淺析河北地震臺網大地電場觀測儀器故障特征

張廣莉，王莉森，馬 佳

(1.河北省地震局陽原地震臺，河北 陽原 075800；2.河北省地震局，河北 石家莊 050021)

0 引言

觀測儀器的運行狀態是直接影響產出數據準確性的主要原因。地震數字化觀測儀器在網運行約20年，觀測設備的故障特征也逐漸呈現出來。地電場儀是用于觀測地表地電場強度的專用儀器，具有高靈敏度、大動態范圍等性能特點及良好的抗干擾能力和較高的可靠性等，主要觀測地電場強度及其時空變化，為地球物理場研究和地震監測預測服務。

河北省地震局是系統內較早開展數字化地電場觀測的單位之一，經過“首都圈”“九五”“十五”等項目的建設、運行，地電場觀測儀器已運行約17年，儀器運行過程中出現了多種故障。以河北省地震前兆數據跟蹤分析記錄事件、臺站觀測日志、全省維修記錄為依據，統計地電場觀測儀器的6種主要故障類型，分別為電極故障、主機故障、數采故障、電源故障、外線路故障、參數混亂，其中電極故障、主機故障為主要類型，約占80.43%。通過對故障特征及典型實例的分析，為儀器故障點位的快速查找、判斷以及部件的快速更換提供技術參考。

1 儀器測量原理及結構

1.1 觀測原理

地電場強度矢量測量，是按照分量測量、矢量合成的方法對地表地電場強度進行測試。當測量得到至少兩個(正交)分量以后，由如下式1和式2可以計算得到測點O的平均地電場強度值E和方位角。

(1)

(2)

在進行地電場分量值測量時，一般情況下測量磁南北和磁東西兩個正交分量。也可以根據觀測場地條件，在平行和垂直于斷層走向方向進行測量[1]。矢量測量合成如圖1所示。

圖1 地電場矢量示意圖Fig.1 Vector schematic diagram of telluric electricity field

1.2 儀器結構

圖2 地電場儀工作原理框圖Fig.2 The working principle of the telluric equipment

2 故障識別方法

按照儀器組成結構分類，地電場觀測系統常見故障包括電源故障、裝置系統故障(含外線路、電極、避雷等)、主機/采集故障、通訊故障等。故障發生后，一般通過觀測數據變化特征與觀測原理相結合的方式判斷故障發生點，采用“替換法”和“逐步逼近法”檢測故障。

2.1 替換檢測法

替換法是最直接的維護方式，可粗略快速查找故障點，實現觀測系統的快速恢復[2]。其適合臺站或維修中心，通過足夠的備機備件，采用輪流替換的方式快速查找影響觀測系統正常運行的故障點，并通過替換法實現觀測數據的正常采集。替換法可根據故障發生誘因采用合適的替換方式，而非盲目的替換造成系統的無法恢復。

2.2 逐步逼近法

逐步逼近法是通過分析、實驗精細查找故障的一種方式。其原則是按照容易到復雜的順序，即“先查供電、后查儀器主機(采集、通訊、儀器內供電)、之后外線路、最后電極”的順序對可能出現的故障進行逐個檢測和排除，最終確定故障點位，實現故障的維修。

3 故障特征與實例分析

文章以河北省地電場觀測儀2008至2017年上半年數據跟蹤分析記錄事件、臺站觀測日志、全省維修記錄為數據源，統計分析儀器故障6類，統計維修次數200余次，各類故障比例如表1所示。

表1 干擾類型信息表Table 1 Interference types information

如表1所示，地電場觀測儀器故障主要是電極故障、主機故障，占80.43%，其次是數采故障、電源故障、外線路故障、參數混亂，占19.57%。根據觀測系統構成，合并部分故障類型，重點對主機故障(數采故障、參數混亂)、電源故障、電極故障、外線路故障進行詳細的實例分析，為臺站、省局儀器維修的故障判斷提供解決思路。

3.1 主機故障

主機是地電場觀測系統的核心部件之一，主要承擔系統的控制、數據存儲、網絡通訊、測量控制、數據采集等。地電場儀主機主要由工控機、數據采集兩部分組成來完成觀測數據的采集、存儲、格式轉換、通訊等。其中工控機又稱為上位機，數據采集部分稱為下位機，均可獨立工作。下位機是由單片機組成的采集控制系統，主要負責數據的采集、模數轉換、原始數據的存儲；上位機就是工控機部分，類似于一個小型的計算機，在該儀器中主要負責網路通訊、數據轉換、長時間數據的存儲等。

主機故障占儀器所有故障的38.04%，主機故障是觀測儀器故障的統稱，詳細的故障劃分為工控機故障(硬件故障)、數采故障、通訊故障、測量參數混亂4大類，每類故障均對應不同的故障現象，每類故障均有各自的判別方法。

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3.1.1 工控機故障

(1) 故障現象主要有死機、通訊故障、命令無響應、無數據文件、工控機反復發出“嘟”聲(重啟)、系統無法啟動、儀器工作參數與測量參數混亂等。

(2) 工控機的工作狀態較容易識別，主要通過兩種方式確定其工作狀態。首先，通過網絡連通命令ping儀器主機，根據響應情況判斷工控機通訊模塊和儀器命令響應情況；其次，通過Web界面或Ftp方式登錄儀器，查看儀器基本配置參數或下載觀測數據等方式判斷工控機的工作狀態。

(3) 實例分析以河北興濟臺電場儀工控機故障為例。2014年3月29日值班人員巡檢地電場儀工作狀態，查看儀器前面板，工作指示燈閃亮，工作正常。備份觀測數據，通過登錄觀測儀器Web界面下載儀器當天的觀測數據，登錄儀器失敗，提示“儀器未連接”。通過網絡連通命令ping儀器主機，無返回信息。結合現場查看儀器工作狀態的情況，判斷為工控機故障。由于下位機(數采)工作正常，通過串口數據采集軟件調收儀器當天數據正常后，打開儀器機箱，通過將工控機5 V供電系統斷電(不是主機斷電)，重新加電實現儀器重啟后繼續登錄儀器Web界面，此時儀器登錄成功，檢查儀器工作參數及基礎信息均正常，儀器恢復工作，初步判斷此次故障為工控機死機。此時應當刪除當天“.epd”格式文件，重啟數據采集控制軟件，確保數據的完整性。但是由于臺站值班人員未按此操作，丟失當天3個小時的數據，即13：47數據斷記，16：01數據恢復(見圖3)。

圖3 河北興濟臺電場儀工控機故障曲線Fig.3 Curve of industrial personal computer trouble of telluric equipment at Xingji station

3.1.2 數采故障

(1) 故障現象。

前提是工控機正常，單道或多道觀測數據錯誤或缺測。主機前面板工作狀態指示燈不正常或指示燈無顯示，且前面板顯示觀測數據錯誤或無數據，或者可聽到主機內有繼電器不規則的切換聲,甚至為數采死機。

(2) 判別方法。

首先查看儀器主機前面板的工作指示燈與顯示測量數據是否正常；其次，通過遠程登錄工控機下載數據文件，查看當前數據是否與臺站正常的背景數據一致，如不一致，基本可以確定為數采故障(電極老化反應與此不一致)。

(3) 實例分析。

以河北昌黎后土橋地震臺電場儀數采故障為例。2014年5月7日巡檢儀器工作狀態，遠程登錄儀器工控機，查看觀測數據，數據背景噪聲高于往日數據特征且出現雜亂無章的連續動態尖峰曲線。現場檢查儀器主機前面板，儀器工作指示燈常亮，且6個測道均出現時斷時續的現象，排除電極同時損壞的可能，初步懷疑為數采工作不正常。備份當天數據文件，重啟儀器并檢查儀器工作參數無誤后儀器恢復工作。數據變化如圖4所示。

3.1.3 參數故障

參數混亂或丟失可分為測量參數混亂與工控機工作參數混亂兩種形式。其中測量參數混亂的直接特征是儀器數據錯誤，出現與背景噪聲不一致的現象，均為錯誤數據；工控機工作參數混亂表現為網絡不通、數據文件形成錯誤(文件名或文件內容)等。兩種方式的表現形式均不一致。因其診斷容易，所以需在工控機、數采故障開始檢查前完成參數核對，確保儀器工作正常。

圖4 河北昌黎后土橋臺數采故障數據缺測曲線Fig.4 Data shortage curve of data acquisition trouble at Tuqiao station in Changli

以興濟臺地電場儀器參數混亂為例。2014年5月16日12：19地電場觀測6個測道同時出現臺階狀變化，數據限幅，壓制觀測數據顯示為一條直線。初步懷疑場地環境干擾或主機故障，巡視測區環境，標定設備均正常，查看儀器測量參數，所有參數恢復到出廠設置，查找原因，初步判斷為設備老化造成。重新設定為興濟臺工作參數后，儀器工作正常。數據變化如圖5所示。

圖5 河北興濟臺地電場儀器參數混亂曲線Fig.5 Curve of disordered telluric equipment parameter at Xingji station

3.2 電源故障

電源故障主要包含供電電源故障和儀器電路板電源故障兩種。供電電源出現故障后，整套儀器停止工作或工作不正常；電路板電源故障主要表現為主機停止工作、工控機啟動時“滴”的聲音頻繁、公用數采繼電器反復切換等[3]。出現以上情況后，只能通過現場診斷解決。通過萬用表量取供電電源輸出電壓，判斷電源供電是否正常。如，市電供電電壓在210～230 V之間可作為正常供電，直流供電在11.5～13 V之間可作為正常范圍，儀器內部電路板供電在4.5～5.5 V之間可作為正常供電。因此在現場診斷電源故障時，需根據每個供電單元的實際情況來判斷儀器供電是否正常。電源故障的特點是，電場儀6道數據同時出現變化，變化特征呈趨勢性變化或方波形態。

以興濟臺電場儀電路板電源故障為例。2011年4月5日00:02至19:11，滄縣興濟地震臺ZD9A地電場儀6道數據均出現大于日變化峰-峰幅度2倍的多次方波(見圖6)，系降雨造成電網停電，UPS供電超過5個小時后逐漸停止供電引起。

圖6 河北興濟臺電場儀電路板電源故障曲線Fig.6 Curve of circuit board power trouble of telluric equipment at Xingji station

3.3 裝置故障

地電場觀測裝置由電極與線路兩部分組成。電極故障(老化)為地電觀測的主要故障之一，占所有觀測故障的48.91%。

3.3.1 電極故障

地電場測量電極故障可分為兩大類，一類為電極與線路連接處故障，主要為線路銹蝕造成的接觸不良，可以進行現場排除；另一類為電極老化，包括電極與土壤接觸不良和電極超過使用時限等，需要在附近地表埋設檢測電極進行對比分析，進行確認后，需要對故障電極進行更換。電極故障特征如下：電極故障直接影響與之相關的測道數據，變化特征為不規律數據跳動；電極一旦出現故障，若不經過處理，不能自行修復；異常變化有可能朝單一方向緩慢漂移而不能自行恢復。電極故障后，應及時更換，無其他恢復方法。

3.3.2 外線路故障

外線路故障主要包括線路虛接與斷開、線路漏電、線路連接錯誤等。當發生故障時，觀測數據出現兩道或多道數據較大幅度的同步非正常變化，按照如下步驟進行裝置系統的故障分析檢測。

(1) 首先檢查可能故障線路的對地絕緣電阻，如果絕緣電阻比較低，應繼續逐段檢查，找到真正的漏電點。

(2) 然后從電極與外線路連接點開始逐個檢查所有連接點是否接觸良好，特別是信號線避雷器所在的接線盒中的所有接頭，必要時可用備用導線臨時替換整個避雷器接線盒，再進行檢測。

(3) 最后利用斷開指定電極的方法，檢測外線路與室內線路的標示和連接是否正確。

4 討論

地電場觀測設備故障的快速判斷是獲得準確觀測數據的基本保障。臺站維修人員可根據實際情況應用“替換檢測法”和“逐步逼近法”，結合地電場各類故障特征快速查找并進行修復。同時，根據故障發生概率，優先排查主要故障，節省故障查詢時間，起到事半功倍的效果[4]。