【DZN-1自动土壤水分观测仪的组成及故障分析】土壤水分的组成

　　摘要介绍了DZN-1自动土壤水分观测仪系统组成，针对自动土壤水分观测仪出现的一次故障，进行了故障分析与排除，以期为类似故障的检查和排除提供借鉴。 　　关键词DZN-1自动土壤水分观测仪；组成；故障分析
　　中图分类号S152.7；TP274.2文献标识码B文章编号 1007-5739（2011）03-0315-01
　　
　　CompositionandFailureAnalysisofDZN-1AutomaticMeterSoilMoistureObservation
　　SUN Qing-ran 1GUO Xiao-xia 1WANG Shao-mei 2YAN Rui-hua 2CHEN Guang-rui 2
　　（1 Liaocheng Meteorological Bureau in Shandong Province，Liaocheng Shandong 252060； 2 Guanxian Meteorological Bureau）
　　AbstractSystem components of DZN-1 automatic soil moisture observation instrument were introduced. Aimed at a failure occurs of automatic soil moisture observation，failure analysis and trouble-shooting were carried out，so as to provide some reference for similar failure checking and elimination.
　　Key wordsDZN-1 automatic soil moisture observation；composition；failure analysis
　　
　　土壤水分贮存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。掌握土壤水分变化规律，对农业生产、土壤墒情监测、预测和其他相关生态环境监测预测服务及理论都具有重要意义[1]。根据中国气象局《农业气象观测规范》[2]要求，我国气象台站普遍使用称重法观测土壤水分的方法，需要钻土取样、称盒与湿土共重、烘烤土样、称盒与干土共重、计算土壤含水率等，程序复杂繁琐，无法快速取得测量数据而影响到高时空密度的测量。
　　根据山东省气象局自动土壤水分观测网2009年建设方案，聊城市气象局在7个县级台站的作物地段都安装了DZN-1自动土壤水分观测仪，大大提高了聊城市农业气象观测自动化水平，有效提高土壤墒情监测资料的时效性，能够及时了解土壤水分的连续变化状况，实时监控农田干旱程度，实时掌握当前土壤墒情是否能够满足农作物正常生长的需求；为合理安排灌溉量、及时制定防旱抗旱措施提供科学依据，从而为市政府调整农业种植结构、有效利用水资源和发展特色优势产业提供参考。
　　1系统组成
　　聊城局采用的上海长望气象科技有限公司生产的DZN-1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。该系统由土壤水分传感器、数据采集器、无线传输模块和太阳能供电系统4个部分组成，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。
　　（1）土壤水分传感器。DZN-1自动土壤水分观测仪采用的是SWS-406土壤水分传感器，可直接测量土壤体积含水量。SWS-406土壤水分传感器使用频域反射技术，可长期埋设在地下任意深度连续测量。土壤水分传感器由高频发射器、接收器，微处理、探针等组成。工作原理是：采用FDR原理测量土壤介电常数，土壤中水分含量变化导致介电常数变化，利用土壤体积含水率与介电常数之间存在的函数关系计算出土壤体积含水率。
　　（2）数据采集器。DZN-1自动土壤水分观测仪采用MDT-30气象数据采集器，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[3]。内有标准CF卡，可以存储60 d的整点测量数据和平均数据。
　　（3）太阳能供电系统。DZN-1自动土壤水分观测仪太阳能供电系统由太阳能电池、太阳能充电控制器、12V17AH免维护铅酸蓄电池组成。其可以保证在连续阴天没有太阳的情况下，数据采集器正常工作5～7 d。太阳能供电系统主要工作方式：当有太阳能供电时，由充电控制器为系统供电，并为12V17AH免维护铅酸蓄电池充电；当没有太阳能供电时，由12V17AH免维护铅酸蓄电池为系统供电，当太阳能恢复供电时，充电控制器为12V17AH免维护铅酸蓄电池充电，直至充满。
　　（4）无线传输模块。GPRS无线传输模块是数据传输的主要部件，使用前需要设置好GPRS模块参数，如中心站IP地址、端口号、心跳频率等参数；然后该模块可以自动与中心站计算机进行网络连接，并能够将数据传输到设置中心站计算机。
　　2故障诊断和排除流程
　　自2010年5月16日11：00开始，连续多个时次，有1个自动土壤水分观测仪0～10 cm、20～30 cm、40～50 cm、70～80 cm、90～100 cm体积含水率为0，而10～20 cm、30～40 cm、50～60 cm体积含水率分别为8.3%、9.4%、5.2%，数据较正常时偏小。
　　（1）首先检查自动土壤水分观测仪的外观[4]。经检查外观正常，没有损伤；然后打开数据采集箱，数据采集器、GPRS无线传输模块、太阳能充电控制器、12V17AH免维护（下转第325页）
　　（上接第315页）
　　铅酸蓄电池完好无损，仔细检查电缆与传感器及采集器连接没有有松动现象，电缆没有损伤，说明设备没有受到物理损坏。
　　（2）查看太阳能电池板。太阳能电池板表面清洁，周围无障碍物遮挡阳光；使用万用表直流电压档分别测量太阳能电池板输出电压、太阳能充电控制器输出电压和12V17AH免维护铅酸蓄电池电压，电压分别为15.0、13.7、13.7 V，都在12～15 V正常范围内。可以排除太阳能供电系统故障。
　　（3）检查GPRS无线传输模块。常亮红灯，则表明无线传输模块工作正常，并且设在山东省气象局的中心站能够收到数据，这些都证明无线传输模块运行正常，可以排除GPRS无线传输模块和手机卡出现故障的可能性。
　　（4）检查8个土壤水分传感器。由于土壤水分传感器已经深埋在地下，不方便取出，因此利用测量数据采集器CH0-CH7通道接线端子“+”脚与“-”脚之间电压的方法检查。使用万用表直流电压2 V档测量每个通道接线端子“+”脚与“-”脚之间电压，都在0～1.2 V正常范围内，但0～10 cm、20～30 cm、40～50 cm、70～80 cm、90～100 cm土壤水分传感器的电压一直为0 V，这初步说明土壤水分传感器可能存在故障。
　　（5）再检查数据采集器指示灯显示情况。数据采集器输入电源灯P红色常亮，表示电源输入正常；数据采集器控制的传感器供电电源输出指示灯CP每到47 s就亮，表示给传感器供电正常。通过数据采集器上的显示器检查采集器时间正是维修时间，也没有问题。但数据采集器的显示器上依次察看8层土壤体积含水率的测量数据，发现0～10 cm、20～30 cm、40～50 cm、70～80 cm、90～100 cm体积含水率均为0，而10～20 cm、30～40 cm、50～60 cm体积含水率分别为8.3%、9.4%、5.2%。
　　（6）关闭数据采集器开关，1～2 min后，对连接CH1通道的0～10 cm土壤水分传感器和连接CH2通道的10～20 cm土壤水分传感器进行对换，这样CH1通道对应的第1层次实际接的是10～20 cm土壤水分传感器；CH2通道对应的第2层次实际接的是0～10 cm土壤水分传感器；然后打开数据采集器开关，理论上这时数据采集器第1层次土壤体积含水率应为8.3%，第2层次土壤体积含水率为0，但通过数据采集器的显示器上察看这2层土壤体积含水率的测量数据却发现，第1层次土壤体积含水率还是0，第2层次土壤体积含水率为8.3%。根据这个矛盾现象，可以初步确认是数据采集器出现故障，为进一步确认故障，关闭数据采集器开关，将所有的土壤水分传感器全部取下，然后开机，通过数据采集器的显示器上依次检查察看8层土壤体积含水率的测量数据，因缺少土壤水分传感器，这时所有层次土壤体积含水率都应为0，但结果却是0～10 cm、20～30 cm、40～50 cm、70～80 cm、90～100 cm体积含水率为0，而10～20 cm、30～40 cm、50～60 cm体积含水率分别为8.3%、9.4%、5.2%，与接8个土壤水分传感器时相同，由此基本可以确定数据采集器出现故障。
　　（7）因没有备件，立即与厂家联系，等厂家寄来新数据采集器，5月20日16：00更换采集器后，数据上传即恢复正常。
　　诊断结果：5月16日冠县出现阵雨天气，伴有雷电，因自动土壤水分观测仪建在空旷的大田里，周围没有高大的建筑物，可能因雷电产生的电磁感应使数据采集器受损，导致上述故障。
　　3结语
　　当自动土壤水分观测仪出现故障时，很多小故障可以通过重启设备、更换电池等解决，有些需要由专业技术人员解决。但不管出现任何故障，台站农气观测员首先可以参照故障诊断和排除流程，分析判断故障部位，用合理的方法排除故障。如果确实无法判断和排除故障，再请厂家技术人员帮助。自动土壤水分观测仪维修维护的过程中，台站农气观测员要多动手、多动脑，在实际操作中不断总结、积累经验，不断提高解决和处理自动土壤水分观测仪故障的能力。
　　4参考文献
　　[1] 张得香，尕才.ZQZ-DSI自动土壤水分采集系统的一次故障诊断与排除[J].青海气象，2009（1）：62-63.
　　[2] 黄建，成秀虎.农业气象观测规范[M].北京：气象出版社，1993.
　　[3] 胡伟，胡新华，童军.自动土壤水分观测站网构建及数据传输[J].农业网络信息，2010（5）：72-74.
　　[4] 成兆金.莒县自动土壤水分数据采集系统几次故障处理及分析[J].现代农业科技，2006（3）：90-91.