劉　彬，郭海濤，涂愛(ài)琴，楊崇靜（山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，濟(jì)南　250031）

DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的組成與故障排除方法

劉彬，郭海濤，涂愛(ài)琴，楊崇靜
（山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，濟(jì)南250031）

摘要：介紹了DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的系統(tǒng)組成，對(duì)常見(jiàn)故障的現(xiàn)象進(jìn)行了描述，并說(shuō)明了故障分析思路和排除方法，為DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的維護(hù)維修提供參考。

關(guān)鍵詞：土壤水分觀測(cè)儀；自動(dòng)觀測(cè)；干旱監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：P415.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：識(shí)碼：B

文章編號(hào)：號(hào)：1005–0582（2015）02–0061–03

收稿日期：2014-05-29

作者簡(jiǎn)介：劉彬（1984─），男，漢族，濟(jì)南人，碩士，工程師，主要從事氣象裝備技術(shù)保障工作。

引言

土壤水分反映土壤的濕潤(rùn)狀況，土壤水分觀測(cè)是農(nóng)業(yè)氣象、生態(tài)環(huán)境以及水文監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)性工作，也是農(nóng)田干旱、情報(bào)預(yù)報(bào)的重要依據(jù)。掌握土壤水分變化規(guī)律，對(duì)農(nóng)田灌溉、土壤墑情、干旱的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)及相關(guān)理論研究具有重要意義[1]。在自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀出現(xiàn)之前，農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)普遍使用稱(chēng)重法觀測(cè)土壤水分，即通過(guò)測(cè)量土壤烘干前與烘干后的重量差，來(lái)計(jì)算土壤的體積含水量。此方法程序復(fù)雜，而且人為因素多，無(wú)法準(zhǔn)確及時(shí)地測(cè)量土壤的含水量。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的出現(xiàn)，使得農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)可逐步解放人力，減小勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人工采樣帶來(lái)的誤差，提高觀測(cè)頻次，對(duì)于提高業(yè)務(wù)自動(dòng)化程度和提升氣象為農(nóng)服務(wù)能力具有積極作用。自2009年11月起，山東省氣象部門(mén)逐步在全省國(guó)家農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站作物地段和固定地段分別布設(shè)DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀，其中作物地段和固定地段為同一地段的布設(shè)1部，在所有測(cè)墑?wù)居^測(cè)地段布設(shè)1部。此舉提高了農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

1　系統(tǒng)組成

DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀由土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)采集器、無(wú)線傳輸模塊和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)4部分組成，可顯示實(shí)時(shí)和整點(diǎn)土壤相對(duì)濕度、體積含水量、重量含水率、儲(chǔ)水量等土壤水分特性，并自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件。其設(shè)備結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2]。

圖1　DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀結(jié)構(gòu)圖

1.1土壤水分傳感器

DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀采用的是應(yīng)用了頻域反射（FDR）技術(shù)的SWS-406土壤水分傳感器，可直接測(cè)量土壤體積含水量。SWS-406土壤水分傳感器由高頻發(fā)射器、接收器、微處理器、探針等組成。由于SWS-406土壤水分傳感器直接埋設(shè)在地下，所以其高頻發(fā)射器、接收器、微處理器均密封在Ф40mm，長(zhǎng)130mm防水室內(nèi)，4根長(zhǎng)60mm不銹鋼探針與之固定相連，防水室尾部的電纜線用于為傳感器提供電源及輸出模擬電壓信號(hào)。傳感器使用環(huán)保材料制成，全密封，可長(zhǎng)期埋設(shè)在地下任意深度連續(xù)測(cè)量。

1.2數(shù)據(jù)采集器

數(shù)據(jù)采集器是DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的核心部件，其主要功能是完成各層土壤水分傳感器的數(shù)據(jù)采樣，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運(yùn)算、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸。

DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀采用的是MDT-30氣象數(shù)據(jù)采集器，此采集器以高速微處理器作CPU，外圍包括精確的時(shí)鐘器件、16位A/D轉(zhuǎn)換器件、128MB標(biāo)準(zhǔn)CF卡、耐低溫液晶顯示器和信號(hào)防雷接口等。具有RS-232/RS-485兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信口。能存儲(chǔ)60d的整點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1.3無(wú)線傳輸模塊

由于DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀大多安裝在作物地段，很難實(shí)現(xiàn)有線通信，所以DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)主要通過(guò)GPRS無(wú)線通信方式直接上傳至中心站。GPRS 無(wú)線傳輸模塊安裝在DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的儀器箱內(nèi)，只有天線裸露在儀器箱外，在使用前應(yīng)設(shè)置好GPRS模塊參數(shù)，如中心站IP地址、端口號(hào)、身份驗(yàn)證碼、臺(tái)站標(biāo)識(shí)符等。設(shè)置完成后安裝好通信卡就可以與中心站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行恼尽?/p>

1.4太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀在野外很難得到穩(wěn)定的市電，故采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能充電控制器和蓄電池組成。一塊12V，17Ah的蓄電池在電量充滿(mǎn)的情況下可以保證DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀連續(xù)工作4～6d。太陽(yáng)能充電控制器將太陽(yáng)能電池板和蓄電池連接在一起，它可以顯示太陽(yáng)能電池的工作情況以及蓄電池的可用容量，在有太陽(yáng)光照的情況下負(fù)責(zé)給蓄電池充電并為設(shè)備供電。

2　常見(jiàn)故障現(xiàn)象及排除方法

DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀大多安裝在作物耕種地段，作物灌溉、松土、施肥等極易對(duì)埋設(shè)在地下的土壤水分傳感器產(chǎn)生影響；另外，作物耕種地段比較空曠，周?chē)鷽](méi)有高大的建筑物，雷電、暴雨、大風(fēng)等惡劣天氣也極易對(duì)裸露在地面以上的部件造成損壞。下面列舉一些DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀各個(gè)部件的常見(jiàn)故障及排除方法。

2.1土壤水分傳感器

故障現(xiàn)象：土壤水分傳感器常見(jiàn)故障主要表現(xiàn)在觀測(cè)的數(shù)據(jù)偏離正常值或直接顯示為0，有時(shí)會(huì)伴隨觀測(cè)數(shù)據(jù)的跳變現(xiàn)象，且跳變的幅度比較大，一般跳變的幅度大于5個(gè)幅值，且跳變的時(shí)間間隔較短。傳感器故障多發(fā)生在天氣突變之后或持續(xù)惡劣天氣之后。

排除方法：土壤水分傳感器是全密封器件而且埋設(shè)在地下，無(wú)法直接測(cè)量，但可以用萬(wàn)用表的直流電壓檔從尾部的數(shù)據(jù)輸出線與采集器接口端子的“+”腳和“-”腳直接測(cè)量直流電壓值，其正常值應(yīng)在0～1.2V之間。其次，是檢查裸露在外面的數(shù)據(jù)線有無(wú)破損或接線端子松動(dòng)等現(xiàn)象。如果確認(rèn)土壤水分傳感器損壞，應(yīng)更換土壤水分傳感器。

2.2數(shù)據(jù)采集器

故障現(xiàn)象：數(shù)據(jù)采集器是DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的核心部件，它的損壞可能導(dǎo)致整個(gè)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)癱瘓，但MDT-30氣象數(shù)據(jù)采集器有時(shí)并不是整個(gè)損毀，而是采集器內(nèi)部某個(gè)模塊損壞。例如：傳感器一支或全部數(shù)據(jù)異

常，觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸延遲或缺測(cè)等現(xiàn)象，極易誤導(dǎo)保障人員，認(rèn)為是土壤水分傳感器或無(wú)線傳輸模塊損壞。但是如果采集器不工作或采集器的CP燈（傳感器供電電源輸出指示燈）在一分鐘內(nèi)沒(méi)有點(diǎn)亮，則可以直接判定為采集器損壞。

排除方法：首先，應(yīng)檢查數(shù)據(jù)采集器的供電是否正常。查看采集器顯示面板下方的輸入電源燈P是否為紅色常亮，常亮表示電源輸入正常；數(shù)據(jù)采集器的傳感器供電電源輸出指示燈CP是否在每分鐘的第47秒時(shí)點(diǎn)亮，若點(diǎn)亮，表示土壤水分傳感器供電正常。其次，逐步更換數(shù)據(jù)采集器以外的部件，若DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀仍然不能正常工作，則判定為數(shù)據(jù)采集器損壞，應(yīng)替換損壞的數(shù)據(jù)采集器，并返廠維修。在更換數(shù)據(jù)采集器以外部件時(shí)，應(yīng)先斷掉采集器的電源，以免在更換部件過(guò)程中短路，造成其他的系統(tǒng)故障。

2.3無(wú)線傳輸模塊

故障現(xiàn)象：無(wú)線傳輸模塊主要負(fù)責(zé)DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)保持觀測(cè)臺(tái)站在線功能。無(wú)線傳輸模塊損壞主要表現(xiàn)在全部觀測(cè)數(shù)據(jù)缺測(cè)。

排除方法：在供電正常的情況下，應(yīng)先檢查無(wú)線傳輸模塊內(nèi)的SIM卡是否欠費(fèi)或損壞。將SIM卡取出裝到隨身攜帶的手機(jī)上，開(kāi)機(jī)后看能否找到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，若信號(hào)正常，表示SIM卡正常，否則更換SIM卡；在SIM卡正常的情況下試發(fā)一條短信，對(duì)方收到短信表示SIM卡正常，不需要充值，否則充值。

在SIM卡完全正常的情況下，檢查無(wú)線傳輸模塊的外置天線是否丟失，若丟失應(yīng)補(bǔ)裝信號(hào)發(fā)射天線。上述檢查都正常的情況下，查看無(wú)線傳輸模塊指示燈，如果為紅色常亮，表示模塊正常，否則判定無(wú)線傳輸模塊損壞，應(yīng)更換配置好參數(shù)的無(wú)線傳輸模塊。

2.4太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

故障現(xiàn)象：太陽(yáng)能供電系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題后，DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀仍然能依靠蓄電池的電量正常工作4～6d，之后，DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀將停止工作。這種情況下，可能是太陽(yáng)能電池板或充電控制器損壞，造成設(shè)備因供電中斷而停止工作。

排除方法：太陽(yáng)能電池板表面應(yīng)保持清潔無(wú)破損，表面應(yīng)沒(méi)有阻礙陽(yáng)光的沙塵、鳥(niǎo)糞及農(nóng)作物的枝葉等雜物，以確保太陽(yáng)能電池板能夠得到足夠的陽(yáng)光。檢查太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的各個(gè)接線是否牢固或有脫落現(xiàn)象。在有陽(yáng)光的情況下，用萬(wàn)用表直流檔分別測(cè)量太陽(yáng)能電池板的輸出電壓、太陽(yáng)能充電控制器的輸出電壓和蓄電池的電壓，都應(yīng)在12～15V之間。若不正常可考慮更換相應(yīng)的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)部件。

3　結(jié)語(yǔ)

在DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀出現(xiàn)故障時(shí)，可通過(guò)重新啟動(dòng)的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單嘗試，如果故障不能排除，再按照文中第2部分中講述的常見(jiàn)故障部件的故障現(xiàn)象及排除方法進(jìn)行逐一排除，也可請(qǐng)求上級(jí)保障機(jī)構(gòu)的技術(shù)指導(dǎo)或現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)維修，切記不要進(jìn)行盲目操作，避免導(dǎo)致更多的系統(tǒng)故障。臺(tái)站的技術(shù)保障人員應(yīng)在DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀運(yùn)行過(guò)程中多觀察，多分析，多動(dòng)腦，多動(dòng)手。在排除故障的實(shí)踐中總結(jié)、積累經(jīng)驗(yàn)，不斷提高技術(shù)保障能力，力爭(zhēng)第一時(shí)間排除故障，盡量保證DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，為干旱監(jiān)測(cè)和農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)提供有力的的數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱保美，周清．DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的維護(hù)與維修[J]．氣象水文海洋儀器，2011，（01）：124-128.

[2] 上海長(zhǎng)望氣象科技股份有限公司．DZN1型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀使用手冊(cè)[S]. 上海：上海長(zhǎng)望氣象科技股份有限公司，2009：9-15.