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土壤水分检测记录设备的维修和维护

来源：　类别：技术文章　更新时间：2013-02-04　阅读次

　　土壤水分含量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，土壤水分反映土壤的湿润状况，是农业气象、生态环境以及水文监测的基础性工作，也是农田干旱、情报预报的重要依据，掌握土壤水分变化规律，对农业灌溉、土壤墒情与农业干旱的监测预测及相关理论研究具有重要意义。农业气象观测是一个基础性的气象观测项目。长期以来，我国的农业气象观测主要是以人工目测和简单器测为主，基本无自动化观测手段，远落后于一般地面气象要素观测，目前，广大台站普遍采取的方法是称重烘干法。因此，在实际工作中具有省时、省力、准确监测土壤水分的器具，具有十分重要的现实意义。
　　土壤水分记录仪是中国气象局大气监测自动化系统项目一期工程中的一项内容，山东省土壤水分记录仪，正是根据中国气象局大气监测自动化系统项目一期工程有关安排，自 2005 年 4 月起建设土壤水分自动监测系统。自动土壤水分采集系统在广大台站使用以来，简化了原有的称重烘干的测定方法，使土壤水分的测定时间缩短，人工强度减小，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。
　　农业气象观测对象多是分散在自然状态下，数据采样点具有分散、周期差别大、市电供应困难、设备安装维护要求高、安全防范要求严等特点，为了使开展土壤水分自动观测与人工观测对比和评估达到农业气象观测规范的要求，使土壤水分自动观测资料更为客观准确，并与目前通用的土壤水分人工观测资料相衔接，具有连续行、可比性和业务服务适用性，从而更好地发挥土壤水分自动观测资料的应用价值和社会经济效益，农业气象自动观测站的维护与维修更加重要。以下以 DZN1 自动土壤水分观测仪为例，主要介绍农业自动观测站的系统组成、主要功能和日常维护与维修需要注意的问题。
　　1 概述DZN1
　　自动土壤水分观测仪是应用 FDR 原理的土壤水分测量传感器和总线式数据采集技术于一体的土壤水分自动化测量系统，其技术指标符合中国气象局土壤水分观测仪的设计要求。该系统由传感器、采集器、通信接口和系统电源四部分组成，根据业务需要可配备微机，可显示实时和整点土壤相对湿度、体积含水量、重量含水率、贮水量等动态变化曲线并自动生成标准数据文件。根据用户需要，系统可进行扩展，数据采集器可扩展接入：风向、风速、温度、湿度、气压、雨量、地温等气象传感器。
　　该仪器可广泛用应于气象、生态、农业、地质灾害等领域的探测与研究。该仪器按照实际安装地点可分为：固定地段型（台站式）、作物地段型（野外式）、辅助地段（便携式）等三种。
　　2 系统组成
　　自动土壤水分观测仪由硬件和软件组成。
　　硬件包括：传感器、采集器和外围设备等三部分。软件包括采集软件和计算机软件二种。其中：台站式土壤水分观测仪的计算机软件安装在观测室的计算机内；野外式土壤水分观测仪需在中心站安装中心站监控软件。设备组成见下图：

设备组成
　　2.1、土壤水分传感器
　　采用世界先进技术的频域反射（FDR）土壤湿度传感器，精密、可靠，耐用，无放射性污染源。传感器使用环保材料制成，全密封，可长期埋设在地下任意深度连续测量。
　　SWS-406 土壤水分传感器应用 FDR 原理，可直接测量土壤体积含水量。
　　SWS-406 土壤水分传感器由高频发射器、接收器，微处理、探针等组成。高频发射器、接收器、微处理密封在Ф40mm 长 130mm 防水室内，4 个长 60mm 不锈钢探针与之固定相连。
　　不锈钢探针直接插入土壤。传感器尾部的电缆线用于为传感器提供电源及输出模拟信号。
　　其工作原理是：采用 FDR 原理测量土壤介电常数。土壤内水分变化导致介电常数变化，土壤的体积含水率与介电常数存在函数关系。
　　2.2、 MDT-30 气象数据采集器
　　MDT-30 气象数据采集器以高速微处理器作 CPU，外围包括精确的时钟器件、16 位 A/D转换器件、128MB 标准 CF 卡、耐低温液晶显示器和信号防雷接口等。具有 RS-232/RS-485两个标准通讯口。存储 60 天的整点数据。
　　采集器是自动土壤水分测量系统的核心。其主要功能是完成各层土壤水分传感器的采样，对采样数据进行控制运算、数据计算处理、数据质量控制、数据记录存储，实现数据通信和传输。采集器能够具备自检、自诊断功能，包括以下内容：电源电压状态监测；传感器状态监测；通信状态监测等。
　　2.3、外围设备
　　2.3.1 电源电源系统主要分为两类：蓄电池为后备的市电供电系统和太阳能辅助充电的蓄电池供电系统。分别用于有市电和无市电的环境。
　　12 伏直流电压是数据采集器的基本工作电压，采集器中其他直流工作电压由此转换而成。
　　2.3.2 计算机即微型计算机，用作台站式的终端，实现对采集器的监控、数据处理和存储，按照《农业气象观测规范》要求完成土壤水分观测业务。
　　2.3.3 GPRS 无线传输�？橛糜谝巴馐阶远寥浪止鄄庖堑奈尴呤荽洹�
　　2.4 软件
　　2.4.1 采集软件采集软件支持采集器的数据采集、数据处理、数据存储和数据传输功能。
　　2.4.2 台站业务软件业务软件处理土壤水分观测业务，是安装在与土壤水分观测仪相连接的微机中的应用软件。
　　2.4.3 GPRS 中心站软件中心站软件安装省气象台或者信息中心，用于基于 GPRS 无线网络的野外式台站的数据收集、监控、管理、查询等功能。
　　3 主要功能
　　3.1、数据采集该观测仪实时自动采集土壤水分数据，每隔 1 分钟读取测量结果，每 10 个测量数据的算数平均作为该10分钟的观测值，每6个10分钟观测值的算术平均作为该小时观测平均值。
　　3.2、数据处理以测量的土壤水分体积含水量为基础，根据预先输入的被测土壤参数，按照相关公式计算出土壤重量含水率、相对湿度、土壤水分有效贮存量。
　　3.3、数据存储内有标准 CF 卡（128M），存储 60 天整点的测量数据和平均数据，以备随时查询。
　　3.4、显示及键控从显示器上可以直接读取当前采集数据，可通过显示面板设置或修改日期和时钟。
　　3.5、数据通讯观测仪可通过串行通讯口接到上位终端机上，按照既定的通讯协议，上位机可以读出观测仪的测量数据和存储数据；设置观测仪所需的参数；设置观测仪的通讯方式和自动发送数据的时间间隔；为观测仪对时等。
　　4 日常维护
　　1、每日在 08 时或沙尘暴、强雷暴、大风、暴雨等恶劣天气后巡视仪器，检查仪器（设备和计算机）供电是否正常、传感器工作是否正常、通讯是否正常。
　　2、每天定时通过自动土壤水分观测仪计算机终端检查前一天采集数据是否完整，如有缺测及时手动补要。
　　3、定期检查电缆与传感器及采集器连接是否有松动现象；每年定期检查电缆是否损伤、老化。
　　4、建立专用值班工作日记，每日填写，认真记录上述检查处理的情况。
　　5、当发现仪器故障时，应在值班日记详细记录，根据故障情况及时通知生产厂家进行必要的处理。
　　5 故障判断及维修
　　5.1 计算机终端故障
　　5.1.1、软件故障
　　1、现象：系统无法正常启动检查操作系统，如果操作系统故障，请重新安装操作系统。
　　2、现象：终端业务软件死机首先，重新启动计算机，检查终端业务软件是否正常，如果不正常，请重新安装业务软件。
　　5.1.2、硬件故障
　　1、现象：开机后电源指示灯不亮。
　　检查电源插头是否接触牢固。
　　2、现象：终端计算机无数据或通讯状态异常。
　　检查及处理步骤：
　　1）检查终端计算机是否死机，检查终端计算机通讯端口上连接的通讯�？槭欠裢崖�，通讯模块上连接的通讯电缆是否脱落。
　　2）通过数据采集器上的显示器检查采集器时间是否正常、各层土壤观测数据是否正常。检查数据采集器上的通讯电缆是否连接正常。
　　3）检查终端计算机至数据采集器之间的通讯电缆是否正常。
　　4）更换终端计算机通讯端口上连接的通讯�？椤�
　　5）如以上均正常，请与厂家联系。
　　5.2 数据采集器故障现象：数据采集器显示器不显示或显示数据故障。
　　检查及处理步骤：
　　1、检查数据采集器供电。拔下数据采集器上的电源输入端子，使用万用表直流电压档测量该电源输入端子的直流电压是否正常，正常电压范围 10－15 伏。如果为 0，可判断故障出现在电源部件，按照 4.4 的有关步骤检查电源系统。
　　2、检查数据采集器。关闭数据采集器上的电源开关，将数据采集器上的接线端子除电源外全部拔下，然后打开电源开关，检查数据采集器是否恢复正常。如不正常，则可判断数据采集器故障，更换。
　　3、其他部件损坏如果电压不正常，可以从数据采集器的接口板上，将各传感器端子、通讯电缆端子等接线端子逐个拔下，使用万用表监视直流电源电压，看电压是否恢复正常，如果恢复正常，则最近被拔下的外部部件（传感器等）损坏，需更换。
　　5.3 传感器故障检查（带电测量）
　　1、在采集器上找到相应的传感器，将传感器接线端子中的+脚与-脚自采集器接线端子上拧下。
　　2、用万用表 DC电压 2V 档测量电缆接线端子+脚与-脚之间电压应在 0－1.2 伏之间，根据环境判定传感器是否正常。
　　3、检查传感器接线端子是否松脱。
　　4、如果传感器故障，更换传感器。
　　5.4 供电系统故障现象：终端业务软件显示电源电压过低，低于 9V 或数据采集器无电压。
　　检查及处理步骤：
　　1、检查空气开关。数据采集器的交流空气开关是否闭合，如闭合，请打开。
　　2、检查交流输入。数据采集器的交流输入电缆是否连接正常。如连接正常，可使用万用表交流档或电笔测量是否有交流输入。
　　3、检查电源变换器。如交流输入正常，请将蓄电池正负极的接线叉子取下，然后使用万用表直流电压档测量数据采集器的直流输入端电压，是否正常。如果无电压输出，则可判断电源变化器故障，更换。
　　4、检查蓄电池。将蓄电池正负极的接线叉子取下，然后使用万用表直流电压档测量蓄电池两端的直流电压，是否正常（10V 以上）。如果电压偏小，连接蓄电池正负极的接线叉子，使用电源变换器充电，充电 10 小时以上，断开空气开关，使用蓄电池为数据采集器供电，测量蓄电池正负极的电压是否正常。如果电压低于10V，则可判断蓄电池故障，更换。
　　5、检查各传感器。使用万用表直流电压档测量数据采集器直流输入端的直流电压。
　　如电压异常，可将数据采集器上的传感器接线端子全部拔下，继续测量。如电压正常，则可判断有传感器故障。将传感器的接线端子逐个插入数据采集器，当电压出现异常时，则可判断该传感器故障，更换。
　　5.5 GPRS �？楣收�
　　1、现象：单一台站网络状态为断开，接收不到数据。
　　维修：首先，检查该台站是否欠费。然后查询该台站所在地区移动公司信号是否正常。最后到现场检查无线传输�？橹甘镜啤�
　　如果为常亮红灯，则表明无线传输模块工作正常，可能为子站的仪器故障。
　　如果为绿灯，并闪烁，则表明无线传输�？檎谘罢彝纾赡苁俏尴咄缧藕挪缓�，简单办法是使用手机放在天线处检查一下，或者将天线换个位置，再重新带电。
　　如果指示灯不亮，检查无线传输�？榈氖淙氲缭词欠裾！５缭炊俗游蹇资�，孔内为电源正端，孔外为电源负端。如果电源正常，则可能是无线传输�？楣收�，需要更换模块。
　　特别注意：更换新的�？槭保欢ㄒ褂迷茨？槟诘氖只�，该手机卡的 SIM 卡号码用于外站的身份识别，如果更换的手机卡，要将更改后的手机卡的 SIM 卡号码通知中心站管理员，由管理员设置，这样该台站才能正常传输数据。
　　2、故障现象：所有台站网络状态为断开，接收不到数据。
　　维修：问题可能出在中心站。首先，检查软件是否正常，可以重新启动中心站软件。然后，检查移动专线是否接插正常。最后，查询移动公司，是否欠费或其他原因。
　　5.6 雷击、短路等特大故障如出现雷击、短路等特大故障，可明显观察到器件有损坏或电击损毁，请及时与厂家联系，由厂家派人现场解决。
　　6 结论与讨论
　　目前广大台站普遍采用土钻烘干法，此测定方法比较简单，缺点是测定时间长、劳动强度大、破坏性大，且不能定点观测土壤水分的连续变化，再者，测墒地段多与作物观测地段合二为一，其资料并不能真实反映一个地区自然状态下的土壤水分状况。显然，这种方法已经不能适应国民经济建设和当前气象改革发展的需求。自动化程度高的 DZN1 自动土壤水分观测仪，正是为满足生态环境监测和气象业务发展的需求而研发的。
　　农业气象自动站，是中国气象局大气监测自动化系统项目的一期工程，解决好当前存在的问题，认真对待，仔细评估，积累经验，必能使农业气象自动站很快走上健康、稳定的发展之路。DZN1 自动土壤水分观测仪出现的故障，有些是台站业务人员可以解决的，有些需要请技术专业人员进行解决，但不管出现任何故障，台站人员首先应对故障现象进行分析，逐步检查，准确判断故障部位，用合理的方法排除故障，不能一出现设备故障，就请上级专业技术人员，而不敢自己动手检查、分析原因、排除故障。如果真的无法判断和排除故障，再请专业技术人员的帮助，这种方法不仅适用于自动土壤水分采集系统，也同样适用于其他采集系统。这样台站业务人员才能不断总结经验，提高自己的技术水平。