《自動(dòng)土壤水分傳感器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)規(guī)范》解讀

朱亞宗 ，吳 歡，董德保，何 越，張廣元，吳奇生，田曉明

（1.安徽省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，安徽合肥 230031；2.中國(guó)氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院安徽分院，安徽合肥 230031；3.黃山氣象管理處,安徽黃山 242700；4.蚌埠市氣象局，安徽蚌埠 233000）

1 引言

由安徽省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心牽頭起草的地方標(biāo)準(zhǔn) 《自動(dòng)土壤水分傳感器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)規(guī)范》（DB34/T 3501-2019）經(jīng)安徽省市場(chǎng)監(jiān)督管理局聯(lián)合安徽省氣象標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，于2019 年12 月25日批準(zhǔn)，自2020 年1 月25 日開(kāi)始實(shí)施。為了更好地實(shí)施和使用該標(biāo)準(zhǔn)，特對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行解讀。

2 制定標(biāo)準(zhǔn)的必要性和意義

目前安徽省水利、農(nóng)業(yè)、氣象、環(huán)保、高校研究所等業(yè)務(wù)科研部門在用土壤水分傳感器近200 套。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀可以方便、快速的在同一地點(diǎn)進(jìn)行不同層次土壤水分觀測(cè)，獲取具有代表性、準(zhǔn)確性和可比較性的土壤水分連續(xù)觀測(cè)資料，可減輕人工觀測(cè)勞動(dòng)量、提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空密度，為干旱監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報(bào)和服務(wù)提供高質(zhì)量的土壤水分監(jiān)測(cè)資料。安徽省氣象部門自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站最早一批的安裝時(shí)間是2009 年，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，在設(shè)備維護(hù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用方面，都存在一些問(wèn)題。在多年保障工作中發(fā)現(xiàn)，業(yè)務(wù)運(yùn)行的自動(dòng)土壤水分站故障率最高的組件是傳感器，而傳感器是自動(dòng)土壤水分站的核心部件，因此建立實(shí)驗(yàn)室內(nèi)土壤水分傳感器檢測(cè)規(guī)范顯得迫在眉睫。采用自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀對(duì)土壤水分進(jìn)行探測(cè)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地反映土壤水分觀測(cè)儀各站點(diǎn)周邊的土壤水分含量情況及土壤墑情。便于氣象、農(nóng)業(yè)和水利部門及時(shí)準(zhǔn)確地了解到干旱發(fā)生的具體情況。為保障自動(dòng)土壤水分站在野外連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，需要定期開(kāi)展必要的傳感器性能檢測(cè)。目前安徽省還未有相關(guān)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)針對(duì)傳感器的檢測(cè)規(guī)范。

3 標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容解讀

本標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)是提出自動(dòng)土壤水分傳感器在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的主要技術(shù)要求、性能指標(biāo)的合理性，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)條件、檢測(cè)設(shè)備的組成、檢測(cè)方法、數(shù)據(jù)處理方法等參數(shù)和方法制定的可行性。

3.1 檢測(cè)設(shè)備

包括位置控制器、試劑池、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和輔助工具。

（1）位置控制器。用于安裝固定被測(cè)土壤水分傳感器，并調(diào)節(jié)被測(cè)土壤水分傳感器在試劑池中的相對(duì)高度，應(yīng)符合以下要求：

容積：2-3 m3；材質(zhì)：?jiǎn)」獠讳P鋼，并帶有靜電接地裝置；位置控制器頂部、側(cè)壁中部、側(cè)壁底部預(yù)留通訊、供電過(guò)線孔；垂直位移范圍：0-120 cm；最大位移時(shí)間：≤1 min/120 cm；位移控制最大允許誤差：±0.5 cm。

（2）試劑池。分為插管式試劑池和探針式試劑池。插管式試劑池為中空?qǐng)A柱體，亞克力材質(zhì)，外徑40 cm，內(nèi)徑為5.5 cm，高度10 cm；探針式試劑池為圓柱體，亞克力材質(zhì)，直徑20 cm，高度10 cm，試劑池上方中心處開(kāi)直徑3 cm 圓孔，配備密封蓋。

（3）數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)。采集、存儲(chǔ)、顯示被測(cè)土壤水分傳感器的輸出值。

（4）輔助工具。不同規(guī)格的玻璃燒杯，最小量程≥10 ml。

3.2 試驗(yàn)試劑的制備

試驗(yàn)試劑是二氧六環(huán)(dioxane)或2-異丙氧基乙醇(2-isoproxyethanol)與去離子水的混合溶液。使用玻璃燒杯將二氧六環(huán)(dioxane)或2-異丙氧基乙醇(2-isoproxyethanol) 與去離子水按比例調(diào)制。濃度選擇5%±2.5%、10%±2.5%、15%±2.5%、25%±2.5%、飽和點(diǎn)。

3.3 檢測(cè)方法

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，將被測(cè)土壤水分傳感器置于充滿不同濃度配比試劑的試劑池中，采集其輸出值，計(jì)算重復(fù)性和相對(duì)誤差。

（1）環(huán)境條件。溫度：（20±5）℃，相對(duì)濕度：≤85%RH。

（2）檢測(cè)準(zhǔn)備。將試劑池注滿符合章節(jié)2 要求的某一濃度的試劑并固定。試劑池須密封，檢測(cè)前靜置不小于1h。使被測(cè)土壤水分傳感器處于正常工作狀態(tài)。

（3）檢測(cè)采樣過(guò)程。使用位置控制器調(diào)節(jié)被測(cè)土壤水分傳感器至當(dāng)前試劑池的中部，確保被測(cè)土壤水分傳感器部件外沿距當(dāng)前試劑池上下沿不少于1.0 cm。使用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)采集被測(cè)土壤水分傳感器輸出值。

（4）重復(fù)性測(cè)試。分別使用充滿不同試劑的試劑池，不間斷記錄被測(cè)土壤水分傳感器輸出值，時(shí)間≥24 h。

（5）相對(duì)誤差采樣。依次使用充滿不同濃度試劑的試劑池，連續(xù)記錄被測(cè)土壤水分傳感器輸出值。使用充滿某一濃度試劑的試劑池時(shí)進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間間隔≥30 s，每次采樣次數(shù)為3 次，被測(cè)土壤水分傳感器輸出值記錄取3 次數(shù)值的平均值。

3.4 數(shù)據(jù)處理

3.4.1 重復(fù)性

重復(fù)性計(jì)算公式如下：

式中：

σ 為標(biāo)準(zhǔn)差，xi為第i 次檢測(cè)樣本頻率值，x 為全體檢測(cè)樣本頻率值的均值，n 為檢測(cè)樣本次數(shù)。

3.4.2 相對(duì)誤差

相對(duì)誤差計(jì)算公式如下：

式中：

xi為傳感器在土壤中第i 次檢測(cè)值，ai為傳感器在某一濃度試劑池中第i 次檢測(cè)值，N 為全體檢測(cè)樣本；為相對(duì)誤差。

3.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)論證

3.5.1 一致性檢測(cè)

傳感器放置在試驗(yàn)試劑中24 h，記錄傳感器輸出示值的變化曲線(圖1)。

圖1 傳感器輸出示值的變化曲線

10-100 cm 共8 層傳感器的標(biāo)準(zhǔn)差分別是：0.0082、0.0042、0.0157、0.0118、0.0027、0.002、0.0013、0.0056 。

3.5.2 示值誤差計(jì)算

傳感器在試驗(yàn)試劑中（標(biāo)準(zhǔn)溶液）體積含水量與對(duì)應(yīng)土壤中體積含水量之差的多次平均值的絕對(duì)誤差(表1)。

檢測(cè)點(diǎn)示值誤差（技術(shù)指標(biāo)≤5（% ））。檢測(cè)點(diǎn)5%、10%、15%、20%、25%、飽和點(diǎn)分別為0.7、0.5、0.4、0、0.3、1.4。

表1 傳感器在標(biāo)準(zhǔn)溶液中的測(cè)量值與對(duì)應(yīng)土壤中的測(cè)量值

4 本標(biāo)準(zhǔn)預(yù)期的效果與實(shí)施建議

本標(biāo)準(zhǔn)的目的是規(guī)定了自動(dòng)土壤水分傳感器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)裝置、試驗(yàn)試劑的制備、檢測(cè)方法。開(kāi)展此標(biāo)準(zhǔn)后可以更好地保障自動(dòng)土壤水分站連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行和觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

本標(biāo)準(zhǔn)的起草和修改嚴(yán)格按照GB/T 1.1--2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1 部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行編寫，作為推薦性地方標(biāo)準(zhǔn)由安徽省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布，適用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自動(dòng)土壤水分傳感器自動(dòng)土壤水分傳感器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)裝置、試驗(yàn)試劑的制備、檢測(cè)方法。