基于地源熱泵便攜式巖土熱物性測(cè)試儀研制
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設(shè)計(jì)地源熱泵系統(tǒng)的地?zé)釗Q熱器需要知道地下巖土的熱物性參數(shù)。如果熱物性參數(shù)不準(zhǔn)確，則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可能達(dá)不到負(fù)荷需要；也可能規(guī)模過(guò)大，從而加大初期投資。確定地下巖土熱物性參數(shù)的傳統(tǒng)方法是首先根據(jù)鉆孔取出的樣本確定鉆孔周?chē)牡刭|(zhì)構(gòu)成，再通過(guò)查有關(guān)手冊(cè)確定導(dǎo)熱系數(shù)。然而地下地質(zhì)構(gòu)成復(fù)雜，即使同一種巖石成分，其熱物性參數(shù)取值范圍也比較大。況且不同地層地質(zhì)條件下的導(dǎo)熱系數(shù)可相差近十倍，導(dǎo)致計(jì)算得到的埋管長(zhǎng)度也相差數(shù)倍，從而使得地源熱泵系統(tǒng)的造價(jià)會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的偏差。另外，不同的封并材料、埋管方式對(duì)換熱都有影響，因此只有在現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量才能正確得到地下巖土的熱物性參數(shù)。但是由于在以往的工程實(shí)踐中很少涉及這樣的問(wèn)題，既缺乏這方面的數(shù)據(jù)積累，也缺乏現(xiàn)成的測(cè)試方法。針對(duì)此間題，進(jìn)行了深入的研究，開(kāi)發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的便攜式巖土熱物性測(cè)試儀，并應(yīng)用到實(shí)際工程中。
1測(cè)試儀的原理及構(gòu)成
地下巖土的導(dǎo)熱系數(shù)等無(wú)法直接測(cè)量，只能通過(guò)測(cè)量溫度、熱流等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行反推。在已鉆好的鉆孔中埋設(shè)導(dǎo)管并按設(shè)計(jì)要求回填，該鉆孔中的導(dǎo)管將來(lái)可以作為地?zé)釗Q熱器的一個(gè)支路使用，回路中充滿水，讓水在回路中循環(huán)流動(dòng)，自某一時(shí)刻起對(duì)水連續(xù)加熱相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(數(shù)天)，并測(cè)量加熱功率、回路中水的流量和水的溫度及其所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，最后再根據(jù)已知的數(shù)據(jù)推算出鉆孔周?chē)鷰r土的平均熱物性參數(shù)。
本儀器由流量傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、泵、電加熱器；管道和主機(jī)等緩?fù)Y(jié)構(gòu)面匡如圖1所示。
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圖1中，由于泵的作用，流體由A口進(jìn)入，流量傳感器采集流量信號(hào)，溫度傳感器采集溫度信號(hào)(T1)。流體通過(guò)泵后，由電加熱器加熱，加熱的流體溫度信號(hào)(T2)由傳感器采集，然后流體從B口流出，輸入到埋置于深層巖土中的導(dǎo)管內(nèi)，導(dǎo)管內(nèi)加熱的流體與深層巖上進(jìn)行熱交換后，又從A口返回到儀器內(nèi)，形成封閉的循環(huán)。將在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)采集到的加熱功率、溫度差、流量值作為測(cè)量數(shù)據(jù)，再利用參數(shù)估算法求出巖土的平均導(dǎo)熱系數(shù)，達(dá)到檢測(cè)目的。電流傳感器、電壓傳感器用于對(duì)加熱器的加熱功率進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，以保證檢測(cè)精度。
1．1主機(jī)硬件
如圖2所示，主機(jī)由CPU AT89C52芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC2543、串行通訊芯片MAX232、程序存儲(chǔ)器27C128、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C64、鍵盤(pán)、LCD顯示器、開(kāi)關(guān)量輸出、打印機(jī)、電源等構(gòu)成。各部分的主要功能敘述如下：
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各路變送器傳來(lái)的電流信號(hào)在進(jìn)行濾波和I／V變換后，由TLC2543進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。TLC2543是具有11個(gè)通道的12位模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，由軟件控制信號(hào)通道的轉(zhuǎn)換。
程序存儲(chǔ)器27C128和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C64用于存放部分工作程序和測(cè)試數(shù)據(jù)。而AT24C64存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)在系統(tǒng)停電后不丟失。
MAX232作為串行通訊的專(zhuān)用芯片，用作向上位機(jī)傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)。
AT89C52是具有內(nèi)部程亭存儲(chǔ)器的CPU，它控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器存放主要的工作程序和參數(shù)，而內(nèi)部RAM作為系統(tǒng)的寄存器區(qū)、標(biāo)志區(qū)、打印及顯示緩沖區(qū)。
開(kāi)關(guān)量的輔出通過(guò)繼電器控制加熱器的電源，當(dāng)某種原因?qū)е录訜釡囟冗^(guò)高時(shí)則斷開(kāi)加熱器電源，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。打印機(jī)用于保存永久數(shù)據(jù)。
評(píng)論