影响土壤水分仪准确性原因分析及维护注意事项

影响自动土壤水分观测仪精度的原因分析

及维护注意事项河南省气象科学研究所中国电子科技集团公司第27研究所2023/1/31目录一、系统概述二、维护基本知识三、影响仪器准确度的主要问题四、典型案例分析五、存在的问题和建议六、综述

一、系统概述

2009年至今，河南气象科学研究所与中国电子科技集团公司第27所在河南、河北、安徽、内蒙、贵州、四川、重庆、山西、陕西、甘肃、新疆、吉林等12个省区市安装布设了近千套Gstar-I(DZN2)型自动土壤水分观测仪。目前，自动土壤水分观测仪已经组网运行两年有余，部分台站正在进行平行观测和业务标定，还有部分台站已经通过数据对比评估正式投入业务运行。1.1系统运行情况Gstar-I(DZN2)自动土壤水分观测仪分布图在自动土壤水分观测网运行过程中，逐步发现了一些问题，如数据异常、缺失等，有安装问题，也有仪器自身的问题，最主要的还是关于日常维护方面的问题，由于部分维护人员对仪器测量原理理解不太深，没能及早发现、解决这些问题。因此，为了提高土壤水分服务产品的质量，亟待加强设备的日常维护工作。1.2GStar-I型自动土壤水分观测仪系统组成传感器采集器通讯模块监控计算机数据中心服务器探测器传感器1传感器2…传感器n数据采集器监控计算机数据中心服务器有线/无线通信

宽带网络后端处理、服务前端测量、传输GPRSA型：有线通讯A型设备仅有传感器在室外，采集器和专用控制计算机均在室内，数据传输使用RS485通讯模块与室内计算机有线连接，供电220V，适宜固定地段或近距离作物地段安装使用A型：内部照片A型：监控软件C型：无线（GPRS）通讯C型：无线（GPRS）通讯C型设备在室外采集箱内，数据传输使用GPRS无线通讯模块，加装太阳能电池板和蓄电池供电，适宜作物地段或无市电供电的地段安装使用市电供电内蒙市电供电GStar-I土壤水分传感器

土壤水分探测器是基于电容传感器和嵌入式单片机技术设计，利用电容原理测量土壤水分，通过调整安放在其上的探头位置可分别测量土壤不同深度的土壤含水量。测量范围：0-100%土壤体积含水量系统分辨率：0.1%准确度：标定后±2.5%体积含水量平均无故障工作时间：大于8000小时采集器数据采集器基于ARM技术设计，通过大容量存储器扩展技术，具有数据存储量大、安全可靠和易于安装维护等特点，可实时和定时对水分传感器发送指令，采集土壤水份数据进行存储。采集器对外具有RS485、RS232/无线通讯接口，完成对传感器、后台管理软件的数据交换工作。

系统软件

土壤水分观测仪软件由服务器数据库，客户端观测和用户网络浏览软件三部分组成。数据入库软件监控处理软件无线网络处理软件（1）服务器数据库软件:自动土壤水分观测实时数据库系统采用S/C(Server/Client)方式，用VC++语言编写相应服务器端和用户端软件，初步完成了系统软件的开发。（2）客户端监控软件全省土壤水分分布等值线、色斑图（3）用户浏览软件浏览单站土壤水分变化综合曲线图二、维护基本知识2.1定时监控资料水分值为0，是设备故障？水淹？其他？蓄电池指示灯：黄色、红色2.2日常维护传感器1正常情况下每年需要把传感器从PVC管中取出，检查管内是否潮湿进水，如有水滴，需要清除干净；2干燥剂每年要更换一次。蓄电池每半年测量一次蓄电池电压，如果连续7天没有出现外接充电电源完全停止的情况下，电池电压低于11V，则需要更换蓄电池。正常情况下蓄电池的寿命不低于3年。采集器正常情况下每月到现场检查一次采集器，查看是否进水和沉积灰尘，如有则要清除干净。注：如发现数据停止或突变，应随时到现场查看情况。C型：太阳能控制器太阳能指示灯绿：供电不亮：不供电蓄电池指示灯黄色：电压偏低红色：电量空闪绿：电充满负载指示灯橙色：正常，向采集器供电设置、开关按钮模式：6.2.3采集器故障检测电源检查指示灯是否常亮，如果灭，检查采集器主机板的电源端子是否连接松动，接线是否可靠，拔掉重新接线，插上电源端子，如果还不能启动，用万用表测量蓄电池电压是否正常（12V～15V），如不正常则需更换蓄电池，如电压正常，则说明主机板故障，需更换主机板。程序运行检查运行指示灯是否正常闪烁，如不闪烁，则主机板故障，需更换主机板。通讯检查使用调试软件（Soil_Debug.Exe）通过RS232接口与采集器通讯，首先进行读时钟操作如果连续读时钟正常，日期也正确，则说明采集器通讯正常，需进入下一步传感器检查采集板电源指示（红色）：常亮；运行指示（黄色）：闪烁（亮灭各1秒）；GPRS登录指示（绿色）：登录到服务器亮，退出时灭GPRS检查1GPRS指示灯是否常亮，如不亮，通过笔记本电脑RS232接口读取服务器IP地址和端口，如不正确，重新设置。如果正常，查询该SIM卡是否停机。如果以上都正确，再进一步检查GPRS天线的连接器是否脱落，如果脱落，重新安装即可，如没有脱落，则GPRS模块可能出现问题，需更换主机板。2GPRS模块网络指示灯64ms亮/800ms灭：GPRS模块没有寻找到网络，则检查SIM卡安装是否正确，接触是否可靠，是否欠费；64ms亮/3000ms灭：GPRS模块登录到网络。2.4传感器故障检测接线端子检查检查跳线帽是否脱落，用手重新按压各个传感器和主机板与带缆线的排线插针，确保各个连接器可靠连接；铜环连接检查传感器电路板与两个铜环之间的连接线是否脱落，如脱落，要用大功率烙铁重新焊接；软件测试某一传感器出现问题，将直接导致该层对应的数据出现错误或异常。使用调试软件选择进行数据监视，观察水分值和频率值。若某一层或某几层频率值对应为0，说明该层传感器可能已经损坏或无法正常工作。在彻底断电的情况下，检查传感器与扁平电缆连接是否完好，传感器外观有无明显异常或松动等。处理板连接底部排线的插针连接底部排线的插针传感器上的跳线传感器上的参数2.5其他问题太阳能电池板太阳能电池板的电源线与控制器的连接线是否连接正常。传感器4芯电缆传感器防护管内是否进水，干燥剂是否已失效。传感器防护管采集器与传感器连接的4芯通讯电缆线是否连接正常。A型采集器的RS232通讯线与工控机连接是否可靠。RS232通讯三影响仪器精度的主要问题1.配套设施安装不当引起误差由于安装人员对设备原理不理解，造成紧贴防雷角铁安装防雷传感器，以至于人工对比观测数据与仪器观测数据造成很大的误差南阳-新野实景照片南阳-新野实景照片在宿州站由于安装不到位，加上观测场地面不平整，安装后土壤下陷，10cm传感器露出地面，即使浇水后，10cm土壤含水量值仍然为零。龟裂很严重，表层附上一些土壤，10-20cm含水量数值依然很小

土壤含水量θv与仪器信号SF之关系

2.安徽宿州安装不到位3.土壤龟裂引起机测土壤水分为0泗县土壤水分站安装地点为黑色粘土，而且，缺乏有效的维护，龟裂特别严重，龟裂达2cm,影响深度达30cm恢复后泗县土壤水分时间变化曲线前端测量、传输太和

太和新装固定地段由于也是粘壤土，10cm产生严重的龟裂霍邱

土霍邱站的龟裂情况同样严重，我们同样进行了技术处理和修复河南永城4.安装过程操作不当造成误差一定要用专用安装工具，安装后探测管与土壤之间要没有缝隙安装基本要求使用合适的工具和方法没有间隙探测管的安装不可接受潜在流入通道探测管与土壤之间如果有缝隙存在，人工值与机测值就会产生严重误差如有降水，机测土壤水分值会迅速增大，然后，迅速降低。安装造成的管壁与土壤间的缝隙安阳柏村登封作物地段安装缝隙5.其他一些情况引起的误差安徽砀山维护人员将设备用土掩埋起来，加之安装缝隙10cm土层数值偏小；肥西站也有同样问题。

河南台前等站也有类似此问题砀山台前龟裂多发生在粘土地段，而且，安装自动土壤水分站时土壤含水量较大，有的地方近似泥泞，安装后已进入秋季，由于干旱10cm发生严重的龟裂，测值土壤体积含水量为0。安装地点没能及时进行作物种植，也会造成严重的龟裂。6.冻土引起的误差根据传感器原理可知，传感器是测量土壤中电介质变化推导出土壤水分变化。在冬季，土壤中的水由液态变为固态冰，介质系数发生巨大的变化，引起仪器测量的水分值急剧下降，这是不真实的，因此，在冬季我们应用机测值时应当注意是否有冻土影响。一些台站由于维护较好，观测场内种植有作物，表层即使非常干旱龟裂也较轻。桐柏自动土壤观测站1.A型仪器报文无法生成GStar-Ⅰ（DZN2）A型自动土壤水分观测仪采用有线网络传输数据，有时会出现采集数据正常而上传报文数据无法生成的情况。由于仪器长期运行，生成的报文数量过多，超出Windows系统的文件夹最大文件数量限制，将备份报文进行压缩整理即可解决此问题。四典型案例分析2.传感器安装环境被破坏

有些台站担心仪器遭受破坏，对传感器采取了一定措施进行保护，如对传感器进行遮盖或用土掩埋，但这些措施却会严重影响传感器测量，当有降水时，周边农田水分含量变化较大，但传感器感应部分含水量却无较大变化。3.数据出现规律性中断某些台站会出现规律性的数据中断，一般是有两种情况造成。一是电源控制器的模式设置错误，在不同的模式下控制器会自动控制采集器的供电时间，所以出现数据规律性中断时应检查控制器是否为正确模式“6.”；二是蓄电池可能出现问题，可储存的电量过少，当白天有太阳时，在太阳能板的持续充电作用下可正常工作，当晚上无太阳能板充电时，储存的电量很快就耗尽，这种情况下应及时更换蓄电池。测量检查电池电压时，应选在日出之前数据上传未恢复时进行。4.仪器遭破坏5.土壤板结引起测量误差通过对几个台站的传感器周围土层开挖发现，传感器周边土壤质地与周边大田中的土质有较大差异，传感器周边土壤质地坚硬且较干，而周边大田中的土壤质地较为松软且潮湿，初步判断为大田中土壤在耕种时会进行深耕翻地松土，而围栏内土壤没有进行深翻，容易引起土壤板结。6.人工取土中的一些问题层次重复一重复二重复三重复四平均容重70～8024.426.819.114.421.21.5230～4013.914.516.726.617.91.460～1019.118.340.619.924.51.470～108.8-7.411.911.16.11.630～4025.521.426.853.031.71.451.引起土壤水分值异常的主要原因传感器安装不到位和安装时操作过程鲁莽，造成探测管与土壤形成缝隙由于干旱引起粘性土壤龟裂冬季由于土壤中水分相变引起机测水分值急剧下降传感器周围长期不松土造成土壤板结五存在问题和建议2.安装要求安装前应当首先作一次人工烘干土壤水分测量，确保

安装地土质均匀无石块等杂质。安装要按照安装规范，一般不得使用挖掘埋设方式，如有特殊情况必须申报并经批准后方可实施。安装时，探测管不能有较大晃动。一、自动土壤水分观测场围栏内环境要