摘 要： 為了能夠準(zhǔn)確評(píng)估地?zé)峋畠?nèi)溫度變化和資源儲(chǔ)量信息，采用CAN通信技術(shù)設(shè)計(jì)了地?zé)峋疁囟忍綔y(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)組成。溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)以處理器STM32F103作為控制平臺(tái)，通過(guò)高精度傳感器PT100測(cè)量地?zé)峋畠?nèi)不同梯度上的溫度，并經(jīng)由CAN總線傳送到上位機(jī)服務(wù)器進(jìn)行處理，同時(shí)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中便于評(píng)估地?zé)豳Y源時(shí)使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的地?zé)峋疁囟炔杉到y(tǒng)能夠長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)并精確測(cè)量地?zé)峋畠?nèi)溫度的變化情況，為地?zé)豳Y源勘探和開發(fā)評(píng)估提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞： 地?zé)衢_發(fā)； 溫度探測(cè)； 儲(chǔ)能計(jì)算； CAN總線； 評(píng)估分析

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）11?0155?04

Geothermal well temperature detection and evaluation system based on CAN bus

QIU He

（Geophysical Exploration Center， China Earthquake Administration， Zhengzhou 450002， China）

Abstract： In order to evaluate the temperature change and resource reserve information in geothermal well accurately， the CAN communication technology is used to design the temperature detection and evaluation system of geothermal well. The system is mainly composed of the temperature monitoring node and host computer. The temperature monitoring node uses processor STM32F103 as the control platform， and measures the temperature of different gradients in geothermal well through high?precision sensor PT100. The temperature data is transferred to the host computer server for processing through CAN bus， and stored in the database for evaluation of geothermal resources. The experimental results show that the designed temperature acquisition system of geothermal well can chronically monitor and accurately measure the temperature change situation in geothermal well， which provides a strong data support for the detection， exploration and evaluation of the geothermal resources.

Keywords： geothermal development； temperature detection； energy storage calculation； CAN bus； evaluation analysis

0 引 言

地?zé)豳Y源來(lái)源于地質(zhì)活動(dòng)產(chǎn)生的能量，是大自然賜予人類的寶貴資源。由于地?zé)豳Y源深埋于地下，雖然說(shuō)儲(chǔ)量非常巨大，但是受作業(yè)環(huán)境和技術(shù)條件的限制，目前掌握的開采技術(shù)并不多，為了能夠合理規(guī)劃和可持續(xù)地開發(fā)利用地?zé)豳Y源，開發(fā)前的勘查和評(píng)估就顯得非常有必要了[1?2]。

溫度是計(jì)算熱儲(chǔ)能和評(píng)價(jià)地?zé)豳Y源最重要的參數(shù)，而且在開發(fā)利用的過(guò)程中，由于吸熱負(fù)荷的波動(dòng)，也需要對(duì)水源熱泵的工作輸出功率進(jìn)行調(diào)整，這時(shí)也需要對(duì)水溫進(jìn)行預(yù)測(cè)和了解[3]。為此，采用CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)了溫度采集與評(píng)估系統(tǒng)，通過(guò)安裝在每個(gè)垂直梯度的溫度采集終端獲取地?zé)峋畠?nèi)的溫度信息，從而得到整個(gè)地?zé)崽飪?nèi)的地溫場(chǎng)，為計(jì)算熱儲(chǔ)能提供依據(jù)，同時(shí)，還可以圈定地?zé)崽飪?nèi)的異常范圍，給地?zé)豳Y源勘探和評(píng)估提供有力的數(shù)據(jù)支持。

1 地?zé)豳Y源分類與儲(chǔ)能計(jì)算

1.1 地?zé)豳Y源分類

地?zé)豳Y源有很多類，通?？砂凑諟囟葘⑵鋭澐譃楦邷?、中溫和低溫三種[4]。再依照溫度的范圍對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，并在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中總結(jié)出對(duì)應(yīng)的用途，如表1所示。

熱儲(chǔ)溫度一般采用地球化學(xué)溫標(biāo)計(jì)算法、地溫梯度推算法和直接測(cè)量法。但是從計(jì)算方法來(lái)看，前兩種方法測(cè)得的誤差較大，這對(duì)于巨大的開發(fā)投入成本來(lái)說(shuō)風(fēng)險(xiǎn)很大。而直接法是最精確的，本文采用直接法對(duì)地?zé)峋畠?nèi)的溫度變化情況進(jìn)行探測(cè)。

1.2 熱儲(chǔ)能的計(jì)算

在計(jì)算熱儲(chǔ)能前需要查明熱儲(chǔ)分布面積、深度、厚度、巖石特性和孔隙率等地質(zhì)參數(shù)[5]。熱儲(chǔ)能的計(jì)算可表示為：

（1）

式中：表示地?zé)豳Y源總量，單位為kcal；表示熱儲(chǔ)面積，單位為m2；表示熱儲(chǔ)厚度，單位為m；和分別表示熱儲(chǔ)溫度和基準(zhǔn)溫度，單位為℃；和分別表示巖石和水的密度，單位為kg/m3；和分別表示巖石和水的比熱容，單位為kcal/kg·℃；表示巖石的孔隙度。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

為了獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，采用直接測(cè)量法采集地?zé)峋械臏囟刃畔?。利用多井和多梯度測(cè)量方法進(jìn)行探測(cè)，能夠更全面的獲取大面積區(qū)域內(nèi)地?zé)豳Y源的分布情況，系統(tǒng)主要由多個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)服務(wù)器和CAN總線網(wǎng)絡(luò)等組成[6?7]。系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。

按照在垂直方向上每100 m一個(gè)梯度在每眼地?zé)峋邪惭b溫度采集節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有惟一的ID編號(hào)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置定時(shí)向探測(cè)中心的上位機(jī)發(fā)送采集到的溫度數(shù)據(jù)。上位機(jī)安裝了支持CAN總線通信的PCI板卡，接收來(lái)自探測(cè)井下各溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。在投入開發(fā)前，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，可以繪制溫度?時(shí)間曲線，并建立整個(gè)地?zé)崽餃囟葓?chǎng)模型，計(jì)算該地區(qū)的熱能儲(chǔ)量，為進(jìn)一步的評(píng)估和規(guī)劃提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 溫度采集終端硬件結(jié)構(gòu)

溫度采集節(jié)點(diǎn)是測(cè)量地?zé)崽飪?nèi)的地溫、地溫梯度、空間分布和變化規(guī)律的直接設(shè)備，主要由處理器STM32F103，PT100溫度傳感器、調(diào)理電路、CAN總線控制器、隔離收發(fā)器CTM8250T和電源管理電源等組成[8]。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 溫度傳感器PT100

考慮到溫度采集節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境非常復(fù)雜，在地下巖層中的溫度有時(shí)會(huì)突變很大，所以系統(tǒng)采用鉑絲熱電阻傳感器PT100對(duì)地?zé)峋碌臏囟冗M(jìn)行測(cè)量，能夠適應(yīng)-200～650 ℃的高溫條件[9?10]。由于PT100的阻值跟溫度表現(xiàn)出非常穩(wěn)定的線性關(guān)系，所以就可以根據(jù)PT100的電阻獲得溫度信息，為了提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，采用橋式測(cè)溫電路對(duì)其進(jìn)行放大和調(diào)理，橋式測(cè)溫調(diào)理電路如圖3所示。

通過(guò)可控精密穩(wěn)壓源TL431與電位器的配合使用，使得A點(diǎn)處的電壓為4.096 V。從圖3中可以看出，的阻值為100 Ω，當(dāng)PT100處在零度環(huán)境時(shí)，電橋達(dá)到平衡，輸出的電壓為零；而當(dāng)RPT100≠時(shí)，就會(huì)輸出毫伏級(jí)的壓差信號(hào)，為了便于與A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入口對(duì)接，采用LM324對(duì)這個(gè)毫伏級(jí)的信號(hào)進(jìn)行放大倍，這樣就能通過(guò)測(cè)量電橋輸出的電壓值反推出PT100的阻值，最后根據(jù)PT100的電阻分度表得到溫度數(shù)據(jù)。所以如果調(diào)整放大的倍數(shù)，就能夠滿足測(cè)量不同溫度范圍的要求[11?12]。由于PT100對(duì)溫度很敏感，所以一般要求通過(guò)PT100的電流不能超過(guò)1 mA，否則，電流過(guò)大后會(huì)使自身發(fā)熱從而造成測(cè)量誤差，避免在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)受到溫漂的影響導(dǎo)致其阻值與溫度出現(xiàn)非線性。

3.2 CAN總線接口隔離器

由于長(zhǎng)距離的通信很容易受到高共模電壓和強(qiáng)電磁輻射的影響，且一旦某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上出現(xiàn)了問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)CAN?bus上的通信不暢，尤其在地下深達(dá)幾千米的惡劣環(huán)境中，所以系統(tǒng)引入收發(fā)器CTM8250T。

CTM8250T特性如下：

集成了總線保護(hù)、信號(hào)隔離和電源隔離等功能；符合RoHS環(huán)境保護(hù)的認(rèn)可，ESD接觸放電4 kV；

隔離電壓為2 500 V DC；

CANH，CANL引腳可承受±8 kV靜電；

電源端口浪涌測(cè)試1 kV、信號(hào)端口2 kV；

波特率可以自動(dòng)適應(yīng)40 Kb/s～1 Mb/s 和5 Kb/s～1 Mp/s兩種模式[13]；

具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，能夠大大減小由于大地環(huán)路電勢(shì)差帶來(lái)的不利因素。

由于隔離收發(fā)器CTM8250T在控制器跟收發(fā)器中間采取了隔離，所以能夠使控制器在復(fù)雜的地層中受到較小的干擾，也能有效減少被損壞的可能性。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 上位機(jī)管理軟件

為了與各溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信，上位機(jī)安裝了支持CAN總線通信的PCI板卡。上位機(jī)管理軟件借助VC++ 6.0獨(dú)立開發(fā)，具有網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、配置管理、權(quán)限管理和日志管理、數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、統(tǒng)計(jì)分析、曲線展示、評(píng)估模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)表打印等功能[14?16]。

探測(cè)中心上位機(jī)管理軟件功能結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

地?zé)峋畠?nèi)各溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN發(fā)送到上位機(jī)的服務(wù)器上，發(fā)送周期可以在上位機(jī)上進(jìn)行設(shè)置。

上位機(jī)接收來(lái)自各地?zé)峋懈魈荻壬蠝囟炔杉?jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理和統(tǒng)計(jì)分析等過(guò)程再將數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)華北平原一處非火山型中低溫地?zé)豳Y源進(jìn)行探測(cè)和評(píng)估，根據(jù)上位機(jī)數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)，本次探測(cè)區(qū)域面積為15 000 m×9 000 m=1.35×108 m2，從上位機(jī)中得到6個(gè)月內(nèi)該區(qū)域5眼地?zé)峋械臏囟葦?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)策略為每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)每20 min采集并發(fā)送一次數(shù)據(jù)，采集的對(duì)象為深度<1 000 m的溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

表2中每個(gè)數(shù)據(jù)為該節(jié)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的梯度上180天中得到所有數(shù)據(jù)的平均值。

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在深度為1 000 m的梯度上溫度已達(dá)到79.82 ℃，由于隨著深度的不斷增加，開發(fā)成本也會(huì)劇增，綜合分析認(rèn)為該段已達(dá)到開采條件，是較好的儲(chǔ)熱層，且通過(guò)長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，得到的數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，具有一定的開發(fā)價(jià)值。根據(jù)式（1）和該地區(qū)地質(zhì)情況就能得出該區(qū)域在這個(gè)梯度上的儲(chǔ)熱總量。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)地?zé)峋畠?nèi)復(fù)雜的環(huán)境，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的地?zé)峋疁囟忍綔y(cè)與評(píng)估系統(tǒng)，采用直接測(cè)量法對(duì)地?zé)峋Y源進(jìn)行溫度探測(cè)，溫度傳感器利用高精度鉑電阻PT100，并借助CAN實(shí)現(xiàn)了多個(gè)溫度采集點(diǎn)的組網(wǎng)，將溫度數(shù)據(jù)定時(shí)傳送到上位機(jī)進(jìn)行處理，便于精確計(jì)算熱儲(chǔ)能。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有耐高溫且工作穩(wěn)定的特性，能夠采集深達(dá)1 000 m的溫度數(shù)據(jù)，給地?zé)豳Y源勘探和評(píng)估提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。

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