臨汾站寬頻帶傾斜儀故障處理與維護

吝利民,張聰聰,荊紅亮,靳寶萍,郭國祥

(1.山西省地震局臨汾地震監測中心站,山西 臨汾 041000;2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站,山西 太原 030025)

0 引言

寬頻帶傾斜儀是記錄由天體相互作用力引起的地傾斜固體潮變化的地球物理觀測設備[1],是進行地球物理觀測的重要手段之一。由于其具有實用性強、運行穩定等特點,在地震系統得到廣泛的應用[2-3]。寬頻帶傾斜儀在垂直擺傾斜儀的基礎上研發,數據采集器的采樣率由原先的分鐘采樣提高為秒采樣,可以有效捕獲更多的地球物理信號。寬頻帶傾斜儀的穩定運行和數據產出對地震監測工作起著一定的作用,因此,保障寬頻帶傾斜儀正常運行尤為重要。臨汾地震監測中心站寬頻帶傾斜儀的長期穩定運行為地球物理觀測提供大量可靠觀測數據的同時,其運維人員也積累了大量的運行維護經驗[4-5]。

1 寬頻帶傾斜儀工作原理

寬頻帶傾斜儀主要由垂直擺擺系、電源系統、信號處理系統、數據采集系統四部分構成[6]。其中,垂直擺擺系主要由擺桿、柔絲、主體支架、調零裝置、鎖擺裝置、底盤組成,垂直擺機械結構如圖1所示。

圖1 寬頻帶傾斜儀機械結構圖Fig.1 Mechanical struture of the wide-band inclinometer

寬頻帶傾斜儀由高強度合金柔絲將擺體垂直懸掛起來,在無震動時處于鉛錘狀態,當地面發生傾斜變化時,柔絲懸掛的動片會隨著地傾斜變化而發生改變,導致動片與定片間的相對位置發生變化,儀器將這種相對位置變化通過高精度的電容式差分式電容傳感器(三片式電容器)將這種微小的電壓變化記錄下來,再通過一系列的信號放大裝置,將信號記錄到數據采集器中,最后數采對信號進行整理,還原地傾斜固體潮變化情況[7],電容傳感器結構如圖2所示。

圖2 電容傳感器結構圖Fig.2 Structure of capacitance sensor

圖3所示的校準平臺通過利用壓電陶瓷的壓電效應產生微形變來模擬實際微小形變量[8-10]。為保障寬頻帶傾斜儀的正常運行,每半年進行一次格值校準,給定一個格值,讓儀器在測量物理量與采集量之間進行數據轉換。當格值出現錯誤后,導致記錄的數據出現偏差,嚴重影響觀測質量。

圖3 標定平臺示意圖Fig.3 Sketch of calibration platform

2 儀器常見故障處理流程

寬頻帶傾斜儀觀測系統由四部分構成,工作原理為用垂直于地面懸掛的擺系來監測地傾斜的變化狀況,高精度的電容式微位移傳感器,把這種變化轉化為微弱電信號,通過放大、整形、同步檢波、濾波等模擬電路,將微弱電信號進行處理,由數據采集器記錄整理,還原實際的地傾斜變化狀況。寬頻帶傾斜儀常見故障有三類:第一類是控制功能性故障,主要有調零故障和標定故障;第二類是信號調理故障,主要表現為觀測數據背景噪聲大、突跳、臺階、畸變、無固體潮等;第三類是網絡故障。故障排查流程如圖4所示。

圖4 寬頻帶傾斜儀故障排查流程圖Fig.4 Troubleshooting process for wide-band inclinometer

2.1 控制功能性故障

(1) 調零系統故障。

當傳感器輸出信號的大小超出數據采集器記錄范圍時,數采將無法記錄傳感器信號,需要對儀器進行調零操作。寬頻帶傾斜儀具有自動調零的功能,當需要調零時,可以通過儀器主機頁面對儀器進行遠程自動調零。當多次進行遠程調零而儀器無響應時,應檢查調零電路板的電壓和供電線路,確認供電電壓是否正常,供電線路是否存在虛接等現象,排除上述故障后,檢查調零裝置及馬達是否出現故障。檢查步驟為:將前置放大盒中的調零接線柱短路,若馬達未能發出聲音且不能正常調零,初步判定調零馬達或馬達控制芯片出現故障;在更換馬達或馬達控制芯片后,如果聽到馬達轉動聲音,但調零仍然出現故障,判定可能是調零底腳螺絲太緊或者太松,反復調整至合適位置,確保其平穩運行。

(2) 標定系統故障。

儀器每年進行2次格值校準,選擇在小潮期間,波形曲線處于波峰或者波谷時進行。如果多次進行遠程校準,儀器未響應或標定波形異常,判定為標定系統故障。故障排查步驟為:首先檢查數據采集器的標定功能及標定線進入山洞后是否有標定電壓;若標定功能正常且有標定電壓輸出,待校準結束后查看校準波形,若校準波形幅度略小于正常校準波形幅度,可能是因長時間不校準導致,可再次進行校準,直到符合規范要求;若校準波形幅度與正常校準波形幅度明顯不同,需對標定線路、標定信號進行檢查;檢查標定線路是否存在虛接、電子元件是否正常工作,同時可以對存在故障的電子元件LM336進行更換。

2.2 信號系統故障

信號系統故障主要有四類:第一類是供電故障。首先確保寬頻帶傾斜儀供電電壓正常,采用直流12 V或直流15 V,或者交流100～240 V供電電壓。當供電電壓異常時,先確保臺站UPS是否正常供電,再測量電源模塊中輸出電壓是否符合規范要求,進而對故障進行判斷和處理。第二類是信號放大裝置故障。信號放大裝置的作用是將電容板定片與動片之間的相對位置信息通過放大、濾波、整形等信號調理[1],將其轉化為電壓信號,并傳輸給數據采集器。信號放大裝置故障會導致采集的數據出現錯誤。當其出現故障時,先拆開并檢查電路,更換容易出現故障的電子元件,如果故障仍不能解決,考慮更換信號放大裝置。第三類是電容動片位置偏離。當差分式電容傳感器(三片式電容器)中的電容動片位置偏移中心位置時,導致觀測數據異常且調零或者標定不能正常進行。用手電筒照射擺體正上方,查看電容動片的相對位置,使用螺絲刀等對電容動片進行微調,將其置于兩個電容定片的正中間位置。第四類是擺體受潮。在個別濕度較大的山洞容易出現此類故障,導致記錄的電壓信號出現偏差,此時需要對擺體進行除潮處理。

2.3 網絡故障

網絡故障主要分為三類:第一類是本地交換機故障。臺站一般都是多套儀器共用交換機,交換機出現故障時,通過交換機連接的所有儀器都無法連接網絡。第二類是網線接口松動。一般是由于維修過程中維修人員不小心觸碰網線接口導致,重新插拔網線即可。第三類是網卡故障。維修人員在維修儀器時觸碰網卡,導致松動,重新插拔即可。

3 典型故障分析及處置

3.1 供電電源故障

2022年6月3日臨汾站寬頻帶傾斜儀南北向零漂超限,工作人員對其進行遠程調零處置失敗,重啟儀器后東西向觀測數據也出現錯誤,兩分量觀測數據同時出現無潮汐形態(見圖5)。

圖5 寬頻帶傾斜儀原始觀測數據曲線Fig.5 Original observation data curve of wide-band inclinometer

出現該故障后,工作人員到山洞進行現場檢查發現,東西向和北南向調零盒上的顯示面板均無數據,數據采集器面板上有錯誤數據。兩個測項的調零盒同時無數據顯示,調零盒本身故障的概率很小,同時出現故障的概率也較低,初步判定電源故障的可能性較大。供電故障有兩種可能性:一是供電線路問題,二是供電電源問題。

首先檢查主機到傳感器之間的供電線路。拆除供電線路接口,短接線路兩頭,用萬用表進行導通測試,發現線路正常,排除供電線路故障。打開主機檢查供電模塊,使用萬用表測量傳感器供電電源,正常狀態時V1=5 V,V2=12 V,V3=-12 V,通過測量發現V2為10 V,其余電壓正常。故障原因為供電模塊電壓過低,造成調零盒顯示器不亮。更換+12 V的電源模塊后,調零盒顯示恢復正常。

3.2 調零故障

2022年6月4日供電故障維修后,供電恢復正常,但無法對其進行調零處置,主要表現為調零命令發出后調零電機一直運轉,無法自行停止,初步推斷為調零控制電路故障,對調零信息不能及時反饋所致。更換調零電路板上的TL084和LM356控制芯片后,調零成功,觀測數據恢復正常。

上述供電電源和調零故障具有一定的內在聯系,當遠程調零命令發出后,調零裝置開始運行,馬達轉動開始調零,此時調零控制芯片發生故障,無法將調零信息及時反饋馬達,使馬達無法停止,長時間給馬達供電,引起供電模塊部分燒壞,無法提供正常的供電電壓,導致雙向前置放大盒出現故障,造成調零盒顯示面板無數據。

3.3 低通濾波芯片故障

2022年12月2日寬頻帶傾斜儀東西分量出現高頻抖動及觀測曲線噪聲明顯增大,發現問題后觀測人員進山洞對儀器進行檢修。由于觀測環境未發現明顯變化且北南分量觀測數據正常,分析認為是東西分量故障(見圖6)。

圖6 寬頻帶傾斜儀預處理數據曲線Fig.6 Preprocessing data curve of wide-band inclinometer

首先打開東西分量前置放大盒,通過萬用表檢查發現供電穩定,電壓芯片輸出穩定,排除線路和電源故障,初步認為可能是低通濾波芯片故障。更換低通濾波芯片后,高頻抖動現象消失。

3.4 網絡故障

查看儀器工作狀態是否正常、觀測數據是否可以正常采集入庫是每日巡檢的項目。2022年12月4日在維修結束后發現儀器不能正常連接網絡,路由器指示燈斷續閃爍,網線接口未出現松動現象。

首先更換網線,故障仍然存在,認為可能是數據采集器中的網卡故障;然后打開數據采集器,檢查網卡接口時,發現網卡接口松動,重新插拔網卡后,故障得到解決。

4 結語

由于儀器故障種類較多,為保障觀測數據的連續、可靠,需要維修人員了解儀器的工作原理,掌握最基本的故障排除方法?？偨Y臨汾站寬頻帶傾斜儀運維工作,得出以下經驗:

(1) 當主機面板顯示正常,調零盒雙向同時數據不顯示時,首先考慮供電模塊能否提供有效電壓。

(2) 當遠程操作無法調零時,首先考慮調零馬達故障或馬達控制芯片故障,在調零信號發出后,馬達不轉動,則大概率為馬達故障;馬達可正常轉動,則考慮馬達控制芯片故障。

(3) 曲線背景噪聲大、數據突跳時,在確認觀測環境未發生明顯改變的前提下,首先考慮低通濾波芯片故障。

(4) 在每次維修儀器后,要檢查儀器網絡是否暢通,觀測數據是否可以正常采集入庫。