全建軍,陳美梅,賴見深,陳珊樺,方傳極,劉禮誠(.福建省地震局永安地震臺,福建 永安 66000;.福建省地震局儀器維修中心南平分中心,福建 南平 5000;.福建省地震局東山地震臺,福建 東山 600;.福建省地震局泉州地震臺,福建 泉州 6000)
永安地震臺數(shù)字化SWY-Ⅱ水位儀觀測概況與儀器維護(hù)
全建軍1,2,陳美梅1,賴見深3,陳珊樺4,方傳極2,劉禮誠1
(1.福建省地震局永安地震臺,福建永安366000;2.福建省地震局儀器維修中心南平分中心,福建南平353000;3.福建省地震局東山地震臺,福建東山363400;4.福建省地震局泉州地震臺,福建泉州362000)
摘要:永安地震臺數(shù)字化SWY-Ⅱ水位儀為中國地震局臺站背景場項目觀測儀器,通過對永安臺數(shù)字化SWY-Ⅱ水位儀運行兩年來觀測概況的介紹,總結(jié)日常觀測過程中可能遇到的儀器故障,并探討解決儀器問題的經(jīng)驗辦法,提高儀器維護(hù)的技術(shù)水平。
關(guān)鍵詞:永安地震臺;SWY-Ⅱ水位儀;儀器維護(hù)
E-mail:qjjkt@163.com.
永安地震臺數(shù)字化SWY-Ⅱ水位儀安裝于2012年7月,穩(wěn)定運行兩年多以來,已獲得、連續(xù)可靠的前兆觀測數(shù)據(jù)。目前永安臺數(shù)字水位儀運行正常,能記錄到清晰的固體潮,對國內(nèi)外較大震級的遠(yuǎn)震也具有很好的同震效應(yīng)。但平時的觀測過程中儀器會遭遇各式各樣的問題,使儀器正常運行受到影響,因此對儀器日常運行中常見故障的處理顯得尤為必要。本文以永安地震臺為例,對SWY-Ⅱ水位儀運行過程中遇到的各類故障進(jìn)行了總結(jié)和分析,并給出了解決辦法,以此分享儀器維護(hù)方面的經(jīng)驗,提高儀器運行率。
永安臺SWY-Ⅱ水位儀安裝于永安冷凍廠深井,該井是我國東南沿海地震地下水動態(tài)觀測井中深度最大的,井深約1 000.44 m。永安井位于華南斷塊區(qū)內(nèi)NW向以張扭性為主的永安-晉江斷裂帶和NNE向以壓性為主的政和-海豐斷裂帶交匯處附近,火山巖裂隙承壓匯合水在永安井的地質(zhì)觀測巖層中,封閉條件比較理想[1]。5.2~1 400 m是第三系一白堊系上統(tǒng)赤石群,紫紅色砂巖為主要構(gòu)成;400~1 000 m是侏羅系上統(tǒng)南園組,凝灰?guī)r層為主要構(gòu)成。在70~552 m主要是含水層分布,其為混合承壓水。永安井具有較穩(wěn)定的水位動態(tài),年變幅約1 m左右,可清晰地記錄到地震波、固體潮、氣壓等地殼應(yīng)力應(yīng)變信息,屬于福建省A類地震觀測水井[2]。
永安臺的SWY-Ⅱ水位儀由中國地震局地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn),在福建地區(qū)僅有1臺。該水位儀是高精度儀器專門用于測量地下流體井水位,其具有精度高、分辨率高、穩(wěn)定性好、數(shù)字化自動觀測等特點。其主機(jī)采樣率有1次/s和1次/min兩種方式,可真實地再現(xiàn)水震波的原始形態(tài)或者水位階躍異常的詳細(xì)變化過程[3]。所有觀測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)接口板連接到水位房的交換機(jī),再通過該交換機(jī)與永安地震臺的核心路由器相連將數(shù)據(jù)上傳至省局臺網(wǎng)中連接示意圖(圖1)。
圖1 永安地震臺SWY-Ⅱ水位儀連接示意圖Fig.1 The connection diagram of SWY-Ⅱtype digital water level instrument in Yong'an seismic station
永安臺SWY-Ⅱ水位儀日常記錄的水位曲線光滑,分鐘值曲線噪聲水平較低,有較明顯的日變規(guī)律,固體潮清晰,周期特征較明顯。永安臺井水位觀測資料連續(xù)完整,通過分析井水位的潮汐變化,可了解區(qū)域構(gòu)造活動信息等,為地震預(yù)測和科學(xué)研究等工作提供基礎(chǔ)資料。
2.1永安臺水位觀測資料日動態(tài)
永安臺水位儀2012年運行至今,儀器保持良好的運行,圖2是永安臺水位整點值曲線與理論固體潮對比曲線,由圖可見潮汐效應(yīng)明顯,記錄到完整的日波和半日波,且與理論固體潮相吻合。
2.2觀測曲線的映震效應(yīng)
永安臺水位儀運行以來,映震能力較好,能夠清晰的記錄到因強(qiáng)遠(yuǎn)震產(chǎn)生的顯著同震應(yīng)變階躍,信息量豐富。
2013年10月26日日本MS7.1大地震,地震引起永安井水位較大的同震振幅波動,振蕩長達(dá)數(shù)10 min(圖3)。
2013年10月15日菲律賓7.1級地震,同樣引起永安井水位較大的振幅波動,有明顯的映震效應(yīng)(圖4)。
圖2 永安臺井水位與理論固體潮值對比圖Fig.2 Comparison diagram of well water level and the theoretical earth tide value in Yongan station
圖3 2013年10月26日日本7.1級地震水位同震效應(yīng)曲線Fig.3 The coseismic response curve of water level meter of Japan M7.1earthquake in Oct 26th, 2013
圖4 2013年10月15日菲律賓7.1級地震水位儀大振幅效應(yīng)曲線Fig.4 The large amplitude effect curve of water level meter of the Philippines M7.1 earthquake in Oct 15th, 2013
SWY-Ⅱ水位儀日常的維護(hù)及檢修,要求維護(hù)人員不僅要有基本的儀器維修技能,還要了解系統(tǒng)的工作原理、儀器的結(jié)構(gòu)及組成,熟悉觀測過程及產(chǎn)出數(shù)據(jù),這樣才能正確分析,及時發(fā)現(xiàn)儀器的故障發(fā)生點或找到干擾源。
3.1基本原理
SWY-Ⅱ水位儀的工作原理是利用壓力傳感器測量在水井中所受到的壓強(qiáng),進(jìn)而轉(zhuǎn)換成水位數(shù)值來實現(xiàn)實際水位測量。P=gH表示的是液體內(nèi)部的壓強(qiáng)與其深度的函數(shù)關(guān)系式,由于同一井水中重力加速度(g)、密度(P)都是常數(shù),壓強(qiáng)(P)與井中水柱高度(H)成正向比例關(guān)系。把壓力傳感器放置到某一深度的水井下,當(dāng)井水位深度發(fā)生變化時,壓力傳感器輸出的壓強(qiáng)電信號與水位呈現(xiàn)同步變化,從而水位動態(tài)監(jiān)測得到實現(xiàn)。
3.2系統(tǒng)構(gòu)成
SWY-Ⅱ水位儀測量系統(tǒng)由由壓力傳感器、電源部分、傳感器供電及A/D板、數(shù)據(jù)采集主板、網(wǎng)絡(luò)接口板(含LED顯示屏)五部分組成。
SWY-Ⅱ水位儀的壓敏器件采用美國ICSensors公司生成的86系列超穩(wěn)壓力傳感器。壓力傳感器由內(nèi)在的電路元件與金屬外殼組成。圖5為壓力傳感內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)框圖,由壓力敏感元件、精密恒流源、模擬電路輸出與測量放大器四個部分組成。其中,壓力敏感元件是壓力傳感器中最重要的構(gòu)成元件。
圖5 壓力傳感器構(gòu)成框圖Fig.5 The structure diagram of pressure sensor
電源板主要功能是負(fù)責(zé)防雷、主機(jī)供電、傳感器供電、電瓶充電等。SWY-Ⅱ型水位儀可以對電瓶進(jìn)行自動浮充電,在無人值守臺站流和動監(jiān)測臺可以很方便使用該儀器;具有自動切換交直流用電功能;配有防雷組件一組,在雷擊發(fā)生時該組件會被擊穿,從而避免儀器內(nèi)部其他器件遭受雷擊。
網(wǎng)絡(luò)接口(含LED顯示屏)板,其主要功能是實現(xiàn)儀器的FTP與網(wǎng)頁功能,以及響應(yīng)中國地震前兆管理系統(tǒng)發(fā)送來的命令,另一重要功能是進(jìn)行儀器參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)曲線顯示。SWY-Ⅱ型水位儀顯示板采用基于WindowsCE操作系統(tǒng)下的控制平臺。它采用400 MHz主頻以及32位ARM920T高速處理器內(nèi)核;系統(tǒng)內(nèi)存為128 MNANDFLASH 和64 MBSDRAM。
網(wǎng)絡(luò)接口板接收來自主機(jī)的秒采樣值是利用COM1口,通過秒采樣值觀測人員可以很方便在現(xiàn)場進(jìn)行水位校準(zhǔn)以及顯示實時的水位動態(tài)曲線;接收主機(jī)的分鐘采樣數(shù)據(jù)是用COM2口,通過該口可以完成儀器工作日志的收取與上傳、下位機(jī)的時鐘校對等功能;帶有8個有TVS的防靜電保護(hù)的I/O(5V),儀器各部分工作電壓是否正常主要通過這些I/O來監(jiān)視;CF卡有1GB容量,從而保證至少一年的秒鐘值數(shù)據(jù)以及3年以上分鐘值數(shù)據(jù)可以存儲;內(nèi)置裝有軟件看門狗,防止系統(tǒng)程序跑飛等異常情況;軟件具有加密功能,一機(jī)一IMEI號,且不可更改。
永安臺數(shù)字水位儀SWY-Ⅱ運行過程中常見的故障主要有以下幾方面:壓力傳感器故障、主機(jī)電源故障、主機(jī)雷擊故障等。
4.1壓力傳感器故障
4.1.1雷擊故障
雷擊會給地震臺站前兆觀測系統(tǒng)造成很大的危害。雷擊主要有直接雷擊和感應(yīng)雷擊兩種形式,據(jù)統(tǒng)計感應(yīng)雷造成的雷擊事件占總數(shù)的70%。感應(yīng)雷擊主要有以下三種入侵途徑:
(1)地電位反擊引入感應(yīng)雷擊,利用阻性耦合方式雷電經(jīng)數(shù)據(jù)線、中線、接地線等造成儀器設(shè)備損壞。
(2)天饋線、信號線或電源線通過電感性耦合((磁感應(yīng)),將感應(yīng)雷擊引入到各類傳輸線上導(dǎo)致儀器設(shè)備受損。
(3)由傳統(tǒng)避雷針導(dǎo)致的感應(yīng)雷擊,雷電電流經(jīng)由避雷針導(dǎo)向大地時,室內(nèi)的傳輸線受到感應(yīng)導(dǎo)致儀器設(shè)備受損[4]。
SWY-Ⅱ水位儀的壓力傳感器與主機(jī)之間,用特殊結(jié)構(gòu)的專用導(dǎo)氣電纜進(jìn)行連接,中間沒有任何限流和限壓的保護(hù)措施,且水位傳感器直接放置井水中,由于其接地電阻極小,甚至比臺站的避雷地網(wǎng)更好,因此在雷電天氣時,井里的壓力傳感器很容易代替避雷地網(wǎng),成為雷電泄流的主要途徑而受損。水位儀壓力傳感器工作電壓為12V,水位數(shù)據(jù)信息傳遞電壓為mV級,當(dāng)波動電壓超過24V時,就會造成壓力傳感器損壞。
解決方法:在儀器房的房頂上安裝避雷針等避雷裝置,當(dāng)儀器房受到直接雷擊時,強(qiáng)大的電流由避雷裝置接收,沿著接地引線導(dǎo)入地面,防止了雷電對建筑物的破壞。由于水井的管壁通常是鐵器材質(zhì),可以將儀器主機(jī)后面板上的黃色地線接線柱直接焊接在管壁上,儀器遭到雷擊后,強(qiáng)電流可以沿水井管壁向大地放電,避免水位傳感器替代避雷地網(wǎng)情況發(fā)生,從而可以很好的保護(hù)儀器。為防止電纜把感應(yīng)浪涌電壓波引入設(shè)備內(nèi)部,破壞其芯片和接口,還應(yīng)該在傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間加裝信號浪涌保護(hù)器,信號浪涌保護(hù)器的耐壓等級應(yīng)小于保護(hù)對象,即24V。由于儀器具有交直流供電自動切換功能,應(yīng)在雷雨季節(jié)采用直流供電方式,防止雷電從交流電進(jìn)入。
4.1.2電纜問題
氣壓與水位呈反比例關(guān)系,即氣壓降低,水位上升;氣壓升高,水位降低。SWY-Ⅱ數(shù)字水位儀傳感器內(nèi)部設(shè)計了具有氣壓補(bǔ)償作用的導(dǎo)氣管,將大氣壓力引入傳感器內(nèi)部,這樣氣壓作用在傳感器正、反兩個方向,形成大小相等、方向相反的作用力相互抵消。在儀器安裝過程中,固定井口電纜的時候,一定要注意不要將電纜內(nèi)部的導(dǎo)氣管夾傷或壓扁,避免導(dǎo)氣管因彎曲擠壓而閉合,失去氣壓補(bǔ)償作用,使測量的水位值與實際水位產(chǎn)生差值。目前廠家未配備水位儀井口固定裝置,一般采用工程u型管夾固定,電纜受力面積小,容易夾傷或壓扁導(dǎo)氣管,建議廠家配備新型專用井口固定裝置。
4.1.3量程問題
壓力傳感器放置深度超過10 m或露出水面都超出了儀器量程要求,若超過15 m壓力傳感器會有損壞的危險。解決方法:要充分了解本地區(qū)水位的年變化量,然后在傳感器下井之前,測量井孔的水位埋深,即從井口標(biāo)志點至水面的深度。在安放壓力傳感器時,水位傳感器距井口標(biāo)志點的距離應(yīng)為水位埋深+(3~5)m,這樣保證了在水位下降時傳感器不會露出水面,同時也滿足了水位上升時量程不超過10 m,還應(yīng)根據(jù)本地區(qū)水位年上升或下降的高度適當(dāng)調(diào)節(jié)。
根據(jù)壓力傳感器的工作過程,傳感器供電電壓為24 V,輸出電流為4~20 mA,根據(jù)這點很容易進(jìn)行儀器的故障定位;當(dāng)水位儀出現(xiàn)工作異常時,先取下壓力傳感器,然后用一個2.4 K的小電阻來模擬成壓力傳感器,計算得出輸出電流應(yīng)為10 mA,該電流通過62.5 Ω的電阻后,應(yīng)得到電壓為625 mV,由此來判斷是壓力傳感器還是是主機(jī)部分發(fā)生了故障;如果經(jīng)過2.4 K電阻后輸出電壓顯示為625 mV,則說明水位儀主機(jī)運行正常,肯定是壓力傳感器發(fā)生故障,如輸出電壓不是625 mV左右,則至少可以認(rèn)為主機(jī)部分已發(fā)生故障。
4.2電源故障
(1)開機(jī)后LED顯示器無法正常顯示。當(dāng)主機(jī)前面板的LED顯示器不亮?xí)r,應(yīng)檢查儀器背板上的顯示開關(guān)是否開啟,儀器的交流保險絲是否完好(交流保險絲為lA),開蓋檢查儀器內(nèi)主板至液晶顯示器的帶狀電纜及其接插件是否插牢。若以上都正常,就應(yīng)檢查交流電是否已停電、直流電壓是否已降至11V以下,因為在交流供電正常時,只有電瓶未接或嚴(yán)重缺電,同時交流保險絲燒斷,才可能導(dǎo)致開機(jī)后顯示器無法正常顯示。若不是以上原因,應(yīng)該是主機(jī)運行時間過長,而出現(xiàn)電源線接觸不良或主板故障,此時可以將數(shù)采打開,重新固定電源線或聯(lián)系廠家更換主板。
(2)主機(jī)前面板的5 V指示燈不亮。①如果交流供電正常和保險絲完好,5 V指示燈不亮,這一般是主機(jī)5 V的DC/DC模塊損壞,,應(yīng)聯(lián)系廠家更換該模塊。②如果沒有交流供電且保險絲斷了,5V指示燈不亮,則應(yīng)聯(lián)系廠家更換保險絲以及AC/DC模塊。
(3)主機(jī)前面板的12 V指示燈不亮。如果交流供電正常和保險絲完好,12 V指示燈不亮,這一般是主機(jī)12 V的DC/DC模塊損壞,應(yīng)聯(lián)系廠家更換該模塊。
4.3分鐘值數(shù)據(jù)丟失故障
SWY-Ⅱ水位儀在軟件升級、儀器標(biāo)定等操作時會出現(xiàn)偶爾斷電,如果分鐘值數(shù)據(jù)丟失,而秒鐘值數(shù)據(jù)較全時,可登入儀器網(wǎng)頁恢復(fù)分鐘值數(shù)據(jù)(圖6)。具體操作如下:登入SWY-Ⅱ水位儀網(wǎng)頁,在“選擇需要恢復(fù)數(shù)據(jù)的日期”編輯框內(nèi)輸入被恢復(fù)文件日期,格式為yyyymmdd,即十五文件文件主名,例如:20120822;在“用戶名、密碼”編輯框內(nèi)輸入正確的用戶名,密碼,點擊提交。如需重新輸入,點擊重置按鈕。通過該功能,將從秒鐘值文件中恢復(fù)出qzh文件以及十五格式文件,但是當(dāng)天數(shù)據(jù)不能進(jìn)行恢復(fù)操作。
圖6 通過網(wǎng)頁進(jìn)行數(shù)據(jù)下載的界面Fig.6 The interface of data download via web
4.4主機(jī)雷擊故障
主機(jī)雷擊故障包括多種形式,最有可能的情況是近雷感應(yīng)造成:①網(wǎng)絡(luò)接口板內(nèi)存儲數(shù)據(jù)的CF卡燒毀;②網(wǎng)絡(luò)接口板完全故障損壞。
解決辦法:如果是網(wǎng)絡(luò)接口板內(nèi)存儲數(shù)據(jù)的CF卡燒毀則在網(wǎng)頁上可以連接到儀器,也不會有無法連接到服務(wù)器的提示,只是在數(shù)據(jù)下載頁面無法看到任何數(shù)據(jù),這時應(yīng)將網(wǎng)絡(luò)接口板所在的主機(jī)箱拆開,將其內(nèi)部的CF插入讀卡器連接電腦看是否損壞,如果無法讀取則將該CF卡進(jìn)行更換即可恢復(fù)。如果連網(wǎng)絡(luò)接口板都無法連接上,網(wǎng)絡(luò)接口板的狀態(tài)燈又顯示異常說明雷擊后通信單元完全損壞,這種情況無法自行維修應(yīng)及時返廠維修。
由于地震臺站多處于山區(qū),一旦遭遇強(qiáng)對流的雷電天氣,雷害頻發(fā),不利于儀器設(shè)備的長期安全運行。福建局多臺數(shù)字水位儀在儀器安裝初期就曾經(jīng)多次因為近雷感應(yīng)造成傳感器探頭損壞,儀器主機(jī)內(nèi)部芯片雷擊損壞,存儲數(shù)據(jù)的SD卡燒毀等儀器故障。因此要保證儀器安全穩(wěn)定運行,提高儀器觀測質(zhì)量與連續(xù)率,對臺站的設(shè)備進(jìn)行防雷改造很有必要[6]。
永安臺在儀器設(shè)備防雷改造方面有一些經(jīng)驗可供大家參考:①進(jìn)行防雷三級改造:加裝專業(yè)防雷器在臺站總電源處,加裝專業(yè)防雷器在各個大樓分電源處,所有儀器供電端接入的插座必須有防雷功能;②確保儀器主機(jī)有良好的接地,在水位房附近鋪設(shè)避雷地網(wǎng),設(shè)備接入該地網(wǎng);③永安臺水位房內(nèi)所有電源線纜和通信線纜均采用鍍鋅合金套管進(jìn)行防雷屏蔽,金屬管要接地良好并且表面要連接完好(圖7)。以目前的地震臺站雷電防護(hù)技術(shù),雷擊故障無法完全避免,但是上述防雷措施如果有做好,將大大降低水位儀遭雷擊的概率,有利于保證儀器穩(wěn)定的、長期的運行從而獲得連續(xù)的、可靠的數(shù)據(jù)。
圖7 防雷改造后的永安地震臺水位房供電技術(shù)系統(tǒng)Fig.7 The power technical systems of level housing after the lightning transformation of Yongan seismic station
永安臺的SWY-Ⅱ水位儀運行兩年多以來,儀器維護(hù)過程中遇到了許多問題,在排除這些問題的同時,臺站對SWY-Ⅱ水位儀維護(hù)方面的經(jīng)驗得到了積累,從而更好的為儀器穩(wěn)定觀測提供保障。除本文所列舉的故障外,在實際觀測中水位儀還會受許多干擾因素的影響,如人為干擾、環(huán)境因素、天氣因素等,還有一些其它不明原因形成的干擾。因此臺站的工作人員在保證儀器穩(wěn)定運行的同時,也要對每天的觀測日志進(jìn)行如實填寫,特別是對天氣變化情況、數(shù)據(jù)預(yù)處理情況、儀器工作情況做好詳細(xì)的記錄,從而為地震異常與干擾信息的識別提供可靠依據(jù)。設(shè)備維護(hù)工作與日常觀測日志是臺站監(jiān)測工作中一個很重要的環(huán)節(jié),只有保證儀器的穩(wěn)定正常運行,才能為地震監(jiān)測提供得長期的、可靠的前兆觀測數(shù)據(jù)。
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Instrument Survey and Equipment Maintenance of SWY-ⅡType Digital Water Level in Yongan Seismic Station
QUAN Jianjun1,2,CHEN Meimei1,LAI Jianshen3,CHEN Shanhua4,F(xiàn)ANG Chuanji2,LIU Licheng1
(1.Yongan Seismic Station,Earthquake Administration of Fujian Province,Yongan 366000,China;2. Fujian Nanping Sub-center Equipment Maintenance Center,Earthquake Administration of Fujian Province,Nanping 353000,China;3. Dongshan Seismic Station, Earthquake Administration of Fujian province,Dongshan 363400,China;4. Quanzhou Seismic Station, Earthquake Administration of Fujian province,Quanzhou 362000,China)
Abstract:SWY-Ⅱtype digital water level instrument in Yongan seismic station is the observation instruments of background field project of the China Earthquake Administration station, and Fujian province has only one sets of this instrument. This paper introduced the general observations of SWY-Ⅱtype digital water level instrument in Yongan seismic station since running for 2 years,and summarized instrument failure that may be encountered in the day-to-day observation process. The article discussed the experience way to solve instrument problems and improve the quality of instrument maintenance.
Keywords:Yongan seismic station;SWY-Ⅱtype digital water level instrument;Instrument maintenance
作者簡介:全建軍(1984-),男,助理工程師,主要從事臺站形變、電磁觀測和信息節(jié)點、地震儀器維護(hù)管理工作。
基金項目:2013年福建省地震局地震臺站科技基金項目(T201306)資助
收稿日期:2014-05-09
DOI:10.13512/j.hndz.2015.01.018
中圖分類號:P315.62
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:1001-8662(2015)01-0112-07