基于点热源法的土壤热阻系数测量探头

摘要

本发明公开了一种基于点热源法的土壤热阻系数测量探头，探头为球状结构，由一个中空的金属球壳、绝缘导热填充物、电加热装置和测温热电偶组成，球壳上开有一个园孔、一个长条形凹槽缝隙，电加热装置位于球内中心，热电偶测温探头安装在金属球外表面的凹槽缝隙内，球壳内部有绝缘导热填充物填满，电加热装置通过绝缘导热填充物密封并定位，热电偶测温探头和金属球壳间用绝缘的导热硅胶隔开，本探头使用方便、测量结果精确可靠，既可用于实验室取样测量，又可以在不破坏土壤结构的条件下，现场直接测量土壤热阻系数，尤其适用于各种电力电缆、热力管道等设施埋设深度范围内土壤热阻系数的测量，测量精度高，应用范围广，操作灵活方便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于点热源法的土壤热阻系数测量探头装置，属于测量技术领域。

背景技术

土壤的热阻系数是土壤的基本参数之一，确定土壤热阻系数的方法有两大类，一是取样法，即对土壤取样后在实验室内通过仪器进行测定。但实验室内样品不能准确反映现场土壤的参数，会引入误差；另一种方法是现场测量土壤的热阻系数，这种方法能够保留真实的土壤状况，只有在现场进行实时测量，才能满足各种设计、施工以及管理过程对土壤温度、导热系数实时、准确测量的要求。但目前国内还缺乏现成的测量装置和测试方法。

发明专利(公开号：CN101320007A，名称：针探法材料导热系数测量装置和材料导热系数测量装置)和发明专利(公开号：CN201222042Y，名称：材料导热系数测量装置)公开了一种基于线热源原理的针探法材料导热系数测量装置，该方法采用直径0.7mm、长度为53mm的探针，内部设置有0.0762mm的电加热丝，适用于液体、气体以及固体介质的导热系数测量。但该方法中的测量探头为探针式结构，探针制造困难，且由于探针长度限制，只适合对小尺寸试样进行测量，无法应用于大深度范围土壤热阻系数的现场测量。

实用新型专利(公开号：CN2310994Y，名称：一种用于测量土壤温度、湿度的探头)公开了一种可测量土壤温湿度的探头，包括带有通气孔的内保护套和湿敏元件、转换电路，该探头为长园柱状结构，主要作用为可有效地防止泥土的保护套内的通汽孔的堵塞，结构较复杂，现场检测能力差。

发明专利(公开号：CN 101105467A，名称：土壤热阻系数测定装置及其方法)公开了一种土壤热阻系数测定装置及其方法，可用来测试地源热泵空调系统向土壤排热或取热两种模式下的土壤热阻系数，主要针对地下深度在40～100米处土壤的热阻系数进行测量，但该方法并未涉及探头的形状结构具体内容。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种使用方便、测量结果精确可靠的土壤热阻系数测量探头，既可用于实验室取样测量，又可以在不破坏土壤结构的条件下，现场直接测量土壤热阻系数，尤其适用于各种电力电缆、热力管道等设施埋设深度范围内土壤热阻系数的测量。

本发明的技术方案是：基于点热源法的土壤热阻系数测量探头，其特征在于：测量探头为球状结构，由一个中空的金属球壳、绝缘导热填充物、电加热装置和测温热电偶组成，球壳上开有一个园孔、一个长条形凹槽缝隙，电加热装置位于球内中心位置，热电偶测温探头安装在金属球外表面的凹槽缝隙内，电加热装置电源馈线通过园孔引出球壳外，热电偶温度信号传输线通过园孔引入球壳内，沿球壳内壁再连接长条形凹槽缝隙内的测温探头，金属球壳内部有绝缘导热填充物充实填满，电加热装置及其馈线、热电偶温度信号传输线通过绝缘导热填充物密封并定位，金属球壳与电加热装置及其馈线绝缘。

如上所述的基于点热源法的土壤热阻系数测量探头，其特征在于：电加热装置与功率可调的直流电源相连，作为测量点的加热源。

如上所述的基于点热源法的土壤热阻系数测量探头，其特征在于：热电偶测温探头和金属球壳间用绝缘的导热硅胶隔开。

本发明的有益效果是：可以通过取样来测量土壤导热系数，也可以在不破坏土壤结构的情况下，现场直接对土壤温度和导热系数进行测量，测量精度高，应用范围广，操作灵活方便。

本发明的工作原理：由于金属球壳内置有加热装置，在球体表面安装有热电偶测温探头，测量时由电源提供恒定功率使加热装置发热，当金属球直径足够小时，可将金属球视为点热源。

测量开始时，设时间t＝0，点热源在无限大均匀介质中瞬时发出一定热量后，在任一时刻错误！未找到引用源。距离点热源r处的温升函数为：

$\theta =\frac{Q_d}{\mathrm{c\rho }\left(4\mathrm{\pi \alpha \tau }\right)3/2}{e}^{-\frac{{\gamma }^2}{4\mathrm{\alpha \tau }}}$错误！未找到引用源。(1)

式中：

Q_d：点热源的瞬时发热量，J；

错误！未找到引用源。：介质的比热容，J/kg错误！未找到引用源。℃；

错误！未找到引用源。：介质的密度，kg/错误！未找到引用源。³；

错误！未找到引用源。：介质的热扩散系数，错误！未找到引用源。/s；

错误！未找到引用源。：在热源发热后的任意时刻，s。

将上式对时间变量错误！未找到引用源。进行积分，即可以得到持续点热源温度场的解。

设持续点热源的发热强度为q_d错误！未找到引用源。，热源发热t秒后，距离热源r处的温升错误！未找到引用源。t为：

${\theta }_t={\int }_0^{\tau }\mathrm{\theta dt}=\frac{q_d}{4\mathrm{\pi \lambda \gamma }}[1-\mathrm{erf}\left(\frac{r}{\sqrt{4\mathrm{\alpha \tau }}}\right)]$错误！未找到引用源。(2)

式中：

错误！未找到引用源。：介质的热传导率；

错误！未找到引用源。为误差函数，当足够小，即金属球直径足够小或加热时间足够长时，可忽略不计，表现为金属球表面温度趋于某一恒定的值θ。此时，由上式可得：

$\lambda =\frac{q_d}{4\mathrm{\pi \theta \gamma }}$错误！未找到引用源。

附图说明

附图1为本发明实施例基于点热源法的土壤热阻系数测量探头示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

附图标记说明：1-热电偶温度信号传输线、2-电加热装置电源馈线、3-园孔、4-中空金属球壳、5-热电偶测温探头、6-长条形凹槽缝隙、7-电加热装置、8-绝缘导热填充物。

如附图1所示，基于点热源法的土壤热阻系数测量探头，主要包括：中空金属球壳4、绝缘导热填充物8、电加热装置7、热电偶测温探头5组成，球壳上开有一个园孔3、一个长条形凹槽缝隙6，电加热装置7位于球内中心位置，热电偶测温探头5安装在金属球外表面的凹槽缝隙6内，电加热装置7电源馈线2通过园孔3引出球壳外，热电偶温度信号传输线1通过园孔3引入球壳4内，沿球壳内壁再连接长条形凹槽缝隙6内的测温探头5，金属球壳4内部有绝缘导热填充物8充实填满，电加热装置7及其馈线2、热电偶温度信号传输线1通过绝缘导热填充物8密封并定位，金属球壳4与电加热装置7及其馈线2绝缘。

现场测量中，将中空金属球壳4埋设在待测地点，将加热装置7与一功率恒定的直流电源相连接，通温度检测装置读取由热电偶测温探头5测到的温度值，当温度值趋于恒定时，即可计算出待测土壤的热传导率和热阻系数，中空金属球壳4可按照需求埋设在不同的深度，便于测量不同位置的土壤热阻系数。