《自動土壤水分傳感器實驗室檢測規(guī)范》解讀

朱亞宗 ，吳 歡，董德保，何 越，張廣元，吳奇生，田曉明

（1.安徽省大氣探測技術保障中心，安徽合肥 230031；2.中國氣象局氣象干部培訓學院安徽分院，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

由安徽省大氣探測技術保障中心牽頭起草的地方標準 《自動土壤水分傳感器實驗室檢測規(guī)范》（DB34/T 3501-2019）經(jīng)安徽省市場監(jiān)督管理局聯(lián)合安徽省氣象標準化管理委員會，于2019 年12 月25日批準，自2020 年1 月25 日開始實施。為了更好地實施和使用該標準，特對此標準相關內(nèi)容進行解讀。

2 制定標準的必要性和意義

目前安徽省水利、農(nóng)業(yè)、氣象、環(huán)保、高校研究所等業(yè)務科研部門在用土壤水分傳感器近200 套。自動土壤水分觀測儀可以方便、快速的在同一地點進行不同層次土壤水分觀測，獲取具有代表性、準確性和可比較性的土壤水分連續(xù)觀測資料，可減輕人工觀測勞動量、提高觀測數(shù)據(jù)的時空密度，為干旱監(jiān)測、農(nóng)業(yè)氣象預報和服務提供高質量的土壤水分監(jiān)測資料。安徽省氣象部門自動土壤水分觀測站最早一批的安裝時間是2009 年，經(jīng)過多年的運行，在設備維護、數(shù)據(jù)應用方面，都存在一些問題。在多年保障工作中發(fā)現(xiàn)，業(yè)務運行的自動土壤水分站故障率最高的組件是傳感器，而傳感器是自動土壤水分站的核心部件，因此建立實驗室內(nèi)土壤水分傳感器檢測規(guī)范顯得迫在眉睫。采用自動土壤水分觀測儀對土壤水分進行探測能夠及時準確地反映土壤水分觀測儀各站點周邊的土壤水分含量情況及土壤墑情。便于氣象、農(nóng)業(yè)和水利部門及時準確地了解到干旱發(fā)生的具體情況。為保障自動土壤水分站在野外連續(xù)長時間穩(wěn)定運行，觀測數(shù)據(jù)準確可靠，需要定期開展必要的傳感器性能檢測。目前安徽省還未有相關實驗室內(nèi)針對傳感器的檢測規(guī)范。

3 標準主要技術內(nèi)容解讀

本標準重點是提出自動土壤水分傳感器在實驗室內(nèi)的主要技術要求、性能指標的合理性，實驗室檢測條件、檢測設備的組成、檢測方法、數(shù)據(jù)處理方法等參數(shù)和方法制定的可行性。

3.1 檢測設備

包括位置控制器、試劑池、數(shù)據(jù)處理計算機和輔助工具。

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

容積：2-3 m3；材質：啞光不銹鋼，并帶有靜電接地裝置；位置控制器頂部、側壁中部、側壁底部預留通訊、供電過線孔；垂直位移范圍：0-120 cm；最大位移時間：≤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圓柱體，亞克力材質，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，直徑20 cm，高度10 cm，試劑池上方中心處開直徑3 cm 圓孔，配備密封蓋。

（3）數(shù)據(jù)處理計算機。采集、存儲、顯示被測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 試驗試劑的制備

試驗試劑是二氧六環(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。

3.3 檢測方法

實驗室環(huán)境下，將被測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，計算重復性和相對誤差。

（1）環(huán)境條件。溫度：（20±5）℃，相對濕度：≤85%RH。

（2）檢測準備。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，檢測前靜置不小于1h。使被測土壤水分傳感器處于正常工作狀態(tài)。

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

（4）重復性測試。分別使用充滿不同試劑的試劑池，不間斷記錄被測土壤水分傳感器輸出值，時間≥24 h。

（5）相對誤差采樣。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進行采樣，采樣時間間隔≥30 s，每次采樣次數(shù)為3 次，被測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 重復性

重復性計算公式如下：

式中：

σ 為標準差，xi為第i 次檢測樣本頻率值，x 為全體檢測樣本頻率值的均值，n 為檢測樣本次數(shù)。

3.4.2 相對誤差

相對誤差計算公式如下：

式中：

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

3.5 試驗數(shù)據(jù)論證

3.5.1 一致性檢測

傳感器放置在試驗試劑中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 層傳感器的標準差分別是：0.0082、0.0042、0.0157、0.0118、0.0027、0.002、0.0013、0.0056 。

3.5.2 示值誤差計算

傳感器在試驗試劑中（標準溶液）體積含水量與對應土壤中體積含水量之差的多次平均值的絕對誤差(表1)。

檢測點示值誤差（技術指標≤5（% ））。檢測點5%、10%、15%、20%、25%、飽和點分別為0.7、0.5、0.4、0、0.3、1.4。

表1 傳感器在標準溶液中的測量值與對應土壤中的測量值

4 本標準預期的效果與實施建議

本標準的目的是規(guī)定了自動土壤水分傳感器實驗室檢測項目、檢測裝置、試驗試劑的制備、檢測方法。開展此標準后可以更好地保障自動土壤水分站連續(xù)長時間穩(wěn)定運行和觀測數(shù)據(jù)準確可靠。

本標準的起草和修改嚴格按照GB/T 1.1--2009《標準化工作導則第1 部分：標準的結構和編寫規(guī)則》的有關規(guī)定進行編寫，作為推薦性地方標準由安徽省質量技術監(jiān)督局發(fā)布，適用于實驗室內(nèi)自動土壤水分傳感器自動土壤水分傳感器實驗室檢測項目、檢測裝置、試驗試劑的制備、檢測方法。