本發(fā)明涉及一種土壤熱物性參數(shù)測(cè)量探針，尤其是獲取原位地層比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量探針及測(cè)試方法
背景技術(shù)：
自工業(yè)革命以來(lái)，能源科學(xué)的發(fā)展成為推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的強(qiáng)大動(dòng)力，然而以常規(guī)化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的環(huán)境負(fù)面效應(yīng)也同時(shí)顯現(xiàn)出來(lái)。為了應(yīng)對(duì)環(huán)境問(wèn)題，改善能源結(jié)構(gòu)，各國(guó)紛紛著眼于可再生能源。地?zé)崮芤呀?jīng)成為世界第三大可再生能源。清潔無(wú)污染的地?zé)崮苜Y源的開(kāi)發(fā)和利用已成為重中之重。
土層導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容是地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)利用時(shí)的必要參數(shù)?，F(xiàn)有的原位巖土熱物性參數(shù)測(cè)試探頭有以下幾種。地溫測(cè)量，如CN104405291B公開(kāi)了一種組合式原位淺層地溫測(cè)量鉆頭，可以用來(lái)精確的測(cè)量淺層地溫；導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量，如CN102141528A公開(kāi)了一種原位土層導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀，可以用來(lái)測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)；地溫和導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)測(cè)量，如CN104048993A公開(kāi)的便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置及測(cè)試方法，可以同時(shí)測(cè)量土層溫度和導(dǎo)熱系數(shù)。目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有可同時(shí)測(cè)定原位土層比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的專業(yè)探針。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供了一種原位地層熱物性參數(shù)測(cè)量探針。
本發(fā)明包括原位土層比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量探針、計(jì)算機(jī)、電路控制裝置、供電裝置和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置，原位土層比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量探針由管狀底板、熱敏電阻、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第四溫度傳感器、第五溫度傳感器、第一絕熱層、第二絕熱層、第三絕熱層、第四絕熱層、第五絕熱層、第七絕熱層、傳輸通道、圓錐尖頭組成，熱敏電阻位于管狀底板的環(huán)形內(nèi)壁中心位置，用來(lái)提供一個(gè)穩(wěn)定的熱源輸出；第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第四溫度傳感器、第五溫度傳感器、第一絕熱層、第二絕熱層、第三絕熱層、第四絕熱層、第五絕熱層和第七絕熱層位于管狀底板內(nèi)；第一絕熱層、第二絕熱層、第三絕熱層和第四絕熱層位于熱敏電阻上部，第一絕熱層、與第二絕熱層間隔設(shè)置、第二絕熱層與第三絕熱層間隔設(shè)置，第三絕熱層與第四絕熱層間隔設(shè)置；第五絕熱層和第七絕熱層位于熱敏電阻下部，第五絕熱層和第七絕熱層間隔設(shè)置；
第一溫度傳感器設(shè)置在第一絕熱層與第二絕熱層之間，第二溫度傳感器設(shè)置在第二絕熱層與第三絕熱層之間，第三溫度傳感器設(shè)置在第三絕熱層與第四絕熱層之間，第四溫度傳感器設(shè)置在第五絕熱層與第七絕熱層之間，第五溫度傳感器設(shè)置在第七絕熱層下部；傳輸通道用來(lái)進(jìn)行電源的供應(yīng)和數(shù)據(jù)的傳輸；傳輸通道設(shè)置在管狀底板中，熱敏電阻、第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第四溫度傳感器和第五溫度傳感器的導(dǎo)線均分別連接電路控制裝置和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置，電路控制裝置和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置均連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)和電路控制裝置與供電裝置連接。
第一溫度傳感器、第二溫度傳感器、第三溫度傳感器、第四溫度傳感器和第五溫度傳感器用來(lái)測(cè)量每個(gè)溫度傳感器附近土壤的溫度；
第一絕熱層、第二絕熱層、第三絕熱層、第四絕熱層、第五絕熱層和第七絕熱層起到隔的作用，防止探針內(nèi)部熱量的傳輸對(duì)溫度傳感器的測(cè)量引起誤差。
本發(fā)明的測(cè)量方法，包括以下步驟：
a、準(zhǔn)備工作：鉆孔至需要測(cè)量的深度，準(zhǔn)備檢測(cè)探針；
b、給熱敏電阻設(shè)定一個(gè)加熱溫度，使它可以持續(xù)不斷的均勻提供熱量；
c、將測(cè)量探針以速度V勻速推進(jìn)所需測(cè)量的土壤，通過(guò)探針中的各溫度傳感器測(cè)量不同深度不同時(shí)刻土壤的溫度，并將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)；
d、通過(guò)計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得出不同深度處相對(duì)比熱容和相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)；
e、在已知比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)樣品中以相同的測(cè)試條件進(jìn)行測(cè)試，得出其與所測(cè)土壤的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的比值，然后求得不同深度處的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的絕對(duì)值。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明解決了長(zhǎng)期以來(lái)不能同時(shí)進(jìn)行原位土壤比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的問(wèn)題；之前導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量，一次只能確定一個(gè)深度的導(dǎo)熱系數(shù)，本發(fā)明能夠分析出垂直高度上的土壤導(dǎo)熱系數(shù)的分布特征，可以在厘米級(jí)上區(qū)別不同的導(dǎo)熱系數(shù)；使用本發(fā)明進(jìn)行測(cè)量時(shí)，傳感器不必保持在確定的深度，導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容的連續(xù)測(cè)量，使測(cè)試變得更快；本發(fā)明不止可以應(yīng)用于表層土壤，只要探針可以勻速推進(jìn)土壤，土壤不論什么深度，均可以進(jìn)行測(cè)量；野外工作簡(jiǎn)便，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，工作效率高；
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1所示，本發(fā)明包括原位土層比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量探針19、計(jì)算機(jī)1、電路控制裝置2、供電裝置3和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置4，原位土層比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量探針19由管狀底板20、熱敏電阻13、第一溫度傳感器7、第二溫度傳感器9、第三溫度傳感器11、第四溫度傳感器15、第五溫度傳感器17、第一絕熱層6、第二絕熱層8、第三絕熱層10、第四絕熱層12、第五絕熱層14、第七絕熱層16、傳輸通道5、圓錐尖頭18組成，熱敏電阻13位于管狀底板20的環(huán)形內(nèi)壁中心位置，用來(lái)提供一個(gè)穩(wěn)定的熱源輸出；第一溫度傳感器7、第二溫度傳感器9、第三溫度傳感器11、第四溫度傳感器15、第五溫度傳感器17、第一絕熱層6、第二絕熱層8、第三絕熱層10、第四絕熱層12、第五絕熱層14和第七絕熱層16位于管狀底板20內(nèi)；第一絕熱層6、第二絕熱層8、第三絕熱層10和第四絕熱層12位于熱敏電阻13上部，第一絕熱層6、與第二絕熱層8間隔設(shè)置、第二絕熱層8與第三絕熱層10間隔設(shè)置，第三絕熱層10與第四絕熱層12間隔設(shè)置；第五絕熱層14和第七絕熱層16位于熱敏電阻13下部，第五絕熱層14和第七絕熱層16間隔設(shè)置；
第一溫度傳感器7設(shè)置在第一絕熱層6與第二絕熱層8之間，第二溫度傳感器9設(shè)置在第二絕熱層8與第三絕熱層10之間，第三溫度傳感器11設(shè)置在第三絕熱層10與第四絕熱層12之間，第四溫度傳感器15設(shè)置在第五絕熱層14與第七絕熱層16之間，第五溫度傳感器17設(shè)置在第七絕熱層16下部；傳輸通道5用來(lái)進(jìn)行電源的供應(yīng)和數(shù)據(jù)的傳輸；傳輸通道5設(shè)置在管狀底板20中，熱敏電阻13、第一溫度傳感器7、第二溫度傳感器9、第三溫度傳感器11、第四溫度傳感器15和第五溫度傳感器17的導(dǎo)線均分別連接電路控制裝置2和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置4，電路控制裝置2和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置4均連接計(jì)算機(jī)1，計(jì)算機(jī)1和電路控制裝置2與供電裝置3連接。
第一溫度傳感器7、第二溫度傳感器9、第三溫度傳感器11、第四溫度傳感器15和第五溫度傳感器17用來(lái)測(cè)量每個(gè)溫度傳感器附近土壤的溫度；
第一絕熱層6、第二絕熱層8、第三絕熱層10、第四絕熱層12、第五絕熱層14和第七絕熱層16起到隔的作用，防止探針內(nèi)部熱量的傳輸對(duì)溫度傳感器的測(cè)量引起誤差。
本發(fā)明的測(cè)量方法，包括以下步驟：
a、準(zhǔn)備工作：鉆孔至需要測(cè)量的深度，準(zhǔn)備檢測(cè)探針；
b、給熱敏電阻13設(shè)定一個(gè)加熱溫度，使它可以持續(xù)不斷的均勻提供熱量；
c、將測(cè)量探針以速度V勻速推進(jìn)所需測(cè)量的土壤，通過(guò)探針中的各溫度傳感器測(cè)量不同深度不同時(shí)刻土壤的溫度，并將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)1；
d、通過(guò)計(jì)算機(jī)1中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得出不同深度處相對(duì)比熱容和相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)；
e、在已知比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)樣品中以相同的測(cè)試條件進(jìn)行測(cè)試，得出其與所測(cè)土壤的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的比值，然后求得不同深度處的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)的絕對(duì)值。
數(shù)據(jù)處理所用公式簡(jiǎn)述如下：
土壤被熱敏電阻13加熱后，溫度會(huì)有變化：Q＝CiMiΔTiMi＝ρiVi；假設(shè)相同的時(shí)間內(nèi)被加熱的土壤體積相同，不同深度處熱敏電阻提供的熱量Q也相同，則可以推出
由式1-1可以得出不同深度的相對(duì)比熱容曲線。
土壤原始溫度為T0,被加熱后，短時(shí)間內(nèi)熱量的傳遞遵循如下公式：
土壤被加熱后溫度變?yōu)門1，熱敏電阻遠(yuǎn)離之后，熱量損失，溫度下降，其中ΔQ1＝CiMiΔTi，化簡(jiǎn)可得于是可得如下公式：
由式1-2可以得出不同深度處的相對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)曲線。