Устройство для измерения вертикального профиля температуры среды
DEVICE FOR MEASURING THE VERTICAL PROFILE OF ENVIRONMENT TEMPERATURE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения профиля температуры почвы, грунта, в том числе многолетнемерзлых грунтов и почв.
Известны Термозонды для измерения профиля температуры среды (RU №№97524, 128323 U1 G01К 3/00). Устройства включают термокосу, с размещенными на ней датчиками температуры, разъем для подключения устройства обработки. Термокоса заключена в резиновую трубку, оба конца которой герметизированы, внутри которой вставлена полиэтиленовая трубка для придания жесткости, верхний конец которой оставлен открытым, и полиэтиленового рукава с герметизированным нижним концом. Измерения производятся в скважинах, полученных с помощью механического или теплового бурения.
Недостатки - устройства могут быть использованы для измерения температуры льда, в том числе торосов и стамух.
Известно Использование автоматических регистрирующих устройств (логгеров) для температурного мониторинга многолетнемерзлых грунтов (Криосфера Земли, 2011, т. XV, №1, с. 23-32). Качество температурного мониторинга грунтов и работоспособность логгерных устройств при многолетнем использовании зависит от соблюдения определенных правил установки температурных датчиков в грунтах. Их игнорирование может привести к тому, что даже самая совершенная аппаратура окажется бесполезной.
Недостатком является использование для соединения температурных датчиков с логгером кабеля, составленного из медных жил. Кабель расположен вертикально и является проводником тепла, что приводит к искажению распределения температуры.
Наиболее близким по технической сущности является температурный зонд для измерения профиля температуры почвы TP32MTT_03_D http://www.directindustry.com.ru/prod/delta-ohm/product-25140-1572320.html. Прибор содержит закрепленные в стеклопластиковой трубе температурные сенсоры для одновременного измерения температуры на 7 уровнях: +5 см, 0, -5 см, -10 см, -20 см, -50 см, -1 м относительно поверхности почвы (согласно рекомендациям Всемирной Метеорологической Организации). В верхней части трубы выводится кабель для передачи данных с датчиков. Данные передаются через интерфейс RS485 по протоколу MODBUS RTU на логгер.
Недостатком прибора является вероятность внесения искажения поля температуры вдоль зонда кабелем для передачи данных.
Задача изобретения: уменьшить возмущение температурного режима сенсоров зонда, воздействующее через проводники кабеля.
Технический результат: снижение искажений температуры в заявляемом температурном зонде повышает точность измерений вертикального профиля температуры.
Технический результат достигается тем, что, как и в известном, предлагаемое устройство для измерения вертикального профиля температуры среды содержит зонд в виде вертикальной цепочки цифровых температурных сенсоров, имеющих протокол связи 1-WIRE, соединенных между собой параллельно и имеющих уникальные логические номера; кабельный ввод, через который выходит кабель, соединяющий сенсоры с контроллером-логгером для считывания информации.
В отличие от известного в заявленном устройстве, кабельный ввод, соединяющий цепочку температурных сенсоров с контроллером, укреплен на расстоянии не менее 200 мм от верхнего конца защитного корпуса, совпадающего с нулевым уровнем почвы или грунта, а часть горизонтально уложенного кабеля длиной не менее одного метра, считая от зонда, размещена в закрытой траншее.
Использование заявленной конструкции зонда с расположением ответвления кабеля не менее 200 мм от конца зонда обусловлено тем, что линии равной температуры на вертикальном разрезе почвы на этой глубине становятся практически горизонтальными и не пересекают кабель, уложенный горизонтально. Таким образом при изменении температуры почвы кабель и сенсор, расположенный ближе всего к кабелю, нагреваются и остывают синхронно. Меньшая глубина прокладки начальной части кабеля приведет к тому, что на кабель будут воздействовать несколько зон с различной температурой, и вследствие высокой теплопроводности его температура будет отличаться от температуры почвы вокруг ближнего сенсора. Минимальная длина горизонтальной части кабеля 1 м подобрана эмпирически, исходя из опыта эксплуатации термозондов, накопленного лабораторией ЛГИТ. Меньшая длина горизонтальной части кабеля может приводить к тому, что тепловые потоки от конца кабеля, находящегося на другой глубине и имеющего другую температуру, не полностью шунтируются окружающей почвой, успеют по жилам кабеля дойти до зонда и способны искажать распределение тепла в температурных сенсорах.
Изобретение поясняется чертежом.
Устройство содержит зонд 1 в виде вертикальной цепочки цифровых температурных сенсоров 2, имеющих протокол связи 1-WIRE, соединенных между собой параллельно и имеющих уникальные логические номера; кабельный ввод 3, через который выходит кабель 4, соединяющий сенсоры с контроллером-логгером (не показан) для считывания информации. Кабельный вывод 3 расположен на расстоянии не менее 200 мм от верхнего конца зонда 1.
Устройство работает следующим образом.
Перед эксплуатацией устройство должно быть установлено стационарно, соблюдая следующие требования:
Устройство располагается в скважине глубиной, равной длине зонда. Верхний конец зонда 1 совпадает с нулевым уровнем почвы или грунта. Рядом со скважиной расположена траншея глубиной не менее 200 мм (на штык лопаты) и длиной не менее 1 м. Начало траншеи совпадает с верхним концом скважины. Конец траншеи ведет в сторону расположения логгера (не показан). Кабель 4 расположен на дне траншеи.
Температурные сенсоры 2, установленные на зонде 1, одновременно измеряют температуру среды на 7 уровнях: +5 см, 0, -5 см, -10 см, -20 см, -50 см, -1 м относительно поверхности почвы (согласно рекомендациям Всемирной Метеорологической Организации). Контроллер-логгер считывает данные сенсоров 2 по протоколу 1-WIRE через кабель 4, проходящему через кабельный ввод 3, и фиксирует их во внутренней памяти.
Источники информации
1. RU 97524 U1 G01К 3/00
2. RU 128323 U1 G01К 3/00
3. П.Я. Константинов, А.Н. Федоров, Т. Мачимура, Г. Ивахана, X. Ябуки, Й. Йижима, Ф. Костар. «Использование автоматических регистрирующих устройств (логгеров) для температурного мониторинга многолетнемерзлых грунтов», Криосфера Земли, 2011, т. XV, №1, с. 23-32.
4. Зонд для измерения профиля температуры почвы TP32MTT_03_D http://www.directindustry.com.ru/prod/delta-ohm/product-25140-1572320.html