杨翠丽，武兰芳，李秀英，李瑞苏

（沙河市气象局，河北 沙河 054100）

0 引言

冻土是指含有水分的土壤因温度下降到0℃或0℃以下而呈冻结的状态，是地面气象观测基本项目之一，观测内容包括土壤冻结层次及其上限和下限深度，冻土深度以cm为单位，取整数[1]。人工观测冻土使用TB1-1型冻土器，这种观测方式劳动强度大[2]；胶管随水结冰而伸长或弯曲、提取摸测过程容易弯折；观测环境不稳定，内管抽出，出现“过冷水”突然冻结情况，此外内外管同时遭受冷、热空气侵袭，破坏热平衡；每天08时观测1次，会出现漏测当日其他时段冻土变化情况。随着气象现代化的不断推进，越来越多的自动化观测设备投入到冻土观测业务中，加快了国家地面观测自动化进展。因此，冻土自动观测仪维护、维修问题成了基层业务人员更为关注的问题，也直接影响观测数据的准确性。本文详细介绍了冻土自动观测仪安装调试、维护维修方法，以期为基层业务人员提供技术参考。

冻土自动观测仪根据传感器测量原理不同分为冻阻式冻土自动观测仪、电容式冻土自动观测仪和测温式冻土自动观测仪[1]。DTD5冻土自动观测仪（以下简称冻土自动观测仪）为冻阻式，是利用水的相态发生改变时体积、电阻等物理特性随之变化的原理，通过在装有非纯净水作感应介质的管两侧安装感应电极，测量电极相关物理量得到冻结层次和上下限深度[3-4]。冻土的自动观测，减少了台站观测员的工作量，避免了人为因素对观测数据的影响及冻土变化漏测情况[5-6]，观测数据的频次由原来的每天1次增加到每分钟1次。提高了观测数据的连续性、准确性，为农业、建筑业、道路桥梁设计、铁路设计等等提供了更好的服务[7-12]。

1 冻土自动观测仪的安装

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，硬件包括传感器、数据采集器、通信单元、供电单元和外围设备等，如图1所示。接入DZP1综合集成硬件控制器，通过地面综合观测业务软件（ISOS）显示冻土数据。以RS-232通信方式输出数据。

图1 冻土自动观测仪组成结构

1.1 冻土自动观测仪的安装

冻土自动观测仪在观测场中的安装位置，遵循《地面气象观测规范》关于观测场仪器布局的原则，参考《地面气象观测场规范化建设图册》的要求，安装在观测场内南侧靠东区域，深层地温观测位置的南面50 cm处，与深层地温外套管平行布设冻土传感器外套管。

电源箱安装在现用站地温分采东侧60 cm处，且与地温分采东西成行排列，基础预埋件用混凝土浇筑，外露面平整光洁，电源箱安装在立柱上，箱门朝北。根据本站历年实际观测的最大冻土深度的资料，选取不同规格的冻土传感器，采用分段式安装。

（1）当台站最大冻土深度小于150 cm时，只需在对应80 cm地温南侧50 cm处安装一根适合本站实际最大冻土深度外套管，将相应长度冻土传感器插入外套管中。

（2）当台站最大冻土深度大于150 cm且小于300 cm时，分两段进行安装，在对应80 cm地温和160 cm地温南侧50 cm处分别安装长度为150 cm和300 cm的外套管，将长度0～150 cm和150～300 cm冻土传感器插入外套管中。

（3）当台站最大冻土深度大于300 cm且小于450 cm时，分3段进行安装，在对应80 cm地温、160 cm地温和320 cm地温南侧50 cm处分别安装长度为150 cm、300 cm和450 cm的外套管，将长度0～150 cm、150～300 cm和300～450 cm冻土传感器插入外套管中。

1.2 冻土自动观测仪的接线

冻土自动观测仪传感器线一端从防水接头穿入，接上端子后与提环上的端子相连，黄、黑、蓝、棕线分别对应VCC、GND、RS485-A2、RS485-B2。接通完毕，将防水接头锁紧，将上端盖旋紧即可。

另一端接入采集器，采集器接线如下：通讯模式设置开关，默认为RS485，拨码1打开即可，RS232时通讯模式无需设置；传感器选择开关，拨码1、2、3、4分别对传感器0～150 cm、150～300 cm、300～450 cm、450～600 cm端子，当相应端子接有传感器，则打开对应拨码；采集器通讯接口有RS485通讯端子与RS232通讯端子，两个接口任选其一；12 V电源输入端子，连接市电互补控制器负载端；综合集成硬件控制器接线支持RS-485和RS-232两种通讯方式。根据台站综合集成硬件控制器类型选用。

RS-485通信方式：集成硬件控制器端黄、黑、蓝、棕依次为T+、T-、R+、R-；冻土自动观测仪端黄、黑、蓝、棕依次为R-、R+、T-、T+。

RS-232通信方式：集成硬件控制器端棕（黄）、蓝、黑依次为RX、TX、GND；冻土自动观测仪端棕（黄）、蓝、黑依次为TX、RX、GND。

2 冻土自动观测仪的调试

ISOS软件中挂接冻土自动观测仪并设置相应端口，在ISOS软件与冻土自动观测仪通信正常后，需要对冻土自动观测仪的参数进行设置，包括区站号、经纬度和服务类型等：（1）设置冻土自动观测仪区站号的命令格式为“QZ，区站号↙”；（2）设置冻土自动观测仪经度的命令格式为“LONG经度↙”；（3）设置冻土自动观测仪纬度的命令格式为“LAT纬度↙”；（4）设置冻土自动观测仪服务类型的命令格式为“ST，服务类型↙”，服务类型00表示基准站，01表示基本站，02表示一般站，所有命令设置成功后都会返回“T”；（5）设置和读取冻土自动观测仪日期与时间的命令格式为“DATETIME，日期与时间↙”；（6）设置握手机制方式“SETCOMWAY，1↙”为主动发送方式，“SETCOMWAY，0↙”为被动发送方式（注：设备默认为被动发送）。

冻土自动观测仪加水后，打开ISOS中的设备管理-终端维护，冻土串口管理发送命令GETALLRES，收到以下返回数据，数值在3～8为宜，不符合应换水，重新输入命令如下：

temperature:1_16.1，voltage:1_0.0，

temperture：1_16.1表示第一根传感器采集板的温度为16.1℃。

读取分钟数据，发送命令READDATA，收到以下返回数据。

BG，853781，02，YSFS，000，20211213103200，001，005，13，ATAa，000，ATAc，004，ATIa，000，ATIc，004，ATIb，1001，00000，z，0，xD_AT，0，y_ATA150，0，y_ATA300，-，y_ATA450，-，xB_AT150，0，xB_AT300，-，xB_AT450，-，wA_AT150，0，wA_AT300，-，wA_AT450，-，tC_AT，0，rI_AT，0，3966，ED可以得到台站区站号为53781，台站服务类型为一般站，北京时间为20211213103200，以及传感器的设备状态和冻土深度。

3 冻土自动观测仪的故障排查

通过ISOS软件如果发现数据缺测或异常，可以通过以下方法对故障进行排查。

3.1 数据缺测的故障排查

（1）电源检查

运行指示灯不亮。首先检查采集器电源端子、防雷模块、空气开关接线是否正确，连接是否松动；其次用万用表测量市电互补控制器输出电压（12 V），空气开关输入输出电压（220 V），若供电正常，则采集器故障，需更换。

（2）程序运行检查

运行指示灯常亮但不闪烁，则采集器故障，需更换。

（3）通信检查

检查通信接线端子连接是否松动，重新插拔后，使用终端电脑通过RS232接口与采集器通讯，发送DATETIME命令，如果返回正确日期时间，则说明采集器正常，否则采集器故障；发送READDATA命令，如果返回数据帧中要素编码z的值为0，则说明传感器正常，否则传感器故障，需更换。

3.2 数据异常的故障排查

通过ISOS软件，选择查询与处理→数据查询→分钟数据查询，若发现数据异常。选择设备管理→维护终端，端口选择为冻土串口处理，发送GETALLRES指令查看测量的阻值。若某一层或某几层电阻值为0，说明该层传感器故障，及时联系厂家更换。

传感器测量电极检测不到水会导致阻值过大，引起观测数据异常。排查水是否在要求的水位上下限范围内，若超出水位下限，及时补水。

4 冻土自动观测仪的维护

4.1 非冻土期维护

（1）冻土观测前，需检测蓄电池电压，如果市电互补控制器蓄电池指示灯绿色常亮，则蓄电池正常；绿色闪烁，则蓄电池充满；黄色常亮，则蓄电池欠压；红色常亮，则蓄电池过放，切断负载。

（2）冻土观测前，应对传感器进行全面检查，查看外套管中有无积水、杂物；外套管与土壤接触是否紧密；0 cm刻度线与地面是否齐平等。如发现问题，应及时处理。

（3）冻土观测前应对其内管进行冲洗和注水，水柱中避免余留气泡，注水完成后在ISOS软件发送INITR命令返回＜T＞，表示初始化完成，然后发送GETALLRES命令，查看阻值，温度是否有异常。

（4）冻土期结束后，冻土传感器可断电停用，将内管水放掉，并冲洗晾干回收放置或安装原处。注意操作过程中，防止杂物等落入外套管内。

4.2 冻土期维护

（1）定期通过传感器状态灯查看设备运行、通信状态。

（2）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；如损坏或腐蚀应及时进行处理、更换。

（3）每周检查供电设施，保证交流电、电源转换控制模块和蓄电池供电正常；定期对蓄电池进行充放电。

（4）每年雷雨季前对防雷设施进行全面检查，复测接地电阻。

（5）设备故障时，及时进行维修或更换。

（6）冻土自动观测仪故障、维修和数据处理等情况需备注。

（7）冻土期内发现水位达到下限时，及时补水，如水位下降明显，及时进行维修或更换。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。

4.3 冻土自动观测仪的升级

冻土自动观测仪升级分为现场升级和远程升级两种。建议选择现场升级，过程如下。

（1）准备USB转RS232线、RS232接口转换线和一台笔记本电脑，一端连接采集器，另一端连接电脑。

（2）把DTD5升级文件（包含程序烧入软件mcuisp.exe和采集器升级固件xxx.hex）拷贝到所在电脑并解压。

（3）打开程序下载工具软件mcuisp.exe，如图2所示。

图2 升级软件界面

（4）点击①选择串口。

（5）点击②选择波特率。

（6）点击③选择目录下的xxx.hex文件。

（7）点击④STMISP。

（8）打开机箱，如图3所示，把RS232接口转换线插到③，拔掉②电源插头，按住运行指示灯旁边①黑色按键不松手，插上电源插头，观察所有灯闪烁1 s熄灭后，此时松开黑色按键，进入下载模式。

图3 冻土自动观测仪采集器

（9）点击⑤开始编程。

（10）右侧信息框出现文字信息，进度条持续向右，等信息框提示⑥内容，程序升级完成。

（11）观察运行指示灯，如果秒闪，则升级成功；否则，尝试重新插拔电源观察，若升级失败，重复步骤8和9重新升级程序。

5 结束语

本文对DTD5型冻土自动观测仪的组成结构、安装进行了详细介绍，列举了冻土自动观测仪的调试、维护及故障排查方法，为台站业务人员对冻土自动观测仪的安装、调试和维修维护提供了技术支持。进一步提高业务人员设备维护维修的能力，保障设备的正常运行。

主要安装调试：（1）安装调试时一定要注意传感器的线序和采集器的线序一致；（2）采集器到综合集成硬件控制器的接线为交叉线，在采集器上为TX、RX、GND，综合集成硬件控制器RX、TX、GND。

主要故障与排查方法：（1）数据缺测时，首先检测运行灯的情况，灯不亮，测量直流12 V，交流输入输出为220 V，则采集器故障，灯亮但不闪，则采集器故障；（2）数据异常时，通过ISOS软件，发送GETALLRES指令查看测量的阻值。若某一层或某几层电阻值为0，说明该层传感器故障。