地电观测环境漏电监测、数据异常核实仪的制作方法

1.本发明涉及地震观测技术领域，特别是涉及一种地电观测环境漏电监测、数据异常核实仪。


背景技术：

2.在地震观测仪中，电磁学科的zd8bi、zd8m地电仪和zd9a-ii、zd9a-2b、gfe-ii地电场仪，这些仪器都是通过大地测量地下电阻率和自然电场的，观测过程中容易出现，容易受观测仪器、外线路故障和观测场地漏电干扰，造成地电数据异常、缺测等。这些仪无法识别数据异常因环境漏电或观测系统故障造成。
3.目前国内有一些数字万用表、电压测量记录仪，只能简单测量各电极间直流电压，无法看到观测数据曲线、不易分析干扰数据成因。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种地电观测环境漏电监测、数据异常核实仪，能够对测量数据进行统计分析，并根据统计分析结果给出是否出现故障的判断。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种地电观测环境漏电监测、数据异常核实仪，所述核实仪包括：测量通道，具有多个不同的测量通道，分别与地电观测系统、地电场观测系统及地电和地电场观测场地漏电检查的各个测量极信号连接；电压采集模块，分别与多个测量通道连接，对与测量通道连接的测量极信号进行电压采集；信号处理模块，与电压采集模块连接，对完成了电压采集的信号进行信号处理；工控板，与信号处理模块连接，且配备有显示屏，对完成了信号处理的采集信号进行统计分析及故障判断。
6.在一些实施方式中，还包括：北斗/gps授时模块，与工控板连接，采用北斗或者gps授时系统对工控板进行授时。
7.在一些实施方式中，工控板通过rs232接口连接至北斗/gps授时模块。
8.在一些实施方式中，工控板通过rs232接口连接至信号处理模块。
9.在一些实施方式中，工控板通过网络接口连接至网络。
10.在一些实施方式中，显示屏对统计分析的结果曲线，以及故障判断结果进行显示。
11.在一些实施方式中，工控板连接有锂电池。
12.在一些实施方式中，工控板对锂电池提供的电源进行电源滤波。
13.采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
14.1、仪器专为地电观测台站数据异常核实而研发的仪器，操作简单、便携式、体积小、重量轻2公斤，便于野外安装漏电排查。直接将仪器4根测量线分别接入m1、n1、m2、n2，就可以对地电仪器工作状态和观测外环境监测。如果是观测场漏电，直接把仪器拿到漏电区域，将四个电极正南正北正东正西正十字交叉，间距5米插入地下，即可查漏电，自带锂电池可工作8个小时；
15.2、数据使用方便，内部可共享；
16.3、数据分析快速、直观，仪器液晶屏尺寸大为3.5寸，可直接看屏幕实时曲线分析，也可下载数据分析，可根据上述供电波形特征，实现本地、远程快速判断数据异常(故障)原因；
17.4、仪器成本极低，便于地电台站推广使用。
附图说明
18.上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
19.图1是仪器设计结构图；
20.图2是仪器显示屏软件界面图；
21.图3是查漏电电极布设图；
22.图4是电场矢量确定干扰方向；
23.图5是在两测点同时测量，通过矢量法进行单测点定向再交叉定位；
24.图6是地电阻率ns向测道和ew向测道理论供电电压波形时序图；
25.图7是在测点1用仪器查漏电和干扰台阶合成矢量方向图；
26.图8是在测点1用仪器查漏电和干扰台阶合成矢量方向图；
27.图9是两个测点合成矢量方向交叉点为漏电干扰位置；
28.图10是地电zd8bi、zd8m正常供电波形；
29.图11是地电外线路接头接触不良供电波形；
30.图12是地电供电波形出现毛刺观测精度降低、均方差变大；
31.图13是地电观测场地交流电漏电地电供电波形失真；
32.图14是洛阳地铁路1、2号线对地电场漏电干扰图；
33.图15是洛阳台地电数据异常合适仪记录到的地铁漏电波形；
34.图16是记录波形分类的示意图。
具体实施方式
35.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
36.本发明的关键点如下：
37.1、该仪器是专为地电仪器观测过程中，监测观测场地环境漏直流电和仪器观测系统运行状况的地电专用辅助观测仪器。
38.2、该仪器操作系统为wince6.0，内有地电数据异常核实采集软件、参数设置、授时软件、数据备份等组成，。
39.3、工作原理：利用“地电观测环境漏电监测、数据异常核实仪”，对地电、地电场观测系统或观测场地漏电进行的临时或长期监测，记录到的秒、分数据，通过新的分析方法，可以快速判断观测系统是否故障或场地是否漏电，并能够提排除地电数据异常非地震前兆引起，从而实现快速异常核实为目的的仪器。
40.1、仪器设计结构:该仪器是由采用arm工控板、pic18f45208位单片机、u北斗/gps授时模块+天线、ads12568通道模数转换模块、理电池/12v线性电源、数据线、测量线、4根铜
针(野外漏电检查)等组成。
41.2、仪器显示屏软件界面：由地电自然电位差、地电场两个选项，日期时间(年月日)，测道1电压显示(单位uv)、测道2电压显示(单位uv)组成，图中由两条曲线，分别是第一测道ns向(白色)和第二测道ew向(黄色)，绘图底色为黑色。测道也可以按自已接法定义。绘图曲线坐标y为最大电压幅度，坐标x为时间120秒，共4格每格30秒。最下方有两个数值，左侧第1个为ns测道自然电位差或地电场值，第2ns测道自然电位差或地电场值。
42.3、测量方法和原理：将异常核实仪第一组测量线黄线(+)绿线(-)接地电观测系统中南北向测量极的m1、n1极，第二组测量线红线(+)黑线(-)接地电观测系统中东西向测量极的m2、n2极。或者将第一组测量线黄线(+)绿线(-)接地电场观测系统中南北长极距o1、a1极，第二组测量线红线(+)黑线(-)接地电场观测系统中东西向东西向o1、a2极。还有一种外环境漏电测量方法，将该仪器安装在漏电区域，正南正大北正十字交叉，测量距离为5米，第一组接南北向a1、b1，第二组接东西向a2、b2，测得漏电的电信号，通过地电场矢量法计算干扰源的位置。测量原理为，通过记录的数据，分析地电仪器供电波形的形态和非供电时间的自然电场变化来判断仪器工作状态、外线路、外环境是否有漏电干扰等。
43.4、数据生成和使用：仪器根据用户设定自动生成自然电位差和地电场值数据，文件格式，在记录过程中直接生成秒、分数据的表格式文件，秒文件格式内容为年月日时分秒+空格+测道1+测道2，分钟值文件格式内容为年月日时分+空格+测道1+测道2，一天一个文件。仪器内部用户直接通过仪器连网，通过ftp软件下载到电脑，带入excl表格，通过excl绘图分析，判断出地电仪器观测数据异常原因。
44.5、数据共享：仪器内部有ip、网关、子网掩码，ftp协议。通过网络可以在省地震局内部实现数据共享，提高地电数据异常核实能力。
45.6、查漏电方法：
46.方法1：“地电观测环境漏电监测、数据异常核实仪”，用4根铜针代表4个电极，分别按照正南正北十字交叉，两个方向电极距离5米布设(图3)。第1测道测量南北向，第2测道测量东西向。南北向测得数据向上变化代表在北边，反之南边，东西向测得数据向上变化代表在东边，反之在南边。当测区内有漏电干扰时，用2台该异常核实仪相距几十米至几百米在测区内放置两个位置。将该仪器的测量设置成地电场测量，当漏电干扰出现时，仪器记录的数据曲线变化，在同一时间最大变幅，然后根据两个测量数据变化向上还是向下，在那个方向，再根据数据变幅度a1b1、a2b2，在坐标上标方位，确定干扰源的矢量方向，再将两台仪器测得的方向交叉点即为漏电干扰源位置(图5)。
47.方法2：利用1台核实仪器渐近法排查，离干扰越近，干扰幅度越大为原理排查，这种方法需要多次更换监测地点，逐渐逼近漏电干扰源的排查方法。
48.数据异常干扰分析方法
49.地电阻率供电测量过程波形分析
50.地电阻率仪器观测的供电方法和测量时序，了解观测供电波形特征，才能更好的分析出“超差”成因。地电观测理论供电电压波形时序图如图6：
51.从图6中看出供电测量顺序，第一步测量a点获得两个测量电极间的自然电位差，第二步测量第一次供电电流，第三步测量c点得到正反向供电电位，同时系统自动计算a减c点得到人工供电电位差，第四步b点结束端测1次电流，是为了避免稳流电源第一次供电不
稳定。第五步仪器根据测量的5次人工电供电位差、供电电流，自动计算5次地电阻率再取平均值得到当前小时地电阻率值，通过公式2计算出均方根误差，公式3算出相对均方根误差超出阈值提示“超差”。从图1中看出，a点时间段数据平直稳定说明测区m、n极环境和测量系统正常，反之观测环境干扰或测量系统故障。b点测值不正常说明稳流电源供电回路出现故障、主机内部供电的继电器故障、避雷装置或接触不良造成。c点测值越稳定越接近，人工供电电位差误差越小，均方差就越小，观测值精度越高数据更可靠。c点测值不正常说明m、n测区有观测环境干扰或测量系统故障，如：主机内部ad模数转换板、测量极外线路破损漏电、电极故障、测量极附近有环境干扰等造成的。
52.(1)通过该仪器记录的地电供电波形形态特征来分析数据异常，是地电观测系统故障还是地电观测环境场地漏电干扰引起。相当于人体心电图，查看心电图就可以看出心脏是否正常。
53.正常供电波形波形特征：上下供电产生的方波比较规则整齐，无毛刺、无上下跳动如图10。
54.地电阻率数据出现异常“34.2ω
·
m”(正常57.5ω
·
m左右)供电波形特征：每个方波上下跳动、不完整。原因为观测系统外线路接与电极引线接触不良造成(如图11)。
55.地电阻率均方差有时变大，供电波形特征方波上下方有多个毛刺(如图12)，造成原因为地电仪器内部ad模数板上的黄色继电器内部触点接触不良造成，需要更换新的，毛刺多的时候就会出现数据“超差”。应及时更换。
56.地电阻率出现“超差”，波形特征：地电供电波形严重失真，看不出供电波形，主要是交流电漏电造成(如图13)。
57.通过仪器记录的波形还可以识别地铁1号、2号线干扰(如图14)。
58.1、该仪器专业性更强，主要用于地电观测系统故障识别判断、通过仪器记录的供电特征，能够快速识别各种干扰，以及观测系统故障位置，为地电数据异常核实提供有效的分析方法。是其他市场上的数字万用表、无纸记录仪所无法对比。
59.2、地铁1号线，2020年12月至2021年3月试运行和2021年4月至2021年8月正式运行期间，通过地电观测环境漏电辅助监测仪*(地电数据异常核实仪)记录的数据做分析研究。
60.洛阳地铁1号线，在通电试运行期间，用地电异常核实仪测量地电阻率ns、ew测道两个方向的测量极之间的自然电位，发现地铁漏电干扰出现非标准正弦波形，分别为：纺锤形、均频变幅、均频均幅、瞬间脉冲、巨幅脉冲、非均非频等。以2020年12月31日记录的1号线运行供电调试记录的波形为例，并向洛阳市轨道公司落实当天地铁供电操作记录，发现供电存在杂散电流测试、设备调试、供网相关测试、供电设备辅设电缆调试等。
61.2、该仪器采用的是24位ads1256高精度采集模块，采集精度高、分辨率高、采样率高，精度小于
±
0.1％,分辨率达到1uv,采样率为1hz和，测量范围
±
2.5v。
62.3、漏电干扰排查简单、更快速、高效，只需要在干扰源附近架设2台仪器，待干扰出现时通过显示屏就可快速判断位置。像以往查漏都是通过万用表到测区查，由于万用表数据精度较低，对很多微小的电压变化，根本看不出来，如几微伏至几毫伏的微小变化，有些干扰台阶、突跳眨眼就消失了，万用表上的数字变化太快，干扰一般具有突发性、无规律性和有规律性，根本看不出来，又不能记录数据，而且万用表又没有时间，当干扰出现是否和仪器数据异常时间是否一致，增加了干扰排查困难，总之不好用，只能用万用表量一般电压
和电流，因此不适合漏电排查。原始排查法挨家挨户断电的方式查漏电，效率低下，耗时耗人耗力，还不一定能查出来。
63.如市场的无线记录仪，测量温度、湿度、气压、电压等等，虽然也能记录是电压值，不直观，操作复杂，功能太多，需要设置麻烦，无联网、数据提取不方便、达不到预期效果，地震台站很少有人用。
64.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。