地温测定装置调试与分析——以黑龙江大学试验场5 m地温链为例

王 帝,戴长雷,李鸿辉,于 淼,谢世尧

(1.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江大学中俄寒区水文和水利工程联合实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

地温计是测量土壤温度的专用仪表，广泛使用于农业科研、实验基地、高校实验室等工作场所。但地温计设置的锥形探头仅可插入地表以下300 mm深度处。而测量高寒区地温时，极限冻深可达2 m左右，所以为了准确测量高寒区最大冻深的年变化范围，5 m地温链装置是一个较好的选择。该装置测点数量多、配置多样、功能扩展灵活，每条地温链长5 m，内含上密下疏不均匀分布的21个测温探头，可动态监测地下温度的变化，并根据不同地点的温度变化过程分析其相应地址构造的温度变化及不同土质对温度的感应程度。

1 地温链装置的安置要求及选址

地温链装置首要的安装要求是可以适应寒冷环境，以保证测得高寒区地下5 m范围内的地温数据。装置地表上的设施包括采集箱和供电装置两部分，为了避免装置人为破坏，需尽量避开大量人员活动的地区、农作物耕种地区、公路、铁路等基础设施等，防止地温链装置线路被破坏，从而导致无法正常工作。在钻孔过程中可能遇到地层中含有坚硬岩石的土层，导致无法完成钻孔，因此应选择土质较为松软能够完成地下5 m钻孔的位置进行钻孔并布设测温电缆。

地温链装置的供电方式为蓄电池和太阳能电池板联合供电，须选择光照条件较好地点以使太阳能电池板不被楼房、树木遮挡，保证供电稳定，以使地温链装置正常工作。地温链装置需要通过传输装置将测得数据发送出来，要保证装置天线不会被雨雪大风干扰、破坏，同时要选择信号良好的位置，以使数据能够顺利发送。装置外壳具备防雨防寒功能，使装置能够不被雨雪干扰、不被腐蚀，能够正常接收、发送数据。

经综合评价后，装置的安装地址选在黑龙江省哈尔滨市南岗区黑龙江大学禹志园水利电力学院试验场内，土地较为平坦，无坚硬岩石土层，土质较为松软，可以进行地下5 m以上的钻孔，能够正常完成测温电缆的布设；同时试验场内人员活动较少，可以较好的避免人为活动干扰地温链装置运行。

2 地温链装置的安装

2.1 钻孔并埋设测温电缆

由于供电方式为太阳能电池板与蓄电池联合供电，所以装置需安装在光照充足且无高大建筑物遮挡的位置，而钻孔位置则需要在机箱附近选择，太阳能电池板与机箱间的距离及机箱与钻空间的距离过长，易使其间的连接线破损，造成机箱无法正常收发数据。在机箱3 m处选择了间距为1 m的3个呈直线分布的测温孔，做好标记并钻孔。

在选定地点内向地下钻5.5 m的钻孔(预留塌孔深度0.5 m)，保证测温电缆能够正常测量地下5 m范围内的地温。为了保证测量数据的真实性、可靠性并尽可能地减小误差，保证测温电缆能够正常测量，本设计将采用由套住钢管、PVC管和裸露的3根测温电缆分别测量地下5 m内各点的地温，通过这几种方式，在保持测温电缆正常工作的同时，测得数据并分析其造成的影响，得到较为准确的数据。

2.2 安装采集箱与供电设施

在埋设机箱之前，先挖出底座大小的坑，将底座埋入地下固定机箱，保证机箱完全固定在地上。同时机箱底部距离地面要留有20 cm高度，方便将三条测温电缆、采集仪接地线、天线和太阳能电池板接入机箱内部。确定好距离后填土埋实，机箱外壳安装完毕。

打开机箱外壳，将MRDT605智能地温数据采集仪安装到机箱外壳内部，并将三条测温电缆浅埋到地下，防止裸露在地表部分被破坏，将测温电缆引到机箱外壳下面，通过接线口连接到地温数据采集仪。

打开太阳能板接线端，蓝色接正极，绿色接负极。将太阳能电池板连接线沿支架固定，将线埋入地下连接到机箱，通过接线口连接到太阳能板控制器上，太阳能板控制器的3个插头分别为太阳能板、蓄电池和机箱，对应相应图标分辨如图1。

图1 太阳能板接线端和太阳能板控制器

3 地温链装置调试与潜在误差分析

3.1 采集仪的设置与调试

3.1.1 采集软件的安装

打开仪器附带光盘，将 MRDT605目录拷贝到硬盘，同时在桌面创建一个快捷方式，进入MRDT605目录下，双击“MRDT605组件注册”目录下的“组件注册器.cmd”将软件运行时必须使用的库文件copy并注册到 Windows系统，否则软件启动时会出现错误警告窗口。

双击MRDT605目录下“MRDT605数据采集软件.exe”，启动MRDT605 数据采集软件，软件启动后界面如图2所示，软件启动后自动进入远程接收状态，同时在界面左下角显示当前使用的本机COM串口编号。

3.1.2 采集仪的设置

首先将机箱上的九针串口(COM口)与电脑连接，接下来启动计算机，打开机箱电源，按下机箱设置按钮开启将整个采集仪系统电源，机箱电源指示灯亮起，系统供电正常，开始正常工作。

COM口是在 MRDT605的前面板上的九芯D型头插座(插孔式)用于本地数据采集、数据下载和采集箱参数设置等，如图3所示。

线路连接成功后，打开“H71184G GPRS配置工具”，显示如图4所示参数，修改DTU身份识别码为本机箱SIM卡号码，设置DSC的域名1为HLJDX.noip.cn，其余不做修改，完成后点击“设置参数”，写入GPRS模块成功后，点击“获取参数”看修改的参数是否正常写入，修改成功后即可。

图2 MRDT605数据采集软件主界面

图3 机箱面板

图4 修改DTU身份识别码和DSC域名

设置串口信息，如图5所示，点击“通讯管理”→“设置通讯端口”，选择正确的端口号来保证正常的通讯，否则会出现通讯故障。电脑原生的 RS-232接口通常为COM1。 在界面左下角显示当前正在使用的本机COM串口编号点击“COM”图标选择本地通讯，点击“GPS”图标选择远程通讯。“远程服务端口设置”缺省为 5002，与远程通讯模块相对应，不能修改，否则在远程通讯方式时会接收不到上传的数据。

图5 设置串口信息

点击菜单栏“系统设置”→“系统参数配置”，进入采集仪参数设置界面，将采集箱设置为允许，否则将影响采集进度。

主控箱内置的定时器可使用“MRDT605 智能数据采集软件”集成的采集时间管理程序进行设置。先关闭“电源开关”，按下“主控箱”面板上的“设置”按键，再开启“电源开关”，这时“电源指示”和“设置指示”亮。点击软件“采集时间管理”→“设置采集时间”进入采集时间设置界面，如图6所示。

图6 定时器参数数据

点击“本地”、“指定开启日期”、日期全选，设置定时器开机时间每次工作时长为15 min，最后点击设置，刷新定时器时钟设置，对比与本地时间差异，差异较小即可。

点击“采集仪参数配置”中“传感器参数配置”，如图7所示。读取当前采集箱参数，设置采集箱编号(8位)，断面号(4位)。如图8所示。设置当前采集箱参数。至此，采集仪设置与调试完成。

3.2 数据采集分析

3.2.1 数据采集

采集仪正常运行后，需定期采集数据，用以确认仪器正常运转，仪器每3 h收集一次数据，收集时间分别为0:00、3:00、6:00、9:00、12:00、15:00、18:00、21:00，在进行数据采集时尽量避免在仪器收集数据的时间操作。

为了防止数据漏接，本装置还设有本地数据采集系统。本地数据传输的过程为：首先关闭采集仪电源，将机箱COM口与电脑连接，按下设置按钮，等待10 s，开启电源，在电脑上打开MRDT605数据采集软件，点击通讯管理，选择本地通讯，下载采集仪数据，点击开始下载。随后选择下载地址(为方便寻找，可在桌面上创建单独文件夹)，点击下载即可。

图7 传感器参数配置

图8 采集箱编号、断面号

下载完成后点击计算下载的数据，选择刚下载的文件进行计算，计算完成后得到计算结果，最后关闭开关，弹起设置按钮，断开COM口，等待1 min后，打开机箱开关，数据采集结束。

3.2.2 数据分析

在测得数据中，一号测温探头在2018年12月21日测得的八组数据中存在异常，异常的数据如表1所示，对异常数据进行分析。

表1为2018年12月21日测点1温度数据，经过分析0:00、3:00、6:00、9:00测得的4组数据中21个测温探头分别测得的数据误差均在正常范围内，而12：00、15：00、18：00、21：00测得的4组数据中，1～19号测温探头测得的数据误差在正常范围内，20号、21号测温探头测得的数据存在异常，误差较大。

4组数据中20号、21号测温探头存在较大误差的原因有可能是以下几种：(1)20号、21号测温探头故障，无法正常工作。(2)20号、21号测温探头连接故障。(3)测温电缆线路内部故障，导致两个探头测得的数据异常。(4)测温电缆与机箱连接松动。(5)采集仪内部出现故障。

表1 2018年12月21日测点1温度数据 ℃

经初步分析故障后，在机箱安装处实地排查，最终确定原因是测温电缆与机箱接触不良，导致数据异常。经修整后成功排除问题，20号、21号测温探头恢复正常工作。

采集数据的VOLT0003测点为采集箱的电源电压，若低于 11.00 V，需要及时充电或更换蓄电池，否则将影响装置正常工作， 2018年12月26—27日采集箱电源电源如表2所示，经分析采集仪工作期间电源电压均高于11.00 V。

3.2.3 误差分析

经过对测得数据进行分析，出现误差的原因可能有以下几种。

(1)埋在地下的测温探头通过NTC/PTC热敏电阻温度传感器测量地温，电阻的测量精度为±0.1%，电阻分辨率为：0.1 Ω，在测量精度上不能达到百分之百的准确，因此测温探头测量时会产生一定的误差。

表2 2018年12月26—27日采集箱电源电压 V

(2)地温装置中导出的数据需要经数据采集软件进行计算，从而得出温度数据，在计算的过程中会产生相对的计算误差。

(3)在经过数据采集软件进行计算而得到的数据中，取值只取小数点后两位，而从软件中导出的数据却有7位小数，因此在取值过程中会产生一定的取值误差。

(4)仪器正常工作运行中主要依靠蓄电池供电，蓄电池则需太阳能电池板充电，太阳能电池板可能由于天气原因导致表面落有积雪、灰尘、落叶等，严重影响太阳能电池板为蓄电池供电，从而导致蓄电池电压低于11.00 V影响仪器采集数据，导致在数据采集中出现误差，所以在仪器正常运行后需要定期检查、清理太阳能电池板表面。

4 结 论

(1)在安装过程中点需注意的有：测温电缆与机箱连接线和太阳能电池板与机箱连接线需埋设到地表以下，不能裸露在地面上，以防人为因素、自然因素造成破损；太阳能电池板在安放时需选择光照条件良好、附近无高大建筑遮挡的位置，并且要定期清理太阳能电池板上可能存在的积雪、落叶等；仪器安装完毕后，需检查线路连接是否牢靠，确保仪器能够正常收发数据。

(2)在调试的过程中需注意的是：在现场调试之前要先按下设置按钮，再打开仪器开关，现场调试之后须弹起设置按钮，关闭电源开关等待1 min再打开，这样采集仪的定时启停工作才会由定时器按照设定的时间程序进行。

(3)将装置成功安装调试完成后，用如下方法对采集的数据进行分析判断是否准确：电阻采集的数据出现-11.1 Ω或-1.1 Ω表示无穷大，证明该测点线缆断开，数据不准确；采集数据的最后测点是采集箱的电源电压，确保电源电压一直高于11.00 V，否则数据将不准确；最后，对计算所得温度数据分析，无异常则数据较为准确。