一种深层土壤热参数监测传感器及检测方法技术

本发明专利技术涉及一种深层土壤热参数监测传感器及检测方法，主要包含下述单元：直流稳压电压源，为加热电路提供能量；绝缘电热丝，用于为探针加热；球形探针，为铜锌合金制作的空心球壳，埋入土壤中，通过向周围土壤传热的情况来测定土壤的热参数；测温模块，热电阻作为温度传感器置于探针球壳内表面，用于测量探针表面的温度变化；监测装置：由电阻分压器和一个取样电阻组成，用于监测绝缘电热丝两端电压和电流；平衡电阻，用于在开始测量前稳定输出电压和稳定的温度变化，数据采集单元，用于对探针表面温度以及绝缘电热丝两端电压、电流的数据进行采集。本发明专利技术具有测量方便、快速、便携等优点，可以直接深埋地下，实时监测电缆周围土壤的热参数。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】
本专利技术涉及土壤热参数测量技术及其应用领域，特别涉及电缆周围深层土壤热参 数实时监测的便携式传感器。 【
技术介绍
】 近些年来，热探针法在测量土壤热参数时的适用越来越广泛，热探针法通过测量 埋入土壤中的探针的温度变化曲线以及相应的数学模型可以计算出被测量土壤的热参数。 然而，上述测量方法在实际使用中仍然存在亟待解决的技术问题： (1)在传统热探针测量时，建立的热探针模型基于其长度远大于探针直径的理想 化假设，在实际中往往不能满足； (2)热探针表面无法保证为一个理想的等温面，影响测量的准确性； (3)测量过程中忽略热探针自身的自热容，影响测量的准确性； (4)测量过程中忽略探针与土壤之间的接触热阻，影响测量的准确性。 (5)目前传统热探针适用范围有限，主要用于表层土壤和实验室测量。因此，设计、制作一种精确、快速测量的便携的土壤热参数监测传感器，以解决以 上所述基于传统热探针法测量土壤热参数所面临的现实问题，是当前业界重要的研宄课题 之一。 【
技术实现思路
】 本专利技术所要解决的技术问题在于，提供一种深层土壤热参数监测传感器，具有测 量快速精确、安全、便携且可以长期深埋地下等特点，以克服现有传统热探针法技术在实际 工程和研宄应用中存在的不足和困难。 为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案： 一种深层土壤热参数监测传感器，主要包含：直流电源DC11，用于为探针加热电 路提供能量；绝缘电热丝H11，用于将电能转换为热能，均匀贴付在探针内壁，对探针进行 加热；球形探头，与土壤直接接触，产生热量以测量土壤的热参数；测温模块T11，用于测量 球形探针表面的温度变化；绝缘电热丝电压监测模块R11，用于监测绝缘电热丝的电压信 号；绝缘电热丝电流监测模块R12,用于监测绝缘电热丝的电流信号；双掷开关S11，用于选 择电路工作状态；数据采集及处理单元D11。 所述球形探头为铜锌合金制作的空心球壳，通过两个半球壳拼接在一起。 所述绝缘电热丝为表面绝缘的电热丝，为保证绝缘电热丝均匀紧贴在球形探针内 表面，采用两根电热丝并联，分别均匀贴附在球形探针外壳的两个半球内表面，。 所述测温模块采用PT100热电阻作为温度传感器，通过密封胶粘贴在球形探针内 表面，以测量空心球壳表面的温度变化。 所述PT100热电阻通过双恒流源三运放差分调理放大电路将信号传输给数据采 集单元。 所述双恒流源三运放差分调理放大电路包括三运放差分集成测量芯片，以及与该 芯片相连的第一和第二恒流源，所述第一和第二恒流源均包括直流电源、稳压二极管，以及 三极管，所述三极管的基极和发射极之间串联有第一电阻和所述稳压二极管，所述三极管 的集电极通过标准电阻或PT100热电阻接地；所述稳压二极管和第一电阻之间的节点与直 流电源相连，所述稳压二极管与三极管的基极相连的一端通过第二电阻接地，所述第一和 第二恒流源通过集电极与三运放差分集成测量芯片的输入相连。 所述绝缘电热丝电压监测模块，由两个电阻R21和R22串联形成电压分压器。 所述绝缘电热丝电流监测模块，由与电热丝串联的已知阻值的小电阻R23的电压 值测量回路电流值，所述小电阻R23的阻值小于1D。所述直流电源的两端并联有平衡电阻 R13,该平衡电阻R13与直流电源的正极之间串有双掷开关，该双掷开关可以接通平衡电阻 或电热丝，该平衡电阻的阻值与所用电热丝常温下阻值相等，用于使得输出电压在开通时 更为稳定。 一种基于上述深层土壤热参数监测传感器的检测方法，在时间t内，通过测温模 块采集所测土壤的一系列温度数据，将该系列温度数据根据目标函数进行最小二乘法进行 拟合，最终得到土壤的热参数；所述目标函数为： 与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术传感器只需要将球形探 针埋入需要测量的点，在一定的时间范围内通过球形探针表面的温度变化以及电热丝两端 电压、电流的值，通过数学拟合和计算，最终可以计算出土壤的热参数，使得测量效率高，速 度快，测量操作方便，便携性强。【附图说明】 图1是本专利技术深层土壤热参数监测传感器的一个实施例的主电路结构示意图。 图2是图1中电热丝电压和电流信号的监测电路示意图。 图3是图1中电热丝绕制结构示意图。 图4是图1中测温模块的电路结构图。 图5是本专利技术深层土壤热参数监测传感器的一个实施例中温度响应数据及其拟 合曲线。 【【具体实施方式】】 为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加的清楚，下面将结合附图和实施例对 本专利技术作进一步的详细描述。 如图1所示，是本专利技术深层土壤热参数监测传感器的一个实施例。该深层土壤热 参数监测传感器主要包括：直流电源DC11，绝缘电热丝H11，球形探针，测温模块T11，电热 丝电压监测模块，电热丝电流监测模块，以及数据采集和处理单元。 其中，直流电源DC为加热电路提供能量，为保证加热功率选取在准确测量的范围 内，在一个实施例中选择输出为12V，1A的直流稳压电源。 选取表面经过绝缘处理的电热丝，以防止电热丝与球形探针壳体直接接触形成短 路，并且需要均匀紧贴粘附在球形探针球壳的内表面。在一个实施例中，绝缘电热丝选取耐 高温表面绝缘铁铬铝电热丝，电热丝线径为0. 31mm，每米电阻为20. 27Q，选择两根相同长 度的电热丝，长度都为1. 5m，则单根电热丝常温下电阻为30. 4Q，并联总电阻为15. 2Q，理 论计算其发热功率为9. 47W。通过环氧胶将电热丝均匀紧贴球形探针壳体内表面，尽量保证 传热均匀，电热丝在壳体内的缠绕方式如图3所示。 球形探针为直接与土壤接触进行传热的部分，在一个实施例中，球形探针壳体选 择铜锌合金制作的空心球壳，在保证具有高导热率的同时具有一定的硬度，以使探针可以 长期深埋地下而不易变形，球径为l〇cm，壁厚1_，球顶有0. 5cm的孔，方便引出线。 测温模块，以PT100热电阻作为温度传感器，直接紧贴粘连在球形探针球壳的内 表面，并连接到双恒流源三运放差分调理放大电路，在一个实施例中，电路和参数的选择如 图3所示，恒流源电路直流电源选用12V锂电池，在三极管发射极和基极间连接一个4kD 电阻以及稳压二极管1N4738,三极管集电极输出1. 8mA恒定电流，一个恒流源中三极管集 电极连接标准电阻，另一个恒流源中三极管集电极连接PT100热电阻，标准电阻的阻值与 PT100常温阻值相同，为100Q，将标准电阻的电压和PT100的电压连接到三运放差分集成 测量芯片AD620的输入端口，选择如图参数时，放大倍数为100。因此，当球形探针球壳表面 的温度每升高1°C，经过调理放大后的测量电压增加0. 07V。 图2中，R21、R22为一组分压器，用以测量电热丝电压，R23为电流取样电阻，用以 测量加热回路的电流值。在一个实施例中，由于电热丝电阻约为16Q，因此，选用的分压器 电阻R21、R22应尽可能大，R23尽量小，因此选择R21 = 50kD，R22 =lOOkD，测得R21电 压为U1，则可以得到电热丝电压为3U当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种深层土壤热参数监测传感器，其特征在于，主要包含：直流电源DC11，用于为探针加热电路提供能量；绝缘电热丝H11，用于将电能转换为热能，均匀贴付在探针内壁，对探针进行加热；球形探头，与土壤直接接触，通过热量传递以测量土壤的热参数；测温模块T11，用于测量球形探针表面的温度变化；绝缘电热丝电压监测模块R11，用于监测绝缘电热丝的电压信号；绝缘电热丝电流监测模块R12，用于监测绝缘电热丝的电流信号；双掷开关S11，用于选择电路工作状态；数据采集及处理单元D11。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪杰，何维晟，杨宇琦，陈西平，孙振权，孙毅卫，刘斌，
申请(专利权)人：西安交通大学，陕西省地方电力集团有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61