DTD2凍土自動觀測儀的安裝與調(diào)試

摘要：傳統(tǒng)的凍土觀測測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度差、密度不夠，很難適應(yīng)氣象觀測現(xiàn)代化建設(shè)對高精度觀測儀器的需求。為提高凍土觀測精準(zhǔn)度，進一步減輕基層臺站人員的工作量，我國研發(fā)了DTD2型電阻式凍土自動觀測儀?；贒TD2型凍土自動觀測儀，首先說明了該設(shè)備的采集單元，以及傳感器、通信、供電等單元的功能，并對該設(shè)備的工作原理進行了闡述，詳細闡明了該設(shè)備的安裝使用及注意事項，并對業(yè)務(wù)軟件、串口軟件的調(diào)試方法進行了說明，為DTD2型凍土自動觀測儀的日常使用提供了依據(jù)與參考。

關(guān)鍵詞：DTD2型凍土自動觀測儀工作原理結(jié)構(gòu)組成安裝與調(diào)試

中圖分類號：P414

InstallationandDebuggingofDTD2PermafrostAutomaticObservationInstrument

DONGXiangyanWANGYukun*

YuchengMeteorologicalBureauofShandongProvince，Yucheng，ShandongProvince，251200China

Abstract：Traditionalpermafrostobservationmeasurementdataarepoorinaccuracyandinsufficientindensity，whichisdifficulttoadapttothedemandforhigh-precisionobservationinstrumentsinthemodernisationofmeteorologicalobservation.Inordertoimprovetheaccuracyofpermafrostobservationandfurtherreducetheworkloadofthepersonnelofgrassrootsstations，ChinahasdevelopedtheDTD2typeresistivepermafrostautomaticobserver.BasedontheDTD2typepermafrostautomaticobservationinstrument，，thispaperfirstlydescribestheacquisitionunitofthedevice，andthefunctionsofthesensor，communication，powersupplyandotherunits，andelaboratesontheworkingprincipleofthedevice，elaboratesontheinstallationanduseofthedeviceandtheprecautionstobetaken，andexplainsthedebuggingmethodofthebusinesssoftwareandserialsoftware，whichprovidesabasisandareferenceforthedailyuseoftheDTD2typepermafrostautomaticobserver.Italsoexplainsthedebuggingmethodsofbusinesssoftwareandserialsoftware，whichprovidesthebasisandreferenceforthedailyuseofDTD2permafrostautomaticobserver.

KeyWords：DTD2permafrostautomaticobservationinstrument;Principleofoperation;Structuralcomposition;Installationanddebugging

凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0攝氏度或以下而呈凍結(jié)的狀態(tài)，每日08時來測定凍結(jié)層次及其上限和下限深度，以厘米（cm）為單位，取整數(shù)[1]。目前凍土人工觀測已積累多年數(shù)據(jù)，已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，并且在氣候監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著很重要的作用[2-3]。以前國內(nèi)各臺站人工觀測凍土普遍使用TB1-1型凍土器，傳統(tǒng)的觀測方法耗時耗力、測量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度差、密度不夠，不能實時監(jiān)測凍土深度及其發(fā)展變化情況，難以適應(yīng)氣象觀測現(xiàn)代化對高精度自動觀測的需要[4-5]，因此，凍土項目的觀測方法及觀測設(shè)備急需進行實質(zhì)性和針對性的改進。為提高凍土觀測精準(zhǔn)度及數(shù)據(jù)質(zhì)量，促進凍土觀測向自動化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，我國研發(fā)了DTD2型電阻式凍土自動觀測儀，并推廣使用[6]。凍土數(shù)據(jù)的自動觀測，減輕了人員工作量，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)性、準(zhǔn)確性，能夠更好地為各行業(yè)提供精確的氣象服務(wù)[7]。

1凍土自動觀測儀的結(jié)構(gòu)組成

凍土自動觀測儀主要由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、通信單元、外圍設(shè)備和供電單元等組成[8]，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1采集單元

系統(tǒng)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。采集器整體是一個圓形的外殼，其上部可旋轉(zhuǎn)打開，內(nèi)部上面由3塊圓形電路板組成，第一塊為數(shù)據(jù)處理單元板，第二塊為電源管理單元，第三塊為連接電路板，下面可以安插方形繼電器板6塊，通過底座連接到傳感器棒體，底座與傳感器棒體形成一個整體。

采集系統(tǒng)由中央處理器、數(shù)據(jù)存儲器、時鐘電路等部分構(gòu)成。中央處理器以低功耗單片機為核心控制部件，實現(xiàn)測量電壓轉(zhuǎn)換、測量控制、數(shù)據(jù)處理等功能。并帶有數(shù)據(jù)存儲、時鐘控制、硬件看門狗、RS232電平轉(zhuǎn)換，以及加熱器控制等功能。

1.2傳感器單元

凍阻式傳感器是凍土儀的核心部件，其依據(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1cm為間隔的標(biāo)尺電極；標(biāo)尺電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了分辨力與探測精度要求，消除了人工觀測TB1型凍土器由于凍漲產(chǎn)生的標(biāo)尺誤差，通過標(biāo)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)。

1.3通信與供電單元

凍土儀通過RS485總線方式與計算機或串口服務(wù)器連接，可將凍土觀測數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息以有線的方式上傳至上位機軟件。凍土儀供電單元由電源控制器、免維護電池、空氣開關(guān)和防雷器組成。機箱與設(shè)備主機采用防水插頭連接，市電與機箱通過供電電纜連接供電。

2凍土自動觀測儀的工作原理

DTD2凍土儀根據(jù)檢測水凍融轉(zhuǎn)換相態(tài)變化的凍阻式測量原理，利用水的相態(tài)發(fā)生改變的時候，電阻、體積等物理特性也隨之變化的特點，通過非純凈水做感應(yīng)介質(zhì)，測量相關(guān)物理量，從而得到凍結(jié)的層次和上下限的凍土深度。

DTD2凍土儀采用了注水內(nèi)管和保護外管的感應(yīng)結(jié)構(gòu)，傳感器插入觀測場地下外套管中，土壤凍結(jié)是土壤中的水分發(fā)生凍結(jié)，凍土儀內(nèi)管中的水分也隨之凍結(jié)，其凍結(jié)阻值發(fā)生突變，排列在凍土儀內(nèi)管中的感應(yīng)電極自動探測內(nèi)管的凍結(jié)界面，得到凍結(jié)深度信號，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，傳送到上位終端機進行處理。

3凍土自動觀測儀的安裝

3.1安裝傳感器外套管

在地面氣象觀測場內(nèi)指定位置，采用“鉆孔法”鉆挖出直徑約50mm、深度為1720mm的孔洞。將PPR材質(zhì)直徑40mm熱水管，長度1950mm的外套管送入孔洞中，在外套管及孔洞的間隙中注入大量的細土、壓實，以免外管下沉。外套管所在位置的地面高度應(yīng)與四周鄰近場地的高度平齊，外套管在地面之上的高度為260mm。安裝完成以后使用防水材料把裸露在外的管口堵住，以防止在傳感器未安裝之前雨水流入。外套管安裝應(yīng)該在凍土儀正式使用前2～6個月完成，以保證觀測的準(zhǔn)確可靠。

3.2注水

3.2.1排空注水

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(dāng)?shù)厮w則只需加注。

3.2.2 注水準(zhǔn)備

將注水筒和水管連接后，在筒內(nèi)灌入代表當(dāng)?shù)厮w的水，打開水管開關(guān)，讓水流出直至管內(nèi)不再有氣泡。

3.2.3正式注水

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。

3.2.4注水收尾工作

注滿以后，擰緊注水閥，拿下連接管，擰上注水閥保護帽，擰緊溢水孔螺絲后回擰2～3圈，使傳感器內(nèi)殘留氣泡能夠排出。將傳感器重新放入外套管內(nèi)，一般注水后應(yīng)靜置2h以上再正式開始觀測。

4凍土自動觀測儀的軟件調(diào)試

待凍土自動觀測儀的采集器、機箱、傳感器以及各線路連接好以后，需對軟件進行調(diào)試。

4.1業(yè)務(wù)軟件調(diào)試

在凍土儀正常連接與上電后，還可通過業(yè)務(wù)軟件上的“設(shè)備管理”菜單下的“維護終端”功能，直接對其發(fā)送命令進行調(diào)試。

4.2串口調(diào)試軟件

在凍土儀正常連接與上電后，可在業(yè)務(wù)電腦上，關(guān)閉凍土對比業(yè)務(wù)軟件，使用相關(guān)串口調(diào)試軟件，直接命令發(fā)送給凍土儀進行調(diào)試。

4.3格式說明[9]

（1）各種終端命令由命令符和相應(yīng)參數(shù)組成，命令符由若干英文字母組成，命令符與參數(shù)、參數(shù)與參數(shù)之間用1個半角逗號分隔。

（2）鍵入終端命令后，應(yīng)鍵入回車/換行鍵，本格式用“↙”表示。

（3）返回值的結(jié)束符均為回車/換行，本格式中返回值用“<>↙”給出。

（4）命令非法時，返回出錯提示信息“BADCOMMAND↙”。

（5）在凍土儀正常連接與上電后，還可通過業(yè)務(wù)軟件上的“設(shè)備管理”菜單下的“維護終端”功能，直接對其發(fā)送命令進行調(diào)試。

5結(jié)語

DTD2凍土自動觀測儀具有測量精度高、穩(wěn)定性強、安裝維護操作簡單等特點，它的應(yīng)用大大提高了工作效率，減輕了勞動量。本文對其工作原理、組成結(jié)構(gòu)、安裝調(diào)試方法進行介紹，但日常工作中也得加強巡檢和維護，確保數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，從而為各行各業(yè)提供精確的氣象服務(wù)。

參考文獻

[1]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[Ｍ].北京：氣象出版社，2003.

[2]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.

[3]胡樹貞，劉志剛，吳東麗，等.凍土自動觀測儀性能比對分析[J].氣象水文海洋儀器，2020，37（4）：4-7.

[4]苗傳海，沙莉，郭宗凱，等.DOZ-1型電阻凍土自動觀測儀設(shè)計與試驗[J].氣象水文海洋儀器，2021，38（3）：90-92，95.

[5]沙莉，張藝萌，馬成芝，等.遼寧沈陽地區(qū)凍土深度自動觀測方法研究[J].氣象水文海洋儀器，2019，36（2）：56-59.

[6]宋樹禮，張鑫，劉志剛，等.電阻式凍土自動觀測儀測量原理及實驗分析[J].南方農(nóng)機，2023，54（4）：64-65.

[7]邢程，李想，白雪梅.淺談DTD1型凍土自動觀測儀原理構(gòu)造及維護方法[J].黑龍江氣象，2022，39（1）：39-40.

[8]華云升達（北京）氣象科技有限公司.DTD2型凍土自動觀測儀使用手冊[M].北京：長望氣象科技有限公司，2020：14-21．

[9]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.地面氣象要素編碼與數(shù)據(jù)格式：GB/T33695-2017[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017：9．