彭滨
成都市气象局 四川 成都?611130
摘 要：冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤，冻土主要分布于高纬地带和高山垂直带上部。勘察冻结深度和融化深度最大值对冻土地区的管道运输、修筑工程构筑物有重要的指导意义，因此冻土观测一直是气象业务工作的重要组成部分，当前气象上冻土观测已实现自动观测，观测设备为HY-DT1冻土自动观测仪。本文介绍了HY-DT1冻土自动观测仪的结构及常见故障的维护处理方法，希望对从事该系统维护的人员有所帮助
0 引言[]*
根据《冻土业务规章制度》[1]，为了使各台站工作人员能够熟练、快速、准确的维护和保障该设备的正常运行，为了提高冻土观测质量[2]，现将HY-DT1型冻土自动观测系统的工作原理和基本结构及其故障诊断流程进行详细说明如下。
1 系统工作原理及基本结构
HY-DT1冻土自动观测仪以冻阻式传感器为核心，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。并将数据以规定的数据格式存储，并传送到室内的终端机进行处理。室外探测装置存储自动探测数据，可随时下载到室内终端机数据库中。该系统消除人工观测的观测误差，实现冻土深度的自动化观测。该设备填补国内冻土高精度自动观测的空白，符合国家气象发展规划要求，可以应用到气象、水利、交通、建筑、科研等部门。
该设备完全无需人工干预，能够在整个土壤冻结期自动完成土壤冻结层数和冻结深度观测任务，是实现冻土自动观测的最佳设备。
1.1 工作原理
该系统通过将冻土深度传感器管插入观测场地下外套管中，感应器依据水在冻结时相变的原理，当冬季土壤冻结时，感应器内管中的水分也随之冻结，其冻结阻值发生突变，排列在感应器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，完成观测任务。
冻阻式感应器是“HY-DT1冻土自动观测仪”的核心部件，冻阻感应器依据水的冻阻特性，利用自然水（液态）与冰（固态）在导电特性上的差别，在内管中装置以1.0厘米为间隔、纵向排列的标尺电极，标尺电极的结构设计保证了分辨率与探测精度要求，消除了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，以此判定水的冻结状态，经数据处理器调用，自动采集系统完成全电子化自动观测任务。该传感器可以埋入地下的外套管中，安装使用极为方便。
.png)
数据采集系统与感应器连成一体，电路板使用低噪声、低温漂的电路组件，由中央处理器、时钟电路、数据存储器、接口、控制电路等部分构成，主要完成以下功能：
①按照设定的时间自动开机。
②对冻阻感应单元电极的电阻信号进行顺序采样和质量控制。
③根据设定的条件判别每个厘米层次的冻融性质。
④存储采样数据和观测记录。
⑤进行与自动气象站或终端微机之间的数据通信。
.png)
1.2 系统结构
HY-DT1冻土自动观测仪设备由室外自动探测传感器、供电电源和室内终端机三大部分组成。
.png)
探头采用PPR材质外管，外径40mm，最小分度为10mm，测量深度规格：50cm、100cm、150cm
(其他观测深度由以上规格延伸组成)，依据实际探测环境所需要的冻土深度，合理选择测量量程。
采集处理器与探头连接，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，所有芯片采用贴片电路，安装在功能电路板上，体积小，功耗低，结构紧凑。
采集处理器软件功能主要完成采集运算、存储、与上位机软件进行终端命令交互通讯等项任务。
采集器采用定时工作方式，当设定时间到或启动随机观测时，进行自动探测，进行运算处理，判断有无冻土，探测到有冻土时将冻土的深度值、层次、日累计、月累计等数据进行存储，并采集电压、温度、状态等信息，形成观测数据。采用串口中断方式响应上位终端机的命令与操作。终端机支持数据字典通讯命令。
供电电源提供设备使用的供电，推荐使用交流供电。当交流电正常输入时，直流输出给用电设备供电，同时另一路输出蓄电池充电，蓄电池饱满自动停止充电；当交流市电停电时，由蓄电池供电，12V无间断供电，零切换时间，设备不停顿，不重启。市电供电优先 ，任何时候市电重新来电自动优先切换为市电工作。具有电池电压欠压保护防止蓄电池过放电，有效保护蓄电池，全自动控制全自动切换无需人工干预。
电源箱与设备主机采用防水插头连接，交流和通讯线采用放电陶瓷管和瞬态抑制二极管实现对干扰信号的控制。
2 维护注意事项
为了确保系统长期可靠稳定运行，需要进行一些必要的维护工作，并按照冻土观测业务规范[3]进行日常维护及操作。
2.1 维护注意事项
(1)内管有漏水时应及时修复并加水，但不应在临近观测前加水，水柱中不应余留气泡。
(2)管内链子不牢固时，应及时修复
(3)避免降水和其他物体落入外管内
(4)每年使用冻土器前，检查内管、外管是否准直，0线与地面是否齐平。如产生位移，在土壤冻结前整理好
(5)每年使用前要将棒体提起观察，观察是否老化，是否破损，每年使用前应重新注水
(6)冻土期结束后，将内管的水放掉，晾干后收回室内妥善保管；外管口使用不渗水的物品扎牢
(7)下表是上位机软件对设备设备的状态码描述，有助于现场人员分析问题
.png)
3 结束语
HY-DT1型冻土自动观测系统与传统的TB1-1型冻土器相比，实现了自动化观测，并且在设计上完全避免了因水冻胀等产生的误差，在观测上借助冻阻式传感器，观测准确，完全消除了受观测人员的主观感知程度影响而产生的人为误差。平时使用中，应加强维护，定期查看设备的各个部分是否自然损坏，有损坏或者腐蚀部件应立即进行处理、更换，如依旧不能修复，应及时与上级主管部门和生产厂家联系，并做好记录。
参考文献：
[1] 中国气象局.地面气象观测规范.北京.气象出版社.2003.
[2] 中国气象局综合观测司.冻土自动观测仪功能规格需求书. 2018.
[3] 中华人民共和国国家标准.地面气象观测规范冻土.GB/T 35234-2017，2017.