淺層地溫場溫度監(jiān)測設備綜述

賈子龍

（北京市地熱研究院，北京 102218）

淺層地溫場溫度監(jiān)測設備綜述

賈子龍

（北京市地熱研究院，北京 102218）

溫度監(jiān)測設備是淺層地溫場監(jiān)測系統(tǒng)中與地溫場唯一直接接觸的設備，是地溫場監(jiān)測系統(tǒng)中最基礎也是最重要的設備。溫度監(jiān)測設備的選型以及施工情況，決定著淺層地溫場監(jiān)測系統(tǒng)能否正常運行。本文對目前主流的3種溫度監(jiān)測設備從探頭材質(zhì)、測量范圍、測量進度以及造價等方面，進行詳細的分析對比，結合3種監(jiān)測設備的優(yōu)缺點及項目施工情況，對3種設備的適用范圍進行了闡述：當監(jiān)測孔較少的情況下（一般少于10眼監(jiān)測孔）宜采用單線單探頭的測溫設備；當監(jiān)測孔數(shù)量較多的情況下（一般多于10眼監(jiān)測孔）宜采用單總線式數(shù)字測溫設備；分布式光纖測溫設備，比較適合淺層地溫能實驗應用。

淺層地溫場；溫度監(jiān)測設備；監(jiān)測系統(tǒng)

0 前言

淺層地溫能的開發(fā)利用會造成換熱區(qū)域內(nèi)局部地溫場的異常，產(chǎn)生熱虧損或者熱積累效應。因此淺層地溫能開發(fā)利用過程中做好地溫場的監(jiān)測是非常有必要的。通過建立的地溫場監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)地溫場長期有效的動態(tài)監(jiān)測，及時掌握換熱區(qū)地溫場的變化趨勢，為地源熱泵系統(tǒng)運行提供數(shù)據(jù)支撐，為合理優(yōu)化系統(tǒng)運行方案提供依據(jù)。溫度監(jiān)測設備作為地溫場監(jiān)測中最基礎也是最重要的設備，它是溫度的直接獲得者。因此溫度監(jiān)測設備的選擇尤其重要，既要考慮溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性又要考慮具體施工情況。本文對項目上常用的3種溫度監(jiān)測設備進行了詳細的介紹，為項目應用過程中設備選用提供依據(jù)。

1 監(jiān)測設備介紹

目前淺層地溫場監(jiān)測采用的監(jiān)測設備主要有3種，第一種是最常見也是最常用到的單線單探頭測溫監(jiān)測設備，第二種是單總線式數(shù)字測溫監(jiān)測設備，第三種是分布式光纖測溫監(jiān)測設備（表1）。

表1 淺層地溫場監(jiān)測設備對比Tab.1 Comparison of shallow geothermal field monitoring equipment

單線單探頭測監(jiān)測設備探頭主要采用的是鉑電阻傳感器，該傳感器的特點是溫度傳感器探頭精度高，穩(wěn)定性好，應用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，不僅廣泛應用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標準溫度計（涵蓋國家和世界基準溫度）供計量和校準。但是該設備采集的是模擬信號，而模擬信號往往受到檢測場地電場、磁場等不確定因素，這些因素會對電信號產(chǎn)生較大的干擾，從而影響傳感器實際的測量精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，每年需要進行設備校準（圖1）。

圖1 單線單探頭測溫設備測溫探頭Fig.1 The temperature probe of single - wire single - probe temperature measurement equipment

單總線式數(shù)字測溫監(jiān)測設備是采用測溫芯片作為感應元件，感應元件位于傳感器頭部，傳感器的精度和穩(wěn)定性決定于美國進口測溫芯片的特性及精度級別，無需校正。該監(jiān)測設備數(shù)據(jù)傳輸采用總線方式，總線電纜或傳感器外徑可做很小，最大直徑不大于16mm，且線路長短不會對傳感器精度造成任何影響。單總線式數(shù)據(jù)傳感器本身自帶12位高精度數(shù)據(jù)轉換器和現(xiàn)場總線管理器，直接將溫度數(shù)據(jù)轉換成合適遠距離傳輸?shù)臄?shù)字信號，而每個傳感器本身都有唯一的識別ID，所以很多傳感器可以直接在總線上，從而實現(xiàn)一根電纜線檢測很多溫度點的功能（圖2）。

圖2 單總線式數(shù)字測溫監(jiān)測設備測溫探頭Fig.2 The temperature probe of single bus digital temperature monitoring equipment

分布式光纖測溫設備是將多模感溫光纜作為線性傳感器，一根光纜可以長至數(shù)公里，甚至數(shù)十公里，通過分析光纜內(nèi)不同位置上的光散射信號得到相應的溫度信息。分布式光纖測溫設備可以準確的測量整根光纖上成千上萬位置點溫度信息（圖3）（于海鷹等，2013）。

圖3 多摸感溫光纜測溫設備測溫光纜Fig.3 The temperature cable multi - touch temperature cable temperature measurement equipment

2 單線單探頭測溫設備應用

此測溫設備在淺層地溫場監(jiān)測中的優(yōu)勢是測溫精度高、傳感器下入的位置比較準確。由于該設備是單線單探頭，因此一個探頭的損壞不會對另外的探頭造成影響，各溫度傳感器相對獨立，彼此不受干擾。

但是該設備在實際施工過程中的問題就是探頭越多意味著監(jiān)測線纜越多。由于監(jiān)測設備的電纜需要埋在地下進入井室、管廊或者機房，因此在施工過程中容易造成線纜損壞和攪拌。并且該設備需要配合巡檢儀來采集地下溫度，因此線纜越多也會造成數(shù)據(jù)采集施工的難度（郭艷春等，2014）。

因此，該測溫設備比較適合當項目設置的地溫監(jiān)測孔比較少的情況。

3 單總線式數(shù)字測溫設備應用

該設備在淺層地溫場監(jiān)測中的優(yōu)勢是測溫線纜比較少、數(shù)據(jù)采集方便。當需要大量設置測溫點的時候，只需要在電纜上面加入測溫探頭就可以，并不會增加電纜線的數(shù)量。該設備溫度采集需要配合溫度采集模塊，該模塊可以直接讀取測溫探頭的問題，因此在施工過程中的每一個環(huán)節(jié)都可以對測溫設備進行檢測，保證數(shù)據(jù)正常傳輸（賈子龍等，2017）。

但是該設備中測溫探頭是多個設備的串聯(lián)方式，探頭之間的直接影響較大。主要在兩方面，一方面是設備探頭下入深度的影響。該設備在定制生產(chǎn)中已經(jīng)確定了溫度探頭下入的深度，若在施工過程中出現(xiàn)一個探頭下不到位或者錯位的情況，會導致線纜上所有探頭錯位。因此對施工要求比較高。第二方面就是由于所有探頭都是串聯(lián)方式，若有一個測溫探頭損壞，會造成整條設備的測溫探頭都無法讀取數(shù)據(jù)，則此監(jiān)測孔就會作廢。

總之，此測溫設備比較適合地溫監(jiān)測孔比較多的情況下采用。

4 分布式光纖測溫設備應用

分布式光纖測溫設備是一套比較新式、精度高的測溫設備。該設備的優(yōu)勢就是可以連續(xù)測溫，可以讀取任意一個深度的溫度。現(xiàn)在普遍應用在交通路橋、煤礦、地質(zhì)災害監(jiān)測等各個領域。現(xiàn)階段，深部地熱井測溫大量采用該設備，淺層地溫場監(jiān)測采用的并不普遍（徐燦，2016）。

由于該設備造價高、采集系統(tǒng)比較復雜，無論是從成本還是施工難度上都不適合埋在測溫井中。但是，該設備可以應用到淺層地溫場的實驗井上或者淺層地溫模擬實驗室中，通過該這邊可以獲取任意一個深度的溫度，這對于淺層地溫能開發(fā)利用的實際項目會有重大指導意義。

5 結論

本文對目前市面上常用的測溫設備進行了介紹，并對其應用范圍及優(yōu)缺點進行了分析，得出了測溫設備的適用條件。

（1）當監(jiān)測孔數(shù)量較少的情況下（一般少于10眼監(jiān)測孔）宜采用單線單探頭的測溫設備；當監(jiān)測孔數(shù)量較多的情況下（一般多于10眼監(jiān)測孔）宜采用單總線式數(shù)字測溫設備。

（2）分布式光纖測溫設備由于高造價的原因，目前還是比較適合淺層地溫能實驗應用。

（3）由于地溫場監(jiān)測設備需要埋入地下，一般情況下是無法進行更換和維修的。因此，無論選擇哪種測溫設備，都需要嚴格控制測溫設備生產(chǎn)的質(zhì)量以及監(jiān)測孔的施工質(zhì)量。

郭艷春，鄭佳，于媛，等，2014. 地埋管地源熱泵監(jiān)測系統(tǒng)設計與實施介紹[J]. 城市地質(zhì)，9(S1)：85-88.

賈子龍，劉愛華，鄭佳，等，2017. 淺層地溫場常溫監(jiān)測方法研究[J]. 城市地質(zhì)，12(1)：30-33.

徐燦，2016. 分布式光纖測溫技術在煤礦中的應用[D]. 山東大學.

于海鷹，李琪，索琳，等，2013. 分布式光纖測溫技術綜述[J].光學器，35(5)：90-94.

Summary of Temperature Monitoring Equipment for Shallow Geothermal Field

JIA Zilong
(Beijing Geothermal Research Institute, Beijing 102218)

The temperature monitoring equipment is only directly contacted with the shallow geothermal field,which is the most basic and most important monitoring equipment. The selection and construction of temperature monitoring equipment determines whether the normal operation of the shallow geothermal field monitoring system.In this paper, we in details analyze and compare the current three kinds of temperature monitoring equipment from the probe material, measurement range, measurement progress and cost and other aspects, and expound the scope of application of the three equipment combined with the advantages and disadvantages of three monitoring equipment and project construction: when the monitoring hole under the condition of less (usually less than 10 monitoring holes), it should adopt the temperature measuring equipment single-wire single-probe; when the number of monitoring holes in a number of cases (usually more than 10 monitoring holes), it should adopt single bus digital temperature measurement device; however the distributed fiber temperature measured equipment is suitable for experimental application in shallow geothermal energy.

Shallow geothermal field; Temperature monitoring equipment; Monitoring system

A

1007-1903（2017）04-0091-03

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.018

賈子龍（1988- ）男，碩士，工程師，主要從事淺層地溫能開發(fā)利用及資源評價研究。E-mail: jiazl30@126.com