地电观测干扰数据检查仪研制.pdf

郅红魁，叶青，孙召华，等.地电观测干扰数据检查仪研制 J.华北地震科学，2023,41（3）：52-59.doi:10.3969/j.issn.10031375.2023.03.008.ZHI Hongkui，YE Qing，SUN Shaohua，et al.Development and Application of Interference Data Anomaly Instrument for GeoelectricObservationJ.North China Earthquake Sciences，2023,41（3）：52-59.doi:10.3969/j.issn.10031375.2023.03.008.地电观测干扰数据检查仪研制郅红魁1，叶 青2*，孙召华1，赵彦旭1，谢佳兴1，郜冰莹1，郭少峰1（1.河南省地震局,郑州 450016；2.中国地震台网中心，北京 100045）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。关键词：地电；故障干扰；供电波形；数据分析；干扰源排查中图分类号：P315.72 文献标志码：A 文章编号：10031375（2023）03005208doi:10.3969/j.issn.10031375.2023.03.008 0 引言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。1 仪器设计思路、工作原理1.1设计思路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。1.2结构、工作原理该仪器由 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、收稿日期：2022-12-21基金项目：北京市自然科学基金（8212045）第一作者简介：郅红魁（1974），男，河南洛阳人，高级工程师，主要从事地震监测预报、仪器运维等研究.Email：*通讯作者简介：叶青（1977），女，河南南阳人，高级工程师，主要从事地震电磁学方面研究.E-mail：qing_第 41 卷第 3 期华 北 地 震 科 学Vol.41，No.32023 年 7 月NORTH CHINA EARTHQUAKE SCIENCESJul.，2023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。2 仪器的研制2.1硬件的实现仪器由工控板、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 V，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 数据下载分析观测系统是否正常故障位置漏电位置锂电池电源滤波液晶显示屏ARM 工控板北斗/GPS授时模块中央处理器RS232 端口 1RS232 端口 2格式转换文件存储8 位单片机数据通信处理、SPI 接口ADS1256 电压采集模块地点观测系统各测量极信号检测地电场观测系统各测量极信号检测地电和地电场观测场地漏电检查网口FTP协议观测场地是否漏电通道 1、2 图 1 仪器设计结构图Fig.1 Instrument design structure diagram 图 2 工控板Fig.2 Industrial control boards 图 3 授时模块Fig.3 Timing modules3 期郅红魁，等：地电观测干扰数据检查仪研制53 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。2.2软件系统的实现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。3 数据波形分析方法s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=K*V/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。AVAMNB 图 6 地电阻率四极对称装置图Fig.6 Four-pole symmetrical device diagram of geoelectricalresistivity 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 图 4 AD 转换模块Fig.4 AD conversion module 图 5 单片机处理器Fig.5 Microcontroller processor54华 北 地 震 科 学41 卷 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。AI/At/sTB BBC C C C CCB BBC C C C CCN+1 图 7 地电阻率仪器供电测量时序图Fig.7 Timing diagram of geoelectrical resistivity for instrumentmeasurement 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。4 地电干扰数据识别交流电漏电：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 A1A2D2B2B2C2B1B1C1D1NS 向6000040000200000200004000060000Vsp/V60000800004000020000020000Vsp/VEW 向0100200300400500t/s0100200300400500t/s 图 8 地电阻率供电波形分析图Fig.8 Geoelectrical resistivity power supply waveform analysis diagram3 期郅红魁，等：地电观测干扰数据检查仪研制55 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 V 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。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 A1 B1B1B2B2A2C2C145000400003500030000250002000015000Vsp/V40000400006000020000200000Vsp/V0100200300400500600700800900t/s0100200300400500600700800900t/sab 图 9 交流电漏电Fig.9 Alternating current leakage A1 B1B1C1400006000040000600008000020000200000Vsp/V40000400006000020000200000Vsp/V0100200300400500600700800900t/s0100200300400500600700800900t/sabB2B2A2C2 图 10 地铁干扰Fig.10 Subway interference 2022-01-01 2022-01-03 2022-01-05 2022-01-07 2022-01-09 2022-01-11 2022-01-13 2022-01-15 2022-01-17 2022-01-19 2022-01-212022-01-01 2022-01-03 2022-01-05 2022-01-07 2022-01-09 2022-01-11 2022-01-13 2022-01-15 2022-01-17 2022-01-19 2022-01-2140000420004400038000264000268000272000260000Vsp/VVsp/V降雨地电暴高直干扰日期日期ab 图 11 观测电极与试验电极自然电位差分钟值对比图Fig.11 Comparison of the minute value of the natural potential difference between the observation electrode and the test electrode56华 北 地 震 科 学41 卷 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 200mV/km。根据 2 个测点数据记录图（图 1617），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。5 地电观测干扰数据检查仪的功能故障分析：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 A1B1(V)EayxA2B2(V)N 图 12 电场矢量方向确定干扰方向Fig.12 Determine the direction of interference with the electric fieldvector direction A1B1A1B1A2B2A2B2漏电干扰源N测点 1测点 2 图 13 确定干扰源位置Fig.13 Determine the location of the interference source NA1B2A2B2(+)(+)()()图 14 查漏电电极布设图Fig.14 Check the leakage electrode layout diagram 04812162024长极距洛阳 NS长极距洛阳 EW长极距洛阳 N45E短极距洛阳 NS短极距洛阳 EW短极距洛阳 N45EE/(mVkm2)E/(mVkm2)12080401006020201006020180140100170130905040020时刻04812162024时刻 图 15 景区夜景灯漏电造成洛阳台地电场数据台阶Fig.15 The electric leakage of the nightscape lamp in the scenic area caused the data step of the Luoyang platform electric field3 期郅红魁，等：地电观测干扰数据检查仪研制57 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。6 结束语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。参考文献：叶青,王晓,杜学彬,等.中国地震井下地电阻率研究进展 J.吉林大学学报:地球科学版,2022,52(3):669-683.1中国地震局监测预报司.地震电磁学理论基础与观测技术(试用本)M.北京:地震出版社,2010:301-302.2陈志刚,田山,徐学恭,等.地电场观测漏电干扰的排查一例 J.华北地震科学,2012,30(4):44-48.3中国地震局.地震及前兆数字观测技术规范(电磁观测)M.北京:地震出版社,2001.4席继楼,赵家骝,王燕琼,等.地电场观测技术研究 J.地震,2002,22(2):67-73.5 640060005600520076007400720070006800E/(mVkm2)E/(mVkm2)漏电台阶1000 mV/km2南北向东西向0200400600800t/s0200400600800t/s1000mV/km2600mV/km2合成矢量方向N 图 16 在测点 1 查漏电和干扰台阶合成矢量方向图Fig.16 Check the leakage and interference step synthesis vectordirection map at measurement point 1 500045004000350030002500E/(mVkm2)53505250515050504950E/(mVkm2)0120240t/s0120240t/s漏电台阶1100 mV/km2漏电台阶200 mV/km21100 mV/km2200 mV/km2合成矢量方向N南北向东西向 图 17 在测点 2 查漏电和干扰台阶合成矢量方向图Fig.17 Check the leakage and interference step synthesis vectordirection map at measurement point 2 图 18 景区拆下漏电的夜景灯Fig.18 Dismantle the night light with electric leakage in the scenicarea 图 19 地电观测干扰数据异常检查仪Fig.19 Geoelectric observation interference data anomaly checker58华 北 地 震 科 学41 卷 DevelopmentandApplicationofInterferenceDataAnomalyInstrumentforGeoelectricObservationZHI Hongkui1,YE Qing2*,SUN Shaohua1,ZHAO Yanxu1,XIE Jiaxing1,GUO Bingying1,GUO Shaofeng1（1.Henan Earthquake Agency,Zhengzhou 450016,China;2.China Earthquake Networks Center,Beijing 100045,China）Abstract:In the process of geoelectric observation,the data are easily disturbed by by leakage and observation systemfault,such as sudden jump,step,out-of-tolerance and so on.These interference data is difficult to judged quickly,andneed a lot of inspection work to complete.The instrument can record the working state and the change of thegeoelectric field in real time.When there is interference,the second data or minute data of the correspondinginterference period can be retrieved,and the interference can be identified through numerical analysis,thus eliminatingthe abnormality and improving the efficiency of interference data troubleshooting.Keywords:Geoelectric；Fault interference；Power supply wave shape；Data analysis；Interference sourceinvestigation (上接第 42 页)TheQuickMethodforthePredictionoftheS2TypeCableTraySupportsStressunderSeismicLoadsLAN Tianbao,ZHOU Hang,DONG Jiaojiao,HUANG Zhong（China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd,Beijing,100840,China）Abstract:Although cable tray supports are simple in structure,their seismic analysis calculations are still time-consuming.In order to get an assessment method that can evaluate cable bridges quickly and instantaneously,thisstudy simplifies the S2 type supports vibration problem into a cantilever beam vibration model with mass points at theend.According to the structural characteristics of the supports,we investigates its influence on the participationcoefficient and vibration pattern of the cantilever beam in terms of the size and position of the mass points in thecantilever beam.The results show that the cantilever beam with mass point at the end is suitable for assessing the self-vibration frequency and bending stress of the cable bridge,and the results are compared with the reaction spectrumanalysis method and the seismic identification test results,and the results are in good agreement.The cantilever beammodel with mass points at the end can characterize the vibration of type S2 supports,which can meet the immediateassessment of type S2 cable supports,provide empirical support for project site designers,give quick design advice,and can also be used as a basis for preliminary design.Keywords:Cable Tray Support；Response Spectrum；Evaluation；Seismic3 期郅红魁，等：地电观测干扰数据检查仪研制59