一種水管傾斜儀自動補水和調零方法研究

張西蘋 歐同庚 李 震 張 璐

1 防災科技學院，河北省三河市學院街465號，0652012 中國地震局地震研究所，武漢市洪山側路40號，4300713 武漢地震科學儀器研究院有限公司，湖北省咸寧市青龍路11號，4370004 湖北省重大工程地震檢測與預警處置技術研究中心，湖北省咸寧市青龍路11號，4370005 陜西省地震局，西安市水文巷4號，710068

水管傾斜儀是一種自動測量地殼變化的高精密儀器[1]，也是研究固體潮與地震前兆觀測的地形變基本儀器之一，可應用于地球動力學與精密工程測量等方面的研究。在實際應用中，影響水管傾斜儀觀測數據的因素有很多[2]，其中蒸餾水的缺失(主要由蒸發、滲漏、變質引起)和人為影響是干擾較大且普遍存在的問題。為了解決該問題，本文提出一種基于水管傾斜儀數據采集器及減速電機的補水和調零方法。

1 水管傾斜儀補水和調零原理

1.1 水管傾斜儀基本原理

水管傾斜儀是基于連通管原理和水的不可壓縮性工作的，原理如圖1所示，一端缽體在發生垂直微位移時，內部液體通過連通管流動，缽體液面會發生相對變化，最終在重力作用下靜止在同一水平面上，儀器通過檢測和記錄兩端缽體液面的變化來模擬地殼的實際運動狀態。

圖1 水管傾斜儀工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principleof water tube tiltmeter

1.2 補水和調零原理

水管傾斜儀的補水和調零實際上就是調整其注水量與電壓值之間的關系，可根據水管傾斜儀的標定原理確定電壓變化與水量的關系作為參考。水管傾斜儀中間部分為基于齒輪轉動的步進電機自動標定裝置，其標定使用的是通過控制校準棒的上升或下降距離Δh標模擬儀器內液體量增減的靜態標定法(圖2)。

圖2 水管傾斜儀標定原理Fig.2 Calibration schematic diagramof water tube tiltmeter

(1)

式中，Δh標為校準棒的移動量，d為校準棒的直徑，D1、D2分別為2個缽體的內徑。

假設水管傾斜儀內部蒸餾水的減少量等于校準棒增減液體的標定量，則水管傾斜儀中蒸餾水的減少量ΔQ(單位ml)可用式(2)表示：

(2)

(3)

1.3 理論注水量推算

(4)

2 基于水管傾斜儀數據采集器和減速電機的補水調零方法

2.1 傳統的補水和調零方法

傳統的水管傾斜儀補水方法有2種：1)人為補水，即手動打開水管傾斜儀一端的缽體罩子，用針狀管通過注水孔給其內部加水，該補水方法不僅會對觀測數據產生較大干擾，還存在加水量無法控制等問題；2)通過自動補水裝置進行補水，即通過單片機控制注射器補水，但補水裝置的儲水量有限，且不能對注水量進行實時監控，存在補水量達不到目標值的情況，對觀測數據的影響較大。

傳統的水管傾斜儀調零主要是通過工作人員打開缽體罩子進行人工操作，存在較大的人為干擾，且測量系統一旦超出量程則無法正常記錄數據，會出現缺數的情況。

2.2 本文補水和調零的新方法

本文的補水方法是通過水管傾斜儀數據采集器設置需補水時的電壓值及補水需要達到的參考電壓值，確定補水量，并避開整點時刻，利用水管傾斜儀數據采集器控制減速電機，以進行高精度快速補水。

本文的調零方法充分發揮了水管傾斜儀數據采集器的作用，通過實時數據對負漂移進行監控提醒，即當水管傾斜儀缽體一端電壓觀測數據正常，而另一端電壓值達到-2 000 mV時，避開整點時刻，利用減速電機對水管傾斜儀缽體進行注水，并實時讀取電壓值，以更加精準地控制液面高度，調節電壓值恢復到零點值附近，達到儀器調零的目的。

3 硬件和軟件設計

3.1 硬件選擇

選用武漢地震科學儀器研究院有限公司研制的水管傾斜儀數據采集器，其工作電壓為DC 9～18 V或AC 220 V，功耗為2.5 W左右，輸出采樣率為1 min、1 s及10 Hz，通過8通道同步采樣，具有分辨率高、動態范圍廣且易于擴展和維護等優點。本文只需將計算機和數采的IP地址設置在同一網段內，并建立網絡連接，就可實現儀器遠程控制和信息狀態的實時查看。

電機選用ASLONG-JGB37微型減速電機，工作電壓為12～30 V，額定電壓為24 V，轉速為9 rpm，具有轉速低、扭矩大、噪音小、壽命長等特點。閥門裝置選用的是球閥門，用電機控制。

3.2 注水和補水裝置的設計

水管傾斜儀的補水和調零裝置如圖3所示，主要由對儀器進行補水和對此注水裝置進行補水2個部分構成。裝置采用雙閥門結構，一個閥門控制注水，另一個閥門控制對注水裝置進行等量程的補水，以解決儀器注水的問題。另外，閥門1前方補水管的末端應盡可能靠近缽體注水孔內壁，以減小水的沖擊。對儀器進行補水的部分通過水管傾斜儀數據采集器遠程控制減速電機，選用小齒輪帶動大齒輪及渦輪蝸桿推動桿裝置[3]，即電機前端的齒輪1帶動帶有轉動軸的齒輪2和帶有注水桿的齒輪3轉動，通過控制注水桿前進和后退的距離實現對注水量的控制。

圖3 水管傾斜儀的補水和調零裝置Fig.3 Diagram of water filling and zero settingdevice of water tube tiltmeter

3.3 工作流程設計

本裝置實現注補水的工作流程如圖4所示，這里的補水是針對水管傾斜儀內蒸餾水缺失而言的，注水是針對水管傾斜儀負漂移調零而言的，兩者工作方式一樣，只是觸發工作的電壓值不同。當數據采集器記錄到的電壓負向漂移值達到需調零(或補水)的電壓值時，發出提示，記錄此時電壓值，避開整點時刻啟動工作裝置。本裝置的具體工作流程為：水管傾斜儀數據采集器控制電機帶動球閥門順時針轉動90°，閥門1打開；完成注水后，判斷當前電壓值是否達到設定值，隨后帶動球閥門逆時針旋轉90°，閥門1關閉，同時閥門2打開；控制減速電機反轉帶動注水活塞后退到初始位置，對補水管進行補水；補水完成后，控制電機帶動閥門逆時針旋轉90°，閥門2關閉，工作結束。

圖4 水管傾斜儀補水調零工作流程Fig.4 Water supply and zero adjustment process of water tube tiltmeter

4 實驗結果分析

從圖5(a)～5(b)可以看出，傳統的補水和調零方法會對水管傾斜儀數據造成較大干擾，使其產生較大且持續時間較長的波動。而本文方法的實驗結果如圖5(c)所示，實驗時間為當天10:18，非整點時刻，開始時電壓值為-1 995 mV，通過對水管傾斜儀數據采集器進行遠程控制，啟動注水調零裝置，結束后水面恢復穩定大約需要4～5 h，而電壓值基本穩定在0 mV。通過對比可知，本文設計的補水調零方法對觀測數據的干擾遠小于傳統方法，水面恢復穩定所需時間也遠小于人工調零方法。

圖5 不同情況數據曲線Fig.5 Data curve under different conditions

5 結 語

本文針對傳統補水和調零方法存在的不足，通過分析水管傾斜儀補水和調零原理，設計了一種水管傾斜儀自動補水和調零方法，并通過實驗驗證了該方法具有可行性。本文方法從根本上解決了儀器內部缺水的問題，同時也提供了一種解決觀測數據負向漂移的方法，極大減少了人為干擾，保證了水管傾斜儀記錄數據的完整性，提高了觀測數據的質量。

為解決注水對觀測數據造成的影響，后期將在水管傾斜儀補水和調零的機械結構后側加裝蒸餾水霧化處理裝置，以減小注水對水面帶來的波動，另外也可對補水和調零期間的數據進行分析研究并建立模型，以提取固體潮信息。