浅谈DTD1 型冻土自动观测仪原理构造及维护方法

2022-05-18白雪梅

黑龙江气象 2022年1期

邢程 ,李想 ,白雪梅

（1.黑龙江省气象数据中心,黑龙江哈尔滨 150030;2.方正县气象局,黑龙江方正 150800;3.黑龙江省气象台,黑龙江哈尔滨 150030）

1 引言

冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0 ℃或以下而呈冻结的状态。

冻土观测是中国气象局统一布局观测项目，观测内容包括土壤冻结层次和冻结深度。随着DTD1型冻土自动观测仪在全国的普及和使用，观测业务人员的工作重点将随之逐渐转向数据质量控制、观测产品研发和装备保障方面。本文针对DTD1 型冻土自动观测仪工作原理构造及巡检维护方法进行如下解析。

2 DTD1 型冻土自动观测仪工作原理及系统构造

2.1 结构特点

DTD1 型冻土自动观测仪由软件和硬件两部分组成。软件为嵌入式软件，硬件主要由传感器、数据采集器、供电单元和外围设备等组成，可接入综合集成硬件控制器，其硬件结构示意图如图1。

图1 冻土自动观测仪硬件结构示意图

2.2 工作原理

DTD1 型冻土自动观测仪是根据水与冰相变后电阻发生改变的特性，利用水做感应介质，每1 cm设置一个电极，根据每层电极检测信号判别土壤的冻融状态，建立数学模型，计算出土壤冻结层次及其上限和下限深度。具有稳定性强，测量精度高，成本低等特点。目前冻土自动观测主要采用电阻法、电容法和测温法等。

2.3 硬件结构

2.3.1 冻阻式冻土传感器

冻阻式冻土传感器利用水的相态发生改变时体积、电阻等介电常数物理特性随之变化的原理，通过非纯净水做感应质，测量相关物理量得到冻结层次和上下限深度。

2.3.2 数据采集器

DTD1 型冻土自动观测仪数据采集器的硬件部分由嵌入式处理器、数据存储器、通信接口和指示灯电路等多种电路模块组成。数据采集器主要功能是获取传感器的采样数据，对采样数据进行计算处理、质量控制、数据存储、通信传输，并与终端计算机进行交互。

2.3.3 系统电源

DTD1 型冻土自动观测仪的电源系统为交流供电电源系统，由四部分组成，分别是空气开关、防雷器、电源控制器和免维护电池。供电单元的输入为AC220 V，输出电压为DC13.8 V。市电供电时，电源模块负责将交流电转化为DC13.8 V，供DTD1 型冻土自动观测仪工作；蓄电池做为后备电源，当没有外部电源输入时，保证DTD1 型冻土自动观测仪能够连续工作。

2.4 软件结构

软件主要包括数据采集、数据处理、数据存储和数据传输等功能模块。

数据采集模块按规定的采样频率进行采集；数据处理模块负责完成采样算法、数据计算处理和数据质量控制；数据存储模块主要完成数据的存储与管理；数据传输模块实现与终端计算机的通信，并具有数据补传功能。

3 巡检维护方法

在非冻土期间，冻土传感器可断电停用，启用前需检测蓄电池电压。每年入冬前一个月，对传感器进行全面检查与维护。查看外套管中有无积水、杂物；外套管与土壤接触是否紧密；传感器内管、外管的0线与地面是否齐平等。如冻土传感器测量介质为水，需及时检查补充当地自来水（经过滤的河水、井水）。如发现问题，应及时处理。

在冻土期间，需定期查看传感器工作状态灯，以便及时了解掌握设备的运行和通信状态。定期查看设备各连接部分是否损坏或腐蚀，自然条件恶劣地区应缩短查看周期；对损坏或腐蚀的部件应及时进行处理、更换。每周检查供电系统，保证交流电、电源转换控制模块和蓄电池供电电压正常；定期对蓄电池进行充放电。每年雷雨季前对防雷设施进行全面检查，复测接地电阻。当设备故障时，需及时进行维修或更换。在冻阻式传感器补水维护时，应错开正点并避免内管中留有气泡。

补水方法：取出感应器，保持倾斜，使注水筒高于冻土仪，打开上注水孔螺丝，拧下感应器下注水阀保护帽，拧松注水阀，采用滴溜的方法将水注入感应器，观察到上注水孔出水，表示注满。注满后拧紧注水阀，取下连接管，重新拧上注水阀保护冒，拧紧上注水孔螺丝，重新放入外套管。也可以使用自动注水器进行补水。如出现冻土自动观测仪故障、维修和数据处理等情况时需做好备注处理。