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(tǒng)構(gòu)造和工作原理，闡述了凍土自動觀測儀的安裝調(diào)試的要求及方法，總結(jié)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(shè)備提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：DTD2；凍土；工作原理；安裝調(diào)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(jié)的狀態(tài)。凍土觀測包括凍結(jié)層次和凍結(jié)深度[1]。DTD2凍土自動觀測儀是根據(jù)中國氣象局綜合氣象觀測系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，對凍土自動觀測的需求進行研發(fā)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(wǎng)絡(luò)與終端機綜合采集系統(tǒng)連接，完成凍土觀測任務(wù)。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(shù)據(jù)的準確性和連續(xù)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(jù)土壤中水分的凍融特性，通過測量水的相態(tài)變化導(dǎo)致的電阻、體積等物理特性的變化，得出凍結(jié)層次和上下限深度。采集器自動完成觀測任務(wù)，并將數(shù)據(jù)以規(guī)定的數(shù)據(jù)格式存儲，傳送至上位終端機進行處理。這一過程涉及復(fù)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(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r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(tǒng)扮演著核心角色。它不僅能夠自主完成預(yù)定的觀測任務(wù)，還能將收集到的原始數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)格式進行標準化存儲，確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。然后，這些數(shù)據(jù)會被傳輸至上位計算機終端，通過專業(yè)的數(shù)據(jù)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(tài)過程，及其對環(huán)境、氣候和生態(tài)系統(tǒng)的影響。

2 DTD2凍土自動觀測儀系統(tǒng)構(gòu)造

凍土自動觀測儀主要由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、供電單元、通信單元和外圍設(shè)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(shù)據(jù)（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(jù)水的凍阻特性，利用自然水（液態(tài)）與冰（固態(tài)）在導(dǎo)電特性上的差異，在內(nèi)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(chǎn)生的標尺誤差，通過標尺電極將水的凍融狀態(tài)轉(zhuǎn)化為凍結(jié)電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理器調(diào)用，采集器完成自動觀測任務(wù)[4]。

2.2 數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器集成在凍土儀內(nèi)部，是凍土儀的組成部分[5]。采集系統(tǒng)由中央處理器、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、接口、控制電路等元素構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集器主要功能是獲取傳感器的采樣數(shù)據(jù)，對采樣數(shù)據(jù)進行計算處理、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)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(guān)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(xù)維持自動站系統(tǒng)的正常工作。電源控制器將交流輸入轉(zhuǎn)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(fā)生過充與過放的現(xiàn)象。

2.5 軟件層面

數(shù)據(jù)采集器配備了先進的算法集，涵蓋數(shù)據(jù)采集、處理、存儲及傳輸四大核心功能。其中，數(shù)據(jù)采集模塊依據(jù)預(yù)先設(shè)定的頻率精準捕捉信息；數(shù)據(jù)處理模塊負責使用復(fù)雜算法，完成數(shù)據(jù)清洗與初步分析；數(shù)據(jù)存儲模塊則管理海量數(shù)據(jù)的有序保存；數(shù)據(jù)傳輸模塊則確保與中心節(jié)點的可靠通信，即使在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時也能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送，提升了系統(tǒng)的整體性和實用性。

3 DTD2凍土自動觀測儀的安裝與調(diào)試

3.1 安裝

設(shè)備在觀測場地的確切布局，應(yīng)嚴格參照《地面氣象自動觀測規(guī)范》（GB/T 35237—2017）和《地面氣象觀測場規(guī)范化建設(shè)圖冊》中的指導(dǎo)原則，確保達到ISO 9001質(zhì)量管理體系的內(nèi)外部審核標準。儀器的安裝應(yīng)置于觀測場地的東南方位，具體位于深層地溫傳感器南側(cè)50 cm處，與之平行排列，以便數(shù)據(jù)的同步收集和對比分析。凍土自動觀測儀外套管的設(shè)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(dǎo)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(huán)境因素引起的位移偏差。

數(shù)據(jù)采集器的機箱則應(yīng)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(yōu)化空間利用并便于日常維護。至于傳感器型號的選擇，應(yīng)基于各氣象站點歷史觀測數(shù)據(jù)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(yīng)不同深度的凍土層。

按照預(yù)定的分段安裝策略，整個凍土深度被劃分為3個不同的區(qū)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(yù)期的凍土深度范圍。最終，第三段的安裝將在前兩段的基礎(chǔ)上進行，具體位置設(shè)在320 cm地溫傳感器的南側(cè)。這一階段將安裝長度覆蓋300～450 cm的外套管，并配備對應(yīng)深度的傳感器，確保整個深度范圍內(nèi)的凍土狀態(tài)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(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。每個階段的安裝位置和流程都經(jīng)過精心規(guī)劃（圖2），清晰地展示整個安裝布局的細節(jié)，為后續(xù)的監(jiān)測工作奠定堅實的基礎(chǔ)。利用這種方式，可以更有效地監(jiān)控不同深度的凍土狀態(tài)，為研究和預(yù)測提供寶貴的數(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)的存水，若存水能夠代表當?shù)厮w則只需加注。

將注水筒與水管連接后，在筒內(nèi)灌入代表當?shù)厮w的水或當?shù)刈詠硭?，打開水管的開關(guān)，讓水流出直至管內(nèi)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(nèi)殘留氣泡。將傳感器放入外套管內(nèi)，一般注水后應(yīng)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(shù)據(jù)線（二芯），另一端接入綜合集成硬件控制器。

3.2 調(diào)試

凍土自動觀測儀初次安裝完畢后，需要對系統(tǒng)中相關(guān)節(jié)點進行設(shè)置，方能實現(xiàn)凍土儀與業(yè)務(wù)軟件之間數(shù)據(jù)的正常傳輸。

凍土儀的通信方式為RS485，波特率9600，數(shù)據(jù)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(yīng)的串口號，再設(shè)置以上參數(shù)，即可實現(xiàn)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(shù)據(jù)。

3.2.1 自動觀測數(shù)據(jù)格式

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

數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計確保了DTD2型凍土自動觀測儀監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確傳輸。起始標識“BG”作為幀的開端，明確定義了數(shù)據(jù)記錄的起點。緊隨其后的是元數(shù)據(jù)部分，其中包含儀器的區(qū)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(qū)域、交通、電力和農(nóng)業(yè)氣象站。設(shè)備標識“YSFS”和設(shè)備ID（從“000”起逐個遞增）確保了設(shè)備的唯一性。觀測時間精確至秒，采用北京時區(qū)標準，幀標識用于區(qū)分數(shù)據(jù)類型和采樣頻率，同時記錄觀測要素數(shù)量和設(shè)備狀態(tài)變更。數(shù)據(jù)主體是觀測數(shù)據(jù)的核心，包括實際觀測值、數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制信息和設(shè)備狀態(tài)，可在《地面氣象數(shù)據(jù)對象字典》中找到這些信息的編碼規(guī)則，確保了數(shù)據(jù)的準確性和完整性。校驗碼由四位數(shù)字組成，通過ASCII碼的累加和校驗算法，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o誤。數(shù)據(jù)幀以“ED”標識結(jié)尾，標志著一個完整的數(shù)據(jù)包。

4 DTD2凍土自動觀測儀的維修

凍土自動觀測儀的故障現(xiàn)象為數(shù)據(jù)異常或無數(shù)據(jù)，故障可能由供電、通信故障、參數(shù)設(shè)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(yīng)為直流12 V左右，若電壓值為0，需檢查直流刀片開關(guān)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(yīng)PORT口的參數(shù)是否正確；更換另一個PORT口進行測試，檢查PORT口是否出現(xiàn)故障。

4.3 凍土數(shù)據(jù)到報率低

檢查握手機制是否為0（被動模式）。軟件—設(shè)備管理—維護終端—端口選擇“凍土串口處理”發(fā)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(fā)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(jù)實際溫度判斷，不可能有土壤凍結(jié)時，但顯示淺層土壤有凍結(jié)，最大原因是傳感器缺水；若單點數(shù)據(jù)顯示有凍結(jié)現(xiàn)象，最大原因是傳感器內(nèi)有氣泡。檢查凍土儀是否漏水或有氣泡，如漏水或有氣泡應(yīng)及時補水；補水維護時，應(yīng)錯開正點。最后檢查凍土儀是否出現(xiàn)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(shè)計的維護措施。為了確保設(shè)備的持續(xù)監(jiān)控能力，操作人員應(yīng)定期關(guān)注傳感器的狀態(tài)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(qū)域，檢查頻率應(yīng)適當增加，以及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在的硬件損傷或腐蝕問題。一旦發(fā)現(xiàn)受損或腐蝕的組件，立即采取修復(fù)或替換行動，以保障系統(tǒng)的整體性能。

供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性同樣關(guān)鍵，因此每周進行一次系統(tǒng)健康檢查是必要的，這包括驗證交流電供應(yīng)、電源轉(zhuǎn)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(tài)。定期對蓄電池進行充放電循環(huán)，延長其使用壽命并保持充足的電力儲備。每年雷雨季節(jié)來臨前，應(yīng)對防雷設(shè)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(tǒng)的有效性和安全性。

當遇到設(shè)備故障時，迅速響應(yīng)并安排專業(yè)的維修或更換服務(wù)，以最小化數(shù)據(jù)采集的中斷。在對凍阻式傳感器進行補水維護時，應(yīng)避開常規(guī)觀測時間點，以避免影響數(shù)據(jù)的連續(xù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)器內(nèi)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(yīng)器重新置入外套管。此外，自動注水設(shè)備也可用于補水，提供更便捷的解決方案。對于設(shè)備故障、維護操作或數(shù)據(jù)異常的情況，記錄詳細的備注信息是至關(guān)重要的，以便后續(xù)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(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)質(zhì)量，確保其在各種惡劣環(huán)境下的持續(xù)穩(wěn)定運行。

6 非凍土觀測時期的維護內(nèi)容

在進行凍土監(jiān)測活動前，即約一個月前，進行全面的系統(tǒng)檢查顯得尤為重要。這一階段的檢查應(yīng)涵蓋多個方面，需要評估外套管的完好狀態(tài)，確認其內(nèi)部是否存在積水現(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)精準測量的前提條件。

為了優(yōu)化能源管理并防止?jié)撛诘碾姵睾膿p問題，當傳感器不處于工作狀態(tài)時，應(yīng)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(tǒng)的穩(wěn)定可靠，為后續(xù)的長期監(jiān)測任務(wù)提供充足的能量支持。這種定期的維護和預(yù)啟動檢查，不僅能提升數(shù)據(jù)的準確性和監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，還能延長設(shè)備的使用壽命，減少因突發(fā)故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)中斷風險。

7 結(jié)束語

詳細闡述了DTD2凍土自動觀測儀的結(jié)構(gòu)、安

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

參考文獻

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