《自动土壤水分传感器实验室检测规范》解读

朱亚宗 ，吴 欢，董德保，何 越，张广元，吴奇生，田晓明

（1.安徽省大气探测技术保障中心，安徽合肥 230031；2.中国气象局气象干部培训学院安徽分院，安徽合肥 230031；3.黄山气象管理处,安徽黄山 242700；4.蚌埠市气象局，安徽蚌埠 233000）

1 引言

由安徽省大气探测技术保障中心牵头起草的地方标准 《自动土壤水分传感器实验室检测规范》（DB34/T 3501-2019）经安徽省市场监督管理局联合安徽省气象标准化管理委员会，于2019 年12 月25日批准，自2020 年1 月25 日开始实施。为了更好地实施和使用该标准，特对此标准相关内容进行解读。

2 制定标准的必要性和意义

目前安徽省水利、农业、气象、环保、高校研究所等业务科研部门在用土壤水分传感器近200 套。自动土壤水分观测仪可以方便、快速的在同一地点进行不同层次土壤水分观测，获取具有代表性、准确性和可比较性的土壤水分连续观测资料，可减轻人工观测劳动量、提高观测数据的时空密度，为干旱监测、农业气象预报和服务提供高质量的土壤水分监测资料。安徽省气象部门自动土壤水分观测站最早一批的安装时间是2009 年，经过多年的运行，在设备维护、数据应用方面，都存在一些问题。在多年保障工作中发现，业务运行的自动土壤水分站故障率最高的组件是传感器，而传感器是自动土壤水分站的核心部件，因此建立实验室内土壤水分传感器检测规范显得迫在眉睫。采用自动土壤水分观测仪对土壤水分进行探测能够及时准确地反映土壤水分观测仪各站点周边的土壤水分含量情况及土壤墒情。便于气象、农业和水利部门及时准确地了解到干旱发生的具体情况。为保障自动土壤水分站在野外连续长时间稳定运行，观测数据准确可靠，需要定期开展必要的传感器性能检测。目前安徽省还未有相关实验室内针对传感器的检测规范。

3 标准主要技术内容解读

本标准重点是提出自动土壤水分传感器在实验室内的主要技术要求、性能指标的合理性，实验室检测条件、检测设备的组成、检测方法、数据处理方法等参数和方法制定的可行性。

3.1 检测设备

包括位置控制器、试剂池、数据处理计算机和辅助工具。

（1）位置控制器。用于安装固定被测土壤水分传感器，并调节被测土壤水分传感器在试剂池中的相对高度，应符合以下要求：

容积：2-3 m3；材质：哑光不锈钢，并带有静电接地装置；位置控制器顶部、侧壁中部、侧壁底部预留通讯、供电过线孔；垂直位移范围：0-120 cm；最大位移时间：≤1 min/120 cm；位移控制最大允许误差：±0.5 cm。

（2）试剂池。分为插管式试剂池和探针式试剂池。插管式试剂池为中空圆柱体，亚克力材质，外径40 cm，内径为5.5 cm，高度10 cm；探针式试剂池为圆柱体，亚克力材质，直径20 cm，高度10 cm，试剂池上方中心处开直径3 cm 圆孔，配备密封盖。

（3）数据处理计算机。采集、存储、显示被测土壤水分传感器的输出值。

（4）辅助工具。不同规格的玻璃烧杯，最小量程≥10 ml。

3.2 试验试剂的制备

试验试剂是二氧六环(dioxane)或2-异丙氧基乙醇(2-isoproxyethanol)与去离子水的混合溶液。使用玻璃烧杯将二氧六环(dioxane)或2-异丙氧基乙醇(2-isoproxyethanol) 与去离子水按比例调制。浓度选择5%±2.5%、10%±2.5%、15%±2.5%、25%±2.5%、饱和点。

3.3 检测方法

实验室环境下，将被测土壤水分传感器置于充满不同浓度配比试剂的试剂池中，采集其输出值，计算重复性和相对误差。

（1）环境条件。温度：（20±5）℃，相对湿度：≤85%RH。

（2）检测准备。将试剂池注满符合章节2 要求的某一浓度的试剂并固定。试剂池须密封，检测前静置不小于1h。使被测土壤水分传感器处于正常工作状态。

（3）检测采样过程。使用位置控制器调节被测土壤水分传感器至当前试剂池的中部，确保被测土壤水分传感器部件外沿距当前试剂池上下沿不少于1.0 cm。使用数据处理计算机采集被测土壤水分传感器输出值。

（4）重复性测试。分别使用充满不同试剂的试剂池，不间断记录被测土壤水分传感器输出值，时间≥24 h。

（5）相对误差采样。依次使用充满不同浓度试剂的试剂池，连续记录被测土壤水分传感器输出值。使用充满某一浓度试剂的试剂池时进行采样，采样时间间隔≥30 s，每次采样次数为3 次，被测土壤水分传感器输出值记录取3 次数值的平均值。

3.4 数据处理

3.4.1 重复性

重复性计算公式如下：

式中：

σ 为标准差，xi为第i 次检测样本频率值，x 为全体检测样本频率值的均值，n 为检测样本次数。

3.4.2 相对误差

相对误差计算公式如下：

式中：

xi为传感器在土壤中第i 次检测值，ai为传感器在某一浓度试剂池中第i 次检测值，N 为全体检测样本；为相对误差。

3.5 试验数据论证

3.5.1 一致性检测

传感器放置在试验试剂中24 h，记录传感器输出示值的变化曲线(图1)。

图1 传感器输出示值的变化曲线

10-100 cm 共8 层传感器的标准差分别是：0.0082、0.0042、0.0157、0.0118、0.0027、0.002、0.0013、0.0056 。

3.5.2 示值误差计算

传感器在试验试剂中（标准溶液）体积含水量与对应土壤中体积含水量之差的多次平均值的绝对误差(表1)。

检测点示值误差（技术指标≤5（% ））。检测点5%、10%、15%、20%、25%、饱和点分别为0.7、0.5、0.4、0、0.3、1.4。

表1 传感器在标准溶液中的测量值与对应土壤中的测量值

4 本标准预期的效果与实施建议

本标准的目的是规定了自动土壤水分传感器实验室检测项目、检测装置、试验试剂的制备、检测方法。开展此标准后可以更好地保障自动土壤水分站连续长时间稳定运行和观测数据准确可靠。

本标准的起草和修改严格按照GB/T 1.1--2009《标准化工作导则第1 部分：标准的结构和编写规则》的有关规定进行编写，作为推荐性地方标准由安徽省质量技术监督局发布，适用于实验室内自动土壤水分传感器自动土壤水分传感器实验室检测项目、检测装置、试验试剂的制备、检测方法。