地震计智能恒温系统的设计与实现

孙宏志

(辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034)

技术交流

地震计智能恒温系统的设计与实现

孙宏志

(辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034)

当外界温度急剧变化时，拾震器内部机械结构会受到一定影响，易产生靠摆或零漂等问题。通过温度实验测试研究温度对甚宽频地震计性能影响，并通过研制地震计智能恒温设备来解决此类问题，实时监测防护罩内温度并与已设定温度上下限进行比较，当监测温度高于设定上限温度时启动半导体制冷装置；当监测温度低于设定下限温度时则启动加热装置。为防止防护罩内系统温度急剧变化造成拾震器的机械性故障，加热制冷功率均从最小值开始进行缓慢调整。设备可远程通过网络进行各参数的修改，并可远程启动或关闭加热或制冷装置及其他故障设备。此设备的研制成功可使拾震器长期在稳定的温度环境中工作，减少其各类故障,同时也将最大限度地增加地震仪器的使用年限。

地震计； 半导体； 恒温； 第三代移动通信技术(3G)； 短信； AT指令

0 引言

目前, 大动态、宽频带已经成为当代地震观测的主流技术, 我国的测震观测系统大量使用宽频带地震计和甚宽频带地震计[1]。长周期地震观测仪器的广泛应用, 对地震台站观测环境提出了更为苛刻的要求，其中温度因素一直都是地震观测学家关注的热点[2-3]。温度因素对地震观测仪器等精密测量仪器的材料性能、元件等参数的影响是普遍存在、不可忽视的，尤其当外界温度急剧变化时，拾震器内部机械结构会受到一定影响，易产生靠摆或零漂等问题。

以辽宁省地震局为例，2013年省内测震台共维修35台次，其中拾震器维修7台次，占总故障率的20%；2014年共维修34台次，其中拾震器维修8台次，占总故障率的23.5%；2015年共维修30台次，其中拾震器维修6台次，占总故障率的20%。2016年3月1—31日我们为辽宁省地震局《国家地震烈度速报与预警工程》新建基准站的33个台进行了勘选测试。由于使用的地震计垂直向温漂较为严重，导致测试前期数据绝大部分无法使用，野外勘选小组人员对地震计紧急进行保温防护处理，之后的观测数据质量得到较大改善，能够满足仪器勘选要求。拾震器故障主要发生在1-4月北方寒冷的季节，通常拾震器在此期间会大批出现零漂现象，严重时甚至会出现靠摆等机械故障。针对此类问题，一些单位部门研制了一些相关保温设备，在使用过程中主要存在以下常见问题：(1)如何解决加热时各部分均匀加热；(2)如何实现均匀制冷功能；(3)如何实现远程各类工作参数的修改功能；(4)如何在设备自动控制的同时实现远程人员控制。针对以上问题及野外维修中其他一些问题提出测震仪器远程保障技术研究方案，其主要实现功能如下：(1)半导体制冷片均匀加热、制冷；(2)远程修改各类工作参数及控制制冷或加热；(3)实时监测恒温系统内温度，如超出所设定温度范围即将监测到的温度信息传送到监测中心，便于中心人员掌握实时情况。地震计智能恒温系统的研制成功将会减少维修人员的出台维修工作，缩短维修时间，提高运行率，同时一些相关技术也可应用于地震救援中，为地震减灾事业添一份力量。

1 BBVS-120宽频带地震计-温度关系

选用北京港震机电技术有限公司研制的甚宽频带地震计BBVS-120作为测试对象，该地震计是位移换能力平衡反馈式宽频带地震计, 应用精密的电容位移换能器和力平衡电子反馈技术, 频带范围为120 s～50 Hz。其具有宽频带、高灵敏度、大动态范围, 传递函数稳定, 噪声水平低等特点, 适合宽频带地震观测。根据宽频带地震计在北方寒冷地区运行时受温度变化影响的实际情况，本文针对温度对宽频带地震计的影响进行定量的分析研究，以总结温度对地震计影响的具体指标和相应关系曲线。

测试内容主要是将宽频带地震计BBVS-120置于温控箱内，并在地震计及温控箱内分别安装温度传感器，温度从-30 ℃每隔5 ℃增加一个测点直至+30 ℃，并查询相应温度时地震计的零点，对其进行脉冲标定和正弦标定，最后对相关数据及波形进行计算和分析(表1，图1，图2)。

表 1 BBVS-120宽频带地震计分向灵敏度与温度数据关系表

Table 1 Relationship between the temperature and three component sensitivities of BBVS-120 broadband seismometer

温度/℃分向灵敏度/(V·s·m-1)UDEWNS温度/℃分向灵敏度/(V·s·m-1)UDEWNS-301990．762018．831962．9752019．462042．241990．58-251995．092021．161963．85102024．452043．891993．02-201997．182023．521967．96152030．192046．851998．84-152002．62028．371966．89202034．182059．461996．57-102004．962036．521975．27252038．072063．671999．79-52010．382038．441976．48302041．232063．652005．4202014．012041．811982．29

图1 BBVS-120宽频带地震计分向灵敏度与温度 数据关系曲线图Fig.1 Relation curve between the temperature and three component sensitivities of BBVS-120 broadband seismometer

图2 BBVS-120宽频带地震计各分向零点-温 度关系图Fig.2 Relation curve between the temperature and three component zero-point of BBVS-120 broadband seismometer

通过以上分析得出以下主要结论：

(1) 宽频带地震计BBVS-120各分向零点电压值在10 ℃到0 ℃间随温度降低而增大,0到-12.5 ℃垂直分项零点随温度降低而增大；NS、EW分项零点随温度降低而降低。

(2) 宽频带地震计BBVS-120各分向电压灵敏度在-30 ℃～+30 ℃间随温度升高而增大，灵敏度变化率在2%～3%，尤其在-15～+15℃温度点左右变化率最大。

2 系统功能

针对温度因素对地震观测仪等精密测量仪器的材料性能、元件等参数的影响,尤其当外界温度急剧变化时，拾震器内部机械结构会受到一定影响，易产生靠摆或零漂等问题，通过温度传感器实时监测防护罩内温度并与已设定温度上下限进行比较来研制地震计智能恒温设备。该仪器具有以下几点主要功能：

(1) 本系统可实时监测恒温控制箱内部温度(地震计工作环境温度)和恒温控制箱外部温度(摆房内环境温度),且温度采集周期为每秒采集一次到每小时采集一次可调。

(2) 恒温系统检测到控制箱内部温度(地震计工作环境温度)高于设定上限温度时启动半导体制冷装置；当监测温度低于设定下线温度时则启动加热装置。

(3) 通过远程指令修改恒温系统工作模式[4](自动、人工干预)，并自动和人工干预工作模式中控制箱内部温度的上下限。恒温系统工作于自动模式时当监测温度高于设定上限温度时启动半导体制冷装置；当监测温度低于设定下限温度时则启动加热装置。恒温系统工作于人工干预模式时当监测温度高于设定上限温度时发送报警信息到监测中心，中心人员判断是否启动半导体制冷装置并返回控制信息；当监测温度低于设定下限温度时发送报警信息到监测中心，中心人员判断是否启动加热装置。

(4) 电源设计上为双路交流输入互为备份，一路停电另一路自动供电；内部直流部分设计为双路直流开关电源互为备份，主直流开关电源损坏后自动启用备用直流开关电源供电。此项功能解决了直流开关电源损坏造成的故障，且设计输出可控制关电、加电、重启等操作控制的交流和直流12 V电源输出接口，能解决由于交直流电源故障或地震数据采集器和相关设备死机造成的测震信号中断[5]。

上述几项功能的实现，不但可以解决外界温度急剧变化造成的拾震器机械性故障，使拾震器长期在稳定的温度环境中工作，减少其各类故障的同时也将最大限度地提高地震仪器的使用年限，并可有效解决地震数据采集器、交换机、路由器、光猫等设备的死机问题，实现远程断电重启等功能。可在极大程度上节省地震子台仪器维护的相关人力成本和经费。

3 系统的硬件设计及技术指标

3.1 硬件结构设计

监控系统是从集中监控向网络监控与无线监控发展演变的，Internet资源的共享为远程监控系统的发展提供了有利的条件[6]。现有的远程监控系统在实现原理上大致分为两类：一类为基于传统Internet的有线式远程监控系统，另一类为基于GSM等无线移动网络的监控系统[7]。后者在工程造价、产品维护和市场前景上有绝对的优势。随着3G等高速无线网络的普及，基于无线网络的综合监控系统将成为新的研究热点。国内地震系统对于无线数据传输的应用还处于起步阶段，石晓辉等[8]对GPRS无线传输方式和有线传输方式的组合应用进行了探索；朱小毅等[9]通过现有网络，用有线控制来完成地震计远程监控功能接口的实现。在这里我们选用3G无线数据传输与SMS相结合的无线控制方式。

硬件方面由核心控制电路、驱动控制电路和电源等部分组成。核心控制部分由SIMCOM公司的SIM5216E无线3G数据传输模块和Philips公司生产的增强型单片机P89c668组成，其中P89c668通过串口发出AT指令和3G模块进行通信[10]。同时为了能够长期存储某些仪器工作参数内容，扩展了一片电可擦除非易失串行EEPROM存储器AT24C512(512 kbit)。该器件具有两线串行接口、双向数据传输、硬件数据写保护、八字节页写方式和独立定时的写周期(最大10 ms)等特点，可在1.8～5.5 V宽电源范围内可靠工作。其芯片在掉电后仍然能够保存所存储的数据，可保证100 000次擦/写周期和10年有效保存数据[11]。为了使监控单元能够与SIM5216E模块通讯，通信接口选用正负15 kV静电电击保护的MAX202E芯片完成TTL和RS232电平转换[12]。温度监测的A/D转换选用改进快闪技术的先进的LinCMOS高速8位模数转换器TLC549，可使低功耗集成电路在整个温度范围内几μs完成A/D转换[13]。加热制冷片的输出功率通过数模转换芯片TLC5615控制。具体的硬件结构如图3所示。

3.2 电源部分结构设计

本系统提供了交直流输出、控制功能,可为地震数据采集器、有线网络交换机和路由器等设备进行供电控制。由于设备电源出现故障将会直接造成测震数据中断，而在台站维修的过程中每年都会有几次由于交流电接触不良、UPS损毁、直流12 V电源损毁等原因造成的信号中断,所以电源部分的设计思路是交流输入双路备份、内部直流双路备份。

工作时设备可接入两路交流电源：一路为主交流电源输入接口。另一路为备用交流电源输入接口。主交流电源接入到继电器的线圈和常开引脚，备用交流电源接入到常闭引脚。当主交流电源正常时继电器吸合常开引脚与公共脚导通，而当主交流电源断电时继电器释放常闭引脚与公共脚导通，即备用交流电源自动接入到设备中。进入设备的交流电分别接入主直流开关电源、备用直流开关电源输入端继电器的常闭引脚和输出到控制输出电路继电器的线圈引脚与常开引脚。正常工作时主直流开关电源输出直流12 V到备用直流开关电源输入端继电器和输出端继电器的线圈引脚，两个继电器都为公共引脚与常开引脚导通，即备用直流开关电源与所在电路完全物理隔离而直流主开关电源输出端通过继电器常开脚与公共脚导通输出直流12 V。当主直流开关电源不能正常输出直流时，备用直流开关电源两端继电器均为公共引脚与常闭引脚导通，备用直流开关电源接入到电路中代替主直流开关电源工作为后端提供稳定的12 V直流电。切换部分继电器采用万家的大功率继电器WJ176，其释放、吸合时间均小于15 ms，且由于在工作电路中加入了一个50 V 2 000 μF电容和一个0.1 μF容量，在直流电源切换时对后端直流输出不会造成任何影响。电源部分主要连接控制框图如图4所示：

3.3 仪器技术参数及使用、连接方式

本仪器技术参数：

(1) 输入电压：交流200～240 V。

(2) 系统工作温度范围：-30～50 ℃；

图3 仪器硬件框图Fig.3 Instrument hardware block diagram

图4 电源部分连接控制框图Fig.4 Block dragram of power source

(3) 系统工作恒温温度范围可控制在0～30 ℃；

(4) 输出直流电压：11.5～12.5 V；

(5) 输出交流220 V单口供电电流1 A(220 W)；

(6) 输出直流12 V单口供电电流2 A(24 W)；

(7) 独立可控交流220 V输出口4个；

(8) 独立可控直流12 V输出口2个；

(9) 交直流转换效率大于90%；

(10)本机控制部分功耗小于2.5 W，整机功耗小于20 W。

(11) 无线工作频率：上行为1 920～1 980 MHz；下行为：2 110～2 170 MHz。

本仪器使用、连接框图如图5所示。除地震计置于本系

图5 仪器使用连接框图Fig.5 Frame of the equipment’s application

统恒温罩内保证其工作在恒定的温度范围内,地震台站的相关设备电源均接在本仪器受控电源输出接口上，当有线设备(如交换机、路由器、光端机、协议转换器等)发生损坏或死机时，通过本设备控制相关有线设备的重启或切换。

4 系统软件设计

控制终端上电后，首先读取本系统工作参数及地址号(台站号)，然后对3G无线通讯模块SIM5216E进行初始化，如设置短信模式为text模式,设置中心服务器IP地址,设置传输速率等。然后单片机巡回检测无线模块是否收到新短信，当有新短信传来时，执行串口终端服务程序：读取指令短信，并判断地址号是否与本机相同，密码是否正确，如相符则执行相应的操作指令，执行完毕后返回本终端各电源输出端口的代码信息。而后删除已读取的短信。程序流程图如图6所示。

图6 程序流程图Fig.6 Program flow chart

5 结语

本恒温系统整体结构设计既能保证良好的保温效果，又方便移除以便拾震器调试维修。本系统的优点在于：采用进口pt1000温度传感器作为高精度温度探头，该探头采用德国进口芯片，高温防水封装，可耐油、防水、防酸碱、抗干扰、抗振动，性能稳定、精准度高、使用寿命长久；用硅橡胶加热片进行加热，其优点是柔软性好、发热快、温度均匀、热效率高、强度高、使用方便、安全寿命长，不易老化，可以与被加热物体紧密接触；采用半导体加热、制冷实现制冷或制热的同时避免新系统对拾震器产生影响；定制完善的通讯协议，确保远端设备能正确接收并解析中心发出的控制指令，并返回各类指令的确认信息；实现无线通讯模式，自动控制与人工远程监控相结合的现代控制理念。

目前已成功制作一台样机，并在辽宁省法库地震台投入使用。使用过程中地震计恒温系统保温罩内温度长期处于10～20 ℃，在解决地震计易机械故障的同时减小了其灵敏度和零点的变化。在其他设备故障时，可通过远程控制重启相关设备的方式有效解决非设备损坏等故障，且大多数故障经过处理后十分钟内信号可以恢复正常。该系统本身运行稳定，且在运行过程中未出现运行故障。

该产品的研制成功，可有效解决测震台站由于外界温度急剧变化造成的拾震器机械性故障，使拾震器长期在稳定的温度环境中工作，减少各类由于拾震器故障而引起的测震信号断记和野外维修次数，同时也将最大限度地提高地震仪器的使用年限。双路交直流供电及远程控制供电功能的设计，大大缩短了由仪器死机或非地震数据采集器、拾震器等故障造成的断记时间，解决了地震台站远程维护问题，增强了现有地震监测系统的运行保障能力和服务能力。总之此设备具有较高的应用价值。

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Design and Implication of an Intelligent Constant Temperature Control System of Seismometers

SUN Hong-zhi

(EarthquakeAdministrationofLiaoningProvince,Shenyang110034,Liaoning,China)

The seismic observation system is a multi-disciplined integrated observation technology integration system. The influence of temperature on the material properties and component parameters of seismic observation instruments is a serious problem. When the external temperature changes rapidly, the mechanical structure of seismometers is affected and generates problems such as mechanical friction or zero drift. In this study, we use a temperature test to measure the effect of changing temperature on a very broadband seismometer, then design and develop an intelligent temperature control system for it. This system can monitor real-time temperature in the seismometer shield and compare it with the upper and lower limits of a set temperature. A semiconductor refrigeration device initiates when the monitoring temperature is higher than the upper limit, and heating equipment initiates when the monitoring temperature is lower than the lower limit. Because violent changes in temperature can damage the device, we prevent the system temperature in the seismometer's shield from changing rapidly. Through the system, we can remotely modify the parameters throughout the network, and control the heating and cooling devices or other seismic instruments. This equipment avoids the mechanical failure of seismometers caused by drastic changes in the outside temperature. It can help maintain a stable temperature environment for the seismometer over a long time, extend its lifetime, and reduce performance faults.

seismometer; semiconductor; constant temperature; the third generation mobile communication technology (3G); short message; AT command

2016-05-16 基金项目：测震台网青年骨干培养专项(20160508)；辽宁省地震局专项项目(LN201502)

孙宏志(1973-)，男(汉族)，辽宁沈阳人,硕士，高级工程师,从事地震仪器研制与维护工作。E-mail：s6800@163.com。

TD315.62

A

1000-0844(2016)06-1004-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.1004