南平地震台水管倾斜仪常见故障分析及检修

方传极，全建军，林苗禄，龚 薇，梁 凯，王绍然

(1.福建省地震局南平地震台，福建 南平 353000；2.福建省地震局永安地震台，福建 永安 366000；3.福建省地震局邵武地震台，福建 邵武 354000；4.福建省地震局龙岩地震台，福建 龙岩 364000)

0 引言

水管倾斜仪(以下简称水管仪)是一种自动测量地壳倾斜变化的精密仪器，是研究地壳形变垂直相对运动和固体潮动态变化的重要手段，目前广泛应用于全国地震前兆观测台网。DSQ型属于第三代水管倾斜仪，是我国“九五”期间由中国地震局于1998年研制成功并推广使用，后在“十五”期间升级改造，对电子记录系统做了简化，使其符合“十五”地震前兆的通信规则，在TCP/IP协议基础上支持WEB和指令控制方式的数据传输与控制功能。南平地震台(以下简称南平台)DSQ水管仪在2004年安装运行，2011年12月进行“九五”转“十五”改造，采用的是地壳所方案。在原有硬件基础上，增加协议转换器替代Model电话猫，从拨号时代进入IP网络时代。运行约7 a，于2018年8月停测，更换为“十五”DSQ水管仪，该仪器由原武汉地震科学仪器研究院研制。

1 南平台观测环境

南平台位于福建省南平市延平区，地处闽中大谷地最低处，台站2 km外为富屯溪和建溪交汇入闽江。年最高温度39 ℃，最低温度-2 ℃，年降雨量为968 mm，属于亚热带季风气候，夏季多台风。南平台位于政和—海丰断裂带中段与闽江断裂带交汇处附近，南侧40 km处有沙县—南日岛断裂带经过。

水管仪放置在山洞窿道中，山洞位于台站监测楼后350 m处，于1978年12月施工，1980年9月竣工。洞体总长33.7 m，洞口至水管仪设置了5道门，前两道为内胆泡沫的铝合金门，后面三道为船舱水密门。洞体岩层地质年代为前震旦系，岩性为深灰色绢云母板岩夹透辉石英岩。洞体通道横截面高3.22 m、宽2.92 m，青砖隔空拱形被覆后宽度只余1.26 m，隔空层设盲沟。洞体较为干燥，墙面石灰无潮湿现象。水管仪所在上方最大覆盖30 m，山坡陡峭，植被覆盖良好。NS向13.55 m，安置在主窿道，EW向5.39 m放置在NS向中间正交处西侧，仪器用砖墙和5 cm厚的苯板隔挡，洞内年温差小于1 ℃。

2 水管仪工作原理与结构

水管仪是根据连通水管水面保持自然水平的原理，当连通管两端地基出现相对垂直位移时，两端液面便会相对于仪器钵体发生变化，通过仪器记录两端高差变化，获取地倾斜量。

仪器由主机和电子记录两大系统组成。主机系统由主体、标定装置、管路系统组成。结构相同的两个主体安放在山洞洞室基岩主墩上，用玻璃管一根接一根地衔接，接头用硅胶管连通。主机以蒸馏水做工作介质，两主墩中央安置校准装置。南平台水管仪按NS、EW正交的两个分量组成；电子记录系统由差动变压器式位移传感器、DSQ测微仪、数据采集器组成[1]。位移传感器安装在主体上，换能器置于主体旁边，其余安放在仪器记录室内(见第37页图1)。

3 常见故障及排除

南平台DSQ型水管仪在日常运行过程中常见故障主要有雷击、传感器、换能器、标定装置、数采继电器故障及玻璃钵体漏水。

3.1 雷击故障

南平台位于闽北多山地区，雷击频发，根据几次受损情况分析，一般遭受直击雷的概率较小，对仪器造成危害的多为感应雷。感应雷是带电云层由于静电感应作用，造成地面某一范围带上异种电荷。当直击雷发生后，云层带电迅速消失，而地面某些范围由于散流电阻大，以至于出现高电压发生闪击和电磁感应现象，通过电力线、电话线、天线等以浪涌形式进入观测系统。根据感应雷的特性进行防雷，参考国内防雷经验[2-7]制定具体的防雷措施。

图1 水管倾斜仪基本工作原理示意图Fig.1 Basic working principle diagram of water pipe tiltmeter

2004年安装ZH-1型单相交流电源避雷器，安装后1个月遭雷击坏且破坏后端数采等仪器。究其原因，ZH-1避雷器能承受4/30 μs雷击波形、4 kV的雷电压冲击，对于超过泄放能力的雷击却无能为力。2012年对台站防雷综合改造，入台站总配电和监测楼安装电源避雷器，最大放电电流分别为140 kA(8/20 μs)和80 kA(8/20 μs)。从监测楼至山洞采用铠装电缆埋地，由于山洞观测房距离监测楼达到350 m，观测房按照三级防雷要求设计，放电电流分别为80 kA(8/20 μs)、20 kA(8/20 μs)和7.5 kA(8/20 μs)，通过分级泄放的方式，把雷击涌浪控制在设备耐压范围内。洞内传感器至数采的直流电源线、信号线(约30 m长)容易受感应雷电干扰。防雷措施采用电源线与信号线分隔两端铺设，嵌入金属线槽，金属线槽接地。模拟信号线路进入数采前加装信号防雷器，最大放电电流为10 kA。观测房地网重新测量后为3.75 Ω<4 Ω，符合规范，重新对引下线刷防锈漆。

3.2 传感器及换能器故障

一般把传感器和换能器作为一个整体分析，由于分量的电路是独立的，所以两路同时发生故障时，应先查公共部分，如供电电压是否正常，有无±20 V。检测方法为：检测测微仪后面板15脚接口，其中5、6电位为+20 V，7、8电位为-20 V，9至12电位为0 V。如果出现异常，就可确定测微仪内电源板故障。

单端故障：(1) 检查铁芯有无剐擦到传感器。检测方法为：用手电筒照传感器下部，铁芯周围是否有光圈；(2) 换能器端测供电正负电压是否与主机端相符(注：视引线长度不同而有所差异)，检查电源信号线(5芯，接口为7脚)，其中1～5脚电压为-20 v，2～5脚是+20 v；(3) 换能器放大输出与送往数采或模拟记录的信号电压是否一致；(4) 传感器输出是否正常等；(5) 测量信号电压时观察其变化是否有序，微量旋动标定器，输出信号有何变化；(6) 或做一次标定，检查换能器灵敏度是否正确等等。应从外到内、从供电电压到输出信号、从静态到动态逐步检查，仔细分析，带电检查时要特别注意不要引起断路。

3.3 标定装置故障

水管仪的标定装置是一种密封式体积标定装置，主要由内部充满水的标定筒和通过螺旋机构可以上下运动的标定棒组成。为进行自动标定，装有一对齿轮和步进电机。控制电路采用标定遥测仪控制。通过8031或者8051单片机产生脉冲信号输出缓冲器送到光电隔离器隔离，经过达林顿管驱动由电缆线传送到步进电机，步进电机采用三相反应式，步进角为1.5°。

如果无法标定，首先检查电源、数采、主机、传感器供电是否正常。如果仪器运行正常，又分两种情况：(1) 可以标定，但结果不合格。检查标定器是否运行正常，如果标定数据重复精度很差，可能是标定装置齿轮转动不到位，啮合过紧，松动步进马达4个固定螺钉将小齿轮拉开一点。检查两端传感器的放大倍数是否一致，标定一次，检测两端传感器的放大倍数，相差大则需要处理，检查仪器里的蒸馏水是否变质、长霉等；(2) 不能标定(电机不转)。检查遥测仪内标定板是否损坏，电机与遥测仪的标定线连接是否完好。电机长期放置在山洞内且无工作状态(每年2次标定)，轴承容易卡死，发出“咔咔”声音，只需把马达取下，转动轴承，再通电，使其运行一段时间。

3.4 数采继电器故障

关于“地震前兆数据采集器常见故障分析处理”系统性地介绍了很多方法[8]。南平台数采部分故障主要为接口引入的感应雷造成，一般应更换机械触点双刀继电器即可修复。解决此类问题的方法是安装信号防雷器，在文中已有介绍。

数采的输入端采用双列直插式结构的双刀单掷舌簧继电器，继电器的引脚及其周边电路如第38页图2所示。传感器信号经过RC滤波器加到继电器入端(7、8脚)，输出信号由1、14脚接到程控放大器，控制电路由74HC273芯片和晶体管T构成。T相当于一个程控开关，控制继电器内部绕组的电源通、断切换。

断电状态下的测试。在不加电时，用万用表的电阻档测继电器的2～6脚，正常情况下阻值500 Ω左右，1～7脚和14～8脚电阻无穷大(开路)，则继电器正常；如果有短路现象，则说明该继电器内部触点粘连，必须替换。

图2 继电器及其应用电路图Fig.2 Relay and its application circuit diagram

加电状态下的测试。当数采接通电源时，电路板上继电器的2脚随即接入12 V，其他引脚的相应状态分两种情况考虑：控制信号为低电平时，三极管T处于截止状态，相当于开关断开，此时继电器内部的舌簧触点断开，传感器信号不能接入程控放大器。用数字万用表的直流电压档测6脚对地电位时，应接近于12 V，1～7脚和14～8脚也相应的开路，说明继电器正常，否则继电器损坏。

控制信号为高电平时，三极管处于饱和导通状态，相当于开关闭合，此时继电器内部绕组有电流通过，舌簧触点吸合，传感器信号直接接入程控放大器。用数字万用表的直流电压档测6脚对地电位时，应接近于0 V，1～7脚和14～8脚也相应的短路，说明继电器正常，否则继电器损坏。

3.5 玻璃钵体漏水

水管仪主体采用大量的玻璃构件，在长期观测中，各地均出现过玻璃破裂导致漏水现象[9-10]。2012年5月24日20:13开始，水管仪S端钵体破裂漏水，从图3可以看到，N端、S端同时缓慢线性下降，至21:26后形态为横直线，到22:43突然转变横直线状态为急剧下降且严重畸变。从以上三种状态可以看到传感器记录到的整个漏水过程。开始缓慢漏水过程中，导致N端、S端浮子同时下降，由于漏水速度一定，表现为线性状态；当漏水到一定程度时，超出了数采的记录区间(设定为-2 v～+2 v)，数采记录曲线为横直线，表明已经进入超量程状态；继续漏水，直到打开超量程状态，曲线急剧下降且严重畸变。此时，进入非线性区域，属于假值状态(同样在-2 v～+2 v，所以数采也能够记录到)。

玻璃置于山洞，近似于恒温状态，玻璃破裂受热胀冷缩影响较小，应该是因为玻璃制作过程中退火工艺未处理好，造成玻璃中有小裂隙或者内应力过大，随着时间推移及长时间水的渗透，应力释放，造成开裂。在新一代水管仪中采用铝合金不锈钢钵体，部分性地解决了此问题。

图3 水管倾斜仪缸体漏水过程曲线Fig.3 Water leakage process curve of cylinder block of water pipe tiltmeter

4 结语

“十五”DSQ水管仪主机系统部分改变不多，过去的维护经验仍能够发挥作用。未来的台站运维应该向“无人值守”方式发展，电子记录系统向模块化、标准化方向迈进，借助全国一体的备件库，使维修效率得到快速提升。台站工作人员需要具备基础的故障判断能力及维修技能，使大部分问题能够自行解决。