專利名稱：可測土體熱傳導系數的能源環境靜力觸探探頭的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可測土體熱傳導系數的能源環境靜力觸探探頭，屬于土木工 程和能源與環境工程領域中一種能夠連續有效地分析測試土層原位熱傳導系數的靜力觸 探裝置。
背景技術：
靜力觸探技術是指利用壓力裝置將帶有觸探頭的觸探桿壓入試驗土層，通過量測 系統測試土的錐尖阻力、側壁摩阻力等，可確定土的某些基本物理力學特性，如土的變形模 量、土的容許承載力等。靜力觸探技術至今已有80多年的歷史。國際上廣泛應用靜力觸 探，部分或全部代替了工程勘察中的鉆探和取樣。我國于1965年首先研制成功電測式靜力 觸探并應用于工程勘察。近幾年隨著傳感器技術的快速發展，出現了很多新的靜力觸探技 術，這些技術能夠快速、準確地獲得土層的孔隙水壓力、地震波、污染物性狀、溫度、甚至影 像。國外已將之大量應用于能源與環境巖土工程領域。目前能源與環境污染問題是當今各 國面臨的重大社會問題之一，特別是不可再生的能源日漸枯竭，地熱能是一種可再生的新 型環保能源，利用前景廣闊，開發利用地熱能對構建資源節約型和環境友好型社會、改善我 國現有的能源結構、促進國家節能減排戰略目標的實現具有非常重要的意義。而目前國內 地層熱物性參數的測量只有取樣進行室內試驗和開展熱響應測試兩種。室內試驗試樣擾動 性大、受尺寸效應影響大，試驗結果可信度相對較低；成孔下管的熱響應測試工期較長，成 本較高。本發明基于常規的靜力觸探探頭，提出了一種可以方便、快捷、測試成本低廉的原 位測試儀器，為地下熱交換系統參數確定提供快捷有效的測試方法。
發明內容技術問題本實用新型要解決的技術問題是針對國內現有單雙橋靜探技術存在的 缺陷，提出一種可用于土木工程、能源環境領域的可測土體熱傳導系數的能源環境靜力觸 探探頭。技術方案本實用新型的可測土體熱傳導系數的能源環境靜力觸探探頭頂部為軟 鋼帽，軟鋼帽下部為可拆卸式軟鋼套管，可拆卸式軟鋼套管內部設定有熱電偶室，熱接收管 連接在可拆卸式軟鋼套管的下部，熱接收管內部填充有MgO填料，中央為鎳鉻線，在熱接收 管內壁設定有第一熱電偶、第二熱電偶、第三熱電偶，塑料套管位于熱接收管的下部，在熱 接收管下部連接有不銹鋼試管，熱敏電阻位于不銹鋼試管內的中央，并與鎳鉻線直接相連。熱接收管的外徑為10. 5mm，長度為lm。第一熱電偶、第二熱電偶、第三熱電偶與熱 接收管底部的距離分別為50mm、500mm、950mm。本實用新型的可測試土體熱傳導系數的能源環境靜力觸探探頭，其熱傳導系數部 分主要由三個熱電偶、不銹鋼試管、熱敏電阻及內部的電路系統等組成。熱電偶之間用絕熱 性能良好的MgO材料填充，保證熱電偶接收的數據具有相同的熱耗散。通過加熱底部不銹 鋼試管中的熱敏電阻，使周圍土體溫度逐漸升高，并由三個熱電偶分別測量得到不同時刻土體的溫度，投影在時間對數坐標上繪制曲線，即可計算探頭周圍土體的熱傳導系數大小。有益效果在開發地熱能時，需要設計地源熱泵系統的地熱換熱器，因此需要測定 地下巖土的熱物性參數，如果熱物性參數不準確，則設計的系統熱能不合理，帶來工程造價 過高或負荷不能滿足要求，由此而阻礙地熱能在全國范圍內的開發推廣。熱傳導系數是重 要的熱物性參數之一，本發明解決了國內現有的單雙橋靜探技術不能測量地下土體熱傳導 系數的缺陷，能方便、快捷、成本低廉地測量地下土體的原位熱傳導系數。該項技術具有連 續性、可靠性和可重復性的特點

圖1是本實用新型的元件裝置其中有軟鋼帽1、可拆卸式軟鋼套管2、熱電偶室3、熱接收管4、MgO填料5、鎳鉻 線6、第一熱電偶71、第二熱電偶72、第三熱電偶73、塑料套管8、不銹鋼試管9、熱敏電阻 10。
具體實施方式
本實用新型的可測試土體熱傳導系數的能源環境靜力觸探探頭包括軟鋼帽1， 軟鋼帽1下部為可拆卸式軟鋼套管2，可拆卸式軟鋼套管2內部設定有熱電偶室3，熱接收 管4連接在可拆卸式軟鋼套管2的下部，熱接收管4內部填充有MgO填料5，中央為鎳鉻線 6，在熱接收管4內壁設定有三熱電偶，塑料套管8位于熱接收管4的下部，其下連接有不銹 鋼試管9，熱敏電阻10位于不銹鋼試管9的中央，并與鎳鉻線6直接相連。熱接收管4的外徑為10. 5mm,長度為lm。三個熱電偶與熱接收管底部的距離分別為50mm、500mm、950mm。土的熱傳導系數是表征土體熱物性的基本參數，是土的固有物性參數之一，取決 于土的孔隙率、孔隙形狀、孔隙液電阻率、飽和度、固體顆粒成分、形狀、定向性、膠結狀態 等，試樣受擾動以后土的熱傳導系數也發生變化，由室內試驗測得的熱傳導系數誤差較大， 不能代表原位特性，因此需要由原位測試技術來進行測量。可測試土體熱傳導系數的能源 環境靜力觸探探頭的核心部分為三個熱電偶，熱電偶之間用絕熱材料MgO填充，以消除散 熱不均勻和空氣導熱的影響。正常測量的溫度精度為ο.ore，在溫度變化為ο.oorc下即 能夠快速產生熱響應，如圖1所示為測量的原理圖。由于探桿周圍土體導熱條件的復雜性，且邊界條件 難于控制，使得由探頭所測得的土熱物性特征很復雜。通過數學物理方法得出了觸探試驗 的理論方程，土的熱傳導系數是通過測試恒定電流下周圍土體的溫度變化，根據理論方程
計算出的。土體的熱傳導系數i可表示為
K
1 2.303 2ξ , J7、—= Alog 10 (子) R 4πΑΘ tx式中，i為提供的恒定電流，單位Α; ξ為熱敏電阻單位長度的電阻率，單位Ω/m;
i為土的熱傳導系數，單位πι·Κ/Ι;Δ θ為在、、、時刻的溫度差，單位。C ;tpt2為測量中 K
的兩個時刻，單位S。[0017] 由于直接 求解方程比較繁瑣，而且不具有直觀性，故通常采用計算機編程，將溫度 投影在時間對數坐標上，這樣當熱傳導達到穩定以后，在計算機上顯示為一條直線，更加直 觀，而且數據具有連續性。
權利要求1.一種可測土體熱傳導系數的能源環境靜力觸探探頭，其特征在于該探頭頂部為軟鋼 帽(1)，軟鋼帽(1)下部為可拆卸式軟鋼套管(2)，可拆卸式軟鋼套管(2)內部設定有熱電偶 室(3)，熱接收管(4)連接在可拆卸式軟鋼套管(2)的下部，熱接收管(4)內部填充有MgO填 料(5)，中央為鎳鉻線(6)，在熱接收管(4)內壁設定有第一熱電偶(71)、第二熱電偶(72)、 第三熱電偶(73)，塑料套管(8)位于熱接收管(4)的下部，在熱接收管(4)下部連接有不銹 鋼試管(9)，熱敏電阻(10)位于不銹鋼試管(9)內的中央，并與鎳鉻線(6)直接相連。
2.根據權利要求1所述的可測土體熱傳導系數的能源環境靜力觸探探頭，其特征在于 熱接收管(4)的外徑為10. 5mm，長度為lm。
3.根據權利要求1所述的可測土體熱傳導系數的能源環境靜力觸探探頭，其特征在 于第一熱電偶(71)、第二熱電偶(72)、第三熱電偶(73)與熱接收管(4)底部的距離分別為 50mm、500mm、950mmo
專利摘要本實用新型公布了一種可測土體熱傳導系數的能源環境靜力觸探探頭，該探頭頂部為軟鋼帽(1)，軟鋼帽(1)下部為可拆卸式軟鋼套管(2)，可拆卸式軟鋼套管(2)內部設定有熱電偶室(3)，熱接收管(4)連接在可拆卸式軟鋼套管(2)的下部，熱接收管(4)內部填充有MgO填料(5)，中央為鎳鉻線(6)，在熱接收管(4)內壁設定有三個熱電偶，塑料套管(8)位于熱接收管(4)的下部，其下連接有不銹鋼試管(9)，熱敏電阻(10)位于不銹鋼試管(9)的中央，并與鎳鉻線(6)直接相連。采用該探頭，具有原位、方便、快速、準確、經濟等特點，為土木、能源與環境領域地熱能開發提供有力的檢測工具。
文檔編號G01N25/20GK201876432SQ201020626879
公開日2011年6月22日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者劉松玉, 杜廣印, 蔡國軍, 鄒海峰 申請人:東南大學