地源热泵中光纤光栅土壤温度监测系统研究

刘学君，袁碧贤,2，卢 浩,2，吴艳元，钟少龙，戴 波

(1.北京石油化工学院信息工程学院，北京 102617；2.北京化工大学信息科学与技术学院，北京 100029；3.天普新能源科技有限公司，北京 102612；4.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050)

0 引言

近年来，新型热泵组合形式——太阳能和地源热泵系统得到了广泛应用[1-2]。北京市环境保护科学研究院彭应登提出燃煤对雾霾的“贡献率”达18.7%，应逐步削减煤炭用量[3]。影响地源热泵系统的相关量中，土壤热量分析是一个重要参数[4-5]。光纤以其频带宽、损耗低、抗干扰能力强等特点，而得到广泛应用[6-7]。光纤光栅测温成本低，精度可达0.5 ℃。依托北京某试点现场，采用光纤光栅传感器及配套解调装置测量10个井周围土壤温度，并采用无线模块实现了GSM/GPRS数据采集和远传，完成了近一年的数据采集和分析，系统性地研究了土壤热量情况。

1 系统设计

1.1 系统结构

本文实现了北京太阳能与地源热泵联合供能系统某试点现场10个井的土壤温度采样与远传。其光纤光栅传感的土壤热量监测系统结构如图1所示。将光纤光栅传感器依次布设到每一口井的不同土壤深度。光纤解调主机完成10个通道的温度测量后，数据汇总到以进阶精简指令集机器(advanced RISC machine,ARM)为核心的数据处理传输模块，再通过以太网，实现了本地LED大屏幕的数据实时显示和分析。基于SIM900A无线模块实现温度数据的实时远传，服务器接收数据后完成数据的存储处理和分析。

图1 系统结构图

1.2 光纤光栅测温原理

光纤光栅是利用掺杂光纤的光致折射率变化特性，通过特殊工艺，使得光纤纤芯的折射率发生永久性周期变化而形成的一种反射型光纤无源器件。当宽带光波通过光纤光栅时，对满足布拉格条件的入射光产生强烈的反射，并沿原传输光纤返回；而其他波长的光波可以无损耗地通过。透射的其他波长光波可以继续传输给其他具有不同中心波长的光纤光栅阵列。其中，相应中心波长的窄带光系列将被逐一反射，全部沿原传输光纤返回，由此实现多个光纤光栅传感器的波分复用，即准分布式测量[8-9]。光纤光栅中心波长范围为1 526.5～1 563 nm，3 dB带宽为0.2 nm，反射率大于90%，栅区长度为10 mm，边模抑制比大于15 dB，波长间隔通常为1.5～3 nm(根据测温范围不同，每100 ℃对应约1 nm波长变化)。光纤光栅测温原理如图2所示。

图2 光纤光栅测温原理图

当其所处的温度场变化时，温度与光纤光栅波长变化的关系为[10]：

(1)

式中:α为光纤的热膨胀系数,主要引起栅格的周期的变化，取α=5.5×10-7K-1；ξ为光纤的热光系数，主要引起光纤的折射率的变化，取ξ=7.0×10-6K-1。

光纤光栅利用了光纤材料的光敏性。外界入射光子和纤芯相互作用，会引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤(直径为0.125～0.25 mm)的纤芯内形成空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。光纤光栅制作原理如图3所示。

图3 光纤光栅制作原理图

制作完成后的光纤光栅，相当于在普通光纤中形成了一段长度为10 mm左右的敏感区，可以准确感测温度、应力的变化。

对土壤进行温度采样，将光纤光栅依次垂直埋入地下，共10个通道，每个通道有12个测试点，测试点之间相隔10 m。光纤光栅数据处理模块参数如下： FT810系列光纤传感分析仪内部的波长可调谐激光器，波长范围为1 525～1 565 nm，3 dB线宽为0.03 nm，峰值功率为1 mW，扫描频率为10 000 Hz；光电探测器带宽为25 MHz，可探测光功率范围为100～10 mW；数据采集卡为18通道同步105 Msps/16 bit,1 000 M以太网接口；测温精度为±0.5 ℃，分辨率为0.1 ℃，测量时间≤1 s，光缆传输距离≥40 km，通信接口为RS-485串口。

1.3 数据处理传输模块

以ARM内核Cotex-M3的STM32F103芯片为核心的数据处理传输模块，包括电源、光纤传感数据接收、数据存储、实时时钟、无线通信等子模块。传感器数据经过光纤传感数据接收模块，最终完成数据采集与存储，并将数据通过无线方式传输[11-12]。

光纤光栅数据处理模块计算得到的温度通过RS-485总线ModBus协议传输给光纤传感数据接收模块，最终完成数据采集与存储，并将数据通过无线方式传输出去。RS-485数据格式为1位起始位、8位数据位、1位停止位和偶校验，波特率为38 400 bit/s。ModBus协议数据请求协议、数据接收协议分别如表1、表2所示。

表1 数据请求协议

表2 数据接收协议

随着无线通信技术的发展，无线数据采集卡逐渐涌现。SIM900A芯片在众多项目中的成功实践，为实现数据采集卡的无线通信提供了新思路[13]。RS-485 总线是一种广泛应用工业监测领域的串行总线，具有高灵敏度，传输信号能在千米以外得到恢复[14-15]。

无线通信模块采用 SIM900A 芯片，将光纤采集模块的10个通道总计120个测试数据以int格式组成协议包，实现GSM/GPRS远传。数据协议如表3所示，共256 B。校验占用2 B采用循环冗余校验码(cyclic redundancy check，CRC)。对数据进行多项式计算，以保证数据传输的正确性和完整性。

表3 无线数据传输协议

2 数据分析

从2016年1月到2016年12月，完成了持续近一年的、对北京市某地源热泵与太阳能联合供能系统中土壤温度的采样监测。测试点1即为靠近地面的光纤光栅传感器1，测试点1～12依次以10 m递增深入地下，进行准分布式测温。

图4为2016年9月10日某一时刻的数据曲线图，选取6号、7号、9号、10号井的12个测试点温度折线图。可以看出，对于不同的井，在同样测试点即同样土壤层深度的光纤传感器测量温度相差不大，最大偏差小于2 ℃。

图4 测试点温度曲线图

图5所示为测试点1和测试点3在不同时间的温度折线图。

选取10个井的光栅测试点1和光栅测试点3在1、3、5、7、9月某一天的温度值。由图5可知，随着大气中温度的增加，土壤温度也随之增加，上下浮动不超过10 ℃，一年中土壤温度在8～25 ℃的范围内波动。

对取暖季和制冷季，即1月和7月的12个测试点，取10个井的平均数据，可得到如图6所示的平均温度折线图。

图5 不同时间温度折线图

图6 平均温度折线图

由图6可知，当有大量的光照，土壤温度随之升高，夏季温度与冬季温度最大偏差为9 ℃，土壤表层受外界气候变化和光照影响比较大；随着土壤的深度增加，两者温度相差越来越少，大约为2 ℃。而地表温度较地下120 m处，夏季温度降低5 ℃左右，冬季温度比较平稳。

3 结束语

本文采用光纤光栅，实现了太阳能与地源热泵联合供能系统中土壤温度的监测与分析，并完成了北京市某现场10个井共计120个测试点的实时数据无线远传和土壤温度分析。其中：光纤光栅栅区长度为10 mm，可调谐激光器波长范围为1 525～1 565 nm，3 dB线宽为0.03 nm，实现了准分布式测温，测量精度达到0.5 ℃。近一年的监测结果表明，不同季节土壤温度分布不均衡，需要后续的持续监测，以积累数据，从而为进一步优化太阳能及地源热泵联合供能系统的设计提供了有力的数据支持和指导。