DZN3 型自动土壤水分观测仪典型故障处理及日常维护

2021-03-31周子强杨红超刘海鑫

农业与技术 2021年5期

周子强杨红超刘海鑫

(黑龙江省抚远市气象局，黑龙江抚远 156500)

引言

土壤水分是指保持在土壤孔隙中的水分,是以固态、液态、气态存在于土壤中,土壤水分主要来源于降水、地下水、作物灌溉水及凝结水。土壤水分状况是水分在土壤中的移动、各层中数量的变化以及土壤和其它自然体间的水分交换现象的总称。定期对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,对农业生产服务有重大指导意义。DZN3 型自动土壤水分观测仪采用先进的频域反射技术,能够准确测量多深度土壤体积含水率,能够自动完成土壤体积含水量的数据采集、处理、存贮、传输等工作。本文就DZN3 土壤水分观测仪在日常业务工作运行过程中易出现的故障和日常维护工作,谈一下具体解决故障思路和方法及日常维护。

1 DZN3 型自动土壤水分观测仪的组成、工作原理、工作流程

DZN3 型自动土壤水分观测仪基于现代测量技术构建,由硬件和软件组成。硬件部分主要由传感器、采集器,通讯模块、充电保护器、串口转换器等构成(见图1)；软件为农业气象业务软件。DZN3 自动土壤水分观测仪能够实现快速、准确地在同一观测土壤湿度地段进行不同深度土壤湿度自动观测,获取具有代表性、准确性、比较性的土壤水分连续观测资料,减少了人工测量土壤湿度的工作量,提高了工作效率。

DZN3 型自动土壤水分观测仪是基于一种频域反射法测量技术原理 (Frequency Domain Reflection,FDR) 来测量土壤体积含水量的自动化土壤水分观测仪器,采用频域反射方法进行土壤水分测量,是一种现代化先进的观测方法,对比其它观测土壤湿度方法具有很多优势性。利用频域测报技术测量土壤水分无化学品,无放射性；传感器测量深度可以进行灵活调整,传感器配置灵活,测量准确度高,性能稳定；安装时不破坏原有土壤结构,操作十分简便,可靠性较高,同时其模块体结构便于安装、维护和维修。频域反射法测量土壤湿度的工作原理,由传感器发出100MHz 的信号,传感器电容(压) 与被测层次土壤介电常数构成函数关系。当传感器2 个电极之间加上电压时,振荡回路产生频率信号,频率的大小随土壤介电常数而改变,测量时传感器给出的电容(压) 值也随之变化,这种变化量被CPU 实时控制的数据采集器所采集,经过线性化和定量化处理,得出土壤水分观测值(土壤体积含水量),并按一定的格式存储在采集器中。频域反射法又分为电容法和驻波率法,DZN3 型自动土壤水分观测仪采用的是电容法,土壤水分观测仪传感器又分为插管式和探针式2 种传感器,DZN3 型土壤水分观测仪采用的是插管式传感器,可用于实时观测土壤体积含水量的变化,插管式传感器内部由一个单杆和8 个传感器构成,在农业气象观测工作中主要观测0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm、70～80cm、90～100cm8 个深度的土壤体积含水量,同时可根据观测需求进行深度的调整。

DZN3 型自动土壤水分观测仪测试工作流程原理:供电系统采用太阳能的供电方式,通过传感器采集到土壤体积含水率传输到采集器,采集器将采集到土壤含水数据由通讯模块用GPRS 无线传输方式传输到接收服务器中,服务器经过数据处理将获得采集数据发布在内部业务平台上。具体流程见图2。

2 DZN3 型土壤水分观测仪典型故障分析与排除方法

根据DZN3 型土壤水分观测仪组成结构特点,结合日常自动站运行工作中易发生故障,将故障分为3类:供电系统故障,通讯系统故障,传感器故障。现针对各类故障分析故障处理方法。

2.1 供电系统故障

由于土壤水分观测仪一般都安装在地土壤类型、地貌、地质条件的农田区域代表性地段,因此一般采用太阳能的供电方式,供电系统主要由太阳能板、充电控制保护器、蓄电池等组成。主要工作原理是,当有太阳有效光照时,由充电控制保护器为土壤水分观测仪供电,同时给蓄电池充电,当夜间或多云天气无有效太阳光照时,由蓄电池为土壤水分观测仪供电,蓄电池单独供电时间大约为7d。由于太阳能供电方式极易受到天气条件和自然环境影响,导致土壤湿度数据采集不上来或数据传输率成功率低的现象发生,供电系统发生故障的时候,需对太阳能板、蓄电池、太阳能充电控制保护器等进行检查,具体检查流程如下:对充电控制保护器模块上太阳能板输入端子进行检查(晴天进行),用万用表20V 电压档检查输入端子电压值是否大于12V,如果低于12V 就说明太阳能板有问题,更换太阳能板；检查蓄电池是否馈电,用观察充电保护器电源指示灯的方法,一般正常情况下亮绿灯,馈电的时候亮红灯闪烁,蓄电池使用寿命是2～3a,由于北方冬季寒冷,更易缩短电池的正常使用时间,如果在充电保护器显示满电的情况下,运行时间短就馈电,说明蓄电池使用寿命到期了,更换耐低温蓄电池。

2.2 通讯系统故障

通讯系统故障是土壤水分观测仪最为常见、发生率最高的故障,其故障现象多为上传数据报文发送不到数据接收中心或缺报率较高,排查通讯故障十分复杂,本着由简到繁的原则逐步排查。

2.2.1 检查土壤水分测试仪通讯模块SIM 卡是否损坏

土壤水分观测仪上传土湿数据采用无线网络方式上传数据,通信模块中SIM 卡采用移动网络数据流量的方式发送数据,可以通过拔打SIM 卡号通过中国移动客服语音提示来判断其工作状态。语音提示“你呼叫的用户已欠费停机,应立即补缴话费,恢复SIM 卡正常工作。如没欠费,测试SIM 卡是否损坏,将通讯模块中SIM 卡取出放到手机中,观察是SIM 卡能否访问移动互联网及信号强度大小,如不能正常访问互联网,说明SIM 卡损坏,应尽快到移动运营大厅更换新SIM 卡。

2.2.2 检查宏电通讯模块工作状态

宏电通讯模块有3 个状态指导灯分别是PWR 灯(电源指示灯)、DATA 灯(数据传输指示灯)、NET灯(网络指示灯),可以通过观察3 个状态指示灯判断通讯故障,通讯模块正常工作状态下PWR 电源灯常亮或闪亮、DATA 数据灯闪亮表示数据通讯、NET网络灯常亮表示入网。

WR 电源指导灯不亮,请检查电源连接线是否牢固连接,同时对充电控制保护器、蓄电池、太阳能板进行检查查看供电系统是否存在故障。

NET 网络状态指示灯不常亮,网络指示灯正常工作状态下登录网络后才常亮,如果NET 灯显示不正常(灯较快速闪烁),请确认土壤水分观测仪所在的移动数据网络覆盖情况和信号强度。同时请检查SIM是否正确安装或损坏。

数据指示灯(DATA) 不亮,数据指示灯只有发送土壤水分数据时才闪亮,如长时间不亮,可能出现通讯模块或采集器出现死机现象,这里需要将供电模块和采集器断电并重新供电。

检查宏电通讯模块通讯天线是否损坏,如损坏更换新天线。由于电压不稳定,极易造成通讯模块参数的初始化,用调试线连接笔记本电脑检查宏电GPRS通讯模块参数是否正确,如不正确按要求进行重新设置。检查宏电通讯模块是否损坏。

2.3 传感器故障

DZN3 型自动土壤水分观测仪有8 个测量不同土层深度含水率的传感器,当传感器发生故障时,会发现某个土层的含水率数据缺测或异常,这时需要对传感器做如下检查:将土壤测湿传感器从套管中取出,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(见图3)；检查传感器电路板连接线是否脱落,如脱落及时维修；经过以上两步检查还没有数据,则表明该层土壤传感器损坏,按要求更换新的土壤传感器。

3 DZN3 型自动土壤水分观测仪的日常维护

定期巡视观测场和仪器设备,进行清除杂草等工作,保持观测环境与周围环境一致。出现沙尘、降雪天气,及时对太阳能板上的积尘和积雪进行清理。每年至少1 次对自动土壤水分观测仪的传感器、采集器和整机进行现场检查、校验。春季对防雷设施进行检查。定期把传感器从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；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,检查、维护的情况应记入值班日志中。对观测数据有影响的还要摘入备注。每3 个月将放置在安装管中的干燥剂取出,用烘箱烘干,并重新放置好。