技术领域
[0001] 本实用新型涉及建筑技术领域，更具体地说，涉及一种分布式冻土层温度场在线监测装置。
背景技术
[0002] 冻土是指零摄氏度以下，并含有
冰的各种
岩石和
土壤。冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。所以在冻土地域进行工程建设，比如
铁路、石油管道等， 就需要对冻土的状态进行监测，尤其是冻土层的温度。 比如由于季节变化或者管道自身的温度导致的铁路或
输油管道周边形成融化圈，这样冻土融化坍缩会将
水分排出，这样就会降低冻土对路基或管道的
支撑力，从而导致管道沉降，而且一旦发生严重的融沉，往往很难恢复，将会极大影响铁路或管道的运行安全，因为冻土是一种对温度变化非常敏感的介质，其冻胀和融沉等现象的产生大都源自温度。 现有的冻土层温度测量，目前多采用人工预埋设测温
电缆或采用光纤光栅型
温度计进行冻土层温度测量，但是两种方法目前存在的最大问题都是成本高，无法大规模推广，尤其是光纤光栅型温度计测量，系统成本除了
传感器和设备外，还需要考虑整个光纤光栅的光路保护，而且发生损坏后，更换极为不便，最后整个系统的功耗也较高，整个系统对供电的要求较高，需要在监测区间内等间隔配置RTU
阀室提供
能源和系统控制，而且在阀室断电的条件下，阀室内的光纤解调仪、
液晶屏、通信端口等设备和配件会频繁冻坏，维修成本高，而且对整个被监测对象的数据影响更加无法估量，本实用新型针对以上问题提出了一种新的解决方案。
实用新型内容
[0003] 针对
现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种分布式冻土层温度场在线监测装置，以解决背景技术中所提到的技术问题。
[0004] 为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。
[0005] 一种分布式冻土层温度场在线监测装置，包括温度场测温电缆、温度采集模
块、系统低功耗管理模块和数据传输模块，所述温度场测温电缆包括测温电缆和输油管道，所述温度采集模块与测温电缆连接，所述数据传输模块包括DTU模块、DTU网络基站、监控中心和一体化监测基站，一体化监测基站与DTU网络基站连接，DTU网络基站与监控中心连接，所述系统低功耗管理模块包括供电管理组件和锂
电池，锂电池与供电管理组件连接。
[0006] 优选的是，所述测温电缆通过电缆管道安装在冻土层中。
[0007] 在上述任一方案中优选的是，所述一体化监测基站连接有支撑组件，该支撑组件包括防冻拔地下
基础和地上基础，所述防冻拔地下基础和地上基础与一体化监测基站连接。
[0008] 在上述任一方案中优选的是，所述温度采集模块包括依次连接的温度传感器、温度
开关、功率驱动模块、阻性功率发热元件、1-wire
驱动器、微
控制器、RS485驱动器和Nandflash。
[0009] 在上述任一方案中优选的是，所述供电管理组件包括
太阳能电池板和电源管理模块，
太阳能电池板通过电源管理模块与锂电池连接。
[0010] 在上述任一方案中优选的是，所述
微控制器将数据冗余备份到Nandflash中。
[0011] 在上述任一方案中优选的是，所述温度采集模块实时通过测温电缆读取冻土层温度数据，并通过DTU模块和DTU网络基站发送给监控中心。
[0012] 相比于现有技术，本实用新型的优点在于：
[0013] 本实用新型
专利通过采用
现场总线型的测温电缆针对冻土层的不同深度和被测结构物如输油管道、铁路基础等进行实时的温度在线监控，得到被测结构物的周边冻土层温度值，根据冻土层的温度场变化趋势可以提前判断出被测冻土层截面的融化圈或融沉情况，提前发出预警，并针对性的进行危害检查和排除，针对
风险源的监控达到了实时、无人值守的效果，也间接降低了人工巡查的成本。
附图说明
[0014] 图1为本实用新型为地埋式输油管道与监测装置的配合结构示意图；
[0015] 图2为本实用新型中温度采集模块
框图的结构示意图；
[0016] 图3为本实用新型中分布式系统网络拓扑结构图。
[0017] 图中标号说明：
[0018] 1、测温电缆，2、温度传感器，3、输油管道，4、电缆管道，5、防冻拔地下基础，6、地上基础，7、温度采集模块，8、DTU模块，9、
太阳能电池板，10、电源管理模块，11、温度开关，12、功率驱动模块，13、阻性功率发热元件，14、锂电池，15、1-wire驱动器，16、微控制器，17、RS485驱动器，18、Nandflash，19、一体化监测基站，20、DTU网络基站，21、监控中心。
具体实施方式
[0019] 下面将结合本实用新型
实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0020] 实施例1：
[0021] 请参阅图1-3，一种分布式冻土层温度场在线监测装置，它包括测温电缆1、温度传感器2、输油管道3、电缆管道4、防冻拔地下基础5、地上基础6、温度采集模块7、DTU模块8、太阳能电池板9、电源管理模块10、温度开关11、功率驱动模块12、阻性功率发热元件13、锂电池14、1-wire驱动器15、微控制器16、RS485驱动器17、Nandflash18、一体化监测基站19、DTU网络基站20和监控中心21，由总线型的数字式温度传感器组成的测温电缆1通过电缆管道4安装在冻土层中，并通过温度采集模块7将被监测断面的温度数据通过DTU模块8发送给监控中心21；一体化监测基站19由地上基础6和防冻拔地下基础5支撑保证其
稳定性；当
环境温度低于-10℃时，温度采集模块7内部的温度开关11导通启动功率驱动模块12对阻性功率发热元件13提供
能量保证温度采集模块7正常工作。
[0022] 温度采集模块7实时通过测温电缆1读取冻土层温度数据，并通过DTU模块8和DTU网络基站20发送给监控中心21；一体化监测基站19安装在防冻拔地下基础5和地上基础6之上；太阳能电池板9通过电源管理模块10对锂电池14供电；微控制器16将数据冗余备份到Nandflash18中。
[0023] 实施例2：
[0024] 在实施例1的基础上：
[0025] （1）温度采集模块的实现：温度采集模块主要由微控制器16、1-wire驱动器15、RS485驱动器17、Nandflash18、锂电池14、电源管理模块10、温度开关11、功率驱动模块12、阻性功率发热元件13组成。1-wire驱动器15是专
门驱动测温电缆中使用的1-wire型数字式温度传感器，如美信公司的DS18B20等。RS485驱动器17主要负责通过DTU模块8与监控中心进行通信。Nandflash18作为温度采集模块7的数据冗余备份，当无线通信网络发生故障时，微控制器16能够将未上传的数据在本地存储并打上时间戳，待网络恢复后，再将之前未上传的数据重新发送。微控制器16可采用TI公司的低功耗型
单片机如MSP430F1xx系列。电源管理模块10可以采用美信公司的MAX1555，其支持外部5V太阳能电池板对3.7V的锂电池进行充电。由于温度采集模块7内置锂电池14，而锂电池14一般不能工作在低于零下10摄氏度的环境，所以需要由温度开关11、功率驱动模块12、阻性功率发热元件13组成的热反馈系统来保证温度采集模块局部的工作环境温度，工作流程是：温度开关11在环境温度高于设定的温度值如-10摄氏度时，温度开关11处于常开状态，功率驱动模块12和阻性功率发热元件13不工作。当环境温度低于设定的温度值如-10摄氏度时，温度开关11此时连通电源和功率驱动模块，功率驱动模块12驱动阻性功率发热元件13输出热量，保证环境温度不低于-10℃，从而保证了锂电池14以及相关元件能够正常工作。
[0026] （2）一体化监测基站的技术要求，由于地表发生冻胀时，会带着土层中埋藏的物体一起向上运动，当地面融化时，土层发生沉降，土层埋藏的物体由于原来的
位置被周围土体填充，不能回到原来的位置，而是停留在比原来的位置较高的地方，这一过程叫做冻拔作用。在周期性的冻拔作用下，传感器的地埋线、设备基站的基础都存在损毁的风险，所以一体化监测基站19的基础应有防冻拔的设计，机箱机柜应该有防水、防潮、抗低温的设计。本系统针对一体化监测基站19的基础的两个防冻拔措施是：a、将地下基础周围一定范围内的冻胀性土壤换填为非冻胀的沙石、卵石、碎石、
沥青渣、油砂等。一般50cm直径的地下基础，换填土范围为直径200cm，深度为地下基础以下50cm。b、再采用各种保温材料如炉渣、玻璃
棉制品、硬质
泡沫塑料等
覆盖在地下基础的侧表面。
[0027] （3）测温电缆的技术要求是：由于测温元件的封装和安装对系统监测的准确性和有效性有直接的影响。也是本系统最为关键和基础的部分， 要求测温线缆具有高强度、密封防水、耐老化、耐低温的特点，实际我们选用了PUR型聚
氨酯带
钢丝软管，其物理性能以及化学性能完全满足环境要求，同时将PUR
软件至于电硬质地埋管道中二次保护。
[0028] 测温电缆安装工艺流程为：被测结构物的预处理（如管道的除锈、防腐保温）---被测结构物的测温线缆安装（如附图1所示的温度传感器2）---监测单元内综合布线保护（1-wire总线通过专用电缆管道埋设于地表）---温度场周边测温线缆的安装---一体化野外监测基站的建设安装。
[0029] （4）系统能耗估算：本系统自身平均功耗为20mA（考虑休眠和工作的均值），工作
电压为3.7V单节锂电池14，每天的能量损耗Pa=1.776Wh。太阳能电池板选用5V/1W的规格，每天按照3个小时的有效光照，则每天能提供给系统充电的能量为Pb=3Wh。由于Pb大于Pa，所以每天太阳能电池板提供的能量完全满足系统的要求，但是除了正常日照情况外，还需要考虑连续阴雨
雪天气的影响，所以系统配置了一块3.7V/5Ah的锂电池，根据锂电池14的容量可以计算出系统在无太阳能电池供电的条件下，能够运行的时间为T=10天，满足要求。
[0030] （5）一体化监测基站19可以根据监控中心21设定的采集粒度，在规定的时间内上报温度数据组，该温度数据组在监控中心21的
数据库中存储，并通过专用分析软件绘制成温度场实时监控趋势图，并分析被监测冻土层的风险趋势。
[0031] 以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式；但本实用新型的保护范围并不局限于此。任何熟悉
本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。
