准分布式地热浅井温度实时监测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及分布式地热浅井温度实时监测领域，提供了一种监测系统及方法。系统包括微控制子系统、光信号发射与传输子系统、温度传感网络、光电信号转换与处理子系统；微控制子系统，控制扫描光信号的发射；光信号发射与传输子系统，发出扫描光信号至温度传感网络；光电信号转换与处理子系统接收每条温度传感器串返回的光信号并进行光电转换后传输至微控制子系统实现温度监测。本发明专利技术解决了现有监测设备抗腐蚀能力差且容易受到电磁干扰，不能多通道实时监测及精度低的缺陷。

Quasi distributed geothermal shallow well temperature real-time monitoring system and method

The invention relates to the field of distributed geothermal shallow well temperature real-time monitoring, and provides a monitoring system and method. The system includes the micro control subsystem, the optical signal transmission and transmission subsystem, the temperature sensing network, the photoelectric signal conversion and processing subsystem; the micro control subsystem, the control of the emission of the scanned light signal; the optical signal transmitting and transmitting subsystem, the scanning light signal to the temperature sensing network; the photoelectric signal conversion and processing subsystem. We receive the optical signals returned by each temperature sensor and transmit them to the micro control subsystem to realize temperature monitoring. The invention solves the defects of the existing monitoring equipment, such as poor corrosion resistance, electromagnetic interference, multi-channel real-time monitoring and low accuracy.

【技术实现步骤摘要】
准分布式地热浅井温度实时监测系统及方法
本专利技术涉及地热浅井温度实时监测领域，尤其涉及一种准分布式地热浅井温度实时监测系统及方法。
技术介绍
浅层地温能是指蕴藏在地表以下一定深度(一般小于200米)范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的一般低于25℃的热能。目前，我国浅层地温能研究程度较低，特别是换热效率、节能等方面都存在着瓶颈，究其根源则为无法确定性的捕获地热浅井即小井眼换热通道内温度的空间分布情况。现有技术利用铂电阻或DS18B20温度传感器或采用通道切换的方式进行地热浅井温度数据采集，其监测设备抗腐蚀能力差且容易受到电磁干扰，不能保证在恶劣环境下的长期稳定运行，且实时性差，精度较低。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种准分布式温度地热浅井实时监测系统及方法，用以解决现有技术监测实时性差及精度较低的问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一方面，提供了一种准分布式地热浅井温度实时监测系统，包括微控制子系统、光信号发射与传输子系统、温度传感网络、光电信号转换与处理子系统；微控制子系统，用于向光信号发射与传输子系统发出控制信号控制扫描光信号的发射；光信号发射与传输子系统，发出扫描光信号至温度传感网络；温度传感网络包括N条温度传感器串；N≥1；每条温度传感器串包括至少一支光纤布拉格光栅温度传感器；光电信号转换与处理子系统接收每条温度传感器串返回的光信号并进行光电转换后传输至微控制子系统实现温度监测。本专利技术有益效果如下：选用光纤布拉格光栅温度传感器测量温度代替传统的铂电阻或DS18B20温度传感器，因为光纤传输的是光波信号，避免了原传感器容易受电磁干扰的缺陷，且光纤不易腐蚀，可有效地保证在恶劣环境下长期稳定的运行。地热浅井水温变化是瞬间的，且其温度变化范围小，精度要求高，本专利技术采用多通道同时扫描探测代替通道切换的监测方式，实时性好、精度高。进一步，所述光信号发射与传输子系统包括扫描光源、光纤耦合器和N个三端口光环形器；扫描光源在微控制子系统控制下发出单通道连续光谱；光纤耦合器将所述单通道连续光谱分为N路光信号；每路光信号经由一个三端口光环行器的端口1和端口2进入一条温度传感器串；温度传感器串返回的光信号经光环行器的端口2和端口3进入光电信号转换与处理子系统。采用上述进一步方案的有益效果是：扫描光源其扫描范围、步进光波长等信息能够设定，可以满足多通道监测的需求。通过光纤耦合器分为多个通道，使得传感器可以同时多通道扫描，且每一通道光能量能够实现均分或按要求定制，解决了现有技术没有扩展性的缺陷。采用三端口光环形器很好地保证了各信号之间的分离。进一步，所述光电信号转换与处理子系统包括N个光电探测器、微弱信号处理模块、AD转换模块和数据采集模块；N个光电探测器分别探测N条温度传感器串返回的光信号并将光信号转化为模拟电信号；微弱信号处理模块对所述N个电信号进行整形与放大；AD转换模块将模拟电信号转换为数字电信号；数据采集模块采集N个数字电信号并将采集的信号传输至微控制子系统。进一步，所述微控制子系统包括微处理器模块、数据存储模块；所述微处理器模块发出控制信号至光信号发射与传输子系统控制扫描光信号的发射，所述控制信号包括扫描光信号的扫描波长范围、步进波长及精度信息；同时，微处理器模块接收光电信号转换与处理子系统的电信号得到返回光波长信息，计算得到温度变化量。进一步，所述监测系统还包括电能供应子系统、所述微控制子系统还包括电压转换与控制模块；所述监测系统还包括电能供应子系统、所述微控制子系统还包括电压转换与控制模块；所述电能供应子系统采用太阳能电池板供电；所述电压转换与控制模块将电能供应子系统供应的电能进行不同级电压的转化为各用电模块进行供电，同时在微处理器模块的控制下完成各用电模块的供断电控制。采用上述进一步方案的有益效果是：满足实际中野外监测过程中对供电的需求。另一方面，提供了一种准分布式地热浅井温度实时监测方法，包括如下步骤：布设温度传感网络；温度传感网络包括N条温度传感器串；N≥1；每条温度传感器串包括至少一支光纤布拉格光栅温度传感器；发出N路光信号至每条温度传感器串；接收每条温度传感器串返回的光信号处理得到光波长信息；将所述光波长与该传感器串上对应的每一传感器的初始波长进行对比，得到温度信息。进一步，发出N路光信号至每条温度传感器串包括：控制扫描光源发射连续光谱；连续光谱经由光纤耦合器分为N路光信号；每路光信号经由一个三端口光环行器的端口1和端口2进入一条温度传感器串。进一步，接收每条温度传感器串返回的光信号处理得到光波长，包括：温度传感器串返回的光信号经光环行器的端口2和端口3进入光电信号转换与处理子系统经光电探测、模数转换和采集处理得到光波长信息。进一步，布设温度传感网络包括：在地热浅井中布设套管；将每条温度传感器串绑缚于端头带有重锤的下井绳上，并下井布设在所述套管中。进一步，还包括将温度信息进行本地存储和/或传输至控制中心。由于本专利技术监测方法与监测系统基于相同的原理，故能够实现与系统相同的效果。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的优点从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1为本专利技术实施例监测系统结构框图；图2为本专利技术实施例监测系统安装示意图。其中，1-微控制子系统；2-光信号发射与传输子系统；3-光电信号转换与处理子系统；4-温度传感网络；5-电能供应子系统；6-监测支架；7-监测箱；8-天线；9-钢丝绳；10-地热浅井；11-套管；12-钢卡；13-重锤；11-微处理器模块；12-数据存储模块；13-电压转换与控制模块；14-数据传输模块；21扫描光源；22光纤耦合器；23-三端口光环形器；31-光电探测器；32-微弱信号处理模块；33-AD转换模块；34数据采集模块；41-光缆；42-光纤布拉格光栅温度传感器；52-太阳能电池板；51-太阳能充放电控制电路；53-可充电锂电池组。具体实施方式下面结合附图来具体描述本专利技术的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本专利技术的实施例一起用于阐释本专利技术的原理。本专利技术能够实现地热浅井特别是浅层地温能钻孔的准分布式温度监测、具有温度传感灵敏、传感器位置灵活布置、抗电磁干扰和不受复杂几何空间(如小孔径井眼)等较恶劣环境限制等特点。如图1所示，本实施例提供了一种准分布式地热浅井温度实时监测系统，包括微控制子系统1、光信号发射与传输子系统2、温度传感网络4、光电信号转化与处理子系统3、电能供应子系统5。微控制子系统1，用于向光信号发射与传输子系统发出控制信号控制扫描光信号的发射。光信号发射与传输子系统2，发出扫描光信号至温度传感网络。温度传感网络4包括N条温度传感器串；N≥1；每条温度传感器串包括至少一支光纤布拉格光栅温度传感器42，通过通信光缆41连接。光电信号转换与处理子系统3接收每条温度传感器串返回的光信号并进行光电转换后传输至微控制子系统实现温度监测。需要说明的是，地热浅井水温变化是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种准分布式地热浅井温度实时监测系统，其特征在于：包括微控制子系统、光信号发射与传输子系统、温度传感网络、光电信号转换与处理子系统；微控制子系统，用于向光信号发射与传输子系统发出控制信号控制扫描光信号的发射；光信号发射与传输子系统，发出扫描光信号至温度传感网络；温度传感网络包括N条温度传感器串；N≥1；每条温度传感器串包括至少一支光纤布拉格光栅温度传感器；光电信号转换与处理子系统接收每条温度传感器串返回的光信号并进行光电转换后传输至微控制子系统实现温度监测。

【技术特征摘要】
1.一种准分布式地热浅井温度实时监测系统，其特征在于：包括微控制子系统、光信号发射与传输子系统、温度传感网络、光电信号转换与处理子系统；微控制子系统，用于向光信号发射与传输子系统发出控制信号控制扫描光信号的发射；光信号发射与传输子系统，发出扫描光信号至温度传感网络；温度传感网络包括N条温度传感器串；N≥1；每条温度传感器串包括至少一支光纤布拉格光栅温度传感器；光电信号转换与处理子系统接收每条温度传感器串返回的光信号并进行光电转换后传输至微控制子系统实现温度监测。2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：所述光信号发射与传输子系统包括扫描光源、光纤耦合器和N个三端口光环形器；扫描光源在微控制子系统控制下发出单通道连续光谱；光纤耦合器将所述单通道连续光谱分为N路光信号；每路光信号经由一个三端口光环行器的端口1和端口2进入一条温度传感器串；温度传感器串返回的光信号经光环行器的端口2和端口3进入光电信号转换与处理子系统。3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：所述光电信号转换与处理子系统包括N个光电探测器、微弱信号处理模块、AD转换模块和数据采集模块；N个光电探测器分别探测N条温度传感器串返回的光信号并将光信号转化为模拟电信号；微弱信号处理模块对所述N个电信号进行整形与放大；AD转换模块将模拟电信号转换为数字电信号；数据采集模块采集N个数字电信号并将采集的信号传输至微控制子系统。4.根据权利要求1-3之一所述的监测系统，其特征在于：所述微控制子系统包括微处理器模块、数据存储模块；所述微处理器模块发出控制信号至光信号发射与传输子系统控制扫描光信号的发射，所述控制信号包括扫描光信号的扫描波长范围、步进波长及精度信息；同时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝文杰，史彦新，蒿书利，李胜涛，贾小丰，张建伟，孟宪玮，
申请(专利权)人：中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，
类型：发明
国别省市：河北,13