地溫測定裝置調(diào)試與分析
——以黑龍江大學(xué)試驗(yàn)場5 m地溫鏈為例

王 帝,戴長雷,李鴻輝,于 淼,謝世堯

(1.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學(xué)中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

地溫計(jì)是測量土壤溫度的專用儀表，廣泛使用于農(nóng)業(yè)科研、實(shí)驗(yàn)基地、高校實(shí)驗(yàn)室等工作場所。但地溫計(jì)設(shè)置的錐形探頭僅可插入地表以下300 mm深度處。而測量高寒區(qū)地溫時(shí)，極限凍深可達(dá)2 m左右，所以為了準(zhǔn)確測量高寒區(qū)最大凍深的年變化范圍，5 m地溫鏈裝置是一個(gè)較好的選擇。該裝置測點(diǎn)數(shù)量多、配置多樣、功能擴(kuò)展靈活，每條地溫鏈長5 m，內(nèi)含上密下疏不均勻分布的21個(gè)測溫探頭，可動(dòng)態(tài)監(jiān)測地下溫度的變化，并根據(jù)不同地點(diǎn)的溫度變化過程分析其相應(yīng)地址構(gòu)造的溫度變化及不同土質(zhì)對(duì)溫度的感應(yīng)程度。

1 地溫鏈裝置的安置要求及選址

地溫鏈裝置首要的安裝要求是可以適應(yīng)寒冷環(huán)境，以保證測得高寒區(qū)地下5 m范圍內(nèi)的地溫?cái)?shù)據(jù)。裝置地表上的設(shè)施包括采集箱和供電裝置兩部分，為了避免裝置人為破壞，需盡量避開大量人員活動(dòng)的地區(qū)、農(nóng)作物耕種地區(qū)、公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施等，防止地溫鏈裝置線路被破壞，從而導(dǎo)致無法正常工作。在鉆孔過程中可能遇到地層中含有堅(jiān)硬巖石的土層，導(dǎo)致無法完成鉆孔，因此應(yīng)選擇土質(zhì)較為松軟能夠完成地下5 m鉆孔的位置進(jìn)行鉆孔并布設(shè)測溫電纜。

地溫鏈裝置的供電方式為蓄電池和太陽能電池板聯(lián)合供電，須選擇光照條件較好地點(diǎn)以使太陽能電池板不被樓房、樹木遮擋，保證供電穩(wěn)定，以使地溫鏈裝置正常工作。地溫鏈裝置需要通過傳輸裝置將測得數(shù)據(jù)發(fā)送出來，要保證裝置天線不會(huì)被雨雪大風(fēng)干擾、破壞，同時(shí)要選擇信號(hào)良好的位置，以使數(shù)據(jù)能夠順利發(fā)送。裝置外殼具備防雨防寒功能，使裝置能夠不被雨雪干擾、不被腐蝕，能夠正常接收、發(fā)送數(shù)據(jù)。

經(jīng)綜合評(píng)價(jià)后，裝置的安裝地址選在黑龍江省哈爾濱市南崗區(qū)黑龍江大學(xué)禹志園水利電力學(xué)院試驗(yàn)場內(nèi)，土地較為平坦，無堅(jiān)硬巖石土層，土質(zhì)較為松軟，可以進(jìn)行地下5 m以上的鉆孔，能夠正常完成測溫電纜的布設(shè)；同時(shí)試驗(yàn)場內(nèi)人員活動(dòng)較少，可以較好的避免人為活動(dòng)干擾地溫鏈裝置運(yùn)行。

2 地溫鏈裝置的安裝

2.1 鉆孔并埋設(shè)測溫電纜

由于供電方式為太陽能電池板與蓄電池聯(lián)合供電，所以裝置需安裝在光照充足且無高大建筑物遮擋的位置，而鉆孔位置則需要在機(jī)箱附近選擇，太陽能電池板與機(jī)箱間的距離及機(jī)箱與鉆空間的距離過長，易使其間的連接線破損，造成機(jī)箱無法正常收發(fā)數(shù)據(jù)。在機(jī)箱3 m處選擇了間距為1 m的3個(gè)呈直線分布的測溫孔，做好標(biāo)記并鉆孔。

在選定地點(diǎn)內(nèi)向地下鉆5.5 m的鉆孔(預(yù)留塌孔深度0.5 m)，保證測溫電纜能夠正常測量地下5 m范圍內(nèi)的地溫。為了保證測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性并盡可能地減小誤差，保證測溫電纜能夠正常測量，本設(shè)計(jì)將采用由套住鋼管、PVC管和裸露的3根測溫電纜分別測量地下5 m內(nèi)各點(diǎn)的地溫，通過這幾種方式，在保持測溫電纜正常工作的同時(shí)，測得數(shù)據(jù)并分析其造成的影響，得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2.2 安裝采集箱與供電設(shè)施

在埋設(shè)機(jī)箱之前，先挖出底座大小的坑，將底座埋入地下固定機(jī)箱，保證機(jī)箱完全固定在地上。同時(shí)機(jī)箱底部距離地面要留有20 cm高度，方便將三條測溫電纜、采集儀接地線、天線和太陽能電池板接入機(jī)箱內(nèi)部。確定好距離后填土埋實(shí)，機(jī)箱外殼安裝完畢。

打開機(jī)箱外殼，將MRDT605智能地溫?cái)?shù)據(jù)采集儀安裝到機(jī)箱外殼內(nèi)部，并將三條測溫電纜淺埋到地下，防止裸露在地表部分被破壞，將測溫電纜引到機(jī)箱外殼下面，通過接線口連接到地溫?cái)?shù)據(jù)采集儀。

打開太陽能板接線端，藍(lán)色接正極，綠色接負(fù)極。將太陽能電池板連接線沿支架固定，將線埋入地下連接到機(jī)箱，通過接線口連接到太陽能板控制器上，太陽能板控制器的3個(gè)插頭分別為太陽能板、蓄電池和機(jī)箱，對(duì)應(yīng)相應(yīng)圖標(biāo)分辨如圖1。

圖1 太陽能板接線端和太陽能板控制器

3 地溫鏈裝置調(diào)試與潛在誤差分析

3.1 采集儀的設(shè)置與調(diào)試

3.1.1 采集軟件的安裝

打開儀器附帶光盤，將 MRDT605目錄拷貝到硬盤，同時(shí)在桌面創(chuàng)建一個(gè)快捷方式，進(jìn)入MRDT605目錄下，雙擊“MRDT605組件注冊(cè)”目錄下的“組件注冊(cè)器.cmd”將軟件運(yùn)行時(shí)必須使用的庫文件copy并注冊(cè)到 Windows系統(tǒng)，否則軟件啟動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤警告窗口。

雙擊MRDT605目錄下“MRDT605數(shù)據(jù)采集軟件.exe”，啟動(dòng)MRDT605 數(shù)據(jù)采集軟件，軟件啟動(dòng)后界面如圖2所示，軟件啟動(dòng)后自動(dòng)進(jìn)入遠(yuǎn)程接收狀態(tài)，同時(shí)在界面左下角顯示當(dāng)前使用的本機(jī)COM串口編號(hào)。

3.1.2 采集儀的設(shè)置

首先將機(jī)箱上的九針串口(COM口)與電腦連接，接下來啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，打開機(jī)箱電源，按下機(jī)箱設(shè)置按鈕開啟將整個(gè)采集儀系統(tǒng)電源，機(jī)箱電源指示燈亮起，系統(tǒng)供電正常，開始正常工作。

COM口是在 MRDT605的前面板上的九芯D型頭插座(插孔式)用于本地?cái)?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)下載和采集箱參數(shù)設(shè)置等，如圖3所示。

線路連接成功后，打開“H71184G GPRS配置工具”，顯示如圖4所示參數(shù)，修改DTU身份識(shí)別碼為本機(jī)箱SIM卡號(hào)碼，設(shè)置DSC的域名1為HLJDX.noip.cn，其余不做修改，完成后點(diǎn)擊“設(shè)置參數(shù)”，寫入GPRS模塊成功后，點(diǎn)擊“獲取參數(shù)”看修改的參數(shù)是否正常寫入，修改成功后即可。

圖2 MRDT605數(shù)據(jù)采集軟件主界面

圖3 機(jī)箱面板

圖4 修改DTU身份識(shí)別碼和DSC域名

設(shè)置串口信息，如圖5所示，點(diǎn)擊“通訊管理”→“設(shè)置通訊端口”，選擇正確的端口號(hào)來保證正常的通訊，否則會(huì)出現(xiàn)通訊故障。電腦原生的 RS-232接口通常為COM1。 在界面左下角顯示當(dāng)前正在使用的本機(jī)COM串口編號(hào)點(diǎn)擊“COM”圖標(biāo)選擇本地通訊，點(diǎn)擊“GPS”圖標(biāo)選擇遠(yuǎn)程通訊?！斑h(yuǎn)程服務(wù)端口設(shè)置”缺省為 5002，與遠(yuǎn)程通訊模塊相對(duì)應(yīng)，不能修改，否則在遠(yuǎn)程通訊方式時(shí)會(huì)接收不到上傳的數(shù)據(jù)。

圖5 設(shè)置串口信息

點(diǎn)擊菜單欄“系統(tǒng)設(shè)置”→“系統(tǒng)參數(shù)配置”，進(jìn)入采集儀參數(shù)設(shè)置界面，將采集箱設(shè)置為允許，否則將影響采集進(jìn)度。

主控箱內(nèi)置的定時(shí)器可使用“MRDT605 智能數(shù)據(jù)采集軟件”集成的采集時(shí)間管理程序進(jìn)行設(shè)置。先關(guān)閉“電源開關(guān)”，按下“主控箱”面板上的“設(shè)置”按鍵，再開啟“電源開關(guān)”，這時(shí)“電源指示”和“設(shè)置指示”亮。點(diǎn)擊軟件“采集時(shí)間管理”→“設(shè)置采集時(shí)間”進(jìn)入采集時(shí)間設(shè)置界面，如圖6所示。

圖6 定時(shí)器參數(shù)數(shù)據(jù)

點(diǎn)擊“本地”、“指定開啟日期”、日期全選，設(shè)置定時(shí)器開機(jī)時(shí)間每次工作時(shí)長為15 min，最后點(diǎn)擊設(shè)置，刷新定時(shí)器時(shí)鐘設(shè)置，對(duì)比與本地時(shí)間差異，差異較小即可。

點(diǎn)擊“采集儀參數(shù)配置”中“傳感器參數(shù)配置”，如圖7所示。讀取當(dāng)前采集箱參數(shù)，設(shè)置采集箱編號(hào)(8位)，斷面號(hào)(4位)。如圖8所示。設(shè)置當(dāng)前采集箱參數(shù)。至此，采集儀設(shè)置與調(diào)試完成。

3.2 數(shù)據(jù)采集分析

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

采集儀正常運(yùn)行后，需定期采集數(shù)據(jù)，用以確認(rèn)儀器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，儀器每3 h收集一次數(shù)據(jù)，收集時(shí)間分別為0:00、3:00、6:00、9:00、12:00、15:00、18:00、21:00，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)盡量避免在儀器收集數(shù)據(jù)的時(shí)間操作。

為了防止數(shù)據(jù)漏接，本裝置還設(shè)有本地?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程為：首先關(guān)閉采集儀電源，將機(jī)箱COM口與電腦連接，按下設(shè)置按鈕，等待10 s，開啟電源，在電腦上打開MRDT605數(shù)據(jù)采集軟件，點(diǎn)擊通訊管理，選擇本地通訊，下載采集儀數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊開始下載。隨后選擇下載地址(為方便尋找，可在桌面上創(chuàng)建單獨(dú)文件夾)，點(diǎn)擊下載即可。

圖7 傳感器參數(shù)配置

圖8 采集箱編號(hào)、斷面號(hào)

下載完成后點(diǎn)擊計(jì)算下載的數(shù)據(jù)，選擇剛下載的文件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算完成后得到計(jì)算結(jié)果，最后關(guān)閉開關(guān)，彈起設(shè)置按鈕，斷開COM口，等待1 min后，打開機(jī)箱開關(guān)，數(shù)據(jù)采集結(jié)束。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

在測得數(shù)據(jù)中，一號(hào)測溫探頭在2018年12月21日測得的八組數(shù)據(jù)中存在異常，異常的數(shù)據(jù)如表1所示，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1為2018年12月21日測點(diǎn)1溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析0:00、3:00、6:00、9:00測得的4組數(shù)據(jù)中21個(gè)測溫探頭分別測得的數(shù)據(jù)誤差均在正常范圍內(nèi)，而12：00、15：00、18：00、21：00測得的4組數(shù)據(jù)中，1～19號(hào)測溫探頭測得的數(shù)據(jù)誤差在正常范圍內(nèi)，20號(hào)、21號(hào)測溫探頭測得的數(shù)據(jù)存在異常，誤差較大。

4組數(shù)據(jù)中20號(hào)、21號(hào)測溫探頭存在較大誤差的原因有可能是以下幾種：(1)20號(hào)、21號(hào)測溫探頭故障，無法正常工作。(2)20號(hào)、21號(hào)測溫探頭連接故障。(3)測溫電纜線路內(nèi)部故障，導(dǎo)致兩個(gè)探頭測得的數(shù)據(jù)異常。(4)測溫電纜與機(jī)箱連接松動(dòng)。(5)采集儀內(nèi)部出現(xiàn)故障。

表1 2018年12月21日測點(diǎn)1溫度數(shù)據(jù) ℃

經(jīng)初步分析故障后，在機(jī)箱安裝處實(shí)地排查，最終確定原因是測溫電纜與機(jī)箱接觸不良，導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。經(jīng)修整后成功排除問題，20號(hào)、21號(hào)測溫探頭恢復(fù)正常工作。

采集數(shù)據(jù)的VOLT0003測點(diǎn)為采集箱的電源電壓，若低于 11.00 V，需要及時(shí)充電或更換蓄電池，否則將影響裝置正常工作， 2018年12月26—27日采集箱電源電源如表2所示，經(jīng)分析采集儀工作期間電源電壓均高于11.00 V。

3.2.3 誤差分析

經(jīng)過對(duì)測得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，出現(xiàn)誤差的原因可能有以下幾種。

(1)埋在地下的測溫探頭通過NTC/PTC熱敏電阻溫度傳感器測量地溫，電阻的測量精度為±0.1%，電阻分辨率為：0.1 Ω，在測量精度上不能達(dá)到百分之百的準(zhǔn)確，因此測溫探頭測量時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

表2 2018年12月26—27日采集箱電源電壓 V

(2)地溫裝置中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)需要經(jīng)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行計(jì)算，從而得出溫度數(shù)據(jù)，在計(jì)算的過程中會(huì)產(chǎn)生相對(duì)的計(jì)算誤差。

(3)在經(jīng)過數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行計(jì)算而得到的數(shù)據(jù)中，取值只取小數(shù)點(diǎn)后兩位，而從軟件中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)卻有7位小數(shù)，因此在取值過程中會(huì)產(chǎn)生一定的取值誤差。

(4)儀器正常工作運(yùn)行中主要依靠蓄電池供電，蓄電池則需太陽能電池板充電，太陽能電池板可能由于天氣原因?qū)е卤砻媛溆蟹e雪、灰塵、落葉等，嚴(yán)重影響太陽能電池板為蓄電池供電，從而導(dǎo)致蓄電池電壓低于11.00 V影響儀器采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)采集中出現(xiàn)誤差，所以在儀器正常運(yùn)行后需要定期檢查、清理太陽能電池板表面。

4 結(jié) 論

(1)在安裝過程中點(diǎn)需注意的有：測溫電纜與機(jī)箱連接線和太陽能電池板與機(jī)箱連接線需埋設(shè)到地表以下，不能裸露在地面上，以防人為因素、自然因素造成破損；太陽能電池板在安放時(shí)需選擇光照條件良好、附近無高大建筑遮擋的位置，并且要定期清理太陽能電池板上可能存在的積雪、落葉等；儀器安裝完畢后，需檢查線路連接是否牢靠，確保儀器能夠正常收發(fā)數(shù)據(jù)。

(2)在調(diào)試的過程中需注意的是：在現(xiàn)場調(diào)試之前要先按下設(shè)置按鈕，再打開儀器開關(guān)，現(xiàn)場調(diào)試之后須彈起設(shè)置按鈕，關(guān)閉電源開關(guān)等待1 min再打開，這樣采集儀的定時(shí)啟停工作才會(huì)由定時(shí)器按照設(shè)定的時(shí)間程序進(jìn)行。

(3)將裝置成功安裝調(diào)試完成后，用如下方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷是否準(zhǔn)確：電阻采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)-11.1 Ω或-1.1 Ω表示無窮大，證明該測點(diǎn)線纜斷開，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；采集數(shù)據(jù)的最后測點(diǎn)是采集箱的電源電壓，確保電源電壓一直高于11.00 V，否則數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確；最后，對(duì)計(jì)算所得溫度數(shù)據(jù)分析，無異常則數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。