C-ATS地电仪常见故障分析及排除

2015-08-06陈智群刘吉平刘东辉

华南地震 2015年1期

陈智群，黄晖，刘吉平，李敬，刘东辉

（1. 广东省地震局新丰江中心地震台，广东河源517021； 2. 广东省地震局，广州 510070）

0 引言

C-ATS 是以通用微机为控制器的全自动测量系统，它是在充分消化吸收进口整机ATS 的主要技术基础上，于1989年底由广东省地震局研制成功的。 C-ATS 全自动测量系统适用于地电阻率、FSQ 浮子水管倾斜仪、重力仪、地温仪、地应力等前兆观测的自动数字化测量。 1990年初C-ATS在河源黄子洞台进行地电阻率试观测， 1992年7月起列入国家地电台网正式观测仪器在河源和平地电台使用至今。作为早期的数字化地电观测仪器， C-ATS 在长期连续的观测中充分显示出其特点：自动化程度高，具有数据判断和处理能力（如重测判断、故障诊断、报警、打印、建库等）；观测精度高；长期连续工作稳定性好；采用非观测时段仪器与外线路完全隔断的方法，雷击概率低；将不同功能的硬件采用板式独立设计方法，便于日常维护及故障排查。

地电仪器由于需要连续进行观测工作，某些电子元件长期处于高电压、大电流及高温环境里极易出现故障，仪器一旦出现故障大多要返厂或请专业技术人员到台站维修，这样不但维修周期长、费用高，而且由于缺测多（许多台站缺乏备用仪器）影响了观测的连续性，给资料分析使用带来一定的影响。 C-ATS 在设计时充分考虑到仪器的易维护性，将主要芯片设计成插拔式、主要功能硬件设计成独立板式。实际使用证明，这种设计方式给仪器故障的排查带来了很大的方便，简单故障台站工作人员能够很快排除，疑难复杂故障只要观测人员具有一定的无线电基础知识也能够在专业技术人员的远程指导下修复仪器。

1 C-ATS 地电仪系统构成及工作原理①广东省地震局技术室. C-ATS 研制报告，广东省地震局， 1990.

1.1 系统构成

C-ATS 的软件系统是由汇编语言及BASIC 语言编写的测量执行程序，主要内容包括：时间的读取、仪器定时自检；测量、判断、复测、计算、显示和数据入库；故障的报警、诊断和显示；数据的定时打印和绘图；仪器运行日志和值班员记事[1]，软件系统框图略。

1.2 C-ATS 地电仪工作原理

图1 C-ATS 硬件系统框图Fig.1 Diagram of C-ATS hardware system

由图1 可见， C-ATS 在非测量时段， K1、 K2断开，整个系统处于关闭状态，外线路AB 和MN由于LP-C.ATS 避雷盒（后改为中间继电器）的作用与系统是断开的。在O-C.ATS 内有一组后备电池，当定时器到点起闹时，起闹信号通过后备电池触发AC-C.ATS 工作， K1 开关闭合， C.ATS 主机上电，后备B12V 被变压，经过整流稳压后输出A12V 切换，持续的闹时信号又将系统电源开关K2 合上，微机上电启动（如不启动，持续的闹时信号可将警报器触发）， LP-C.ATS 动作将外线路与AB、 MN 通道转换板接通，整个系统进入测量程控状态，系统电源开关K2 由I/O-C.ATS 发出的信号锁住，预热后进入电阻率逐道测量流程，在程序的控制下，由I/O-C.ATS 输出控制信号，执行电路AC-C.ATS,AB-C.ATS 和MN-C.ATS 完成供电、断电及AB、 MN 线切换的功能。电信号的模数转换由ADC1 和ADC2 完成，其中供电电位和自然电位由ADC1 完成，供电电流由ADC2 完成。由于采用双ADC，供电电流和供电电位可以同时采样，能够有效减少供电电源随机波动带来的干扰误差。由ADC1 和ADC2 转换出来的数字信号，通过光电耦合器由I/O-C.ATS 读入计算机，计算机对读入的数码进行译码，得到所测量信号的数据，计算机即可完成电阻率值的计算、重测判断、故障判断、数据处理存储等各项工作。根据软件设定的程序，利用MN-C.ATS 及其它通道，进行每天的零输入检查，每天每测道的AB 回路负载检查和每月的标准电池检查。每次测量完毕， I/O-C.ATS 发出解锁关机信号，系统即被关掉，恢复测量前的状态。

2 常见故障的分析及排除

2.1 常见故障现象

（1）系统启动异常故障。 C-ATS 地电仪出现频率最高的故障现象是启动异常，启动异常包括：①到点仪器不起动； ②启动后无测量动作、仪器死机； ③启动后立即关机。

（2）测值异常故障。测值异常现象较常见，而且故障原因复杂、范围广，是C-ATS 维修的难点之一，该类故障可细分为： ①所有测道电流值均为“0”； ②某测道电阻率总超差； ③电阻率测值不对，但测量过程、顺序正常。

（3）关机异常故障。系统关机异常可以分为两类： ①键入人工关机命令后可顺利关机； ②键入人工关机命令后依然无法关机。

2.2 故障的分析及排除

2.2.1 启动异常原因分析及故障排除方法

根据仪器工作原理（图1），电源控制及警报触发板AC-C.ATS 起到整机电源的通断控制作用，该控制板的电路原理图如图2，其工作过程分析如下： ①定时器到点发出的闹时信号经D1-D4 的整流，先将Q2 导通，触发CR2 导通J1 吸合，将AC220V 电源与UPS 输出接通， C.ATS 主机内两个变压器工作，经过整流稳压输出两组6V 电源（分别供ADC1、 ADC2）和一组12V 电源，此12 电源通过继电器将O-C.ATS 内的可充电12V 后备电池切换； ②持续的闹时整流信号通过R1、 C1 延时触发SRR 固体继电器导通，此时系统电源板所需220V 电源被接通，系统触发启动； ③计算机启动后，其12V 电源通过R0 将SRR 锁住； ④继电器J0 同时受控于计算机12V 电源而吸合，其作用有二：一是将警报触发电路与定时器持续的整流闹时信号断开；二是将可控硅CR2 短路，让J1 的电流从JKoa 触点通过，使CR2 无电流流过，保证当系统电源220V 被撤掉（SRR 截至）时计算机12V同时消失， J1 释放， AC220V 电源或UPS 被关掉。

图2 C-ATS 地电仪电源控制原理图Fig.2 The schematic of C-ATS power control

依据电路分析可以判断，仪器到点不起动故障应检查的元件及方法是： ①定时器，定时器使用6V 干电池，经实测电池电压低于4V 时将起动困难，低于3.5V 将无法起动； ②D1-D4 整流二极管，可用万用表依次检测各二极管正反电阻判断好坏； ③D7、 R6、 Q2、 CR2、 J1 等相关起动器件，先用万用表在线检测各元件判别，对有怀疑的元件再用替换法，实际检修中发现Q2 较易损坏， AC 板上三极管均为NPN 型S8050 管，应急代换可用S9014， 9014 虽然耐压、功率比8050 高些，但最大集电极电流比8050 要小许多，更容易在仪器启动瞬间烧坏； ④相关连接线接触不好、O-C.ATS 及C.ATS 电源开关置错，这是日常较易被忽视的启动故障，可通过观测仪器面板指示灯及检查对应线路发现； ⑤O-C.ATS 内12V 电池电压不足、电阻R1 阻值太大、电容C1 失容或漏电、SRR 输入端故障均会导致启动困难现象，排查方法可先测量电池电压，若不低于8V 则排除电池问题；其次连续按人工启动按钮，如能够启动可初步判断R1 阻值变大，经核对色环， R1 阻值应为22 Ω；接着判断电容是否存在故障，最好焊下电容一脚，用模拟表选×1K 档并且交换表笔检测，若两次测量结果指针均摆动幅度较大且基本能回转到初始位置，则表明电容正常，当然如果有合适电容（50 V、 470 μf）直接替换更好，排除电容问题后，则可基本判断SRR 是否存在故障。进一步判断SRR 输入端好坏的方法是：用万用表×1K档检测，红笔接SRR 输入端负，黑笔接正，测值应为6 KΩ 左右，交换表笔测值为∞，表明SRR输入端正常，否则存在问题。更换SRR 应注意合适的型号，笔者在实际检修中发现，参数差别大亦可导致无法启动。

研究区硅质岩的化学成分以SiO2为主，含量为70.02×10-2～93.72×10-2，平均为82.12×10-2，其次为TFe2O3、Al2O3和MgO，含量分别为2.53×10-2～6.89×10-2、1.50×10-2～7.81×10-2和0.30×10-2～5.14×10-2，其余成分含量均很低(表2)。

启动后无测量动作、仪器死机故障通常出在ADC 芯片及I/O-C.ATS 控制板上。该类故障可先检查 C.ATS 内的两片 ICL7135 芯片 ADC1、ADC2， 11 脚为+6 V 输入端，若检测到该脚无电压则应继续检查C.ATS 主机内6V 电源变压器及其整流、稳压输出元件。由于C.ATS 主机内元件较密集，进行带电检测非常不易，且可能导致元件短路致故障范围扩大，因此实际维修时大都采用探查法进行简单快速的判断：用手指接触相关大功率元器件，感觉温热则该元件正常、烫手则工作异常、无温升感觉则该元件未工作，进行初步判断后再用替换法试用好元件更换往往能快速找到故障点。检修中发现， ICL7135 芯片故障导致仪器死机的现象是： C.ATS 面板通道指示灯 “1” 长亮， P-C.ATS 电源电流表指针满指示不回表，不观测。发现该故障时应及时关机，否则可能导致PC.ATS 电源烧溃或仪器系统其它元件损坏。 I/O-C.ATS 控制板上的U2 芯片D8255 负责系统的控制信号输出，该芯片或其外围关联元件损坏同样会导致仪器死机故障，可用替换法更换U2 芯片排查故障点，外围耦合元件4N25 光耦一般较少损坏，倒是雷电过后的故障不可忽视检查。另外， I/O 卡与C.ATS 主机之间的数据线接触不良亦会出现该类故障。

启动后立即关机的原因可能是AC-C.ATS 板上的D5、 R0、 Q0 等元件有故障， Q0 损坏的概率较高，万用表在线检测很容易发现故障元件； I/O 卡U2 芯片损坏也会导致这类故障，可参照上节检修方法排查故障源。

2.2.2 测值异常原因分析及故障排除方法

引起测值异常的故障范围很广，仪器主机系统、电源、避雷设施及外线路故障均会导致测值出现异常， C-ATS 电源及外线路引起的故障已有文章阐述[2]，此处对涉及此类故障只作现象描述，故障排除方法略。

所有测道电流值均为 “0” 的故障原因包括：①避雷设施故障， LP-C.ATS 避雷盒由于电源插头接触不好导致外线路未闭合， 2005年起避雷盒改为中间继电器[3]，中间继电器未得电闭合也会导致相同的故障现象，可观察继电器的指示灯是否亮辨别故障； ②P-C.ATS 电源故障，如保险丝烧断致电源未工作； ③MN-C.ATS 板上继电器J0 及Q1 故障，由于J0 及Q1 组成过载保护电路，如该部分故障将致I/O-C.ATS 失控从而引起电源系统故障，但此故障现象少见； ④AB-C.ATS 板上各道可控硅损坏或触发电阻太大，该故障未曾出现过，因为各道元件同时出现故障的概率很小； ⑤O-C.ATS 盒上开关未置测量档位置，该现象一般出现在仪器标定后，忘记将 “标定” 档打回至 “测量”档； ⑥电源P-C.ATS 内的K2 开关未受控闭合，K2 为直流供电输出开关，受控于I/O 芯片U2 发出的控制信号，通过I/O 板上J4 插座6 脚→数据线→C.ATS 主机P1 串口4 脚→AC-C.ATS 的B15脚→AC 板， D12、 R8、 Q4、 J3、 CR4（图2）为电流输出的控制元件，以上有元件线路故障均会导致电流测值为 “0”。检修时一般直接检查Q4 及CR4，这两个元件较容易损坏， CR4 为双向可控硅，代换可用BT138 或相近参数的管子。

某测道电阻率总超差故障原因有： ①对应AB通道可控硅或继电器损坏； ②对应MN 通道相关元件损坏； ③相应测道外线路漏电。因为AB、MN 板元器件较少，而且有备用插板，通过换板试测可以快速排除故障，一般该类故障大都是继电器接触不良。外线路漏电导致的超差一般电阻率测值变化幅度较大，可通过线路漏电检查判别。

电阻率测值不对，但测量过程、顺序正常的故障原因可能出在： ①ADC1、 ADC2 故障，通常是ADC2 故障，检修中发现该芯片故障时，电流测值基本正常、供电电位差异常、自然电位不对、电阻率测值不对； ②I/O 卡中的U1 芯片及其相关光耦损坏， U1 芯片负责观测数据的读入处理，故障时测值表现为供电电位、电流、自然电位基本正常，但电阻率变小明显，用替换法检查可快速排除故障。

2.2.3 关机异常原因分析及故障排除方法

关机异常有两大方面的原因，其一是由于观测时出现供电异常、线路故障及环境变化致数据较大变化，这时系统对测值作出判断，显示故障原因并等待人工干预；其二是负责自动关机的元件故障导致无法自动关机。

键入人工关机命令后可顺利关机：这种现象可根据故障显示代码进行相应检查便能很快找到故障源。

键入人工关机命令后依然无法关机：先检查系统电源插座有无打到 “关” 的位置，再进一步检查AC-C.ATS 板上SRR 及其相关连接线路。由于SRR 输出端是无触点开关，用万用表难于判别好坏，只能用替换检查法。曾经出现过系统有时能够自动关机有时不能关机的故障，检测SRR 周围线路未发现问题，用相同SRR 替换板上SRR 后故障依旧，又将板子拿到明亮环境里认真观察，发现SRR 输出端附近覆铜线路有一处微微鼓起，轻轻擦掉表漆发现鼓起处已氧化，从而导致线路接触不良，用锡补焊后试机，故障排除。