自动土壤水分观测站常见故障分析及维护

1、自动土壤水分观测站常见故障分析及维护摘 要通过对我省自动土壤水分观测仪构成组成与 工作原理进行分析，结合实际工作中对常见故障进行的统计， 通过对通讯模块指示灯的运行情况，总结出针对我省 DZN3 型自动土壤水分观测仪运行中常见故障的确定与对应处理 方法，并提出了日常维护的主要内容与故障排查的方法，大 大提高了维护维修时效，同时也为我省自动土壤水分观测站 的正常业务运行提供了有力保障。关键词 土壤水分；频域反射；数据采集；通讯模块 中图分类号： TM912 文献标识码： A 文章编号： 1009-914X（2017）15-0118-010 引言 土壤水分状况是水分在土壤中的移动、各层中数量的变

2、化以及土壤和其他自然体（大气、生物、岩石等）间的水分 交换现象的总称土壤水分贮存量（或土壤湿度）及其变化规 律的监测，是农业气象、生态环境及水文环境监测的基础性 工作之一掌握土壤水分变化规律 1 ，对农业生产、干旱监测 预测和其他相关生态环境监测预测服务和理论研究，都具有 重要意义。自动土壤水分观测仪取代传统的烘干称重法，不仅缩短 了土壤水分的测定时间，减轻了业务人员的工作强度，最重要的是达到了定点观测土壤水分的连续变化，更加适应了当 前气象事业发展的需要。目前大多数自动土壤水分观测仪都 安装在郊区野外，这就大大地增加了维护维修的难度2 。如何做好自动土壤水分观测仪的维护和维修工作，本文做了下

3、 述探讨，以期对有关业务人员有所借鉴。目前黑龙江省共建成土壤水分自动观测站 73 个，都是 中国化云公司生产的 DZN3 型号土壤水分观测仪。所建成的 73个自?油寥浪 ?分观测站在 2012 年通过业务化验收，投入 业务运行。1 自动土壤水分观测仪的结构和工作原理1.1 结构DZN3型自动土壤水分观测仪主要由传感器、RS232-RS485专换模块、数据采集器、通讯模块及供电系统 组成 3。（1）传感器主要包括电容式传感器、处理电路、护套 管等组成，首先将传感器以并联方式安装在护管中，然后将 护管垂直插在土壤预先打好深度的孔中，传感器通过护套管 与土壤隔离。（2）RS232-RS485专换模块

4、的作用是将传感器将通过串口转换器采集到的土壤水分数据由RS485信号格式转换为RS232信号格式输出，并将数据发送至采集器。（ 3）数据采集器分为输入端和输出端，接线端子TXO、RXO GND作为输入端，接收来自 RS232-RS485转换模块发 送的土壤水分数据；接线端子TX1、RX1、GND作为输出端， 将数据发送至下一级通讯模块进行处理；数据采集器的主要 功能是完成数据采样、数据处理、质量控制、数据存储、数 据通讯等。（4）通讯模块采用移动网络 GPRS（G网）的无线传输 方式，将上一级发送的土壤水分信息编辑为特定格式的文件， 并通过短信息的形式传至中心站服务器。（ 5）供电系统主要包括

5、太阳能板、充放电控制模块、 蓄电池组成。其作用是保证土壤水分观测仪的传感器、采集 器及传输模块正常运行，从而确保数据的及时、准确、稳定 的传输。1.2 工作原理DZN 3型自动土壤水分观测仪是利用频域反射法原理（FDR）来测定土壤体积含水量4，利用传感器发出的归一 化频率SF建立土壤水分含量之间的指数关系（其中a，b为参数），从而得到频率与土壤水分含量的对应关系。由于水 的介电常数比其他物质的介电常数都要大，从而水分含量的 变化会导致土壤介电常数的变化，电容式传感器电容两端的 电压值也会发生改变，被数据采集器采集并发送至中央处理 单元（CPU），经过采集器中央处理单元线性与量化处理计算 得出土

6、壤中水分含量，将结果存储在采集器的寄存器中，通 过GPRS网络传输至中心站服务器，从而完成土壤水分含量 数据的采集、处理、存储及传输的工作流程。2 常见故障统计分析通过统计， 2015 年 1 月至 2015 年 12 月全省土壤水分观 测站共出现故障 44 站次，其中传感器故障 38 次，电源故障 4 站次，通信系统故障 2 站次。根据现场维护和维修情况分 析，传感器故障较多主要是因为夏秋两季温度高，降水多导 致空气湿度大，个别站点因放置传感器的套管密封不严，而 出现管壁内水汽集结为水滴，水滴附着在某层传感器或接口 控制器上而发生故障。由于黑龙江省土壤水分站多数通电系 统已经使用四年多，有些

7、电池老化不能正常工作，造成仪器 停运，需要及时更换。3 日常维护及故障排查3.1 日常维护 土壤水分观测仪的日常维护工作主要检查供电系统工 作情况，其中太阳能板为维护重点，日常维护中要保证太阳 能板的安装倾角无改变，受光板面清洁无遮挡，从而保证太 阳能板能够为蓄电池提供持续稳定的供电。同时对观测仪系 统的备件及关键组件要组织专门人员保管，存放地点要符合 设备储存的环境条件要求，以保证系统设备完好，同时注意 各部件不要超期超检使用，以保证系统正常、准确、可靠的运行。在保证日常维护工作的同时，还要对土壤水分观测仪进 行每月一次的重要部件现场检查，主要包括传感器、采集器 和整机的进行现场检查。现场检

8、查进行时，主要检查护套管 密封是否良好，管内是否有水，如发现密封不严，护套管进 水等情况应及时进行维护。现场检查时，还要将预先放置在 护套管中连接控制单元处的干燥剂取出，用烘干箱将干燥剂 烘干后重新安放于原位。如有观测仪建在某些低洼易受潮地 点，干燥剂维护周期应缩短。3.2 故障排查土壤水分观测仪的故障排查主要依靠的是各组成部分 的运行状态灯来进行的，下面对各部分的状态灯工作情况及 常见故障进行一下介绍。太阳能充放电控制器有四个指示灯，由左至右分别为INFO灯、红色、黄色、绿色状态灯。其中，INFO状态灯为绿色时表示系统供电充足，当变为黄色时代表电量不足，当 变为红色时为电量严重不足的报警信号

9、，当红色灯一秒一闪 则代表电池电量已亏空。右侧排列成弧形的三个指示灯从左 往右分别为红色、 黄色、绿色，分别代表了电池状态为亏空、 电压不足和满电情况。RS232-RS485转换模块PWR灯为常亮时表示模块正常运 行，此时RXD与TXD每分钟交替闪烁；当 TXD与RXD均不 闪烁时，表示转换模块发生故障； 当TXD与RXD只有一个亮 时，表示观测仪接口面板部分存在问题。通讯模块正常工作状态下， 状态灯（“ PWR”电源，“ DATA 数据，“ NET'网络）运行状态闪烁频率分别为：1次/8秒，1 次 / 分钟，常亮。以这三个状态灯的运行情况作为判断设备 是否正常运行的依据。数据采集器正

10、常工作状态为测量灯闪 烁间隔为 1 次/秒；通讯状态灯 4 次/分钟。4 结语 作为观测土壤水含量的重要设备，自动土壤水分观测仪 的维护维修需要注意几点： （ 1 ）观测仪掩埋在土壤中的部分 不便于检查，装备保障人员需熟悉掌握这部分的结构和工作 原理以及常用维修维护方法； （ 2）观测仪部分设备更换后， 需要对其运行参数进行重新设置或现场标定。总之，作为新型土壤水分含量观测设备，装备保障人员 需对日常故障情况进行总结和归纳整理，通过不断的交流学 习积累经验，这样才能为自动土壤水分观测仪的正常运行提 供保障。参考文献1 何连，秦其明，任华忠，都骏，孟晋杰，杜宸.利用多时相 Sentinel-1 SAR 数