永年地震臺(tái)電源交直流切換引起數(shù)據(jù)畸變的解決方法

吳鵬，劉永剛，李欣波

(河北省地震局邯鄲中心地震臺(tái)，河北邯鄲　056001)

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永年地震臺(tái)電源交直流切換引起數(shù)據(jù)畸變的解決方法

吳鵬，劉永剛，李欣波

(河北省地震局邯鄲中心地震臺(tái)，河北邯鄲056001)

以永年地震臺(tái)體應(yīng)變洞溫為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過對(duì)永年臺(tái)工作供電原理的深入分析研究，提出了把信號(hào)線路與供電線路隔離的方法，徹底解決電源交直流切換造成的數(shù)據(jù)畸變，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果。

永年地震臺(tái)；前兆觀測(cè)；數(shù)據(jù)畸變

0　引　言

地震前兆觀測(cè)手段為地震預(yù)報(bào)和研究提供重要的數(shù)據(jù)資料，因原始資料的不可再生性，故要求其真實(shí)可靠。理想情況下儀器產(chǎn)出的數(shù)據(jù)資料應(yīng)能反映其觀測(cè)對(duì)象的真實(shí)物理量及其變化。然而，在實(shí)際工作中，通過對(duì)儀器產(chǎn)出資料和臺(tái)站設(shè)備運(yùn)行環(huán)境變化等的分析總結(jié)表明，有一些干擾源(如儀器的供電系統(tǒng)因交流停電切換到直流供電)會(huì)造成儀器產(chǎn)出的數(shù)據(jù)波形產(chǎn)生較為明顯的畸變，進(jìn)而影響產(chǎn)出數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

一般情況下，臺(tái)站儀器大多采用市電和蓄電池的供電方式，這種方式能夠保證當(dāng)市電停電時(shí)，儀器供電由蓄電池來完成，避免了儀器因停電而造成的數(shù)據(jù)缺失。由于市電停電時(shí)存在供電切換過程，這就會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的干擾。供電切換對(duì)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的干擾在全國(guó)前兆設(shè)備中普遍存在。為了消除因停電產(chǎn)生的對(duì)前兆設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，使前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠更好地為地震預(yù)報(bào)和研究提供盡量真實(shí)可靠的原始數(shù)據(jù)，通過對(duì)前兆設(shè)備產(chǎn)出資料進(jìn)行深入分析研究，用實(shí)驗(yàn)的方法找出了產(chǎn)生數(shù)據(jù)畸變的機(jī)理，并根據(jù)儀器的工作原理采用合理的方法消除了干擾對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)出帶來的影響。

1　永年地震臺(tái)概況及資料應(yīng)用

永年地震臺(tái)位于永和會(huì)鎮(zhèn)西南，地處太行山東麓山前丘陵地帶，東鄰太行山山前斷裂，臺(tái)基為燕山期正長(zhǎng)巖。形變山洞進(jìn)深約150 m，洞體巖性為燕山期火成巖，山洞北端周圍為第四系黃土層，洞頂覆蓋厚度約6 m；南(西)端位于黃土夾沙礫石層和正長(zhǎng)巖交界處，洞頂覆蓋為風(fēng)化巖體和沙礫石層，厚約12 m；東端洞頂覆蓋為風(fēng)化的正長(zhǎng)巖巖體和沙礫石層，厚約10 m，由東端點(diǎn)向西30 m內(nèi)，有大小不等的10余條小斷裂，破裂方向主要有3組：①走向NE20°～30°，傾向北西，傾角70°～75°；②走向NE40°，傾向北西，傾角70°～75°；③走向NW 60°～70°，傾向北西，傾角60°～70°，其中第1～2組與山洞軸線近正交，第3組與山洞軸線近于平行，永年地震臺(tái)具體位置和附近斷裂分布見圖1。圖2為山洞儀器安裝示意圖。

已有研究結(jié)果表明，永年傾斜觀測(cè)資料在鄰區(qū)中等以上地震前有較為明顯的異常反映；1983年11月7日山東菏澤5.9級(jí)地震(震中距永年地震臺(tái)約200 km)前，永年臺(tái)形變資料均發(fā)生較為明顯的異常變化[1]；1985年11月30日邢臺(tái)任縣5.3級(jí)地震(震中距永年地震臺(tái)約60 km)前，形變資料也發(fā)生異常變化[2]。儀器運(yùn)行正常對(duì)保證產(chǎn)出可靠、準(zhǔn)確的資料有重要意義，但由于供電交直流的頻繁切換經(jīng)常造成數(shù)據(jù)畸變，給地震數(shù)據(jù)分析帶來較大干擾，必須對(duì)干擾進(jìn)行排除。本文通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，對(duì)永年地震臺(tái)洞體應(yīng)變采集器的供電系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造，取得較好的效果。

2　技術(shù)方案

2.1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所：河北省地震局永年地震臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)對(duì)象：體應(yīng)變洞溫(為了更能說明問題，選用變化很小的洞溫為實(shí)驗(yàn)對(duì)象)。

圖1　永年地震臺(tái)地理位置和附近斷裂分布示意圖

圖2　永年地震臺(tái)山洞儀器安裝示意圖

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模旱玫焦╇姴▌?dòng)或切換對(duì)前兆設(shè)備產(chǎn)出數(shù)據(jù)的影響，找出消除影響的方案。

由圖3可見，體應(yīng)變南北向、東西向和洞溫?cái)?shù)據(jù)在2009年12月3日10時(shí)50分左右均出現(xiàn)數(shù)據(jù)畸變，11時(shí)40分以后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。經(jīng)核實(shí)，此時(shí)間段內(nèi)交流電停電，無任何其他明顯干擾。由此可以斷定是交直流切換引起的輸出數(shù)據(jù)畸變。

圖3　永年地震臺(tái)交直流切換引起數(shù)據(jù)畸變曲線

2.2原理分析

在有山洞的臺(tái)站，前兆設(shè)備通常的安裝方法是將數(shù)據(jù)采集器和供電控制裝置安裝在洞外，洞內(nèi)安裝前置放大器和傳感器，通過傳輸線(包括信號(hào)線和供電線長(zhǎng)約100米)將洞內(nèi)外設(shè)備連接，如圖4所示。圖4中信號(hào)地線和供電地線是共用的，這是因?yàn)橛行┰O(shè)備內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)的信號(hào)地和電源地是一體的。

圖4　前兆設(shè)備技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖5為洞內(nèi)外系統(tǒng)連接的等效電路圖。由等效電路圖，可以得到如下公式：

U1=U0+I1*R1+(I1+I2)*R2

(1)

I2=U2/(Ri+R2+R3)

(2)

其中，U0為傳感器輸出電壓，U1為數(shù)據(jù)采集器的輸入信號(hào)電壓，U2為傳感器供電電壓；I1為信號(hào)電流，I2為地線中的電流；R1為信號(hào)線的線電阻，R2為信號(hào)線和電源線的共地電阻，R3為電源線的線電阻，Ri為傳感器的輸入阻抗。

圖5　前兆設(shè)備系統(tǒng)連接等效電路圖

由于交直流切換時(shí)，交流整流后的電壓與蓄電池電壓不一致，雖然有一級(jí)再穩(wěn)壓，但還是能引起洞內(nèi)傳感器的供電電壓U2的微小變化。由式(1)、(2)可見，U2變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致I2變化，最終引起U1變化。

由于U1是數(shù)據(jù)采集器要采集的傳感器的輸出量，其包含了U2變化的成分，交直流供電切換時(shí)由于交流供電和直流供電電壓略有差異，U2有突變，引起輸出數(shù)據(jù)波形畸變。即使U2不變，式(2)中Ri也是個(gè)變化量，同樣能引起U1的變化。

理想狀態(tài)下，數(shù)據(jù)采集器的輸入信號(hào)電壓U1應(yīng)該等于傳感器輸出電壓U0，式(1)中的線阻R1、R2不可能是零，所以這是不能實(shí)現(xiàn)的。

若式(1)中供電電流I2為零，那么：

U1=U0+I1*(R1+R2)

(3)

式(3)中信號(hào)電流I1也反映了傳感器的變化，R1、R2是常數(shù)，因此，式(3)基本上反映的是傳感器的真實(shí)變量。

3　效果驗(yàn)證

為使信號(hào)線地線中的電流I2為零，采取的方法是把信號(hào)線與供電線路隔離，信號(hào)線與供電線路各自用自己的專用線路，這樣信號(hào)線上就不存在供電電流I2了。由于數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)的信號(hào)地和電源地是共地的，直流供電時(shí)又與向洞內(nèi)供電的地線連在一起，表面上看信號(hào)線與電源線各有獨(dú)自的地線，但實(shí)際上地線還是連在一起的。通過多次實(shí)驗(yàn)，我們采用12V蓄電池通過隔離DC變換使洞內(nèi)前置放大器供電線路與數(shù)據(jù)采集器供電線路以及采集信號(hào)的信號(hào)線路完全隔離。如圖6所示。

圖6　永年地震臺(tái)洞體應(yīng)變供電隔離改造示意圖

圖7　永年地震臺(tái)電源改造后記錄的洞溫曲線

經(jīng)電路改造后，對(duì)永年地震臺(tái)洞體應(yīng)變的洞溫測(cè)項(xiàng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交直流切換實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2010年3月10日15時(shí)～16時(shí)(北京時(shí)間)，圖7為永年地震洞溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線變化，可以看出，把信號(hào)線與供電線進(jìn)行隔離后，在交直流切換時(shí)無明顯變化，溫度波動(dòng)范圍在0.01℃。

4　結(jié)　論

本文以洞溫作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)前兆設(shè)備在停電后出現(xiàn)的波形畸變提出了一種解決辦法，實(shí)驗(yàn)效果達(dá)到了預(yù)期的目的。

目前，大多數(shù)地震前兆設(shè)備都是將觀測(cè)的物理量最終轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行采樣處理。由于前兆設(shè)備測(cè)量的物理量級(jí)很小，反映到數(shù)采輸入端的電信號(hào)僅為微伏級(jí)，所以傳輸線路上較小的電信號(hào)干擾就有可能引起系統(tǒng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的變化，此時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)已經(jīng)包含干擾信號(hào)的影響，但是作為數(shù)據(jù)使用者很難分辨，這往往給分析人員造成不必要的誤判。而這樣的電信號(hào)干擾源是多種多樣的，如不純凈的供電電源、電磁波、非線性檢波等。為了提高設(shè)備觀測(cè)精度，今后可以把排除干擾的工作利用多種手段繼續(xù)拓展到多種測(cè)項(xiàng)。

[1]封弼君,陳紹緒. 永年臺(tái)水管傾斜儀干擾研究和菏澤5.9級(jí)地震的短期異常[J]. 華北地震科學(xué),1987,5(3):74-81.

[2]張摯誠(chéng)，羅蘭格，李海華，等.中國(guó)震例(1981～1985)[M].北京：地震出版社，1990：120-260.

SOLUTION METHOD OF ABNORMAL DATA CAUSED BY POWER AC/DC SWITCHING IN YONGNIAN SEISMIC STATION

WU Peng, LIU Yonggang, LI Xinbo

(HandanCentralSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfHebeiProvince，Handan056001,China)

Taking temperature of the hole in Yongnian station as experiment subject in this paper, the principle of power supply to the precursor instrument is analyzed, and the method of disconnecting signal lines and power lines is proposed. This method completely solve the abnormal of data from the AC/DC switching. Depending the experiment in Yongnian station, it achieves the desired results.

Yongnian seismic station; Precursory observation; Abnormal data

2016-01-22

吳鵬(1982—)，男，河北邯鄲人，工程師，主要從事測(cè)震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)與儀器維護(hù)工作。

P315.72+8

A

1005-586X(2016)03-0048-05