Устройство для измерения вертикального профиля температуры среды Российский патент 2018 года по МПК G01K3/00 G01K13/00 E21B47/07 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения профиля температуры почвы, грунта, в том числе многолетнемерзлых грунтов и почв.

Известны Термозонды для измерения профиля температуры среды (RU №№97524, 128323 U1 G01К 3/00). Устройства включают термокосу, с размещенными на ней датчиками температуры, разъем для подключения устройства обработки. Термокоса заключена в резиновую трубку, оба конца которой герметизированы, внутри которой вставлена полиэтиленовая трубка для придания жесткости, верхний конец которой оставлен открытым, и полиэтиленового рукава с герметизированным нижним концом. Измерения производятся в скважинах, полученных с помощью механического или теплового бурения.

Недостатки - устройства могут быть использованы для измерения температуры льда, в том числе торосов и стамух.

Известно Использование автоматических регистрирующих устройств (логгеров) для температурного мониторинга многолетнемерзлых грунтов (Криосфера Земли, 2011, т. XV, №1, с. 23-32). Качество температурного мониторинга грунтов и работоспособность логгерных устройств при многолетнем использовании зависит от соблюдения определенных правил установки температурных датчиков в грунтах. Их игнорирование может привести к тому, что даже самая совершенная аппаратура окажется бесполезной.

Недостатком является использование для соединения температурных датчиков с логгером кабеля, составленного из медных жил. Кабель расположен вертикально и является проводником тепла, что приводит к искажению распределения температуры.

Наиболее близким по технической сущности является температурный зонд для измерения профиля температуры почвы TP32MTT_03_D http://www.directindustry.com.ru/prod/delta-ohm/product-25140-1572320.html. Прибор содержит закрепленные в стеклопластиковой трубе температурные сенсоры для одновременного измерения температуры на 7 уровнях: +5 см, 0, -5 см, -10 см, -20 см, -50 см, -1 м относительно поверхности почвы (согласно рекомендациям Всемирной Метеорологической Организации). В верхней части трубы выводится кабель для передачи данных с датчиков. Данные передаются через интерфейс RS485 по протоколу MODBUS RTU на логгер.

Недостатком прибора является вероятность внесения искажения поля температуры вдоль зонда кабелем для передачи данных.

Задача изобретения: уменьшить возмущение температурного режима сенсоров зонда, воздействующее через проводники кабеля.

Технический результат: снижение искажений температуры в заявляемом температурном зонде повышает точность измерений вертикального профиля температуры.

Технический результат достигается тем, что, как и в известном, предлагаемое устройство для измерения вертикального профиля температуры среды содержит зонд в виде вертикальной цепочки цифровых температурных сенсоров, имеющих протокол связи 1-WIRE, соединенных между собой параллельно и имеющих уникальные логические номера; кабельный ввод, через который выходит кабель, соединяющий сенсоры с контроллером-логгером для считывания информации.

В отличие от известного в заявленном устройстве, кабельный ввод, соединяющий цепочку температурных сенсоров с контроллером, укреплен на расстоянии не менее 200 мм от верхнего конца защитного корпуса, совпадающего с нулевым уровнем почвы или грунта, а часть горизонтально уложенного кабеля длиной не менее одного метра, считая от зонда, размещена в закрытой траншее.

Использование заявленной конструкции зонда с расположением ответвления кабеля не менее 200 мм от конца зонда обусловлено тем, что линии равной температуры на вертикальном разрезе почвы на этой глубине становятся практически горизонтальными и не пересекают кабель, уложенный горизонтально. Таким образом при изменении температуры почвы кабель и сенсор, расположенный ближе всего к кабелю, нагреваются и остывают синхронно. Меньшая глубина прокладки начальной части кабеля приведет к тому, что на кабель будут воздействовать несколько зон с различной температурой, и вследствие высокой теплопроводности его температура будет отличаться от температуры почвы вокруг ближнего сенсора. Минимальная длина горизонтальной части кабеля 1 м подобрана эмпирически, исходя из опыта эксплуатации термозондов, накопленного лабораторией ЛГИТ. Меньшая длина горизонтальной части кабеля может приводить к тому, что тепловые потоки от конца кабеля, находящегося на другой глубине и имеющего другую температуру, не полностью шунтируются окружающей почвой, успеют по жилам кабеля дойти до зонда и способны искажать распределение тепла в температурных сенсорах.

Изобретение поясняется чертежом.

Устройство содержит зонд 1 в виде вертикальной цепочки цифровых температурных сенсоров 2, имеющих протокол связи 1-WIRE, соединенных между собой параллельно и имеющих уникальные логические номера; кабельный ввод 3, через который выходит кабель 4, соединяющий сенсоры с контроллером-логгером (не показан) для считывания информации. Кабельный вывод 3 расположен на расстоянии не менее 200 мм от верхнего конца зонда 1.

Устройство работает следующим образом.

Перед эксплуатацией устройство должно быть установлено стационарно, соблюдая следующие требования:

Устройство располагается в скважине глубиной, равной длине зонда. Верхний конец зонда 1 совпадает с нулевым уровнем почвы или грунта. Рядом со скважиной расположена траншея глубиной не менее 200 мм (на штык лопаты) и длиной не менее 1 м. Начало траншеи совпадает с верхним концом скважины. Конец траншеи ведет в сторону расположения логгера (не показан). Кабель 4 расположен на дне траншеи.

Температурные сенсоры 2, установленные на зонде 1, одновременно измеряют температуру среды на 7 уровнях: +5 см, 0, -5 см, -10 см, -20 см, -50 см, -1 м относительно поверхности почвы (согласно рекомендациям Всемирной Метеорологической Организации). Контроллер-логгер считывает данные сенсоров 2 по протоколу 1-WIRE через кабель 4, проходящему через кабельный ввод 3, и фиксирует их во внутренней памяти.

Источники информации

1. RU 97524 U1 G01К 3/00

2. RU 128323 U1 G01К 3/00

3. П.Я. Константинов, А.Н. Федоров, Т. Мачимура, Г. Ивахана, X. Ябуки, Й. Йижима, Ф. Костар. «Использование автоматических регистрирующих устройств (логгеров) для температурного мониторинга многолетнемерзлых грунтов», Криосфера Земли, 2011, т. XV, №1, с. 23-32.

4. Зонд для измерения профиля температуры почвы TP32MTT_03_D http://www.directindustry.com.ru/prod/delta-ohm/product-25140-1572320.html

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано в метеорологии для исследования вертикального распределения температуры почвы или грунта. Устройство содержит зонд в виде вертикальной цепочки цифровых температурных сенсоров, имеющих протокол связи 1-WIRE, соединенных между собой параллельно и имеющих уникальные логические номера; кабельный ввод, через который выходит кабель, соединяющий сенсоры с контроллером-логгером для считывания информации. Устройство позволяет значительно уменьшить искажение температурного распределения тепловыми потоками через кабель связи за счет того, что кабельный ввод расположен на расстоянии не менее 200 мм от поверхности почвы или грунта, при этом горизонтально уложенная в закрытой траншее начальная часть кабеля, ведущего от зонда к контроллеру (логгеру), имеет длину не менее 1 метра. Технический результат - уменьшение искажения температурного распределения тепловыми потоками через кабель связи. 1 ил.

Устройство для измерения вертикального профиля температуры среды, содержащее зонд в виде вертикальной цепочки цифровых температурных сенсоров, имеющих протокол связи 1-WIRE, соединенных между собой параллельно и имеющих уникальные логические номера; кабельный ввод, через который выходит кабель, соединяющий сенсоры с контроллером-логгером для считывания информации, отличающийся тем, что кабельный ввод, соединяющий цепочку температурных сенсоров с контроллером, размещен на расстоянии не менее 200 мм от верхнего конца защитного корпуса, совпадающего с нулевым уровнем почвы или грунта, а часть горизонтально уложенного кабеля длиной не менее одного метра, считая от зонда, размещена в закрытой траншее.