DOZ-1型电阻冻土自动观测仪设计与试验

苗传海，沙 莉，郭宗凯，孙玉珍，郑 石，仁德发

(1.辽宁省气象装备保障中心，沈阳 110000；2.沈阳新力新信息技术有限公司，沈阳 110000)

0 引言

冻土是气象要素之一，是在气温下降到0 ℃或以下时的自然现象，是土壤性状的一个重要表现形态。季节性冻土深度随着气候环境变化而变化[1-3]，冻土监测对农业、建筑业具有广泛的影响[4-6]。为了改善人工方法观测冻土，提高资料的准确度，近些年研究者采用电阻法、射线法、电容法、时域反射法(TDR)及红外遥感法等开展了多方面的尝试。如张廷军[7]等采用可见光、红外及主动(被动)微波遥感技术监测冻土变化；李鹏[8]等设计电容式冻土传感器；刘银锋[9]等应用土壤介电特性监测冻土。此外，罗斯琼[10]等从气候变化角度推算了土壤冻融变化。各类研究对土壤冻融监测的精确性都有较大的推进作用，但仍没有达到与自动化气象站联网的需求。冻土深度是列入国家《地面气象观测规范》[11]的气象观测要素，到目前为止仍使用达尼林冻土器，停留在人工观测阶段。为有效避免人工观测产生的误差数据准确性的影响，同时满足冻土仪器的自动化观测，基于TB1型冻土器的感应内管的理念，于2016年10月上旬将原有的传统人工观测改进为机械手自动化观测，使冻土传感器分辨力、冻土层深度的精准识别及观测仪器的可靠性与稳定性得到大幅提升。2017年9月中旬确定研制电阻式冻土传感器，并在结构设计、加工工艺和软件阈值判断等方面进行了研究。2017—2018年冬季以TB1型达尼林冻土器为对照，选择具有代表性气象台站进行了实地检测。DOZ-1型电阻冻土自动传感器能够准确监测土壤冻融变化，联网自动上传，可替代人工值守，性能稳定、维护方便，实现了与自动气象站的对接。

1 基本原理与电介质选择

在物理学中，电阻是导体(电介质)对电流的阻碍作用，而不同的电介质电阻不同。电阻计算公式：R=ρL/S，其中，R为电阻；ρ为电阻的电阻率，由电介质本身性质决定；L为电介质的长度；S为电介质的横截面积。在电介质材料、长度与横截面确定不变的前提下，电阻率随温度变化。运用电介质电阻率随温度变化的特性，选用稳定电介质作为冻土观测仪的感应组件。在土壤冻融的热物理过程中，土壤冻融过程是温度降到0 ℃及以下时土壤水分呈冻结的物理状态[12]，这种状态使土壤中的水随着温度的变化产生不同的电阻，即随着温度升高土壤及水的电阻率下降[13]。如果以土壤作为电介质(感应组件)，因各地土壤性质的不同电阻不同。一般来说，在0 ℃状态下，陶黏土电阻率为10 Ω/cm；田园土为50 Ω/cm；而砂质黏土则为100 Ω/cm[14-16]；复杂的土质以及含水量造成土壤电阻率的差异较大。选择水作为土壤冻融感应组件相对土壤简单许多。水质大体可分为自然水、纯化水和蒸馏水等，其水质的不同对电阻率影响也比较明显。在0 ℃状态下，纯化水电阻率为2.4 Ω/cm，蒸馏水为0.5 Ω/cm，各地自然水的水质含量比较复杂，电阻率不尽相同。纯化水和蒸馏水水质稳定，为了取材方便统一，文章选用蒸馏水作为电阻冻土自动观测仪感应组件的电介质。利用水的相态与电阻特性关系基本原理，通过测量冰水转换时电阻值的变化，测定出土壤融冻层次和深度。

2 电阻冻土自动观测仪设计

2.1 传感器结构设计

传感器水冻融阈值设定为0.5 Ω，设定冻土层分辨力≤1 cm。如图1所示，冻土传感器主要由电源、数据采集处理器、采集器底座、绝热垫、冻阻感应器和保护外套管等组成。冻土测量传感器采用套管式结构，集成在一个整体机壳内，传感器外部有保护套管，套管底部有防水堵头，顶部有防雨水帽。安装时土壤切成剖面或打孔，将外套管埋入土壤中，然后把冻阻感应器插入防护管内。DOZ-1型自动传感器与TB1型人工冻土器的长度相同，均为150 cm。外套管地面部分：TB1为50 cm，DOZ-1为25 cm。冻土传感器的主电力为12 V蓄电池，辅助电力为交流电或太阳能电池或风能等，并对蓄电池进行充电。供电单元负责为冻阻感应器和数据处理器提供运行电力。

1—数据采集处理器；2—采集器底座；3—绝热垫；4—冻阻感应器；5—保护套管图1 DOZ-1型冻土传感器结构

2.2 传感器测量电路设计

如图2所示，采用基准电源50 Hz交流测量电路，产生交流信号的方式是经过变压的6 V交流电压，通过电极和取样电阻形成测试回路，取样电阻的电压经过转换器转换成可读取的数字量。

图2 传感器测量电路原理图

2.3 信号采集

基准电源使用的是AC 10 V/50 Hz交流电压，首先产生伪正弦信号(图3)，其最小电压为0 V，然后经过耦合，产生标准正弦波(图4)信号，经过传感器、采样电阻组成回路，此时测量的信号为交流电压值。在实际电路中，交流电发送的电信号能将上一级电路顺利传送至下一级电路，需要在上下两级电路之间增加1个隔直电容，隔离上下两级电路的直流电路。隔直电容的大小由交流信号的最低频率决定，通常要求其交流容抗不能大于100 Ω。容抗的计算公式：XC=1/2πfC，其中，XC代表电容容抗；f为频率，对工频是50 Hz；C为电容值。经过AC/DC转换，将交流信号变成直流有效值，即将模拟信号转换成数字信号，实际电路中采用了12位的A/D转换器，用于信号采集。

图3 伪正弦波

图4 标准正弦波

2.4 传感器输出电路设计

DOZ-1型电阻冻土自动观测系统由供电系统(太阳能电池板或交流供电)、供电单元、冻土传感器、数据处理单元和终端机(或自动气象站终端微机)等组成。

3 试验与结果分析

3.1 试验设计

试验目的：一是检定DOZ-1电阻冻土自动观测设备分辨力和阈值；二是DOZ-1型与TB1型冻土器人工观测对照(CK)检测判识感应器元件对土壤冻融变化识别的灵敏度，同时考察仪器性能的稳定性。设备现场布局：TB1型冻土器与参试设备呈东西向排列安装在试验场地内，间距为50 cm。电阻式冻土自动观测仪的感应器长度与TB1型达尼林冻土器相同，为150 cm。依据试验产品输出结果与人工观测数据对比，分析测试产品数据的准确性和可靠性。

3.2 试验时间与材料

2017-03-07T02：00—2017-03-08T08：00为分辨力与阈值测试时间，试验场地设在沈阳东陵区气象站(54342)。对比试验观测时间为2017-11-04—2018-04-18，选取沈阳(54342)、辽阳(54347)、丹东(54497)和喀左(54328)气象站为代表。场地配备220 V交流供电装置，对蓄电池进行充电。DOZ-1型冻土仪的外围部件包括供电箱安装立柱、支架和太阳能电池板等。观测场与值班室铺设1对双绞线通信电缆。

3.3 结果分析

3.3.1 分辨力与阈值结果分析

使用MF14型万用表连续观测获取地表10 cm范围冻融层次测定电阻值数据，当测得数据≥0.5 Ω时为水状态，<0.5 Ω时为冻融状态，与设计水冻融阈值为0.5 Ω相吻合。2017-03-07T00：00和2017-03-07T02：00地表温度较低，1～10 cm深度均为“冻结”状态；15：00、16：00，因地表温度升高，1～4 cm深度出现4 cm厚度的融化层，5～10 cm仍处于冻结状态；至当日20：00，随着地表温度的降低，1～2 cm深度再次“冻结”，而3～4 cm深度为水融状态，5～10 cm深度仍处于“冻结”状态。随着地表温度的继续下降，至次日02：00，3～4 cm深度也转为“冻结”状态。当水呈冻结状态时电阻值在0.02～0.03 Ω，水呈自然状态时电阻值在0.5 Ω以上，而水呈自然状态附近1～2 cm冻融交错处电阻值有所增加。据此表明，冻土深度传感器冻结阈值设定为0.5 Ω是合理的，能够准确地判识土壤冻融状态转换，实现1 cm分辨力的识别，满足《冻土仪功能规格需求书》相关要求。

3.3.2 平行观测结果分析

检测试验时间为2017-11-04—2018-04-20，上传数据时间与人工观测时间(08：00)一致。土壤冻融从2017-11-15开始至2018-04-18结束，冻土层下限共有155 d(组)观测数据，冻土层上限共有38 d(组)数据。

DOZ-1型电阻自动冻土仪与TB1型人工观测相比较，冻层下限最大深度相差1.0 cm，逐日观测值相差范围在 0～2 cm，平均相差1.0 cm，DOZ-1与TB1距离的标准差为0.76 cm，说明DOZ-1型电阻式冻土自动仪与TB1型人工观测数据之间距离波动量较小，观测数值相似度达到99.9%。冻层上限从2018-03-11开始至2018-04-18结束。DOZ-1型与TB1型人工观测相比较，逐日相差范围在 0～2 cm，平均相差0.8 cm，DOZ-1与TB1距离的标准差为0.78 cm，观测数值相似度达到99.9%。冻层下限DOZ-1型电阻冻土自动仪与TB1型人工触摸观测冻土冻融观测结果基本重合。

4 结束语

DOZ-1型电阻冻土自动观测设备是利用水相变时阻值突变的原理，由单片机系统完成数据采集、计算、存储和传输等任务，可无限次观测和读取数据，分辨力设定为1 cm，冻融阈值为0.5 Ω。DOZ-1型电阻冻土自动观测设备与常规TB1型人工冻土器相比，日观测冻土深度下限、上限平均差0.8～1.0 cm，距离的标准差为0.76～0.78 cm，测量误差在设定范围内，满足冻土自动测量技术要求。填补了国家冻土自动测量仪器的空白，加速了气象仪器观测自动化进程，也为土木工程建筑以及冻土研究提供了自动监测仪器。