DZN3 型自動土壤水分觀測儀典型故障處理及日常維護

周子強 楊紅超 劉海鑫

(黑龍江省撫遠市氣象局，黑龍江 撫遠 156500)

引言

土壤水分是指保持在土壤孔隙中的水分,是以固態、液態、氣態存在于土壤中,土壤水分主要來源于降水、地下水、作物灌溉水及凝結水。土壤水分狀況是水分在土壤中的移動、各層中數量的變化以及土壤和其它自然體間的水分交換現象的總稱。定期對土壤水分貯存量及其變化規律的監測,是農業氣象、生態環境及水文環境監測的基礎性工作之一,掌握土壤水分變化,對農業生產服務有重大指導意義。DZN3 型自動土壤水分觀測儀采用先進的頻域反射技術,能夠準確測量多深度土壤體積含水率,能夠自動完成土壤體積含水量的數據采集、處理、存貯、傳輸等工作。本文就DZN3 土壤水分觀測儀在日常業務工作運行過程中易出現的故障和日常維護工作,談一下具體解決故障思路和方法及日常維護。

1 DZN3 型自動土壤水分觀測儀的組成、工作原理、工作流程

DZN3 型自動土壤水分觀測儀基于現代測量技術構建,由硬件和軟件組成。硬件部分主要由傳感器、采集器,通訊模塊、充電保護器、串口轉換器等構成(見圖1)；軟件為農業氣象業務軟件。DZN3 自動土壤水分觀測儀能夠實現快速、準確地在同一觀測土壤濕度地段進行不同深度土壤濕度自動觀測,獲取具有代表性、準確性、比較性的土壤水分連續觀測資料,減少了人工測量土壤濕度的工作量,提高了工作效率。

DZN3 型自動土壤水分觀測儀是基于一種頻域反射法測量技術原理 (Frequency Domain Reflection,FDR) 來測量土壤體積含水量的自動化土壤水分觀測儀器,采用頻域反射方法進行土壤水分測量,是一種現代化先進的觀測方法,對比其它觀測土壤濕度方法具有很多優勢性。利用頻域測報技術測量土壤水分無化學品,無放射性；傳感器測量深度可以進行靈活調整,傳感器配置靈活,測量準確度高,性能穩定；安裝時不破壞原有土壤結構,操作十分簡便,可靠性較高,同時其模塊體結構便于安裝、維護和維修。頻域反射法測量土壤濕度的工作原理,由傳感器發出100MHz 的信號,傳感器電容(壓) 與被測層次土壤介電常數構成函數關系。當傳感器2 個電極之間加上電壓時,振蕩回路產生頻率信號,頻率的大小隨土壤介電常數而改變,測量時傳感器給出的電容(壓) 值也隨之變化,這種變化量被CPU 實時控制的數據采集器所采集,經過線性化和定量化處理,得出土壤水分觀測值(土壤體積含水量),并按一定的格式存儲在采集器中。頻域反射法又分為電容法和駐波率法,DZN3 型自動土壤水分觀測儀采用的是電容法,土壤水分觀測儀傳感器又分為插管式和探針式2 種傳感器,DZN3 型土壤水分觀測儀采用的是插管式傳感器,可用于實時觀測土壤體積含水量的變化,插管式傳感器內部由一個單桿和8 個傳感器構成,在農業氣象觀測工作中主要觀測0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm、70～80cm、90～100cm8 個深度的土壤體積含水量,同時可根據觀測需求進行深度的調整。

DZN3 型自動土壤水分觀測儀測試工作流程原理:供電系統采用太陽能的供電方式,通過傳感器采集到土壤體積含水率傳輸到采集器,采集器將采集到土壤含水數據由通訊模塊用GPRS 無線傳輸方式傳輸到接收服務器中,服務器經過數據處理將獲得采集數據發布在內部業務平臺上。具體流程見圖2。

2 DZN3 型土壤水分觀測儀典型故障分析與排除方法

根據DZN3 型土壤水分觀測儀組成結構特點,結合日常自動站運行工作中易發生故障,將故障分為3類:供電系統故障,通訊系統故障,傳感器故障。現針對各類故障分析故障處理方法。

2.1 供電系統故障

由于土壤水分觀測儀一般都安裝在地土壤類型、地貌、地質條件的農田區域代表性地段,因此一般采用太陽能的供電方式,供電系統主要由太陽能板、充電控制保護器、蓄電池等組成。主要工作原理是,當有太陽有效光照時,由充電控制保護器為土壤水分觀測儀供電,同時給蓄電池充電,當夜間或多云天氣無有效太陽光照時,由蓄電池為土壤水分觀測儀供電,蓄電池單獨供電時間大約為7d。由于太陽能供電方式極易受到天氣條件和自然環境影響,導致土壤濕度數據采集不上來或數據傳輸率成功率低的現象發生,供電系統發生故障的時候,需對太陽能板、蓄電池、太陽能充電控制保護器等進行檢查,具體檢查流程如下:對充電控制保護器模塊上太陽能板輸入端子進行檢查(晴天進行),用萬用表20V 電壓檔檢查輸入端子電壓值是否大于12V,如果低于12V 就說明太陽能板有問題,更換太陽能板；檢查蓄電池是否饋電,用觀察充電保護器電源指示燈的方法,一般正常情況下亮綠燈,饋電的時候亮紅燈閃爍,蓄電池使用壽命是2～3a,由于北方冬季寒冷,更易縮短電池的正常使用時間,如果在充電保護器顯示滿電的情況下,運行時間短就饋電,說明蓄電池使用壽命到期了,更換耐低溫蓄電池。

2.2 通訊系統故障

通訊系統故障是土壤水分觀測儀最為常見、發生率最高的故障,其故障現象多為上傳數據報文發送不到數據接收中心或缺報率較高,排查通訊故障十分復雜,本著由簡到繁的原則逐步排查。

2.2.1 檢查土壤水分測試儀通訊模塊SIM 卡是否損壞

土壤水分觀測儀上傳土濕數據采用無線網絡方式上傳數據,通信模塊中SIM 卡采用移動網絡數據流量的方式發送數據,可以通過拔打SIM 卡號通過中國移動客服語音提示來判斷其工作狀態。語音提示“你呼叫的用戶已欠費停機,應立即補繳話費,恢復SIM 卡正常工作。如沒欠費,測試SIM 卡是否損壞,將通訊模塊中SIM 卡取出放到手機中,觀察是SIM 卡能否訪問移動互聯網及信號強度大小,如不能正常訪問互聯網,說明SIM 卡損壞,應盡快到移動運營大廳更換新SIM 卡。

2.2.2 檢查宏電通訊模塊工作狀態

宏電通訊模塊有3 個狀態指導燈分別是PWR 燈(電源指示燈)、DATA 燈(數據傳輸指示燈)、NET燈(網絡指示燈),可以通過觀察3 個狀態指示燈判斷通訊故障,通訊模塊正常工作狀態下PWR 電源燈常亮或閃亮、DATA 數據燈閃亮表示數據通訊、NET網絡燈常亮表示入網。

WR 電源指導燈不亮,請檢查電源連接線是否牢固連接,同時對充電控制保護器、蓄電池、太陽能板進行檢查查看供電系統是否存在故障。

NET 網絡狀態指示燈不常亮,網絡指示燈正常工作狀態下登錄網絡后才常亮,如果NET 燈顯示不正常(燈較快速閃爍),請確認土壤水分觀測儀所在的移動數據網絡覆蓋情況和信號強度。同時請檢查SIM是否正確安裝或損壞。

數據指示燈(DATA) 不亮,數據指示燈只有發送土壤水分數據時才閃亮,如長時間不亮,可能出現通訊模塊或采集器出現死機現象,這里需要將供電模塊和采集器斷電并重新供電。

檢查宏電通訊模塊通訊天線是否損壞,如損壞更換新天線。由于電壓不穩定,極易造成通訊模塊參數的初始化,用調試線連接筆記本電腦檢查宏電GPRS通訊模塊參數是否正確,如不正確按要求進行重新設置。檢查宏電通訊模塊是否損壞。

2.3 傳感器故障

DZN3 型自動土壤水分觀測儀有8 個測量不同土層深度含水率的傳感器,當傳感器發生故障時,會發現某個土層的含水率數據缺測或異常,這時需要對傳感器做如下檢查:將土壤測濕傳感器從套管中取出,檢查跳線帽是否脫落,用手重新按壓各個傳感器和主機板與帶纜線的排線插針,確保各個連接器可靠連接(見圖3)；檢查傳感器電路板連接線是否脫落,如脫落及時維修；經過以上兩步檢查還沒有數據,則表明該層土壤傳感器損壞,按要求更換新的土壤傳感器。

3 DZN3 型自動土壤水分觀測儀的日常維護

定期巡視觀測場和儀器設備,進行清除雜草等工作,保持觀測環境與周圍環境一致。出現沙塵、降雪天氣,及時對太陽能板上的積塵和積雪進行清理。每年至少1 次對自動土壤水分觀測儀的傳感器、采集器和整機進行現場檢查、校驗。春季對防雷設施進行檢查。定期把傳感器從PVC 管中取出,檢查管內是否潮濕進水,如有水滴,需要清除干凈；每月到現場檢查一次采集器,查看是否進水和沉積灰塵,如有則要清除干凈,檢查、維護的情況應記入值班日志中。對觀測數據有影響的還要摘入備注。每3 個月將放置在安裝管中的干燥劑取出,用烘箱烘干,并重新放置好。

4 結束語

DZN3 型自動土壤水分析觀測儀能夠及時、準確測量土壤含水率,對農業生產服務起到了重大作用,這就要求維護人員平時努力學習相關知識,積累維修、維護經驗,保證土壤濕度觀測儀長期、準確、穩定地運行。