地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置的制作方法

本实用新型属于土壤热平衡测试设备技术领域，尤其是涉及一种地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置。

背景技术：

地源热泵系统中最主要的组成部分之一，就是深埋在土壤中的地埋管在实际运行中，埋管区域土壤垂直温度分布情况以及地下水位分布的检测，地埋管区域的土壤热平衡会直接影响到整个地源热泵系统的运行效果。通常，在安装地源热泵系统之前，都会对地下土壤进行热物性测试试验，获得土壤原始温度值。另外，在项目的地埋管系统施工完成并运行一段时间后，会对地下埋管进行抽样测试，来检测埋管中的水温，根据埋管的测试水温来判断运行中土壤的温度变化。在地源热泵项目应用中，很少会检测土壤的实时变化，即使有，也是采用电阻型温度传感器点对点单项测量回水温度的变化，但采集到的数据缺乏准确性，无法准确的反映埋管区域地下温度的实时变化，也无法记录土壤的温度变化情况，同时也无法连续记录历年的土壤变化值，运行几年后也无法获得地下土壤的吸热和散热情况，因此土壤的热平衡便不能确定，从而不能根据土壤变化做出准确的补救措施，对整个系统及设备常年运行造成不必要的损失。

为了解决现有技术存在的问题，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种用于测量水位与温度传感器[申请号：201320820692.5]，包括传感器本体、防水管、磁芯浮球、温度测量点及多个水位测量点；防水管设在水池中，防水管底部密封，传感器本体设在防水管内，磁芯浮球套在防水管上，温度测量点设在防水管内；多个水位测量点包括第一0％水位测量点、第二10％水位测量点、第三20％水位测量点、第四30％水位测量点、第五40％水位测量点、第六50％水位测量点、第七60％水位测量点、第八70％水位测量点、第九80％水位测量点、第十90％水位测量点及第十一100％水位测量点，从上到下等间距依次设置在传感器本体上。

上述方案在一定程度上解决了现有检测传感器适用范围小，实现了水位检测和温度检测同时进行的问题，但是该方案依然存在着：稳定性差，检测精度低，无法实时进行检测的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种结构简单合理，能对土壤温度及水位进行连续监测的地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：本地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置，其特征在于，本装置包括具有内腔且竖直埋设于土壤中的U型管体，所述的U型管体上端具有两个敞口，所述的U型管体下端内部具有能将内腔分隔成相互独立的温度检测腔和水位检测腔的分隔结构，所述的U型管体一侧内部具有位于温度检测腔内且用于检测土壤温度变化信息的土壤温度检测机构，所述的U型管体另一侧内部具有位于水位检测腔内且用于检测土壤水位变化信息的土壤水位检测机构，且所述的土壤温度检测机构与土壤水位检测机构均与设置在U型管体上端外侧的显示模块相连。即由于U型管体埋设在土壤内且通过土壤水位检测机构和土壤温度检测机构能对土壤内的温度和水位变化信息进行连续监测。这里的U型管体为PE管，且通过U型管体与岩土层自然换热，通过对地下岩土层垂直温度分布和地下水位的检测，获得土壤温度及地下水位分布数据，通过数据采集模块处理并存储数据，最终在计算及显示模块中实现数据的显示及处理，其解决了地源热泵在运行中土壤温度及水位的连续监测及监视问题，为地埋管应用项目更好的提供埋管区域的地下温升或温降的数值依据，从而为项目设计之初提供有利的埋管分布设计依据，为优化土壤的热平衡问题提供可靠的数值依据，在一定程度上加长项目的运行年限。

在上述的地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置中，所述的分隔结构包括设置在U型管体下端中部且能将U型管体分成温度检测子管和水位检测子管的分隔板，且所述的温度检测腔形成于温度检测子管内，所述的水位检测腔形成于水位检测子管内。这样保证了土壤温度和土壤水位检测的准确性，防止土壤温度检测机构和土壤水位检测机构相互干扰。

在上述的地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置中，所述的土壤温度检测机构包括若干自上向下依次径向设置在温度检测子管外侧管壁上的安装孔，每一个安装孔内均设有位于温度检测子管内的温度传感器，每一个温度传感器均通过测温电缆与数码变送器相连，每一个数码变送器均通过数据线与温度采集模块相连，且所述的温度采集模块连接有与显示模块相连的MCU控制模块。优选地，各个数码变送器之间还设有电源线，温度传感器采用不锈钢外壳封装，防水防潮。不锈钢外壳，仅有0.15mm的壁厚，具有很小的蓄热量，同时采用导热性高的密封胶灌封，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。通过温度传感器与土壤接触来测量土壤的温度，这里的温度传感器以5米的间距从下至上垂直均匀分布，将温度传感器连接在对应的数码变送器上并通过数据线将数据传送至温度采集模块，通过MCU控制模块处理将所测结果显示在显示模块上。

在上述的地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置中，所述的温度检测子管一侧内部设有用于防止土壤内水流在温度检测腔内流动且能将温度检测腔自上向下依次分割成若干用于放置数码变送器的安装腔的隔离阻挡组件。

在上述的地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置中，所述的隔离阻挡组件包括若干自上向下依次等间距设置在温度检测子管内的弹性隔离圈，且每一个弹性隔离圈均设置在相邻两个数码变送器之间从而将各个数码变送器分隔开。数码变送器之间设置的弹性隔离圈，克服了U型管中水对流导致的温度分布不均所造成的温度检测误差。

在上述的地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置中，所述的温度传感器自上向下依次等间距设置，且每一个温度传感器端部均与温度检测子管外侧壁齐平；所述的数据线为双绞数据线且数据线包括由四组铜线相互缠绕而成的内芯，所述的内芯周向外侧套设有绝缘外套。显然，温度传感器端部与温度检测子管外侧壁齐平可减少U型管体埋设时对温度传感器的摩擦损伤；双绞数据线由四组相互缠绕在一起的铜线封装在一层绝缘外套中而组成的，之所以要进行相互缠绕，是因为当金属线中有电流，即其实是数据流，通过的时候会产生电磁场，而将正、负信号线对绕，两者产生的正、负磁场便会相互抵消，减少信号的干扰。本实用新型专利双绞数据线采用STP，即屏蔽双绞线形式，双绞数据线接口的最大传输距离不少于150米，并具有良好的抗干扰性、抗温性、阻燃性。

在上述的地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置中，所述的土壤水位检测机构包括若干周向开设在水位检测子管外侧管壁上的微孔，所述的水位检测子管周向设有尼龙网，在水位检测子管内设有位于水位检测腔内且用于感应土壤内水位的变化产生的压力大小的水位感应组件，所述的水位感应组件连接有水位采集模块，且所述的水位采集模块通过MCU控制模块与显示模块相连。也就是说，这里的水位感应组件与水位采集模块连接，所述水位采集模块与MCU控制模块连接，并将所测土壤水位数据显示在显示模块上。

在上述的地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置中，所述的水位感应组件包括设置在水位检测子管内且呈波纹管状的波纹弹性压力包，所述的波纹弹性压力包一端端面设置在基座上，另一端为自由端，所述的波纹弹性压力包与穿设于U型管体内的气压管相连，所述的气压管上端延伸至U型管体上端外侧且与水位采集模块相连。通过地下水的自然渗透水位检测子管内中的水位即为土壤的水位线，水位检测子管内有一个传导管内气压变化的气压管，优选地，这里的气压管为PE气压管，气压管为真空管道，所述气压管与一个波纹弹性压力包连接，通过波纹弹性压力包的伸缩来测试水压，得出土壤水位变化，即通过土壤水位的变化产生的压力引起波纹弹性压力包的变化，并将压力变化通过气压管将气压变化传至水位采集模块，通过MCU控制模块将土壤水位数据显示在显示模块上，其中，波纹弹性压力包的检测原理在于：由于波纹弹性压力包呈波纹管状，在压力或轴向力的作用下，波纹弹性压力包将伸长或缩短，由于它在轴向容易变形，所以灵敏度较高。当波纹弹性压力包作为压力敏感元件时，将波纹弹性压力包开口的一个端面焊接于固定的基座上，压力由此传至管内，在压力差的作用下，波纹弹性压力包伸长或压缩一直到压力为弹性力平衡时为止，这时波纹弹性压力包的自由端就产生一定位移，使得波纹弹性压力包的自由端的位移与所测压力成正比。

在上述的地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置中，所述的尼龙网通过环氧树脂材料粘接于水位检测子管周向外侧；所述的微孔的直径为3-8mm且所述的微孔的开孔率为10％。优选地，这里的微孔的直径为5mm。

在上述的地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置中，所述的显示模块包括温度显示屏和水位显示屏，且所述的温度显示屏和水位显示屏均设置在一个移动支撑柜体上，且所述的移动支撑柜体内设有分别与水位采集模块、MCU控制模块、显示模块、温度传感器以及温度采集模块相连的电源模块。

与现有的技术相比，本地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置的优点在于：

1、本地源岩土层温度及水位测试装置针对地源热泵运行时土壤温度及水位变化情况而推出的测试装置，通过数字温度传感器及水位监测装置将土壤温度及水位的变化动态实时的显示出来，并形成综合分析的数据体系，为客户及环境监察部门提供辅助的参考资料，本装置具有测量准确，数据记录信息量大，采集时间长等优点。

2、本实用新型通过埋于地下土壤中的温度传感器获取温度数据后，通过数据采集模块的处理并存储，最终将结果显示在液晶显示屏上，其解决了地源热泵系统在运行时，土壤温度的连续监测及监视问题，而且测量方便，能为地源热泵系统正常运行及消除土壤热平衡问题提供准确的数据。

3、本实用新型在温度检测管内设置了弹性隔离圈，克服了U型管中水对流导致的温度分布不均所造成的温度检测误差。

4、本装置结构比较简单，操作安全方便，无需日常维护。

附图说明

图1为本实用新型提供的结构示意图。

图2为本实用新型提供的温度检测子管的结构示意图。

图3为本实用新型提供的水位检测子管的结构示意图。

图中，U型管体1、温度检测子管11、温度检测腔111、水位检测子管12、水位检测腔121、分隔板13、土壤温度检测机构2、安装孔21、温度传感器22、测温电缆23、数码变送器24、数据线25、MCU控制模块26、弹性隔离圈27、电源线28、土壤水位检测机构3、微孔31、尼龙网32、波纹弹性压力包33、基座34、气压管35、显示模块4、温度显示屏41、水位显示屏42、移动支撑柜体43、电源模块44。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1-3所示，本地源岩土层垂直温度分布测试及地下水位测量装置，包括具有内腔且竖直埋设于土壤中的U型管体1，U型管体1上端具有两个敞口，U型管体1下端内部具有能将内腔分隔成相互独立的温度检测腔111和水位检测腔121的分隔结构，这里的分隔结构可以包括设置在U型管体1下端中部且能将U型管体1分成温度检测子管11和水位检测子管12的分隔板13，且温度检测腔111形成于温度检测子管11内，水位检测腔121形成于水位检测子管12内，U型管体1一侧内部具有位于温度检测腔111内且用于检测土壤温度变化信息的土壤温度检测机构2，U型管体1另一侧内部具有位于水位检测腔121内且用于检测土壤水位变化信息的土壤水位检测机构3，这里的分隔板13保证了土壤温度和土壤水位检测的准确性，防止土壤温度检测机构和土壤水位检测机构相互干扰，且土壤温度检测机构2与土壤水位检测机构3均与设置在U型管体1上端外侧的显示模块4相连。

即由于U型管体1埋设在土壤内且通过土壤水位检测机构3和土壤温度检测机构2能对土壤内的温度和水位变化信息进行连续监测。这里的U型管体1为PE管，且通过U型管体1与岩土层自然换热，通过对地下岩土层垂直温度分布和地下水位的检测，获得土壤温度及地下水位分布数据，通过数据采集模块处理并存储数据，最终在计算及显示模块4中实现数据的显示及处理，其解决了地源热泵在运行中土壤温度及水位的连续监测及监视问题，为地埋管应用项目更好的提供埋管区域的地下温升或温降的数值依据，从而为项目设计之初提供有利的埋管分布设计依据，为优化土壤的热平衡问题提供可靠的数值依据，在一定程度上加长项目的运行年限。

进一步地，本实施例中的土壤温度检测机构2包括若干自上向下依次径向设置在温度检测子管11外侧管壁上的安装孔21，每一个安装孔21内均设有位于温度检测子管11内的温度传感器22，每一个温度传感器22均通过测温电缆23与数码变送器24相连，每一个数码变送器24均通过数据线25与温度采集模块相连，且所述的温度采集模块连接有与显示模块4相连的MCU控制模块26，优选地，温度传感器22采用不锈钢外壳封装，防水防潮。不锈钢外壳，仅有0.15mm的壁厚，具有很小的蓄热量，同时采用导热性高的密封胶灌封，保证了温度传感器22的高灵敏性，极小的温度延迟。温度传感器22支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内，精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。通过温度传感器22与土壤接触来测量土壤的温度，这里的温度传感器22以5米的间距从下至上垂直均匀分布，将温度传感器22连接在对应的数码变送器24上并通过数据线25将数据传送至温度采集模块，通过MCU控制模块26处理将所测结果显示在显示模块4上。

其中，这里的温度检测子管11一侧内部设有用于防止土壤内水流在温度检测腔111内流动且能将温度检测腔111自上向下依次分割成若干用于放置数码变送器24的安装腔的隔离阻挡组件，优选地，这里的隔离阻挡组件包括若干自上向下依次等间距设置在温度检测子管11内的弹性隔离圈27，且每一个弹性隔离圈27均设置在相邻两个数码变送器24之间从而将各个数码变送器24分隔开，数码变送器24之间设置的弹性隔离圈27，克服了U型管体1中水对流导致的温度分布不均所造成的温度检测误差。

这里的温度传感器22自上向下依次等间距设置，且每一个温度传感器22端部均与温度检测子管11外侧壁齐平；数据线25为双绞数据线25且数据线25包括由四组铜线相互缠绕而成的内芯，内芯周向外侧套设有绝缘外套，显然，温度传感器22端部与温度检测子管11外侧壁齐平可减少U型管体1埋设时对温度传感器22的摩擦损伤；双绞数据线由四组相互缠绕在一起的铜线封装在一层绝缘外套中而组成的，之所以要进行相互缠绕，是因为当金属线中有电流，即其实是数据流，通过的时候会产生电磁场，而将正、负信号线对绕，两者产生的正、负磁场便会相互抵消，减少信号的干扰。本实用新型专利双绞数据线采用STP，即屏蔽双绞线形式，双绞数据线接口的最大传输距离不少于150米，并具有良好的抗干扰性、抗温性、阻燃性。

进一步地，这里的土壤水位检测机构3包括若干周向开设在水位检测子管12外侧管壁上的微孔31，水位检测子管12周向设有尼龙网32，这里的尼龙网32可以通过环氧树脂材料粘接于水位检测子管12周向外侧；微孔31的优选直径为5mm且微孔31的开孔率为10％，在水位检测子管12内设有位于水位检测腔121内且用于感应土壤内水位的变化产生的压力大小的水位感应组件，水位感应组件连接有水位采集模块，且水位采集模块通过MCU控制模块26与显示模块4相连。也就是说，这里的水位感应组件与水位采集模块连接，所述水位采集模块与MCU控制模块26连接，并将所测土壤水位数据显示在显示模块4上。

具体地，这里的水位感应组件包括设置在水位检测子管12内且呈波纹管状的波纹弹性压力包33，波纹弹性压力包33一端端面设置在基座34上，另一端为自由端，波纹弹性压力包33与穿设于U型管体1内的气压管35相连，气压管35上端延伸至U型管体1上端外侧且与水位采集模块相连，即通过地下水的自然渗透水位检测子管12内中的水位即为土壤的水位线，水位检测子管12内有一个传导管内气压变化的气压管35，优选地，这里的气压管35为PE气压管，气压管35为真空管道，所述气压管35与一个波纹弹性压力包33连接，通过波纹弹性压力包33的伸缩来测试水压，得出土壤水位变化，即通过土壤水位的变化产生的压力引起波纹弹性压力包33的变化，并将压力变化通过气压管35将气压变化传至水位采集模块，通过MCU控制模块26将土壤水位数据显示在显示模块4上，其中，波纹弹性压力包33的检测原理在于：由于波纹弹性压力包33呈波纹管状，在压力或轴向力的作用下，波纹弹性压力包33将伸长或缩短，由于它在轴向容易变形，所以灵敏度较高。当波纹弹性压力包33作为压力敏感元件时，将波纹弹性压力包33开口的一个端面焊接于固定的基座34上，压力由此传至管内，在压力差的作用下，波纹弹性压力包33伸长或压缩一直到压力为弹性力平衡时为止，这时波纹弹性压力包33的自由端就产生一定位移，使得波纹弹性压力包33的自由端的位移与所测压力成正比。

另外，这里的显示模块4包括温度显示屏41和水位显示屏42，且温度显示屏41和水位显示屏42均设置在一个移动支撑柜体43上，且移动支撑柜体43内设有分别与水位采集模块、MCU控制模块26、显示模块4、温度传感器22以及温度采集模块相连的电源模块44，即各个数码变送器之间还设有电源线28，源模块44通过电源线28与数码变送器相连。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了U型管体1、温度检测子管11、温度检测腔111、水位检测子管12、水位检测腔121、分隔板13、土壤温度检测机构2、安装孔21、温度传感器22、测温电缆23、数码变送器24、数据线25、MCU控制模块26、弹性隔离圈27、电源线28、土壤水位检测机构3、微孔31、尼龙网32、波纹弹性压力包33、基座34、气压管35、显示模块4、温度显示屏41、水位显示屏42、移动支撑柜体43、电源模块44等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。