淺談自動氣象站地溫傳感器故障成因及排除

譚峰

【摘 要】對地溫較常出現的幾種故障，如：深層地溫外管壁滲水、地溫傳感器損壞和通訊電纜損壞而引起的地溫數據異常現象進行分析，從多方面總結及測試引用較有效率的替換、對比和測量方法排除故障，對日后自動氣象站的管理和維護有到一定的幫助。

【關鍵詞】大氣探測；地溫傳感器；響應時間；外管壁

地溫傳感器是根據鉑電阻值隨溫度變化的原理來測定溫度的，是由鉑電阻絲繞在細小的玻璃棒或瓷棒上，外面加上金屬保護管組成。因為地溫傳感器是高靈敏度的電子儀器，因為構造與人工地溫表不同，所以與人工地溫差值較大，也比較容易出現故障，在日常使用中經常會出現數據異常或不穩定等現象。經過近幾年對自動氣象站的使用及維護，在日常工作中不斷總結和積累經驗，從多方面分析地溫傳感器較易出現故障成因，并提出排除故障的辦法。

1.地溫傳感器工作原理

自動氣象站地溫傳感器及溫度傳感器均采用四線制恒流源供電方式及線性化電路，利用金屬鉑在溫度變化時自身電阻值也隨之改變的特性測量溫度的。

地溫傳感器四線中兩線為一組。其中一組為電流線組，恒流源為鉑電阻提供恒定電流，另一組為電壓線組，鉑電阻上的電壓通過線組到測量電路正負極兩端，流經電壓線組的電流非常小，引線的電阻可忽略不計。目前，黑龍江省業務使用中的自動氣象站地溫傳感器信號電纜的長短與阻值大小對測量值的影響可忽略不計，溫度數值的穩定性和接線端子的連接質量相關性較大。

2.地溫傳感器特性

鉑電阻溫度系數大，感應靈敏；電阻率高，元件尺寸小；電阻值隨溫度變化而變化，基本呈線性關系；在測溫范圍內，物理、化學性能穩定，長期復現性好，測量精度高。

鉑在高溫下，易受還原性介質的污染，鉑絲變脆，電阻與溫度之間的線性關系發生改變，因此需護裝在保護套管中密封使用。

3.自動站地溫傳感器故障

3.1深層地溫傳感器外管壁滲水引起地溫異常

因為深層地溫只受氣候變化影響，因此在埋土規范及鉑電阻傳感器正常情況下，深層地溫比較穩定，每日溫差變化較小。

而在同樣情況下，下雨天氣特別是暴雨天氣時，深層地溫在短時間內有較大幅度的變化，常出現圖1所示的情況。

出現這種異常情況是因為深層地溫傳感器管外滲水到管底銅片致使溫度突變，（如圖1所示） 此時測到的溫度已不再是深層地溫的溫度，而是雨水溫度。導致滲水的原因一般是由于深層地溫場的泥土疏松且經過雨水長期浸泡致使地溫管周圍泥土凹陷。當下雨時，雨水從凹陷處沿著地溫管外壁滲入管底，造成地溫突變。

如果出現上述情況建議地溫外管可以用“AB 膠”把接合處密封粘緊，把地溫管與地面周圍的泥土墊高1～3cm，并壓實。

3.2傳感器其他故障

如果傳感器測得相關數據不穩定，天氣穩定的情況下分鐘數據也會出現大幅度跳躍； 與相應的人工地溫相差較大； 出現野值，如溫度值出現-788℃等。可能因為雨水沖刷造成地表地溫傳感器全部裸露在空氣中，也可能淺層地溫支架露出地面或對應的地溫傳感器同變送箱接線板壓頭的接頭生銹、氧化、松動造成接觸不良。

遇到上述情況，可以采取下列幾種辦法檢查并排除故障：（1）檢查草溫傳感器是否在草叢中；地表地溫傳感器是否一半埋在土中一半裸露在空氣中；淺層地溫支架頂端是否與地面齊平。若不是，只需將相應的地溫傳感器按規范安裝即可排除故障。（2）檢查地溫傳感器與變送箱接線板插頭的接頭是否生銹、頭螺絲是否擰緊。若是，除去銹跡，擰緊壓頭螺絲即可排除故障。（3）檢查地溫傳感器是否損壞。措施有：①替換法（適用單路地溫故障）。假如10cm 地溫值異常，可將15cm地溫傳感器與10cm地溫傳感器在接線盒中互換連接，在采集器上觀察測得的地溫值，如10cm地溫顯示正確，15cm顯示也不正確，說明10cm傳感器已損壞，否則就是好的。即可判斷5cm地溫傳感器是否損壞。②對比法。將異常的地溫傳感器和幾支正常的地溫傳感器同時放在同一溫度場中，觀察所測數值，數據差別大的為損壞的傳感器，更換傳感器即可排除故障。③測量法（適用所有溫度傳感器）。將萬用表調到200Ω檔，分別測量傳感器阻值。完好的傳感器1～2腳和3～4腳阻值一般<0Ω，2～3腳和1～4腳阻值一般<100Ω，如果測量相應腳線的阻值都在兩種阻值范圍內說明傳感器完好，否則傳感器損壞。

3.3通訊電纜故障

當通訊電纜產生故障后，會出現相關要素不穩定，數據無規律大幅度跳躍；經常出現野值或缺測。出現這種情況可能是傳感器到采集器之間通訊電纜斷裂（如老鼠咬斷或觀測場改造施工時誤把通訊電纜弄斷等）；通訊電纜使用時間過長，線芯已老化或因為地溝設計不合格排水不暢，通訊電纜長期浸泡在水中致使提前老化。

遇到這種情況，可以將通訊電纜一端線芯兩兩短接，再用萬用表導通檔在另一端測量是否連通及連通質量，即可判斷通訊電纜是否斷裂或老化。如果電纜線斷裂，需找到斷裂處重新焊接或更換電纜線； 如果電纜線老化，則更換即可。

更換元器件時一定要先關閉采集器電源，以免引起采集器或傳感器損壞。

4.傳感器老化原因分析

（1）自動氣象站地溫傳感器的鉑電阻的恒定電流約為215mA，略高于安全電流1mA，對鉑電阻的使用壽命存在一定的影響。

（2）地溫傳感器至數據采集器的信號線長度在30m至100m為佳。信號線長度超過100m時，若金屬外套和屏蔽線沒有有效連接，土壤和空氣中的電磁波有可能會耦合到傳感器電路中，耦合脈沖能量較高時，會導致鉑電阻加速老化甚至損壞。

（3）多路地溫變送器的電子開關在每分鐘1到2s的接通時間，其余時間電子開關是斷開。在每次的接通瞬間，鉑電阻快速電流沖擊且與外界環境未達到熱平衡即斷開，電流沖擊對鉑電阻的壽命存在影響。

（4）個別臺站地溫傳感器信號線或感應部分由于維護不到位而長期處于陰潮環境，甚至浸泡在水中。外皮老化加速后出現內線路裸露在外，遇到陰雨天氣或冰雪融化的季節，傳感器感應部分進水漏電，導致傳感器觀測值超差。

5.結論

自動站設備的正常運行是測報業務工作正常運行的保證，為確保自動站儀器的正常運行和資料的準確、可靠，我們在日常工作中對地溫傳感器要做好日常維護，大風、雨雪等天氣后要檢查設備的安置狀態，定期檢查信號電纜與傳感器及采集器的連接是否正確，確保數據的正確傳輸。

（1）為確保自動站儀器的正常運行和資料的準確、可靠，我們在日常工作中對地溫傳感器作好日常維護每月或雨后應及時對地面溫度傳感器和淺層地溫傳感器的裸地地面進行疏松、平整。

（2）經常檢查地表溫度傳感器是否因大風、下雨等原因，使地表土壤發生變化，保持地面傳感器一半埋入土中，一半漏出地面，擦拭沾浮在上面的雨露和雜物。

（3）定期檢查電纜與傳感器及采集器的連接，是否正確，發現松動或錯誤及時更正。

（4）每天都要對外傳接盒的密封性進行檢查，避免因漏雨等原因造成轉接板的電子元件損壞。

（5）地面溫度傳感器的維護要避開日極值可能出現的時段，維護操作必須在每個時次的50分鐘之前完成，避免造成正點資料的不正常或不完整，記錄維護的起止時間（精確到分鐘）填入《值班日記》，以備對可能產生的異常記錄進行分段處理。 [科]

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