DTD5型凍土自動觀測儀的維護及故障排查

楊翠麗，武蘭芳，李秀英，李瑞蘇

（沙河市氣象局，河北 沙河 054100）

0 引言

凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0℃或0℃以下而呈凍結的狀態，是地面氣象觀測基本項目之一，觀測內容包括土壤凍結層次及其上限和下限深度，凍土深度以cm為單位，取整數[1]。人工觀測凍土使用TB1-1型凍土器，這種觀測方式勞動強度大[2]；膠管隨水結冰而伸長或彎曲、提取摸測過程容易彎折；觀測環境不穩定，內管抽出，出現“過冷水”突然凍結情況，此外內外管同時遭受冷、熱空氣侵襲，破壞熱平衡；每天08時觀測1次，會出現漏測當日其他時段凍土變化情況。隨著氣象現代化的不斷推進，越來越多的自動化觀測設備投入到凍土觀測業務中，加快了國家地面觀測自動化進展。因此，凍土自動觀測儀維護、維修問題成了基層業務人員更為關注的問題，也直接影響觀測數據的準確性。本文詳細介紹了凍土自動觀測儀安裝調試、維護維修方法，以期為基層業務人員提供技術參考。

凍土自動觀測儀根據傳感器測量原理不同分為凍阻式凍土自動觀測儀、電容式凍土自動觀測儀和測溫式凍土自動觀測儀[1]。DTD5凍土自動觀測儀（以下簡稱凍土自動觀測儀）為凍阻式，是利用水的相態發生改變時體積、電阻等物理特性隨之變化的原理，通過在裝有非純凈水作感應介質的管兩側安裝感應電極，測量電極相關物理量得到凍結層次和上下限深度[3-4]。凍土的自動觀測，減少了臺站觀測員的工作量，避免了人為因素對觀測數據的影響及凍土變化漏測情況[5-6]，觀測數據的頻次由原來的每天1次增加到每分鐘1次。提高了觀測數據的連續性、準確性，為農業、建筑業、道路橋梁設計、鐵路設計等等提供了更好的服務[7-12]。

1 凍土自動觀測儀的安裝

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，硬件包括傳感器、數據采集器、通信單元、供電單元和外圍設備等，如圖1所示。接入DZP1綜合集成硬件控制器，通過地面綜合觀測業務軟件（ISOS）顯示凍土數據。以RS-232通信方式輸出數據。

圖1 凍土自動觀測儀組成結構

1.1 凍土自動觀測儀的安裝

凍土自動觀測儀在觀測場中的安裝位置，遵循《地面氣象觀測規范》關于觀測場儀器布局的原則，參考《地面氣象觀測場規范化建設圖冊》的要求，安裝在觀測場內南側靠東區域，深層地溫觀測位置的南面50 cm處，與深層地溫外套管平行布設凍土傳感器外套管。

電源箱安裝在現用站地溫分采東側60 cm處，且與地溫分采東西成行排列，基礎預埋件用混凝土澆筑，外露面平整光潔，電源箱安裝在立柱上，箱門朝北。根據本站歷年實際觀測的最大凍土深度的資料，選取不同規格的凍土傳感器，采用分段式安裝。

（1）當臺站最大凍土深度小于150 cm時，只需在對應80 cm地溫南側50 cm處安裝一根適合本站實際最大凍土深度外套管，將相應長度凍土傳感器插入外套管中。

（2）當臺站最大凍土深度大于150 cm且小于300 cm時，分兩段進行安裝，在對應80 cm地溫和160 cm地溫南側50 cm處分別安裝長度為150 cm和300 cm的外套管，將長度0～150 cm和150～300 cm凍土傳感器插入外套管中。

（3）當臺站最大凍土深度大于300 cm且小于450 cm時，分3段進行安裝，在對應80 cm地溫、160 cm地溫和320 cm地溫南側50 cm處分別安裝長度為150 cm、300 cm和450 cm的外套管，將長度0～150 cm、150～300 cm和300～450 cm凍土傳感器插入外套管中。

1.2 凍土自動觀測儀的接線

凍土自動觀測儀傳感器線一端從防水接頭穿入，接上端子后與提環上的端子相連，黃、黑、藍、棕線分別對應VCC、GND、RS485-A2、RS485-B2。接通完畢，將防水接頭鎖緊，將上端蓋旋緊即可。

另一端接入采集器，采集器接線如下：通訊模式設置開關，默認為RS485，撥碼1打開即可，RS232時通訊模式無需設置；傳感器選擇開關，撥碼1、2、3、4分別對傳感器0～150 cm、150～300 cm、300～450 cm、450～600 cm端子，當相應端子接有傳感器，則打開對應撥碼；采集器通訊接口有RS485通訊端子與RS232通訊端子，兩個接口任選其一；12 V電源輸入端子，連接市電互補控制器負載端；綜合集成硬件控制器接線支持RS-485和RS-232兩種通訊方式。根據臺站綜合集成硬件控制器類型選用。

RS-485通信方式：集成硬件控制器端黃、黑、藍、棕依次為T+、T-、R+、R-；凍土自動觀測儀端黃、黑、藍、棕依次為R-、R+、T-、T+。

RS-232通信方式：集成硬件控制器端棕（黃）、藍、黑依次為RX、TX、GND；凍土自動觀測儀端棕（黃）、藍、黑依次為TX、RX、GND。

2 凍土自動觀測儀的調試

ISOS軟件中掛接凍土自動觀測儀并設置相應端口，在ISOS軟件與凍土自動觀測儀通信正常后，需要對凍土自動觀測儀的參數進行設置，包括區站號、經緯度和服務類型等：（1）設置凍土自動觀測儀區站號的命令格式為“QZ，區站號↙”；（2）設置凍土自動觀測儀經度的命令格式為“LONG經度↙”；（3）設置凍土自動觀測儀緯度的命令格式為“LAT緯度↙”；（4）設置凍土自動觀測儀服務類型的命令格式為“ST，服務類型↙”，服務類型00表示基準站，01表示基本站，02表示一般站，所有命令設置成功后都會返回“T”；（5）設置和讀取凍土自動觀測儀日期與時間的命令格式為“DATETIME，日期與時間↙”；（6）設置握手機制方式“SETCOMWAY，1↙”為主動發送方式，“SETCOMWAY，0↙”為被動發送方式（注：設備默認為被動發送）。

凍土自動觀測儀加水后，打開ISOS中的設備管理-終端維護，凍土串口管理發送命令GETALLRES，收到以下返回數據，數值在3～8為宜，不符合應換水，重新輸入命令如下：

temperature:1_16.1，voltage:1_0.0，

temperture：1_16.1表示第一根傳感器采集板的溫度為16.1℃。

讀取分鐘數據，發送命令READDATA，收到以下返回數據。

BG，853781，02，YSFS，000，20211213103200，001，005，13，ATAa，000，ATAc，004，ATIa，000，ATIc，004，ATIb，1001，00000，z，0，xD_AT，0，y_ATA150，0，y_ATA300，-，y_ATA450，-，xB_AT150，0，xB_AT300，-，xB_AT450，-，wA_AT150，0，wA_AT300，-，wA_AT450，-，tC_AT，0，rI_AT，0，3966，ED可以得到臺站區站號為53781，臺站服務類型為一般站，北京時間為20211213103200，以及傳感器的設備狀態和凍土深度。

3 凍土自動觀測儀的故障排查

通過ISOS軟件如果發現數據缺測或異常，可以通過以下方法對故障進行排查。

3.1 數據缺測的故障排查

（1）電源檢查

運行指示燈不亮。首先檢查采集器電源端子、防雷模塊、空氣開關接線是否正確，連接是否松動；其次用萬用表測量市電互補控制器輸出電壓（12 V），空氣開關輸入輸出電壓（220 V），若供電正常，則采集器故障，需更換。

（2）程序運行檢查

運行指示燈常亮但不閃爍，則采集器故障，需更換。

（3）通信檢查

檢查通信接線端子連接是否松動，重新插拔后，使用終端電腦通過RS232接口與采集器通訊，發送DATETIME命令，如果返回正確日期時間，則說明采集器正常，否則采集器故障；發送READDATA命令，如果返回數據幀中要素編碼z的值為0，則說明傳感器正常，否則傳感器故障，需更換。

3.2 數據異常的故障排查

通過ISOS軟件，選擇查詢與處理→數據查詢→分鐘數據查詢，若發現數據異常。選擇設備管理→維護終端，端口選擇為凍土串口處理，發送GETALLRES指令查看測量的阻值。若某一層或某幾層電阻值為0，說明該層傳感器故障，及時聯系廠家更換。

傳感器測量電極檢測不到水會導致阻值過大，引起觀測數據異常。排查水是否在要求的水位上下限范圍內，若超出水位下限，及時補水。

4 凍土自動觀測儀的維護

4.1 非凍土期維護

（1）凍土觀測前，需檢測蓄電池電壓，如果市電互補控制器蓄電池指示燈綠色常亮，則蓄電池正常；綠色閃爍，則蓄電池充滿；黃色常亮，則蓄電池欠壓；紅色常亮，則蓄電池過放，切斷負載。

（2）凍土觀測前，應對傳感器進行全面檢查，查看外套管中有無積水、雜物；外套管與土壤接觸是否緊密；0 cm刻度線與地面是否齊平等。如發現問題，應及時處理。

（3）凍土觀測前應對其內管進行沖洗和注水，水柱中避免余留氣泡，注水完成后在ISOS軟件發送INITR命令返回＜T＞，表示初始化完成，然后發送GETALLRES命令，查看阻值，溫度是否有異常。

（4）凍土期結束后，凍土傳感器可斷電停用，將內管水放掉，并沖洗晾干回收放置或安裝原處。注意操作過程中，防止雜物等落入外套管內。

4.2 凍土期維護

（1）定期通過傳感器狀態燈查看設備運行、通信狀態。

（2）定期查看設備各連接部分是否損壞或腐蝕，自然條件惡劣地區應縮短查看周期；如損壞或腐蝕應及時進行處理、更換。

（3）每周檢查供電設施，保證交流電、電源轉換控制模塊和蓄電池供電正常；定期對蓄電池進行充放電。

（4）每年雷雨季前對防雷設施進行全面檢查，復測接地電阻。

（5）設備故障時，及時進行維修或更換。

（6）凍土自動觀測儀故障、維修和數據處理等情況需備注。

（7）凍土期內發現水位達到下限時，及時補水，如水位下降明顯，及時進行維修或更換。凍阻式傳感器補水維護時，應錯開正點并避免內管中留有氣泡。

4.3 凍土自動觀測儀的升級

凍土自動觀測儀升級分為現場升級和遠程升級兩種。建議選擇現場升級，過程如下。

（1）準備USB轉RS232線、RS232接口轉換線和一臺筆記本電腦，一端連接采集器，另一端連接電腦。

（2）把DTD5升級文件（包含程序燒入軟件mcuisp.exe和采集器升級固件xxx.hex）拷貝到所在電腦并解壓。

（3）打開程序下載工具軟件mcuisp.exe，如圖2所示。

圖2 升級軟件界面

（4）點擊①選擇串口。

（5）點擊②選擇波特率。

（6）點擊③選擇目錄下的xxx.hex文件。

（7）點擊④STMISP。

（8）打開機箱，如圖3所示，把RS232接口轉換線插到③，拔掉②電源插頭，按住運行指示燈旁邊①黑色按鍵不松手，插上電源插頭，觀察所有燈閃爍1 s熄滅后，此時松開黑色按鍵，進入下載模式。

圖3 凍土自動觀測儀采集器

（9）點擊⑤開始編程。

（10）右側信息框出現文字信息，進度條持續向右，等信息框提示⑥內容，程序升級完成。

（11）觀察運行指示燈，如果秒閃，則升級成功；否則，嘗試重新插拔電源觀察，若升級失敗，重復步驟8和9重新升級程序。

5 結束語

本文對DTD5型凍土自動觀測儀的組成結構、安裝進行了詳細介紹，列舉了凍土自動觀測儀的調試、維護及故障排查方法，為臺站業務人員對凍土自動觀測儀的安裝、調試和維修維護提供了技術支持。進一步提高業務人員設備維護維修的能力，保障設備的正常運行。

主要安裝調試：（1）安裝調試時一定要注意傳感器的線序和采集器的線序一致；（2）采集器到綜合集成硬件控制器的接線為交叉線，在采集器上為TX、RX、GND，綜合集成硬件控制器RX、TX、GND。

主要故障與排查方法：（1）數據缺測時，首先檢測運行燈的情況，燈不亮，測量直流12 V，交流輸入輸出為220 V，則采集器故障，燈亮但不閃，則采集器故障；（2）數據異常時，通過ISOS軟件，發送GETALLRES指令查看測量的阻值。若某一層或某幾層電阻值為0，說明該層傳感器故障。