邢 程 ,李 想 ,白雪梅

（1.黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心,黑龍江 哈爾濱 150030;2.方正縣氣象局,黑龍江 方正 150800;3.黑龍江省氣象臺(tái),黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0 ℃或以下而呈凍結(jié)的狀態(tài)。

凍土觀測(cè)是中國(guó)氣象局統(tǒng)一布局觀測(cè)項(xiàng)目，觀測(cè)內(nèi)容包括土壤凍結(jié)層次和凍結(jié)深度。隨著DTD1型凍土自動(dòng)觀測(cè)儀在全國(guó)的普及和使用，觀測(cè)業(yè)務(wù)人員的工作重點(diǎn)將隨之逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、觀測(cè)產(chǎn)品研發(fā)和裝備保障方面。本文針對(duì)DTD1 型凍土自動(dòng)觀測(cè)儀工作原理構(gòu)造及巡檢維護(hù)方法進(jìn)行如下解析。

2 DTD1 型凍土自動(dòng)觀測(cè)儀工作原理及系統(tǒng)構(gòu)造

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

DTD1 型凍土自動(dòng)觀測(cè)儀由軟件和硬件兩部分組成。軟件為嵌入式軟件，硬件主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、供電單元和外圍設(shè)備等組成，可接入綜合集成硬件控制器，其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 凍土自動(dòng)觀測(cè)儀硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

DTD1 型凍土自動(dòng)觀測(cè)儀是根據(jù)水與冰相變后電阻發(fā)生改變的特性，利用水做感應(yīng)介質(zhì)，每1 cm設(shè)置一個(gè)電極，根據(jù)每層電極檢測(cè)信號(hào)判別土壤的凍融狀態(tài)，建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出土壤凍結(jié)層次及其上限和下限深度。具有穩(wěn)定性強(qiáng)，測(cè)量精度高，成本低等特點(diǎn)。目前凍土自動(dòng)觀測(cè)主要采用電阻法、電容法和測(cè)溫法等。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

2.3.1 凍阻式凍土傳感器

凍阻式凍土傳感器利用水的相態(tài)發(fā)生改變時(shí)體積、電阻等介電常數(shù)物理特性隨之變化的原理，通過(guò)非純凈水做感應(yīng)質(zhì)，測(cè)量相關(guān)物理量得到凍結(jié)層次和上下限深度。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集器

DTD1 型凍土自動(dòng)觀測(cè)儀數(shù)據(jù)采集器的硬件部分由嵌入式處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、通信接口和指示燈電路等多種電路模塊組成。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(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信傳輸，并與終端計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。

2.3.3 系統(tǒng)電源

DTD1 型凍土自動(dòng)觀測(cè)儀的電源系統(tǒng)為交流供電電源系統(tǒng)，由四部分組成，分別是空氣開關(guān)、防雷器、電源控制器和免維護(hù)電池。供電單元的輸入為AC220 V，輸出電壓為DC13.8 V。市電供電時(shí)，電源模塊負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)化為DC13.8 V，供DTD1 型凍土自動(dòng)觀測(cè)儀工作；蓄電池做為后備電源，當(dāng)沒(méi)有外部電源輸入時(shí)，保證DTD1 型凍土自動(dòng)觀測(cè)儀能夠連續(xù)工作。

2.4 軟件結(jié)構(gòu)

軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苣K。

數(shù)據(jù)采集模塊按規(guī)定的采樣頻率進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)完成采樣算法、數(shù)據(jù)計(jì)算處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理；數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與終端計(jì)算機(jī)的通信，并具有數(shù)據(jù)補(bǔ)傳功能。

3 巡檢維護(hù)方法

在非凍土期間，凍土傳感器可斷電停用，啟用前需檢測(cè)蓄電池電壓。每年入冬前一個(gè)月，對(duì)傳感器進(jìn)行全面檢查與維護(hù)。查看外套管中有無(wú)積水、雜物；外套管與土壤接觸是否緊密；傳感器內(nèi)管、外管的0線與地面是否齊平等。如凍土傳感器測(cè)量介質(zhì)為水，需及時(shí)檢查補(bǔ)充當(dāng)?shù)刈詠?lái)水（經(jīng)過(guò)濾的河水、井水）。如發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)處理。

在凍土期間，需定期查看傳感器工作狀態(tài)燈，以便及時(shí)了解掌握設(shè)備的運(yùn)行和通信狀態(tài)。定期查看設(shè)備各連接部分是否損壞或腐蝕，自然條件惡劣地區(qū)應(yīng)縮短查看周期；對(duì)損壞或腐蝕的部件應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理、更換。每周檢查供電系統(tǒng)，保證交流電、電源轉(zhuǎn)換控制模塊和蓄電池供電電壓正常；定期對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電。每年雷雨季前對(duì)防雷設(shè)施進(jìn)行全面檢查，復(fù)測(cè)接地電阻。當(dāng)設(shè)備故障時(shí)，需及時(shí)進(jìn)行維修或更換。在凍阻式傳感器補(bǔ)水維護(hù)時(shí)，應(yīng)錯(cuò)開正點(diǎn)并避免內(nèi)管中留有氣泡。

補(bǔ)水方法：取出感應(yīng)器，保持傾斜，使注水筒高于凍土儀，打開上注水孔螺絲，擰下感應(yīng)器下注水閥保護(hù)帽，擰松注水閥，采用滴溜的方法將水注入感應(yīng)器，觀察到上注水孔出水，表示注滿。注滿后擰緊注水閥，取下連接管，重新擰上注水閥保護(hù)冒，擰緊上注水孔螺絲，重新放入外套管。也可以使用自動(dòng)注水器進(jìn)行補(bǔ)水。如出現(xiàn)凍土自動(dòng)觀測(cè)儀故障、維修和數(shù)據(jù)處理等情況時(shí)需做好備注處理。

4 總結(jié)

DTD1 型凍土自動(dòng)觀測(cè)儀是根據(jù)水與冰相態(tài)發(fā)生改變時(shí)體積、電阻等介電常數(shù)物理特性隨之變化的原理，并通過(guò)非純凈水做感應(yīng)質(zhì)，測(cè)量相關(guān)物理量得到凍結(jié)層次和上下限深度。在硬件系統(tǒng)中，需維護(hù)傳感器和供電系統(tǒng)兩部分。

在非凍土期間，需對(duì)傳感器進(jìn)行全面檢查與維護(hù)。查看外套管中有無(wú)積水、雜物；外套管與土壤接觸是否緊密；傳感器內(nèi)管、外管的0 線與地面是否齊平等。在凍土期間，需定期查看傳感器工作狀態(tài)燈，定期查看設(shè)備各連接部分是否損壞或腐蝕。

供電系統(tǒng)的維護(hù)包含檢查交流電輸入電壓是否為交流220 V、電源轉(zhuǎn)換控制模塊的輸出電壓是否為直流13.8 V 和蓄電池供電電壓是否正常，并定期對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電。如果發(fā)生供電系統(tǒng)故障，將影響數(shù)據(jù)的輸出。則需按照上述方式逐一排查維護(hù)維修。