陳智群， 黃 暉， 劉吉平， 李 敬， 劉東輝

（1. 廣東省地震局新豐江中心地震臺(tái)， 廣東 河源517021； 2. 廣東省地震局， 廣州 510070）

0 引言

C-ATS 是以通用微機(jī)為控制器的全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)， 它是在充分消化吸收進(jìn)口整機(jī)ATS 的主要技術(shù)基礎(chǔ)上， 于1989年底由廣東省地震局研制成功的。 C-ATS 全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)適用于地電阻率、FSQ 浮子水管傾斜儀、 重力儀、 地溫儀、 地應(yīng)力等前兆觀測(cè)的自動(dòng)數(shù)字化測(cè)量。 1990年初C-ATS在河源黃子洞臺(tái)進(jìn)行地電阻率試觀測(cè)， 1992年7月起列入國(guó)家地電臺(tái)網(wǎng)正式觀測(cè)儀器在河源和平地電臺(tái)使用至今。 作為早期的數(shù)字化地電觀測(cè)儀器， C-ATS 在長(zhǎng)期連續(xù)的觀測(cè)中充分顯示出其特點(diǎn)： 自動(dòng)化程度高， 具有數(shù)據(jù)判斷和處理能力（如重測(cè)判斷、 故障診斷、 報(bào)警、 打印、 建庫(kù)等）；觀測(cè)精度高； 長(zhǎng)期連續(xù)工作穩(wěn)定性好； 采用非觀測(cè)時(shí)段儀器與外線路完全隔斷的方法， 雷擊概率低； 將不同功能的硬件采用板式獨(dú)立設(shè)計(jì)方法，便于日常維護(hù)及故障排查。

地電儀器由于需要連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)工作， 某些電子元件長(zhǎng)期處于高電壓、 大電流及高溫環(huán)境里極易出現(xiàn)故障， 儀器一旦出現(xiàn)故障大多要返廠或請(qǐng)專業(yè)技術(shù)人員到臺(tái)站維修， 這樣不但維修周期長(zhǎng)、 費(fèi)用高， 而且由于缺測(cè)多（許多臺(tái)站缺乏備用儀器）影響了觀測(cè)的連續(xù)性， 給資料分析使用帶來(lái)一定的影響。 C-ATS 在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到儀器的易維護(hù)性， 將主要芯片設(shè)計(jì)成插拔式、 主要功能硬件設(shè)計(jì)成獨(dú)立板式。 實(shí)際使用證明， 這種設(shè)計(jì)方式給儀器故障的排查帶來(lái)了很大的方便，簡(jiǎn)單故障臺(tái)站工作人員能夠很快排除， 疑難復(fù)雜故障只要觀測(cè)人員具有一定的無(wú)線電基礎(chǔ)知識(shí)也能夠在專業(yè)技術(shù)人員的遠(yuǎn)程指導(dǎo)下修復(fù)儀器。

1 C-ATS 地電儀系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理①?gòu)V東省地震局技術(shù)室. C-ATS 研制報(bào)告， 廣東省地震局， 1990.

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

C-ATS 的軟件系統(tǒng)是由匯編語(yǔ)言及BASIC 語(yǔ)言編寫的測(cè)量執(zhí)行程序， 主要內(nèi)容包括： 時(shí)間的讀取、 儀器定時(shí)自檢； 測(cè)量、 判斷、 復(fù)測(cè)、 計(jì)算、顯示和數(shù)據(jù)入庫(kù)； 故障的報(bào)警、 診斷和顯示； 數(shù)據(jù)的定時(shí)打印和繪圖； 儀器運(yùn)行日志和值班員記事[1]， 軟件系統(tǒng)框圖略。

1.2 C-ATS 地電儀工作原理

圖1 C-ATS 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of C-ATS hardware system

由圖1 可見(jiàn)， C-ATS 在非測(cè)量時(shí)段， K1、 K2斷開(kāi)， 整個(gè)系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)， 外線路AB 和MN由于LP-C.ATS 避雷盒（后改為中間繼電器）的作用與系統(tǒng)是斷開(kāi)的。 在O-C.ATS 內(nèi)有一組后備電池， 當(dāng)定時(shí)器到點(diǎn)起鬧時(shí)， 起鬧信號(hào)通過(guò)后備電池觸發(fā)AC-C.ATS 工作， K1 開(kāi)關(guān)閉合， C.ATS 主機(jī)上電， 后備B12V 被變壓， 經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓后輸出A12V 切換， 持續(xù)的鬧時(shí)信號(hào)又將系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)K2 合上， 微機(jī)上電啟動(dòng)（如不啟動(dòng)， 持續(xù)的鬧時(shí)信號(hào)可將警報(bào)器觸發(fā)）， LP-C.ATS 動(dòng)作將外線路與AB、 MN 通道轉(zhuǎn)換板接通， 整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)量程控狀態(tài)， 系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)K2 由I/O-C.ATS 發(fā)出的信號(hào)鎖住， 預(yù)熱后進(jìn)入電阻率逐道測(cè)量流程， 在程序的控制下， 由I/O-C.ATS 輸出控制信號(hào)， 執(zhí)行電路AC-C.ATS,AB-C.ATS 和MN-C.ATS 完成供電、斷電及AB、 MN 線切換的功能。 電信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換由ADC1 和ADC2 完成， 其中供電電位和自然電位由ADC1 完成， 供電電流由ADC2 完成。 由于采用雙ADC， 供電電流和供電電位可以同時(shí)采樣，能夠有效減少供電電源隨機(jī)波動(dòng)帶來(lái)的干擾誤差。由ADC1 和ADC2 轉(zhuǎn)換出來(lái)的數(shù)字信號(hào)， 通過(guò)光電耦合器由I/O-C.ATS 讀入計(jì)算機(jī)， 計(jì)算機(jī)對(duì)讀入的數(shù)碼進(jìn)行譯碼， 得到所測(cè)量信號(hào)的數(shù)據(jù)， 計(jì)算機(jī)即可完成電阻率值的計(jì)算、 重測(cè)判斷、 故障判斷、數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)等各項(xiàng)工作。 根據(jù)軟件設(shè)定的程序，利用MN-C.ATS 及其它通道， 進(jìn)行每天的零輸入檢查， 每天每測(cè)道的AB 回路負(fù)載檢查和每月的標(biāo)準(zhǔn)電池檢查。 每次測(cè)量完畢， I/O-C.ATS 發(fā)出解鎖關(guān)機(jī)信號(hào)， 系統(tǒng)即被關(guān)掉， 恢復(fù)測(cè)量前的狀態(tài)。

2 常見(jiàn)故障的分析及排除

2.1 常見(jiàn)故障現(xiàn)象

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)異常故障。 C-ATS 地電儀出現(xiàn)頻率最高的故障現(xiàn)象是啟動(dòng)異常， 啟動(dòng)異常包括：①到點(diǎn)儀器不起動(dòng)； ②啟動(dòng)后無(wú)測(cè)量動(dòng)作、 儀器死機(jī)； ③啟動(dòng)后立即關(guān)機(jī)。

（2）測(cè)值異常故障。 測(cè)值異常現(xiàn)象較常見(jiàn)，而且故障原因復(fù)雜、 范圍廣， 是C-ATS 維修的難點(diǎn)之一， 該類故障可細(xì)分為： ①所有測(cè)道電流值均為“0”； ②某測(cè)道電阻率總超差； ③電阻率測(cè)值不對(duì)， 但測(cè)量過(guò)程、 順序正常。

（3）關(guān)機(jī)異常故障。 系統(tǒng)關(guān)機(jī)異常可以分為兩類： ①鍵入人工關(guān)機(jī)命令后可順利關(guān)機(jī)； ②鍵入人工關(guān)機(jī)命令后依然無(wú)法關(guān)機(jī)。

2.2 故障的分析及排除

2.2.1 啟動(dòng)異常原因分析及故障排除方法

根據(jù)儀器工作原理（圖1）， 電源控制及警報(bào)觸發(fā)板AC-C.ATS 起到整機(jī)電源的通斷控制作用， 該控制板的電路原理圖如圖2， 其工作過(guò)程分析如下： ①定時(shí)器到點(diǎn)發(fā)出的鬧時(shí)信號(hào)經(jīng)D1-D4 的整流， 先將Q2 導(dǎo)通， 觸發(fā)CR2 導(dǎo)通J1 吸合， 將AC220V 電源與UPS 輸出接通， C.ATS 主機(jī)內(nèi)兩個(gè)變壓器工作， 經(jīng)過(guò)整流穩(wěn)壓輸出兩組6V 電源（分別供ADC1、 ADC2）和一組12V 電源， 此12 電源通過(guò)繼電器將O-C.ATS 內(nèi)的可充電12V 后備電池切換； ②持續(xù)的鬧時(shí)整流信號(hào)通過(guò)R1、 C1 延時(shí)觸發(fā)SRR 固體繼電器導(dǎo)通， 此時(shí)系統(tǒng)電源板所需220V 電源被接通， 系統(tǒng)觸發(fā)啟動(dòng)； ③計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后， 其12V 電源通過(guò)R0 將SRR 鎖??； ④繼電器J0 同時(shí)受控于計(jì)算機(jī)12V 電源而吸合， 其作用有二： 一是將警報(bào)觸發(fā)電路與定時(shí)器持續(xù)的整流鬧時(shí)信號(hào)斷開(kāi)； 二是將可控硅CR2 短路， 讓J1 的電流從JKoa 觸點(diǎn)通過(guò)， 使CR2 無(wú)電流流過(guò)， 保證當(dāng)系統(tǒng)電源220V 被撤掉（SRR 截至）時(shí)計(jì)算機(jī)12V同時(shí)消失， J1 釋放， AC220V 電源或UPS 被關(guān)掉。

圖2 C-ATS 地電儀電源控制原理圖Fig.2 The schematic of C-ATS power control

依據(jù)電路分析可以判斷， 儀器到點(diǎn)不起動(dòng)故障應(yīng)檢查的元件及方法是： ①定時(shí)器， 定時(shí)器使用6V 干電池， 經(jīng)實(shí)測(cè)電池電壓低于4V 時(shí)將起動(dòng)困難， 低于3.5V 將無(wú)法起動(dòng)； ②D1-D4 整流二極管， 可用萬(wàn)用表依次檢測(cè)各二極管正反電阻判斷好壞； ③D7、 R6、 Q2、 CR2、 J1 等相關(guān)起動(dòng)器件， 先用萬(wàn)用表在線檢測(cè)各元件判別， 對(duì)有懷疑的元件再用替換法， 實(shí)際檢修中發(fā)現(xiàn)Q2 較易損壞， AC 板上三極管均為NPN 型S8050 管， 應(yīng)急代換可用S9014， 9014 雖然耐壓、 功率比8050 高些， 但最大集電極電流比8050 要小許多， 更容易在儀器啟動(dòng)瞬間燒壞； ④相關(guān)連接線接觸不好、O-C.ATS 及C.ATS 電源開(kāi)關(guān)置錯(cuò)， 這是日常較易被忽視的啟動(dòng)故障， 可通過(guò)觀測(cè)儀器面板指示燈及檢查對(duì)應(yīng)線路發(fā)現(xiàn)； ⑤O-C.ATS 內(nèi)12V 電池電壓不足、 電阻R1 阻值太大、 電容C1 失容或漏電、SRR 輸入端故障均會(huì)導(dǎo)致啟動(dòng)困難現(xiàn)象， 排查方法可先測(cè)量電池電壓， 若不低于8V 則排除電池問(wèn)題； 其次連續(xù)按人工啟動(dòng)按鈕， 如能夠啟動(dòng)可初步判斷R1 阻值變大， 經(jīng)核對(duì)色環(huán)， R1 阻值應(yīng)為22 Ω； 接著判斷電容是否存在故障， 最好焊下電容一腳， 用模擬表選×1K 檔并且交換表筆檢測(cè)，若兩次測(cè)量結(jié)果指針均擺動(dòng)幅度較大且基本能回轉(zhuǎn)到初始位置， 則表明電容正常， 當(dāng)然如果有合適電容（50 V、 470 μf）直接替換更好， 排除電容問(wèn)題后， 則可基本判斷SRR 是否存在故障。 進(jìn)一步判斷SRR 輸入端好壞的方法是： 用萬(wàn)用表×1K檔檢測(cè)， 紅筆接SRR 輸入端負(fù)， 黑筆接正， 測(cè)值應(yīng)為6 KΩ 左右， 交換表筆測(cè)值為∞， 表明SRR輸入端正常， 否則存在問(wèn)題。 更換SRR 應(yīng)注意合適的型號(hào)， 筆者在實(shí)際檢修中發(fā)現(xiàn)， 參數(shù)差別大亦可導(dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)。

研究區(qū)硅質(zhì)巖的化學(xué)成分以SiO2為主，含量為70.02×10-2～93.72×10-2，平均為82.12×10-2，其次為TFe2O3、Al2O3和MgO，含量分別為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)。

啟動(dòng)后無(wú)測(cè)量動(dòng)作、 儀器死機(jī)故障通常出在ADC 芯片及I/O-C.ATS 控制板上。 該類故障可先檢 查 C.ATS 內(nèi) 的 兩 片 ICL7135 芯 片 ADC1、ADC2， 11 腳為+6 V 輸入端， 若檢測(cè)到該腳無(wú)電壓則應(yīng)繼續(xù)檢查C.ATS 主機(jī)內(nèi)6V 電源變壓器及其整流、 穩(wěn)壓輸出元件。 由于C.ATS 主機(jī)內(nèi)元件較密集， 進(jìn)行帶電檢測(cè)非常不易， 且可能導(dǎo)致元件短路致故障范圍擴(kuò)大， 因此實(shí)際維修時(shí)大都采用探查法進(jìn)行簡(jiǎn)單快速的判斷： 用手指接觸相關(guān)大功率元器件， 感覺(jué)溫?zé)釀t該元件正常、 燙手則工作異常、 無(wú)溫升感覺(jué)則該元件未工作， 進(jìn)行初步判斷后再用替換法試用好元件更換往往能快速找到故障點(diǎn)。 檢修中發(fā)現(xiàn)， ICL7135 芯片故障導(dǎo)致儀器死機(jī)的現(xiàn)象是： C.ATS 面板通道指示燈 “1” 長(zhǎng)亮， P-C.ATS 電源電流表指針滿指示不回表， 不觀測(cè)。 發(fā)現(xiàn)該故障時(shí)應(yīng)及時(shí)關(guān)機(jī)， 否則可能導(dǎo)致PC.ATS 電源燒潰或儀器系統(tǒng)其它元件損壞。 I/O-C.ATS 控制板上的U2 芯片D8255 負(fù)責(zé)系統(tǒng)的控制信號(hào)輸出， 該芯片或其外圍關(guān)聯(lián)元件損壞同樣會(huì)導(dǎo)致儀器死機(jī)故障， 可用替換法更換U2 芯片排查故障點(diǎn)， 外圍耦合元件4N25 光耦一般較少損壞， 倒是雷電過(guò)后的故障不可忽視檢查。 另外， I/O 卡與C.ATS 主機(jī)之間的數(shù)據(jù)線接觸不良亦會(huì)出現(xiàn)該類故障。

啟動(dòng)后立即關(guān)機(jī)的原因可能是AC-C.ATS 板上的D5、 R0、 Q0 等元件有故障， Q0 損壞的概率較高， 萬(wàn)用表在線檢測(cè)很容易發(fā)現(xiàn)故障元件； I/O 卡U2 芯片損壞也會(huì)導(dǎo)致這類故障， 可參照上節(jié)檢修方法排查故障源。

2.2.2 測(cè)值異常原因分析及故障排除方法

引起測(cè)值異常的故障范圍很廣， 儀器主機(jī)系統(tǒng)、 電源、 避雷設(shè)施及外線路故障均會(huì)導(dǎo)致測(cè)值出現(xiàn)異常， C-ATS 電源及外線路引起的故障已有文章闡述[2]， 此處對(duì)涉及此類故障只作現(xiàn)象描述，故障排除方法略。

所有測(cè)道電流值均為 “0” 的故障原因包括：①避雷設(shè)施故障， LP-C.ATS 避雷盒由于電源插頭接觸不好導(dǎo)致外線路未閉合， 2005年起避雷盒改為中間繼電器[3]， 中間繼電器未得電閉合也會(huì)導(dǎo)致相同的故障現(xiàn)象， 可觀察繼電器的指示燈是否亮辨別故障； ②P-C.ATS 電源故障， 如保險(xiǎn)絲燒斷致電源未工作； ③MN-C.ATS 板上繼電器J0 及Q1 故障， 由于J0 及Q1 組成過(guò)載保護(hù)電路， 如該部分故障將致I/O-C.ATS 失控從而引起電源系統(tǒng)故障， 但此故障現(xiàn)象少見(jiàn)； ④AB-C.ATS 板上各道可控硅損壞或觸發(fā)電阻太大， 該故障未曾出現(xiàn)過(guò)，因?yàn)楦鞯涝瑫r(shí)出現(xiàn)故障的概率很?。?⑤O-C.ATS 盒上開(kāi)關(guān)未置測(cè)量檔位置， 該現(xiàn)象一般出現(xiàn)在儀器標(biāo)定后， 忘記將 “標(biāo)定” 檔打回至 “測(cè)量”檔； ⑥電源P-C.ATS 內(nèi)的K2 開(kāi)關(guān)未受控閉合，K2 為直流供電輸出開(kāi)關(guān)， 受控于I/O 芯片U2 發(fā)出的控制信號(hào)， 通過(guò)I/O 板上J4 插座6 腳→數(shù)據(jù)線→C.ATS 主機(jī)P1 串口4 腳→AC-C.ATS 的B15腳→AC 板， D12、 R8、 Q4、 J3、 CR4（圖2）為電流輸出的控制元件， 以上有元件線路故障均會(huì)導(dǎo)致電流測(cè)值為 “0”。 檢修時(shí)一般直接檢查Q4 及CR4， 這兩個(gè)元件較容易損壞， CR4 為雙向可控硅， 代換可用BT138 或相近參數(shù)的管子。

某測(cè)道電阻率總超差故障原因有： ①對(duì)應(yīng)AB通道可控硅或繼電器損壞； ②對(duì)應(yīng)MN 通道相關(guān)元件損壞； ③相應(yīng)測(cè)道外線路漏電。 因?yàn)锳B、MN 板元器件較少， 而且有備用插板， 通過(guò)換板試測(cè)可以快速排除故障， 一般該類故障大都是繼電器接觸不良。 外線路漏電導(dǎo)致的超差一般電阻率測(cè)值變化幅度較大， 可通過(guò)線路漏電檢查判別。

電阻率測(cè)值不對(duì)， 但測(cè)量過(guò)程、 順序正常的故障原因可能出在： ①ADC1、 ADC2 故障， 通常是ADC2 故障， 檢修中發(fā)現(xiàn)該芯片故障時(shí)， 電流測(cè)值基本正常、 供電電位差異常、 自然電位不對(duì)、電阻率測(cè)值不對(duì)； ②I/O 卡中的U1 芯片及其相關(guān)光耦損壞， U1 芯片負(fù)責(zé)觀測(cè)數(shù)據(jù)的讀入處理， 故障時(shí)測(cè)值表現(xiàn)為供電電位、 電流、 自然電位基本正常， 但電阻率變小明顯， 用替換法檢查可快速排除故障。

2.2.3 關(guān)機(jī)異常原因分析及故障排除方法

關(guān)機(jī)異常有兩大方面的原因， 其一是由于觀測(cè)時(shí)出現(xiàn)供電異常、 線路故障及環(huán)境變化致數(shù)據(jù)較大變化， 這時(shí)系統(tǒng)對(duì)測(cè)值作出判斷， 顯示故障原因并等待人工干預(yù)； 其二是負(fù)責(zé)自動(dòng)關(guān)機(jī)的元件故障導(dǎo)致無(wú)法自動(dòng)關(guān)機(jī)。

鍵入人工關(guān)機(jī)命令后可順利關(guān)機(jī)： 這種現(xiàn)象可根據(jù)故障顯示代碼進(jìn)行相應(yīng)檢查便能很快找到故障源。

鍵入人工關(guān)機(jī)命令后依然無(wú)法關(guān)機(jī)： 先檢查系統(tǒng)電源插座有無(wú)打到 “關(guān)” 的位置， 再進(jìn)一步檢查AC-C.ATS 板上SRR 及其相關(guān)連接線路。 由于SRR 輸出端是無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)， 用萬(wàn)用表難于判別好壞， 只能用替換檢查法。 曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)系統(tǒng)有時(shí)能夠自動(dòng)關(guān)機(jī)有時(shí)不能關(guān)機(jī)的故障， 檢測(cè)SRR 周圍線路未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題， 用相同SRR 替換板上SRR 后故障依舊， 又將板子拿到明亮環(huán)境里認(rèn)真觀察，發(fā)現(xiàn)SRR 輸出端附近覆銅線路有一處微微鼓起，輕輕擦掉表漆發(fā)現(xiàn)鼓起處已氧化， 從而導(dǎo)致線路接觸不良， 用錫補(bǔ)焊后試機(jī)， 故障排除。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）C-ATS 地電儀系統(tǒng)穩(wěn)定性好是其能夠進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的基礎(chǔ)， 臺(tái)站工作人員日常的精心維護(hù)也是儀器能夠正常運(yùn)行的保證。

（2）在日常觀測(cè)中， 如能認(rèn)真觀察儀器的運(yùn)行狀況， 了解儀器的性能、 特點(diǎn)、 原理， 記錄每次故障的現(xiàn)象和處理情況， 就能很快提高自己管理維護(hù)儀器的水平。

（3）本文是多年來(lái)對(duì)C-ATS 地電儀系統(tǒng)維護(hù)、故障檢修經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)性總結(jié)， 希望對(duì)其它臺(tái)站有一定的參考意義。

[1] 柴劍勇， 葉春明， 吳名彬， 李小宏， 等. 地電自動(dòng)測(cè)量系 統(tǒng) 國(guó) 產(chǎn) 化（C-ATS）研 究[J]. 華 南 地 震， 1991， 11（2）： 61-67.

[2] 陳智群， 劉吉平， 李敬. 河源臺(tái)地電專用電源和外線路故障查修方法[J]. 華南地震， 2013， 6（2）： 117-123.

[3] 陳智群， 劉吉平， 李敬. 地電儀綜合防雷措施及其效果分析[J]. 價(jià)值工程， 2013， 9（25）： 271-272.

[4] 陳智群， 柴劍勇， 李 敬， 等. 和平臺(tái)深孔電極地電阻率測(cè)值趨勢(shì)下降原因分析[J]. 華南地震， 2014， 34（1）： 117-121.