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外文出处：September 25-27, 2013. Velke Karlovice, Czech Republic

题目：Using compact system for measuring borehole temperature profiles

使用紧凑型系统测量钻孔温度曲线

Petr Vojcinak*, Tomas Vavrla **

Jiri Koziorek***

*Department of Cybernetics and Biomedical Engineering, VScaron;B – Technical University of Ostrava, Czech Republic (e-mail: petr.vojcinak@vsb.cz)

**Department of Cybernetics and Biomedical Engineering, VScaron;B – Technical University of Ostrava, Czech Republic (e-mail: tomas.vavrla@vsb.cz)

***Department of Cybernetics and Biomedical Engineering, VScaron;B – Technical University of Ostrava, Czech Republic (e-mail: jiri.koziorek@vsb.cz)

摘要

本文讨论了使用自主系统测量温度的问题。这个系统是通过整合各种数据来得到实际的结果（例如使用Dallas DS18B20的数字传感器和Pt1000的模拟传感器进行通讯，RS-232和1-Wire的接口/总线，B＆R X20 CP1484的可编程逻辑控制器和自己开发的软件应用程序）成为自主的测量设备。在我们的热响应测试（TRT）实验，温度分布的测量是它们现在的组成部分，所以开发的设备不仅相当简单，而且可靠性强。 本文还包括总结现有温度剖面实践经验 - 测量技术，数据采集，数据分析，数据呈现及其在实现TRT方面的作用实验。

关键词

单总线，DS18B20传感器，BHE，钻孔，通信过程，数据可视化，HMI / SCADA应用，测量过程，可编程逻辑控制器、PT1000传感器、RS—232界面，温度分布，热响应试验。

介绍

1.1热响应测试

热响应测试（TRT缩写）或地热响应测试（GRT或GeRT）是一种通过钻孔热交换器（BHE）钻入软岩或硬岩地块来研究井眼的热物理性质的方法。 BHE通常包含一个或多个环（PE管道），其中加热载流体（防冻液）以恒定速率泵入电路。 该流体以恒定热功率的加热器TRT加热（Q，以瓦特计），连续测量入口温度（开尔文）和出口温度（开尔文），体积流量等； Sass，Lehr（2011），Bandosetal。（2008年）。

标准TRT应用程序是用于获取数据设计和模型处理一些较大的BHE场（例如，钻孔的研究多边形）。通过TRT，它也是能评估建成的BHE的技术完整性的。传统的TRT评估方法，源理论需要较长的测试时间（通常为48小时或72小时），以获得准稳态热流条件。如果我们应用气缸源理论，那么会增强精度评估，减少测试持续时间，因为这是非稳态被评估；Sass，Lehr（2011）。

在测量岩石的导热率（lambda;）的情况下，钻孔深度（hB，以米计）是一个非常重要的物理参数。 如果我们有一些小组的钻孔（也是地面热交换器，GHE），那么我们通常能够决定热平均值钻岩内电导率。 现在有两个方法，可以确定这一点价值，如：

· 实验室方法-要求实现所谓的井眼发明，以获得一些岩石样本 为了详细分析；

·测量方法 - 他们在里面配备齐全的钻孔，而在欧洲，我们说TRT（热响应测试；而在美国，我们谈论FTCT（Formation Thermal电导率测试）。

1.2温度曲线测量方法

要得到垂直钻孔换热器（BHE）的测量干扰/未受干扰的温度曲线，确定沿z坐标的温度分布很重要，例如 （开尔文）。从这个温度分布，可以评估岩石层的岩层分布，并指出是否存在一些异常（例如，洞穴，富裕的地下水等。）而某地区的地质评估通常会提供更详细的资料。Koziorek等人 （2010），Koziorek et al。（2009年）

在实现自己的TRT实验期间，不受干扰的温度曲线要在TRT之前测量；受干扰的在TRT后测量。 用于实际测量我们使用这以下方法：

· 第一种方法 -它是基于手动的实现测量（通过使用测量有线配备的模拟/数字传感器和一些测量仪器或通讯装置）；这样做很简单，但它不提供用于数据评估的自动化流程演示，需要很长时间。

· 第二种方法 -它是通过特殊自主系统的自动化的测量过程，可实现温度测量所需的深度级别，数据的呈现形式为2D表和图表，而且数据保存到测量文件；但是这个系统不好解决的是硬件问题（即尺寸，重量，难度操纵等），

· 第三种方法 -它是基于一个自主和可变系统（见第3章），不仅用于一次性测量不受干扰的温度曲线（TRT之前），也能测量干扰的温度曲线（TRT之后）；这种方法满足了如上所述的所有优点。

MICRO LAN和1-Wire总线

2.1 Micro LAN

窗体顶端

微型局域网是基于IEEE 1451.4标准的简单而便宜的网络技术，用于自动化应用。窗体顶端

微型局域网是基于IEEE 1451.4标准的简单而便宜的网络技术，用于自动化应用。 Kaczmarczyk等人 （2012）该技术利用1-Wire总线的通信协议。 Micro LAN组件是有能使用1-Wire总线的设备，还有唯一的64位或128位标识数字，其结构如下（也参见图1）：

 ·8 bits CRC,

 ·48 bits serial number,

 ·8 bits family code.

他的结构对64位的识别号有效。只要该号码能够识别设备，它将连接到网络。 而各种适配器并且控制器可以是该网络的其他部分；Maxim等人。（2010年）。

图1. 64位识别码的结构。

2.2 1-Wire总线

1-Wire总线基于主设备和从设备之间的一组通信。 总线设备通过一条数据线（通常标记为“DQ”）和两条电源线（通常分别标记为“VDD”和“GND”）并联连接。在数据线和“VDD”线之间，连接上拉电阻将数据线设置为逻辑1。 1-Wire总线还通过数据线从次设备处获得供电。 自然地，连接的从设备必须包括所谓的电荷泵电容器（通常标记为“CPP”）。 而1-Wire总线在2.8 V至6.0的直流电压范围内利用TTL / CMOS电平V；Laacute;niacute;k等人（2010年）。

基于1-Wire总线的网络主要是用于简单地连接各种数字传感器，感应某些物理量（例如温度，压力，位置等）。这个数字传感器通常可能是从机设备，直接或间接连接到1-Wire总线转换器。 主设备 - 大部分是微控制器或转换器（例如1-Wire至RS-232或1-Wire至USB等）- 能够通过1-Wire总线发送命令和数据； Maxim等人（2010年）。

通信过程是异步和半双工的。数据在时隙中传输。 在此通信过程中，1-Wire总线可以通过评估脉冲时间间隔自动计时。如果主设备正在传输，那么所有的从设备就接收，但只有一个从设备可以回复； Laacute;niacute;k等人（2010年）。

1-Wire总线的通信速率如下：

·长距离 （超过750米） - 通常16千比特/秒

·短距离 通常为125千比特/秒

开发紧凑型系统

一个属于Bernecker＆Rainer的基于X20模块架构Austrian的可编程逻辑控制器（PLC）是这个系统最重要的部分。该PLC与Polish 1-Wire / RS-232转换器（ADA-101W型）通过X20 AT4222的PLC模块（用于Pt1000的模拟传感器; 1件）和X20 CS1020（用于达拉斯DS18B20的数字传感器; 3件）进行通信。 当然这个PLC控制的是所有通信的主设备。

3.1 硬件部分

此硬件配置最多可连接三个DS18B20传感器（3通道测量和3线制）或最多四个Pt1000传感器（4通道测量和2线/3线连接）。其他该系统的特点如下：

·可能通过1-Wire总线（带DS18B20传感器）和Pt1000传感器；

·通过串口控制Micro LAN通讯；

·获取的温度数据保存到位于闪存卡上的CSV文件中；

·通过以太网的数据传输和FTP直接访问该PLC；

·通过一些HMI /SCADA应用程序控制测量系统和数据可视化（专为VNC本

地可视化设计）。

图2a显示了该系统的硬件部分，它存放在一个适用于移动的安装箱内（生产者：Spelsberg; ingress保护：IP66）。如果PLC配置正确，则配置足够电源（即230 VAC，交流部分为50 Hz; 24VDC用于直流部分）。自然，AC部分是安全覆盖，可以消除电击的危险。 1-Wire/ RS-232转换器通常是两片；在3-渠道测量，总数为3。

图2A 自主研发的紧凑型系统的硬件，用于测量温度曲线。

3.2 软件部分

从软件设备的角度来看，测量系统由如下三部分组成：

·用于管理通信和连接的传感器的部分；

·用于评估所获得的数据的是其系统归档的部分；

·通过VNC客户端可视化获取的数据的部分；

根据可视化应用程序中的操作和规定，可以将数据发送到主计算机或通过以太网将其保存到CSV文件中。由于嵌入式FTP服务器，也可以随时下载并打开保存的CSV文件。 而且在某些PLC出现故障的情况下，FTP服务器和CSV文件上的数据仍然可用，而CSV文件中的实际位置信息也保存在TXT日志文件中。 此外，另外两个文件被保存到闪存卡中以备份文件和系统的当前配置。

图2B 开发的测量系统的块方案，通过带有DS18B20传感器的测量电缆连接到钻孔收集器（或U型管）。

闪存卡包括这些文件，如：

·CSV数据文件（“VMx_year_month.csv”或“PTx_year_month.csv”） - 在此文件

中有关于文件头，测量通道ID，时间戳和温度传感器类型的信息。 如果数据记录被

激活，则数据将以10秒的时间段保存到该文件中。 该文件用于一些离线分析。

Ilename字符串集中时间戳的一部分（即“year_month”）和用于分别确定传感器类

型和测量通道ID的标志串 - i。 例如，“VMx”用于通过1-Wire总线的DS18B20

传感器，“PTx”用于Pt1000传感器。 例如，2013年2月，创建名为“VM1_2013_02”

的测量文件。 第一个文件头始终是此文件的第一行； 在使用DS18B20传感器进行测

量的情况下，文件题包含一个特殊的行，其中包含已找到（和/或可用）传感器的所

谓ROM代码。

·间距文件（InitFile.txt） - 它是一个简单的TXT文件，包括数字形式的备份配

置，与CSV数据文件中当前写入的行密切相关。

·配置文件（ConfigFile.txt） - 它也是一个简单的TXT文件，包括一组配置编号，

与基本配置参数（例如测量激活）和系统配置密切相关（例如，“config on / off”

参数用于启用使用此文件配置此系统）。一般而言，其目的是当VNC

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