高精度地温梯度自动化测量设备及方法与流程

本发明设计地温梯度自动化测量，具体地指一种高精度地温梯度自动化测量设备及方法。

背景技术：

地温梯度是指地层随深度增加的变化率，是表征地球内部温度分布均匀程度的重要参数。在水文地质学领域，地温梯度不仅能够用来研究含水层地质构造特征，还能够示踪地下水流动过程，是一种低成本、无污染、易操作的物理示踪参数。

地温梯度与地热背景、载体岩性、载体热力学性质和地下水运动有关，因此，实现地温梯度高精度自动化测量较困难。常规的水文地质钻井内地温梯度测量通常通过锰铜或铜等金属材质的温度传感器实现，将温度传感器置于特定的深度，通过建立定电压下传感器电阻与温度之间的函数关系，实现对钻孔温度的测量。这种方式的地温测量工作存在测温需要时间长、数据分辨率低和测量误差较大等缺点，不能很好的满足科研工作的需求。鉴于上述问题，本发明提出一种基于Compact CTD(conductivity、temperature和depth)测定技术的地温梯度高精度自动化测量设备及操作方法，不仅能够实现地温梯度的高精度测量(精确到0.001℃)，还可以进行数据的自动记录，并提出相应数据整理方法，快速获得钻孔温度-深度曲线信息。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种高精度地温梯度自动化测量设备。本发明的第二目的在于提供的一种运用上述高精度地温梯度自动化测量实现地温测量的方法。

本发明的第一目是通过如下技术方案实现的：

高精度地温梯度自动化测量设备，包括地温梯度测量设备和自动化控制装置；

所述地温梯度测量设备包括压力温度传感器、测量钢丝、测绳控制装置、电动机和电动机固定装置；所述测绳控制装置包括测绳控制装置支架、可转动横杆和测绳控制装置固定旋母；

所述电动机固定装置包括电动机固定装置旋母和电动机固定装置支架；所述压力传感器通过测量钢丝与测绳控制装置相连；所述测量钢丝一端与所述压力传感器相连接，所述测量钢丝另一端缠绕在所述可转动横杆上；

所述电动机通过电动机固定旋母固定于电动机固定装置支架上；所述电动机的输出端通过测绳控制装置固定旋母与可转动横杆相连；

所述自动化控制装置包括用于为所述电动机提供电源的自动化控制装置电源以及用于计时的自动计时装置。

进一步地，所述自动化控制装置还包括电源线，所述自动化控制装置电源一端通过所述电源线与所述电动机相连接；

所述自动计时装置包括金属秒针、计时表盘、用于支持所述计时表盘的自动计时装置支架；

所示计时表盘设置有环形轨道，环形轨道设置有限位于环形轨道内滑动的环形钢丝，所环形钢丝的一端固定并通过导线与所述自动化控制装置电源另一端相连接

所述金属秒针的固定端通过导线与所述自动化控制装置电源相连接，所述金属秒针还与秒钟控制电源相连接；所述金属秒针的活动端通过可滑动金属扣与环形钢丝活动连接。

进一步地，所述环形钢丝外部包裹有可伸缩绝缘套。

进一步地，所述压力温度传感器外侧包裹有防水金属套。

本发明的第二目的在于提供一种高精度地温梯度自动化地温测量方法，包括如下步骤：

步骤一、将地温梯度测量设备和自动化控制装置置于测量井附近空旷、平整的地面；

步骤二、将压力温度传感器与电脑相连接，设置测量开始时间为5分钟后，将所述压力温度传感器通过防水金属套密封后与测量钢丝连接；

步骤三、将所述压力温度传感器放入待测井井口，平稳下放所述测量钢丝至压力温度传感器达到水面处，使用测绳控制装置固定旋母将电动机与可转动横杆相连，并通过电动机固定装置旋母固定于电动机固定装置支架上；

步骤四、将自动化控制装置电源断开，金属秒针和可滑动金属扣置于水平向左的位置，可伸缩绝缘套展开至覆盖环形钢丝的75％，连通自动化控制装置电源；

步骤五、当待压力温度传感器开始工作时，打开秒钟控制电源，金属指针带动可滑动金属扣沿环形钢丝滑动。当可滑动金属扣位于环形钢丝未被可伸缩绝缘套覆盖部位时，电动机开始工作，可转动横杆逆时针转动，测量钢丝匀速下放；当可滑动金属扣位于环形钢丝被可伸缩绝缘套覆盖部位时，电动机停止工作，可转动横杆停止转动，测量钢丝静止不动，压力温度传感器自动测量该深度的地温；

步骤六、待压力温度传感器到达井底时，关闭秒钟控制电源，拧掉测绳控制装置固定旋母，将电动机移至测绳控制装置另一侧，使用测绳控制装置固定旋母将电动机与可转动横杆另一边相连；

步骤七、打开秒钟控制电源，金属指针带动可滑动金属扣沿环形钢丝滑动，当可滑动金属扣位于环形钢丝未被可伸缩绝缘套覆盖部位时，电动机开始工作，可转动横杆顺时针转动，测量钢丝匀速上拉；当可滑动金属扣位于环形钢丝被可伸缩绝缘套覆盖部位时，电动机停止工作，可转动横杆停止转动，测量钢丝静止不动，压力温度传感器自动测量该深度的地温。待压力温度传感器离开水面，关闭秒钟控制电源，断开自动化控制装置电源，完成测量工作；

步骤八、将压力温度传感器中的测量数据通过数据线导出，整理后得到温度梯度数据；

所述高精度地温梯度自动化地温测量方法，还包括地温数据修正程序，通过公式(1)计算得出不同深度温度值T：

T_i＝(T_up+T_down)/2 (1)

其中T_i为深度i米处的温度值，T_up和T_down分别为下放和上拉钢丝测绳时测量得到的温度值。

测量方法还包括调节测量时间和测量数据深度间隔的方法：当可伸缩绝缘套覆盖环形钢丝n％时，分别通过公式(2)和(3)计算单个地温数据测量时间t和测量数据深度间隔L：

t＝0.6*n (2)

L＝(100-n)*0.04 (3)

其中t和L单位分别为秒和米。

本发明利用上述的高精度地温梯度自动化测量设备实现钻孔或观测井井温的测量，快速获得钻孔温度-深度曲线信息；应用范围广，CompactCTD压力温度传感器可实现对1000m深度以上的钻孔或观测井温度进行测量；仪器便于携带，操作自动化程度高，便于推广，单个地温数据测量时间和测量数据深度间隔控制可以通过改变可伸缩绝缘套覆盖环形钢丝的长度来实现。

附图说明

图1为本发明一种高精度地温梯度自动化测量设备的结构示意图。

图2为本发明测绳控制装置结构俯视图。

图3为本发明自动计时装置结构俯视图。

图中：地温梯度测量设备A；自动化控制装置B；压力温度传感器A1；测量钢丝A2；测绳控制装置支架A3.1，可转动横杆A3.2，测绳控制装置固定旋母A3.3；电动机A4；电动机固定装置旋母A5.1，电动机固定装置支架A5.2；自动化控制装置电源B1；电源线B2；金属秒针B3.1，秒钟控制电源B3.2，可滑动金属扣B3.3，环形钢丝B3.4，可伸缩绝缘套B3.5和自动计时装置支架B3.6。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步地详细描述，但该实施例不应该理解为对本发明的限制，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

如附图所示，高精度地温梯度自动化测量设备，包括地温梯度测量设备A和自动化控制装置B；

地温梯度测量设备A包括压力温度传感器A1、测量钢丝A2、测绳控制装置A3、电动机A4和电动机固定装置A5；测绳控制装置A3包括测绳控制装置支架A3.1、可转动横杆A3.2和测绳控制装置固定旋母A3.3；电动机固定装置A5包括电动机固定装置旋母A5.1和电动机固定装置支架A5.2；压力传感器A1通过测量钢丝A2与测绳控制装置A3相连；电动机A4通过测绳控制装置固定旋母A3.3与可转动横杆A3.2相连；电动机A4通过电动机固定旋母A5.1固定于电动机固定装置支架A5.2上。

自动化控制装置B包括自动化控制装置电源B1、电源线B2和自动计时装置B3；自动计时装置B3包括金属秒针B3.1、秒钟控制电源B3.2、可滑动金属扣B3.3、环形钢丝B3.4、可伸缩绝缘套B3.5和自动计时装置支架B3.6；电源B1通过电源线B2与自动计时装置B3相连；金属秒针B3.1通过可滑动金属扣B3.3与环形钢丝B3.4相连；可伸缩绝缘套B3.5套在环形钢丝B3.4外部。

压力温度传感器A1外侧包裹有防水金属套，传感器A1内部有插孔，通过数据线与电脑相连，进行测量参数设置以及数据读取功能。

电动机A4为直流电动机，额定电压为24V，额定转速为20转/分，电动机A4通过带动可转动横杆A3.2逆时针转动控制测量钢丝A2自动下放。

可转动横杆A3.2为木质横杆，周长为20cm。

自动化控制装置电源B1额定电压为24V。

自动化控制装置B主要通过自动计时装置B3运行实现，当金属秒针B3.1通过可滑动金属扣B3.3与环形钢丝B3.4相连时，电动机A4开始工作；当金属秒针B3.1通过可滑动金属扣B3.3与可伸缩绝缘套B3.5相连时，电动机A4停止工作。

可伸缩绝缘套B3.5是橡胶材质，套在环形钢丝B3.4外，最多可套住环形钢丝B3.4的75％。

本发明还提供了一种高精度地温梯度自动化地温测量方法，包括如下步骤：

步骤一、将地温梯度测量设备A和自动化控制装置B置于测量井附近空旷、平整的地面，并按地温梯度测量设备和自动化控制装置测量作业方案连接相关组件，设置参数并测试，确保各组件运行顺利；

步骤二、将压力温度传感器A1与电脑相连接，设置测量开始时间为5分钟后，通过防水金属套密封后与测量钢丝A2连接；

步骤三、确定待测井位置，手持压力温度传感器A1，将其放入井口，轻放测量钢丝A2至压力温度传感器A1达到水面处，使用测绳控制装置固定旋母A3.3将电动机A4与可转动横杆A3.2相连，并通过电动机固定装置旋母A5.1固定于电动机固定装置支架A5.2上；

步骤四、将自动化控制装置电源B1断开，金属秒针B3.1和可滑动金属扣B3.3置于水平向左的位置，可伸缩绝缘套B3.5展开至覆盖环形钢丝B3.4的75％，联通自动化控制装置电源B1；

步奏五、待压力温度传感器A1开始工作时，打开秒钟控制电源B3.2，金属指针B3.1带动可滑动金属扣B3.3沿环形钢丝B3.4滑动。当可滑动金属扣B3.3位于环形钢丝B3.4未被可伸缩绝缘套B3.5覆盖部位时，电动机A4开始工作，可转动横杆A3.2逆时针转动，测量钢丝A2匀速下放；当可滑动金属扣B3.3位于环形钢丝B3.4被可伸缩绝缘套B3.5覆盖部位时，电动机A4停止工作，可转动横杆A3.2停止转动，测量钢丝A2静止不动，压力温度传感器A1自动测量该深度的地温。

步骤六、待压力温度传感器A1到达井底时，关闭秒钟控制电源B3.2，拧掉测绳控制装置固定旋母A3.3，将电动机A4移至测绳控制装置A3另一侧，使用测绳控制装置固定旋母A3.3将电动机A4与可转动横杆A3.2另一边相连；

步骤七、打开秒钟控制电源B3.2，金属指针B3.1带动可滑动金属扣B3.3沿环形钢丝B3.4滑动，当可滑动金属扣B3.3位于环形钢丝B3.4未被可伸缩绝缘套B3.5覆盖部位时，电动机A4开始工作，可转动横杆A3.2顺时针转动，测量钢丝A2匀速上拉；当可滑动金属扣B3.3位于环形钢丝B3.4被可伸缩绝缘套B3.5覆盖部位时，电动机A4停止工作，可转动横杆A3.2停止转动，测量钢丝A2静止不动，压力温度传感器A1自动测量该深度的地温。待压力温度传感器A1离开水面，关闭秒钟控制电源B3.2，断开自动化控制装置电源B1，完成测量工作；

步骤八、将压力温度传感器A1中的测量数据通过数据线导出，整理后得到温度梯度数据。

高精度地温梯度自动化地温测量方法，还包括地温数据修正程序，通过公式(1)计算得出不同深度温度值T：

T_i＝(T_up+T_down)/2 (1)

其中T_i为深度i米处的温度值，T_up和T_down分别为下放和上拉钢丝测绳时测量得到的温度值。

高精度地温梯度自动化地温测量方法，还包括单个地温数据测量时间和测量数据深度间隔控制方法，通过调节可伸缩绝缘套覆盖环形钢丝的长度来控制单个地温数据测量时间和测量数据深度间隔，当可伸缩绝缘套覆盖环形钢丝n％时，分别通过公式(2)和(3)计算单个地温数据测量时间t和测量数据深度间隔L：

t＝0.6*n (2)

L＝(100-n)*0.04 (3)

其中t和L单位分别为秒和米。