的數碼變送器24上并通過數據線25將數據傳送至溫度采集模塊，通過MCU控制模塊26處理將所測結果顯示在顯示模塊4上。

其中，這里的溫度檢測子管11一側內部設有用于防止土壤內水流在溫度檢測腔111內流動且能將溫度檢測腔111自上向下依次分割成若干用于放置數碼變送器24的安裝腔的隔離阻擋組件，優選地，這里的隔離阻擋組件包括若干自上向下依次等間距設置在溫度檢測子管11內的彈性隔離圈27，且每一個彈性隔離圈27均設置在相鄰兩個數碼變送器24之間從而將各個數碼變送器24分隔開，數碼變送器24之間設置的彈性隔離圈27，克服了U型管體1中水對流導致的溫度分布不均所造成的溫度檢測誤差。

這里的溫度傳感器22自上向下依次等間距設置，且每一個溫度傳感器22端部均與溫度檢測子管11外側壁齊平；數據線25為雙絞數據線25且數據線25包括由四組銅線相互纏繞而成的內芯，內芯周向外側套設有絕緣外套，顯然，溫度傳感器22端部與溫度檢測子管11外側壁齊平可減少U型管體1埋設時對溫度傳感器22的摩擦損傷；雙絞數據線由四組相互纏繞在一起的銅線封裝在一層絕緣外套中而組成的，之所以要進行相互纏繞，是因為當金屬線中有電流，即其實是數據流，通過的時候會產生電磁場，而將正、負信號線對繞，兩者產生的正、負磁場便會相互抵消，減少信號的干擾。本實用新型專利雙絞數據線采用STP，即屏蔽雙絞線形式，雙絞數據線接口的最大傳輸距離不少于150米，并具有良好的抗干擾性、抗溫性、阻燃性。

進一步地，這里的土壤水位檢測機構3包括若干周向開設在水位檢測子管12外側管壁上的微孔31，水位檢測子管12周向設有尼龍網32，這里的尼龍網32可以通過環氧樹脂材料粘接于水位檢測子管12周向外側；微孔31的優選直徑為5mm且微孔31的開孔率為10％，在水位檢測子管12內設有位于水位檢測腔121內且用于感應土壤內水位的變化產生的壓力大小的水位感應組件，水位感應組件連接有水位采集模塊，且水位采集模塊通過MCU控制模塊26與顯示模塊4相連。也就是說，這里的水位感應組件與水位采集模塊連接，所述水位采集模塊與MCU控制模塊26連接，并將所測土壤水位數據顯示在顯示模塊4上。

具體地，這里的水位感應組件包括設置在水位檢測子管12內且呈波紋管狀的波紋彈性壓力包33，波紋彈性壓力包33一端端面設置在基座34上，另一端為自由端，波紋彈性壓力包33與穿設于U型管體1內的氣壓管35相連，氣壓管35上端延伸至U型管體1上端外側且與水位采集模塊相連，即通過地下水的自然滲透水位檢測子管12內中的水位即為土壤的水位線，水位檢測子管12內有一個傳導管內氣壓變化的氣壓管35，優選地，這里的氣壓管35為PE氣壓管，氣壓管35為真空管道，所述氣壓管35與一個波紋彈性壓力包33連接，通過波紋彈性壓力包33的伸縮來測試水壓，得出土壤水位變化，即通過土壤水位的變化產生的壓力引起波紋彈性壓力包33的變化，并將壓力變化通過氣壓管35將氣壓變化傳至水位采集模塊，通過MCU控制模塊26將土壤水位數據顯示在顯示模塊4上，其中，波紋彈性壓力包33的檢測原理在于：由于波紋彈性壓力包33呈波紋管狀，在壓力或軸向力的作用下，波紋彈性壓力包33將伸長或縮短，由于它在軸向容易變形，所以靈敏度較高。當波紋彈性壓力包33作為壓力敏感元件時，將波紋彈性壓力包33開口的一個端面焊接于固定的基座34上，壓力由此傳至管內，在壓力差的作用下，波紋彈性壓力包33伸長或壓縮一直到壓力為彈性力平衡時為止，這時波紋彈性壓力包33的自由端就產生一定位移，使得波紋彈性壓力包33的自由端的位移與所測壓力成正比。

另外，這里的顯示模塊4包括溫度顯示屏41和水位顯示屏42，且溫度顯示屏41和水位顯示屏42均設置在一個移動支撐柜體43上，且移動支撐柜體43內設有分別與水位采集模塊、MCU控制模塊26、顯示模塊4、溫度傳感器22以及溫度采集模塊相連的電源模塊44，即各個數碼變送器之間還設有電源線28，源模塊44通過電源線28與數碼變送器相連。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本實用新型精神作舉例說明。本實用新型所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。

盡管本文較多地使用了U型管體1、溫度檢測子管11、溫度檢測腔111、水位檢測子管12、水位檢測腔121、分隔板13、土壤溫度檢測機構2、安裝孔21、溫度傳感器22、測溫電纜23、數碼變送器24、數據線25、MCU控制模塊26、彈性隔離圈27、電源線28、土壤水位檢測機構3、微孔31、尼龍網32、波紋彈性壓力包33、基座34、氣壓管35、顯示模塊4、溫度顯示屏41、水位顯示屏42、移動支撐柜體43、電源模塊44等術語，但并不排除使用其它術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便地描述和解釋本實用新型的本質；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本實用新型精神相違背的。