自動土壤水分傳感器實驗室校準(zhǔn)方法探討

韓玉婷，第五朋朋，雷曉妹

(甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，蘭州730020)

0 引言

土壤水分是植物吸收水分的主要來源(水培植物除外)，土壤水分含量的狀態(tài)和變化，是植物生長狀況好壞的主要決定因素。對土壤水分含量的測定是保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要手段，同時還是科學(xué)決策和防范山體滑坡的重要參考依據(jù)[1，2]。目前全國已經(jīng)布點1500多套自動土壤水分觀測設(shè)備，按照《自動土壤水分觀測規(guī)范(試行)》[3]的要求為國家的許多項目提供土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)支持。土壤水分傳感器主要用來自動測量土壤含水量，因此，為保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要定期對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。目前主要采用的傳感器為FDR自動土壤水分觀測儀，其沒有明確的實驗室校準(zhǔn)方法，為了使其規(guī)范并滿足社會需求，需制定自動土壤水分傳感器校準(zhǔn)規(guī)范。文章通過對標(biāo)準(zhǔn)值獲得方法的實驗和自動土壤水分觀測儀各項性能指標(biāo)的實驗，總結(jié)出科學(xué)合理的校準(zhǔn)方法，為規(guī)范的起草提供依據(jù)。

1 自動土壤水分觀測儀的觀測原理

FDR型自動土壤水分傳感器是基于頻域反射(Frequency Domain Reflection)原理，根據(jù)傳感器發(fā)出的電磁波在不同介電系數(shù)物質(zhì)中的頻率變化，計算出被測土壤的體積含水量。1對電極(平行排列的金屬棒或圓形金屬環(huán))組成1個電容，電容與振蕩器組成1個調(diào)諧電路，用100 MHz正弦曲線信號掃描土壤，電容量的變化與兩極間被測介質(zhì)(土壤)的介電常數(shù)成正比[4]。因水的介電常數(shù)比一般介質(zhì)的介電常數(shù)大，所以當(dāng)土壤中的水分增加時，其介電常數(shù)相應(yīng)增大。根據(jù)電容量與土壤水分之間的對應(yīng)關(guān)系，即可計算出土壤體積含水量。

土壤水分傳感器根據(jù)輸出信號的特點，可分為3類：模擬傳感器，即輸出模擬量(電壓、電流)的傳感器；數(shù)字傳感器，即輸出數(shù)字量(含脈沖和頻率)信號的傳感器；智能傳感器，即一種帶有嵌入式處理器的傳感器，具有基本的數(shù)據(jù)采集和處理功能，可以輸出并行或串行數(shù)據(jù)信號。

2 實驗室校準(zhǔn)的工作原理

利用烘干法(具體方法見《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》)得出被烘干的標(biāo)準(zhǔn)土樣樣本中損失的含水量，進(jìn)而得到原本土樣的重量含水率，通過土樣的容重將重量含水率轉(zhuǎn)化為體積含水率，以此作為標(biāo)準(zhǔn)值衡量自動土壤水分觀測儀器的測量值的準(zhǔn)確性。

3 計量器具控制

3.1 校準(zhǔn)條件

標(biāo)準(zhǔn)器：精密電子天平；準(zhǔn)確度等級：Ⅱ級；最大稱重：3000 g；分度值：0.01 g。

標(biāo)準(zhǔn)土樣是測試自動土壤水分觀測儀的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其量值計量可由稱重設(shè)備——電子天平進(jìn)行計量。電子天平的計量準(zhǔn)確性由砝碼保證。因此，在實驗室中，砝碼—電子天平—標(biāo)準(zhǔn)土樣三位一體，形成對自動土壤水分觀測儀進(jìn)行計量的標(biāo)準(zhǔn)測量系統(tǒng)。

校準(zhǔn)所使用的校準(zhǔn)介質(zhì)(即標(biāo)準(zhǔn)土樣)按照校準(zhǔn)方法中附錄A提供的方法進(jìn)行配制、保存和使用。

具體試驗情況如下：

1)實驗?zāi)康模簻y量實驗室制備的標(biāo)準(zhǔn)土樣的不確定度是否滿足校準(zhǔn)要求。

2)實驗方法：

選1支新購買的型號為DZN3、編號為561的自動土壤水分傳感器作為被測表，在符合校準(zhǔn)條件的情況下，在4個校準(zhǔn)點(5%、15%、25%和飽和)上對其測量。具體方法按校準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。在重復(fù)性條件下，連續(xù)測量10次，得出各校準(zhǔn)點上的體積含水量的測量誤差，并計算實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差(表1)。

表1 DYN3型自動土壤水分傳感器標(biāo)準(zhǔn)偏差 %

合成標(biāo)準(zhǔn)偏差得：

(1)

式(1)中：uA為重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，%；Si為第i組測量數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，%；m為測量組數(shù)。

由于在對土壤水分傳感器校準(zhǔn)的過程中，精密電子天平最大允許誤差為±0.15 g，分辨力為0.01 g，因此，由精密電子天平引入的測量不確定度分量遠(yuǎn)小于A類不確定度的值。所以，可以忽略不計。

其合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

uc=uA=0.211%

取包含因子k=2，則其擴展不確定度為：

U=k×uc=2×0.211%=0.42%

3)實驗結(jié)果

由擴展不確定度可知，在95%的置信區(qū)域內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)土樣的含水量誤差范圍為±0.42%，而對自動土壤水分觀測儀的測量最大允許誤差要求為±2.5%，標(biāo)準(zhǔn)土樣的含水量最大允許誤差遠(yuǎn)小于被校儀器的最大允許誤差的1/3。所以，作為在95%置信區(qū)域內(nèi)，誤差范圍小于0.42%的標(biāo)準(zhǔn)土樣，可以承擔(dān)對自動土壤水分觀測儀的校準(zhǔn)工作。

3.2 環(huán)境條件

環(huán)境溫度：20 ℃±5 ℃。

環(huán)境相對濕度：≤75%。

校準(zhǔn)實驗室周圍應(yīng)無強烈振動及外磁場(地磁場除外)，應(yīng)避免陽光直射和其他熱源影響。

4 實驗項目和實驗結(jié)果

4.1 實驗項目

土壤水分傳感器體積含水量的測量誤差。

4.2 實驗結(jié)果

2018年12月-2019年1月對66支土壤水分傳感器(每支上面有8個傳感器，共528個)按照校準(zhǔn)規(guī)范中的校準(zhǔn)方法分別進(jìn)行4個校準(zhǔn)點的測試，得出其體積含水量的測量誤差值。

在4個標(biāo)準(zhǔn)檢測點(5%、15%、25%、飽和)上，測量誤差均≤±2.5%的傳感器數(shù)量為527個，占總傳感器數(shù)量的99%，測量誤差均≤±2%的傳感器數(shù)量為497個，占總傳感器數(shù)量的94%。由于在15%和25%檢測點上的校準(zhǔn)介質(zhì)制作過程中人為因素影響較大，每次制作的校準(zhǔn)介質(zhì)差別較大導(dǎo)致其誤差波動較大。

5 復(fù)校時間間隔

對4支土壤水分傳感器(共32個傳感器)按照校準(zhǔn)規(guī)范中的校準(zhǔn)方法連續(xù)測試4 a，得出其體積含水量的測量誤差值。分別取4個校準(zhǔn)點上誤差值的絕對最大值。

經(jīng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得，在2016年的實驗室測試中，32個傳感器誤差值未超差；2017年仍無超差；2018年有1個傳感器超差，占比3%；至2019年共有2個傳感器超差，占比6%。JJF 1139-2005《計量器具檢定周期確定原則和方法》中要求在周期內(nèi)可靠性R≥90%，經(jīng)可靠性計算，2 a的可靠性為91%，3 a的可靠性為87%，故復(fù)校時間間隔建議不超過2 a。

6 結(jié)束語

文章通過對528個傳感器的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，對標(biāo)準(zhǔn)器的性能要求、自動土壤水分傳感器的技術(shù)要求及復(fù)校準(zhǔn)時間間隔等進(jìn)行了充分說明。

1)自動土壤水分傳感器的最大允許誤差值為±2.5%；

2)建議復(fù)校時間間隔不超過2 a。