周子強 楊紅超 劉海鑫

(黑龍江省撫遠市氣象局，黑龍江 撫遠 156500)

引言

土壤水分是指保持在土壤孔隙中的水分,是以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)存在于土壤中,土壤水分主要來源于降水、地下水、作物灌溉水及凝結(jié)水。土壤水分狀況是水分在土壤中的移動、各層中數(shù)量的變化以及土壤和其它自然體間的水分交換現(xiàn)象的總稱。定期對土壤水分貯存量及其變化規(guī)律的監(jiān)測,是農(nóng)業(yè)氣象、生態(tài)環(huán)境及水文環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)性工作之一,掌握土壤水分變化,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)有重大指導意義。DZN3 型自動土壤水分觀測儀采用先進的頻域反射技術(shù),能夠準確測量多深度土壤體積含水率,能夠自動完成土壤體積含水量的數(shù)據(jù)采集、處理、存貯、傳輸?shù)裙ぷ?。本文就DZN3 土壤水分觀測儀在日常業(yè)務(wù)工作運行過程中易出現(xiàn)的故障和日常維護工作,談一下具體解決故障思路和方法及日常維護。

1 DZN3 型自動土壤水分觀測儀的組成、工作原理、工作流程

DZN3 型自動土壤水分觀測儀基于現(xiàn)代測量技術(shù)構(gòu)建,由硬件和軟件組成。硬件部分主要由傳感器、采集器,通訊模塊、充電保護器、串口轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成(見圖1)；軟件為農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)軟件。DZN3 自動土壤水分觀測儀能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準確地在同一觀測土壤濕度地段進行不同深度土壤濕度自動觀測,獲取具有代表性、準確性、比較性的土壤水分連續(xù)觀測資料,減少了人工測量土壤濕度的工作量,提高了工作效率。

DZN3 型自動土壤水分觀測儀是基于一種頻域反射法測量技術(shù)原理 (Frequency Domain Reflection,FDR) 來測量土壤體積含水量的自動化土壤水分觀測儀器,采用頻域反射方法進行土壤水分測量,是一種現(xiàn)代化先進的觀測方法,對比其它觀測土壤濕度方法具有很多優(yōu)勢性。利用頻域測報技術(shù)測量土壤水分無化學品,無放射性；傳感器測量深度可以進行靈活調(diào)整,傳感器配置靈活,測量準確度高,性能穩(wěn)定；安裝時不破壞原有土壤結(jié)構(gòu),操作十分簡便,可靠性較高,同時其模塊體結(jié)構(gòu)便于安裝、維護和維修。頻域反射法測量土壤濕度的工作原理,由傳感器發(fā)出100MHz 的信號,傳感器電容(壓) 與被測層次土壤介電常數(shù)構(gòu)成函數(shù)關(guān)系。當傳感器2 個電極之間加上電壓時,振蕩回路產(chǎn)生頻率信號,頻率的大小隨土壤介電常數(shù)而改變,測量時傳感器給出的電容(壓) 值也隨之變化,這種變化量被CPU 實時控制的數(shù)據(jù)采集器所采集,經(jīng)過線性化和定量化處理,得出土壤水分觀測值(土壤體積含水量),并按一定的格式存儲在采集器中。頻域反射法又分為電容法和駐波率法,DZN3 型自動土壤水分觀測儀采用的是電容法,土壤水分觀測儀傳感器又分為插管式和探針式2 種傳感器,DZN3 型土壤水分觀測儀采用的是插管式傳感器,可用于實時觀測土壤體積含水量的變化,插管式傳感器內(nèi)部由一個單桿和8 個傳感器構(gòu)成,在農(nóng)業(yè)氣象觀測工作中主要觀測0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm、70～80cm、90～100cm8 個深度的土壤體積含水量,同時可根據(jù)觀測需求進行深度的調(diào)整。

DZN3 型自動土壤水分觀測儀測試工作流程原理:供電系統(tǒng)采用太陽能的供電方式,通過傳感器采集到土壤體積含水率傳輸?shù)讲杉?采集器將采集到土壤含水數(shù)據(jù)由通訊模塊用GPRS 無線傳輸方式傳輸?shù)浇邮辗?wù)器中,服務(wù)器經(jīng)過數(shù)據(jù)處理將獲得采集數(shù)據(jù)發(fā)布在內(nèi)部業(yè)務(wù)平臺上。具體流程見圖2。

2 DZN3 型土壤水分觀測儀典型故障分析與排除方法

根據(jù)DZN3 型土壤水分觀測儀組成結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合日常自動站運行工作中易發(fā)生故障,將故障分為3類:供電系統(tǒng)故障,通訊系統(tǒng)故障,傳感器故障。現(xiàn)針對各類故障分析故障處理方法。

2.1 供電系統(tǒng)故障

由于土壤水分觀測儀一般都安裝在地土壤類型、地貌、地質(zhì)條件的農(nóng)田區(qū)域代表性地段,因此一般采用太陽能的供電方式,供電系統(tǒng)主要由太陽能板、充電控制保護器、蓄電池等組成。主要工作原理是,當有太陽有效光照時,由充電控制保護器為土壤水分觀測儀供電,同時給蓄電池充電,當夜間或多云天氣無有效太陽光照時,由蓄電池為土壤水分觀測儀供電,蓄電池單獨供電時間大約為7d。由于太陽能供電方式極易受到天氣條件和自然環(huán)境影響,導致土壤濕度數(shù)據(jù)采集不上來或數(shù)據(jù)傳輸率成功率低的現(xiàn)象發(fā)生,供電系統(tǒng)發(fā)生故障的時候,需對太陽能板、蓄電池、太陽能充電控制保護器等進行檢查,具體檢查流程如下:對充電控制保護器模塊上太陽能板輸入端子進行檢查(晴天進行),用萬用表20V 電壓檔檢查輸入端子電壓值是否大于12V,如果低于12V 就說明太陽能板有問題,更換太陽能板；檢查蓄電池是否饋電,用觀察充電保護器電源指示燈的方法,一般正常情況下亮綠燈,饋電的時候亮紅燈閃爍,蓄電池使用壽命是2～3a,由于北方冬季寒冷,更易縮短電池的正常使用時間,如果在充電保護器顯示滿電的情況下,運行時間短就饋電,說明蓄電池使用壽命到期了,更換耐低溫蓄電池。

2.2 通訊系統(tǒng)故障

通訊系統(tǒng)故障是土壤水分觀測儀最為常見、發(fā)生率最高的故障,其故障現(xiàn)象多為上傳數(shù)據(jù)報文發(fā)送不到數(shù)據(jù)接收中心或缺報率較高,排查通訊故障十分復雜,本著由簡到繁的原則逐步排查。

2.2.1 檢查土壤水分測試儀通訊模塊SIM 卡是否損壞

土壤水分觀測儀上傳土濕數(shù)據(jù)采用無線網(wǎng)絡(luò)方式上傳數(shù)據(jù),通信模塊中SIM 卡采用移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的方式發(fā)送數(shù)據(jù),可以通過拔打SIM 卡號通過中國移動客服語音提示來判斷其工作狀態(tài)。語音提示“你呼叫的用戶已欠費停機,應(yīng)立即補繳話費,恢復SIM 卡正常工作。如沒欠費,測試SIM 卡是否損壞,將通訊模塊中SIM 卡取出放到手機中,觀察是SIM 卡能否訪問移動互聯(lián)網(wǎng)及信號強度大小,如不能正常訪問互聯(lián)網(wǎng),說明SIM 卡損壞,應(yīng)盡快到移動運營大廳更換新SIM 卡。

2.2.2 檢查宏電通訊模塊工作狀態(tài)

宏電通訊模塊有3 個狀態(tài)指導燈分別是PWR 燈(電源指示燈)、DATA 燈(數(shù)據(jù)傳輸指示燈)、NET燈(網(wǎng)絡(luò)指示燈),可以通過觀察3 個狀態(tài)指示燈判斷通訊故障,通訊模塊正常工作狀態(tài)下PWR 電源燈常亮或閃亮、DATA 數(shù)據(jù)燈閃亮表示數(shù)據(jù)通訊、NET網(wǎng)絡(luò)燈常亮表示入網(wǎng)。

WR 電源指導燈不亮,請檢查電源連接線是否牢固連接,同時對充電控制保護器、蓄電池、太陽能板進行檢查查看供電系統(tǒng)是否存在故障。

NET 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈不常亮,網(wǎng)絡(luò)指示燈正常工作狀態(tài)下登錄網(wǎng)絡(luò)后才常亮,如果NET 燈顯示不正常(燈較快速閃爍),請確認土壤水分觀測儀所在的移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況和信號強度。同時請檢查SIM是否正確安裝或損壞。

數(shù)據(jù)指示燈(DATA) 不亮,數(shù)據(jù)指示燈只有發(fā)送土壤水分數(shù)據(jù)時才閃亮,如長時間不亮,可能出現(xiàn)通訊模塊或采集器出現(xiàn)死機現(xiàn)象,這里需要將供電模塊和采集器斷電并重新供電。

檢查宏電通訊模塊通訊天線是否損壞,如損壞更換新天線。由于電壓不穩(wěn)定,極易造成通訊模塊參數(shù)的初始化,用調(diào)試線連接筆記本電腦檢查宏電GPRS通訊模塊參數(shù)是否正確,如不正確按要求進行重新設(shè)置。檢查宏電通訊模塊是否損壞。

2.3 傳感器故障

DZN3 型自動土壤水分觀測儀有8 個測量不同土層深度含水率的傳感器,當傳感器發(fā)生故障時,會發(fā)現(xiàn)某個土層的含水率數(shù)據(jù)缺測或異常,這時需要對傳感器做如下檢查:將土壤測濕傳感器從套管中取出,檢查跳線帽是否脫落,用手重新按壓各個傳感器和主機板與帶纜線的排線插針,確保各個連接器可靠連接(見圖3)；檢查傳感器電路板連接線是否脫落,如脫落及時維修；經(jīng)過以上兩步檢查還沒有數(shù)據(jù),則表明該層土壤傳感器損壞,按要求更換新的土壤傳感器。

3 DZN3 型自動土壤水分觀測儀的日常維護

定期巡視觀測場和儀器設(shè)備,進行清除雜草等工作,保持觀測環(huán)境與周圍環(huán)境一致。出現(xiàn)沙塵、降雪天氣,及時對太陽能板上的積塵和積雪進行清理。每年至少1 次對自動土壤水分觀測儀的傳感器、采集器和整機進行現(xiàn)場檢查、校驗。春季對防雷設(shè)施進行檢查。定期把傳感器從PVC 管中取出,檢查管內(nèi)是否潮濕進水,如有水滴,需要清除干凈；每月到現(xiàn)場檢查一次采集器,查看是否進水和沉積灰塵,如有則要清除干凈,檢查、維護的情況應(yīng)記入值班日志中。對觀測數(shù)據(jù)有影響的還要摘入備注。每3 個月將放置在安裝管中的干燥劑取出,用烘箱烘干,并重新放置好。

4 結(jié)束語

DZN3 型自動土壤水分析觀測儀能夠及時、準確測量土壤含水率,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)起到了重大作用,這就要求維護人員平時努力學習相關(guān)知識,積累維修、維護經(jīng)驗,保證土壤濕度觀測儀長期、準確、穩(wěn)定地運行。