自動土壤水分觀測儀常見故障分析

趙雪明+李廣智+姜廣波+孟衛(wèi)東

摘要：本文介紹了自動土壤水分觀測儀的原理，分析了自動土壤水分觀測儀出現(xiàn)的常見故障，給出了解決辦法，為自動土壤水分觀測儀的技術(shù)保障工作提供

借鑒。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)氣象；土壤水分；自動觀測；故障分析

中圖分類號： S152.71 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2015.02.052

自動土壤水分觀測儀可以方便、迅速地對不同層次土壤水分進行自動觀測，獲取具有代表性的觀測資料，降低人工觀測工作量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)觀測，與人工觀測相比，時間和空間都進行了加密觀測，為農(nóng)業(yè)氣象預報、干旱監(jiān)測和農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供高質(zhì)量的土壤水分自動觀測資料。吉林省氣象部門自2010年開始自動土壤水分觀測儀的布網(wǎng)建設(shè)，共建設(shè)自動土壤水分觀測儀68套，自動土壤水分觀測站網(wǎng)初具規(guī)模。在2014年吉林省遭遇旱災時，自動土壤水分觀測站網(wǎng)發(fā)揮了重要的監(jiān)測和服務(wù)作用。

1自動土壤水分觀測儀工作原理

經(jīng)中國氣象局考核定型的自動土壤水分觀測儀主要有三個型號，其中DZN1型自動土壤水分觀測儀由上海長望氣象科技有限公司生產(chǎn)，DZN2型自動土壤水分觀測儀由河南中原光電測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)，DZN3型自動土壤水分觀測儀由中國華云技術(shù)開發(fā)公司生產(chǎn)。自動土壤水分觀測儀利用頻域反射原理（FDR），根據(jù)電磁波在土壤中傳播頻率來測量土壤的介電常數(shù)，自動土壤水分傳感器發(fā)射電磁波，電磁波沿傳感器感應頭傳輸，數(shù)據(jù)采集器檢測傳感器輸出的電壓，由于土壤介電常數(shù)的變化取決于土壤的含水量，根據(jù)輸出電壓和水分的關(guān)系可計算出土壤的含水量。水分含量是決定土壤介電常數(shù)的主要因素。測量出土壤的介電常數(shù)，能直接穩(wěn)定地反應土壤的水分含量。自動土壤水分觀測儀是基于現(xiàn)代測量技術(shù)構(gòu)建，由數(shù)據(jù)采集器、土壤水分傳感器、供電單元、通信單元等構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

土壤水分傳感器發(fā)出高頻信號，傳感器電容量與被測層次土壤的介電常數(shù)成函數(shù)關(guān)系。當土壤中的水分變化時，其介電常數(shù)相應變化，測量時傳感器給出的電容兩端的電壓值也隨之變化，這種變化量被數(shù)據(jù)采集器所采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得出土壤水分數(shù)值，經(jīng)通信單元發(fā)至數(shù)據(jù)中心站。

2自動土壤水分觀測儀常見問題

2.1供電單元故障

自動土壤水分觀測儀供電系統(tǒng)采用太陽能電池和鉛酸蓄電池供電，由充電控制器、太陽能電池板以及鉛酸蓄電池組成。此種供電方式受天氣因素影響較大，當多日持續(xù)陰雨天氣時，會導致太陽能電池充電能力不足。當冬季氣溫較低時，蓄電池的容量隨溫度的降低而減少，從而影響設(shè)備正常工作。建議有市電接入條件的觀測站點，盡量選擇接入市電；沒有接入市電條件的，應加大太陽能電池板面積和蓄電池容量。可在現(xiàn)場觀察充電控制器指示燈的狀態(tài)來判斷供電單元是否正常工作，指示燈為綠色時正常，為紅色時表示報警。

2.2數(shù)據(jù)采集器故障

數(shù)據(jù)采集器主要功能是對各層傳感器的數(shù)據(jù)采樣，并對采集到的數(shù)據(jù)進行運算、處理、質(zhì)量控制以及存儲等，此外還通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到通信單元。數(shù)據(jù)采集器故障的主要表現(xiàn)為數(shù)據(jù)缺失及數(shù)據(jù)異常。數(shù)據(jù)缺失分為全部數(shù)據(jù)缺失和部分數(shù)據(jù)缺失，全部數(shù)據(jù)缺失可能是采集器供電或者串口通訊部分出現(xiàn)故障，部分通道數(shù)據(jù)缺失為采集器通道出現(xiàn)故障。可采用替換的方法來確定，若某通道出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，將其他通道有數(shù)據(jù)的傳感器更換到該通道上，如果仍無數(shù)據(jù)，則可以判定是數(shù)據(jù)采集器通道故障，否則為傳感器故障。

2.3土壤水分傳感器故障

傳感器故障表現(xiàn)為數(shù)據(jù)異常跳變、缺失或者超出正常范圍。當數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，在采集器上找到相應的傳感器，使用萬用表測量電壓，看是否在正常范圍內(nèi)，也可采用替換法來排除傳感器是否出現(xiàn)故障。確認傳感器出現(xiàn)故障后，應檢查傳感器是否進水，檢查傳感器是否生銹，檢查接線端子是否虛接，傳感器信號電纜是否斷路等方法來排除故障，如果以上方法都無法排除故障，則需要更換新的傳感器。

2.4通信單元故障

通信單元故障主要表現(xiàn)為自動土壤水分觀測儀無數(shù)據(jù)上傳，可將筆記本電腦與采集器串口相連接，使用串口調(diào)試命令來讀取采集器數(shù)據(jù)，如果能夠正常讀取數(shù)據(jù)，則說明問題出在通信單元上。檢查GPRS通信控制器的信號線，供電線是否正常連接，檢查SIM是否損壞，檢查站址所在地移動通信基站的數(shù)據(jù)連接功能是否正常，檢查中心站軟件網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置是否正確。

3結(jié)語

自動土壤水分觀測儀適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)發(fā)展需求，在測量性能、數(shù)據(jù)質(zhì)量、要素擴充性、可靠性、可維護性等方面有長足進步。與常規(guī)的人工觀測相比，自動觀測在觀測頻次、觀測要素上更加優(yōu)越，自動觀測更具有客觀性，可以充分滿足農(nóng)業(yè)氣象觀測業(yè)務(wù)的新標準、新需求。自動土壤水分觀測儀既可以安裝在大面積的農(nóng)田中，也可以安裝在農(nóng)業(yè)科學實驗田中，可以解決目前我國農(nóng)業(yè)氣象觀測較為落后的局面，增加農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)領(lǐng)域，提高農(nóng)業(yè)氣象的服務(wù)能力，為農(nóng)業(yè)科學研究和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收提供科學的觀測數(shù)據(jù)。因此，自動土壤水分觀測站網(wǎng)穩(wěn)定可靠運行具有十分重要的意義。

參考文獻

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作者簡介：趙雪明，農(nóng)業(yè)推廣碩士，吉林省氣象探測保障中心，工程師，研究方向：氣象裝備技術(shù)保障。endprint