DZN1型自動土壤水分觀測儀的組成與故障排除方法

劉　彬，郭海濤，涂愛琴，楊崇靜（山東省氣象局大氣探測技術保障中心，濟南　250031）

DZN1型自動土壤水分觀測儀的組成與故障排除方法

劉彬，郭海濤，涂愛琴，楊崇靜
（山東省氣象局大氣探測技術保障中心，濟南250031）

摘要：介紹了DZN1型自動土壤水分觀測儀的系統(tǒng)組成，對常見故障的現(xiàn)象進行了描述，并說明了故障分析思路和排除方法，為DZN1型自動土壤水分觀測儀的維護維修提供參考。

關鍵詞：土壤水分觀測儀；自動觀測；干旱監(jiān)測

中圖分類號：P415.1

文獻標識碼：識碼：B

文章編號：號：1005–0582（2015）02–0061–03

收稿日期：2014-05-29

作者簡介：劉彬（1984─），男，漢族，濟南人，碩士，工程師，主要從事氣象裝備技術保障工作。

引言

土壤水分反映土壤的濕潤狀況，土壤水分觀測是農業(yè)氣象、生態(tài)環(huán)境以及水文監(jiān)測的基礎性工作，也是農田干旱、情報預報的重要依據(jù)。掌握土壤水分變化規(guī)律，對農田灌溉、土壤墑情、干旱的監(jiān)測預測及相關理論研究具有重要意義[1]。在自動土壤水分觀測儀出現(xiàn)之前，農業(yè)氣象觀測普遍使用稱重法觀測土壤水分，即通過測量土壤烘干前與烘干后的重量差，來計算土壤的體積含水量。此方法程序復雜，而且人為因素多，無法準確及時地測量土壤的含水量。自動土壤水分觀測儀的出現(xiàn)，使得農業(yè)氣象觀測可逐步解放人力，減小勞動強度，減少人工采樣帶來的誤差，提高觀測頻次，對于提高業(yè)務自動化程度和提升氣象為農服務能力具有積極作用。自2009年11月起，山東省氣象部門逐步在全省國家農業(yè)氣象觀測站作物地段和固定地段分別布設DZN1型自動土壤水分觀測儀，其中作物地段和固定地段為同一地段的布設1部，在所有測墑站觀測地段布設1部。此舉提高了農業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)的準確性和及時性。

1　系統(tǒng)組成

DZN1型自動土壤水分觀測儀由土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)采集器、無線傳輸模塊和太陽能供電系統(tǒng)4部分組成，可顯示實時和整點土壤相對濕度、體積含水量、重量含水率、儲水量等土壤水分特性，并自動生成標準數(shù)據(jù)文件。其設備結構圖如圖1所示[2]。

圖1　DZN1型自動土壤水分觀測儀結構圖

1.1土壤水分傳感器

DZN1型自動土壤水分觀測儀采用的是應用了頻域反射（FDR）技術的SWS-406土壤水分傳感器，可直接測量土壤體積含水量。SWS-406土壤水分傳感器由高頻發(fā)射器、接收器、微處理器、探針等組成。由于SWS-406土壤水分傳感器直接埋設在地下，所以其高頻發(fā)射器、接收器、微處理器均密封在Ф40mm，長130mm防水室內，4根長60mm不銹鋼探針與之固定相連，防水室尾部的電纜線用于為傳感器提供電源及輸出模擬電壓信號。傳感器使用環(huán)保材料制成，全密封，可長期埋設在地下任意深度連續(xù)測量。

1.2數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是DZN1型自動土壤水分觀測儀的核心部件，其主要功能是完成各層土壤水分傳感器的數(shù)據(jù)采樣，并對采樣數(shù)據(jù)進行控制運算、數(shù)據(jù)計算處理、數(shù)據(jù)質量控制、數(shù)據(jù)存儲和傳輸。

DZN1型自動土壤水分觀測儀采用的是MDT-30氣象數(shù)據(jù)采集器，此采集器以高速微處理器作CPU，外圍包括精確的時鐘器件、16位A/D轉換器件、128MB標準CF卡、耐低溫液晶顯示器和信號防雷接口等。具有RS-232/RS-485兩個標準通信口。能存儲60d的整點數(shù)據(jù)。

1.3無線傳輸模塊

由于DZN1型自動土壤水分觀測儀大多安裝在作物地段，很難實現(xiàn)有線通信，所以DZN1型自動土壤水分觀測儀觀測的數(shù)據(jù)主要通過GPRS無線通信方式直接上傳至中心站。GPRS 無線傳輸模塊安裝在DZN1型自動土壤水分觀測儀的儀器箱內，只有天線裸露在儀器箱外，在使用前應設置好GPRS模塊參數(shù)，如中心站IP地址、端口號、身份驗證碼、臺站標識符等。設置完成后安裝好通信卡就可以與中心站進行網絡連接，并將觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼尽?/p>

1.4太陽能供電系統(tǒng)

DZN1型自動土壤水分觀測儀在野外很難得到穩(wěn)定的市電，故采用太陽能供電系統(tǒng)。供電系統(tǒng)由太陽能電池板、太陽能充電控制器和蓄電池組成。一塊12V，17Ah的蓄電池在電量充滿的情況下可以保證DZN1型自動土壤水分觀測儀連續(xù)工作4～6d。太陽能充電控制器將太陽能電池板和蓄電池連接在一起，它可以顯示太陽能電池的工作情況以及蓄電池的可用容量，在有太陽光照的情況下負責給蓄電池充電并為設備供電。

2　常見故障現(xiàn)象及排除方法

DZN1型自動土壤水分觀測儀大多安裝在作物耕種地段，作物灌溉、松土、施肥等極易對埋設在地下的土壤水分傳感器產生影響；另外，作物耕種地段比較空曠，周圍沒有高大的建筑物，雷電、暴雨、大風等惡劣天氣也極易對裸露在地面以上的部件造成損壞。下面列舉一些DZN1型自動土壤水分觀測儀各個部件的常見故障及排除方法。

2.1土壤水分傳感器

故障現(xiàn)象：土壤水分傳感器常見故障主要表現(xiàn)在觀測的數(shù)據(jù)偏離正常值或直接顯示為0，有時會伴隨觀測數(shù)據(jù)的跳變現(xiàn)象，且跳變的幅度比較大，一般跳變的幅度大于5個幅值，且跳變的時間間隔較短。傳感器故障多發(fā)生在天氣突變之后或持續(xù)惡劣天氣之后。

排除方法：土壤水分傳感器是全密封器件而且埋設在地下，無法直接測量，但可以用萬用表的直流電壓檔從尾部的數(shù)據(jù)輸出線與采集器接口端子的“+”腳和“-”腳直接測量直流電壓值，其正常值應在0～1.2V之間。其次，是檢查裸露在外面的數(shù)據(jù)線有無破損或接線端子松動等現(xiàn)象。如果確認土壤水分傳感器損壞，應更換土壤水分傳感器。

2.2數(shù)據(jù)采集器

故障現(xiàn)象：數(shù)據(jù)采集器是DZN1型自動土壤水分觀測儀的核心部件，它的損壞可能導致整個自動土壤水分觀測系統(tǒng)癱瘓，但MDT-30氣象數(shù)據(jù)采集器有時并不是整個損毀，而是采集器內部某個模塊損壞。例如：傳感器一支或全部數(shù)據(jù)異

常，觀測數(shù)據(jù)傳輸延遲或缺測等現(xiàn)象，極易誤導保障人員，認為是土壤水分傳感器或無線傳輸模塊損壞。但是如果采集器不工作或采集器的CP燈（傳感器供電電源輸出指示燈）在一分鐘內沒有點亮，則可以直接判定為采集器損壞。

排除方法：首先，應檢查數(shù)據(jù)采集器的供電是否正常。查看采集器顯示面板下方的輸入電源燈P是否為紅色常亮，常亮表示電源輸入正常；數(shù)據(jù)采集器的傳感器供電電源輸出指示燈CP是否在每分鐘的第47秒時點亮，若點亮，表示土壤水分傳感器供電正常。其次，逐步更換數(shù)據(jù)采集器以外的部件，若DZN1型自動土壤水分觀測儀仍然不能正常工作，則判定為數(shù)據(jù)采集器損壞，應替換損壞的數(shù)據(jù)采集器，并返廠維修。在更換數(shù)據(jù)采集器以外部件時，應先斷掉采集器的電源，以免在更換部件過程中短路，造成其他的系統(tǒng)故障。

2.3無線傳輸模塊

故障現(xiàn)象：無線傳輸模塊主要負責DZN1型自動土壤水分觀測儀的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)保持觀測臺站在線功能。無線傳輸模塊損壞主要表現(xiàn)在全部觀測數(shù)據(jù)缺測。

排除方法：在供電正常的情況下，應先檢查無線傳輸模塊內的SIM卡是否欠費或損壞。將SIM卡取出裝到隨身攜帶的手機上，開機后看能否找到網絡信號，若信號正常，表示SIM卡正常，否則更換SIM卡；在SIM卡正常的情況下試發(fā)一條短信，對方收到短信表示SIM卡正常，不需要充值，否則充值。

在SIM卡完全正常的情況下，檢查無線傳輸模塊的外置天線是否丟失，若丟失應補裝信號發(fā)射天線。上述檢查都正常的情況下，查看無線傳輸模塊指示燈，如果為紅色常亮，表示模塊正常，否則判定無線傳輸模塊損壞，應更換配置好參數(shù)的無線傳輸模塊。

2.4太陽能供電系統(tǒng)

故障現(xiàn)象：太陽能供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題后，DZN1型自動土壤水分觀測儀仍然能依靠蓄電池的電量正常工作4～6d，之后，DZN1型自動土壤水分觀測儀將停止工作。這種情況下，可能是太陽能電池板或充電控制器損壞，造成設備因供電中斷而停止工作。

排除方法：太陽能電池板表面應保持清潔無破損，表面應沒有阻礙陽光的沙塵、鳥糞及農作物的枝葉等雜物，以確保太陽能電池板能夠得到足夠的陽光。檢查太陽能供電系統(tǒng)的各個接線是否牢固或有脫落現(xiàn)象。在有陽光的情況下，用萬用表直流檔分別測量太陽能電池板的輸出電壓、太陽能充電控制器的輸出電壓和蓄電池的電壓，都應在12～15V之間。若不正常可考慮更換相應的太陽能供電系統(tǒng)部件。

3　結語

在DZN1型自動土壤水分觀測儀出現(xiàn)故障時，可通過重新啟動的方法進行簡單嘗試，如果故障不能排除，再按照文中第2部分中講述的常見故障部件的故障現(xiàn)象及排除方法進行逐一排除，也可請求上級保障機構的技術指導或現(xiàn)場維護維修，切記不要進行盲目操作，避免導致更多的系統(tǒng)故障。臺站的技術保障人員應在DZN1型自動土壤水分觀測儀運行過程中多觀察，多分析，多動腦，多動手。在排除故障的實踐中總結、積累經驗，不斷提高技術保障能力，力爭第一時間排除故障，盡量保證DZN1型自動土壤水分觀測儀觀測數(shù)據(jù)的準確性和連續(xù)性，為干旱監(jiān)測和農業(yè)氣象服務提供有力的的數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻：

[1] 朱保美，周清．DZN1型自動土壤水分觀測儀的維護與維修[J]．氣象水文海洋儀器，2011，（01）：124-128.

[2] 上海長望氣象科技股份有限公司．DZN1型自動土壤水分觀測儀使用手冊[S]. 上海：上海長望氣象科技股份有限公司，2009：9-15.