地温及草温传感器接线结构优化研究与应用评估

1 引言

随着气象现代化建设的加速推进，由国家级自动气象站、新一代天气雷达、卫星、高空探测等构成的立体综合观测网，显著提升了我国灾害性天气的监测预警能力。气象高质量发展对观测数据的质量、稳定性和时效性提出了更高的要求，国家级自动气象站作为地面观测的核心，其数据质量尤为关键。地表、浅层温度及草温是国家级自动站观测的重要要素，广泛应用于气候研究、环境监测、农业生产和防灾减灾等领域。

然而，现行《地面气象观测场规范化图册》及地方性技术方案如《福建省地面气象观测自动化台站标准化建设指导技术方案》要求目标传感器安装于观测场西南角，地温分采机箱安装于深层地温场西侧，两者直线距离通常大于 7.5 米，其中草温传感器至分采机箱可达 10米，实际布线长度约需15 米。当传感器发生故障需更换时，维护人员需依次掀开沉重的地沟石材盖板和线槽盖板进行操作，流程繁琐，耗时费力，严重影响故障排除速度，降低了观测数据的可用性。同时，该布线方式要求传感器线缆长度必须达到15 米以上，常规备件线缆往往长度不足，难以满足快速维修需求。这种维护瓶颈已成为制约观测业务高效运行和保障数据质量的重要因素。

为此，本研究在严格遵守现有规范对传感器和分采机箱安装位置要求的前提下，提出对接线结构进行优化改造：在浅层地温场旁增设接线盒作为传感器线缆的中继节点。本研究旨在：(1) 设计并实现一种高可靠性、易维护的接线优化方案；(2) 科学评估改造对观测数据质量的影响；(3) 量化验证其在提升维护维修及检定工作效率方面的效果。

2 接线结构优化方案设计

2．1 优化方案设计内容

2.1.1 增设接线盒

在浅层地温场附近安装一个专用的防护接线盒，安装位置通常选择在地沟(即观测场小路)与地温场之间，既可最大限度缩短到传感器和地沟的距离便于施工和后期的维护维修，又能使接线盒与其他设备东西成行，保持观测场整体美观。

2.1.2 线缆连接方式

（1）所有目标传感器的线缆就近接入该接线盒内的端子排

（2）从接线盒的输出端子排引出一组延长线缆，敷设至地温分采机箱并接入对应端口。所有线缆应穿管保护并做好出口封堵，埋设于地中或地沟内。

图1 备站地温及草温接线优化方案示意图

2.1.3 关键材料选型（1）接线盒技术要求

①高防护等级：必须达到IP65 或更高等级，确保防水、防尘、防潮。

②防虫防蚁：进线孔配备密封胶圈或防虫模块。

③耐腐蚀：箱体材质选用优质工程塑料或不锈钢烤漆，耐受户外恶劣环境（高温、低温、紫外线、盐雾、高湿等）。

④ 内部结构：配备可靠的接线端子排，便于线缆连接与固定，标识清晰。

（2）延长线缆选用优质铜芯线缆，要求：

① 导体：高纯度无氧铜，确保低阻抗，减小信号衰减。

②屏蔽层：必须具有铝箔或铜网屏蔽层，有效抑制电磁干扰

③护套：耐候性好，抗UV、耐高低温、耐酸碱；柔韧性佳，如PUR 或优质PVC。

④ 线径：满足信号传输要求并留有余量，为确保信号传输质量，本研究采用 1.0mm^; ²线径。

（3）安装支架：选用不锈钢或热镀锌材质，确保牢固、耐腐蚀。

2.2 方案优势

①降低故障率。延长线缆通过穿管和出口封堵，杜绝鼠患，降低线缆中断的故障率。②大幅缩短维护路径。维护人员仅需打开就近的接线盒即可进行传感器线缆的检查和更换，无需再掀开长距离的地沟盖板和线槽盖板，操作上更加省时省力。③降低备件要求。传感器只需配备长度满足从安装位置到接线盒（通常仅需 1-2 米）的线缆，极大降低了对超长（15 米以上）特殊规格备件的依赖，通用性更强。

④提升维护效率。显著缩短故障诊断和传感器更换时间，提高平均修复时间

⑤保障数据连续性。快速维护意味着传感器故障导致的观测数据中断时间大大减少，有效提升数据可用率。

3 研究方法与技术路线

3.1 试点选择与改造实施

3.1.1 选择具有代表性的国家级自动气象站备站做为改造试点站。

3.1.2 在备站严格按照前述方案进行改造

①现场勘查确定接线盒最佳安装位置。

②安装接线盒支架及接线盒本体。

③敷设延长线缆（从接线盒至地温分采机箱），地沟内线缆穿钢管保护，钢管做好出入口封堵和可靠接地；

④将目标传感器线缆截短至合适长度，接入接线盒端子排。

⑤将延长线缆两端分别接入接线盒输出端子和地温分采机箱输入端；线缆屏蔽层于地温分采端可靠接地。

⑥ 做好所有接口的防水密封处理，整理线缆，恢复现场。

3.2 数据对比分析方法

3.2.1 数据采集

① 持续采集主、备站改造前（至少 2 个月）和改造后（至少 2 个月）的目标传感器观测

数据。

② 记录改造前后的典型维护操作（如传感器故障检查和更换）所需时间。

3.2.2 数据质量影响评估

一致性分析：分别计算备站改造前后与主站同期观测数据的平均偏差，分析评估备站改造后对数据质量的影响程度。

3.2.3 维护效率评估

①维修时间统计：记录并对比改造前后处理同类传感器故障（模拟或真实）所需的平均时间（包括定位、准备、操作、恢复等环节）。

② 故障排查便捷性评估：通过维护人员反馈，评估打开接线盒操作与掀地沟操作在便捷性、安全性、体力消耗等方面的差异。

3.2.4 可靠性评估

①长期监测改造后接线盒在极端天气（暴雨、高温、低温、高湿）下的防护性能（是否进水、进虫、腐蚀）。

② 监测延长线缆及接头的信号稳定性（通过数据质量间接反映）。

③ 评估系统整体的故障率变化

4 结果与分析

4.1 数据质量对比

改造前后主备站各两个月的数据进行统计分析，统计结果如下表：

表1 备站改造前后与主站目标传感器观测数据统计对比(单位：°C

上表中分别列出备站改造前后与主站观测数据的平均偏差，以及改造前后平均偏差特征。分析表明，备站改造前后与主站数据的平均偏差有如下特征：改造改造前后 5-20cm 的平均偏差极为稳定，5、15、20cm 三层只变化了 0.01^∘C ，10cm 变化了 0.04^∘C ；草温和 0cm 平均偏差稍大，但从改造后 0cm 的平均偏差来看，主备站平均偏差值为 0.01，说明改造后的主备站0cm 的观测数据是十分接近的。而草温改造前后变化较大分析原因主要受草的高低和疏密、以及安装规范程度影响，这从往年的观测数据中也得到了验证；因此数据对比分析结果说明改造未对地温和草温观测数据质量产生可察觉的负面影响。

4.2 维护效率提升

表2：传感器更换操作用时对比表（单位：分钟）