楊翠麗，武蘭芳，李秀英，李瑞蘇

（沙河市氣象局，河北 沙河 054100）

0 引言

凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0℃或0℃以下而呈凍結(jié)的狀態(tài)，是地面氣象觀測基本項目之一，觀測內(nèi)容包括土壤凍結(jié)層次及其上限和下限深度，凍土深度以cm為單位，取整數(shù)[1]。人工觀測凍土使用TB1-1型凍土器，這種觀測方式勞動強度大[2]；膠管隨水結(jié)冰而伸長或彎曲、提取摸測過程容易彎折；觀測環(huán)境不穩(wěn)定，內(nèi)管抽出，出現(xiàn)“過冷水”突然凍結(jié)情況，此外內(nèi)外管同時遭受冷、熱空氣侵襲，破壞熱平衡；每天08時觀測1次，會出現(xiàn)漏測當日其他時段凍土變化情況。隨著氣象現(xiàn)代化的不斷推進，越來越多的自動化觀測設備投入到凍土觀測業(yè)務中，加快了國家地面觀測自動化進展。因此，凍土自動觀測儀維護、維修問題成了基層業(yè)務人員更為關(guān)注的問題，也直接影響觀測數(shù)據(jù)的準確性。本文詳細介紹了凍土自動觀測儀安裝調(diào)試、維護維修方法，以期為基層業(yè)務人員提供技術(shù)參考。

凍土自動觀測儀根據(jù)傳感器測量原理不同分為凍阻式凍土自動觀測儀、電容式凍土自動觀測儀和測溫式凍土自動觀測儀[1]。DTD5凍土自動觀測儀（以下簡稱凍土自動觀測儀）為凍阻式，是利用水的相態(tài)發(fā)生改變時體積、電阻等物理特性隨之變化的原理，通過在裝有非純凈水作感應介質(zhì)的管兩側(cè)安裝感應電極，測量電極相關(guān)物理量得到凍結(jié)層次和上下限深度[3-4]。凍土的自動觀測，減少了臺站觀測員的工作量，避免了人為因素對觀測數(shù)據(jù)的影響及凍土變化漏測情況[5-6]，觀測數(shù)據(jù)的頻次由原來的每天1次增加到每分鐘1次。提高了觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、準確性，為農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、道路橋梁設計、鐵路設計等等提供了更好的服務[7-12]。

1 凍土自動觀測儀的安裝

凍土自動觀測儀由軟件和硬件兩部分組成，軟件為嵌入式軟件，硬件包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信單元、供電單元和外圍設備等，如圖1所示。接入DZP1綜合集成硬件控制器，通過地面綜合觀測業(yè)務軟件（ISOS）顯示凍土數(shù)據(jù)。以RS-232通信方式輸出數(shù)據(jù)。

圖1 凍土自動觀測儀組成結(jié)構(gòu)

1.1 凍土自動觀測儀的安裝

凍土自動觀測儀在觀測場中的安裝位置，遵循《地面氣象觀測規(guī)范》關(guān)于觀測場儀器布局的原則，參考《地面氣象觀測場規(guī)范化建設圖冊》的要求，安裝在觀測場內(nèi)南側(cè)靠東區(qū)域，深層地溫觀測位置的南面50 cm處，與深層地溫外套管平行布設凍土傳感器外套管。

電源箱安裝在現(xiàn)用站地溫分采東側(cè)60 cm處，且與地溫分采東西成行排列，基礎預埋件用混凝土澆筑，外露面平整光潔，電源箱安裝在立柱上，箱門朝北。根據(jù)本站歷年實際觀測的最大凍土深度的資料，選取不同規(guī)格的凍土傳感器，采用分段式安裝。

（1）當臺站最大凍土深度小于150 cm時，只需在對應80 cm地溫南側(cè)50 cm處安裝一根適合本站實際最大凍土深度外套管，將相應長度凍土傳感器插入外套管中。

（2）當臺站最大凍土深度大于150 cm且小于300 cm時，分兩段進行安裝，在對應80 cm地溫和160 cm地溫南側(cè)50 cm處分別安裝長度為150 cm和300 cm的外套管，將長度0～150 cm和150～300 cm凍土傳感器插入外套管中。

（3）當臺站最大凍土深度大于300 cm且小于450 cm時，分3段進行安裝，在對應80 cm地溫、160 cm地溫和320 cm地溫南側(cè)50 cm處分別安裝長度為150 cm、300 cm和450 cm的外套管，將長度0～150 cm、150～300 cm和300～450 cm凍土傳感器插入外套管中。

1.2 凍土自動觀測儀的接線

凍土自動觀測儀傳感器線一端從防水接頭穿入，接上端子后與提環(huán)上的端子相連，黃、黑、藍、棕線分別對應VCC、GND、RS485-A2、RS485-B2。接通完畢，將防水接頭鎖緊，將上端蓋旋緊即可。

另一端接入采集器，采集器接線如下：通訊模式設置開關(guān)，默認為RS485，撥碼1打開即可，RS232時通訊模式無需設置；傳感器選擇開關(guān)，撥碼1、2、3、4分別對傳感器0～150 cm、150～300 cm、300～450 cm、450～600 cm端子，當相應端子接有傳感器，則打開對應撥碼；采集器通訊接口有RS485通訊端子與RS232通訊端子，兩個接口任選其一；12 V電源輸入端子，連接市電互補控制器負載端；綜合集成硬件控制器接線支持RS-485和RS-232兩種通訊方式。根據(jù)臺站綜合集成硬件控制器類型選用。

RS-485通信方式：集成硬件控制器端黃、黑、藍、棕依次為T+、T-、R+、R-；凍土自動觀測儀端黃、黑、藍、棕依次為R-、R+、T-、T+。

RS-232通信方式：集成硬件控制器端棕（黃）、藍、黑依次為RX、TX、GND；凍土自動觀測儀端棕（黃）、藍、黑依次為TX、RX、GND。

2 凍土自動觀測儀的調(diào)試

ISOS軟件中掛接凍土自動觀測儀并設置相應端口，在ISOS軟件與凍土自動觀測儀通信正常后，需要對凍土自動觀測儀的參數(shù)進行設置，包括區(qū)站號、經(jīng)緯度和服務類型等：（1）設置凍土自動觀測儀區(qū)站號的命令格式為“QZ，區(qū)站號↙”；（2）設置凍土自動觀測儀經(jīng)度的命令格式為“LONG經(jīng)度↙”；（3）設置凍土自動觀測儀緯度的命令格式為“LAT緯度↙”；（4）設置凍土自動觀測儀服務類型的命令格式為“ST，服務類型↙”，服務類型00表示基準站，01表示基本站，02表示一般站，所有命令設置成功后都會返回“T”；（5）設置和讀取凍土自動觀測儀日期與時間的命令格式為“DATETIME，日期與時間↙”；（6）設置握手機制方式“SETCOMWAY，1↙”為主動發(fā)送方式，“SETCOMWAY，0↙”為被動發(fā)送方式（注：設備默認為被動發(fā)送）。

凍土自動觀測儀加水后，打開ISOS中的設備管理-終端維護，凍土串口管理發(fā)送命令GETALLRES，收到以下返回數(shù)據(jù)，數(shù)值在3～8為宜，不符合應換水，重新輸入命令如下：

temperature:1_16.1，voltage:1_0.0，

temperture：1_16.1表示第一根傳感器采集板的溫度為16.1℃。

讀取分鐘數(shù)據(jù)，發(fā)送命令READDATA，收到以下返回數(shù)據(jù)。

BG，853781，02，YSFS，000，20211213103200，001，005，13，ATAa，000，ATAc，004，ATIa，000，ATIc，004，ATIb，1001，00000，z，0，xD_AT，0，y_ATA150，0，y_ATA300，-，y_ATA450，-，xB_AT150，0，xB_AT300，-，xB_AT450，-，wA_AT150，0，wA_AT300，-，wA_AT450，-，tC_AT，0，rI_AT，0，3966，ED可以得到臺站區(qū)站號為53781，臺站服務類型為一般站，北京時間為20211213103200，以及傳感器的設備狀態(tài)和凍土深度。

3 凍土自動觀測儀的故障排查

通過ISOS軟件如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺測或異常，可以通過以下方法對故障進行排查。

3.1 數(shù)據(jù)缺測的故障排查

（1）電源檢查

運行指示燈不亮。首先檢查采集器電源端子、防雷模塊、空氣開關(guān)接線是否正確，連接是否松動；其次用萬用表測量市電互補控制器輸出電壓（12 V），空氣開關(guān)輸入輸出電壓（220 V），若供電正常，則采集器故障，需更換。

（2）程序運行檢查

運行指示燈常亮但不閃爍，則采集器故障，需更換。

（3）通信檢查

檢查通信接線端子連接是否松動，重新插拔后，使用終端電腦通過RS232接口與采集器通訊，發(fā)送DATETIME命令，如果返回正確日期時間，則說明采集器正常，否則采集器故障；發(fā)送READDATA命令，如果返回數(shù)據(jù)幀中要素編碼z的值為0，則說明傳感器正常，否則傳感器故障，需更換。

3.2 數(shù)據(jù)異常的故障排查

通過ISOS軟件，選擇查詢與處理→數(shù)據(jù)查詢→分鐘數(shù)據(jù)查詢，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常。選擇設備管理→維護終端，端口選擇為凍土串口處理，發(fā)送GETALLRES指令查看測量的阻值。若某一層或某幾層電阻值為0，說明該層傳感器故障，及時聯(lián)系廠家更換。

傳感器測量電極檢測不到水會導致阻值過大，引起觀測數(shù)據(jù)異常。排查水是否在要求的水位上下限范圍內(nèi)，若超出水位下限，及時補水。

4 凍土自動觀測儀的維護

4.1 非凍土期維護

（1）凍土觀測前，需檢測蓄電池電壓，如果市電互補控制器蓄電池指示燈綠色常亮，則蓄電池正常；綠色閃爍，則蓄電池充滿；黃色常亮，則蓄電池欠壓；紅色常亮，則蓄電池過放，切斷負載。

（2）凍土觀測前，應對傳感器進行全面檢查，查看外套管中有無積水、雜物；外套管與土壤接觸是否緊密；0 cm刻度線與地面是否齊平等。如發(fā)現(xiàn)問題，應及時處理。

（3）凍土觀測前應對其內(nèi)管進行沖洗和注水，水柱中避免余留氣泡，注水完成后在ISOS軟件發(fā)送INITR命令返回＜T＞，表示初始化完成，然后發(fā)送GETALLRES命令，查看阻值，溫度是否有異常。

（4）凍土期結(jié)束后，凍土傳感器可斷電停用，將內(nèi)管水放掉，并沖洗晾干回收放置或安裝原處。注意操作過程中，防止雜物等落入外套管內(nèi)。

4.2 凍土期維護

（1）定期通過傳感器狀態(tài)燈查看設備運行、通信狀態(tài)。

（2）定期查看設備各連接部分是否損壞或腐蝕，自然條件惡劣地區(qū)應縮短查看周期；如損壞或腐蝕應及時進行處理、更換。

（3）每周檢查供電設施，保證交流電、電源轉(zhuǎn)換控制模塊和蓄電池供電正常；定期對蓄電池進行充放電。

（4）每年雷雨季前對防雷設施進行全面檢查，復測接地電阻。

（5）設備故障時，及時進行維修或更換。

（6）凍土自動觀測儀故障、維修和數(shù)據(jù)處理等情況需備注。

（7）凍土期內(nèi)發(fā)現(xiàn)水位達到下限時，及時補水，如水位下降明顯，及時進行維修或更換。凍阻式傳感器補水維護時，應錯開正點并避免內(nèi)管中留有氣泡。

4.3 凍土自動觀測儀的升級

凍土自動觀測儀升級分為現(xiàn)場升級和遠程升級兩種。建議選擇現(xiàn)場升級，過程如下。

（1）準備USB轉(zhuǎn)RS232線、RS232接口轉(zhuǎn)換線和一臺筆記本電腦，一端連接采集器，另一端連接電腦。

（2）把DTD5升級文件（包含程序燒入軟件mcuisp.exe和采集器升級固件xxx.hex）拷貝到所在電腦并解壓。

（3）打開程序下載工具軟件mcuisp.exe，如圖2所示。

圖2 升級軟件界面

（4）點擊①選擇串口。

（5）點擊②選擇波特率。

（6）點擊③選擇目錄下的xxx.hex文件。

（7）點擊④STMISP。

（8）打開機箱，如圖3所示，把RS232接口轉(zhuǎn)換線插到③，拔掉②電源插頭，按住運行指示燈旁邊①黑色按鍵不松手，插上電源插頭，觀察所有燈閃爍1 s熄滅后，此時松開黑色按鍵，進入下載模式。

圖3 凍土自動觀測儀采集器

（9）點擊⑤開始編程。

（10）右側(cè)信息框出現(xiàn)文字信息，進度條持續(xù)向右，等信息框提示⑥內(nèi)容，程序升級完成。

（11）觀察運行指示燈，如果秒閃，則升級成功；否則，嘗試重新插拔電源觀察，若升級失敗，重復步驟8和9重新升級程序。

5 結(jié)束語

本文對DTD5型凍土自動觀測儀的組成結(jié)構(gòu)、安裝進行了詳細介紹，列舉了凍土自動觀測儀的調(diào)試、維護及故障排查方法，為臺站業(yè)務人員對凍土自動觀測儀的安裝、調(diào)試和維修維護提供了技術(shù)支持。進一步提高業(yè)務人員設備維護維修的能力，保障設備的正常運行。

主要安裝調(diào)試：（1）安裝調(diào)試時一定要注意傳感器的線序和采集器的線序一致；（2）采集器到綜合集成硬件控制器的接線為交叉線，在采集器上為TX、RX、GND，綜合集成硬件控制器RX、TX、GND。

主要故障與排查方法：（1）數(shù)據(jù)缺測時，首先檢測運行燈的情況，燈不亮，測量直流12 V，交流輸入輸出為220 V，則采集器故障，燈亮但不閃，則采集器故障；（2）數(shù)據(jù)異常時，通過ISOS軟件，發(fā)送GETALLRES指令查看測量的阻值。若某一層或某幾層電阻值為0，說明該層傳感器故障。