基于CAN总线的地热井温度探测与评估系统
摘 要： 为了能够准确评估地热井内温度变化和资源储量信息，采用CAN通信技术设计了地热井温度探测与评估系统，系统主要由温度监测节点和上位机组成。温度监测节点以处理器STM32F103作为控制平台，通过高精度传感器PT100测量地热井内不同梯度上的温度，并经由CAN总线传送到上位机服务器进行处理，同时存储在数据库中便于评估地热资源时使用。实验结果表明，设计的地热井温度采集系统能够长期监测并精确测量地热井内温度的变化情况，为地热资源勘探和开发评估提供了有力的数据支持。
关键词： 地热开发； 温度探测； 储能计算； CAN总线； 评估分析
中图分类号： TN710?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 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
地热资源来源于地质活动产生的能量，是大自然赐予人类的宝贵资源。由于地热资源深埋于地下，虽然说储量非常巨大，但是受作业环境和技术条件的限制，目前掌握的开采技术并不多，为了能够合理规划和可持续地开发利用地热资源，开发前的勘查和评估就显得非常有必要了[1?2]。
温度是计算热储能和评价地热资源最重要的参数，而且在开发利用的过程中，由于吸热负荷的波动，也需要对水源热泵的工作输出功率进行调整，这时也需要对水温进行预测和了解[3]。为此，采用CAN总线技术设计了温度采集与评估系统，通过安装在每个垂直梯度的温度采集终端获取地热井内的温度信息，从而得到整个地热田内的地温场，为计算热储能提供依据，同时，还可以圈定地热田内的异常范围，给地热资源勘探和评估提供有力的数据支持。
1 地热资源分类与储能计算
1.1 地热资源分类
地热资源有很多类，通常可按照温度将其划分为高温、中温和低温三种[4]。再依照温度的范围对其进行分级，并在各个领域的实际应用中总结出对应的用途，如表1所示。
热储温度一般采用地球化学温标计算法、地温梯度推算法和直接测量法。但是从计算方法来看，前两种方法测得的误差较大，这对于巨大的开发投入成本来说风险很大。而直接法是最精确的，本文采用直接法对地热井内的温度变化情况进行探测。
1.2 热储能的计算
在计算热储能前需要查明热储分布面积、深度、厚度、岩石特性和孔隙率等地质参数[5]。热储能的计算可表示为：
（1）
式中：表示地熱资源总量，单位为kcal；表示热储面积，单位为m2；表示热储厚度，单位为m；和分别表示热储温度和基准温度，单位为℃；和分别表示岩石和水的密度，单位为kg/m3；和分别表示岩石和水的比热容，单位为kcal/kg·℃；表示岩石的孔隙度。
2 系统整体结构
为了获取更准确的数据，采用直接测量法采集地热井中的温度信息。利用多井和多梯度测量方法进行探测，能够更全面的获取大面积区域内地热资源的分布情况，系统主要由多个温度采集节点、上位机服务器和CAN总线网络等组成[6?7]。系统构成示意图如图1所示。
按照在垂直方向上每100 m一个梯度在每眼地热井中安装温度采集节点，每个节点都有惟一的ID编号，根据系统设置定时向探测中心的上位机发送采集到的温度数据。上位机安装了支持CAN总线通信的PCI板卡，接收来自探测井下各温度监测节点的数据，经过处理后进行实时显示，同时将其存储到数据库中。在投入开发前，经过长时间的监测，可以绘制温度?时间曲线，并建立整个地热田温度场模型，计算该地区的热能储量，为进一步的评估和规划提供数据依据。
3 温度采集终端硬件结构
温度采集节点是测量地热田内的地温、地温梯度、空间分布和变化规律的直接设备，主要由处理器STM32F103，PT100温度传感器、调理电路、CAN总线控制器、隔离收发器CTM8250T和电源管理电源等组成[8]。硬件结构如图2所示。
3.1 温度传感器PT100
考虑到温度采集节点的工作环境非常复杂，在地下岩层中的温度有时会突变很大，所以系统采用铂丝热电阻传感器PT100对地热井下的温度进行测量，能够适应-200～650 ℃的高温条件[9?10]。由于PT100的阻值跟温度表现出非常稳定的线性关系，所以就可以根据PT100的电阻获得温度信息，为了提高测量的精度和稳定性，采用桥式测温电路对其进行放大和调理，桥式测温调理电路如图3所示。
通过可控精密稳压源TL431与电位器的配合使用，使得A点处的电压为4.096 V。从图3中可以看出，的阻值为100 Ω，当PT100处在零度环境时，电桥达到平衡，输出的电压为零；而当RPT100≠时，就会输出毫伏级的压差信号，为了便于与A/D转换芯片的输入口对接，采用LM324对这个毫伏级的信号进行放大倍，这样就能通过测量电桥输出的电压值反推出PT100的阻值，最后根据PT100的电阻分度表得到温度数据。所以如果调整放大的倍数，就能够满足测量不同温度范围的要求[11?12]。由于PT100对温度很敏感，所以一般要求通過PT100的电流不能超过1 mA，否则，电流过大后会使自身发热从而造成测量误差，避免在进行温度测量时受到温漂的影响导致其阻值与温度出现非线性。
3.2 CAN总线接口隔离器
由于长距离的通信很容易受到高共模电压和强电磁辐射的影响，且一旦某一个节点的设计上出现了问题，就会导致整个CAN?bus上的通信不畅，尤其在地下深达几千米的恶劣环境中，所以系统引入收发器CTM8250T。
CTM8250T特性如下：
集成了总线保护、信号隔离和电源隔离等功能；符合RoHS环境保护的认可，ESD接触放电4 kV；
隔离电压为2 500 V DC；
CANH，CANL引脚可承受±8 kV静电；
电源端口浪涌测试1 kV、信号端口2 kV；
波特率可以自动适应40 Kb/s～1 Mb/s 和5 Kb/s～1 Mp/s两种模式[13]；
具有较强的抗电磁干扰能力，能够大大减小由于大地环路电势差带来的不利因素。
由于隔离收发器CTM8250T在控制器跟收发器中间采取了隔离，所以能够使控制器在复杂的地层中受到较小的干扰，也能有效减少被损坏的可能性。
4 实验分析
4.1 上位机管理软件
为了与各温度监测节点通过CAN总线进行通信，上位机安装了支持CAN总线通信的PCI板卡。上位机管理软件借助VC++ 6.0独立开发，具有网络设置、配置管理、权限管理和日志管理、数据收发、数据实时显示、统计分析、曲线展示、评估模块、数据存储和报表打印等功能[14?16]。
探测中心上位机管理软件功能结构，如图4所示。
地热井内各温度监测节点通过CAN发送到上位机的服务器上，发送周期可以在上位机上进行设置。
上位机接收来自各地热井中各梯度上温度采集节点发来的温度数据，经过处理和统计分析等过程再将数据存入到数据库中。
4.2 实验结果与分析
对华北平原一处非火山型中低温地热资源进行探测和评估，根据上位机数据中的数据，本次探测区域面积为15 000 m×9 000 m=1.35×108 m2，从上位机中得到6个月内该区域5眼地热井中的温度数据，统计策略为每个监测节点每20 min采集并发送一次数据，采集的对象为深度<1 000 m的温度数据，结果如表2所示。
表2中每个数据为该节点在对应的梯度上180天中得到所有数据的平均值。
从表2中的数据可以看出，在深度为1 000 m的梯度上温度已达到79.82 ℃，由于随着深度的不断增加，开发成本也会剧增，综合分析认为该段已达到开采条件，是较好的储热层，且通过长期的监测，得到的数据相对稳定，具有一定的开发价值。根据式（1）和该地区地质情况就能得出该区域在这个梯度上的储热总量。
5 结 语
针对地热井内复杂的环境，设计了基于CAN总线的地热井温度探测与评估系统，采用直接测量法对地热井资源进行温度探测，温度传感器利用高精度铂电阻PT100，并借助CAN实现了多个温度采集点的组网，将温度数据定时传送到上位机进行处理，便于精确计算热储能。结果表明，设计的系统具有耐高温且工作稳定的特性，能够采集深达1 000 m的温度数据，给地热资源勘探和评估提供强有力的数据支持。
参考文献
[1] 董超，甘朝辉，肖友发.王家庄地热田成因及地热资源评价[J].安全与环境工程，2012，19（1）：43?47.
[2] 方连育，杜红普，齐承英.衡水市第三系地热水供热系统梯级综合应用实例与分析[J].河北工业大学学报，2012，41（2）：69?73.
[3] 熊永柱，陈峰，黄少鹏.基于遥感技术的腾冲地热异常区识别[J].成都理工大学学报（自然科学版），2016，43（1）：109?118.
[4] 朱永琴，翁其能，李瑛.地热资源勘查风险决策评价模型研究[J].地下空间与工程学报，2012，8（4）：852?856.
[5] 田光辉，林黎，程万庆，等.天津市浅层地热能开发利用动态监测网建设[J].中国地质，2011，38（6）：1660?1666.
[6] 王圣旭，游藩，陈敏，等.基于CAN总线的某随动系统故障检测装置的设计[J].现代电子技术，2015，38（8）：128?131.
[7] 张雨，刘玉梅，巴鹏，等.基于CAN总线的WebAccess润滑站控制系统[J].润滑与密封，2014，39（5）：93?97.
[8] 刘刚，陈树新.基于STM32的铂热电阻桥式测温系统设计与实现[J].自动化与仪表，2014，29（1）：53?56.
[9] 张志勇，辛长宇，朱玉龙，等.Pt100温度传感器非线性的补偿方法与电路实现[J].电子器件，2007，30（6）：2189?2191.
[10] 朱杰，郭濤.一种Pt100温度传感器的动态热响应模型[J].传感技术学报，2013，26（1）：73?77.
[11] 邱贺，段永红.用于感应式磁传感器低噪声前置放大器的研制[J].仪表技术与传感器，2015（1）：22?23.
[12] 郑贵林，王振杰.新型多路Pt100温控变送器[J].仪表技术与传感器，2014（12）：47?49.
[13] 李淼，王华振.基于CAN总线的轨道客车齿轮箱温度监测系统设计[J].制造业自动化，2014，36（7）：53?55.
[14] 张永梅，王凯峰，马礼，等.基于ZigBee和GPRS的嵌入式远程监测系统的设计[J].计算机科学，2012，39（6）：222?225.
[15] 陈宇铮，汤仲喆，倪云峰，等.基于RFID的冷链物流监测系统的设计[J].计算机应用与软件，2013，30（2）：263?265.
[16] 雷旭，李阳，李思慧.基于WSN的长大隧道环境监测系统设计与实现[J].计算机工程与设计，2013，34（8）：2675?2679. 技术文
关键词： 地热开发； 温度探测； 储能计算； CAN总线； 评估分析
中图分类号： TN710?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 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
地热资源来源于地质活动产生的能量，是大自然赐予人类的宝贵资源。由于地热资源深埋于地下，虽然说储量非常巨大，但是受作业环境和技术条件的限制，目前掌握的开采技术并不多，为了能够合理规划和可持续地开发利用地热资源，开发前的勘查和评估就显得非常有必要了[1?2]。
温度是计算热储能和评价地热资源最重要的参数，而且在开发利用的过程中，由于吸热负荷的波动，也需要对水源热泵的工作输出功率进行调整，这时也需要对水温进行预测和了解[3]。为此，采用CAN总线技术设计了温度采集与评估系统，通过安装在每个垂直梯度的温度采集终端获取地热井内的温度信息，从而得到整个地热田内的地温场，为计算热储能提供依据，同时，还可以圈定地热田内的异常范围，给地热资源勘探和评估提供有力的数据支持。
1 地热资源分类与储能计算
1.1 地热资源分类
地热资源有很多类，通常可按照温度将其划分为高温、中温和低温三种[4]。再依照温度的范围对其进行分级，并在各个领域的实际应用中总结出对应的用途，如表1所示。
热储温度一般采用地球化学温标计算法、地温梯度推算法和直接测量法。但是从计算方法来看，前两种方法测得的误差较大，这对于巨大的开发投入成本来说风险很大。而直接法是最精确的，本文采用直接法对地热井内的温度变化情况进行探测。
1.2 热储能的计算
在计算热储能前需要查明热储分布面积、深度、厚度、岩石特性和孔隙率等地质参数[5]。热储能的计算可表示为：
（1）
式中：表示地熱资源总量，单位为kcal；表示热储面积，单位为m2；表示热储厚度，单位为m；和分别表示热储温度和基准温度，单位为℃；和分别表示岩石和水的密度，单位为kg/m3；和分别表示岩石和水的比热容，单位为kcal/kg·℃；表示岩石的孔隙度。
2 系统整体结构
为了获取更准确的数据，采用直接测量法采集地热井中的温度信息。利用多井和多梯度测量方法进行探测，能够更全面的获取大面积区域内地热资源的分布情况，系统主要由多个温度采集节点、上位机服务器和CAN总线网络等组成[6?7]。系统构成示意图如图1所示。
按照在垂直方向上每100 m一个梯度在每眼地热井中安装温度采集节点，每个节点都有惟一的ID编号，根据系统设置定时向探测中心的上位机发送采集到的温度数据。上位机安装了支持CAN总线通信的PCI板卡，接收来自探测井下各温度监测节点的数据，经过处理后进行实时显示，同时将其存储到数据库中。在投入开发前，经过长时间的监测，可以绘制温度?时间曲线，并建立整个地热田温度场模型，计算该地区的热能储量，为进一步的评估和规划提供数据依据。
3 温度采集终端硬件结构
温度采集节点是测量地热田内的地温、地温梯度、空间分布和变化规律的直接设备，主要由处理器STM32F103，PT100温度传感器、调理电路、CAN总线控制器、隔离收发器CTM8250T和电源管理电源等组成[8]。硬件结构如图2所示。
3.1 温度传感器PT100
考虑到温度采集节点的工作环境非常复杂，在地下岩层中的温度有时会突变很大，所以系统采用铂丝热电阻传感器PT100对地热井下的温度进行测量，能够适应-200～650 ℃的高温条件[9?10]。由于PT100的阻值跟温度表现出非常稳定的线性关系，所以就可以根据PT100的电阻获得温度信息，为了提高测量的精度和稳定性，采用桥式测温电路对其进行放大和调理，桥式测温调理电路如图3所示。
通过可控精密稳压源TL431与电位器的配合使用，使得A点处的电压为4.096 V。从图3中可以看出，的阻值为100 Ω，当PT100处在零度环境时，电桥达到平衡，输出的电压为零；而当RPT100≠时，就会输出毫伏级的压差信号，为了便于与A/D转换芯片的输入口对接，采用LM324对这个毫伏级的信号进行放大倍，这样就能通过测量电桥输出的电压值反推出PT100的阻值，最后根据PT100的电阻分度表得到温度数据。所以如果调整放大的倍数，就能够满足测量不同温度范围的要求[11?12]。由于PT100对温度很敏感，所以一般要求通過PT100的电流不能超过1 mA，否则，电流过大后会使自身发热从而造成测量误差，避免在进行温度测量时受到温漂的影响导致其阻值与温度出现非线性。
3.2 CAN总线接口隔离器
由于长距离的通信很容易受到高共模电压和强电磁辐射的影响，且一旦某一个节点的设计上出现了问题，就会导致整个CAN?bus上的通信不畅，尤其在地下深达几千米的恶劣环境中，所以系统引入收发器CTM8250T。
CTM8250T特性如下：
集成了总线保护、信号隔离和电源隔离等功能；符合RoHS环境保护的认可，ESD接触放电4 kV；
隔离电压为2 500 V DC；
CANH，CANL引脚可承受±8 kV静电；
电源端口浪涌测试1 kV、信号端口2 kV；
波特率可以自动适应40 Kb/s～1 Mb/s 和5 Kb/s～1 Mp/s两种模式[13]；
具有较强的抗电磁干扰能力，能够大大减小由于大地环路电势差带来的不利因素。
由于隔离收发器CTM8250T在控制器跟收发器中间采取了隔离，所以能够使控制器在复杂的地层中受到较小的干扰，也能有效减少被损坏的可能性。
4 实验分析
4.1 上位机管理软件
为了与各温度监测节点通过CAN总线进行通信，上位机安装了支持CAN总线通信的PCI板卡。上位机管理软件借助VC++ 6.0独立开发，具有网络设置、配置管理、权限管理和日志管理、数据收发、数据实时显示、统计分析、曲线展示、评估模块、数据存储和报表打印等功能[14?16]。
探测中心上位机管理软件功能结构，如图4所示。
地热井内各温度监测节点通过CAN发送到上位机的服务器上，发送周期可以在上位机上进行设置。
上位机接收来自各地热井中各梯度上温度采集节点发来的温度数据，经过处理和统计分析等过程再将数据存入到数据库中。
4.2 实验结果与分析
对华北平原一处非火山型中低温地热资源进行探测和评估，根据上位机数据中的数据，本次探测区域面积为15 000 m×9 000 m=1.35×108 m2，从上位机中得到6个月内该区域5眼地热井中的温度数据，统计策略为每个监测节点每20 min采集并发送一次数据，采集的对象为深度<1 000 m的温度数据，结果如表2所示。
表2中每个数据为该节点在对应的梯度上180天中得到所有数据的平均值。
从表2中的数据可以看出，在深度为1 000 m的梯度上温度已达到79.82 ℃，由于随着深度的不断增加，开发成本也会剧增，综合分析认为该段已达到开采条件，是较好的储热层，且通过长期的监测，得到的数据相对稳定，具有一定的开发价值。根据式（1）和该地区地质情况就能得出该区域在这个梯度上的储热总量。
5 结 语
针对地热井内复杂的环境，设计了基于CAN总线的地热井温度探测与评估系统，采用直接测量法对地热井资源进行温度探测，温度传感器利用高精度铂电阻PT100，并借助CAN实现了多个温度采集点的组网，将温度数据定时传送到上位机进行处理，便于精确计算热储能。结果表明，设计的系统具有耐高温且工作稳定的特性，能够采集深达1 000 m的温度数据，给地热资源勘探和评估提供强有力的数据支持。
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[2] 方连育，杜红普，齐承英.衡水市第三系地热水供热系统梯级综合应用实例与分析[J].河北工业大学学报，2012，41（2）：69?73.
[3] 熊永柱，陈峰，黄少鹏.基于遥感技术的腾冲地热异常区识别[J].成都理工大学学报（自然科学版），2016，43（1）：109?118.
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[6] 王圣旭，游藩，陈敏，等.基于CAN总线的某随动系统故障检测装置的设计[J].现代电子技术，2015，38（8）：128?131.
[7] 张雨，刘玉梅，巴鹏，等.基于CAN总线的WebAccess润滑站控制系统[J].润滑与密封，2014，39（5）：93?97.
[8] 刘刚，陈树新.基于STM32的铂热电阻桥式测温系统设计与实现[J].自动化与仪表，2014，29（1）：53?56.
[9] 张志勇，辛长宇，朱玉龙，等.Pt100温度传感器非线性的补偿方法与电路实现[J].电子器件，2007，30（6）：2189?2191.
[10] 朱杰，郭濤.一种Pt100温度传感器的动态热响应模型[J].传感技术学报，2013，26（1）：73?77.
[11] 邱贺，段永红.用于感应式磁传感器低噪声前置放大器的研制[J].仪表技术与传感器，2015（1）：22?23.
[12] 郑贵林，王振杰.新型多路Pt100温控变送器[J].仪表技术与传感器，2014（12）：47?49.
[13] 李淼，王华振.基于CAN总线的轨道客车齿轮箱温度监测系统设计[J].制造业自动化，2014，36（7）：53?55.
[14] 张永梅，王凯峰，马礼，等.基于ZigBee和GPRS的嵌入式远程监测系统的设计[J].计算机科学，2012，39（6）：222?225.
[15] 陈宇铮，汤仲喆，倪云峰，等.基于RFID的冷链物流监测系统的设计[J].计算机应用与软件，2013，30（2）：263?265.
[16] 雷旭，李阳，李思慧.基于WSN的长大隧道环境监测系统设计与实现[J].计算机工程与设计，2013，34（8）：2675?2679. 技术文
