DZN2 型自動土壤水分觀測儀常見故障分析維修

摘 要：文章主要通過 DZN2 型自動土壤水分觀測儀系統結構介紹，分析各部分工作原理，結合多年工作經驗，總結DZN2 型自動土壤水分觀測儀常見故障，給出相應故障分析和測試方法，通過相應技術手段排除故障，為技術裝備人員提供技術參考。

關鍵詞：DZN2 型 自動土壤水分觀測儀 常見故障分析維修

中圖分類號：S152.7文獻標識碼：A文章編號：1003-9082（2020）06-0-02

一、引言

DZN2型自動土壤水分觀測儀可以快捷地對不同層次的土壤水分數據進行自動觀測，實現了土壤水分觀測的連續性，極大地提高了質量和效率，為農業干旱監測和農業氣象服務提供高質量的土壤水分自動觀測資料。可是在業務應用過程中自動土壤水分觀測儀也不時出現一些故障，國內許多學者在儀器常見故障的維修方面進行了深入研究[1-3]。在日常技術保障中，總是能遇到各種各樣的問題，為了快速解決遇到的問題，需要熟知儀器的組成結構、功能及測試辦法，還要掌握利用儀器調試軟件進行測試和參數配置方法，這樣可以有效地提高故障排查能力，保障儀器設備正常運行。

二、DZN2 型自動土壤水分觀測儀工作原理及系統組成

1.工作原理

DZN2型自動土壤水分觀測儀利用FDR （Frequancy Domain Reflection ）頻域反射原理，根據自動土壤水分傳感器發出的電磁波在土壤介電常數中的頻率變化，計算出土壤的含水量。水分含量是決定土壤介電常數的主要因素。測量出土壤的介電常數，能直接穩定的反應土壤的水分含量。DZN2 型傳感器探測到的頻率需要被轉換到真正的體積含水量，這個過程需要在傳感器讀出的頻率與測量的體積含水量之間建立特定的校準等式，組成相應的數學關系。DZN2型自動土壤水分觀測儀監測具有連續探測、數據精度高、儀器安裝簡便、不破壞土層結構以及可自由測量不同深度的土壤含水量等優點，對農業、林業生產具有重要意義[4]。

2.儀器的構成

DZN2 型自動土壤水分觀測儀主要包括硬件和軟件兩部分，硬件主要包括土壤水分傳感器、數據釆集器、通信模塊、供電系統和數據終端服務器;軟件主要包括數據采集軟件和數據瀏覽軟件。DZN2型自動土壤水分觀測儀由于多數安裝在農作物地段，通常采用太陽能供電方式。土壤水分傳感器根據需要確定土壤深度和層次，安裝距離采集箱1米以上。土壤水分觀測儀對采集的數據進行處理，得出土壤水分數值，經通信模塊發至數據中心站。如果采用有線方式，通過微機終端連接有線網絡實現組網向省級數據中心站的傳輸資料。因為大部分土壤水分觀測儀安裝農作物地段，故大部分設備采用無線傳輸方式。在數據采集器配備通訊模塊，采用 GPRS/CDMA、GSM等方式實現采集器直接組網，向省級數據中心站直接傳輸資料。省級中心站將每個站點的頻率參數錄入數據庫，經過數據處理在客戶端數據瀏覽軟件顯示，臺站通過數據瀏覽軟件對土壤水分儀進行監控，發現問題及時維修。（如圖1所示）

圖1 DZN2型自動土壤水分觀測儀系統結構圖

三、DZN2型自動土壤水分儀常見故障

1.供電問題

DZN2型自動土壤水分觀測儀的供電采用太陽能和鉛酸蓄電池供電，由太陽能板、充電控制器、鉛酸蓄電池組成。當所有指示燈均不亮時，可以判斷為系統供電故障。可通過萬用表直流 20VDC 檔量取蓄電池供電電壓來確定。供電系統排查流程：1、觀察太陽能板各部位接線是否牢靠，表面是否清潔或被遮擋;2、測量蓄電池電壓是否正常，若電壓低于 10.8V 需更換蓄電池;3、測量太陽能電池板供電是否正常，將供電線取下測量，如果輸出電壓過低需更換太陽能板;4、電源控制器工作模式是否為“6.”，如果電源控制器的工作模式設置錯誤，通過按鈕將工作模式改為正確模式“6.”;5、測量電源控制器直流輸出是否正常，如果其他都正常但直流輸出異常則需要更換電源控制器。

當持續陰雨天氣時會導致太陽能充電能力不足，蓄電池可能出現虧電問題。當冬季氣溫較低時，蓄電池的容量也會減少，從而影響設備正常工作。出現設備供電不足時可以釆取更換新蓄電池、增加太陽能板面積、提高蓄電池容量等措施排除故障，如果觀測站點能接入市電也可以接入市電。

2.瀏覽軟件上所有數據突然缺測

如果數據瀏覽軟件上DZN2型自動土壤水分觀測儀的數據全部缺測，結合多年實踐經驗，分析數據突然缺測可能的原因主要有：（1）供電異常;（2）通訊異常;（3）釆集器故障;（4）傳感器處理板異常;（5）連接線路異常。

結合多年實踐經驗，現將工作當中運用的排查流程羅列如下：

2.1供電檢查。電源指示燈應該常亮，如果不亮，檢查采集器板的供電端子是否連接牢靠，拔掉重新接上電源端子，用萬用表測量蓄電池電壓是否正常（正常范圍為 12V～15V），如不正常則需更換蓄電池，如電壓正常還不能啟動，則說明主機板故障，需更換主機板。

2.2通訊系統檢查。使用調試軟件通過 RS232 接口與采集器通訊，首先進行讀時鐘操作，如果讀時鐘正常，日期時間也正確，則說明采集器串口通訊正常。如果讀時鐘異常，可去掉紐扣電池斷電再送電，如時間經常不正常為紐扣電池饋電需要更換。

查看通訊指示燈是否常亮，如果不亮，應檢查站點的 GPRS 信號狀況，如果當地的2G信號不好，可以通過更換4G卡和通訊模塊實現升級;檢查 SIM 卡是否欠費停機，;檢查 GPRS 天線是否脫落，重新安裝即可，或更換新型的4G天線;通過通訊軟件讀取模塊中服務器 IP 地址和端口號、登錄apn是否正確，如果出現錯誤，重新設置;如果以上各項檢查都正常，仍無法登陸服務器，則可判斷 GPRS 模塊出現故障，需更換通訊模塊。

2.3采集器運行檢查。運行指示燈是否正常閃爍，如不閃爍，則采集板故障，需更換采集板。讀取采集器參數是否正常，若參數正常指示燈異常，特別是 RUN 不亮需要更換采集板。

2.4如果以上檢查都正常，則做如下檢查：①接線端子檢查。檢查跳線帽是否脫落，用手按壓各層傳感器和主機板相連的排線插針，確保各個連接器件之間連接可靠。 ②傳感器外觀檢查。在徹底斷電的情況下，檢查各層傳感器，卡槽松動或損壞、RS485 接口損壞、黃黑藍棕線序錯誤、傳感器處理板損壞、連接排線松動等問題都可能導致傳感器與采集

器通訊無法正常連接，調試軟件將與各層傳感器無法進行通訊調試。檢查線路做相應測試，如不正常則更換線路及傳感器處理板。

3.瀏覽軟件上某層頻率為 0

一般為土壤水分傳感器故障，排查流程：將土壤水分探測器取出更換故障當層傳感器，重新寫入新裝當層傳感器空氣頻率和水中頻率，若故障恢復則為傳感器故障，若故障未排除而新換傳感器無故障則更換結構件可能是連接排針處有問題。

注意：1.更換傳感器要注意新傳感器地撥碼開關要與所在層數進行對應，2.更換新傳感器需向中心站告知新傳感器的空氣頻率和水中頻率參數。

4.數據異常跳變、超出范圍

主要原因有以下幾種：（1）自動土壤水分觀測儀傳感器出現故障導致數據出現走勢異常。使用自動土壤水分觀測儀數據瀏覽軟件查看土壤水分值，如果某個層次的水分值異常偏高或過低，則讀取該層的傳感器頻率值，正常范圍應在30—80MHZ，若頻率值超出此范圍，則說明該層傳感器可能接觸有問題或已經損壞。 確認傳感器出現故障后，應采用檢查傳感器是否進水，如果進水需要重新更換外套管來排除故障，同時需要更換新的傳感器。（2）安裝儀器不規范。查看土壤水分探測器周圍土壤是否與儀器緊密接觸，最好用鉆土的安裝方法，如果有龜裂現象要及時回填土。還不能恢復，需要重新選址安裝土壤水分探測器。（3）站址地點作物進行澆灌造成數據異常。在進行作物澆灌時及時聯系作物主人了解情況，以免對數據進行誤判，同時保證儀器不能進水。（4）凍土的影響導致探測數據異常偏低。由于水的介電常數遠遠大于冰晶，當土壤中水分凍結時，會造成測量結果偏小，因此，冬季出現凍土時土壤水分數據一般不考核。

四、小結

1. DZN2型自動土壤水分觀測儀實現自動觀測土壤水分數據，自動通過網絡傳輸，具有自動化，精度高， 極大地提高了數據質量和使用效率，對農業、林業生產具有重要意義。

2.做好土壤水分觀測儀的安裝和維護工作能夠減少數據異常的發生。經常對觀測場地進行維護，防止觀測場地土壤龜裂帶來的數據異常。定期查看傳感器外防護管的密封情況，對供電系統及時檢查維護。

3. 當故障發生時，了解系統結構及各組成部件的功能，同時掌握故障測試和診斷方法能夠有效地提高故障排查效率，快速排除故障。

參考文獻

[1]朱保美，周清.DZN1自動土壤水分觀測儀及其維護與維修[J].氣象水文海洋儀器，2011，（1）：124—128.

[2]薛龍琴，陳海波，師雨魁.河南省自動土壤水分觀測網的建設與運行管理[J].氣象與環境科學，2011，34，（4）：84—87.

[3]陳海波.DZN2型自動土壤水分觀測儀常見問題分析[J].氣象與環境科學，

2013，36，（3）：54—57.

[4]河南省氣象科學研究所.GStar-I（DZN2）型自動土壤水分觀測儀使用說明書[Z].鄭州，2017.

作者簡介：楊斌（1973—），男，河北省張家口市人，本科，工程師，從事氣象探測設備保障。