C-ATS地電儀常見故障分析及排除

陳智群， 黃 暉， 劉吉平， 李 敬， 劉東輝

（1. 廣東省地震局新豐江中心地震臺， 廣東 河源517021； 2. 廣東省地震局， 廣州 510070）

0 引言

C-ATS 是以通用微機為控制器的全自動測量系統(tǒng)， 它是在充分消化吸收進口整機ATS 的主要技術(shù)基礎上， 于1989年底由廣東省地震局研制成功的。 C-ATS 全自動測量系統(tǒng)適用于地電阻率、FSQ 浮子水管傾斜儀、 重力儀、 地溫儀、 地應力等前兆觀測的自動數(shù)字化測量。 1990年初C-ATS在河源黃子洞臺進行地電阻率試觀測， 1992年7月起列入國家地電臺網(wǎng)正式觀測儀器在河源和平地電臺使用至今。 作為早期的數(shù)字化地電觀測儀器， C-ATS 在長期連續(xù)的觀測中充分顯示出其特點： 自動化程度高， 具有數(shù)據(jù)判斷和處理能力（如重測判斷、 故障診斷、 報警、 打印、 建庫等）；觀測精度高； 長期連續(xù)工作穩(wěn)定性好； 采用非觀測時段儀器與外線路完全隔斷的方法， 雷擊概率低； 將不同功能的硬件采用板式獨立設計方法，便于日常維護及故障排查。

地電儀器由于需要連續(xù)進行觀測工作， 某些電子元件長期處于高電壓、 大電流及高溫環(huán)境里極易出現(xiàn)故障， 儀器一旦出現(xiàn)故障大多要返廠或請專業(yè)技術(shù)人員到臺站維修， 這樣不但維修周期長、 費用高， 而且由于缺測多（許多臺站缺乏備用儀器）影響了觀測的連續(xù)性， 給資料分析使用帶來一定的影響。 C-ATS 在設計時充分考慮到儀器的易維護性， 將主要芯片設計成插拔式、 主要功能硬件設計成獨立板式。 實際使用證明， 這種設計方式給儀器故障的排查帶來了很大的方便，簡單故障臺站工作人員能夠很快排除， 疑難復雜故障只要觀測人員具有一定的無線電基礎知識也能夠在專業(yè)技術(shù)人員的遠程指導下修復儀器。

1 C-ATS 地電儀系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理①廣東省地震局技術(shù)室. C-ATS 研制報告， 廣東省地震局， 1990.

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

C-ATS 的軟件系統(tǒng)是由匯編語言及BASIC 語言編寫的測量執(zhí)行程序， 主要內(nèi)容包括： 時間的讀取、 儀器定時自檢； 測量、 判斷、 復測、 計算、顯示和數(shù)據(jù)入庫； 故障的報警、 診斷和顯示； 數(shù)據(jù)的定時打印和繪圖； 儀器運行日志和值班員記事[1]， 軟件系統(tǒng)框圖略。

1.2 C-ATS 地電儀工作原理

圖1 C-ATS 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of C-ATS hardware system

由圖1 可見， C-ATS 在非測量時段， K1、 K2斷開， 整個系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)， 外線路AB 和MN由于LP-C.ATS 避雷盒（后改為中間繼電器）的作用與系統(tǒng)是斷開的。 在O-C.ATS 內(nèi)有一組后備電池， 當定時器到點起鬧時， 起鬧信號通過后備電池觸發(fā)AC-C.ATS 工作， K1 開關(guān)閉合， C.ATS 主機上電， 后備B12V 被變壓， 經(jīng)過整流穩(wěn)壓后輸出A12V 切換， 持續(xù)的鬧時信號又將系統(tǒng)電源開關(guān)K2 合上， 微機上電啟動（如不啟動， 持續(xù)的鬧時信號可將警報器觸發(fā)）， LP-C.ATS 動作將外線路與AB、 MN 通道轉(zhuǎn)換板接通， 整個系統(tǒng)進入測量程控狀態(tài)， 系統(tǒng)電源開關(guān)K2 由I/O-C.ATS 發(fā)出的信號鎖住， 預熱后進入電阻率逐道測量流程， 在程序的控制下， 由I/O-C.ATS 輸出控制信號， 執(zhí)行電路AC-C.ATS,AB-C.ATS 和MN-C.ATS 完成供電、斷電及AB、 MN 線切換的功能。 電信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換由ADC1 和ADC2 完成， 其中供電電位和自然電位由ADC1 完成， 供電電流由ADC2 完成。 由于采用雙ADC， 供電電流和供電電位可以同時采樣，能夠有效減少供電電源隨機波動帶來的干擾誤差。由ADC1 和ADC2 轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號， 通過光電耦合器由I/O-C.ATS 讀入計算機， 計算機對讀入的數(shù)碼進行譯碼， 得到所測量信號的數(shù)據(jù)， 計算機即可完成電阻率值的計算、 重測判斷、 故障判斷、數(shù)據(jù)處理存儲等各項工作。 根據(jù)軟件設定的程序，利用MN-C.ATS 及其它通道， 進行每天的零輸入檢查， 每天每測道的AB 回路負載檢查和每月的標準電池檢查。 每次測量完畢， I/O-C.ATS 發(fā)出解鎖關(guān)機信號， 系統(tǒng)即被關(guān)掉， 恢復測量前的狀態(tài)。

2 常見故障的分析及排除

2.1 常見故障現(xiàn)象

（1）系統(tǒng)啟動異常故障。 C-ATS 地電儀出現(xiàn)頻率最高的故障現(xiàn)象是啟動異常， 啟動異常包括：①到點儀器不起動； ②啟動后無測量動作、 儀器死機； ③啟動后立即關(guān)機。

（2）測值異常故障。 測值異?，F(xiàn)象較常見，而且故障原因復雜、 范圍廣， 是C-ATS 維修的難點之一， 該類故障可細分為： ①所有測道電流值均為“0”； ②某測道電阻率總超差； ③電阻率測值不對， 但測量過程、 順序正常。

（3）關(guān)機異常故障。 系統(tǒng)關(guān)機異?？梢苑譃閮深悾?①鍵入人工關(guān)機命令后可順利關(guān)機； ②鍵入人工關(guān)機命令后依然無法關(guān)機。

2.2 故障的分析及排除

2.2.1 啟動異常原因分析及故障排除方法

根據(jù)儀器工作原理（圖1）， 電源控制及警報觸發(fā)板AC-C.ATS 起到整機電源的通斷控制作用， 該控制板的電路原理圖如圖2， 其工作過程分析如下： ①定時器到點發(fā)出的鬧時信號經(jīng)D1-D4 的整流， 先將Q2 導通， 觸發(fā)CR2 導通J1 吸合， 將AC220V 電源與UPS 輸出接通， C.ATS 主機內(nèi)兩個變壓器工作， 經(jīng)過整流穩(wěn)壓輸出兩組6V 電源（分別供ADC1、 ADC2）和一組12V 電源， 此12 電源通過繼電器將O-C.ATS 內(nèi)的可充電12V 后備電池切換； ②持續(xù)的鬧時整流信號通過R1、 C1 延時觸發(fā)SRR 固體繼電器導通， 此時系統(tǒng)電源板所需220V 電源被接通， 系統(tǒng)觸發(fā)啟動； ③計算機啟動后， 其12V 電源通過R0 將SRR 鎖住； ④繼電器J0 同時受控于計算機12V 電源而吸合， 其作用有二： 一是將警報觸發(fā)電路與定時器持續(xù)的整流鬧時信號斷開； 二是將可控硅CR2 短路， 讓J1 的電流從JKoa 觸點通過， 使CR2 無電流流過， 保證當系統(tǒng)電源220V 被撤掉（SRR 截至）時計算機12V同時消失， J1 釋放， AC220V 電源或UPS 被關(guān)掉。

圖2 C-ATS 地電儀電源控制原理圖Fig.2 The schematic of C-ATS power control

依據(jù)電路分析可以判斷， 儀器到點不起動故障應檢查的元件及方法是： ①定時器， 定時器使用6V 干電池， 經(jīng)實測電池電壓低于4V 時將起動困難， 低于3.5V 將無法起動； ②D1-D4 整流二極管， 可用萬用表依次檢測各二極管正反電阻判斷好壞； ③D7、 R6、 Q2、 CR2、 J1 等相關(guān)起動器件， 先用萬用表在線檢測各元件判別， 對有懷疑的元件再用替換法， 實際檢修中發(fā)現(xiàn)Q2 較易損壞， AC 板上三極管均為NPN 型S8050 管， 應急代換可用S9014， 9014 雖然耐壓、 功率比8050 高些， 但最大集電極電流比8050 要小許多， 更容易在儀器啟動瞬間燒壞； ④相關(guān)連接線接觸不好、O-C.ATS 及C.ATS 電源開關(guān)置錯， 這是日常較易被忽視的啟動故障， 可通過觀測儀器面板指示燈及檢查對應線路發(fā)現(xiàn)； ⑤O-C.ATS 內(nèi)12V 電池電壓不足、 電阻R1 阻值太大、 電容C1 失容或漏電、SRR 輸入端故障均會導致啟動困難現(xiàn)象， 排查方法可先測量電池電壓， 若不低于8V 則排除電池問題； 其次連續(xù)按人工啟動按鈕， 如能夠啟動可初步判斷R1 阻值變大， 經(jīng)核對色環(huán)， R1 阻值應為22 Ω； 接著判斷電容是否存在故障， 最好焊下電容一腳， 用模擬表選×1K 檔并且交換表筆檢測，若兩次測量結(jié)果指針均擺動幅度較大且基本能回轉(zhuǎn)到初始位置， 則表明電容正常， 當然如果有合適電容（50 V、 470 μf）直接替換更好， 排除電容問題后， 則可基本判斷SRR 是否存在故障。 進一步判斷SRR 輸入端好壞的方法是： 用萬用表×1K檔檢測， 紅筆接SRR 輸入端負， 黑筆接正， 測值應為6 KΩ 左右， 交換表筆測值為∞， 表明SRR輸入端正常， 否則存在問題。 更換SRR 應注意合適的型號， 筆者在實際檢修中發(fā)現(xiàn)， 參數(shù)差別大亦可導致無法啟動。

研究區(qū)硅質(zhì)巖的化學成分以SiO2為主，含量為70.02×10-2～93.72×10-2，平均為82.12×10-2，其次為TFe2O3、Al2O3和MgO，含量分別為2.53×10-2～6.89×10-2、1.50×10-2～7.81×10-2和0.30×10-2～5.14×10-2，其余成分含量均很低(表2)。

啟動后無測量動作、 儀器死機故障通常出在ADC 芯片及I/O-C.ATS 控制板上。 該類故障可先檢 查 C.ATS 內(nèi) 的 兩 片 ICL7135 芯 片 ADC1、ADC2， 11 腳為+6 V 輸入端， 若檢測到該腳無電壓則應繼續(xù)檢查C.ATS 主機內(nèi)6V 電源變壓器及其整流、 穩(wěn)壓輸出元件。 由于C.ATS 主機內(nèi)元件較密集， 進行帶電檢測非常不易， 且可能導致元件短路致故障范圍擴大， 因此實際維修時大都采用探查法進行簡單快速的判斷： 用手指接觸相關(guān)大功率元器件， 感覺溫熱則該元件正常、 燙手則工作異常、 無溫升感覺則該元件未工作， 進行初步判斷后再用替換法試用好元件更換往往能快速找到故障點。 檢修中發(fā)現(xiàn)， ICL7135 芯片故障導致儀器死機的現(xiàn)象是： C.ATS 面板通道指示燈 “1” 長亮， P-C.ATS 電源電流表指針滿指示不回表， 不觀測。 發(fā)現(xiàn)該故障時應及時關(guān)機， 否則可能導致PC.ATS 電源燒潰或儀器系統(tǒng)其它元件損壞。 I/O-C.ATS 控制板上的U2 芯片D8255 負責系統(tǒng)的控制信號輸出， 該芯片或其外圍關(guān)聯(lián)元件損壞同樣會導致儀器死機故障， 可用替換法更換U2 芯片排查故障點， 外圍耦合元件4N25 光耦一般較少損壞， 倒是雷電過后的故障不可忽視檢查。 另外， I/O 卡與C.ATS 主機之間的數(shù)據(jù)線接觸不良亦會出現(xiàn)該類故障。

啟動后立即關(guān)機的原因可能是AC-C.ATS 板上的D5、 R0、 Q0 等元件有故障， Q0 損壞的概率較高， 萬用表在線檢測很容易發(fā)現(xiàn)故障元件； I/O 卡U2 芯片損壞也會導致這類故障， 可參照上節(jié)檢修方法排查故障源。

2.2.2 測值異常原因分析及故障排除方法

引起測值異常的故障范圍很廣， 儀器主機系統(tǒng)、 電源、 避雷設施及外線路故障均會導致測值出現(xiàn)異常， C-ATS 電源及外線路引起的故障已有文章闡述[2]， 此處對涉及此類故障只作現(xiàn)象描述，故障排除方法略。

所有測道電流值均為 “0” 的故障原因包括：①避雷設施故障， LP-C.ATS 避雷盒由于電源插頭接觸不好導致外線路未閉合， 2005年起避雷盒改為中間繼電器[3]， 中間繼電器未得電閉合也會導致相同的故障現(xiàn)象， 可觀察繼電器的指示燈是否亮辨別故障； ②P-C.ATS 電源故障， 如保險絲燒斷致電源未工作； ③MN-C.ATS 板上繼電器J0 及Q1 故障， 由于J0 及Q1 組成過載保護電路， 如該部分故障將致I/O-C.ATS 失控從而引起電源系統(tǒng)故障， 但此故障現(xiàn)象少見； ④AB-C.ATS 板上各道可控硅損壞或觸發(fā)電阻太大， 該故障未曾出現(xiàn)過，因為各道元件同時出現(xiàn)故障的概率很??； ⑤O-C.ATS 盒上開關(guān)未置測量檔位置， 該現(xiàn)象一般出現(xiàn)在儀器標定后， 忘記將 “標定” 檔打回至 “測量”檔； ⑥電源P-C.ATS 內(nèi)的K2 開關(guān)未受控閉合，K2 為直流供電輸出開關(guān)， 受控于I/O 芯片U2 發(fā)出的控制信號， 通過I/O 板上J4 插座6 腳→數(shù)據(jù)線→C.ATS 主機P1 串口4 腳→AC-C.ATS 的B15腳→AC 板， D12、 R8、 Q4、 J3、 CR4（圖2）為電流輸出的控制元件， 以上有元件線路故障均會導致電流測值為 “0”。 檢修時一般直接檢查Q4 及CR4， 這兩個元件較容易損壞， CR4 為雙向可控硅， 代換可用BT138 或相近參數(shù)的管子。

某測道電阻率總超差故障原因有： ①對應AB通道可控硅或繼電器損壞； ②對應MN 通道相關(guān)元件損壞； ③相應測道外線路漏電。 因為AB、MN 板元器件較少， 而且有備用插板， 通過換板試測可以快速排除故障， 一般該類故障大都是繼電器接觸不良。 外線路漏電導致的超差一般電阻率測值變化幅度較大， 可通過線路漏電檢查判別。

電阻率測值不對， 但測量過程、 順序正常的故障原因可能出在： ①ADC1、 ADC2 故障， 通常是ADC2 故障， 檢修中發(fā)現(xiàn)該芯片故障時， 電流測值基本正常、 供電電位差異常、 自然電位不對、電阻率測值不對； ②I/O 卡中的U1 芯片及其相關(guān)光耦損壞， U1 芯片負責觀測數(shù)據(jù)的讀入處理， 故障時測值表現(xiàn)為供電電位、 電流、 自然電位基本正常， 但電阻率變小明顯， 用替換法檢查可快速排除故障。

2.2.3 關(guān)機異常原因分析及故障排除方法

關(guān)機異常有兩大方面的原因， 其一是由于觀測時出現(xiàn)供電異常、 線路故障及環(huán)境變化致數(shù)據(jù)較大變化， 這時系統(tǒng)對測值作出判斷， 顯示故障原因并等待人工干預； 其二是負責自動關(guān)機的元件故障導致無法自動關(guān)機。

鍵入人工關(guān)機命令后可順利關(guān)機： 這種現(xiàn)象可根據(jù)故障顯示代碼進行相應檢查便能很快找到故障源。

鍵入人工關(guān)機命令后依然無法關(guān)機： 先檢查系統(tǒng)電源插座有無打到 “關(guān)” 的位置， 再進一步檢查AC-C.ATS 板上SRR 及其相關(guān)連接線路。 由于SRR 輸出端是無觸點開關(guān)， 用萬用表難于判別好壞， 只能用替換檢查法。 曾經(jīng)出現(xiàn)過系統(tǒng)有時能夠自動關(guān)機有時不能關(guān)機的故障， 檢測SRR 周圍線路未發(fā)現(xiàn)問題， 用相同SRR 替換板上SRR 后故障依舊， 又將板子拿到明亮環(huán)境里認真觀察，發(fā)現(xiàn)SRR 輸出端附近覆銅線路有一處微微鼓起，輕輕擦掉表漆發(fā)現(xiàn)鼓起處已氧化， 從而導致線路接觸不良， 用錫補焊后試機， 故障排除。

3 結(jié)語

（1）C-ATS 地電儀系統(tǒng)穩(wěn)定性好是其能夠進行長期連續(xù)觀測的基礎， 臺站工作人員日常的精心維護也是儀器能夠正常運行的保證。

（2）在日常觀測中， 如能認真觀察儀器的運行狀況， 了解儀器的性能、 特點、 原理， 記錄每次故障的現(xiàn)象和處理情況， 就能很快提高自己管理維護儀器的水平。

（3）本文是多年來對C-ATS 地電儀系統(tǒng)維護、故障檢修經(jīng)驗的系統(tǒng)性總結(jié)， 希望對其它臺站有一定的參考意義。

[1] 柴劍勇， 葉春明， 吳名彬， 李小宏， 等. 地電自動測量系 統(tǒng) 國 產(chǎn) 化（C-ATS）研 究[J]. 華 南 地 震， 1991， 11（2）： 61-67.

[2] 陳智群， 劉吉平， 李敬. 河源臺地電專用電源和外線路故障查修方法[J]. 華南地震， 2013， 6（2）： 117-123.

[3] 陳智群， 劉吉平， 李敬. 地電儀綜合防雷措施及其效果分析[J]. 價值工程， 2013， 9（25）： 271-272.

[4] 陳智群， 柴劍勇， 李 敬， 等. 和平臺深孔電極地電阻率測值趨勢下降原因分析[J]. 華南地震， 2014， 34（1）： 117-121.