DTD2型冻土自动观测仪的工作原理及维护维修

摘 要：分析了DTD2型冻土自动观测仪的系统构造和工作原理，阐述了冻土自动观测仪的安装调试的要求及方法，总结了冻土自动观测仪的维修思路和日常维护方法，为装备保障人员使用和维护设备提供技术指导。

关键词：DTD2；冻土；工作原理；安装调试；维护维修

中图分类号：P642.14 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）11–00-03

冻土是指含有水分的土壤因温度降至0 ℃或0 ℃以下而呈冻结的状态。冻土观测包括冻结层次和冻结深度[1]。DTD2冻土自动观测仪是根据中国气象局综合气象观测系统发展规划，对冻土自动观测的需求进行研发的。冻土仪可以自动完成对冻土层次和深度的观测，可通过有线或无线网络与终端机综合采集系统连接，完成冻土观测任务。冻土的自动观测不仅可以减少人工观测的误差，还将观测频率从1次/d增至1次/min，提升了观测数据的准确性和连续性[2]。

1 DTD2冻土自动观测仪工作原理

DTD2冻土自动观测仪是根据土壤中水分的冻融特性，通过测量水的相态变化导致的电阻、体积等物理特性的变化，得出冻结层次和上下限深度。采集器自动完成观测任务，并将数据以规定的数据格式存储，传送至上位终端机进行处理。这一过程涉及复杂的物理化学交互作用，而DTD2冻土自动观测仪凭借其高度灵敏的传感器网络，能够实时捕捉这些细微变化，确保冻土研究的精度和可靠性[3]。

在实际操作中，DTD2冻土自动观测仪的自动化采集系统扮演着核心角色。它不仅能够自主完成预定的观测任务，还能将收集到的原始数据按照预设的数据格式进行标准化存储，确保数据的完整性和一致性。然后，这些数据会被传输至上位计算机终端，通过专业的数据分析软件进行深度解析和处理，生成直观的图表和报告，帮助科研人员深入理解土壤冻融的动态过程，及其对环境、气候和生态系统的影响。

2 DTD2冻土自动观测仪系统构造

冻土自动观测仪主要由数据采集器、传感器、供电单元、通信单元和外围设备等组成，冻土仪接入综合集成硬件控制器，通过上位机软件显示冻土数据（图1）。

2.1 传感器

冻阻式传感器是冻土自动观测仪的核心部件，其根据水的冻阻特性，利用自然水（液态）与冰（固态）在导电特性上的差异，在内管中装置以1 cm为间隔的标尺电极，保证了分辨力与探测精度要求，消除了人工观测冻土器由于冻涨产生的标尺误差，通过标尺电极将水的冻融状态转化为冻结电信号，经数据处理器调用，采集器完成自动观测任务[4]。

2.2 数据采集器

数据采集器集成在冻土仪内部，是冻土仪的组成部分[5]。采集系统由中央处理器、时钟电路、数据存储设备、接口、控制电路等元素构成。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、数据存储和通信传输，并与上位机进行交互。

2.3 通信单元

冻土自动观测仪通过RS485总线直接与综合集成硬件控制器连接，可将冻土观测数据、设备运行状态等信息传输至上位机软件。

2.4 供电单元

冻土自动观测仪供电单元由蓄电池、电源控制器、空气开关和防雷器组成。蓄电池，用于储蓄电能，可保证在交流停电时，继续维持自动站系统的正常工作。电源控制器将交流输入转化为直流输出，同时为电池充电，充电过程中具备控制功能，避免发生过充与过放的现象。

2.5 软件层面

数据采集器配备了先进的算法集，涵盖数据采集、处理、存储及传输四大核心功能。其中，数据采集模块依据预先设定的频率精准捕捉信息；数据处理模块负责使用复杂算法，完成数据清洗与初步分析；数据存储模块则管理海量数据的有序保存；数据传输模块则确保与中心节点的可靠通信，即使在网络不稳定时也能实现数据的发送，提升了系统的整体性和实用性。

3 DTD2冻土自动观测仪的安装与调试

3.1 安装

设备在观测场地的确切布局，应严格参照《地面气象自动观测规范》（GB/T 35237—2017）和《地面气象观测场规范化建设图册》中的指导原则，确保达到ISO 9001质量管理体系的内外部审核标准。仪器的安装应置于观测场地的东南方位，具体位于深层地温传感器南侧50 cm处，与之平行排列，以便数据的同步收集和对比分析。冻土自动观测仪外套管的设置则需采取钻孔工艺，确保其外壁与周围土壤紧密贴合，形成良好的热传导界面。传感器测量单元上的0 cm标记必须与外套管的起始刻度和地面水平面精确对齐，以防自然环境因素引起的位移偏差。

数据采集器的机箱则应安置在主站地温分采机箱以东60 cm的位置，两者东西方向上呈直线排列，以优化空间利用并便于日常维护。至于传感器型号的选择，应基于各气象站点历史观测数据中记录的最大冻土深度决定，必要时采用分段式安装，以适应不同深度的冻土层。

按照预定的分段安装策略，整个冻土深度被划分为3个不同的区间，分别是0～150、150～300、300～450 cm。

每段的划分都以150 cm为基准，确保覆盖所有预期的冻土深度范围。最终，第三段的安装将在前两段的基础上进行，具体位置设在320 cm地温传感器的南侧。这一阶段将安装长度覆盖300～450 cm的外套管，并配备对应深度的传感器，确保整个深度范围内的冻土状态都能被准确捕捉。这种分段式的安装方法，不仅便于管理和维护，还能确保数据的连续性和完整性。每个阶段的安装位置和流程都经过精心规划（图2），清晰地展示整个安装布局的细节，为后续的监测工作奠定坚实的基础。利用这种方式，可以更有效地监控不同深度的冻土状态，为研究和预测提供宝贵的数据资源。

3.1.1 冻土自动观测仪注水

拧开溢水孔表面螺丝，保持传感器内部与大气连通，拧开传感器下端白色的注水阀保护帽，露出并拧掉注水阀，将传感器竖立后排空传感器内的存水，若存水能够代表当地水体则只需加注。

将注水筒与水管连接后，在筒内灌入代表当地水体的水或当地自来水，打开水管的开关，让水流出直至管内不再有气泡。将传感器倾斜放置，拧上注水阀（不完全拧紧）防止注入的水流出。抬高注水筒使其高于溢水孔，采用滴漏的方法将水注入传感器，直至溢水孔出水，表示注满。

注满后拧紧注水阀，取下连接管，拧上注水阀保护帽，拧紧溢水孔螺丝后回拧（逆时针）2～3圈，排出传感器内残留气泡。将传感器放入外套管内，一般注水后应静置2 h以上再正式开始观测，以消除气泡的影响。

3.1.2 连接电源和信号线路

冻土自动观测仪的信号及直流供电采用1条六芯线缆，接入防雷板1～6通道。冻土分采RS485数据线（二芯），另一端接入综合集成硬件控制器。

3.2 调试

冻土自动观测仪初次安装完毕后，需要对系统中相关节点进行设置，方能实现冻土仪与业务软件之间数据的正常传输。

冻土仪的通信方式为RS485，波特率9600，数据位8，停止位1，无奇偶校验。使用时需要选择冻土自动观测仪接入硬件控制器接口所对应的串口号，再设置以上参数，即可实现冻土自动观测仪的接入。在冻土自动观测仪与软件通信正常后，可以通过命令“READATA”读取冻土自动观测仪的观测数据。

3.2.1 自动观测数据格式

DTD2型冻土自动观测仪的数据采集机制遵循严格的规程，确保了信息的准确性和连贯性。该仪器的采样频率设定为1 min/次，收集到的数据被整合并保存于标准冻土数据文档内。同时，可通过特定通信指令“READDATA”即时访问现场监测结果。整个数据记录格式由五个部分构建，每个部分承载着不同的信息，共同构成了一幅完整的观测图景。

数据帧的结构设计确保了DTD2型冻土自动观测仪监测数据的精确传输。起始标识“BG”作为帧的开端，明确定义了数据记录的起点。紧随其后的是元数据部分，其中包含仪器的区站编号，如“54321”，以及台站类型的编码，从01至06分别代表各类气象站，包括基准、基本、一般、区域、交通、电力和农业气象站。设备标识“YSFS”和设备ID（从“000”起逐个递增）确保了设备的唯一性。观测时间精确至秒，采用北京时区标准，帧标识用于区分数据类型和采样频率，同时记录观测要素数量和设备状态变更。数据主体是观测数据的核心，包括实际观测值、数据的质量控制信息和设备状态，可在《地面气象数据对象字典》中找到这些信息的编码规则，确保了数据的准确性和完整性。校验码由四位数字组成，通过ASCII码的累加和校验算法，保障数据传输的无误。数据帧以“ED”标识结尾，标志着一个完整的数据包。

4 DTD2冻土自动观测仪的维修

冻土自动观测仪的故障现象为数据异常或无数据，故障可能由供电、通信故障、参数设置、冻土自动观测仪故障等引起，可以通过以下方法对故障进行排查。

4.1 供电故障

测量防雷板上3、4脚的电压，正常应为直流12 V左右，若电压值为0，需检查直流刀片开关是否闭合，连接件是否接触不良，保险管是否损坏等；若电压过低，需检查交流输入是否被中断。

4.2 通信故障

检查传感器端航空插头是否有脱落或连接不良的情况；检查防雷板的1、2通道上的信号线连接是否良好；检查接入综合集成硬件控制器的对应PORT口的参数是否正确；更换另一个PORT口进行测试，检查PORT口是否出现故障。

4.3 冻土数据到报率低

检查握手机制是否为0（被动模式）。软件—设备管理—维护终端—端口选择“冻土串口处理”发送命令：SETCOMWAY。

返回值为：0 //表示为被动模式√；

返回值为：1 //表示为主动模式×，

需要发送命令：SETCOMWAY，0，返回值：T表示修改成功。

4.4 冻土仪漏水或故障

若根据实际温度判断，不可能有土壤冻结时，但显示浅层土壤有冻结，最大原因是传感器缺水；若单点数据显示有冻结现象，最大原因是传感器内有气泡。检查冻土仪是否漏水或有气泡，如漏水或有气泡应及时补水；补水维护时，应错开正点。最后检查冻土仪是否出现故障，更换冻土仪。

5 DTD2冻土自动观测仪的日常检查维护

在冬季冻土条件下，维持冻土自动观测仪的高效运行需要一系列精心设计的维护措施。为了确保设备的持续监控能力，操作人员应定期关注传感器的状态指示灯，以快速判断装置的运行状况和通信情况。尤其是在自然条件恶劣的区域，检查频率应适当增加，以及时发现并解决潜在的硬件损伤或腐蚀问题。一旦发现受损或腐蚀的组件，立即采取修复或替换行动，以保障系统的整体性能。

供电系统的稳定性同样关键，因此每周进行一次系统健康检查是必要的，这包括验证交流电供应、电源转换模块的功能和蓄电池的电压水平，确保所有组件均处于最佳工作状态。定期对蓄电池进行充放电循环，延长其使用寿命并保持充足的电力储备。每年雷雨季节来临前，应对防雷设施进行全面的维护和检查，包括重新测试接地电阻，确保防雷系统的有效性和安全性。

当遇到设备故障时，迅速响应并安排专业的维修或更换服务，以最小化数据采集的中断。在对冻阻式传感器进行补水维护时，应避开常规观测时间点，以避免影响数据的连续性，并注意排除管道中的空气，防止气泡残留。补水操作可通过以下步骤完成：先移除感应器，使其倾斜，确保注水筒高于冻土自动观测仪，随后开启上部注水口，拆卸感应器底部注水阀的保护盖，轻轻旋松注水阀。采用缓慢滴加的方式向感应器内注入清水，直至从上注水口看到水流溢出，表明水已充满。然后，紧固注水阀，分离连接管路，重新装上保护帽并拧紧上部注水口的螺丝，最后将感应器重新置入外套管。此外，自动注水设备也可用于补水，提供更便捷的解决方案。对于设备故障、维护操作或数据异常的情况，记录详细的备注信息是至关重要的，以便后续分析和问题追踪。采用上述细致的维护策略，可以显著提高冻土观测系统的可靠性和数据质量，确保其在各种恶劣环境下的持续稳定运行。

6 非冻土观测时期的维护内容

在进行冻土监测活动前，即约一个月前，进行全面的系统检查显得尤为重要。这一阶段的检查应涵盖多个方面，需要评估外套管的完好状态，确认其内部是否存在积水现象，以及外套管与周边土壤之间是否紧密贴合，以确保良好的热传导性能。此外，还需仔细核查传感器的位置，保证其与外套管顶端及地表处于同一水平线上，这是实现精准测量的前提条件。

为了优化能源管理并防止潜在的电池耗损问题，当传感器不处于工作状态时，应考虑将其电源切断。在重新激活传感器前，必须细致检测蓄电池的电压水平，以确保供电系统的稳定可靠，为后续的长期监测任务提供充足的能量支持。这种定期的维护和预启动检查，不仅能提升数据的准确性和监测系统的可靠性，还能延长设备的使用寿命，减少因突发故障导致的数据中断风险。

7 结束语

详细阐述了DTD2冻土自动观测仪的结构、安

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装调试和维护维修思路，台站装备保障人员可以根据上述介绍的方法，进行设备的安装、调试和维护维修，从而提高设备维护维修的能力，保障设备的正常运转。

参考文献

[1] 中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2021.

[2] 杨翠丽，武兰芳，李秀英，等.DTD5型冻土自动观测仪的维护及故障排查[J].机电工程技术，2022，51（8）：268-271.

[3] 邢程，李想，白雪梅.浅谈DTD1型冻土自动观测仪原理构造及维护方法[J].黑龙江气象，2022，39（1）：39-40.

[4] 芮建文，杨婷婷，芮建梅.DTD5型冻土自动观测仪的安装及维护[J].气象水文海洋仪器，2022，39（2）：111-113.

[5] 肖路，金之川，袁乙木，等.DFC2光电式数字日照计的安装及维护[J].气象水文海洋仪器，2020，37（4）：115-117.