本发明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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
鉴于上述的分析，本发明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。
本发明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。
本发明有益效果如下：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，本发明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。
由于本发明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。
本发明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，或者通过实施本发明而了解。本发明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，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例监测系统结构框图；
图2为本发明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发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明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瞬间的，考虑其监测精度需求，本实施例采用多通道同时扫描探测，实时性好、精度高。
微控制子系统1包括微处理器模块11、数据存储模块12、电压转换与控制模块13和数据传输模块14；微处理器模块发出控制信号控制扫描光信号的发射，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。数据存储模块用于本地实时监测数据的存储。电压转换与控制模块与电能供应子系统相连，用于将电能分级转化以适用于不同用电模块的需求，同时可以实现供断电控制。数据传输模块用于将监测数据传输至控制中心。优选地，数据传输模块采用无线传输协议，以适应野外探测需求。
光信号发射与传输子系统2包括扫描光源21、光纤耦合器22和n个三端口光环形器23；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。
考虑到，需要多通道同时扫描，选用扫描范围及步进波长可设的扫描式光源，同时结合光纤耦合器将光能量分为多个通道，每一通道光能量能够实现均分或按要求定制，以解决现有技术单通道监测没有扩展性的缺陷。采用三端口光环形器能够实现对入射光和反射光的分离，很好地保证了各信号之间的分离，避免发生信号混淆的问题。
可选地，扫描光源发射单通道c波段(1527-1568nm)连续光谱，进入光纤耦合器电路分为多路光信号同时扫描。理论上可实现2n(n＝0,1,2,3,......)路光信号的同时扫描，但是由于每一阶耦合器都存在损耗，为了保证光信号探测与传输的有效性，优选地n的取值小于等于4。
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，传感器通过光缆41相连，通过光栅传感器波长变化反应传感器周围温度情况。
光电信号转换与处理子系统3包括n个光电探测器31、微弱信号处理模块32、ad转换模块33和数据采集模块34；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。
微控制子系统的微处理器模块对采集信号进行处理得到该传感器串上每一传感器所对应的波长信息，将该波长信息与对应传感器初始波长进行对比，得到温度变化量，根据初始温度即可得到整个环境温度情况。
需要说明的是，对信号处理得到波长信息，采用多种手段(如光谱分离技术分离得到整个信号中携带的多个波长)均可实现，本发明对其不做限定。
电能供应子系统5包括太阳能电池板52、太阳能充放电控制电路51。通过太阳能电池板完成太阳能向电能的转换，并通过太阳能充放电控制器连接至微处理子系统中的电压转换与控制模块提供整个监测系统的电能供应。为了适用于野外夜间需求，同时设置可充电锂电池组53，将太阳能储存到可充电锂电池组中，在太阳能无法直接提供电能时使用。
如图2所示，具体实施时，为保护监测系统的安全，将微控制子系统、光信号发射与传输子系统、光电信号转换与处理子系统集成在监测箱7中并安装在监测支架6上，保护了电路模块免受环境影响。同时，考虑到太阳能转换效率，将太阳能电池板倾斜设置在监测支架的顶端。野外雷电时有发生，为避免系统受雷电影响，还设置避雷设备，避雷设备包括避雷针54和接地导体55，避雷针的高度高于监测支架的高度。监测箱上设置发射信号的天线8，实现无线传输需求。
根据浅层地温能开发利用模式，不同的钻孔类型与利用方法，可分别结合本发明实施例的监测系统开展监测工作。
具体地，背景值监测孔一般为单孔单通道，通道径约100mm，可通过利用本发明实施例的多通道开展准分布式分层监测；勘查换热试验孔一般单孔多通道，通道在井下采用连接，形成双通道u型管，单通道直径约32mm，可结合多通道分别监测；开发利用孔一般为双孔(开采孔和注水孔)单通道或多通道，单通道直径约为32mm，可利用多通道分别对开采孔和注水孔分别监测。
综上所述，本发明实施例提供了一种准分布式地热浅井温度实时监测系统，具有通道可扩展性强、测量精度高、抗电磁干扰和不受复杂几何空间等恶劣环境的限制等特点，每通道通过单芯普通通讯光缆连接即可实现温度信号的传输，同时随着孔内温度测试空间分辨率的增加，单位信息的获取成本大大降低，对于浅井高精度温度数据的长期网络化测量提供了一种有效的监测技术。
本实施例还提供了一种利用上述系统进行的准分布式地热浅井温度实时监测方法，包括如下步骤：
步骤s1、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；
步骤s2、发出n路光信号至每条温度传感器串；
步骤s3、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；
步骤s4、将所述光波长信息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。
步骤s1包括：
在地热浅井10中布设套管11；将每条温度传感器串绑缚于端头带有重锤的下井绳进行下井布设在所述套管中。
具体地，
在浅层地温浅孔成孔后，下井套管，套管可为镀锌套管或pe型u型管，通过上返岩屑、原浆进行灌浆浇筑或根据监测要求采用膨润土、水泥、砂和水的混合料，也可根据原位土回填以增加换热准确性回填，确保套管与井壁完整耦合无间隙。
通过轻便绞车将温度传感网络的传感器串与下井钢丝绳9通过钢卡12捆绑下井，钢丝绳尾端固定重锤13，保证钢丝绳保持垂向下井，每个传感器分别固定在钢丝绳上，利用钢丝绳承担主要垂向拉力，以避免温度传感器因为自身重力造成测量误差和损坏。
记录传感器串的通道和下放的位置，将钢丝绳通过捆绑固定在地面井口套管处，使钢丝绳与套管相对固定，以免套管沉降影响监测数据。
步骤s2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。
具体地，
微控制器通过向扫描光源发出控制信号(包括：扫描间隔和波长范围等)，激光信号进入光纤耦合器组分成多通道光信号，每个通道光信号分别经过一个三端口的光环行器进入到固定的传感器串中。
步骤s3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。
携带温度信息的反射光信号经过光环行器进入到光电探测组件转换为微弱电信号，经过整形、放大、模拟信号转化为数字信号后进入采集模块数据采集，并将最终的数据通过微处理器模块处理后保存至数据存储模块。
步骤s4的原理为：温度传感器的预刻栅格会反射激光信号，在受到外界温度变化后，预刻光栅栅格会跟随变化，其表现形式为所反射的波长偏离传感器初始状态的中心波长，偏移量受传感器自身系数和环境温度控制，传感器自身系数为常数，实验室内测定，因此光栅反射波长偏移量(测试波长与中心波长的波长差)与环境温度变化量(测试环境与标定环境的温度差)成正比例关系。
还包括步骤s5将温度信息进行本地存储和/或传输至控制中心。
具体地，存储数据或通过数据传输天线发送数据至控制中心，均可实现数据保留供后续使用。
由于本发明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。额外地，还提供了具体监测实施时的下井安装等手段，结合该手段，良好地维护了监测方法的进行，保证了监测的安全和高精度要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。