用於FDR管式土壤水分傳感器的故障診斷裝置及檢測方法與流程
2023-05-31 09:08:07 2
本發明涉及一種故障診斷裝置，具體是一種用於FDR管式土壤水分傳感器的故障診斷裝置及檢測方法。
背景技術：
土壤水分傳感器是一種在氣象、農業、生態及水文環境領域使用的土壤含水量測量儀器。基於FDR（Frequency Domain Reflectometry，頻域反射法）原理的土壤水分傳感器主要由一對圓形金屬環組成一個電容，其間的土壤充當電介質，電容與振蕩器組成一個調諧電路，傳感器電容量與兩極間被測介質的介電常數成正比關係。由於水的介電常數比一般介質的介電常數要大得多，所以當土壤中的水分增加時，其介電常數相應增大，測量時傳感器給出的電容值也隨之上升，相應的，傳感器的測量頻率也會發生變化。利用土壤水分傳感器在不同土壤含水量中的頻率變化來測量土壤體積含水量。一般地，一個FDR管式土壤水分傳感器中包含多個電容，電容位置可調，可分別測量不同深度的土壤體積含水量。
目前，對FDR管式土壤水分傳感器的故障診斷主要是通過對比人工觀測土壤水分含量與傳感器測量數據來進行的，人工觀測採用中國氣象局《農業氣象觀測規範》規定的烘乾稱重法。採用烘乾稱重法測量土壤含水量的主要優點是精度較高、測量範圍寬，但是存在著以下缺點：一，烘乾稱重法是由人工完成的，它必須將所採土樣由田間取回實驗室進行烘乾、稱重，最後通過計算求出土壤的含水量，因此工作量大、效率低；二，測量周期長，從土壤採樣到烘乾、稱重、計算往往需要較長的時間，通常需要24小時，較快也需要5~12小時，給快速測量帶來很大的不便；三，採樣土壤時破壞土壤結構，不宜定點長期觀察。基於此，有必要發明一種能夠快速診斷FDR管式土壤水分傳感器是否故障、不破壞土壤結構、能夠定點長期觀察的自動化裝置，以解決傳統故障診斷方法人工工作量大、效率低、測量周期長、破壞土壤結構、不宜定點長期觀察的缺點。
技術實現要素：
為了解決傳統故障診斷方法人工工作量大、效率低、測量周期長、破壞土壤結構、不宜定點長期觀察的缺點，本發明提供了一種用於FDR管式土壤水分傳感器的故障診斷裝置及檢測方法。
本發明為實現上述目的，是採用如下技術方案實現的：一種用於FDR管式土壤水分傳感器的故障診斷裝置及方法，包括步進電機、絲槓、導軌、其特徵在於：還包括底座、第一支架Ⅰ、套環、第二支架、土壤水分環境模擬裝置、電控裝置、調平螺栓、支撐塊Ⅰ、支撐塊Ⅱ、第一支架Ⅱ、接近開關Ⅰ、接近開關Ⅱ、金屬薄片Ⅰ、金屬薄片Ⅱ；
所述底座兩端支撐塊的下面分別固定兩個調平螺栓，所述步進電機、電控裝置、燕尾導軌、支撐塊Ⅰ、支撐塊Ⅱ、第一支架Ⅰ和第一支架Ⅱ分別固定在底座上，底座上面固定的支撐塊Ⅰ、支撐塊Ⅱ之間為燕尾導軌，步進電機和電控裝置設置在支撐塊Ⅱ的一側，所述第二支架通過下端的燕尾槽與燕尾導軌的配合設置在燕尾導軌上，所述絲槓設置在第二支架中間的螺孔中，絲槓的外螺紋與絲槓螺孔的內螺紋螺接配合，絲槓一端的軸輥設置支撐塊Ⅰ上端孔內的軸套中，絲槓另一端的軸輥穿過支撐塊Ⅱ上端孔內的軸套通過聯軸器與步進電機連接，所述土壤水分環境模擬裝置固定在第二支架上端的弧形面上，在土壤水分環境模擬裝置的兩個面上分別粘接有金屬薄片Ⅰ、金屬薄片Ⅱ，在第一支架Ⅰ上固定有接近開關Ⅰ和一個套環，在第一支架Ⅱ上固定有接近開關Ⅱ和一個套環，兩個套環的環心分別與土壤水分環境模擬裝置孔心同心，所述電控裝置與步進電機連接，步進電機驅動絲槓轉動，使絲槓上的第二支架沿燕尾導軌往復移動。
一種用於FDR管式土壤水分傳感器的故障診斷裝置的檢測方法，其特徵在於：步驟如下，
第一步、準備工作，
將裝置置於室內地面上，通過調節四個調平螺栓使裝置平穩放置，調節工作完成；
為了提高本發明的工作效率和測量準確度，土壤水分環境模擬裝置採用PVC材料製作封閉式圓形腔體，腔體內部全部密封水，這樣防止了水的流失，可以長期穩定的模擬一定含水量的土壤環境；
將兩個套環的上套環與下套環展開，然後將土壤水分傳感器穿過土壤水分環境模擬裝置的孔，使土壤水分傳感器頭部放置在第一支架Ⅱ上的下套環上，尾部放置在第一支架Ⅰ上的下套環上，調節土壤水分傳感器擺放位置，使土壤水分傳感器中所有位置的電容處在第一支架Ⅰ和第一支架Ⅱ之間，待擺放平穩後，通過螺母將上套環與下套環閉合在一起，從而將土壤水分傳感器固定，土壤水分傳感器的管壁與孔壁之間的間隙不超過1mm，保證了土壤環境模擬的真實性，
將裝置通電開機，其通訊線接入上位機，土壤水分傳感器通電，其數據通訊線接入上位機，完成準備工作；
第二步驟、通過上位機對電控裝置發送復位命令，控制步進電機驅動第二支架帶動土壤水分環境模擬裝置向接近開關Ⅱ位置移動，當土壤水分環境模擬裝置上金屬薄片Ⅱ距接近開關Ⅱ2~3mm時，接近開關Ⅱ輸出信號到電控裝置，控制步進電機停止轉動，此時，土壤水分環境模擬裝置停止在復位位置，完成復位工作；
為了防止誤操作導致步進電機長時間轉動，驅動土壤水分環境模擬裝置持續向第一支架Ⅰ方向移動，並與第一支架Ⅰ發生碰撞，在第一支架Ⅰ上固定了接近開關Ⅰ，當土壤水分環境模擬裝置上金屬薄片Ⅰ距接近開關Ⅰ2~3mm時，接近開關Ⅰ輸出信號到電控裝置，控制步進電機停止轉動，起到保護裝置的作用；
通過產品說明書確定土壤水分傳感器中各層電容，即距離傳感器頭部最近的電容為第一層電容，其餘電容按順序依次為第二層電容、第三層電容至第N層電容的具體位置以及間距，然後利用工具測量出此時土壤水分環境模擬裝置與第一層電容的距離，從而確定土壤水分環境模擬裝置從復位位置到完全包覆住第一層電容所需要的移動距離，通過上位機對電控裝置發送移動命令，控制步進電機驅動第二支架帶動土壤水分環境模擬裝置由復位位置移動至第一層電容處，待2~3分鐘過後讀取上位機上傳感器輸出的土壤水分數據，通過和土壤水分環境模擬裝置標準值作對比，實際測定值在標準值誤差範圍內，則判斷第一層電容正常，否則判斷第一層電容故障；
第三步驟、根據第二步驟中確定的第一層電容和第二層電容的間距，通過上位機對電控裝置發送移動命令，控制步進電機驅動第二支架帶動土壤水分環境模擬裝置由第一層電容移動至第二層電容處，待2~3分鐘過後讀取上位機上傳感器輸出的土壤水分數據，通過和土壤水分環境模擬裝置標準值作對比，實際測定值在標準值誤差範圍內，則判斷第二層電容正常，否則判斷第二層電容故障；
第四步驟、採用第三步驟方法，依次對第三層電容至第N層電容進行故障診斷，
從而判斷土壤水分傳感器是否存在故障，以及故障位置。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：
採用土壤水分環境模擬裝置代替現有方法中的採樣土壤，大幅減少了人工工作量，縮短了測量周期，自動化程度高，節省了人力、物力，提高了故障診斷的工作效率，並且沒有破壞土壤結構，可定點長期觀察。
附圖說明
圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為本發明的結構分解示意圖；
圖3為本發明套環的結構示意圖；
圖4為土壤水分環境模擬裝置的剖面圖。
具體實施方式
為了更進一步闡述本發明所採取的技術手段及其效果，下面結合優選實施例及其附圖對本發明應用於FDR管式土壤水分傳感器的故障診斷裝置作進一步詳細描述。
如圖1至圖4所示，一種用於FDR管式土壤水分傳感器的故障診斷裝置，包括步進電機4、絲槓5、導軌6，還包括底座1、第一支架2、套環3、第二支架7、土壤水分環境模擬裝置8、電控裝置9、調平螺栓10、支撐塊Ⅰ11、支撐塊Ⅱ12。
土壤水分環境模擬裝置8為封閉式圓形腔體，在封閉式圓形腔體面上設有孔8-1，在封閉式圓形腔體內封裝標準克重的水8-2。
套環3包括上套環3-1、下套環3-2、螺柱3-3、螺母3-4、銷軸3-5。
上套環3-1一端為半圓形體，另一端為矩形臺，在矩形檯面上設有螺柱孔，在半圓形體的端面上設有片狀凸起3-1-1，在片狀凸起3-1-1面上設有開口槽3-1-1。
下套環3-2為半圓形體，在半圓形體的中間面上設有螺孔3-2-3，在半圓形體一側的弧面上設有開口槽Ⅰ3-2-1，在半圓形體另一側的平臺上設有開口槽Ⅱ3-2-2，在開口槽Ⅰ3-2-1和開口槽Ⅱ3-2-2的兩個壁上分別設有銷軸孔。
螺柱3-3下端置於下套環3-2開口槽Ⅱ3-2-2內，通過銷軸3-5將螺柱3-3連接在下套環3-2上，螺柱3-3上端在開口槽Ⅱ3-2-2內可左右展開。
上套環3-1的片狀凸起3-1-2設置在下套環3-2的開口槽Ⅰ3-2-1中，通過銷軸3-5與下套環3-2連接在一起，上套環3-1和下套環3-2可展開或閉合。
閉合時，上套環3-1的矩形臺與下套環3-2平臺相對接，螺柱3-3上端置於上套環3-1開口槽內，通過螺母3-4將上套環3-1、下套環3-2固定在一起，上套環3-1半圓形體和下套環3-2半圓形體相對應構成一個環。
在底座1兩端支撐塊1-1的下面分別螺裝固定兩個調平螺栓10，
將步進電機4、電控裝置9、燕尾導軌6、支撐塊Ⅰ11、支撐塊Ⅱ12、第一支架Ⅰ2和第一支架Ⅱ13分別固定在底座1上，底座1上面螺裝固定的支撐塊Ⅰ11、支撐塊Ⅱ12之間為燕尾導軌6，步進電機4和電控裝置9設置在支撐塊Ⅱ12的一側，第二支架7通過下端的燕尾槽與燕尾導軌6的配合設置在燕尾導軌6上，絲槓5設置在第二支架7中間的螺孔7-1中，絲槓5的外螺紋與絲槓5螺孔7-1的內螺紋螺接配合，絲槓5一端的軸輥設置支撐塊Ⅰ11上端孔內的軸套中，絲槓5另一端的軸輥穿過支撐塊Ⅱ12上端孔內的軸套通過聯軸器與步進電機4連接，將土壤水分環境模擬裝置8粘接在第二支架7上端的弧形面7-2上，在土壤水分環境模擬裝置8的兩個面上分別粘接有金屬薄片Ⅰ16、金屬薄片Ⅱ17，在第一支架Ⅰ2上固定有接近開關Ⅰ14和一個套環3，在第一支架Ⅱ13上固定有接近開關Ⅱ15和一個套環3，兩個套環3的環心分別與土壤水分環境模擬裝置8孔8-1心同心，電控裝置9通過導線與步進電機4連接，步進電機4驅動絲槓5轉動，使絲槓5上的第二支架7沿燕尾導軌6往復移動。
一種用於FDR管式土壤水分傳感器的故障診斷裝置的檢測方法，步驟如下：
第一步、準備工作，
將裝置置於室內地面上，通過調節四個調平螺栓10使裝置平穩放置，調節工作完成；
為了提高本發明的工作效率和測量準確度，土壤水分環境模擬裝置8採用PVC材料製作封閉式圓形腔體，腔體內部全部密封水8-2，這樣防止了水8-2的流失，可以長期穩定的模擬一定含水量的土壤環境。
將兩個套環3的上套環3-1與下套環3-2展開，然後將土壤水分傳感器穿過土壤水分環境模擬裝置8的孔8-1，使土壤水分傳感器頭部放置在第一支架Ⅱ13上的下套環3-2上，尾部放置在第一支架Ⅰ2上的下套環3-2上，調節土壤水分傳感器擺放位置，使土壤水分傳感器中所有位置的電容處在第一支架Ⅰ2和第一支架Ⅱ13之間，待擺放平穩後，通過螺母3-4將上套環3-1與下套環3-2閉合在一起，從而將土壤水分傳感器固定，土壤水分傳感器的管壁與孔8-1壁之間的間隙不超過1mm，保證了土壤環境模擬的真實性。
將裝置通電開機，其通訊線接入上位機，土壤水分傳感器通電，其數據通訊線接入上位機，完成準備工作。
第二步驟、通過上位機對電控裝置9發送復位命令，控制步進電機4驅動第二支架7帶動土壤水分環境模擬裝置8）接近開關Ⅱ15位置移動，當土壤水分環境模擬裝置8上金屬薄片Ⅱ17距接近開關Ⅱ15為2~3mm時，接近開關Ⅱ15輸出信號到電控裝置9，控制步進電機4停止轉動，此時，土壤水分環境模擬裝置8停止在復位位置，完成復位工作。
為了防止誤操作導致步進電機4長時間轉動，驅動土壤水分環境模擬裝置8持續向第一支架Ⅰ2方向移動，並與第一支架Ⅰ2發生碰撞，在第一支架Ⅰ2上固定了接近開關Ⅰ14，當土壤水分環境模擬裝置8上金屬薄片Ⅰ16距接近開關Ⅰ14為2~3mm時，接近開關Ⅰ14輸出信號到電控裝置9，控制步進電機4停止轉動，起到保護裝置的作用；
通過產品說明書確定土壤水分傳感器中各層電容，即距離傳感器頭部最近的電容為第一層電容，其餘電容按順序依次為第二層電容、第三層電容至第N層電容的具體位置以及間距，然後利用工具測量出此時土壤水分環境模擬裝置8與第一層電容的距離，從而確定土壤水分環境模擬裝置8從復位位置到完全包覆住第一層電容所需要的移動距離，通過上位機對電控裝置9發送移動命令，控制步進電機4驅動第二支架7帶動土壤水分環境模擬裝置8由復位位置移動至第一層電容處，待2~3分鐘過後讀取上位機上傳感器輸出的土壤水分數據，通過和土壤水分環境模擬裝置標準值作對比，實際測定值在標準值誤差範圍內，則判斷第一層電容正常，否則判斷第一層電容故障。
第三步驟、根據第二步驟中確定的第一層電容和第二層電容的間距，通過上位機對電控裝置9發送移動命令，控制步進電機4驅動第二支架7帶動土壤水分環境模擬裝置8由第一層電容移動至第二層電容處，待2~3分鐘過後讀取上位機上傳感器輸出的土壤水分數據，通過和土壤水分環境模擬裝置標準值作對比，實際測定值在標準值誤差範圍內，則判斷第二層電容正常，否則判斷第二層電容故障。
第四步驟、採用第三步驟方法，依次對第三層電容至第N層電容進行故障診斷，
從而判斷土壤水分傳感器是否存在故障，以及故障位置。