地源熱泵中光纖光柵土壤溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

劉學(xué)君，袁碧賢,2，盧 浩,2，吳艷元，鐘少龍，戴 波

(1.北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京 102617；2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100029；3.天普新能源科技有限公司，北京 102612；4.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050)

0 引言

近年來，新型熱泵組合形式——太陽(yáng)能和地源熱泵系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院彭應(yīng)登提出燃煤對(duì)霧霾的“貢獻(xiàn)率”達(dá)18.7%，應(yīng)逐步削減煤炭用量[3]。影響地源熱泵系統(tǒng)的相關(guān)量中，土壤熱量分析是一個(gè)重要參數(shù)[4-5]。光纖以其頻帶寬、損耗低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，而得到廣泛應(yīng)用[6-7]。光纖光柵測(cè)溫成本低，精度可達(dá)0.5 ℃。依托北京某試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)，采用光纖光柵傳感器及配套解調(diào)裝置測(cè)量10個(gè)井周圍土壤溫度，并采用無線模塊實(shí)現(xiàn)了GSM/GPRS數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)傳，完成了近一年的數(shù)據(jù)采集和分析，系統(tǒng)性地研究了土壤熱量情況。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文實(shí)現(xiàn)了北京太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供能系統(tǒng)某試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)10個(gè)井的土壤溫度采樣與遠(yuǎn)傳。其光纖光柵傳感的土壤熱量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。將光纖光柵傳感器依次布設(shè)到每一口井的不同土壤深度。光纖解調(diào)主機(jī)完成10個(gè)通道的溫度測(cè)量后，數(shù)據(jù)匯總到以進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)器(advanced RISC machine,ARM)為核心的數(shù)據(jù)處理傳輸模塊，再通過以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了本地LED大屏幕的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和分析。基于SIM900A無線模塊實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理和分析。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 光纖光柵測(cè)溫原理

光纖光柵是利用摻雜光纖的光致折射率變化特性，通過特殊工藝，使得光纖纖芯的折射率發(fā)生永久性周期變化而形成的一種反射型光纖無源器件。當(dāng)寬帶光波通過光纖光柵時(shí)，對(duì)滿足布拉格條件的入射光產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射，并沿原傳輸光纖返回；而其他波長(zhǎng)的光波可以無損耗地通過。透射的其他波長(zhǎng)光波可以繼續(xù)傳輸給其他具有不同中心波長(zhǎng)的光纖光柵陣列。其中，相應(yīng)中心波長(zhǎng)的窄帶光系列將被逐一反射，全部沿原傳輸光纖返回，由此實(shí)現(xiàn)多個(gè)光纖光柵傳感器的波分復(fù)用，即準(zhǔn)分布式測(cè)量[8-9]。光纖光柵中心波長(zhǎng)范圍為1 526.5～1 563 nm，3 dB帶寬為0.2 nm，反射率大于90%，柵區(qū)長(zhǎng)度為10 mm，邊模抑制比大于15 dB，波長(zhǎng)間隔通常為1.5～3 nm(根據(jù)測(cè)溫范圍不同，每100 ℃對(duì)應(yīng)約1 nm波長(zhǎng)變化)。光纖光柵測(cè)溫原理如圖2所示。

圖2 光纖光柵測(cè)溫原理圖

當(dāng)其所處的溫度場(chǎng)變化時(shí)，溫度與光纖光柵波長(zhǎng)變化的關(guān)系為[10]：

(1)

式中:α為光纖的熱膨脹系數(shù),主要引起柵格的周期的變化，取α=5.5×10-7K-1；ξ為光纖的熱光系數(shù)，主要引起光纖的折射率的變化，取ξ=7.0×10-6K-1。

光纖光柵利用了光纖材料的光敏性。外界入射光子和纖芯相互作用，會(huì)引起后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單模光纖(直徑為0.125～0.25 mm)的纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，其實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾光器或反射鏡。光纖光柵制作原理如圖3所示。

圖3 光纖光柵制作原理圖

制作完成后的光纖光柵，相當(dāng)于在普通光纖中形成了一段長(zhǎng)度為10 mm左右的敏感區(qū)，可以準(zhǔn)確感測(cè)溫度、應(yīng)力的變化。

對(duì)土壤進(jìn)行溫度采樣，將光纖光柵依次垂直埋入地下，共10個(gè)通道，每個(gè)通道有12個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)之間相隔10 m。光纖光柵數(shù)據(jù)處理模塊參數(shù)如下： FT810系列光纖傳感分析儀內(nèi)部的波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器，波長(zhǎng)范圍為1 525～1 565 nm，3 dB線寬為0.03 nm，峰值功率為1 mW，掃描頻率為10 000 Hz；光電探測(cè)器帶寬為25 MHz，可探測(cè)光功率范圍為100～10 mW；數(shù)據(jù)采集卡為18通道同步105 Msps/16 bit,1 000 M以太網(wǎng)接口；測(cè)溫精度為±0.5 ℃，分辨率為0.1 ℃，測(cè)量時(shí)間≤1 s，光纜傳輸距離≥40 km，通信接口為RS-485串口。

1.3 數(shù)據(jù)處理傳輸模塊

以ARM內(nèi)核Cotex-M3的STM32F103芯片為核心的數(shù)據(jù)處理傳輸模塊，包括電源、光纖傳感數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、無線通信等子模塊。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖傳感數(shù)據(jù)接收模塊，最終完成數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸[11-12]。

光纖光柵數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算得到的溫度通過RS-485總線ModBus協(xié)議傳輸給光纖傳感數(shù)據(jù)接收模塊，最終完成數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸出去。RS-485數(shù)據(jù)格式為1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位和偶校驗(yàn)，波特率為38 400 bit/s。ModBus協(xié)議數(shù)據(jù)請(qǐng)求協(xié)議、數(shù)據(jù)接收協(xié)議分別如表1、表2所示。

表1 數(shù)據(jù)請(qǐng)求協(xié)議

表2 數(shù)據(jù)接收協(xié)議

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線數(shù)據(jù)采集卡逐漸涌現(xiàn)。SIM900A芯片在眾多項(xiàng)目中的成功實(shí)踐，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡的無線通信提供了新思路[13]。RS-485 總線是一種廣泛應(yīng)用工業(yè)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的串行總線，具有高靈敏度，傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)[14-15]。

無線通信模塊采用 SIM900A 芯片，將光纖采集模塊的10個(gè)通道總計(jì)120個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)以int格式組成協(xié)議包，實(shí)現(xiàn)GSM/GPRS遠(yuǎn)傳。數(shù)據(jù)協(xié)議如表3所示，共256 B。校驗(yàn)占用2 B采用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(cyclic redundancy check，CRC)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式計(jì)算，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。

表3 無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

2 數(shù)據(jù)分析

從2016年1月到2016年12月，完成了持續(xù)近一年的、對(duì)北京市某地源熱泵與太陽(yáng)能聯(lián)合供能系統(tǒng)中土壤溫度的采樣監(jiān)測(cè)。測(cè)試點(diǎn)1即為靠近地面的光纖光柵傳感器1，測(cè)試點(diǎn)1～12依次以10 m遞增深入地下，進(jìn)行準(zhǔn)分布式測(cè)溫。

圖4為2016年9月10日某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)曲線圖，選取6號(hào)、7號(hào)、9號(hào)、10號(hào)井的12個(gè)測(cè)試點(diǎn)溫度折線圖。可以看出，對(duì)于不同的井，在同樣測(cè)試點(diǎn)即同樣土壤層深度的光纖傳感器測(cè)量溫度相差不大，最大偏差小于2 ℃。

圖4 測(cè)試點(diǎn)溫度曲線圖

圖5所示為測(cè)試點(diǎn)1和測(cè)試點(diǎn)3在不同時(shí)間的溫度折線圖。

選取10個(gè)井的光柵測(cè)試點(diǎn)1和光柵測(cè)試點(diǎn)3在1、3、5、7、9月某一天的溫度值。由圖5可知，隨著大氣中溫度的增加，土壤溫度也隨之增加，上下浮動(dòng)不超過10 ℃，一年中土壤溫度在8～25 ℃的范圍內(nèi)波動(dòng)。

對(duì)取暖季和制冷季，即1月和7月的12個(gè)測(cè)試點(diǎn)，取10個(gè)井的平均數(shù)據(jù)，可得到如圖6所示的平均溫度折線圖。

圖5 不同時(shí)間溫度折線圖

圖6 平均溫度折線圖

由圖6可知，當(dāng)有大量的光照，土壤溫度隨之升高，夏季溫度與冬季溫度最大偏差為9 ℃，土壤表層受外界氣候變化和光照影響比較大；隨著土壤的深度增加，兩者溫度相差越來越少，大約為2 ℃。而地表溫度較地下120 m處，夏季溫度降低5 ℃左右，冬季溫度比較平穩(wěn)。

3 結(jié)束語

本文采用光纖光柵，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能與地源熱泵聯(lián)合供能系統(tǒng)中土壤溫度的監(jiān)測(cè)與分析，并完成了北京市某現(xiàn)場(chǎng)10個(gè)井共計(jì)120個(gè)測(cè)試點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)傳和土壤溫度分析。其中：光纖光柵柵區(qū)長(zhǎng)度為10 mm，可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)范圍為1 525～1 565 nm，3 dB線寬為0.03 nm，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)分布式測(cè)溫，測(cè)量精度達(dá)到0.5 ℃。近一年的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，不同季節(jié)土壤溫度分布不均衡，需要后續(xù)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，以積累數(shù)據(jù)，從而為進(jìn)一步優(yōu)化太陽(yáng)能及地源熱泵聯(lián)合供能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了有力的數(shù)據(jù)支持和指導(dǎo)。