浅层地温场温度监测设备综述

贾子龙

（北京市地热研究院，北京 102218）

浅层地温场温度监测设备综述

贾子龙

（北京市地热研究院，北京 102218）

温度监测设备是浅层地温场监测系统中与地温场唯一直接接触的设备，是地温场监测系统中最基础也是最重要的设备。温度监测设备的选型以及施工情况，决定着浅层地温场监测系统能否正常运行。本文对目前主流的3种温度监测设备从探头材质、测量范围、测量进度以及造价等方面，进行详细的分析对比，结合3种监测设备的优缺点及项目施工情况，对3种设备的适用范围进行了阐述：当监测孔较少的情况下（一般少于10眼监测孔）宜采用单线单探头的测温设备；当监测孔数量较多的情况下（一般多于10眼监测孔）宜采用单总线式数字测温设备；分布式光纤测温设备，比较适合浅层地温能实验应用。

浅层地温场；温度监测设备；监测系统

0 前言

浅层地温能的开发利用会造成换热区域内局部地温场的异常，产生热亏损或者热积累效应。因此浅层地温能开发利用过程中做好地温场的监测是非常有必要的。通过建立的地温场监测系统，可以实现地温场长期有效的动态监测，及时掌握换热区地温场的变化趋势，为地源热泵系统运行提供数据支撑，为合理优化系统运行方案提供依据。温度监测设备作为地温场监测中最基础也是最重要的设备，它是温度的直接获得者。因此温度监测设备的选择尤其重要，既要考虑温度监测数据的可靠性又要考虑具体施工情况。本文对项目上常用的3种温度监测设备进行了详细的介绍，为项目应用过程中设备选用提供依据。

1 监测设备介绍

目前浅层地温场监测采用的监测设备主要有3种，第一种是最常见也是最常用到的单线单探头测温监测设备，第二种是单总线式数字测温监测设备，第三种是分布式光纤测温监测设备（表1）。

表1 浅层地温场监测设备对比Tab.1 Comparison of shallow geothermal field monitoring equipment

单线单探头测监测设备探头主要采用的是铂电阻传感器，该传感器的特点是温度传感器探头精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计（涵盖国家和世界基准温度）供计量和校准。但是该设备采集的是模拟信号，而模拟信号往往受到检测场地电场、磁场等不确定因素，这些因素会对电信号产生较大的干扰，从而影响传感器实际的测量精度和系统的稳定性，每年需要进行设备校准（图1）。

图1 单线单探头测温设备测温探头Fig.1 The temperature probe of single - wire single - probe temperature measurement equipment

单总线式数字测温监测设备是采用测温芯片作为感应元件，感应元件位于传感器头部，传感器的精度和稳定性决定于美国进口测温芯片的特性及精度级别，无需校正。该监测设备数据传输采用总线方式，总线电缆或传感器外径可做很小，最大直径不大于16mm，且线路长短不会对传感器精度造成任何影响。单总线式数据传感器本身自带12位高精度数据转换器和现场总线管理器，直接将温度数据转换成合适远距离传输的数字信号，而每个传感器本身都有唯一的识别ID，所以很多传感器可以直接在总线上，从而实现一根电缆线检测很多温度点的功能（图2）。

图2 单总线式数字测温监测设备测温探头Fig.2 The temperature probe of single bus digital temperature monitoring equipment

分布式光纤测温设备是将多模感温光缆作为线性传感器，一根光缆可以长至数公里，甚至数十公里，通过分析光缆内不同位置上的光散射信号得到相应的温度信息。分布式光纤测温设备可以准确的测量整根光纤上成千上万位置点温度信息（图3）（于海鹰等，2013）。

图3 多摸感温光缆测温设备测温光缆Fig.3 The temperature cable multi - touch temperature cable temperature measurement equipment

2 单线单探头测温设备应用

此测温设备在浅层地温场监测中的优势是测温精度高、传感器下入的位置比较准确。由于该设备是单线单探头，因此一个探头的损坏不会对另外的探头造成影响，各温度传感器相对独立，彼此不受干扰。

但是该设备在实际施工过程中的问题就是探头越多意味着监测线缆越多。由于监测设备的电缆需要埋在地下进入井室、管廊或者机房，因此在施工过程中容易造成线缆损坏和搅拌。并且该设备需要配合巡检仪来采集地下温度，因此线缆越多也会造成数据采集施工的难度（郭艳春等，2014）。

因此，该测温设备比较适合当项目设置的地温监测孔比较少的情况。

3 单总线式数字测温设备应用

该设备在浅层地温场监测中的优势是测温线缆比较少、数据采集方便。当需要大量设置测温点的时候，只需要在电缆上面加入测温探头就可以，并不会增加电缆线的数量。该设备温度采集需要配合温度采集模块，该模块可以直接读取测温探头的问题，因此在施工过程中的每一个环节都可以对测温设备进行检测，保证数据正常传输（贾子龙等，2017）。

但是该设备中测温探头是多个设备的串联方式，探头之间的直接影响较大。主要在两方面，一方面是设备探头下入深度的影响。该设备在定制生产中已经确定了温度探头下入的深度，若在施工过程中出现一个探头下不到位或者错位的情况，会导致线缆上所有探头错位。因此对施工要求比较高。第二方面就是由于所有探头都是串联方式，若有一个测温探头损坏，会造成整条设备的测温探头都无法读取数据，则此监测孔就会作废。

总之，此测温设备比较适合地温监测孔比较多的情况下采用。

4 分布式光纤测温设备应用

分布式光纤测温设备是一套比较新式、精度高的测温设备。该设备的优势就是可以连续测温，可以读取任意一个深度的温度。现在普遍应用在交通路桥、煤矿、地质灾害监测等各个领域。现阶段，深部地热井测温大量采用该设备，浅层地温场监测采用的并不普遍（徐灿，2016）。

由于该设备造价高、采集系统比较复杂，无论是从成本还是施工难度上都不适合埋在测温井中。但是，该设备可以应用到浅层地温场的实验井上或者浅层地温模拟实验室中，通过该这边可以获取任意一个深度的温度，这对于浅层地温能开发利用的实际项目会有重大指导意义。

5 结论

本文对目前市面上常用的测温设备进行了介绍，并对其应用范围及优缺点进行了分析，得出了测温设备的适用条件。

（1）当监测孔数量较少的情况下（一般少于10眼监测孔）宜采用单线单探头的测温设备；当监测孔数量较多的情况下（一般多于10眼监测孔）宜采用单总线式数字测温设备。

（2）分布式光纤测温设备由于高造价的原因，目前还是比较适合浅层地温能实验应用。

（3）由于地温场监测设备需要埋入地下，一般情况下是无法进行更换和维修的。因此，无论选择哪种测温设备，都需要严格控制测温设备生产的质量以及监测孔的施工质量。

郭艳春，郑佳，于媛，等，2014. 地埋管地源热泵监测系统设计与实施介绍[J]. 城市地质，9(S1)：85-88.

贾子龙，刘爱华，郑佳，等，2017. 浅层地温场常温监测方法研究[J]. 城市地质，12(1)：30-33.

徐灿，2016. 分布式光纤测温技术在煤矿中的应用[D]. 山东大学.

于海鹰，李琪，索琳，等，2013. 分布式光纤测温技术综述[J].光学器，35(5)：90-94.

Summary of Temperature Monitoring Equipment for Shallow Geothermal Field

JIA Zilong
(Beijing Geothermal Research Institute, Beijing 102218)

The temperature monitoring equipment is only directly contacted with the shallow geothermal field,which is the most basic and most important monitoring equipment. The selection and construction of temperature monitoring equipment determines whether the normal operation of the shallow geothermal field monitoring system.In this paper, we in details analyze and compare the current three kinds of temperature monitoring equipment from the probe material, measurement range, measurement progress and cost and other aspects, and expound the scope of application of the three equipment combined with the advantages and disadvantages of three monitoring equipment and project construction: when the monitoring hole under the condition of less (usually less than 10 monitoring holes), it should adopt the temperature measuring equipment single-wire single-probe; when the number of monitoring holes in a number of cases (usually more than 10 monitoring holes), it should adopt single bus digital temperature measurement device; however the distributed fiber temperature measured equipment is suitable for experimental application in shallow geothermal energy.

Shallow geothermal field; Temperature monitoring equipment; Monitoring system

A

1007-1903（2017）04-0091-03

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.018

贾子龙（1988- ）男，硕士，工程师，主要从事浅层地温能开发利用及资源评价研究。E-mail: jiazl30@126.com