DTD2型凍土自動觀測儀的工作原理及維護維修

摘 要：分析了DTD2型凍土自動觀測儀的系統構造和工作原理，闡述了凍土自動觀測儀的安裝調試的要求及方法，總結了凍土自動觀測儀的維修思路和日常維護方法，為裝備保障人員使用和維護設備提供技術指導。

關鍵詞：DTD2；凍土；工作原理；安裝調試；維護維修

中圖分類號：P642.14 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）11–00-03

凍土是指含有水分的土壤因溫度降至0 ℃或0 ℃以下而呈凍結的狀態。凍土觀測包括凍結層次和凍結深度[1]。DTD2凍土自動觀測儀是根據中國氣象局綜合氣象觀測系統發展規劃，對凍土自動觀測的需求進行研發的。凍土儀可以自動完成對凍土層次和深度的觀測，可通過有線或無線網絡與終端機綜合采集系統連接，完成凍土觀測任務。凍土的自動觀測不僅可以減少人工觀測的誤差，還將觀測頻率從1次/d增至1次/min，提升了觀測數據的準確性和連續性[2]。

1 DTD2凍土自動觀測儀工作原理

DTD2凍土自動觀測儀是根據土壤中水分的凍融特性，通過測量水的相態變化導致的電阻、體積等物理特性的變化，得出凍結層次和上下限深度。采集器自動完成觀測任務，并將數據以規定的數據格式存儲，傳送至上位終端機進行處理。這一過程涉及復雜的物理化學交互作用，而DTD2凍土自動觀測儀憑借其高度靈敏的傳感器網絡，能夠實時捕捉這些細微變化，確保凍土研究的精度和可靠性[3]。

在實際操作中，DTD2凍土自動觀測儀的自動化采集系統扮演著核心角色。它不僅能夠自主完成預定的觀測任務，還能將收集到的原始數據按照預設的數據格式進行標準化存儲，確保數據的完整性和一致性。然后，這些數據會被傳輸至上位計算機終端，通過專業的數據分析軟件進行深度解析和處理，生成直觀的圖表和報告，幫助科研人員深入理解土壤凍融的動態過程，及其對環境、氣候和生態系統的影響。

2 DTD2凍土自動觀測儀系統構造

凍土自動觀測儀主要由數據采集器、傳感器、供電單元、通信單元和外圍設備等組成，凍土儀接入綜合集成硬件控制器，通過上位機軟件顯示凍土數據（圖1）。

2.1 傳感器

凍阻式傳感器是凍土自動觀測儀的核心部件，其根據水的凍阻特性，利用自然水（液態）與冰（固態）在導電特性上的差異，在內管中裝置以1 cm為間隔的標尺電極，保證了分辨力與探測精度要求，消除了人工觀測凍土器由于凍漲產生的標尺誤差，通過標尺電極將水的凍融狀態轉化為凍結電信號，經數據處理器調用，采集器完成自動觀測任務[4]。

2.2 數據采集器

數據采集器集成在凍土儀內部，是凍土儀的組成部分[5]。采集系統由中央處理器、時鐘電路、數據存儲設備、接口、控制電路等元素構成。數據采集器主要功能是獲取傳感器的采樣數據，對采樣數據進行計算處理、質量控制、數據存儲和通信傳輸，并與上位機進行交互。

2.3 通信單元

凍土自動觀測儀通過RS485總線直接與綜合集成硬件控制器連接，可將凍土觀測數據、設備運行狀態等信息傳輸至上位機軟件。

2.4 供電單元

凍土自動觀測儀供電單元由蓄電池、電源控制器、空氣開關和防雷器組成。蓄電池，用于儲蓄電能，可保證在交流停電時，繼續維持自動站系統的正常工作。電源控制器將交流輸入轉化為直流輸出，同時為電池充電，充電過程中具備控制功能，避免發生過充與過放的現象。

2.5 軟件層面

數據采集器配備了先進的算法集，涵蓋數據采集、處理、存儲及傳輸四大核心功能。其中，數據采集模塊依據預先設定的頻率精準捕捉信息；數據處理模塊負責使用復雜算法，完成數據清洗與初步分析；數據存儲模塊則管理海量數據的有序保存；數據傳輸模塊則確保與中心節點的可靠通信，即使在網絡不穩定時也能實現數據的發送，提升了系統的整體性和實用性。

3 DTD2凍土自動觀測儀的安裝與調試

3.1 安裝

設備在觀測場地的確切布局，應嚴格參照《地面氣象自動觀測規范》（GB/T 35237—2017）和《地面氣象觀測場規范化建設圖冊》中的指導原則，確保達到ISO 9001質量管理體系的內外部審核標準。儀器的安裝應置于觀測場地的東南方位，具體位于深層地溫傳感器南側50 cm處，與之平行排列，以便數據的同步收集和對比分析。凍土自動觀測儀外套管的設置則需采取鉆孔工藝，確保其外壁與周圍土壤緊密貼合，形成良好的熱傳導界面。傳感器測量單元上的0 cm標記必須與外套管的起始刻度和地面水平面精確對齊，以防自然環境因素引起的位移偏差。

數據采集器的機箱則應安置在主站地溫分采機箱以東60 cm的位置，兩者東西方向上呈直線排列，以優化空間利用并便于日常維護。至于傳感器型號的選擇，應基于各氣象站點歷史觀測數據中記錄的最大凍土深度決定，必要時采用分段式安裝，以適應不同深度的凍土層。

按照預定的分段安裝策略，整個凍土深度被劃分為3個不同的區間，分別是0～150、150～300、300～450 cm。

每段的劃分都以150 cm為基準，確保覆蓋所有預期的凍土深度范圍。最終，第三段的安裝將在前兩段的基礎上進行，具體位置設在320 cm地溫傳感器的南側。這一階段將安裝長度覆蓋300～450 cm的外套管，并配備對應深度的傳感器，確保整個深度范圍內的凍土狀態都能被準確捕捉。這種分段式的安裝方法，不僅便于管理和維護，還能確保數據的連續性和完整性。每個階段的安裝位置和流程都經過精心規劃（圖2），清晰地展示整個安裝布局的細節，為后續的監測工作奠定堅實的基礎。利用這種方式，可以更有效地監控不同深度的凍土狀態，為研究和預測提供寶貴的數據資源。

3.1.1 凍土自動觀測儀注水

擰開溢水孔表面螺絲，保持傳感器內部與大氣連通，擰開傳感器下端白色的注水閥保護帽，露出并擰掉注水閥，將傳感器豎立后排空傳感器內的存水，若存水能夠代表當地水體則只需加注。

將注水筒與水管連接后，在筒內灌入代表當地水體的水或當地自來水，打開水管的開關，讓水流出直至管內不再有氣泡。將傳感器傾斜放置，擰上注水閥（不完全擰緊）防止注入的水流出。抬高注水筒使其高于溢水孔，采用滴漏的方法將水注入傳感器，直至溢水孔出水，表示注滿。

注滿后擰緊注水閥，取下連接管，擰上注水閥保護帽，擰緊溢水孔螺絲后回擰（逆時針）2～3圈，排出傳感器內殘留氣泡。將傳感器放入外套管內，一般注水后應靜置2 h以上再正式開始觀測，以消除氣泡的影響。

3.1.2 連接電源和信號線路

凍土自動觀測儀的信號及直流供電采用1條六芯線纜，接入防雷板1～6通道。凍土分采RS485數據線（二芯），另一端接入綜合集成硬件控制器。

3.2 調試

凍土自動觀測儀初次安裝完畢后，需要對系統中相關節點進行設置，方能實現凍土儀與業務軟件之間數據的正常傳輸。

凍土儀的通信方式為RS485，波特率9600，數據位8，停止位1，無奇偶校驗。使用時需要選擇凍土自動觀測儀接入硬件控制器接口所對應的串口號，再設置以上參數，即可實現凍土自動觀測儀的接入。在凍土自動觀測儀與軟件通信正常后，可以通過命令“READATA”讀取凍土自動觀測儀的觀測數據。

3.2.1 自動觀測數據格式

DTD2型凍土自動觀測儀的數據采集機制遵循嚴格的規程，確保了信息的準確性和連貫性。該儀器的采樣頻率設定為1 min/次，收集到的數據被整合并保存于標準凍土數據文檔內。同時，可通過特定通信指令“READDATA”即時訪問現場監測結果。整個數據記錄格式由五個部分構建，每個部分承載著不同的信息，共同構成了一幅完整的觀測圖景。

數據幀的結構設計確保了DTD2型凍土自動觀測儀監測數據的精確傳輸。起始標識“BG”作為幀的開端，明確定義了數據記錄的起點。緊隨其后的是元數據部分，其中包含儀器的區站編號，如“54321”，以及臺站類型的編碼，從01至06分別代表各類氣象站，包括基準、基本、一般、區域、交通、電力和農業氣象站。設備標識“YSFS”和設備ID（從“000”起逐個遞增）確保了設備的唯一性。觀測時間精確至秒，采用北京時區標準，幀標識用于區分數據類型和采樣頻率，同時記錄觀測要素數量和設備狀態變更。數據主體是觀測數據的核心，包括實際觀測值、數據的質量控制信息和設備狀態，可在《地面氣象數據對象字典》中找到這些信息的編碼規則，確保了數據的準確性和完整性。校驗碼由四位數字組成，通過ASCII碼的累加和校驗算法，保障數據傳輸的無誤。數據幀以“ED”標識結尾，標志著一個完整的數據包。

4 DTD2凍土自動觀測儀的維修

凍土自動觀測儀的故障現象為數據異?；驘o數據，故障可能由供電、通信故障、參數設置、凍土自動觀測儀故障等引起，可以通過以下方法對故障進行排查。

4.1 供電故障

測量防雷板上3、4腳的電壓，正常應為直流12 V左右，若電壓值為0，需檢查直流刀片開關是否閉合，連接件是否接觸不良，保險管是否損壞等；若電壓過低，需檢查交流輸入是否被中斷。

4.2 通信故障

檢查傳感器端航空插頭是否有脫落或連接不良的情況；檢查防雷板的1、2通道上的信號線連接是否良好；檢查接入綜合集成硬件控制器的對應PORT口的參數是否正確；更換另一個PORT口進行測試，檢查PORT口是否出現故障。

4.3 凍土數據到報率低

檢查握手機制是否為0（被動模式）。軟件—設備管理—維護終端—端口選擇“凍土串口處理”發送命令：SETCOMWAY。

返回值為：0 //表示為被動模式√；

返回值為：1 //表示為主動模式×，

需要發送命令：SETCOMWAY，0，返回值：T表示修改成功。

4.4 凍土儀漏水或故障

若根據實際溫度判斷，不可能有土壤凍結時，但顯示淺層土壤有凍結，最大原因是傳感器缺水；若單點數據顯示有凍結現象，最大原因是傳感器內有氣泡。檢查凍土儀是否漏水或有氣泡，如漏水或有氣泡應及時補水；補水維護時，應錯開正點。最后檢查凍土儀是否出現故障，更換凍土儀。

5 DTD2凍土自動觀測儀的日常檢查維護

在冬季凍土條件下，維持凍土自動觀測儀的高效運行需要一系列精心設計的維護措施。為了確保設備的持續監控能力，操作人員應定期關注傳感器的狀態指示燈，以快速判斷裝置的運行狀況和通信情況。尤其是在自然條件惡劣的區域，檢查頻率應適當增加，以及時發現并解決潛在的硬件損傷或腐蝕問題。一旦發現受損或腐蝕的組件，立即采取修復或替換行動，以保障系統的整體性能。

供電系統的穩定性同樣關鍵，因此每周進行一次系統健康檢查是必要的，這包括驗證交流電供應、電源轉換模塊的功能和蓄電池的電壓水平，確保所有組件均處于最佳工作狀態。定期對蓄電池進行充放電循環，延長其使用壽命并保持充足的電力儲備。每年雷雨季節來臨前，應對防雷設施進行全面的維護和檢查，包括重新測試接地電阻，確保防雷系統的有效性和安全性。

當遇到設備故障時，迅速響應并安排專業的維修或更換服務，以最小化數據采集的中斷。在對凍阻式傳感器進行補水維護時，應避開常規觀測時間點，以避免影響數據的連續性，并注意排除管道中的空氣，防止氣泡殘留。補水操作可通過以下步驟完成：先移除感應器，使其傾斜，確保注水筒高于凍土自動觀測儀，隨后開啟上部注水口，拆卸感應器底部注水閥的保護蓋，輕輕旋松注水閥。采用緩慢滴加的方式向感應器內注入清水，直至從上注水口看到水流溢出，表明水已充滿。然后，緊固注水閥，分離連接管路，重新裝上保護帽并擰緊上部注水口的螺絲，最后將感應器重新置入外套管。此外，自動注水設備也可用于補水，提供更便捷的解決方案。對于設備故障、維護操作或數據異常的情況，記錄詳細的備注信息是至關重要的，以便后續分析和問題追蹤。采用上述細致的維護策略，可以顯著提高凍土觀測系統的可靠性和數據質量，確保其在各種惡劣環境下的持續穩定運行。

6 非凍土觀測時期的維護內容

在進行凍土監測活動前，即約一個月前，進行全面的系統檢查顯得尤為重要。這一階段的檢查應涵蓋多個方面，需要評估外套管的完好狀態，確認其內部是否存在積水現象，以及外套管與周邊土壤之間是否緊密貼合，以確保良好的熱傳導性能。此外，還需仔細核查傳感器的位置，保證其與外套管頂端及地表處于同一水平線上，這是實現精準測量的前提條件。

為了優化能源管理并防止潛在的電池耗損問題，當傳感器不處于工作狀態時，應考慮將其電源切斷。在重新激活傳感器前，必須細致檢測蓄電池的電壓水平，以確保供電系統的穩定可靠，為后續的長期監測任務提供充足的能量支持。這種定期的維護和預啟動檢查，不僅能提升數據的準確性和監測系統的可靠性，還能延長設備的使用壽命，減少因突發故障導致的數據中斷風險。

7 結束語

詳細闡述了DTD2凍土自動觀測儀的結構、安

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裝調試和維護維修思路，臺站裝備保障人員可以根據上述介紹的方法，進行設備的安裝、調試和維護維修，從而提高設備維護維修的能力，保障設備的正常運轉。

參考文獻

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[2] 楊翠麗，武蘭芳，李秀英，等.DTD5型凍土自動觀測儀的維護及故障排查[J].機電工程技術，2022，51（8）：268-271.

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[4] 芮建文，楊婷婷，芮建梅.DTD5型凍土自動觀測儀的安裝及維護[J].氣象水文海洋儀器，2022，39（2）：111-113.

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