CN106199062A - 地下水渗流速度及温度的微球测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地下水渗流速度及温度测量装置，包括微球探测器、标准电阻、DC/DC电源、电压电流调节器、电流传感器和计算机。其中，微球探测器包括光滑外壳(1)、螺纹式内壳(3)、缠绕铂丝(2)、多个热电偶和橡胶塞(4)，光滑外壳(1)与螺纹式内壳(3)同轴，螺纹式内壳(3)是由绝热绝缘材料制作而成，表面设置有用来固定缠绕铂丝(2)的紧凑螺纹，紧凑螺纹还使球面单位面上的铂丝长度都相同，缠绕铂丝(2)与光滑外壳(1)之间紧密贴合；螺纹式内壳(3)内部为空腔，其顶部开设有一通道，用来埋藏和布置导线，橡胶塞(4)用来封闭通道，以防止地下水进入空腔内部；在外壳外表面均匀布置热电偶(0)，以获得外表面局部温度。本发明具有测量较为准确且不污染地下水的优点。
Description
技术领域
本发明涉及地下水资源技术领域，涉及一种地下水渗流速度及温度测量装置。
背景技术
随着我国经济发展模式的变化，我国水资源的利用状况也发生了改变，地表地下水的开采逐年增加，与此同时，某些地区的地下水污染也日趋严峻。所以合理开采地下水资源和有效防止地下水资源污染已经迫在眉睫。
查明地下水渗流流速、流向以及温度的准确数据，为确定水文地质框架、地下水资源开发、地热资源的有效利用、地球结构勘探等提供至关重要的物理依据。一些地质灾害，如在地下矿产开采过程中，局部区域水害是影响安全的生产和建设的重大灾害之一，地下水渗流速度的动态监测也对减灾防灾起到关键作用。目前，实时测量地下水局部渗流速度的方法有对热脉冲式地下水测速仪、胶体内视镜扫描流量计、以及声学多普勒测速仪，一般要么价格昂贵，要么精度不高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种简单，廉价，不会对环境造成污染的地下水渗流速度及温度测量装置。本发明的技术方案如下：
一种地下水渗流速度及温度的微球测量装置，包括微球探测器、标准电阻、DC/DC电源、电压电流调节器、电流传感器和计算机。其中，
微球探测器包括光滑外壳(1)、螺纹式内壳(3)、缠绕铂丝(2)、多个热电偶和橡胶塞(4)，光滑外壳(1)与螺纹式内壳(3)同轴，螺纹式内壳(3)是由绝热绝缘材料制作而成，表面设置有用来固定缠绕铂丝(2)的紧凑螺纹，紧凑螺纹还使球面单位面上的铂丝长度都相同，缠绕铂丝(2)与光滑外壳(1)之间紧密贴合；螺纹式内壳(3)内部为空腔，其顶部开设有一通道，用来埋藏和布置导线，橡胶塞(4)用来封闭通道，以防止地下水进入空腔内部；在外壳外表面均匀布置热电偶(0)，以获得外表面局部温度。
标准电阻为可调节的高精度标准电阻，与缠绕铂丝并联，电压电流调节器与DC/DC电源串联，用来调节加载在缠绕铂丝上的电流和电压；电流传感器用来采集缠绕铂丝的电流变化信号，其采集的电流变化信号被送入计算机，热电偶采集的温度信号也被送入计算机；计算机根据所采集的缠绕铂丝的电流变化信号以及热电偶0采集的各处外表面局部温度信号，经过数据处理，获得地下水温度、速度、流动方向信息。
本发明从热平衡角度出发，通过对微球内壳表面的覆盖铂丝，利用铂丝电阻率随温度线性变化的原理，进行速度与温度的测量，这种测量方法精度高，实时性好，方便可靠，并且材料价格低廉，长期投放不会对地下水资源污染。其原理是：利用焦耳效应，铂丝通电产生一定的热量，通过换热平衡最终达到测量的目的。本发明的优点和优势是：与现有的测量仪器以及方法相比，尺寸小，球形结构耐压强度高，对地下组织结构影响小；材料价格低廉；利用本发明的微球内壳表面的覆盖铂丝以及置于微球外表面的热电偶所采集的信号，再辅以计算机数据处理，可以精确的得出地下水温度、渗流速度、渗流方向，具有时效性，为高精度的地下水勘测提供了保障。
附图说明
图1为本发明中微球形装置纹路空心内壳组图(单位为mm)，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为装置的主视图，左视图，俯视图，局部截面图；
图2为本发明中微球形装置截面图；
图3为本发明中内壳缠绕铂丝示意图；
图4为本发明中微球形装置测试原理电路图；
图5为本发明的运行结构图；
图中：0、热电偶 1、球形探测器外壳 2、铂丝 3、球形探测器内壳 4、橡胶塞 5、DC/DC电源 6、电压电流调节器(DC/DC) 7、标准电阻 8、电流传感器 9、PC
具体实施步骤
为了进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹列举以下实施方案，并配合附图详细说明：
请参阅图1、2，这种测量地下水渗流速度以及温度的微球形装置主要包括0、热电偶、光滑外壳1、缠绕铂丝2、螺纹式内壳3、橡胶塞4。螺纹式内壳3是由绝热绝缘材料制作，减少了热量的散失，提高测量及精度，其外表面上布满紧凑螺纹，以固定铂丝，又使球面单位面上的铂丝长度都相同，也就是使球面的发热量均匀，如图2所示内壳内部空腔，顶部有一通道，用来埋藏和布置导线；如图层c所示，铂丝2按照内壳纹路布置；如图2所示，外壳1分为左右两部分，内外表面均光滑，这样既好加工，又方便安装，在安装过程，外壳内表面与铂丝紧密贴合，减小接触热阻，并且进一步使球表面发热量均匀，外壳外表面均匀布置热电偶0，以获得外表面局部温度；所述的橡胶塞4封闭导线通道，防止地下水进入空腔内部，使导线短路。
请参阅图5，测量地下水渗流速度以及温度的微球形装置的工作结构图，主要包括电压电流调节器(DC/DC)6、标准电阻7、电流传感器8、PC 9。
本发明工作过程如下：
首先将图2中的微球形探测器埋在所要测量的多孔介质中(地层中)，当电源5输出电流，经过电压电流调节器(DC/DC)6将电压稳定在一个恒定的值，标准电阻7与微球形探测器并联分流，使电流满足铂丝的额定值，铂丝通入电流会产生热量，并将热量均匀的传递到外壳1上。当地下水渗流过程中经过微球形探测器时，会与外壳1进行换热，当达到热平衡时，小球的温度既是地下水的温度，由于铂丝的电阻率随温度的变化而线性变化和温度、电阻、电流的对应关系，小球的温度是由电流的形式表现出来的，输出的电流经过电流传感器8转换信号，同时外壳固定位置均匀嵌入的热电偶0，得到小球外表面的局部电信号(局部温度)，两个信号最后进入PC 9，对输出电流、球表面局部热量，电阻率等信息进行匹配，修正，分析等步骤，最后的得到地下水温度、速度、流动方向。
利用本发明的测量装置，对铂丝通电加热，温度最终达到一个稳定值，通过对铂丝电阻与温度的对应关系进行温度的测量，通过利用混合非线性流动问题的反方法，对小球与周围介质换热过程的温度分布进行分析，获得边界条件和初始条件，已达到速度测量，通过对小球表面局部换热量的分布进行速度方向的测量。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种地下水渗流速度及温度的微球测量装置，包括微球探测器、标准电阻、DC/DC电源、电压电流调节器、电流传感器和计算机。其中，
微球探测器包括光滑外壳(1)、螺纹式内壳(3)、缠绕铂丝(2)、多个热电偶和橡胶塞(4)，光滑外壳(1)与螺纹式内壳(3)同轴，螺纹式内壳(3)是由绝热绝缘材料制作而成，表面设置有用来固定缠绕鉑丝(2)的紧凑螺纹，紧凑螺纹还使球面单位面上的铂丝长度都相同，缠绕鉑丝(2)与光滑外壳(1)之间紧密贴合；螺纹式内壳(3)内部为空腔，其顶部开设有一通道，用来埋藏和布置导线，橡胶塞(4)用来封闭通道，以防止地下水进入空腔内部；在外壳外表面均匀布置热电偶(0)，以获得外表面局部温度。
标准电阻为可调节的高精度标准电阻，与缠绕鉑丝并联，电压电流调节器与DC/DC电源串联，用来调节加载在缠绕鉑丝上的电流和电压；电流传感器用来采集缠绕鉑丝的电流变化信号，其采集的电流变化信号被送入计算机，热电偶采集的温度信号也被送入计算机；计算机根据所采集的缠绕鉑丝的电流变化信号以及热电偶0采集的各处外表面局部温度信号，经过数据处理，获得地下水温度、速度、流动方向信息。
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