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地震地电阻率观测在国内地震监测、预报中发挥着重要的作用,由于城市化进程的加快,地表电阻率台站观测环境干扰严重[1]。各种漏电干扰不断增加,同时很多台站使用的“十五”“背景场”项目的仪器日益老化,容易引起干扰数据。造成原因主要有2种:一是观测系统故障,主要由外线路老化、避雷装置故障、接头接触不良等造成;二是场地环境变化,主要由观测场地附近新增或拆除供电设备、金属管道和交直流漏电造成数据异常等。对于上述干扰的检查方法,主要是通过仪器标定、替换、外环境巡查、线路绝缘等。
但上述检查方法对测区内漏电无法准确判定,存在排查难度大、耗时长,导致无法快速、准确地判断干扰原因。目前,台站没有地电专用仪器故障、漏电检查仪,不定时出现的异常判别对工作人员地电观测技术要求较高。本文针对地电仪器的测量原理和测区漏电特性,研发了地电观测干扰数据检查仪,为地电台站提供一个新的排查依据,从而提高工作效率。
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地电观测仪器观测时间间隔较长,中间无法记录到地电场变化和仪器工作状态,出现数据异常时不能准确判断干扰原因,因此需要研制一台高精度、高分辨率、较高采样率的的仪器,接入地电测量极获得实时数据,再对这些干扰数据变化特征进行分析,确定干扰原因。
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该仪器由ARM工控板、PIC18F4520 8位单片机、U北斗/GPS授时模块+天线、ADS12568通道模数转换模块、锂电池/12 V线性电源、数据线、测量线、4根铜针(野外漏电检查)等组成。仪器采用32位的ARM9工控板,内含WINCE6.0操作系统,系统内有c#开发的地电观测环境干扰数据采集波形显示软件。该软件通过RS232串口向PIC单片机发送读取数据指令,单片机处理通过SPI接口与24位高精度ADS156模数采集模块通信,发送读取测量电压数据命令;采集模块对地电测量极M、N电极或观测场地电压测量[1],将测量数据通过SPI接口传给单片机;单片机将数据进行计算处理、格式转换后,发送给工控板上的采集软件;采集软件再按指定格式生成秒数据和分钟值文件。当地电数据出现异常时,用FTP软件通过本地或远程下载数据进行分析,识别出观测干扰原因。
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仪器由工控板、电源、GPS授时、数据处理芯片、AD模数转换模块、数据线及4根铜针组成。工控板采用LJD-eWinV5-LT3开发板,V5-3.5寸触控屏wince6.0中文系统、3路RS232/RS485通信串口、TF卡最大支持64 G存储卡、百兆网口,主要功能是完成数据存储、实时波形显示、网络通信、数据传输等。电源部分由12 V、4 A的DC 外接电源、内部LT3045单电源低噪声线性模块和12 V锂电池组成,主要作用是给仪器供电,同时给锂电池充电,保证在野外查漏电干扰时锂电池可以为仪器工作8小时以上供电。单电源线性模块是给数采AD模数转换模块和授时模块提供电压。GPS授时由高精度GPS/北斗一体化模块NEO-M8M陶瓷天线组成,主要功能是给仪器授时,保证仪器时间与工作仪器时间同步。数据通信处理芯片是由8位PCI18F4520单片机组成,主要功能是通过SPI接口读取AD模块数据进行计算处理和格式转换成字符串形式,通过单片机串口与工控板RS232串口2通信,将数据发送到工控板的数据采集软件中。AD模数转换是由24位高精度的ADS1256模块组成,内含有8路输入通道,采用差分输入,分辨率达1 μV,低噪声低温漂Vishay晶圆金属膜电阻,测量电压时确保不受温度影响,数字信号高频衰减电阻,隔离外部高噪声。数据线采用的是4芯信号屏蔽线,一端接入仪器,另一端为4个鳄鱼夹子,分别代表示A1(北+)、B1(南-)、A2(东+)、B2(西-);当地电数据出现干扰时,将4个夹子,A1接北南向测量极M1、A2接测量极N1,A2接东西向测量极M2、B2接测量极N2。如果是室外查漏电干扰源时,将4根铜针正十字交叉间距5 m插在测区干扰附近,记录漏电干扰源数据,根据干扰方向和幅度确定干扰源位置。
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软件系统由数据采集波形实时显示软件、授时软件、PIC单片机数据处理等组成。波形实时显示软件是基于Visual Studio 2008运行环境来开发的,使用c#语言进行编程,可根据自己的需求进行编辑,移植编译运行在基于wince系统的arm体系结构操作平台上。软件系统的主要功能是显示记录波形和数据备份。具体实现方法:首先对两个串口初始化,通过串口控件comport中BaudRate和PortName属性设置波特率和COM端口号,用文件读取函数StreamReader获得所有参数字符串,用Split(' ')分割字符串获得台站每个参数,File.Exists查看当天有无数据文件,无则通过File.AppendText函数新建空文件,将所有缺测数据置为NULL。利用timer1定时器每秒钟触发一次,利用comportbf.Write("zhkwhx")函数向单片机发送电压采集指令,并通过comportbf.ReadExisting()读取单片机发送的数据,用ByteArrayToHexString(byte[] data)函数将十六进制数据转换成字符串,然后每分钟对秒数据进行平均计算得到分钟值数据,同时按照TXT文本格式“年月日时分(秒)+制表符+数据1+制表符+数据2+换行符”,方便直接复制粘贴到EXECL表格绘图形,通过File.AppendText函数实时保存,并按时间序列存入秒、分钟数据日文件,文件名分别为YYYYMMDD.txt分和YYYYMMDD分钟.txt。仪器内设有两个选项,“地电自然电位差”和“地电场”,根据干扰异常数据选择相应测量方式,当选择“地电场”,软件通过地电场公式换算自动计算出电场值,按上述方法存入DC文件夹中。软件实时绘图功能,利用Graphics.FromImage(bMap)函数创建一个画板,在画板上用gph.DrawLine函数用循环语句绘制2分钟两个测向的秒数据曲线。
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连接该检查仪通过LeapFTP软件登陆下载文件,将数据复制粘贴到EXECL表中绘制曲线图形,通过地电仪器在工作前、中、后的数据变化形态特征,分析出地电干扰数据异常原因和干扰位置。首先,需要了解地电阻率供电原理、测量时序,有助于快速数据异常分析。地电阻率采用四极对称装置进行测量,工作过程中采用A、B电极正反向供电,利用测量极在供电期间测量得人工供电电位差△V,通过视电阻率计算公式
$ {\rho _{\text{s}}} $ =K*ΔV/I得到地电阻率(图6)。从式中可以看出影响地电阻率观测值主要是△V和I,而△V则是由N次正反向供电中测得,如果B、C处任何一处出现方波畸变,都会影响地电阻率观测值。地电阻率仪器观测的供电方法和测量时序理论上为M、N之间人工电位差测值变化时序[2],通过了解观测供电波形特征,有助于分析仪器工作状态和观测环境变化情况。仪器测量时序如图7,5分时开始先测M、N之间自然电位差A,之后进行2次正反向供电测量供电电流B,接着进行N次正反向供电测得人工供电电位差C,最后测量一次正反向供电测量供电电流B;然后开始计算N次的地电阻率值,每小时地电阻率观测值可视为由N次观测的地电阻率的平均值。
以洛阳台地电阻率供电波形为例(图8),第一条曲线A1为观测前NS向自然电位差变化形态,B1段为两次正反供电,用于测量电流大小,C1段为4次正反向供电测量人工供电电位差,为了确保电流稳定可靠C1段后B1段再进行一次正反向电流测量;然后仪器自动计算自然电位差、地电阻率、均方差,完成一次NS向地电阻率观测,D1段为EW向在观测过程中NS向记录到的供电波形。第二条曲线EW向和第一条SN向供电波形是一样的,但位置左右相反。从图8中A1段和A2段可以可以看出,NS向和EW向自然电位差曲线变化正常,说明观测环境和测量线路正常,如果波形异常说明观测环境有漏电现象或测量线有问题。B1和B2波形正常没有出现畸变,说明观测系统和环境正常,如果B1段出现波形畸变而B2段波形正常,说明NS向供电线路故障,反之是EW向供电线路故障;如果B1和B2波形均出现畸变,说明地电稳流电源出现故障。C1和C2段故障判断与B1、B2段相同。B1、C1段波形不正常,而D2段波形正常,说明供电线路和稳流电源正常,NS向测量系统出现故障;同理D1段波形正常,B2、C2段不正常,说明EW向测量系统故障。从图8中可以看出B1、C1、B2、C2供电波形越规则、方波越标准、大小幅度一致,得到的地电阻率值越稳定,均方差越小,观测精度越高,反之电阻率值不稳定、均方差越大,畸形严重时数据“超差”造成缺测。
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交流电漏电:以洛阳中心站地电北测量极附近变压器漏电为例,图9a中供电波形A1、B1、C1段严重畸变,造成NS向地电阻率“超差”,而图9b中A2、B2、C2、D2波形正常,说明观测系统正常,问题为NS向测量极附近有漏电干扰,经测量NS向测量极交流电压达13.6 V,远超仪器规定电压,严重造成观测仪器供电电压测量失真。从图9中第一个供电波形向下,说明稳流电源正负极接反,不影响地电阻率数据,但还是需要调换。
地铁干扰:从图10中可以看出,供电波形B1、C1和B2、C2段中出现轻微的不规则,上下高低不平,A1和A2段自然电位差小幅上下漂移,说明目前观测系统正常,观测环境只有地铁干扰,地电阻率均方差变大由地铁干扰造成。
电极故障:有的台站地电NS向和EW向自然电位差年变化几百毫伏,上下漂移,很难判断是环境漏电还是电极故障引起,为了确定电极故障,分别在EW向测量电极M2、N2处,埋设2个临时电极,连接老的外线路,只做对比观测不接入观测系统。原来2个老观测电极连接新外线路与地电观测系统连接,用检查仪分别记录老电极和临时电极自然电场变化做对比分析。从图11a临时电极的数据曲线中看出,数据在4 100 μV左右变化且相对平稳,能清晰地看出地电暴、陕湖线高压直流干扰,其中降雨引起了数据漂移,说明外线路有破损现象。而老电极均没有记录到(图11b),而且数据上下漂移不稳定,说明老电极故障老化严重,需要及时更换。
图 11 观测电极与试验电极自然电位差分钟值对比图
Figure 11. Comparison of the minute value of the natural potential difference between the observation electrode and the test electrode
合成矢量方法干扰排查:对于干扰源方向的定向计算,源于地电场方向观测原理,即电场矢量合成方法[3]。原理采用同时观测两个方向的地电场分量进行矢量合成[3-5]可确定干扰源方位(图12)。将两个测点矢量方向进行合成,交叉点的位置为干扰源位置(图13)。用4根铜针代表4个电极,分别按照正南北正东西十字交叉分布,两个方向电极距离采用5 m或20 m布设(图14)。地电观测干扰数据检查仪的第1测道测量NS向,第2测道测量EW向。以龙门石窟景区夜景灯地埋电缆线漏电检查方法为例。每天晚上18时31分至23时30分漏电干扰造成地电场数据台阶(图15),从图中可以看出EW向长短极距干扰台阶最大,在67 mv/km左右;其他方向测道在30 mv/km左右,说明是漏电干扰大致在EW方向。在地电场EW向电极两边同时架设两台检查仪,发现西边未记录到干扰台阶,而东边记录到干扰台阶比地电场记录的大且合成矢量方向指向东,说明干扰在东边。于是将检查仪继续往东移放置在距离地电场东超200 m远的龙门石窟景区附近,这时记录干扰台阶最大达到1 200 mV/km。根据2个测点数据记录图(图16~17),将干扰幅度EW向分量Ex(A1B1)和NS向分量Ey(A2B2),在坐标上标合成矢量方向,将两测点的合成矢量方向进行交叉,交叉点就有可能是漏电点位置;该位置附近有夜景灯每天这个时间段亮,关闭后干扰台阶消失,经查夜景灯、地埋线路存在漏电处理后正常(图18)。图19为地电观测干扰数据检查仪。
图 12 电场矢量方向确定干扰方向
Figure 12. Determine the direction of interference with the electric field vector direction
图 15 景区夜景灯漏电造成洛阳台地电场数据台阶
Figure 15. The electric leakage of the nightscape lamp in the scenic area caused the data step of the Luoyang platform electric field
图 16 在测点1查漏电和干扰台阶合成矢量方向图
Figure 16. Check the leakage and interference step synthesis vector direction map at measurement point 1
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故障分析:数据出现异常时,根据供电波形特征按上述方法分析干扰原因,方法简单易学,通过供电波形前中后可快速分析,判断出是环境干扰还是观测系统故障,缩短排查时间。
数据对比:当地电阻率仪器自然电位差出现异常变化,可接入测量系统记录一段时间,对比数据是否一致,来确定仪器测量系统是否正常,包括仪器主机、电极故障、地电场数据等。
干扰源排查:当观测场地出现漏电干扰时,确实无法确定干扰源位置时可用两套该仪器,在测区内连续记录场地自然电场变化,当出现漏电干扰时,利用上述方法定位排查消除干扰。
远程分析:主要用于协助其他台干扰数据分析,远程访问该仪器通过FTP协议下载仪器内的数据,对其分析确定干扰原因。
微观分析:仪器可以实现秒数据、分数据观测和微伏测量,对一些细微变化进行监测,如地电场扰动、高直干扰、地铁各种干扰形态等,分析数据异常成因。
干扰排除:通过检查仪器测量线不同接法实现。正常接法是第一测道接M1N1和第二测道接M2N2,主要是监测观测环境漏电干扰和观测系统状态的。当确定外线路、电极故障或观测场地漏电后,其只能判断哪个测向但不能判断具体位置。再采用M1M2和N1N2接法实现对具体线路、电极故障以及电极附近漏电干扰位置进行判断。
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地电观测过程中存在各种各样的干扰,观测系统故障如无电流、电极故障、外线路断线以及观测环境漏电等,引起干扰数据异常。通过该检查仪器记录数据波形特征,就能够分析出大部分干扰原因和位置。这些工作在室内均可完成,减少室外排查,有效提高了工作效率,对判断观测系统故障效果最佳。检查仪也可用于对野外观测场地其他设备或地埋线路漏电干扰排查,同时通过记录数据验证地电观测数据的可靠性。该仪器不同的接法M1N1-M2N2、M1M2-N1N2、A1M1-BN1等,对系统故障判断、环境变化、干扰方向位置、对比分析等效果更好,已在洛阳、浚县、潢川等台站多次用干扰排查。
Development and Application of Interference Data Anomaly Instrument for Geoelectric Observation
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摘要: 地电观测过程中,由于受漏电和观测系统故障会引起干扰数据,如突跳、台阶、超差等,这些干扰数据不易被快速判断,需要做大量检查工作才能完成。为解决此问题,研制了地电观测干扰数据检查仪,能实时记录仪器工作状态和地电场变化,当出现干扰时调取相应干扰时段的秒数据或分数据,通过对干扰数值波形特征分析,进而快速判别并排除干扰。实践应用表明,该仪器对干扰异常能够较好识别,提高了排查效率。Abstract: In the process of geoelectric observation, the data are easily disturbed by by leakage and observation system fault, such as sudden jump, step, out-of-tolerance and so on. These interference data is difficult to judged quickly, and need a lot of inspection work to complete. The instrument can record the working state and the change of the geoelectric field in real time. When there is interference, the second data or minute data of the corresponding interference period can be retrieved, and the interference can be identified through numerical analysis, thus eliminating the abnormality and improving the efficiency of interference data troubleshooting.
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