淺談DTD1 型凍土自動觀測儀原理構(gòu)造及維護方法

邢 程 ,李 想 ,白雪梅

（1.黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心,黑龍江 哈爾濱 150030;2.方正縣氣象局,黑龍江 方正 150800;3.黑龍江省氣象臺,黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0 ℃或以下而呈凍結(jié)的狀態(tài)。

凍土觀測是中國氣象局統(tǒng)一布局觀測項目，觀測內(nèi)容包括土壤凍結(jié)層次和凍結(jié)深度。隨著DTD1型凍土自動觀測儀在全國的普及和使用，觀測業(yè)務(wù)人員的工作重點將隨之逐漸轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、觀測產(chǎn)品研發(fā)和裝備保障方面。本文針對DTD1 型凍土自動觀測儀工作原理構(gòu)造及巡檢維護方法進行如下解析。

2 DTD1 型凍土自動觀測儀工作原理及系統(tǒng)構(gòu)造

2.1 結(jié)構(gòu)特點

DTD1 型凍土自動觀測儀由軟件和硬件兩部分組成。軟件為嵌入式軟件，硬件主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、供電單元和外圍設(shè)備等組成，可接入綜合集成硬件控制器，其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 凍土自動觀測儀硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

DTD1 型凍土自動觀測儀是根據(jù)水與冰相變后電阻發(fā)生改變的特性，利用水做感應(yīng)介質(zhì)，每1 cm設(shè)置一個電極，根據(jù)每層電極檢測信號判別土壤的凍融狀態(tài)，建立數(shù)學(xué)模型，計算出土壤凍結(jié)層次及其上限和下限深度。具有穩(wěn)定性強，測量精度高，成本低等特點。目前凍土自動觀測主要采用電阻法、電容法和測溫法等。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

2.3.1 凍阻式凍土傳感器

凍阻式凍土傳感器利用水的相態(tài)發(fā)生改變時體積、電阻等介電常數(shù)物理特性隨之變化的原理，通過非純凈水做感應(yīng)質(zhì)，測量相關(guān)物理量得到凍結(jié)層次和上下限深度。

2.3.2 數(shù)據(jù)采集器

DTD1 型凍土自動觀測儀數(shù)據(jù)采集器的硬件部分由嵌入式處理器、數(shù)據(jù)存儲器、通信接口和指示燈電路等多種電路模塊組成。數(shù)據(jù)采集器主要功能是獲取傳感器的采樣數(shù)據(jù)，對采樣數(shù)據(jù)進行計算處理、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)存儲、通信傳輸，并與終端計算機進行交互。

2.3.3 系統(tǒng)電源

DTD1 型凍土自動觀測儀的電源系統(tǒng)為交流供電電源系統(tǒng)，由四部分組成，分別是空氣開關(guān)、防雷器、電源控制器和免維護電池。供電單元的輸入為AC220 V，輸出電壓為DC13.8 V。市電供電時，電源模塊負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)化為DC13.8 V，供DTD1 型凍土自動觀測儀工作；蓄電池做為后備電源，當(dāng)沒有外部電源輸入時，保證DTD1 型凍土自動觀測儀能夠連續(xù)工作。

2.4 軟件結(jié)構(gòu)

軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苣K。

數(shù)據(jù)采集模塊按規(guī)定的采樣頻率進行采集；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)完成采樣算法、數(shù)據(jù)計算處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；數(shù)據(jù)存儲模塊主要完成數(shù)據(jù)的存儲與管理；數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)與終端計算機的通信，并具有數(shù)據(jù)補傳功能。

3 巡檢維護方法

在非凍土期間，凍土傳感器可斷電停用，啟用前需檢測蓄電池電壓。每年入冬前一個月，對傳感器進行全面檢查與維護。查看外套管中有無積水、雜物；外套管與土壤接觸是否緊密；傳感器內(nèi)管、外管的0線與地面是否齊平等。如凍土傳感器測量介質(zhì)為水，需及時檢查補充當(dāng)?shù)刈詠硭ń?jīng)過濾的河水、井水）。如發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時處理。

在凍土期間，需定期查看傳感器工作狀態(tài)燈，以便及時了解掌握設(shè)備的運行和通信狀態(tài)。定期查看設(shè)備各連接部分是否損壞或腐蝕，自然條件惡劣地區(qū)應(yīng)縮短查看周期；對損壞或腐蝕的部件應(yīng)及時進行處理、更換。每周檢查供電系統(tǒng)，保證交流電、電源轉(zhuǎn)換控制模塊和蓄電池供電電壓正常；定期對蓄電池進行充放電。每年雷雨季前對防雷設(shè)施進行全面檢查，復(fù)測接地電阻。當(dāng)設(shè)備故障時，需及時進行維修或更換。在凍阻式傳感器補水維護時，應(yīng)錯開正點并避免內(nèi)管中留有氣泡。

補水方法：取出感應(yīng)器，保持傾斜，使注水筒高于凍土儀，打開上注水孔螺絲，擰下感應(yīng)器下注水閥保護帽，擰松注水閥，采用滴溜的方法將水注入感應(yīng)器，觀察到上注水孔出水，表示注滿。注滿后擰緊注水閥，取下連接管，重新擰上注水閥保護冒，擰緊上注水孔螺絲，重新放入外套管。也可以使用自動注水器進行補水。如出現(xiàn)凍土自動觀測儀故障、維修和數(shù)據(jù)處理等情況時需做好備注處理。

4 總結(jié)

DTD1 型凍土自動觀測儀是根據(jù)水與冰相態(tài)發(fā)生改變時體積、電阻等介電常數(shù)物理特性隨之變化的原理，并通過非純凈水做感應(yīng)質(zhì)，測量相關(guān)物理量得到凍結(jié)層次和上下限深度。在硬件系統(tǒng)中，需維護傳感器和供電系統(tǒng)兩部分。

在非凍土期間，需對傳感器進行全面檢查與維護。查看外套管中有無積水、雜物；外套管與土壤接觸是否緊密；傳感器內(nèi)管、外管的0 線與地面是否齊平等。在凍土期間，需定期查看傳感器工作狀態(tài)燈，定期查看設(shè)備各連接部分是否損壞或腐蝕。

供電系統(tǒng)的維護包含檢查交流電輸入電壓是否為交流220 V、電源轉(zhuǎn)換控制模塊的輸出電壓是否為直流13.8 V 和蓄電池供電電壓是否正常，并定期對蓄電池進行充放電。如果發(fā)生供電系統(tǒng)故障，將影響數(shù)據(jù)的輸出。則需按照上述方式逐一排查維護維修。