地源熱泵中光纖光柵土壤溫度監測系統研究

劉學君，袁碧賢,2，盧 浩,2，吳艷元，鐘少龍，戴 波

(1.北京石油化工學院信息工程學院，北京 102617；2.北京化工大學信息科學與技術學院，北京 100029；3.天普新能源科技有限公司，北京 102612；4.中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海 200050)

0 引言

近年來，新型熱泵組合形式——太陽能和地源熱泵系統得到了廣泛應用[1-2]。北京市環境保護科學研究院彭應登提出燃煤對霧霾的“貢獻率”達18.7%，應逐步削減煤炭用量[3]。影響地源熱泵系統的相關量中，土壤熱量分析是一個重要參數[4-5]。光纖以其頻帶寬、損耗低、抗干擾能力強等特點，而得到廣泛應用[6-7]。光纖光柵測溫成本低，精度可達0.5 ℃。依托北京某試點現場，采用光纖光柵傳感器及配套解調裝置測量10個井周圍土壤溫度，并采用無線模塊實現了GSM/GPRS數據采集和遠傳，完成了近一年的數據采集和分析，系統性地研究了土壤熱量情況。

1 系統設計

1.1 系統結構

本文實現了北京太陽能與地源熱泵聯合供能系統某試點現場10個井的土壤溫度采樣與遠傳。其光纖光柵傳感的土壤熱量監測系統結構如圖1所示。將光纖光柵傳感器依次布設到每一口井的不同土壤深度。光纖解調主機完成10個通道的溫度測量后，數據匯總到以進階精簡指令集機器(advanced RISC machine,ARM)為核心的數據處理傳輸模塊，再通過以太網，實現了本地LED大屏幕的數據實時顯示和分析。基于SIM900A無線模塊實現溫度數據的實時遠傳，服務器接收數據后完成數據的存儲處理和分析。

圖1 系統結構圖

1.2 光纖光柵測溫原理

光纖光柵是利用摻雜光纖的光致折射率變化特性，通過特殊工藝，使得光纖纖芯的折射率發生永久性周期變化而形成的一種反射型光纖無源器件。當寬帶光波通過光纖光柵時，對滿足布拉格條件的入射光產生強烈的反射，并沿原傳輸光纖返回；而其他波長的光波可以無損耗地通過。透射的其他波長光波可以繼續傳輸給其他具有不同中心波長的光纖光柵陣列。其中，相應中心波長的窄帶光系列將被逐一反射，全部沿原傳輸光纖返回，由此實現多個光纖光柵傳感器的波分復用，即準分布式測量[8-9]。光纖光柵中心波長范圍為1 526.5～1 563 nm，3 dB帶寬為0.2 nm，反射率大于90%，柵區長度為10 mm，邊模抑制比大于15 dB，波長間隔通常為1.5～3 nm(根據測溫范圍不同，每100 ℃對應約1 nm波長變化)。光纖光柵測溫原理如圖2所示。

圖2 光纖光柵測溫原理圖

當其所處的溫度場變化時，溫度與光纖光柵波長變化的關系為[10]：

(1)

式中:α為光纖的熱膨脹系數,主要引起柵格的周期的變化，取α=5.5×10-7K-1；ξ為光纖的熱光系數，主要引起光纖的折射率的變化，取ξ=7.0×10-6K-1。

光纖光柵利用了光纖材料的光敏性。外界入射光子和纖芯相互作用，會引起后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單模光纖(直徑為0.125～0.25 mm)的纖芯內形成空間相位光柵，其實質是在纖芯內形成一個窄帶的濾光器或反射鏡。光纖光柵制作原理如圖3所示。

圖3 光纖光柵制作原理圖

制作完成后的光纖光柵，相當于在普通光纖中形成了一段長度為10 mm左右的敏感區，可以準確感測溫度、應力的變化。

對土壤進行溫度采樣，將光纖光柵依次垂直埋入地下，共10個通道，每個通道有12個測試點，測試點之間相隔10 m。光纖光柵數據處理模塊參數如下： FT810系列光纖傳感分析儀內部的波長可調諧激光器，波長范圍為1 525～1 565 nm，3 dB線寬為0.03 nm，峰值功率為1 mW，掃描頻率為10 000 Hz；光電探測器帶寬為25 MHz，可探測光功率范圍為100～10 mW；數據采集卡為18通道同步105 Msps/16 bit,1 000 M以太網接口；測溫精度為±0.5 ℃，分辨率為0.1 ℃，測量時間≤1 s，光纜傳輸距離≥40 km，通信接口為RS-485串口。

1.3 數據處理傳輸模塊

以ARM內核Cotex-M3的STM32F103芯片為核心的數據處理傳輸模塊，包括電源、光纖傳感數據接收、數據存儲、實時時鐘、無線通信等子模塊。傳感器數據經過光纖傳感數據接收模塊，最終完成數據采集與存儲，并將數據通過無線方式傳輸[11-12]。

光纖光柵數據處理模塊計算得到的溫度通過RS-485總線ModBus協議傳輸給光纖傳感數據接收模塊，最終完成數據采集與存儲，并將數據通過無線方式傳輸出去。RS-485數據格式為1位起始位、8位數據位、1位停止位和偶校驗，波特率為38 400 bit/s。ModBus協議數據請求協議、數據接收協議分別如表1、表2所示。

表1 數據請求協議

表2 數據接收協議

隨著無線通信技術的發展，無線數據采集卡逐漸涌現。SIM900A芯片在眾多項目中的成功實踐，為實現數據采集卡的無線通信提供了新思路[13]。RS-485 總線是一種廣泛應用工業監測領域的串行總線，具有高靈敏度，傳輸信號能在千米以外得到恢復[14-15]。

無線通信模塊采用 SIM900A 芯片，將光纖采集模塊的10個通道總計120個測試數據以int格式組成協議包，實現GSM/GPRS遠傳。數據協議如表3所示，共256 B。校驗占用2 B采用循環冗余校驗碼(cyclic redundancy check，CRC)。對數據進行多項式計算，以保證數據傳輸的正確性和完整性。

表3 無線數據傳輸協議

2 數據分析

從2016年1月到2016年12月，完成了持續近一年的、對北京市某地源熱泵與太陽能聯合供能系統中土壤溫度的采樣監測。測試點1即為靠近地面的光纖光柵傳感器1，測試點1～12依次以10 m遞增深入地下，進行準分布式測溫。

圖4為2016年9月10日某一時刻的數據曲線圖，選取6號、7號、9號、10號井的12個測試點溫度折線圖。可以看出，對于不同的井，在同樣測試點即同樣土壤層深度的光纖傳感器測量溫度相差不大，最大偏差小于2 ℃。

圖4 測試點溫度曲線圖

圖5所示為測試點1和測試點3在不同時間的溫度折線圖。

選取10個井的光柵測試點1和光柵測試點3在1、3、5、7、9月某一天的溫度值。由圖5可知，隨著大氣中溫度的增加，土壤溫度也隨之增加，上下浮動不超過10 ℃，一年中土壤溫度在8～25 ℃的范圍內波動。

對取暖季和制冷季，即1月和7月的12個測試點，取10個井的平均數據，可得到如圖6所示的平均溫度折線圖。

圖5 不同時間溫度折線圖

圖6 平均溫度折線圖

由圖6可知，當有大量的光照，土壤溫度隨之升高，夏季溫度與冬季溫度最大偏差為9 ℃，土壤表層受外界氣候變化和光照影響比較大；隨著土壤的深度增加，兩者溫度相差越來越少，大約為2 ℃。而地表溫度較地下120 m處，夏季溫度降低5 ℃左右，冬季溫度比較平穩。

3 結束語

本文采用光纖光柵，實現了太陽能與地源熱泵聯合供能系統中土壤溫度的監測與分析，并完成了北京市某現場10個井共計120個測試點的實時數據無線遠傳和土壤溫度分析。其中：光纖光柵柵區長度為10 mm，可調諧激光器波長范圍為1 525～1 565 nm，3 dB線寬為0.03 nm，實現了準分布式測溫，測量精度達到0.5 ℃。近一年的監測結果表明，不同季節土壤溫度分布不均衡，需要后續的持續監測，以積累數據，從而為進一步優化太陽能及地源熱泵聯合供能系統的設計提供了有力的數據支持和指導。