[发明专利]一种在线监测冻土总含水率的平面型传感器

说明书

技术领域

本发明涉及寒区石油和天然气管道、铁路路基等构筑物周围冻土的总含水率监测等相关技术领域，是一种针对冻土中总含水率的测量的平面型传感器。

背景技术

在石油和天然气管道工程中，特别是穿越冻土区的管道工程中，由于管道中输送的流体与管道周围冻土的温度不同以及环境温度随季节的变化，会造成冻土的冻胀和融沉，这种现象通常会引起管道的异常位移、应力变化甚至破坏。由于冻土中的总含水率是冻土冻胀和融沉的关键因素，因此，监测冻土中的总含水率的变化成为评价管道安全状态的重要手段之一。

冻土中的水分含量常用总含水率，即单位质量冻土中的含水质量（冻结和未冻结水）占总重量的比例来表达。按照测量原理，测量冻土中总含水率的方法可划分为直接法和间接法。

烘干法是最典型的直接法，通过分别测量得到的冻土样品在烘干前后的重量,直接计算出介质中的含水量。其优点是精度较高, 测量范围宽。其缺点是无法在线快速测量、测量周期长。在间接的方法中，包括电导率法、电容法、热扩散法和射线法等，都是通过冻土总含水率对某种表观物理性质的依赖关系来获得的。例如，介电法（电容法）是根据土壤介电常数与总含水率的关系来测量总含水率。按照测量介电性质的技术可细分为时域反射法（TDR）、频域分解法（FDR）、驻波原理法（SWR）等。其优点是能够满足快速量测的实时性要求,缺点是测量的技术难度很大，仪器设备成本很高；不适用于冻结土壤。射线法的原理是射线直接穿过介质时能量会衰减,衰减量是总含水率的函数,通过射线探测器计数,经过校准后得出冻土总含水率。射线法的测量结果准确，缺点是需要经常校准，不适于在线监测。热扩散法的原理是冻土中的热扩散速率与其总含水率有关，通过测量介质在接收热脉冲前后的温度,通过校准可以得出冻土总含水率。该方法的优点是探头可以长期埋在地下，抗干扰能力强，适用于连续监测，缺点是测量周期长，传感器耗电量较大。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种适用于冻土总含水率连续在线监测的传感器，本发明的传感器采用易于与被测土壤紧密接触的平面型结构，通过测量热流响应的方法测量介质的总含水率。解决长期连续监测冻土总含水率时所需要的性能高度稳定、抗干扰能力强的传感器，以满足诸如冻土地区的石油管道工程、铁路和公路路基工程在线监测的需要。

本发明采用的技术方案是：该在线监测冻土总含水率的平面型传感器的壳体内底面上设置有电热薄膜，电热薄膜上端面设置有均热板，均热板上设置有温度传感器，均热板上方的壳体内填充有隔热材料，壳体侧面外壁套有隔热护套，温度传感器通过电缆与检测系统连接，电热薄膜通过电缆与检测系统连接，检测系统通过电缆与电源连接。

本发明所涉及的传感器原理与热扩散法不同，前者是利用冻土的热扩散系数与冻土总含水率的关系来进行间接测量，而本发明是以冻土的吸热系数对总含水率依赖关系为基础。根据热传导理论中半无限介质表面在恒定热流作用下温度场的解析关系式，可以根据测量得到的传感器与冻土交界面处的温升曲线计算出冻土的吸热系数，再根据预先标定的吸热系数与总含水率的关系间接获得总含水率。

本发明的理论依据是热传导理论中半无限介质表面在恒定热流作用下温度场的解析关系式。根据热传导理论，介质内                                               点的温升与表面热流密度、介质的热导率、热扩散系数以及时间的关系如下：

          (1)

如果计算表面（处）的温度随时间的变化关系，则有

                      (2)

利用热扩散率与热导率、密度和比热之间的关系，得到

                         (3)

在满足式（1）解析关系式的理想条件下，如果测量得到某个时刻的温升以及加热器的热流密度，则由式（3）即可计算出吸热系数。对于多孔介质，是总含水率的函数，因此对于给定的土壤样品，可以按照式(3)事先标定出与总含水率的关系，在实用中再根据测得的吸热系数计算出对应的总含水率。

在实际的传感器中，由于温度测量可能存在的误差以及传感器本身的热惯性，并不能完全满足式（1）的前提条件，必须采取控制误差影响的数据处理方法。首先，根据式（3）可知温升与时间成线性关系，根据测量得到一系列的温升与时间，获得的直线，该直线的斜率就是吸热系数的倒数。由于吸热系数是总含水率的单调函数，因此斜率与总含水率就是一一对应的。