地震計智能恒溫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

孫宏志

(遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034)

技術(shù)交流

地震計智能恒溫系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

孫宏志

(遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034)

當(dāng)外界溫度急劇變化時，拾震器內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)會受到一定影響，易產(chǎn)生靠擺或零漂等問題。通過溫度實驗測試研究溫度對甚寬頻地震計性能影響，并通過研制地震計智能恒溫設(shè)備來解決此類問題，實時監(jiān)測防護罩內(nèi)溫度并與已設(shè)定溫度上下限進行比較，當(dāng)監(jiān)測溫度高于設(shè)定上限溫度時啟動半導(dǎo)體制冷裝置；當(dāng)監(jiān)測溫度低于設(shè)定下限溫度時則啟動加熱裝置。為防止防護罩內(nèi)系統(tǒng)溫度急劇變化造成拾震器的機械性故障，加熱制冷功率均從最小值開始進行緩慢調(diào)整。設(shè)備可遠程通過網(wǎng)絡(luò)進行各參數(shù)的修改，并可遠程啟動或關(guān)閉加熱或制冷裝置及其他故障設(shè)備。此設(shè)備的研制成功可使拾震器長期在穩(wěn)定的溫度環(huán)境中工作，減少其各類故障,同時也將最大限度地增加地震儀器的使用年限。

地震計； 半導(dǎo)體； 恒溫； 第三代移動通信技術(shù)(3G)； 短信； AT指令

0 引言

目前, 大動態(tài)、寬頻帶已經(jīng)成為當(dāng)代地震觀測的主流技術(shù), 我國的測震觀測系統(tǒng)大量使用寬頻帶地震計和甚寬頻帶地震計[1]。長周期地震觀測儀器的廣泛應(yīng)用, 對地震臺站觀測環(huán)境提出了更為苛刻的要求，其中溫度因素一直都是地震觀測學(xué)家關(guān)注的熱點[2-3]。溫度因素對地震觀測儀器等精密測量儀器的材料性能、元件等參數(shù)的影響是普遍存在、不可忽視的，尤其當(dāng)外界溫度急劇變化時，拾震器內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)會受到一定影響，易產(chǎn)生靠擺或零漂等問題。

以遼寧省地震局為例，2013年省內(nèi)測震臺共維修35臺次，其中拾震器維修7臺次，占總故障率的20%；2014年共維修34臺次，其中拾震器維修8臺次，占總故障率的23.5%；2015年共維修30臺次，其中拾震器維修6臺次，占總故障率的20%。2016年3月1—31日我們?yōu)檫|寧省地震局《國家地震烈度速報與預(yù)警工程》新建基準站的33個臺進行了勘選測試。由于使用的地震計垂直向溫漂較為嚴重，導(dǎo)致測試前期數(shù)據(jù)絕大部分無法使用，野外勘選小組人員對地震計緊急進行保溫防護處理，之后的觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量得到較大改善，能夠滿足儀器勘選要求。拾震器故障主要發(fā)生在1-4月北方寒冷的季節(jié)，通常拾震器在此期間會大批出現(xiàn)零漂現(xiàn)象，嚴重時甚至?xí)霈F(xiàn)靠擺等機械故障。針對此類問題，一些單位部門研制了一些相關(guān)保溫設(shè)備，在使用過程中主要存在以下常見問題：(1)如何解決加熱時各部分均勻加熱；(2)如何實現(xiàn)均勻制冷功能；(3)如何實現(xiàn)遠程各類工作參數(shù)的修改功能；(4)如何在設(shè)備自動控制的同時實現(xiàn)遠程人員控制。針對以上問題及野外維修中其他一些問題提出測震儀器遠程保障技術(shù)研究方案，其主要實現(xiàn)功能如下：(1)半導(dǎo)體制冷片均勻加熱、制冷；(2)遠程修改各類工作參數(shù)及控制制冷或加熱；(3)實時監(jiān)測恒溫系統(tǒng)內(nèi)溫度，如超出所設(shè)定溫度范圍即將監(jiān)測到的溫度信息傳送到監(jiān)測中心，便于中心人員掌握實時情況。地震計智能恒溫系統(tǒng)的研制成功將會減少維修人員的出臺維修工作，縮短維修時間，提高運行率，同時一些相關(guān)技術(shù)也可應(yīng)用于地震救援中，為地震減災(zāi)事業(yè)添一份力量。

1 BBVS-120寬頻帶地震計-溫度關(guān)系

選用北京港震機電技術(shù)有限公司研制的甚寬頻帶地震計BBVS-120作為測試對象，該地震計是位移換能力平衡反饋式寬頻帶地震計, 應(yīng)用精密的電容位移換能器和力平衡電子反饋技術(shù), 頻帶范圍為120 s～50 Hz。其具有寬頻帶、高靈敏度、大動態(tài)范圍, 傳遞函數(shù)穩(wěn)定, 噪聲水平低等特點, 適合寬頻帶地震觀測。根據(jù)寬頻帶地震計在北方寒冷地區(qū)運行時受溫度變化影響的實際情況，本文針對溫度對寬頻帶地震計的影響進行定量的分析研究，以總結(jié)溫度對地震計影響的具體指標(biāo)和相應(yīng)關(guān)系曲線。

測試內(nèi)容主要是將寬頻帶地震計BBVS-120置于溫控箱內(nèi)，并在地震計及溫控箱內(nèi)分別安裝溫度傳感器，溫度從-30 ℃每隔5 ℃增加一個測點直至+30 ℃，并查詢相應(yīng)溫度時地震計的零點，對其進行脈沖標(biāo)定和正弦標(biāo)定，最后對相關(guān)數(shù)據(jù)及波形進行計算和分析(表1，圖1，圖2)。

表 1 BBVS-120寬頻帶地震計分向靈敏度與溫度數(shù)據(jù)關(guān)系表

Table 1 Relationship between the temperature and three component sensitivities of BBVS-120 broadband seismometer

溫度/℃分向靈敏度/(V·s·m-1)UDEWNS溫度/℃分向靈敏度/(V·s·m-1)UDEWNS-301990．762018．831962．9752019．462042．241990．58-251995．092021．161963．85102024．452043．891993．02-201997．182023．521967．96152030．192046．851998．84-152002．62028．371966．89202034．182059．461996．57-102004．962036．521975．27252038．072063．671999．79-52010．382038．441976．48302041．232063．652005．4202014．012041．811982．29

圖1 BBVS-120寬頻帶地震計分向靈敏度與溫度 數(shù)據(jù)關(guān)系曲線圖Fig.1 Relation curve between the temperature and three component sensitivities of BBVS-120 broadband seismometer

圖2 BBVS-120寬頻帶地震計各分向零點-溫 度關(guān)系圖Fig.2 Relation curve between the temperature and three component zero-point of BBVS-120 broadband seismometer

通過以上分析得出以下主要結(jié)論：

(1) 寬頻帶地震計BBVS-120各分向零點電壓值在10 ℃到0 ℃間隨溫度降低而增大,0到-12.5 ℃垂直分項零點隨溫度降低而增大；NS、EW分項零點隨溫度降低而降低。

(2) 寬頻帶地震計BBVS-120各分向電壓靈敏度在-30 ℃～+30 ℃間隨溫度升高而增大，靈敏度變化率在2%～3%，尤其在-15～+15℃溫度點左右變化率最大。

2 系統(tǒng)功能

針對溫度因素對地震觀測儀等精密測量儀器的材料性能、元件等參數(shù)的影響,尤其當(dāng)外界溫度急劇變化時，拾震器內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)會受到一定影響，易產(chǎn)生靠擺或零漂等問題，通過溫度傳感器實時監(jiān)測防護罩內(nèi)溫度并與已設(shè)定溫度上下限進行比較來研制地震計智能恒溫設(shè)備。該儀器具有以下幾點主要功能：

(1) 本系統(tǒng)可實時監(jiān)測恒溫控制箱內(nèi)部溫度(地震計工作環(huán)境溫度)和恒溫控制箱外部溫度(擺房內(nèi)環(huán)境溫度),且溫度采集周期為每秒采集一次到每小時采集一次可調(diào)。

(2) 恒溫系統(tǒng)檢測到控制箱內(nèi)部溫度(地震計工作環(huán)境溫度)高于設(shè)定上限溫度時啟動半導(dǎo)體制冷裝置；當(dāng)監(jiān)測溫度低于設(shè)定下線溫度時則啟動加熱裝置。

(3) 通過遠程指令修改恒溫系統(tǒng)工作模式[4](自動、人工干預(yù))，并自動和人工干預(yù)工作模式中控制箱內(nèi)部溫度的上下限。恒溫系統(tǒng)工作于自動模式時當(dāng)監(jiān)測溫度高于設(shè)定上限溫度時啟動半導(dǎo)體制冷裝置；當(dāng)監(jiān)測溫度低于設(shè)定下限溫度時則啟動加熱裝置。恒溫系統(tǒng)工作于人工干預(yù)模式時當(dāng)監(jiān)測溫度高于設(shè)定上限溫度時發(fā)送報警信息到監(jiān)測中心，中心人員判斷是否啟動半導(dǎo)體制冷裝置并返回控制信息；當(dāng)監(jiān)測溫度低于設(shè)定下限溫度時發(fā)送報警信息到監(jiān)測中心，中心人員判斷是否啟動加熱裝置。

(4) 電源設(shè)計上為雙路交流輸入互為備份，一路停電另一路自動供電；內(nèi)部直流部分設(shè)計為雙路直流開關(guān)電源互為備份，主直流開關(guān)電源損壞后自動啟用備用直流開關(guān)電源供電。此項功能解決了直流開關(guān)電源損壞造成的故障，且設(shè)計輸出可控制關(guān)電、加電、重啟等操作控制的交流和直流12 V電源輸出接口，能解決由于交直流電源故障或地震數(shù)據(jù)采集器和相關(guān)設(shè)備死機造成的測震信號中斷[5]。

上述幾項功能的實現(xiàn)，不但可以解決外界溫度急劇變化造成的拾震器機械性故障，使拾震器長期在穩(wěn)定的溫度環(huán)境中工作，減少其各類故障的同時也將最大限度地提高地震儀器的使用年限，并可有效解決地震數(shù)據(jù)采集器、交換機、路由器、光貓等設(shè)備的死機問題，實現(xiàn)遠程斷電重啟等功能?？稍跇O大程度上節(jié)省地震子臺儀器維護的相關(guān)人力成本和經(jīng)費。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計及技術(shù)指標(biāo)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)是從集中監(jiān)控向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與無線監(jiān)控發(fā)展演變的，Internet資源的共享為遠程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利的條件[6]?，F(xiàn)有的遠程監(jiān)控系統(tǒng)在實現(xiàn)原理上大致分為兩類：一類為基于傳統(tǒng)Internet的有線式遠程監(jiān)控系統(tǒng)，另一類為基于GSM等無線移動網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)[7]。后者在工程造價、產(chǎn)品維護和市場前景上有絕對的優(yōu)勢。隨著3G等高速無線網(wǎng)絡(luò)的普及，基于無線網(wǎng)絡(luò)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)將成為新的研究熱點。國內(nèi)地震系統(tǒng)對于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用還處于起步階段，石曉輝等[8]對GPRS無線傳輸方式和有線傳輸方式的組合應(yīng)用進行了探索；朱小毅等[9]通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，用有線控制來完成地震計遠程監(jiān)控功能接口的實現(xiàn)。在這里我們選用3G無線數(shù)據(jù)傳輸與SMS相結(jié)合的無線控制方式。

硬件方面由核心控制電路、驅(qū)動控制電路和電源等部分組成。核心控制部分由SIMCOM公司的SIM5216E無線3G數(shù)據(jù)傳輸模塊和Philips公司生產(chǎn)的增強型單片機P89c668組成，其中P89c668通過串口發(fā)出AT指令和3G模塊進行通信[10]。同時為了能夠長期存儲某些儀器工作參數(shù)內(nèi)容，擴展了一片電可擦除非易失串行EEPROM存儲器AT24C512(512 kbit)。該器件具有兩線串行接口、雙向數(shù)據(jù)傳輸、硬件數(shù)據(jù)寫保護、八字節(jié)頁寫方式和獨立定時的寫周期(最大10 ms)等特點，可在1.8～5.5 V寬電源范圍內(nèi)可靠工作。其芯片在掉電后仍然能夠保存所存儲的數(shù)據(jù)，可保證100 000次擦/寫周期和10年有效保存數(shù)據(jù)[11]。為了使監(jiān)控單元能夠與SIM5216E模塊通訊，通信接口選用正負15 kV靜電電擊保護的MAX202E芯片完成TTL和RS232電平轉(zhuǎn)換[12]。溫度監(jiān)測的A/D轉(zhuǎn)換選用改進快閃技術(shù)的先進的LinCMOS高速8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC549，可使低功耗集成電路在整個溫度范圍內(nèi)幾μs完成A/D轉(zhuǎn)換[13]。加熱制冷片的輸出功率通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片TLC5615控制。具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 電源部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)提供了交直流輸出、控制功能,可為地震數(shù)據(jù)采集器、有線網(wǎng)絡(luò)交換機和路由器等設(shè)備進行供電控制。由于設(shè)備電源出現(xiàn)故障將會直接造成測震數(shù)據(jù)中斷，而在臺站維修的過程中每年都會有幾次由于交流電接觸不良、UPS損毀、直流12 V電源損毀等原因造成的信號中斷,所以電源部分的設(shè)計思路是交流輸入雙路備份、內(nèi)部直流雙路備份。

工作時設(shè)備可接入兩路交流電源：一路為主交流電源輸入接口。另一路為備用交流電源輸入接口。主交流電源接入到繼電器的線圈和常開引腳，備用交流電源接入到常閉引腳。當(dāng)主交流電源正常時繼電器吸合常開引腳與公共腳導(dǎo)通，而當(dāng)主交流電源斷電時繼電器釋放常閉引腳與公共腳導(dǎo)通，即備用交流電源自動接入到設(shè)備中。進入設(shè)備的交流電分別接入主直流開關(guān)電源、備用直流開關(guān)電源輸入端繼電器的常閉引腳和輸出到控制輸出電路繼電器的線圈引腳與常開引腳。正常工作時主直流開關(guān)電源輸出直流12 V到備用直流開關(guān)電源輸入端繼電器和輸出端繼電器的線圈引腳，兩個繼電器都為公共引腳與常開引腳導(dǎo)通，即備用直流開關(guān)電源與所在電路完全物理隔離而直流主開關(guān)電源輸出端通過繼電器常開腳與公共腳導(dǎo)通輸出直流12 V。當(dāng)主直流開關(guān)電源不能正常輸出直流時，備用直流開關(guān)電源兩端繼電器均為公共引腳與常閉引腳導(dǎo)通，備用直流開關(guān)電源接入到電路中代替主直流開關(guān)電源工作為后端提供穩(wěn)定的12 V直流電。切換部分繼電器采用萬家的大功率繼電器WJ176，其釋放、吸合時間均小于15 ms，且由于在工作電路中加入了一個50 V 2 000 μF電容和一個0.1 μF容量，在直流電源切換時對后端直流輸出不會造成任何影響。電源部分主要連接控制框圖如圖4所示：

3.3 儀器技術(shù)參數(shù)及使用、連接方式

本儀器技術(shù)參數(shù)：

(1) 輸入電壓：交流200～240 V。

(2) 系統(tǒng)工作溫度范圍：-30～50 ℃；

圖3 儀器硬件框圖Fig.3 Instrument hardware block diagram

圖4 電源部分連接控制框圖Fig.4 Block dragram of power source

(3) 系統(tǒng)工作恒溫溫度范圍可控制在0～30 ℃；

(4) 輸出直流電壓：11.5～12.5 V；

(5) 輸出交流220 V單口供電電流1 A(220 W)；

(6) 輸出直流12 V單口供電電流2 A(24 W)；

(7) 獨立可控交流220 V輸出口4個；

(8) 獨立可控直流12 V輸出口2個；

(9) 交直流轉(zhuǎn)換效率大于90%；

(10)本機控制部分功耗小于2.5 W，整機功耗小于20 W。

(11) 無線工作頻率：上行為1 920～1 980 MHz；下行為：2 110～2 170 MHz。

本儀器使用、連接框圖如圖5所示。除地震計置于本系

圖5 儀器使用連接框圖Fig.5 Frame of the equipment’s application

統(tǒng)恒溫罩內(nèi)保證其工作在恒定的溫度范圍內(nèi),地震臺站的相關(guān)設(shè)備電源均接在本儀器受控電源輸出接口上，當(dāng)有線設(shè)備(如交換機、路由器、光端機、協(xié)議轉(zhuǎn)換器等)發(fā)生損壞或死機時，通過本設(shè)備控制相關(guān)有線設(shè)備的重啟或切換。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制終端上電后，首先讀取本系統(tǒng)工作參數(shù)及地址號(臺站號)，然后對3G無線通訊模塊SIM5216E進行初始化，如設(shè)置短信模式為text模式,設(shè)置中心服務(wù)器IP地址,設(shè)置傳輸速率等。然后單片機巡回檢測無線模塊是否收到新短信，當(dāng)有新短信傳來時，執(zhí)行串口終端服務(wù)程序：讀取指令短信，并判斷地址號是否與本機相同，密碼是否正確，如相符則執(zhí)行相應(yīng)的操作指令，執(zhí)行完畢后返回本終端各電源輸出端口的代碼信息。而后刪除已讀取的短信。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow chart

5 結(jié)語

本恒溫系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計既能保證良好的保溫效果，又方便移除以便拾震器調(diào)試維修。本系統(tǒng)的優(yōu)點在于：采用進口pt1000溫度傳感器作為高精度溫度探頭，該探頭采用德國進口芯片，高溫防水封裝，可耐油、防水、防酸堿、抗干擾、抗振動，性能穩(wěn)定、精準度高、使用壽命長久；用硅橡膠加熱片進行加熱，其優(yōu)點是柔軟性好、發(fā)熱快、溫度均勻、熱效率高、強度高、使用方便、安全壽命長，不易老化，可以與被加熱物體緊密接觸；采用半導(dǎo)體加熱、制冷實現(xiàn)制冷或制熱的同時避免新系統(tǒng)對拾震器產(chǎn)生影響；定制完善的通訊協(xié)議，確保遠端設(shè)備能正確接收并解析中心發(fā)出的控制指令，并返回各類指令的確認信息；實現(xiàn)無線通訊模式，自動控制與人工遠程監(jiān)控相結(jié)合的現(xiàn)代控制理念。

目前已成功制作一臺樣機，并在遼寧省法庫地震臺投入使用。使用過程中地震計恒溫系統(tǒng)保溫罩內(nèi)溫度長期處于10～20 ℃，在解決地震計易機械故障的同時減小了其靈敏度和零點的變化。在其他設(shè)備故障時，可通過遠程控制重啟相關(guān)設(shè)備的方式有效解決非設(shè)備損壞等故障，且大多數(shù)故障經(jīng)過處理后十分鐘內(nèi)信號可以恢復(fù)正常。該系統(tǒng)本身運行穩(wěn)定，且在運行過程中未出現(xiàn)運行故障。

該產(chǎn)品的研制成功，可有效解決測震臺站由于外界溫度急劇變化造成的拾震器機械性故障，使拾震器長期在穩(wěn)定的溫度環(huán)境中工作，減少各類由于拾震器故障而引起的測震信號斷記和野外維修次數(shù)，同時也將最大限度地提高地震儀器的使用年限。雙路交直流供電及遠程控制供電功能的設(shè)計，大大縮短了由儀器死機或非地震數(shù)據(jù)采集器、拾震器等故障造成的斷記時間，解決了地震臺站遠程維護問題，增強了現(xiàn)有地震監(jiān)測系統(tǒng)的運行保障能力和服務(wù)能力?？傊嗽O(shè)備具有較高的應(yīng)用價值。

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Design and Implication of an Intelligent Constant Temperature Control System of Seismometers

SUN Hong-zhi

(EarthquakeAdministrationofLiaoningProvince,Shenyang110034,Liaoning,China)

The seismic observation system is a multi-disciplined integrated observation technology integration system. The influence of temperature on the material properties and component parameters of seismic observation instruments is a serious problem. When the external temperature changes rapidly, the mechanical structure of seismometers is affected and generates problems such as mechanical friction or zero drift. In this study, we use a temperature test to measure the effect of changing temperature on a very broadband seismometer, then design and develop an intelligent temperature control system for it. This system can monitor real-time temperature in the seismometer shield and compare it with the upper and lower limits of a set temperature. A semiconductor refrigeration device initiates when the monitoring temperature is higher than the upper limit, and heating equipment initiates when the monitoring temperature is lower than the lower limit. Because violent changes in temperature can damage the device, we prevent the system temperature in the seismometer's shield from changing rapidly. Through the system, we can remotely modify the parameters throughout the network, and control the heating and cooling devices or other seismic instruments. This equipment avoids the mechanical failure of seismometers caused by drastic changes in the outside temperature. It can help maintain a stable temperature environment for the seismometer over a long time, extend its lifetime, and reduce performance faults.

seismometer; semiconductor; constant temperature; the third generation mobile communication technology (3G); short message; AT command

2016-05-16 基金項目：測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(20160508)；遼寧省地震局專項項目(LN201502)

孫宏志(1973-)，男(漢族)，遼寧沈陽人,碩士，高級工程師,從事地震儀器研制與維護工作。E-mail：s6800@163.com。

TD315.62

A

1000-0844(2016)06-1004-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.1004