自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀故障診斷分析

張東明 葛永華 汪章維

摘要 詳細(xì)介紹了自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的模塊結(jié)構(gòu)及其工作原理。針對(duì)浙江省28個(gè)土壤水分站從2015到2017年數(shù)據(jù)及故障情況進(jìn)行了歸納分析，將所有的故障情況進(jìn)行分類分析，分析了田間標(biāo)定出現(xiàn)的故障，并提出了故障解析。通過大量數(shù)據(jù)分析總結(jié)出土壤水分觀測(cè)儀故障的判斷方法及日常維護(hù)應(yīng)注意事項(xiàng)，并且提出了通過數(shù)據(jù)判斷傳感器故障準(zhǔn)確定位。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀；工作原理；標(biāo)定分析；故障分析；故障判斷

中圖分類號(hào) TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）22-0182-03

Abstract The module structure and working principle of the automatic soil moisture meter were introduced in details. The data and fault situation of 28 soil moisture stations from 2015 to 2016 were summarized and analyzed， and all the faults were classified and analyzed. The faults in field calibration were analyzed， and the fault analysis was put forward. Based on a lot of data analysis， we summarized the methods of fault diagnosis and daily maintenance matters needing attention for the soil moisture observing instrument， and proposed the accurate location of sensor faults through data.

Key words Automatic soil moisture observatory；Working principle；Calibration analysis；Fault analysis；Fault diagnosis

土壤水分變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)的重要部分[1]，熟悉農(nóng)業(yè)土壤水分變化規(guī)律，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及土壤干旱預(yù)測(cè)研究都具有重要的意義[2]。土壤水分可以通過直接測(cè)量土壤的重量含水率和容積含水量得到，如烘干稱重法、中子儀法等；另一類是測(cè)量土壤的基質(zhì)勢(shì)，例如電阻塊法、干濕計(jì)法等。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀具有快速、方便、不擾動(dòng)土壤的優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)業(yè)務(wù)化之前我國的農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)主要是以人工觀測(cè)及舊器械觀測(cè)為主。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷推進(jìn)，自動(dòng)土壤水分觀測(cè)逐步業(yè)務(wù)化，減輕了業(yè)務(wù)人員的工作強(qiáng)度。

在自動(dòng)土壤水分觀測(cè)網(wǎng)運(yùn)行過程中，為了更好地利用自

動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀器，使其在業(yè)務(wù)工作中具有高穩(wěn)定性、準(zhǔn)

確性、及時(shí)性，通過日常的故障診斷分析及巡檢逐步發(fā)現(xiàn)了

一些問題，如數(shù)據(jù)異常、缺失等，有安裝問題，也有儀器自身的故障，最主要的還是有很多日常維護(hù)的問題。由于部分臺(tái)站對(duì)儀器測(cè)量原理理解不太深，未能及早發(fā)現(xiàn)、解決這些問題。筆者通過大量的數(shù)據(jù)分析總結(jié)浙江省近年來的土壤水分監(jiān)測(cè)設(shè)備故障數(shù)據(jù)、土壤水分可疑曲線等，并做出分析，查找原因，提出解決方法，逐步完善。

1 土壤水分探測(cè)器原理

DZN3自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀通信方式豐富。土壤水分探測(cè)器配電也是包括市電供給及太陽能等多種方式；土壤水分探測(cè)器具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙δ躘3]（圖1）。傳感器配制靈活、測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定。

頻域反射測(cè)量技術(shù)是通過放置在土壤中的2個(gè)電極之間的電容形成的振蕩回路所產(chǎn)生的頻率來測(cè)量土壤介電常數(shù)的技術(shù)，而土壤介電常數(shù)與土壤水分是密切相關(guān)的。傳感器周圍水分的變化會(huì)引起圓環(huán)電容的變化，電容值的改變引起LC振蕩器（L為電感、C為電容）的振蕩頻率變化，傳感器把高頻信號(hào)變換后根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行計(jì)數(shù)、轉(zhuǎn)換、修正等處理，計(jì)算出土壤水分。

頻域反射（FDR）用SF參數(shù)建立與土壤含水量（θv） 間的指數(shù)關(guān)系（圖2），振蕩回路會(huì)產(chǎn)生頻率信號(hào)，頻率的大小隨土壤介電常數(shù)而改變，通過測(cè)量頻率信號(hào)從而測(cè)量出土壤水分，運(yùn)算公式如下：

土壤電導(dǎo)率主要取決于土壤孔隙的數(shù)量及大小、土壤水電導(dǎo)率（或孔隙水電導(dǎo)率）和土壤顆粒[4]。針對(duì)不同的土壤情況，由于電導(dǎo)率的影響，特別是土壤的酸堿度影響，不能使用通用的校準(zhǔn)公式，需要對(duì)具體的土壤類型進(jìn)行標(biāo)定，來獲取正確的土壤水分含量。

2 土壤水分觀測(cè)儀故障統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)期間，土壤水分站共34次故障，根據(jù)維護(hù)維修情況統(tǒng)計(jì)分析，夏季故障較多，分析可能是夏季溫濕度高、多降水及多雷電等情況導(dǎo)致的自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備通信、傳感器及采集器等模塊受潮嚴(yán)重。還有部分臺(tái)站因放置傳感器套接管不密封，出現(xiàn)傳感器套接管內(nèi)出現(xiàn)滿水或積水現(xiàn)象，導(dǎo)致傳感器及采集板發(fā)生故障。2016年故障頻率較低，其中一個(gè)原因可能是因?yàn)楣芾砭S護(hù)人員解決故障能力及提前預(yù)防能力的提升。維護(hù)維修過程中會(huì)遇到各模塊指示燈正常顯示，而某些整點(diǎn)不傳輸數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)傳輸滯后，一般情況下采取斷開電源重啟的方式使其恢復(fù)正常，此類故障多數(shù)是因?yàn)檫\(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題。

出現(xiàn)故障頻率次高的有232-485串口轉(zhuǎn)換器模塊故障，占34.2%。此類故障2015年6—8月高發(fā)于新建的一批站點(diǎn)。宏電模塊故障占15.3%，電壓過低引起的故障占8.1%，GPRS信號(hào)異常故障占7.4%。若多次觀察到“暫時(shí)性故障”，工作人員可與當(dāng)?shù)赝ㄐ胚\(yùn)行商協(xié)商排除，保險(xiǎn)絲損壞、采集器模塊、傳感器損壞發(fā)生比例各占5.6%，接口控制故障占2.5%（圖3）。

3 自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀田間標(biāo)定問題

3.1 土壤標(biāo)定參數(shù)有誤引起的土壤相對(duì)濕度問題

當(dāng)土壤相對(duì)濕度值超出100%的情況。6月21日23：00至6月22日00：00由64.1%突越至145.0%又在01：00降至62.3%，6月23日12：00至13：00由67.9%突越至116.0%又回落至66.9%，6月25日17：00—18：00從563%突越到111.4%又回落到56.9%再到53.6%，6月29日13：00—14：00由527%突越到111.4%再回到49.4%。圖4展示了10～100 cm范圍內(nèi)的8個(gè)土層土壤相對(duì)濕度的變化情況。

3.2 傳感器不穩(wěn)定引起的土壤相對(duì)濕度問題

從圖5、6可以看出，60 cm深度，9月3日11：00（相對(duì)濕度96%降為76%）、9月3日14：00（89%至19%）、9月3日17：00（89%至15%）、9月4日03：00（95%至72%）、9月4日05：00（92%至11%）；9月8日和9月20日至9月23日依次有大幅度下降現(xiàn)象。

突降幅度大（突增有可能，突降就存在著問題），這種土壤水分相對(duì)濕度隨時(shí)間發(fā)生的變化是一種傳感器不穩(wěn)定現(xiàn)象，選用穩(wěn)定的傳感器對(duì)其進(jìn)行更換。

3.3 標(biāo)定參數(shù)不準(zhǔn)引起的土壤相對(duì)濕度問題

從圖7中可以看出來，20 cm數(shù)據(jù)可疑，長期處于飽和狀態(tài)，其他土層變化曲線均正常。

3.4 外界干擾引起的土壤相對(duì)濕度問題

從圖8中可以看出，7月14日15：00—7月15日13：00時(shí)間段所有層的數(shù)據(jù)突然降低，甚至有的層出現(xiàn)降低到0，其他層土壤水分相對(duì)濕度大幅度驟減，驟減趨勢(shì)一致，甚至有的相對(duì)濕度降低到底線。

4 自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀田間標(biāo)定解決途徑

4.1 土壤標(biāo)定參數(shù)有誤解決途徑

此種土壤相對(duì)濕度超出100%的情況，一般都是土壤水文參數(shù)或標(biāo)定參數(shù)有誤引發(fā)的原因，此種情況需要重新對(duì)設(shè)備進(jìn)行土壤水文進(jìn)行標(biāo)校，使其土壤相對(duì)濕度隨時(shí)間變化曲線變化在合理范圍。

4.2 傳感器不穩(wěn)定的解決途徑

土壤相對(duì)濕度幅度突降（突增有可能，突降就存在著問題），這種土壤水分相對(duì)濕度隨時(shí)間發(fā)生的變化是一種傳感器不穩(wěn)定現(xiàn)象，選用穩(wěn)定的傳感器對(duì)其進(jìn)行更換，取回不穩(wěn)定土壤水分傳感器查找原因。

4.3 標(biāo)定參數(shù)不準(zhǔn)的解決途徑

長期處于飽和狀態(tài)，可能已超出100%，為避免超出，限制最高100%。此種情況需要檢查站點(diǎn)土壤濕度是否真的能達(dá)到如此高，特別在雨季要查看是否有大量雨水浸泡的狀況，排除這些原因之后考慮是否標(biāo)定參數(shù)不對(duì)，需要對(duì)標(biāo)定參數(shù)重新進(jìn)行標(biāo)定。

4.4 外界干擾的解決途徑

所有土壤水分相對(duì)濕度隨時(shí)間驟降，多是因?yàn)闃?biāo)定受到外界的干擾，導(dǎo)致多層土壤水分相對(duì)濕度同時(shí)大幅度下降，此種情況下一般選擇查找干擾原因，當(dāng)出現(xiàn)不可抗拒的原因情況下選擇遷站。

5 DZN3土壤水分觀測(cè)儀維護(hù)維修

5.1 設(shè)備維護(hù)

（1）對(duì)DZN3自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀采集箱及太陽能板進(jìn)行清理工作，及時(shí)消除潛在的不安全隱患。

（2）定期將安裝管中的干燥劑取出烘干并放回原處進(jìn)行密封（尤其是夏季），保證套管良好的密封性，最好涂抹PVC膠[5]。

（3）間隔3 d打開采集器箱，觀察設(shè)備空開是否已啟動(dòng)保護(hù)而斷開，如果發(fā)現(xiàn)此類問題，立即將空開合上。

5.2 故障判斷

5.2.1 通過設(shè)備指示燈判斷故障。

DZN3的太陽能充放電控制器具有INFO、紅、黃、綠4種指示燈。其中，INFO指示燈正常顯示綠色，當(dāng)其顯示黃色意味著電量不足，當(dāng)其顯示紅色時(shí)意味著電量嚴(yán)重不足，最嚴(yán)重的情況下紅色指示燈會(huì)出現(xiàn)規(guī)律的閃爍現(xiàn)象。充放電控制器右側(cè)分別排列成弓形的3個(gè)指示燈，紅色、黃色、綠色分別代表了電池狀態(tài)虧空、電壓不足及電量充足的3種情形。

RS232-RS485轉(zhuǎn)換模塊PWR燈亮?xí)r表示該模塊工作正常，RXD、TXD會(huì)出現(xiàn)每分鐘交替閃爍的現(xiàn)象；當(dāng)TXD、RXD均不閃爍時(shí)，說明轉(zhuǎn)換模塊出現(xiàn)故障；當(dāng)TXD與RXD有一個(gè)出現(xiàn)不亮現(xiàn)象時(shí)，說明DZN3的接口板模塊出現(xiàn)故障。

通訊模塊正常工作狀態(tài)下，狀態(tài)燈（電源指示燈，數(shù)據(jù)指示燈，網(wǎng)絡(luò)指示燈）運(yùn)行狀態(tài)閃爍頻率分別為：1次每8 s，1次每1 min，常亮。依據(jù)這3個(gè)狀態(tài)燈的運(yùn)行情況判斷DZN3是否正常運(yùn)行的依據(jù)。數(shù)據(jù)采集器正常工作狀態(tài)為測(cè)量燈閃爍間隔為1次/s；通訊狀態(tài)燈4次/min。

5.2.2 通過軟件判斷故障。

軟件站點(diǎn)為紅色（不在線）的判斷方法：①通信模塊問題，檢查通訊模塊狀態(tài)燈判斷其運(yùn)行情況。②網(wǎng)絡(luò)問題，聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)管理員解決。③通訊模塊參數(shù)、系統(tǒng)中心站參數(shù)配置問題[6]。④放置宏電中的電話卡欠費(fèi)，臺(tái)站維護(hù)人員應(yīng)該保證通訊卡有余額。

當(dāng)DZN3設(shè)備出現(xiàn)晚上無數(shù)據(jù)，白天正常工作的情況一般是蓄電池電壓不足造成的。

當(dāng)計(jì)算機(jī)通過串口接收數(shù)據(jù)顯示個(gè)別層數(shù)據(jù)為“-2”時(shí)，說明此層傳感器數(shù)據(jù)超標(biāo)，此層傳感器需要再次標(biāo)校。當(dāng)各層全部為“-2”時(shí)說明土壤水分傳感器與接口板連接有問題。

當(dāng)部分層數(shù)據(jù)為“-1”說明那些層傳感器故障，用標(biāo)定好的傳感器進(jìn)行替換且需要重新配置。

數(shù)據(jù)顯示“-3”的可能情況：數(shù)據(jù)線虛接、設(shè)備接口板模塊故障[7]。

出現(xiàn)省級(jí)ASOM無數(shù)據(jù)現(xiàn)象，經(jīng)過硬件的檢查沒有問題，此種情況應(yīng)該聯(lián)系市局值班人員，發(fā)現(xiàn)是否有數(shù)據(jù)，如果市局有數(shù)據(jù)，一般情況是需要聯(lián)系廠家服務(wù)器平臺(tái)，多數(shù)原因是服務(wù)器接收與發(fā)送時(shí)間不統(tǒng)一等原因。

5.3 維修方法

當(dāng)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀出現(xiàn)故障時(shí)，選用倒推方法依次排除故障[6]。首先根據(jù)上位機(jī)軟件顯示的設(shè)備狀態(tài)判斷故障類型，再檢查空氣開關(guān)是否斷開及各部件的電壓是否供電正常，最后依據(jù)具體問題對(duì)具體模塊進(jìn)行故障診斷，通過串口及IPConfig Utility進(jìn)行讀取及標(biāo)定。

6 展望

土壤水分自動(dòng)觀測(cè)對(duì)農(nóng)業(yè)氣象具有關(guān)鍵作用。日后會(huì)通過長時(shí)間對(duì)設(shè)備的保障經(jīng)驗(yàn)及資料分析，通過技術(shù)研發(fā)，使儀器本身（傳感器、參數(shù)轉(zhuǎn)換模型等）得到進(jìn)一步發(fā)展，提高精密度和準(zhǔn)確度[8]。密切關(guān)注和解決易出現(xiàn)問題的方面，自動(dòng)水分觀測(cè)儀減少誤差，使觀測(cè)值更接近真實(shí)值，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。定期定時(shí)地對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù)檢定。通過大量的數(shù)據(jù)分析提出針對(duì)當(dāng)?shù)氐耐寥绤?shù)標(biāo)定系數(shù)及標(biāo)定方法。同時(shí)通過對(duì)觀測(cè)人員進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，培養(yǎng)其判斷故障的能力，提高土壤水分的觀測(cè)質(zhì)量。

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