浅层地温能监测系统设计

文/耿毅男

浅层地温能监测系统设计

文/耿毅男

浅层地温能是由于地表下的岩土体温度与地表气温存在常年温差而形成的能量，是一种特殊的势能，具有开发利用价值。其主要蕴藏在地表以下一定深度（一般小于200m）范围内岩土体以及地下水和地表水中，温度通常低于25℃。浅层地温能可利用价值较高，已探明储量巨大，且不存在资源枯竭的问题。伴随着开采技术的不断发展，开发利用浅层地温能已成为可能。在浅层地温能开发过程中，准确地掌握温度、压强等数据非常必要。一方面，现有的地温能检测系统结构复杂，成本高昂，工程庞大，难以迅速普及。另一方面，浅层地温能由于其储量巨大，清洁无污染的优点，拥有巨大的市场潜力。

本项目旨在设计一套操作简单、成本低廉、具有推广价值的小型化监测系统，使其在资源开发利用中发挥作用，为国家的节能减排工作贡献力量。

一、总体方案

本系统设计选用PVC管搭建实验环境，模拟监测浅层地温能的利用过程。在PVC管底部安装3个3通接口，将其顺次连接，并在三通接口中部分别接出温度传感器、电子温度计和透明软管，最后将压力变送器置于装置最底部。通过调整PVC管内水柱的高度和温度，模拟浅层地温能在利用过程中管内水压强与温度波动。基于连通器原理，可通过塑料软管来观察PVC管内水柱高度，近似计算出水的压强。通过安装的温度计可以观察到管内水的真实温度，与装置监测结果进行比较。

监测系统分为硬件以及软件两个部分，硬件部分包括温度模块、压强模块、显示模块、串口通讯模块，主要实现监测数据的采集、传输以及显示功能。数据通过串口传输到上位机端，通过上位机软件对数据进行记录、存储以及绘制折线图。

二、模块设计

1.温度模块

DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，价格低廉，抗干扰能力强，精度高的优点。其测温范围在-55℃～+125℃之间，依靠3V直流电驱动。本系统将DS18B20温度传感器接入到单片机P2.0引脚，并通过LM2596S降压模块提供 3V电压， 使其正常工作。DS18B20可将检测到的数据以数字信号发送到单片机，不再需要额外的模数转换模块，简化装置，增强易用性。

2.显示模块

本系统设计采用5110液晶屏幕在下位机显示数据。5110液晶屏幕通过LM2596S模块提供3.3V电压工作。首先对屏幕进行初始化、清屏，然后通过SPI接口写入数据。由于5110屏幕本身没有字库，故在单片机的ROM中建立一个内部小字库，以显示所需数据。当数据采集点有多个时，可在每个观测点分别放置屏幕，方便对每个观测点直接进行观测。

3.压强模块

对于压强的测量，系统选用YB-131型压力变送器，其工作电压为24V，由配套电源适配器提供。YB-131型压力变送器测量范围为0.1～40KPa，输出信号为 4～20mA直流电流信号。特别注意的是，虽然压力变送器可测量介质的温度范围为-40～150℃，但是考虑到系统用于浅层地温能开发利用过程中的数据监测，由于液体结冰体积增大造成压力变送器膜片损坏，导致变送器不能正常工作，所以工作环境不能低于0℃。

压力变送器输出信号是电流信号，而MSP430单片机内部AD转换需要输入电压信号，因此串联一个125欧姆的接地电阻，将4～20mA电流信号转换成0.5-2.5V电压信号，接入MSP430的P6.0引脚。通过内置AD转换模块将模拟信号转变为数字信号，并利用公式计算出电压值。

4.上位机模块

上位机监测软件具有数据接收、数据记录、数据存储、实时绘图等功能，具有体积小，兼容性强的特点。考虑到本系统需长期持续运行采集数据，并将大量存储记录，上位机软件可以根据实际需要调整数据接收事件间隔，控制数据采集频率，避免数据冗余，并相应地在绘图时调整相邻点的间隔。绘图区温度显示范围为0～100℃,精度可达0.01℃；压强显示范围为0～40KPa,精度可达0.5KPa。

浅层地温能监测系统将采集的数据通过串口线以字符串的形式发送到上位机端。上位机端定义串口接收事件，通过ReadExisting函数对监测装置发送的数据进行接收，上位机再对得到的数据进行数据位校验，将不符合长度要求的丢位数据忽略，只读取具有符合有效长度的数据，防止数据丢失。

将校验后的数据通过split指令进行整理，将压力数据与温度数据分别提取出来，对提取出的数据再次进行校验，判断数据的有效性，防止乱码的产生。数据校验后，有效的数据被分别存储在数组中，供其他控件读取显示。设置一个时间间隔控制按钮，可根据需要，调整数据接收的频率，并在软件界面上显示出来，实现动态调频的功能。提取出来的温度数据和压力数据分别记录到表格中，通过 picturebox控件将数据绘制成折现图，方便人们直观的了解数据变化的趋势，在温度和压力过高或过低时，可以及时发现。在仅需要对数据进行存储的情况时，可以关闭数据记录和图像绘制，仅接收数据，整理后在后台进行存储，方便查询研究，观察一段时间内的温度和压强变化趋势。

三、实验结果

为了检验系统数据检测的精度以及准确性，进行大量的对比实验。

1.温度测试

在模拟装置上加装电子温度计，在PVC管道中加入冰水，再注入热水，基本加满整个管道，让管道中的水在垂直方向上存在温度差。固定PVC管，通过塑料软管进行放水操作，使管道内的水流动，从而测得不同温度。通过多组实验，对温度计示数与上位机软件示数进行比较，结果表明误差不超过0.1℃。

2.压强测试

在PVC管底部安装一个塑料软管，构成一个连通器，固定PVC管，保持管道基本垂直。在PVC管道中加满水，通过塑料软管放水，从而改变PVC管内液面高度，管内不同位置的压强发生变化，就可以模拟出不同压强。经比较得出，压强误差不超过0.4%。

四、结果分析

通过多组实验测量，观察系统测量绘制的温度曲线和压强曲线，可以发现两个参数的实际数据和理论数据曲线基本重合，证明实验数据具有准确性，符合实际值。根据具体的实验数据可知，电子温度计所测得的温度可精确到 0.1℃，本系统测量的温度数据可以精确到0.01℃。对于压强数据，压力变送器输出为 4mA～20mA电流信号，电流较小，压强数据可以精确到0.5KPa以内。实践证明监测系统测量的温度和压强的准确度较高，符合设计预期。

五、结论

浅层地温能监测系统可实时测量并显示浅层地温能开发利用过程中管道内的温度及压强，上位机监测软件可根据监测的时间间隔进行数据采集、数据传输、数据存储，并将记录的数据绘制成相应的折线图，直观明了地反应相关参数的变化趋势。其中温度精度可以达到 0.01℃。压强精度可以达到0.5KPa以内。本系统结构简单，成本低廉，操作方便，初步满足浅层地温能利用过程中的监测需求。

(作者单位：吉林大学仪器科学与电气工程学院)

（责任编辑：周琼）