專利名稱：一種無人看管型土壤源熱泵巖土熱物性測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于地源(土壤源)熱泵領(lǐng)域，具體涉及一種無人看管型地源熱泵巖土熱物性測試儀。
背景技術(shù)：
淺層地表巖土熱物性對地源熱泵系統(tǒng)性能影響最大，是土壤源熱泵系統(tǒng)設(shè)計和研究過程中最基本、最重要的參數(shù)。通過巖土熱響應(yīng)測試可以獲得巖土熱物性參數(shù)(如土壤換熱系數(shù)、鉆孔熱阻等)，這些參數(shù)直接影響這地源熱泵系統(tǒng)的投資和運(yùn)行效果。巖土熱響應(yīng)測試已成為當(dāng)前土壤源熱泵埋管換熱器數(shù)量和長度設(shè)計的前期準(zhǔn)備基礎(chǔ)，通過測試獲得的巖土熱物性參數(shù)可為地?zé)岱治龊驮O(shè)計提供有價值的數(shù)據(jù)參考。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(GB50366-2009)規(guī)定，巖土熱響應(yīng)試驗應(yīng)連續(xù)不間斷，持續(xù)時間不宜少于48小時。這對巖土熱物性測試儀提出了嚴(yán)格要求。為滿足此要求，需要土壤源熱泵巖土熱物性測試儀具有很強(qiáng)的魯棒性，并且要求現(xiàn)場有人看管設(shè)備。巖土熱物性測試過程中，土壤源熱泵巖土熱物性測試儀不應(yīng)出現(xiàn)故障，否則需要重新實驗。另外，在實驗現(xiàn)場受其他施工點的影響，往往供電電壓會出現(xiàn)不平穩(wěn)的情況。這種電壓波動勢必會影響流體流速和加熱器功率的變化，而且電磁干擾會對傳感器測量值的精度產(chǎn)生影響。目前，一般地源熱泵巖土熱物性測試儀不具有遠(yuǎn)程測控和自我故障診斷功能。為保證實驗安全順利進(jìn)行，需要現(xiàn)場人員看管地源熱泵巖土熱物性測試儀，但這勢必增加了人力物力，提高了實驗成本；而且，目前的土壤源熱泵巖土熱物性測試儀均沒有供電保障措施來消除電壓波動的影響。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有的地源熱泵巖土熱物性測試儀不能遠(yuǎn)程測控和不能自我故障診斷的缺陷，本實用新型公開了一種無人看管型土壤源熱泵巖土熱物性測試儀，該裝置通過對地源熱泵巖土熱物性測試儀的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，現(xiàn)場無人看管且不受距離限制。實現(xiàn)了巖土熱物性參數(shù)的自動測量、故障自動診斷、自動報警和干擾自動消除，減少了人力物力，大大降低了實驗測試成本。為了達(dá)到上述目的，本實用新型采用如下的技術(shù)解決方案一種無人看管型土壤源熱泵巖土熱物性測試儀，其特征在于，包括第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第四溫度傳感器、第一流量傳感器、第二流量傳感器、聲音傳感器、管道式電加熱器、供水管路、回水管路、變頻循環(huán)水泵、可控硅調(diào)壓器、變頻器、智能電量變送器、電源、數(shù)據(jù)采集模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、接觸器、水流開關(guān)和計算機(jī)；所述電源連接管道式電加熱器、變頻器、智能電量變送器和數(shù)據(jù)采集模塊以供電，其中，管式電加熱器的供電線路上按照電流方向依次安裝有接觸器、可控硅調(diào)壓器和智能電量變送器；供水管路的進(jìn)水口和回水管路的出水口分別連接管道式電加熱器；在供水管、路上按照水流方向依次安裝有水流開關(guān)、第三溫度傳感器、第二流量傳感器和第四溫度傳感器；在回水管路上按照水流方向依次安裝有第一溫度傳感器、變頻循環(huán)水泵、第一流量傳感器和第二溫度傳感器，變頻循環(huán)水泵與變頻器連接并由變頻器驅(qū)動；其中，第二溫度傳感器位于管道式電加熱器的入水口處，水流開關(guān)和第三溫度傳感器位于管道式電加熱器的出水口處；第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第四溫度傳感器、第一流量傳感器、第二流量傳感器、聲音傳感器、可控硅調(diào)壓器、變頻器、智能電量變送器、電源、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、接觸器和水流開關(guān)分別與數(shù)據(jù)采集模塊連接；數(shù)據(jù)采集模塊通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊與計算機(jī)進(jìn)行無線通信。本實用新型還包括如下其他技術(shù)特征所述溫度傳感器、第三溫度傳感器、第一流量傳感器、第二流量傳感器、聲音傳感 器、管道式電加熱器、變頻循環(huán)水泵、變頻器和智能電量變送器安裝在一個箱體內(nèi)，供水管路、回水管路的一部分也位于該箱體內(nèi)。所述數(shù)據(jù)采集模塊采用ADAM6024。所述第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第四溫度傳感器、第一流量傳感器、第二流量傳感器、聲音傳感器、可控硅調(diào)壓器、變頻器、智能電量變送器、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、接觸器和水流開關(guān)均通過屏蔽信號線與數(shù)據(jù)采集模塊連接。本實用新型的有益效果是，可實現(xiàn)無線遠(yuǎn)程測量，在無人看管情況下實現(xiàn)多工況測量；可實現(xiàn)自動故障診斷、恒加熱功率、恒流量的閉環(huán)控制，保證測量精度，有效提高地源熱泵巖土熱物性工作效率，減少人力物力，降低測試成本。

圖I是本實用新型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型無線數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制示意圖。圖3是基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的自動故障診斷原理圖。圖4是本實用新型的電氣連接原理圖。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型進(jìn)一步解釋說明。
具體實施方式
如圖I、圖2所示，本實用新型的無人看管型土壤源熱泵巖土熱物性測試儀，包括第一溫度傳感器I、第二溫度傳感器2、第三溫度傳感器3、第四溫度傳感器4、第一流量傳感器5、第二流量傳感器6、聲音傳感器7、管道式電加熱器8、供水管路9、回水管路10、變頻循環(huán)水泵11、可控硅調(diào)壓器12、變頻器13、智能電量變送器14、電源16、數(shù)據(jù)采集模塊17、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊18、接觸器19、水流開關(guān)20和計算機(jī)21。如圖4所示，電源16連接管道式電加熱器8、變頻器13、智能電量變送器14和數(shù)據(jù)采集模塊17以供電，其中，管式電加熱器8的供電線路上按照電流方向依次安裝有接觸器19、可控硅調(diào)壓器12和智能電量變送器14 ;供水管路9的進(jìn)水口和回水管路10的出水口分別連接管道式電加熱器8 ;在供水管路9上按照水流方向依次安裝有水流開關(guān)20、第三溫度傳感器3、第二流量傳感器6和第四溫度傳感器4 ;在回水管路10上按照水流方向依次安裝有第一溫度傳感器I、變頻循環(huán)水泵11、第一流量傳感器5和第二溫度傳感器2，變頻循環(huán)水泵11與變頻器13連接并由變頻器13驅(qū)動；其中，第二溫度傳感器2位于管道式電加熱器8的入水口處，水流開關(guān)20和第三溫度傳感器3位于管道式電加熱器8的出水口處；供水管路9的出口端和回水管路10的入口端分別連接地源熱交換器15(地埋管)。上述部件中，溫度傳感器2、第三溫度傳感器3、第一流量傳感器5、第二流量傳感器6、聲音傳感器7、管道式電加熱器8、變頻循環(huán)水泵11、變頻器13和智能電量變送器14安裝在一個箱體內(nèi)，供水管路9、回水管路10的一部分也位于該箱體內(nèi)。數(shù)據(jù)采集模塊17采用ADAM6024。變頻循環(huán)水泵11包括第一變頻循環(huán)水泵和第二變頻循環(huán)水泵，第一變頻循環(huán)水 泵和第二變頻水泵一用一備。變頻循環(huán)水泵11與管道式電加熱器8形成聯(lián)鎖，即利用水流開關(guān)20檢測供水管道9中是否有水流，當(dāng)檢測到?jīng)]有水流時，計算機(jī)21通過無線網(wǎng)路向數(shù)據(jù)采集模塊17發(fā)出控制信號，數(shù)據(jù)采集模塊17將控制信號發(fā)給串聯(lián)在管道式電加熱器8供電線路中的接觸器19和可控硅調(diào)壓器12，切斷電源，防止管道式電加熱器8空燒。第一溫度傳感器I、第二溫度傳感器2、第三溫度傳感器3、第四溫度傳感器4、第一流量傳感器5、第二流量傳感器6、聲音傳感器7、可控硅調(diào)壓器12、變頻器13、智能電量變送器14、電源16、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊18、接觸器19和水流開關(guān)20分別與數(shù)據(jù)采集模塊17連接；所有測量信號，如溫度、流量、加熱器功率和聲量均通過屏蔽信號線連接至數(shù)據(jù)采集模塊17，數(shù)據(jù)采集模塊17將接收到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集模塊17通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊18與計算機(jī)21進(jìn)行無線通信。圖2中，Al為模擬量輸入；DI為開關(guān)量輸入；AO為模擬量輸出；D0為開關(guān)量輸出。本實用新型中，各部件的作用或設(shè)計意圖如下在管道式電加熱器8的進(jìn)出口和供、回水管路上均安裝兩個溫度測點(4個溫度傳感器均由計量單位標(biāo)定)，保證溫度測量的冗余度和準(zhǔn)確性；在供、回水管上(管道式電加熱器8的進(jìn)出口處)各安裝一個流量傳感器測量循環(huán)水流量。所有傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號直接發(fā)送給數(shù)據(jù)采集模塊17?？煽毓枵{(diào)壓器12可接受數(shù)據(jù)采集模塊17輸出的O 5V控制信號，實現(xiàn)對管道式電加熱器8功率O 9kW的連續(xù)調(diào)節(jié)，并利用智能電量變送器14實時監(jiān)測管道式電加熱器8的實際功率，為熱流量計算提供參考依據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊17具有多路數(shù)字輸入和接觸器19的輸出信號，可實現(xiàn)對流量開關(guān)20、變頻循環(huán)水泵11的狀態(tài)監(jiān)測控制。在回水管路10上安裝變頻循環(huán)水泵11，為變頻循環(huán)水泵11配備了變頻器13，變頻器可接受數(shù)據(jù)采集模塊170 5V的控制信號以實現(xiàn)水流速和流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，且節(jié)能。計算機(jī)21 (上位機(jī))具有良好的人機(jī)界面，易操作，易擴(kuò)展，運(yùn)行閉環(huán)控制算法、數(shù)據(jù)融合算法，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示、歷史數(shù)據(jù)顯示，在線處理數(shù)據(jù)獲得巖土熱物性參數(shù)。本實用新型的工作過程如下數(shù)據(jù)采集模塊17通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊18將現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)中的計算機(jī)21，計算機(jī)21實時記錄現(xiàn)場信號，并根據(jù)現(xiàn)場信號的狀況發(fā)出控制信號，控制信號通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給GPRS數(shù)據(jù)傳輸模18，GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊18與數(shù)據(jù)采集模塊17通信，由數(shù)據(jù)采集模塊17下發(fā)到變頻器13和可控硅調(diào)壓器12，實現(xiàn)流體流量和加熱功率的控制。計算機(jī)21運(yùn)行上位專用軟件，對所有溫度、流量和功率值可進(jìn)行實時曲線顯示、歷史趨勢曲線顯示和數(shù)據(jù)記錄、處理，利用測量數(shù)據(jù)實時在線計算巖土熱物性參數(shù)。計算機(jī)21通過水流開關(guān)20采集的信號判斷流體是否流動，如果沒有流動，則通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊18向數(shù)據(jù)采集模塊17發(fā)送控制信號，該控制信號控制可控硅調(diào)壓器12和接觸器19聯(lián)合動作對管道式電加熱器8的功率進(jìn)行控制，防止管道式電加熱器8空燒，起到保護(hù)設(shè)備。在計算機(jī)21中設(shè)定流體流量，對流量實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，在外界干擾(如電壓波動時)下可保證實際流量與設(shè)定期望值一致。管內(nèi)流體被變頻循環(huán)水泵11輸送并被管道式加熱器8加熱后送入地埋管熱交換器15。設(shè)定管道式加熱器8的功率，對加熱功率實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，可克服現(xiàn)場電壓波動實現(xiàn)恒功率控制。利用溫度傳感器監(jiān)測流體溫度，流量傳感器監(jiān)測流體流量，智能電量變送器監(jiān)測加熱器功率。流體被管道式加熱器8加熱后，依次經(jīng)過水流開關(guān)20、第三溫度傳感器3、第二流量傳感器6、第四溫度傳感器4、供水管路9、地埋管15 (地源熱泵熱交換器)、回水管路10、第一溫度傳感器I、第一流量傳感器5、第二溫度傳感器2，變頻循環(huán)水泵11，最后循環(huán)回到管道式加熱器8。被加熱的流體經(jīng)過地源熱交換器15與土壤發(fā)生熱交換，對土壤進(jìn)行放熱后，回水溫度低于供水溫度。這樣不斷循環(huán)， 經(jīng)過一定時間后，達(dá)到傳熱平衡。利用所有傳感器測量值可以計算巖土熱物性參數(shù)。供回水溫差Λ T可用以下公式計算
「 n ^rr Τ3 + Τ4-ΤΙ-Τ2η、AT =----( I)式中，Τ1，Τ2，Τ3，Τ4分別代表第一溫度傳感器I、第二溫度傳感器2、第三溫度傳感器3和第四溫度傳感器4的測量值。圖3給出了應(yīng)用本實用新型的裝置，基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的自動故障診斷原理圖。數(shù)據(jù)融合算法在遠(yuǎn)端計算機(jī)上實現(xiàn)。收集所有溫度、流量、加熱功率、聲量等模擬輸入信號和所有水流開關(guān)、供電主線路接觸器觸點等開關(guān)量信號，根據(jù)所有模擬輸入量和開關(guān)輸入量的信息，利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)判斷是否出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障則發(fā)出聲光報警。如利用聲音傳感器測量現(xiàn)場和設(shè)備正常運(yùn)行時的聲量，以該聲量為設(shè)備正常運(yùn)行的基準(zhǔn)聲量。設(shè)定聲量報警的上下限范圍。如果檢測到現(xiàn)場聲音超過該范圍，并保持一定時間仍未消失，同時，考慮現(xiàn)場其他模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)，來判斷是否出現(xiàn)故障。即利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行故障診斷，如出現(xiàn)故障則及時報警，并自動切斷電源，避免嚴(yán)重事故發(fā)生。本實用新型的特點之一是可進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的實時曲線顯示和記錄，并可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢調(diào)用，自行開發(fā)熱響應(yīng)分析軟件，對數(shù)據(jù)可實時進(jìn)行自動分析處理，獲得換熱數(shù)據(jù)和土壤物性參數(shù)等；特點之二是熱泵地埋管內(nèi)水流量和加熱功率可根據(jù)需要進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)不同負(fù)荷工況下土壤熱物性的測量，并將結(jié)果進(jìn)行對比，提高測量精度；特點之三是系統(tǒng)具有自動數(shù)據(jù)分析功能，可根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)在線分析計算，獲得土壤熱物性參數(shù)；特點之四是可自動故障診斷。
權(quán)利要求1.一種無人看管型土壤源熱泵巖土熱物性測試儀，其特征在于，包括第一溫度傳感器(I)、第二溫度傳感器(2)、第三溫度傳感器(3)、第四溫度傳感器(4)、第一流量傳感器(5)、第二流量傳感器出)、聲音傳感器(7)、管道式電加熱器(8)、供水管路(9)、回水管路(10)、變頻循環(huán)水泵(11)、可控硅調(diào)壓器(12)、變頻器(13)、智能電量變送器(14)、電源(16)、數(shù)據(jù)采集模塊(17)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊(18)、接觸器(19)、水流開關(guān)(20)和計算機(jī)(21)； 所述電源(16)連接管道式電加熱器(8)、變頻器(13)、智能電量變送器(14)和數(shù)據(jù)采集模塊(17)以供電，其中，管式電加熱器⑶的供電線路上按照電流方向依次安裝有接觸器(19)、可控硅調(diào)壓器(12)和智能電量變送器(14);供水管路(9)的進(jìn)水口和回水管路(10)的出水口分別連接管道式電加熱器(8);在供水管路(9)上按照水流方向依次安裝有水流開關(guān)(20)、第三溫度傳感器(3)、第二流量傳感器(6)和第四溫度傳感器(4);在回水管路(10)上按照水流方向依次安裝有第一溫度傳感器(I)、變頻循環(huán)水泵(11)、第一流量 傳感器(5)和第二溫度傳感器(2)，變頻循環(huán)水泵(11)與變頻器(13)連接并由變頻器(13)驅(qū)動；其中，第二溫度傳感器⑵位于管道式電加熱器⑶的入水口處，水流開關(guān)(20)和第三溫度傳感器(3)位于管道式電加熱器(8)的出水口處； 第一溫度傳感器(I)、第二溫度傳感器(2)、第三溫度傳感器(3)、第四溫度傳感器(4)、第一流量傳感器(5)、第二流量傳感器￠)、聲音傳感器(7)、可控硅調(diào)壓器(12)、變頻器(13)、智能電量變送器(14)、電源(16)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊(18)、接觸器(19)和水流開關(guān)(20)分別與數(shù)據(jù)采集模塊(17)連接；數(shù)據(jù)采集模塊(17)通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊(18)與計算機(jī)(21)進(jìn)行無線通信。
2.如權(quán)利要求I所述的無人看管型土壤源熱泵巖土熱物性測試儀，其特征在于，所述溫度傳感器(2)、第三溫度傳感器(3)、第一流量傳感器(5)、第二流量傳感器(6)、聲音傳感器(7)、管道式電加熱器(8)、變頻循環(huán)水泵(11)、變頻器(13)和智能電量變送器(14)安裝在一個箱體內(nèi)，供水管路(9)、回水管路(10)的一部分也位于該箱體內(nèi)。
3.如權(quán)利要求I所述的無人看管型土壤源熱泵巖土熱物性測試儀，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊(17)采用ADAM6024。
4.如權(quán)利要求I所述的無人看管型土壤源熱泵巖土熱物性測試儀，其特征在于，所述第一溫度傳感器(I)、第二溫度傳感器(2)、第三溫度傳感器(3)、第四溫度傳感器(4)、第一流量傳感器(5)、第二流量傳感器(6)、聲音傳感器(7)、可控硅調(diào)壓器(12)、變頻器(13)、智能電量變送器(14)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊(18)、接觸器(19)和水流開關(guān)(20)均通過屏蔽信號線與數(shù)據(jù)采集模塊(17)連接。
專利摘要本實用新型公開了一種無人看管型土壤源熱泵巖土熱物性測試儀，電源連接管道式電加熱器、變頻器、智能電量變送器和數(shù)據(jù)采集模塊以供電，管式電加熱器的供電線路上按照電流方向依次安裝有接觸器、可控硅調(diào)壓器和智能電量變送器；供水管路的進(jìn)水口和回水管路的出水口分別連接管道式電加熱器；在供水管路上按照水流方向依次安裝水流開關(guān)、第三溫度傳感器、第二流量傳感器和第四溫度傳感器；在回水管路上按照水流方向依次安裝有第一溫度傳感器、變頻循環(huán)水泵、第一流量傳感器和第二溫度傳感器，變頻循環(huán)水泵與變頻器連接并由變頻器驅(qū)動；本實用新型實現(xiàn)了巖土熱物性參數(shù)的自動測量、故障診斷、自動報警和干擾自動消除，減少了人力物力，大大降低了實驗測試成本。
文檔編號G01N25/20GK202486080SQ201220128030
公開日2012年10月10日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者孟慶龍, 官燕玲 申請人:長安大學(xué)