影響土壤水分儀準(zhǔn)確性原因分析及維護(hù)注意事項(xiàng)

影響自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀精度的原因分析

及維護(hù)注意事項(xiàng)河南省氣象科學(xué)研究所中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27研究所2023/1/31目錄一、系統(tǒng)概述二、維護(hù)基本知識(shí)三、影響儀器準(zhǔn)確度的主要問題四、典型案例分析五、存在的問題和建議六、綜述

一、系統(tǒng)概述

2009年至今，河南氣象科學(xué)研究所與中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第27所在河南、河北、安徽、內(nèi)蒙、貴州、四川、重慶、山西、陜西、甘肅、新疆、吉林等12個(gè)省區(qū)市安裝布設(shè)了近千套Gstar-I(DZN2)型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀。目前，自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀已經(jīng)組網(wǎng)運(yùn)行兩年有余，部分臺(tái)站正在進(jìn)行平行觀測(cè)和業(yè)務(wù)標(biāo)定，還有部分臺(tái)站已經(jīng)通過數(shù)據(jù)對(duì)比評(píng)估正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行。1.1系統(tǒng)運(yùn)行情況Gstar-I(DZN2)自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀分布圖在自動(dòng)土壤水分觀測(cè)網(wǎng)運(yùn)行過程中，逐步發(fā)現(xiàn)了一些問題，如數(shù)據(jù)異常、缺失等，有安裝問題，也有儀器自身的問題，最主要的還是關(guān)于日常維護(hù)方面的問題，由于部分維護(hù)人員對(duì)儀器測(cè)量原理理解不太深，沒能及早發(fā)現(xiàn)、解決這些問題。因此，為了提高土壤水分服務(wù)產(chǎn)品的質(zhì)量，亟待加強(qiáng)設(shè)備的日常維護(hù)工作。1.2GStar-I型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀系統(tǒng)組成傳感器采集器通訊模塊監(jiān)控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器探測(cè)器傳感器1傳感器2…傳感器n數(shù)據(jù)采集器監(jiān)控計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器有線/無線通信

寬帶網(wǎng)絡(luò)后端處理、服務(wù)前端測(cè)量、傳輸GPRSA型：有線通訊A型設(shè)備僅有傳感器在室外，采集器和專用控制計(jì)算機(jī)均在室內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸使用RS485通訊模塊與室內(nèi)計(jì)算機(jī)有線連接，供電220V，適宜固定地段或近距離作物地段安裝使用A型：內(nèi)部照片A型：監(jiān)控軟件C型：無線（GPRS）通訊C型：無線（GPRS）通訊C型設(shè)備在室外采集箱內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸使用GPRS無線通訊模塊，加裝太陽能電池板和蓄電池供電，適宜作物地段或無市電供電的地段安裝使用市電供電內(nèi)蒙市電供電GStar-I土壤水分傳感器

土壤水分探測(cè)器是基于電容傳感器和嵌入式單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)，利用電容原理測(cè)量土壤水分，通過調(diào)整安放在其上的探頭位置可分別測(cè)量土壤不同深度的土壤含水量。測(cè)量范圍：0-100%土壤體積含水量系統(tǒng)分辨率：0.1%準(zhǔn)確度：標(biāo)定后±2.5%體積含水量平均無故障工作時(shí)間：大于8000小時(shí)采集器數(shù)據(jù)采集器基于ARM技術(shù)設(shè)計(jì)，通過大容量存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、安全可靠和易于安裝維護(hù)等特點(diǎn)，可實(shí)時(shí)和定時(shí)對(duì)水分傳感器發(fā)送指令，采集土壤水份數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。采集器對(duì)外具有RS485、RS232/無線通訊接口，完成對(duì)傳感器、后臺(tái)管理軟件的數(shù)據(jù)交換工作。

系統(tǒng)軟件

土壤水分觀測(cè)儀軟件由服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，客戶端觀測(cè)和用戶網(wǎng)絡(luò)瀏覽軟件三部分組成。數(shù)據(jù)入庫(kù)軟件監(jiān)控處理軟件無線網(wǎng)絡(luò)處理軟件（1）服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)軟件:自動(dòng)土壤水分觀測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用S/C(Server/Client)方式，用VC++語言編寫相應(yīng)服務(wù)器端和用戶端軟件，初步完成了系統(tǒng)軟件的開發(fā)。（2）客戶端監(jiān)控軟件全省土壤水分分布等值線、色斑圖（3）用戶瀏覽軟件瀏覽單站土壤水分變化綜合曲線圖二、維護(hù)基本知識(shí)2.1定時(shí)監(jiān)控資料水分值為0，是設(shè)備故障？水淹？其他？蓄電池指示燈：黃色、紅色2.2日常維護(hù)傳感器1正常情況下每年需要把傳感器從PVC管中取出，檢查管內(nèi)是否潮濕進(jìn)水，如有水滴，需要清除干凈；2干燥劑每年要更換一次。蓄電池每半年測(cè)量一次蓄電池電壓，如果連續(xù)7天沒有出現(xiàn)外接充電電源完全停止的情況下，電池電壓低于11V，則需要更換蓄電池。正常情況下蓄電池的壽命不低于3年。采集器正常情況下每月到現(xiàn)場(chǎng)檢查一次采集器，查看是否進(jìn)水和沉積灰塵，如有則要清除干凈。注：如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)停止或突變，應(yīng)隨時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)查看情況。C型：太陽能控制器太陽能指示燈綠：供電不亮：不供電蓄電池指示燈黃色：電壓偏低紅色：電量空閃綠：電充滿負(fù)載指示燈橙色：正常，向采集器供電設(shè)置、開關(guān)按鈕模式：6.2.3采集器故障檢測(cè)電源檢查指示燈是否常亮，如果滅，檢查采集器主機(jī)板的電源端子是否連接松動(dòng)，接線是否可靠，拔掉重新接線，插上電源端子，如果還不能啟動(dòng)，用萬用表測(cè)量蓄電池電壓是否正常（12V～15V），如不正常則需更換蓄電池，如電壓正常，則說明主機(jī)板故障，需更換主機(jī)板。程序運(yùn)行檢查運(yùn)行指示燈是否正常閃爍，如不閃爍，則主機(jī)板故障，需更換主機(jī)板。通訊檢查使用調(diào)試軟件（Soil_Debug.Exe）通過RS232接口與采集器通訊，首先進(jìn)行讀時(shí)鐘操作如果連續(xù)讀時(shí)鐘正常，日期也正確，則說明采集器通訊正常，需進(jìn)入下一步傳感器檢查采集板電源指示（紅色）：常亮；運(yùn)行指示（黃色）：閃爍（亮滅各1秒）；GPRS登錄指示（綠色）：登錄到服務(wù)器亮，退出時(shí)滅GPRS檢查1GPRS指示燈是否常亮，如不亮，通過筆記本電腦RS232接口讀取服務(wù)器IP地址和端口，如不正確，重新設(shè)置。如果正常，查詢?cè)揝IM卡是否停機(jī)。如果以上都正確，再進(jìn)一步檢查GPRS天線的連接器是否脫落，如果脫落，重新安裝即可，如沒有脫落，則GPRS模塊可能出現(xiàn)問題，需更換主機(jī)板。2GPRS模塊網(wǎng)絡(luò)指示燈64ms亮/800ms滅：GPRS模塊沒有尋找到網(wǎng)絡(luò)，則檢查SIM卡安裝是否正確，接觸是否可靠，是否欠費(fèi)；64ms亮/3000ms滅：GPRS模塊登錄到網(wǎng)絡(luò)。2.4傳感器故障檢測(cè)接線端子檢查檢查跳線帽是否脫落，用手重新按壓各個(gè)傳感器和主機(jī)板與帶纜線的排線插針，確保各個(gè)連接器可靠連接；銅環(huán)連接檢查傳感器電路板與兩個(gè)銅環(huán)之間的連接線是否脫落，如脫落，要用大功率烙鐵重新焊接；軟件測(cè)試某一傳感器出現(xiàn)問題，將直接導(dǎo)致該層對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤或異常。使用調(diào)試軟件選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)視，觀察水分值和頻率值。若某一層或某幾層頻率值對(duì)應(yīng)為0，說明該層傳感器可能已經(jīng)損壞或無法正常工作。在徹底斷電的情況下，檢查傳感器與扁平電纜連接是否完好，傳感器外觀有無明顯異?；蛩蓜?dòng)等。處理板連接底部排線的插針連接底部排線的插針傳感器上的跳線傳感器上的參數(shù)2.5其他問題太陽能電池板太陽能電池板的電源線與控制器的連接線是否連接正常。傳感器4芯電纜傳感器防護(hù)管內(nèi)是否進(jìn)水，干燥劑是否已失效。傳感器防護(hù)管采集器與傳感器連接的4芯通訊電纜線是否連接正常。A型采集器的RS232通訊線與工控機(jī)連接是否可靠。RS232通訊三影響儀器精度的主要問題1.配套設(shè)施安裝不當(dāng)引起誤差由于安裝人員對(duì)設(shè)備原理不理解，造成緊貼防雷角鐵安裝防雷傳感器，以至于人工對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)與儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)造成很大的誤差南陽-新野實(shí)景照片南陽-新野實(shí)景照片在宿州站由于安裝不到位，加上觀測(cè)場(chǎng)地面不平整，安裝后土壤下陷，10cm傳感器露出地面，即使?jié)菜螅?0cm土壤含水量值仍然為零。龜裂很嚴(yán)重，表層附上一些土壤，10-20cm含水量數(shù)值依然很小

土壤含水量θv與儀器信號(hào)SF之關(guān)系

2.安徽宿州安裝不到位3.土壤龜裂引起機(jī)測(cè)土壤水分為0泗縣土壤水分站安裝地點(diǎn)為黑色粘土，而且，缺乏有效的維護(hù)，龜裂特別嚴(yán)重，龜裂達(dá)2cm,影響深度達(dá)30cm恢復(fù)后泗縣土壤水分時(shí)間變化曲線前端測(cè)量、傳輸太和

太和新裝固定地段由于也是粘壤土，10cm產(chǎn)生嚴(yán)重的龜裂霍邱

土霍邱站的龜裂情況同樣嚴(yán)重，我們同樣進(jìn)行了技術(shù)處理和修復(fù)河南永城4.安裝過程操作不當(dāng)造成誤差一定要用專用安裝工具，安裝后探測(cè)管與土壤之間要沒有縫隙安裝基本要求使用合適的工具和方法沒有間隙探測(cè)管的安裝不可接受潛在流入通道探測(cè)管與土壤之間如果有縫隙存在，人工值與機(jī)測(cè)值就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重誤差如有降水，機(jī)測(cè)土壤水分值會(huì)迅速增大，然后，迅速降低。安裝造成的管壁與土壤間的縫隙安陽柏村登封作物地段安裝縫隙5.其他一些情況引起的誤差安徽碭山維護(hù)人員將設(shè)備用土掩埋起來，加之安裝縫隙10cm土層數(shù)值偏??；肥西站也有同樣問題。

河南臺(tái)前等站也有類似此問題碭山臺(tái)前龜裂多發(fā)生在粘土地段，而且，安裝自動(dòng)土壤水分站時(shí)土壤含水量較大，有的地方近似泥濘，安裝后已進(jìn)入秋季，由于干旱10cm發(fā)生嚴(yán)重的龜裂，測(cè)值土壤體積含水量為0。安裝地點(diǎn)沒能及時(shí)進(jìn)行作物種植，也會(huì)造成嚴(yán)重的龜裂。6.凍土引起的誤差根據(jù)傳感器原理可知，傳感器是測(cè)量土壤中電介質(zhì)變化推導(dǎo)出土壤水分變化。在冬季，土壤中的水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)冰，介質(zhì)系數(shù)發(fā)生巨大的變化，引起儀器測(cè)量的水分值急劇下降，這是不真實(shí)的，因此，在冬季我們應(yīng)用機(jī)測(cè)值時(shí)應(yīng)當(dāng)注意是否有凍土影響。一些臺(tái)站由于維護(hù)較好，觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)種植有作物，表層即使非常干旱龜裂也較輕。桐柏自動(dòng)土壤觀測(cè)站1.A型儀器報(bào)文無法生成GStar-Ⅰ（DZN2）A型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)正常而上傳報(bào)文數(shù)據(jù)無法生成的情況。由于儀器長(zhǎng)期運(yùn)行，生成的報(bào)文數(shù)量過多，超出Windows系統(tǒng)的文件夾最大文件數(shù)量限制，將備份報(bào)文進(jìn)行壓縮整理即可解決此問題。四典型案例分析2.傳感器安裝環(huán)境被破壞

有些臺(tái)站擔(dān)心儀器遭受破壞，對(duì)傳感器采取了一定措施進(jìn)行保護(hù)，如對(duì)傳感器進(jìn)行遮蓋或用土掩埋，但這些措施卻會(huì)嚴(yán)重影響傳感器測(cè)量，當(dāng)有降水時(shí)，周邊農(nóng)田水分含量變化較大，但傳感器感應(yīng)部分含水量卻無較大變化。3.數(shù)據(jù)出現(xiàn)規(guī)律性中斷某些臺(tái)站會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性的數(shù)據(jù)中斷，一般是有兩種情況造成。一是電源控制器的模式設(shè)置錯(cuò)誤，在不同的模式下控制器會(huì)自動(dòng)控制采集器的供電時(shí)間，所以出現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)律性中斷時(shí)應(yīng)檢查控制器是否為正確模式“6.”；二是蓄電池可能出現(xiàn)問題，可儲(chǔ)存的電量過少，當(dāng)白天有太陽時(shí)，在太陽能板的持續(xù)充電作用下可正常工作，當(dāng)晚上無太陽能板充電時(shí)，儲(chǔ)存的電量很快就耗盡，這種情況下應(yīng)及時(shí)更換蓄電池。測(cè)量檢查電池電壓時(shí)，應(yīng)選在日出之前數(shù)據(jù)上傳未恢復(fù)時(shí)進(jìn)行。4.儀器遭破壞5.土壤板結(jié)引起測(cè)量誤差通過對(duì)幾個(gè)臺(tái)站的傳感器周圍土層開挖發(fā)現(xiàn)，傳感器周邊土壤質(zhì)地與周邊大田中的土質(zhì)有較大差異，傳感器周邊土壤質(zhì)地堅(jiān)硬且較干，而周邊大田中的土壤質(zhì)地較為松軟且潮濕，初步判斷為大田中土壤在耕種時(shí)會(huì)進(jìn)行深耕翻地松土，而圍欄內(nèi)土壤沒有進(jìn)行深翻，容易引起土壤板結(jié)。6.人工取土中的一些問題層次重復(fù)一重復(fù)二重復(fù)三重復(fù)四平均容重70～8024.426.819.114.421.21.5230～4013.914.516.726.617.91.460～1019.118.340.619.924.51.470～108.8-7.411.911.16.11.630～4025.521.426.853.031.71.451.引起土壤水分值異常的主要原因傳感器安裝不到位和安裝時(shí)操作過程魯莽，造成探測(cè)管與土壤形成縫隙由于干旱引起粘性土壤龜裂冬季由于土壤中水分相變引起機(jī)測(cè)水分值急劇下降傳感器周圍長(zhǎng)期不松土造成土壤板結(jié)五存在問題和建議2.安裝要求安裝前應(yīng)當(dāng)首先作一次人工烘干土壤水分測(cè)量，確保

安裝地土質(zhì)均勻無石塊等雜質(zhì)。安裝要按照安裝規(guī)范，一般不得使用挖掘埋設(shè)方式，如有特殊情況必須申報(bào)并經(jīng)批準(zhǔn)后方可實(shí)施。安裝時(shí)，探測(cè)管不能有較大晃動(dòng)。一、自動(dòng)土壤水分觀測(cè)場(chǎng)圍欄內(nèi)環(huán)境要