DTD2冻土自动观测仪的安装与调试

摘要：传统的冻土观测测量数据精准度差、密度不够，很难适应气象观测现代化建设对高精度观测仪器的需求。为提高冻土观测精准度，进一步减轻基层台站人员的工作量，我国研发了DTD2型电阻式冻土自动观测仪。基于DTD2型冻土自动观测仪，首先说明了该设备的采集单元，以及传感器、通信、供电等单元的功能，并对该设备的工作原理进行了阐述，详细阐明了该设备的安装使用及注意事项，并对业务软件、串口软件的调试方法进行了说明，为DTD2型冻土自动观测仪的日常使用提供了依据与参考。

关键词：DTD2型冻土自动观测仪工作原理结构组成安装与调试

中图分类号：P414

InstallationandDebuggingofDTD2PermafrostAutomaticObservationInstrument

DONGXiangyanWANGYukun*

YuchengMeteorologicalBureauofShandongProvince，Yucheng，ShandongProvince，251200China

Abstract：Traditionalpermafrostobservationmeasurementdataarepoorinaccuracyandinsufficientindensity，whichisdifficulttoadapttothedemandforhigh-precisionobservationinstrumentsinthemodernisationofmeteorologicalobservation.Inordertoimprovetheaccuracyofpermafrostobservationandfurtherreducetheworkloadofthepersonnelofgrassrootsstations，ChinahasdevelopedtheDTD2typeresistivepermafrostautomaticobserver.BasedontheDTD2typepermafrostautomaticobservationinstrument，，thispaperfirstlydescribestheacquisitionunitofthedevice，andthefunctionsofthesensor，communication，powersupplyandotherunits，andelaboratesontheworkingprincipleofthedevice，elaboratesontheinstallationanduseofthedeviceandtheprecautionstobetaken，andexplainsthedebuggingmethodofthebusinesssoftwareandserialsoftware，whichprovidesabasisandareferenceforthedailyuseoftheDTD2typepermafrostautomaticobserver.Italsoexplainsthedebuggingmethodsofbusinesssoftwareandserialsoftware，whichprovidesthebasisandreferenceforthedailyuseofDTD2permafrostautomaticobserver.

KeyWords：DTD2permafrostautomaticobservationinstrument;Principleofoperation;Structuralcomposition;Installationanddebugging

冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0摄氏度或以下而呈冻结的状态，每日08时来测定冻结层次及其上限和下限深度，以厘米（cm）为单位，取整数[1]。目前冻土人工观测已积累多年数据，已广泛应用于各行各业，并且在气候监测、农业生产等领域有着很重要的作用[2-3]。以前国内各台站人工观测冻土普遍使用TB1-1型冻土器，传统的观测方法耗时耗力、测量数据精准度差、密度不够，不能实时监测冻土深度及其发展变化情况，难以适应气象观测现代化对高精度自动观测的需要[4-5]，因此，冻土项目的观测方法及观测设备急需进行实质性和针对性的改进。为提高冻土观测精准度及数据质量，促进冻土观测向自动化、标准化发展，我国研发了DTD2型电阻式冻土自动观测仪，并推广使用[6]。冻土数据的自动观测，减轻了人员工作量，实现了数据的连续性、准确性，能够更好地为各行业提供精确的气象服务[7]。

1冻土自动观测仪的结构组成

冻土自动观测仪主要由数据采集器、传感器、通信单元、外围设备和供电单元等组成[8]，其组成结构如图1所示。

1.1采集单元

系统数据采集器集成在冻土仪内部，是冻土仪的组成部分。采集器整体是一个圆形的外壳，其上部可旋转打开，内部上面由3块圆形电路板组成，第一块为数据处理单元板，第二块为电源管理单元，第三块为连接电路板，下面可以安插方形继电器板6块，通过底座连接到传感器棒体，底座与传感器棒体形成一个整体。

采集系统由中央处理器、数据存储器、时钟电路等部分构成。中央处理器以低功耗单片机为核心控制部件，实现测量电压转换、测量控制、数据处理等功能。并带有数据存储、时钟控制、硬件看门狗、RS232电平转换，以及加热器控制等功能。

1.2传感器单元

冻阻式传感器是冻土仪的核心部件，其依据水的冻阻特性，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1cm为间隔的标尺电极；标尺电极的结构设计保证了分辨力与探测精度要求，消除了人工观测TB1型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。

1.3通信与供电单元

冻土仪通过RS485总线方式与计算机或串口服务器连接，可将冻土观测数据、设备运行状态数据等信息以有线的方式上传至上位机软件。冻土仪供电单元由电源控制器、免维护电池、空气开关和防雷器组成。机箱与设备主机采用防水插头连接，市电与机箱通过供电电缆连接供电。

2冻土自动观测仪的工作原理

DTD2冻土仪根据检测水冻融转换相态变化的冻阻式测量原理，利用水的相态发生改变的时候，电阻、体积等物理特性也随之变化的特点，通过非纯净水做感应介质，测量相关物理量，从而得到冻结的层次和上下限的冻土深度。

DTD2冻土仪采用了注水内管和保护外管的感应结构，传感器插入观测场地下外套管中，土壤冻结是土壤中的水分发生冻结，冻土仪内管中的水分也随之冻结，其冻结阻值发生突变，排列在冻土仪内管中的感应电极自动探测内管的冻结界面，得到冻结深度信号，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，传送到上位终端机进行处理。

3冻土自动观测仪的安装

3.1安装传感器外套管

在地面气象观测场内指定位置，采用“钻孔法”钻挖出直径约50mm、深度为1720mm的孔洞。将PPR材质直径40mm热水管，长度1950mm的外套管送入孔洞中，在外套管及孔洞的间隙中注入大量的细土、压实，以免外管下沉。外套管所在位置的地面高度应与四周邻近场地的高度平齐，外套管在地面之上的高度为260mm。安装完成以后使用防水材料把裸露在外的管口堵住，以防止在传感器未安装之前雨水流入。外套管安装应该在冻土仪正式使用前2～6个月完成，以保证观测的准确可靠。

3.2注水

3.2.1排空注水

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。

3.2.2 注水准备

将注水筒和水管连接后，在筒内灌入代表当地水体的水，打开水管开关，让水流出直至管内不再有气泡。

3.2.3正式注水

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。

3.2.4注水收尾工作

注满以后，拧紧注水阀，拿下连接管，拧上注水阀保护帽，拧紧溢水孔螺丝后回拧2～3圈，使传感器内残留气泡能够排出。将传感器重新放入外套管内，一般注水后应静置2h以上再正式开始观测。

4冻土自动观测仪的软件调试

待冻土自动观测仪的采集器、机箱、传感器以及各线路连接好以后，需对软件进行调试。

4.1业务软件调试

在冻土仪正常连接与上电后，还可通过业务软件上的“设备管理”菜单下的“维护终端”功能，直接对其发送命令进行调试。

4.2串口调试软件

在冻土仪正常连接与上电后，可在业务电脑上，关闭冻土对比业务软件，使用相关串口调试软件，直接命令发送给冻土仪进行调试。

4.3格式说明[9]

（1）各种终端命令由命令符和相应参数组成，命令符由若干英文字母组成，命令符与参数、参数与参数之间用1个半角逗号分隔。

（2）键入终端命令后，应键入回车/换行键，本格式用“↙”表示。

（3）返回值的结束符均为回车/换行，本格式中返回值用“<>↙”给出。

（4）命令非法时，返回出错提示信息“BADCOMMAND↙”。

（5）在冻土仪正常连接与上电后，还可通过业务软件上的“设备管理”菜单下的“维护终端”功能，直接对其发送命令进行调试。

5结语

DTD2冻土自动观测仪具有测量精度高、稳定性强、安装维护操作简单等特点，它的应用大大提高了工作效率，减轻了劳动量。本文对其工作原理、组成结构、安装调试方法进行介绍，但日常工作中也得加强巡检和维护，确保数据采集准确，从而为各行各业提供精确的气象服务。

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，2003.

[2]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.

[3]胡树贞，刘志刚，吴东丽，等.冻土自动观测仪性能比对分析[J].气象水文海洋仪器，2020，37（4）：4-7.

[4]苗传海，沙莉，郭宗凯，等.DOZ-1型电阻冻土自动观测仪设计与试验[J].气象水文海洋仪器，2021，38（3）：90-92，95.

[5]沙莉，张艺萌，马成芝，等.辽宁沈阳地区冻土深度自动观测方法研究[J].气象水文海洋仪器，2019，36（2）：56-59.

[6]宋树礼，张鑫，刘志刚，等.电阻式冻土自动观测仪测量原理及实验分析[J].南方农机，2023，54（4）：64-65.

[7]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.

[8]华云升达（北京）气象科技有限公司.DTD2型冻土自动观测仪使用手册[M].北京：长望气象科技有限公司，2020：14-21．

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.地面气象要素编码与数据格式：GB/T33695-2017[S].北京：中国标准出版社，2017：9．