吳鵬，劉永剛，李欣波

(河北省地震局邯鄲中心地震臺，河北邯鄲　056001)

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永年地震臺電源交直流切換引起數據畸變的解決方法

吳鵬，劉永剛，李欣波

(河北省地震局邯鄲中心地震臺，河北邯鄲056001)

以永年地震臺體應變洞溫為實驗對象，通過對永年臺工作供電原理的深入分析研究，提出了把信號線路與供電線路隔離的方法，徹底解決電源交直流切換造成的數據畸變，經過現(xiàn)場實驗，達到了預期效果。

永年地震臺；前兆觀測；數據畸變

0　引　言

地震前兆觀測手段為地震預報和研究提供重要的數據資料，因原始資料的不可再生性，故要求其真實可靠。理想情況下儀器產出的數據資料應能反映其觀測對象的真實物理量及其變化。然而，在實際工作中，通過對儀器產出資料和臺站設備運行環(huán)境變化等的分析總結表明，有一些干擾源(如儀器的供電系統(tǒng)因交流停電切換到直流供電)會造成儀器產出的數據波形產生較為明顯的畸變，進而影響產出數據的真實性。

一般情況下，臺站儀器大多采用市電和蓄電池的供電方式，這種方式能夠保證當市電停電時，儀器供電由蓄電池來完成，避免了儀器因停電而造成的數據缺失。由于市電停電時存在供電切換過程，這就會對數據產生一定的干擾。供電切換對產出數據的干擾在全國前兆設備中普遍存在。為了消除因停電產生的對前兆設備觀測數據的影響，使前兆觀測數據能夠更好地為地震預報和研究提供盡量真實可靠的原始數據，通過對前兆設備產出資料進行深入分析研究，用實驗的方法找出了產生數據畸變的機理，并根據儀器的工作原理采用合理的方法消除了干擾對數據產出帶來的影響。

1　永年地震臺概況及資料應用

永年地震臺位于永和會鎮(zhèn)西南，地處太行山東麓山前丘陵地帶，東鄰太行山山前斷裂，臺基為燕山期正長巖。形變山洞進深約150 m，洞體巖性為燕山期火成巖，山洞北端周圍為第四系黃土層，洞頂覆蓋厚度約6 m；南(西)端位于黃土夾沙礫石層和正長巖交界處，洞頂覆蓋為風化巖體和沙礫石層，厚約12 m；東端洞頂覆蓋為風化的正長巖巖體和沙礫石層，厚約10 m，由東端點向西30 m內，有大小不等的10余條小斷裂，破裂方向主要有3組：①走向NE20°～30°，傾向北西，傾角70°～75°；②走向NE40°，傾向北西，傾角70°～75°；③走向NW 60°～70°，傾向北西，傾角60°～70°，其中第1～2組與山洞軸線近正交，第3組與山洞軸線近于平行，永年地震臺具體位置和附近斷裂分布見圖1。圖2為山洞儀器安裝示意圖。

已有研究結果表明，永年傾斜觀測資料在鄰區(qū)中等以上地震前有較為明顯的異常反映；1983年11月7日山東菏澤5.9級地震(震中距永年地震臺約200 km)前，永年臺形變資料均發(fā)生較為明顯的異常變化[1]；1985年11月30日邢臺任縣5.3級地震(震中距永年地震臺約60 km)前，形變資料也發(fā)生異常變化[2]。儀器運行正常對保證產出可靠、準確的資料有重要意義，但由于供電交直流的頻繁切換經常造成數據畸變，給地震數據分析帶來較大干擾，必須對干擾進行排除。本文通過實驗和理論分析，對永年地震臺洞體應變采集器的供電系統(tǒng)進行了優(yōu)化改造，取得較好的效果。

2　技術方案

2.1現(xiàn)場實驗

實驗場所：河北省地震局永年地震臺。

實驗觀測對象：體應變洞溫(為了更能說明問題，選用變化很小的洞溫為實驗對象)。

圖1　永年地震臺地理位置和附近斷裂分布示意圖

圖2　永年地震臺山洞儀器安裝示意圖

實驗目的：得到供電波動或切換對前兆設備產出數據的影響，找出消除影響的方案。

由圖3可見，體應變南北向、東西向和洞溫數據在2009年12月3日10時50分左右均出現(xiàn)數據畸變，11時40分以后數據恢復正常。經核實，此時間段內交流電停電，無任何其他明顯干擾。由此可以斷定是交直流切換引起的輸出數據畸變。

圖3　永年地震臺交直流切換引起數據畸變曲線

2.2原理分析

在有山洞的臺站，前兆設備通常的安裝方法是將數據采集器和供電控制裝置安裝在洞外，洞內安裝前置放大器和傳感器，通過傳輸線(包括信號線和供電線長約100米)將洞內外設備連接，如圖4所示。圖4中信號地線和供電地線是共用的，這是因為有些設備內部的電路設計的信號地和電源地是一體的。

圖4　前兆設備技術系統(tǒng)構成圖

圖5為洞內外系統(tǒng)連接的等效電路圖。由等效電路圖，可以得到如下公式：

U1=U0+I1*R1+(I1+I2)*R2

(1)

I2=U2/(Ri+R2+R3)

(2)

其中，U0為傳感器輸出電壓，U1為數據采集器的輸入信號電壓，U2為傳感器供電電壓；I1為信號電流，I2為地線中的電流；R1為信號線的線電阻，R2為信號線和電源線的共地電阻，R3為電源線的線電阻，Ri為傳感器的輸入阻抗。

圖5　前兆設備系統(tǒng)連接等效電路圖

由于交直流切換時，交流整流后的電壓與蓄電池電壓不一致，雖然有一級再穩(wěn)壓，但還是能引起洞內傳感器的供電電壓U2的微小變化。由式(1)、(2)可見，U2變化時會導致I2變化，最終引起U1變化。

由于U1是數據采集器要采集的傳感器的輸出量，其包含了U2變化的成分，交直流供電切換時由于交流供電和直流供電電壓略有差異，U2有突變，引起輸出數據波形畸變。即使U2不變，式(2)中Ri也是個變化量，同樣能引起U1的變化。

理想狀態(tài)下，數據采集器的輸入信號電壓U1應該等于傳感器輸出電壓U0，式(1)中的線阻R1、R2不可能是零，所以這是不能實現(xiàn)的。

若式(1)中供電電流I2為零，那么：

U1=U0+I1*(R1+R2)

(3)

式(3)中信號電流I1也反映了傳感器的變化，R1、R2是常數，因此，式(3)基本上反映的是傳感器的真實變量。

3　效果驗證

為使信號線地線中的電流I2為零，采取的方法是把信號線與供電線路隔離，信號線與供電線路各自用自己的專用線路，這樣信號線上就不存在供電電流I2了。由于數據采集器內部的電路設計的信號地和電源地是共地的，直流供電時又與向洞內供電的地線連在一起，表面上看信號線與電源線各有獨自的地線，但實際上地線還是連在一起的。通過多次實驗，我們采用12V蓄電池通過隔離DC變換使洞內前置放大器供電線路與數據采集器供電線路以及采集信號的信號線路完全隔離。如圖6所示。

圖6　永年地震臺洞體應變供電隔離改造示意圖

圖7　永年地震臺電源改造后記錄的洞溫曲線

經電路改造后，對永年地震臺洞體應變的洞溫測項進行現(xiàn)場交直流切換實驗時間為2010年3月10日15時～16時(北京時間)，圖7為永年地震洞溫實驗數據曲線變化，可以看出，把信號線與供電線進行隔離后，在交直流切換時無明顯變化，溫度波動范圍在0.01℃。

4　結　論

本文以洞溫作為實驗對象，對前兆設備在停電后出現(xiàn)的波形畸變提出了一種解決辦法，實驗效果達到了預期的目的。

目前，大多數地震前兆設備都是將觀測的物理量最終轉換成電信號輸入到數據采集器進行采樣處理。由于前兆設備測量的物理量級很小，反映到數采輸入端的電信號僅為微伏級，所以傳輸線路上較小的電信號干擾就有可能引起系統(tǒng)產出數據的變化，此時觀測系統(tǒng)產出的數據已經包含干擾信號的影響，但是作為數據使用者很難分辨，這往往給分析人員造成不必要的誤判。而這樣的電信號干擾源是多種多樣的，如不純凈的供電電源、電磁波、非線性檢波等。為了提高設備觀測精度，今后可以把排除干擾的工作利用多種手段繼續(xù)拓展到多種測項。

[1]封弼君,陳紹緒. 永年臺水管傾斜儀干擾研究和菏澤5.9級地震的短期異常[J]. 華北地震科學,1987,5(3):74-81.

[2]張摯誠，羅蘭格，李海華，等.中國震例(1981～1985)[M].北京：地震出版社，1990：120-260.

SOLUTION METHOD OF ABNORMAL DATA CAUSED BY POWER AC/DC SWITCHING IN YONGNIAN SEISMIC STATION

WU Peng, LIU Yonggang, LI Xinbo

(HandanCentralSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfHebeiProvince，Handan056001,China)

Taking temperature of the hole in Yongnian station as experiment subject in this paper, the principle of power supply to the precursor instrument is analyzed, and the method of disconnecting signal lines and power lines is proposed. This method completely solve the abnormal of data from the AC/DC switching. Depending the experiment in Yongnian station, it achieves the desired results.

Yongnian seismic station; Precursory observation; Abnormal data

2016-01-22

吳鵬(1982—)，男，河北邯鄲人，工程師，主要從事測震臺網監(jiān)測與儀器維護工作。

P315.72+8

A

1005-586X(2016)03-0048-05