苗傳海，沙 莉，郭宗凱，孫玉珍，鄭 石，仁德發(fā)

(1.遼寧省氣象裝備保障中心，沈陽(yáng) 110000；2.沈陽(yáng)新力新信息技術(shù)有限公司，沈陽(yáng) 110000)

0 引言

凍土是氣象要素之一，是在氣溫下降到0 ℃或以下時(shí)的自然現(xiàn)象，是土壤性狀的一個(gè)重要表現(xiàn)形態(tài)。季節(jié)性凍土深度隨著氣候環(huán)境變化而變化[1-3]，凍土監(jiān)測(cè)對(duì)農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)具有廣泛的影響[4-6]。為了改善人工方法觀測(cè)凍土，提高資料的準(zhǔn)確度，近些年研究者采用電阻法、射線法、電容法、時(shí)域反射法(TDR)及紅外遙感法等開展了多方面的嘗試。如張廷軍[7]等采用可見光、紅外及主動(dòng)(被動(dòng))微波遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)凍土變化；李鵬[8]等設(shè)計(jì)電容式凍土傳感器；劉銀鋒[9]等應(yīng)用土壤介電特性監(jiān)測(cè)凍土。此外，羅斯瓊[10]等從氣候變化角度推算了土壤凍融變化。各類研究對(duì)土壤凍融監(jiān)測(cè)的精確性都有較大的推進(jìn)作用，但仍沒有達(dá)到與自動(dòng)化氣象站聯(lián)網(wǎng)的需求。凍土深度是列入國(guó)家《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》[11]的氣象觀測(cè)要素，到目前為止仍使用達(dá)尼林凍土器，停留在人工觀測(cè)階段。為有效避免人工觀測(cè)產(chǎn)生的誤差數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，同時(shí)滿足凍土儀器的自動(dòng)化觀測(cè)，基于TB1型凍土器的感應(yīng)內(nèi)管的理念，于2016年10月上旬將原有的傳統(tǒng)人工觀測(cè)改進(jìn)為機(jī)械手自動(dòng)化觀測(cè)，使凍土傳感器分辨力、凍土層深度的精準(zhǔn)識(shí)別及觀測(cè)儀器的可靠性與穩(wěn)定性得到大幅提升。2017年9月中旬確定研制電阻式凍土傳感器，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝和軟件閾值判斷等方面進(jìn)行了研究。2017—2018年冬季以TB1型達(dá)尼林凍土器為對(duì)照，選擇具有代表性氣象臺(tái)站進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè)。DOZ-1型電阻凍土自動(dòng)傳感器能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)土壤凍融變化，聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)上傳，可替代人工值守，性能穩(wěn)定、維護(hù)方便，實(shí)現(xiàn)了與自動(dòng)氣象站的對(duì)接。

1 基本原理與電介質(zhì)選擇

在物理學(xué)中，電阻是導(dǎo)體(電介質(zhì))對(duì)電流的阻礙作用，而不同的電介質(zhì)電阻不同。電阻計(jì)算公式：R=ρL/S，其中，R為電阻；ρ為電阻的電阻率，由電介質(zhì)本身性質(zhì)決定；L為電介質(zhì)的長(zhǎng)度；S為電介質(zhì)的橫截面積。在電介質(zhì)材料、長(zhǎng)度與橫截面確定不變的前提下，電阻率隨溫度變化。運(yùn)用電介質(zhì)電阻率隨溫度變化的特性，選用穩(wěn)定電介質(zhì)作為凍土觀測(cè)儀的感應(yīng)組件。在土壤凍融的熱物理過程中，土壤凍融過程是溫度降到0 ℃及以下時(shí)土壤水分呈凍結(jié)的物理狀態(tài)[12]，這種狀態(tài)使土壤中的水隨著溫度的變化產(chǎn)生不同的電阻，即隨著溫度升高土壤及水的電阻率下降[13]。如果以土壤作為電介質(zhì)(感應(yīng)組件)，因各地土壤性質(zhì)的不同電阻不同。一般來說，在0 ℃狀態(tài)下，陶黏土電阻率為10 Ω/cm；田園土為50 Ω/cm；而砂質(zhì)黏土則為100 Ω/cm[14-16]；復(fù)雜的土質(zhì)以及含水量造成土壤電阻率的差異較大。選擇水作為土壤凍融感應(yīng)組件相對(duì)土壤簡(jiǎn)單許多。水質(zhì)大體可分為自然水、純化水和蒸餾水等，其水質(zhì)的不同對(duì)電阻率影響也比較明顯。在0 ℃狀態(tài)下，純化水電阻率為2.4 Ω/cm，蒸餾水為0.5 Ω/cm，各地自然水的水質(zhì)含量比較復(fù)雜，電阻率不盡相同。純化水和蒸餾水水質(zhì)穩(wěn)定，為了取材方便統(tǒng)一，文章選用蒸餾水作為電阻凍土自動(dòng)觀測(cè)儀感應(yīng)組件的電介質(zhì)。利用水的相態(tài)與電阻特性關(guān)系基本原理，通過測(cè)量冰水轉(zhuǎn)換時(shí)電阻值的變化，測(cè)定出土壤融凍層次和深度。

2 電阻凍土自動(dòng)觀測(cè)儀設(shè)計(jì)

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器水凍融閾值設(shè)定為0.5 Ω，設(shè)定凍土層分辨力≤1 cm。如圖1所示，凍土傳感器主要由電源、數(shù)據(jù)采集處理器、采集器底座、絕熱墊、凍阻感應(yīng)器和保護(hù)外套管等組成。凍土測(cè)量傳感器采用套管式結(jié)構(gòu)，集成在一個(gè)整體機(jī)殼內(nèi)，傳感器外部有保護(hù)套管，套管底部有防水堵頭，頂部有防雨水帽。安裝時(shí)土壤切成剖面或打孔，將外套管埋入土壤中，然后把凍阻感應(yīng)器插入防護(hù)管內(nèi)。DOZ-1型自動(dòng)傳感器與TB1型人工凍土器的長(zhǎng)度相同，均為150 cm。外套管地面部分：TB1為50 cm，DOZ-1為25 cm。凍土傳感器的主電力為12 V蓄電池，輔助電力為交流電或太陽(yáng)能電池或風(fēng)能等，并對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。供電單元負(fù)責(zé)為凍阻感應(yīng)器和數(shù)據(jù)處理器提供運(yùn)行電力。

1—數(shù)據(jù)采集處理器；2—采集器底座；3—絕熱墊；4—凍阻感應(yīng)器；5—保護(hù)套管圖1 DOZ-1型凍土傳感器結(jié)構(gòu)

2.2 傳感器測(cè)量電路設(shè)計(jì)

如圖2所示，采用基準(zhǔn)電源50 Hz交流測(cè)量電路，產(chǎn)生交流信號(hào)的方式是經(jīng)過變壓的6 V交流電壓，通過電極和取樣電阻形成測(cè)試回路，取樣電阻的電壓經(jīng)過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可讀取的數(shù)字量。

圖2 傳感器測(cè)量電路原理圖

2.3 信號(hào)采集

基準(zhǔn)電源使用的是AC 10 V/50 Hz交流電壓，首先產(chǎn)生偽正弦信號(hào)(圖3)，其最小電壓為0 V，然后經(jīng)過耦合，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波(圖4)信號(hào)，經(jīng)過傳感器、采樣電阻組成回路，此時(shí)測(cè)量的信號(hào)為交流電壓值。在實(shí)際電路中，交流電發(fā)送的電信號(hào)能將上一級(jí)電路順利傳送至下一級(jí)電路，需要在上下兩級(jí)電路之間增加1個(gè)隔直電容，隔離上下兩級(jí)電路的直流電路。隔直電容的大小由交流信號(hào)的最低頻率決定，通常要求其交流容抗不能大于100 Ω。容抗的計(jì)算公式：XC=1/2πfC，其中，XC代表電容容抗；f為頻率，對(duì)工頻是50 Hz；C為電容值。經(jīng)過AC/DC轉(zhuǎn)換，將交流信號(hào)變成直流有效值，即將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，實(shí)際電路中采用了12位的A/D轉(zhuǎn)換器，用于信號(hào)采集。

圖3 偽正弦波

圖4 標(biāo)準(zhǔn)正弦波

2.4 傳感器輸出電路設(shè)計(jì)

DOZ-1型電阻凍土自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)由供電系統(tǒng)(太陽(yáng)能電池板或交流供電)、供電單元、凍土傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和終端機(jī)(或自動(dòng)氣象站終端微機(jī))等組成。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)康模阂皇菣z定DOZ-1電阻凍土自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備分辨力和閾值；二是DOZ-1型與TB1型凍土器人工觀測(cè)對(duì)照(CK)檢測(cè)判識(shí)感應(yīng)器元件對(duì)土壤凍融變化識(shí)別的靈敏度，同時(shí)考察儀器性能的穩(wěn)定性。設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)布局：TB1型凍土器與參試設(shè)備呈東西向排列安裝在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)，間距為50 cm。電阻式凍土自動(dòng)觀測(cè)儀的感應(yīng)器長(zhǎng)度與TB1型達(dá)尼林凍土器相同，為150 cm。依據(jù)試驗(yàn)產(chǎn)品輸出結(jié)果與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析測(cè)試產(chǎn)品數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.2 試驗(yàn)時(shí)間與材料

2017-03-07T02：00—2017-03-08T08：00為分辨力與閾值測(cè)試時(shí)間，試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)在沈陽(yáng)東陵區(qū)氣象站(54342)。對(duì)比試驗(yàn)觀測(cè)時(shí)間為2017-11-04—2018-04-18，選取沈陽(yáng)(54342)、遼陽(yáng)(54347)、丹東(54497)和喀左(54328)氣象站為代表。場(chǎng)地配備220 V交流供電裝置，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。DOZ-1型凍土儀的外圍部件包括供電箱安裝立柱、支架和太陽(yáng)能電池板等。觀測(cè)場(chǎng)與值班室鋪設(shè)1對(duì)雙絞線通信電纜。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 分辨力與閾值結(jié)果分析

使用MF14型萬用表連續(xù)觀測(cè)獲取地表10 cm范圍凍融層次測(cè)定電阻值數(shù)據(jù)，當(dāng)測(cè)得數(shù)據(jù)≥0.5 Ω時(shí)為水狀態(tài)，<0.5 Ω時(shí)為凍融狀態(tài)，與設(shè)計(jì)水凍融閾值為0.5 Ω相吻合。2017-03-07T00：00和2017-03-07T02：00地表溫度較低，1～10 cm深度均為“凍結(jié)”狀態(tài)；15：00、16：00，因地表溫度升高，1～4 cm深度出現(xiàn)4 cm厚度的融化層，5～10 cm仍處于凍結(jié)狀態(tài)；至當(dāng)日20：00，隨著地表溫度的降低，1～2 cm深度再次“凍結(jié)”，而3～4 cm深度為水融狀態(tài)，5～10 cm深度仍處于“凍結(jié)”狀態(tài)。隨著地表溫度的繼續(xù)下降，至次日02：00，3～4 cm深度也轉(zhuǎn)為“凍結(jié)”狀態(tài)。當(dāng)水呈凍結(jié)狀態(tài)時(shí)電阻值在0.02～0.03 Ω，水呈自然狀態(tài)時(shí)電阻值在0.5 Ω以上，而水呈自然狀態(tài)附近1～2 cm凍融交錯(cuò)處電阻值有所增加。據(jù)此表明，凍土深度傳感器凍結(jié)閾值設(shè)定為0.5 Ω是合理的，能夠準(zhǔn)確地判識(shí)土壤凍融狀態(tài)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)1 cm分辨力的識(shí)別，滿足《凍土儀功能規(guī)格需求書》相關(guān)要求。

3.3.2 平行觀測(cè)結(jié)果分析

檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)間為2017-11-04—2018-04-20，上傳數(shù)據(jù)時(shí)間與人工觀測(cè)時(shí)間(08：00)一致。土壤凍融從2017-11-15開始至2018-04-18結(jié)束，凍土層下限共有155 d(組)觀測(cè)數(shù)據(jù)，凍土層上限共有38 d(組)數(shù)據(jù)。

DOZ-1型電阻自動(dòng)凍土儀與TB1型人工觀測(cè)相比較，凍層下限最大深度相差1.0 cm，逐日觀測(cè)值相差范圍在 0～2 cm，平均相差1.0 cm，DOZ-1與TB1距離的標(biāo)準(zhǔn)差為0.76 cm，說明DOZ-1型電阻式凍土自動(dòng)儀與TB1型人工觀測(cè)數(shù)據(jù)之間距離波動(dòng)量較小，觀測(cè)數(shù)值相似度達(dá)到99.9%。凍層上限從2018-03-11開始至2018-04-18結(jié)束。DOZ-1型與TB1型人工觀測(cè)相比較，逐日相差范圍在 0～2 cm，平均相差0.8 cm，DOZ-1與TB1距離的標(biāo)準(zhǔn)差為0.78 cm，觀測(cè)數(shù)值相似度達(dá)到99.9%。凍層下限D(zhuǎn)OZ-1型電阻凍土自動(dòng)儀與TB1型人工觸摸觀測(cè)凍土凍融觀測(cè)結(jié)果基本重合。

4 結(jié)束語(yǔ)

DOZ-1型電阻凍土自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備是利用水相變時(shí)阻值突變的原理，由單片機(jī)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、存儲(chǔ)和傳輸?shù)热蝿?wù)，可無限次觀測(cè)和讀取數(shù)據(jù)，分辨力設(shè)定為1 cm，凍融閾值為0.5 Ω。DOZ-1型電阻凍土自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備與常規(guī)TB1型人工凍土器相比，日觀測(cè)凍土深度下限、上限平均差0.8～1.0 cm，距離的標(biāo)準(zhǔn)差為0.76～0.78 cm，測(cè)量誤差在設(shè)定范圍內(nèi)，滿足凍土自動(dòng)測(cè)量技術(shù)要求。填補(bǔ)了國(guó)家凍土自動(dòng)測(cè)量?jī)x器的空白，加速了氣象儀器觀測(cè)自動(dòng)化進(jìn)程，也為土木工程建筑以及凍土研究提供了自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器。