DOZ-1型電阻凍土自動觀測儀設計與試驗

苗傳海，沙 莉，郭宗凱，孫玉珍，鄭 石，仁德發

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

0 引言

凍土是氣象要素之一，是在氣溫下降到0 ℃或以下時的自然現象，是土壤性狀的一個重要表現形態。季節性凍土深度隨著氣候環境變化而變化[1-3]，凍土監測對農業、建筑業具有廣泛的影響[4-6]。為了改善人工方法觀測凍土，提高資料的準確度，近些年研究者采用電阻法、射線法、電容法、時域反射法(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(被動)微波遙感技術監測凍土變化；李鵬[8]等設計電容式凍土傳感器；劉銀鋒[9]等應用土壤介電特性監測凍土。此外，羅斯瓊[10]等從氣候變化角度推算了土壤凍融變化。各類研究對土壤凍融監測的精確性都有較大的推進作用，但仍沒有達到與自動化氣象站聯網的需求。凍土深度是列入國家《地面氣象觀測規范》[11]的氣象觀測要素，到目前為止仍使用達尼林凍土器，停留在人工觀測階段。為有效避免人工觀測產生的誤差數據準確性的影響，同時滿足凍土儀器的自動化觀測，基于TB1型凍土器的感應內管的理念，于2016年10月上旬將原有的傳統人工觀測改進為機械手自動化觀測，使凍土傳感器分辨力、凍土層深度的精準識別及觀測儀器的可靠性與穩定性得到大幅提升。2017年9月中旬確定研制電阻式凍土傳感器，并在結構設計、加工工藝和軟件閾值判斷等方面進行了研究。2017—2018年冬季以TB1型達尼林凍土器為對照，選擇具有代表性氣象臺站進行了實地檢測。DOZ-1型電阻凍土自動傳感器能夠準確監測土壤凍融變化，聯網自動上傳，可替代人工值守，性能穩定、維護方便，實現了與自動氣象站的對接。

1 基本原理與電介質選擇

在物理學中，電阻是導體(電介質)對電流的阻礙作用，而不同的電介質電阻不同。電阻計算公式：R=ρL/S，其中，R為電阻；ρ為電阻的電阻率，由電介質本身性質決定；L為電介質的長度；S為電介質的橫截面積。在電介質材料、長度與橫截面確定不變的前提下，電阻率隨溫度變化。運用電介質電阻率隨溫度變化的特性，選用穩定電介質作為凍土觀測儀的感應組件。在土壤凍融的熱物理過程中，土壤凍融過程是溫度降到0 ℃及以下時土壤水分呈凍結的物理狀態[12]，這種狀態使土壤中的水隨著溫度的變化產生不同的電阻，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(感應組件)，因各地土壤性質的不同電阻不同。一般來說，在0 ℃狀態下，陶黏土電阻率為10 Ω/cm；田園土為50 Ω/cm；而砂質黏土則為100 Ω/cm[14-16]；復雜的土質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組件相對土壤簡單許多。水質大體可分為自然水、純化水和蒸餾水等，其水質的不同對電阻率影響也比較明顯。在0 ℃狀態下，純化水電阻率為2.4 Ω/cm，蒸餾水為0.5 Ω/cm，各地自然水的水質含量比較復雜，電阻率不盡相同。純化水和蒸餾水水質穩定，為了取材方便統一，文章選用蒸餾水作為電阻凍土自動觀測儀感應組件的電介質。利用水的相態與電阻特性關系基本原理，通過測量冰水轉換時電阻值的變化，測定出土壤融凍層次和深度。

2 電阻凍土自動觀測儀設計

2.1 傳感器結構設計

傳感器水凍融閾值設定為0.5 Ω，設定凍土層分辨力≤1 cm。如圖1所示，凍土傳感器主要由電源、數據采集處理器、采集器底座、絕熱墊、凍阻感應器和保護外套管等組成。凍土測量傳感器采用套管式結構，集成在一個整體機殼內，傳感器外部有保護套管，套管底部有防水堵頭，頂部有防雨水帽。安裝時土壤切成剖面或打孔，將外套管埋入土壤中，然后把凍阻感應器插入防護管內。DOZ-1型自動傳感器與TB1型人工凍土器的長度相同，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能電池或風能等，并對蓄電池進行充電。供電單元負責為凍阻感應器和數據處理器提供運行電力。

1—數據采集處理器；2—采集器底座；3—絕熱墊；4—凍阻感應器；5—保護套管圖1 DOZ-1型凍土傳感器結構

2.2 傳感器測量電路設計

如圖2所示，采用基準電源50 Hz交流測量電路，產生交流信號的方式是經過變壓的6 V交流電壓，通過電極和取樣電阻形成測試回路，取樣電阻的電壓經過轉換器轉換成可讀取的數字量。

圖2 傳感器測量電路原理圖

2.3 信號采集

基準電源使用的是AC 10 V/50 Hz交流電壓，首先產生偽正弦信號(圖3)，其最小電壓為0 V，然后經過耦合，產生標準正弦波(圖4)信號，經過傳感器、采樣電阻組成回路，此時測量的信號為交流電壓值。在實際電路中，交流電發送的電信號能將上一級電路順利傳送至下一級電路，需要在上下兩級電路之間增加1個隔直電容，隔離上下兩級電路的直流電路。隔直電容的大小由交流信號的最低頻率決定，通常要求其交流容抗不能大于100 Ω。容抗的計算公式：XC=1/2πfC，其中，XC代表電容容抗；f為頻率，對工頻是50 Hz；C為電容值。經過AC/DC轉換，將交流信號變成直流有效值，即將模擬信號轉換成數字信號，實際電路中采用了12位的A/D轉換器，用于信號采集。

圖3 偽正弦波

圖4 標準正弦波

2.4 傳感器輸出電路設計

DOZ-1型電阻凍土自動觀測系統由供電系統(太陽能電池板或交流供電)、供電單元、凍土傳感器、數據處理單元和終端機(或自動氣象站終端微機)等組成。

3 試驗與結果分析

3.1 試驗設計

試驗目的：一是檢定DOZ-1電阻凍土自動觀測設備分辨力和閾值；二是DOZ-1型與TB1型凍土器人工觀測對照(CK)檢測判識感應器元件對土壤凍融變化識別的靈敏度，同時考察儀器性能的穩定性。設備現場布局：TB1型凍土器與參試設備呈東西向排列安裝在試驗場地內，間距為50 cm。電阻式凍土自動觀測儀的感應器長度與TB1型達尼林凍土器相同，為150 cm。依據試驗產品輸出結果與人工觀測數據對比，分析測試產品數據的準確性和可靠性。

3.2 試驗時間與材料

2017-03-07T02：00—2017-03-08T08：00為分辨力與閾值測試時間，試驗場地設在沈陽東陵區氣象站(54342)。對比試驗觀測時間為2017-11-04—2018-04-18，選取沈陽(54342)、遼陽(54347)、丹東(54497)和喀左(54328)氣象站為代表。場地配備220 V交流供電裝置，對蓄電池進行充電。DOZ-1型凍土儀的外圍部件包括供電箱安裝立柱、支架和太陽能電池板等。觀測場與值班室鋪設1對雙絞線通信電纜。

3.3 結果分析

3.3.1 分辨力與閾值結果分析

使用MF14型萬用表連續觀測獲取地表10 cm范圍凍融層次測定電阻值數據，當測得數據≥0.5 Ω時為水狀態，<0.5 Ω時為凍融狀態，與設計水凍融閾值為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”狀態；15：00、16：00，因地表溫度升高，1～4 cm深度出現4 cm厚度的融化層，5～10 cm仍處于凍結狀態；至當日20：00，隨著地表溫度的降低，1～2 cm深度再次“凍結”，而3～4 cm深度為水融狀態，5～10 cm深度仍處于“凍結”狀態。隨著地表溫度的繼續下降，至次日02：00，3～4 cm深度也轉為“凍結”狀態。當水呈凍結狀態時電阻值在0.02～0.03 Ω，水呈自然狀態時電阻值在0.5 Ω以上，而水呈自然狀態附近1～2 cm凍融交錯處電阻值有所增加。據此表明，凍土深度傳感器凍結閾值設定為0.5 Ω是合理的，能夠準確地判識土壤凍融狀態轉換，實現1 cm分辨力的識別，滿足《凍土儀功能規格需求書》相關要求。

3.3.2 平行觀測結果分析

檢測試驗時間為2017-11-04—2018-04-20，上傳數據時間與人工觀測時間(08：00)一致。土壤凍融從2017-11-15開始至2018-04-18結束，凍土層下限共有155 d(組)觀測數據，凍土層上限共有38 d(組)數據。

DOZ-1型電阻自動凍土儀與TB1型人工觀測相比較，凍層下限最大深度相差1.0 cm，逐日觀測值相差范圍在 0～2 cm，平均相差1.0 cm，DOZ-1與TB1距離的標準差為0.76 cm，說明DOZ-1型電阻式凍土自動儀與TB1型人工觀測數據之間距離波動量較小，觀測數值相似度達到99.9%。凍層上限從2018-03-11開始至2018-04-18結束。DOZ-1型與TB1型人工觀測相比較，逐日相差范圍在 0～2 cm，平均相差0.8 cm，DOZ-1與TB1距離的標準差為0.78 cm，觀測數值相似度達到99.9%。凍層下限DOZ-1型電阻凍土自動儀與TB1型人工觸摸觀測凍土凍融觀測結果基本重合。

4 結束語

DOZ-1型電阻凍土自動觀測設備是利用水相變時阻值突變的原理，由單片機系統完成數據采集、計算、存儲和傳輸等任務，可無限次觀測和讀取數據，分辨力設定為1 cm，凍融閾值為0.5 Ω。DOZ-1型電阻凍土自動觀測設備與常規TB1型人工凍土器相比，日觀測凍土深度下限、上限平均差0.8～1.0 cm，距離的標準差為0.76～0.78 cm，測量誤差在設定范圍內，滿足凍土自動測量技術要求。填補了國家凍土自動測量儀器的空白，加速了氣象儀器觀測自動化進程，也為土木工程建筑以及凍土研究提供了自動監測儀器。