本發(fā)明涉及一種土壤熱物性參數(shù)測量探針，尤其是獲取原位地層比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)測量探針及測試方法
背景技術(shù)：
自工業(yè)革命以來，能源科學(xué)的發(fā)展成為推動社會進步的強大動力，然而以常規(guī)化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)所帶來的環(huán)境負面效應(yīng)也同時顯現(xiàn)出來。為了應(yīng)對環(huán)境問題，改善能源結(jié)構(gòu)，各國紛紛著眼于可再生能源。地熱能已經(jīng)成為世界第三大可再生能源。清潔無污染的地熱能資源的開發(fā)和利用已成為重中之重。
土層導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容是地熱能開發(fā)利用時的必要參數(shù)?，F(xiàn)有的原位巖土熱物性參數(shù)測試探頭有以下幾種。地溫測量，如CN104405291B公開了一種組合式原位淺層地溫測量鉆頭，可以用來精確的測量淺層地溫；導(dǎo)熱系數(shù)測量，如CN102141528A公開了一種原位土層導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，可以用來測量導(dǎo)熱系數(shù)；地溫和導(dǎo)熱系數(shù)同時測量，如CN104048993A公開的便攜式原位淺層地溫和導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置及測試方法，可以同時測量土層溫度和導(dǎo)熱系數(shù)。目前國內(nèi)沒有可同時測定原位土層比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的專業(yè)探針。
技術(shù)實現(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)測量探針。
本發(fā)明包括原位土層比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)測量探針、計算機、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，用來提供一個穩(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；傳輸通道用來進行電源的供應(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算機，計算機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測量每個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)部熱量的傳輸對溫度傳感器的測量引起誤差。
本發(fā)明的測量方法，包括以下步驟：
a、準備工作：鉆孔至需要測量的深度，準備檢測探針；
b、給熱敏電阻設(shè)定一個加熱溫度，使它可以持續(xù)不斷的均勻提供熱量；
c、將測量探針以速度V勻速推進所需測量的土壤，通過探針中的各溫度傳感器測量不同深度不同時刻土壤的溫度，并將數(shù)據(jù)傳給計算機；
d、通過計算機中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得出不同深度處相對比熱容和相對導(dǎo)熱系數(shù)；
e、在已知比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的標準樣品中以相同的測試條件進行測試，得出其與所測土壤的比熱和導(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)的絕對值。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明解決了長期以來不能同時進行原位土壤比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)測試的問題；之前導(dǎo)熱系數(shù)的測量，一次只能確定一個深度的導(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，可以在厘米級上區(qū)別不同的導(dǎo)熱系數(shù)；使用本發(fā)明進行測量時，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)測量，使測試變得更快；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土壤，土壤不論什么深度，均可以進行測量；野外工作簡便，工藝簡單，成本低廉，工作效率高；
附圖說明
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
請參閱圖1所示，本發(fā)明包括原位土層比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)測量探針19、計算機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，用來提供一個穩(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用來進行電源的供應(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均連接計算機1，計算機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用來測量每個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)部熱量的傳輸對溫度傳感器的測量引起誤差。
本發(fā)明的測量方法，包括以下步驟：
a、準備工作：鉆孔至需要測量的深度，準備檢測探針；
b、給熱敏電阻13設(shè)定一個加熱溫度，使它可以持續(xù)不斷的均勻提供熱量；
c、將測量探針以速度V勻速推進所需測量的土壤，通過探針中的各溫度傳感器測量不同深度不同時刻土壤的溫度，并將數(shù)據(jù)傳給計算機1；
d、通過計算機1中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得出不同深度處相對比熱容和相對導(dǎo)熱系數(shù)；
e、在已知比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的標準樣品中以相同的測試條件進行測試，得出其與所測土壤的比熱和導(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)的絕對值。
數(shù)據(jù)處理所用公式簡述如下：
土壤被熱敏電阻13加熱后，溫度會有變化：Q＝CiMiΔTiMi＝ρiVi；假設(shè)相同的時間內(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比熱容曲線。
土壤原始溫度為T0,被加熱后，短時間內(nèi)熱量的傳遞遵循如下公式：
土壤被加熱后溫度變?yōu)門1，熱敏電阻遠離之后，熱量損失，溫度下降，其中ΔQ1＝CiMiΔTi，化簡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導(dǎo)熱系數(shù)曲線。