一种地热水井在线大量程动态水位-温度测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种地热水井在线大量程动态水位?温度测量系统，包括曲柄连杆活塞气泵、第1?第4两位三通电磁阀、第1?第2一位两通电磁阀、储气罐、第1?第2压差传感变送器、带有显示屏的控制器、耐高温导气信号控制线缆、温度传感器、温度变送器和单向阀，耐高温导气信号控制线缆和温度传感器放置在地热井的测管中；温度传感器、耐高温导气信号控制线缆的信号线、温度变送器和控制器依次相连；第1?第4两位三通电磁阀和第1?第2一位两通电磁阀的电控端及第1?第2压差传感变送器的信号端和曲柄连杆活塞气泵的启动控制端分别与控制器的接口端相连。采用加压和抽气融合方式进行测量，该系统精度很高、耐高温耐腐蚀、经久耐用、抗振动、抗干扰、可长期稳定可靠运行。
【专利说明】
一种地热水井在线大量程动态水位-温度测量系统
技术领域
[0001] 本发明涉及地热水井测量领域，特别是涉及一种地热水井在线大量程动态水位-温度测量系统。
【背景技术】
[0002] 地热水井在线深动态液位-温度测量的意义在于保护潜水电栗的正常工作，避免 潜水电栗因为空抽而损坏，更重要的是长期监测地热水井的液位和温度数据，为地热水热 能利用后的回灌平衡提供可靠动态监测数据，以预防地面沉降，保护水工地质环境。
[0003] 现在测水井的液位仪一般采用人工或伺服电机下线法，不能达到在线测量的目 的；采用依据硅压力传感器的原理的液位测量因其长距离大气导管的弯曲，使得测量100-200米长距离、100米宽的动态液位变化不能实现，即使实现，传感导线因导气管的直径要 求，传感导线直径很大，又因地热水的温度高，在线长期测量采用依据硅压力传感器的原理 的液位测量，对传感变送器使用环境(高温)技术要求、封装材料(钛合金)和封装技术(高温 防水)要求都非常苛刻，同时整个压力变送器必须在标准的地热井的测管(直径为1英寸）中 投入放置，因此整个压力传感变送器的直径要小于15mm。更进一步说，由于压力传感变送器 长期在矿化度高的高温地热水中放置，压力传感变送器的外壳很快结垢并堵塞测量口，使 得压力传感变送器运行失效。
[0004] 采用光纤光栅压力和温度测量方法，因其光纤包层的水解性和耐温的限制（85摄 氏度），同时因为波长解调器的成本问题，因此也不能适用于在线式地热井的水位-温度测 量。
[0005] 采用电容式水位测量系统(两条平行的辐射交联聚乙烯封装的缆线）虽然耐地热 水腐蚀和耐高温，但由于抽水栗工况的干扰和200米长距离的探深，测量数据极不稳定，深 动态的地热井水位测量根本无法进行。
[0006] 气泡水位计准确量程最长40米，其测量值因介质密度和温度影响很大，因此不适 应地热水井的深动态水位测量。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是克服上述各种技术路线测量的缺点，提供一种耐高 温、耐腐蚀、抗振动和干扰、测量精度高且能长期稳定可靠运行的地热水井在线大量程动态 水位-温度测量系统。
[0008] 为此，本发明的技术方案如下：
[0009] -种地热水井在线大量程动态水位-温度测量系统，包括曲柄连杆活塞气栗、第1-第4两位三通电磁阀、第1-第2-位两通电磁阀、储气罐、第1-第2压差传感变送器、带有显示 屏的控制器、耐高温导气信号控制线缆、温度传感器、温度变送器和第1-第4单向阀，
[0010] 所述耐高温导气信号控制线缆和温度传感器放置在地热井的测量管中；
[0011] 所述温度传感器、耐高温导气信号控制线缆的信号线、温度变送器和控制器依次 相连；
[0012] 所述第1-第4两位三通电磁阀和第1-第2-位两通电磁阀的电控端以及所述第1-第2压差传感变送器的信号端和曲柄连杆活塞气栗的启动控制端分别与所述控制器的接口 端相连;控制器通过与储气罐连接的第1、第2-位两通阀进行控制。
[0013] 以下均以导气管密封连接:所述曲柄连杆活塞气栗的出气端口 Bl与第1两位三通 电磁阀中的C2端口相连、两位三通电磁阀中的A2端口与第2两位三通电磁阀中的A3端口相 连，曲柄连杆活塞气栗的进气端口 Al与第3两位三通电磁阀中的C4端口相连，两位三通电磁 阀的M端口与第4两位三通电磁阀的B3端口相连;所述第1两位三通电磁阀的B2端口、第3两 位三通电磁阀的A4端口分别与第1、第4单向阀相连，其方向为接收大气方向，第2两位三通 电磁阀（3)的C3端口与第1 一位两通电磁阀的一个端口A5相连，第1 一位两通电磁阀的另一 个端口 B5与储气罐的一个端口 A6相连，储气罐的另一个端口 B6与第2-位两通电磁阀的一 个端口 A7相连，第2-位两通电磁阀的另一个端口 B7与第4两位三通电磁阀的一个端口 A8相 连，第4两位三通电磁阀的另一个端口 C8与耐高温导气信号控制线缆的中间导气管相连;所 述第1压差传感变送器的一个端口 A9与储气罐的又一个端口 C6相连，第1压差传感变送器的 另一个端口 B9通过第3单向阀直通大气空间；所述第2压差传感变送器的一个端口 AlO与两 位三通电磁阀的另一个端口 B8相连，第2压差传感变送器的另一个端口 BlO通过第4单向阀 直通大气空间。
[0014] 优选的是，所述第1压差传感变送器的量程为0-1.4MPa、0_5V输出;所述第2压差传 感变送器10的量程为0-500KPa、0-5V输出。
[0015]所述耐高温导气信号控制线缆的中心为导气管，导气管的外围设有四条信号线。 [0016]所述耐高温导气信号控制线缆在地热井测管中的入水深度至少为80米。
[0017]本发明的有益效果如下：
[0018] 本发明系统从克服压力、电容、电导、热阻、气泡、等各种方式测量地热井大量程水 位存在的技术缺陷的目的出发，发明了具有真正实用意义的地热水井在线大量程动态水 位-温度测量系统，该系统的零点可自动校正，可完全消除零点漂移误差，通过温度传感器， 可有效补偿液体比重受温度变化的影响，因此该系统精度高、耐高温耐腐蚀、抗振动、抗干 扰、可长期稳定可靠运行、免维护，其现场安装便捷，操作灵活，填补了地热井动态监测系统 中的水位监测仪器的空白。因其制造工艺简单，因此制造成本低、性价比高，可广泛推行应 用，满足国土地热水资源的全面普查和地热井动态监测的需求。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明测量系统的气电模块和气路图；
[0020] 图2是本发明测量系统的电子模块和电路图；
[0021]图3是本发明中加压测量的压力数值曲线；
[0022]图4是本发明中加压测量的注压气路图；
[0023 ]图5所示为本发明中加压测量的测压过程；
[0024] 图6所示为本发明中抽气测量的抽气过程；
[0025] 图7所示为本发明中抽气过程的测压过程；
[0026]图8是本发明中抽气测量的压力数值曲线。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明的地热水井在线大量程动态水位-温度测量系统的组成和 工作过程进行详细说明。
[0028] 如图1和图2所示，本发明的地热水井在线大量程动态水位-温度测量系统包括：曲 柄连杆活塞气栗1，第1-第4两位三通电磁阀2、3、4、8,第1-第2-位两通电磁阀5、7,储气罐 6、第1-第2压差传感变送器9、10,带有显示屏的控制器11、耐高温导气信号控制线缆12、温 度传感器13、温度变送器14和第1-第4单向阀15a-15d。耐高温导气信号控制线缆12和温度 传感器13放置在地热井的测管中。
[0029] 第1压差传感变送器9的量程为0-1.4MPa、0_5V输出；第2压差传感变送器10的量程 为0-500KPa、0-5V输出。
[0030] 所述耐高温导气信号控制线缆12的中心为导气管，导气管的外围设有四条信号 线。耐高温导气信号控制线缆12在地热井测管中的入水深度至少为80米。
[0031] 参见图1，本发明的测试系统中，气路部分的连接关系如下：
[0032]以下以导气管密封连接：曲柄连杆活塞气栗1的出气端口 Bl与两位三通电磁阀2中 的C2端口相连、两位三通电磁阀2中的A2端口与两位三通电磁阀3中的A3端口相连，曲柄连 杆活塞气栗1的进气端口 Al与两位三通电磁阀4中的C4端口相连，两位三通电磁阀4的M端 口与两位三通电磁阀3的B3端口相连；
[0033]以下以导气管密封连接:两位三通电磁阀2的B2端口、两位三通电磁阀4的A4端口 分别与第1、第2单向阀15a、15b相连，其方向为接收大气方向，两位三通电磁阀3的C3端口与 一位两通电磁阀5的一个端口 A 5相连，一位两通电磁阀5的另一个端口 B 5与储气罐6的一个 端口 A6相连，储气罐6的另一个端口 B6与一位两通电磁阀7的一个端口 A7相连，一位两通电 磁阀7的另一个端口 B7与两位三通电磁阀8的一个端口 A8相连，两位三通电磁阀8的另一个 端口 C8与耐高温导气信号控制线缆12的中间导气管密封相连。
[0034]以下以导气管密封连接:压差传感变送器9的一个端口 A9与储气罐6的又一个端口 C6相连，压差传感变送器9的另一个端口 B9通过第3单向阀15c直通大气空间。
[0035]以下以导气管密封连接:压差传感变送器10的一个端口 AlO与两位三通电磁阀8的 另一个端口 B8相连，压差传感变送器10的另一个端口 BlO通过第4单向阀15d直通大气空间。
[0036] 参见图2,本发明的测试系统中，电路部分的连接关系如下：
[0037] 其中，温度传感器13、耐高温导气信号控制线缆12的信号线、温度变送器14、带有 显示屏的控制器11依次相连；
[0038] 其中，曲柄连杆活塞气栗1的启动控制端W1、两位三通电磁阀2电控端W2,两位三通 电磁阀3电控端W3，两位三通电磁阀4电控端W4，一位两通电磁阀5电控端W5、一位两通电磁 阀7电控端W7、两位三通电磁阀8电控端W8、压差传感器变送器9的信号端X9、压差传感器变 送器10的信号端XlO分别与带有显示屏的控制器11的接口端相连。
[0039] 上述测量系统的工作过程如下：
[0040]将耐高温导气信号控制线缆12放入地热井测管中，耐高温导气信号控制线缆12入 水深度至少为80米。
[00411 参见图4,在控制器11的控制下，两位三通电磁阀2的C2与两位三通电磁阀2的A2导 通，两位三通电磁阀3的A3与两位三通电磁阀3的C3导通，两位三通电磁阀4的A4与两位三通 电磁阀4的C4导通，一位两通电磁阀5的A5与一位两通电磁阀5的B5导通，一位两通电磁阀7 的A7、B7断开，启动曲柄连杆活塞气栗1，压缩气流依次通过81、02^2^3、03)5、85)6，在 储气罐6形成高压气室。参见图5,控制器11通过压差传感器变送器9实时测量储气罐6的压 力数值(减去一个大气压力差值），当其值为1.3MPa时，在控制器9的控制下，关闭曲柄连杆 活塞气栗1、一位两通电磁阀5关闭、一位两通电磁阀7导通，两位三通电磁阀8的A8与C8导 通，压缩空气通过耐高温导气信号控制线缆12的导气管中注入到地热井水中。根据流体力 学原理，当导气管向热水体冒出气泡时，储气室6的压力大于热水体压力，而只有当气水交 换面位于导气管口时，此时储气室6内的压力才恰好等于导气管口的静水压力，通过连续测 量储气高压气室6中压力的变化(压力随着时间缓慢降低），控制器11不断采样高压储气室 内的压力值，可以测出从停止气栗工作后到水气交接而进入气管里面这段时间内的压力。
[0042] 参见图3,根据其变化曲线取其平均值为P9,根据〃:=4, γ为地热水的密度，P9为 减去大气压力的压差值，因此上述公式为以加压方式测出的是探入地热井内导气电缆实际 入水深度值Hi，单位为HiH2O (米水柱）。
[0043] 参见图6,当控制器11通过压差传感器变送器9实时测量的压力值发生快速下降 时，在控制器11指令下，两位三通电磁阀2的端DC2与Β2导通，两位三通电磁阀3的端口C3与 Β3导通，两位三通电磁阀4的端口 C4与M导通，一位两通电磁阀5的Α5与Β5导通，一位两通电 磁阀7的Α7与Β7导通，两位三通电磁阀8的端口 C8与Α8导通，开启启动曲柄连杆活塞气栗1， 进行抽气运行工作状态。
[0044] 参见图7,控制器11通过压差传感器变送器9实时测量储气罐6的压力数值(减去一 个大气压力差值），当其值为IOOKPa时，在压差传感器变送器9的控制下，关闭曲柄连杆活塞 气栗1、关断一位两通电磁阀7,并且，两位三通电磁阀8的端口 C8与端口 Β8导通，压差传感器 变送器10开始进行测量。
[0045] 参叽图S.枏抿I佶夺仆曲线取其平均值P1Q，根据流体力学原理，可计算出：
[0046]
[0047] 其中：γ为地热水的密度；
[0048] Pio为减去大气压力的差值；
[0049] L为导气管长度。
[0050] 上述公式为:通过抽气(导压)方式测得的探入地热井内导气电缆实际入水深度值 Η2，单位为mH2〇 (米水柱）。
[0051] 将加压方式和抽气导压方式测量的结果按下式计算得出探入地热井内导气电缆 实际入水深度值的平均值Ho，单位为HiH2O(米水柱）。
[0052]
[0053] 进一步，通过下式：
[0054] Hshuiwei = Lo-Ho
[0055] 其中：
[0056] Lo为从地热井口下放的线缆的长度；
[0057] Hshuiwei为从地热井口到地热水面的水位值。
[0058] 得出本次测量的精确水位值Hshuiwei。同时通过温度传感器13和温度变送器14可以 测出地热井水的温度值。
【主权项】
1. 一种地热水井在线大量程动态水位-温度测量系统，其特征在于:包括曲柄连杆活塞 气栗（1)、第1-第4两位三通电磁阀（2、3、4、8)、第1-第2-位两通电磁阀（5、7)、储气罐(6)、 第1-第2压差传感变送器（9、10)、带有显示屏的控制器（11)、耐高温导气信号控制线缆 (12)、温度传感器(13)、温度变送器(14)和第1-第4单向阀（15 &-15(1)， 所述耐高温导气信号控制线缆(12)和温度传感器(13)放置在地热井的测量管中； 所述温度传感器（13)、耐高温导气信号控制线缆（12)的信号线、温度变送器（14)和控 制器(11)依次相连； 所述第1 -第4两位三通电磁阀（2、3、4、8)和第1 -第2-位两通电磁阀（5、7)的电控端 (￥2、13、14、18、15、17)以及所述第1-第2压差传感变送器(9、1〇)的信号端09、乂1〇)和曲柄 连杆活塞气栗（1)的启动控制端(Wl)分别与所述控制器（11)的接口端相连;控制器（11)通 过与储气罐(6)连接的第1、第2-位两通阀（5、7)进行控制； 以下均以导气管密封连接:所述曲柄连杆活塞气栗（1)的出气端口 Bl与第1两位三通电 磁阀（2)中的C2端口相连、两位三通电磁阀（2)中的A2端口与第2两位三通电磁阀（3)中的A3 端口相连，曲柄连杆活塞气栗（1)的进气端口 Al与第3两位三通电磁阀(4)中的C4端口相连， 两位三通电磁阀（4)的M端口与第4两位三通电磁阀（3)的B3端口相连;所述第1两位三通电 磁阀（2)的B2端口、第3两位三通电磁阀（4)的A4端口分别与第1、第2单向阀（15a、15b)相连， 其方向为接收大气方向，第2两位三通电磁阀（3)的C3端口与第1 一位两通电磁阀（5)的一个 端口 A5相连，第1一位两通电磁阀（5)的另一个端□ B5与储气罐(6)的一个端□ A6相连，储气 罐(6)的另一个端口 B6与第2-位两通电磁阀（7)的一个端口 A7相连，第2-位两通电磁阀 (7)的另一个端口 B7与第4两位三通电磁阀（8)的一个端口 A8相连，第4两位三通电磁阀（8) 的另一个端口 C8与耐高温导气信号控制线缆（12)的中间导气管相连;所述第1压差传感变 送器(9)的一个端口 A9与储气罐(6)的又一个端口 C6相连，第1压差传感变送器(9)的另一个 端口 B9通过第3单向阀（15c)直通大气空间;所述第2压差传感变送器(10)的一个端口 AlO与 两位三通电磁阀（8)的另一个端口 B8相连，第2压差传感变送器（10)的另一个端口 BlO通过 第4单向阀（15d)直通大气空间。2. 根据权利要求1所述的地热水井在线大量程动态水位-温度测量系统，其特征在于： 所述第1压差传感变送器(9)的量程为0-1.4MPa、0-5V输出。3. 根据权利要求1所述的地热水井在线大量程动态水位-温度测量系统，其特征在于： 所述第2压差传感变送器10的量程为0_500KPa、0-5V输出。4. 根据权利要求1所述的地热水井在线大量程动态水位-温度测量系统，其特征在于： 所述耐高温导气信号控制线缆(12)的中心为导气管，导气管的外围设有四条信号线。5. 根据权利要求1所述的地热水井在线大量程动态水位-温度测量系统，其特征在于： 所述耐高温导气信号控制线缆(12)在地热井测管中的入水深度至少为80米。
【文档编号】G01D21/02GK105890673SQ201610487988
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】郭澎, 张福海, 刘永
【申请人】南开大学