数字化水位仪零漂特征的对比实验研究

程立康，龚永俭，李颖楠，徐诚，王建国，陈嵩，朱冰清

(天津市地震局，天津　300201)



数字化水位仪零漂特征的对比实验研究

程立康，龚永俭，李颖楠，徐诚，王建国，陈嵩，朱冰清

(天津市地震局，天津300201)

基于对5口流体观测井使用的3种数字化水位仪的校测对比实验及与气温、气压、供电交流电压等因素的相关性分析，对数字化水位仪的零漂特征及影响因素进行了研究，结果表明：①水位仪的零漂变化呈非线性的特征，每种水位仪、甚至每台水位仪的零漂变动规律均不完全相同，相比较而言，SWY-1A型水位仪的零漂变动更平稳，变幅较小；②水位仪零漂与气温、气压和供电交流电压的相关系数较低，基本可以排除气温、气压和电源电压对水位仪零漂的影响；③水位仪零漂源于探头，主要受探头老化等因素的影响。探头安装时对探头线测量的精准度、探头线因重力作用的拉长、调整探头埋深时对探头线测量的精准度以及水位校测的人为误差等，往往会导致零漂计算结果上的偏差；④数字化水位观测应定期、规范化地进行水位校测并根据零漂变化对观测数据予以校正，以确保观测数据真实、可靠，能更好地发挥地震预测效能。

数字化；水位仪;零漂;特征

0　引　言

水位在许多中强地震前均有突出的异常表现，因而在地震预测，特别是在地震短临预测中具有重要的地位和价值[1-5]。我国流体台网的水位观测仪器在经历“九五”和“十五”观测系统改造后已全面实现了数字化。与模拟观测方式相比，数字化水位观测具有数据信息量大，传输速度快，人为误差小等诸多优点，从而增加了水位高频、短周期的信息量，为捕捉地震短临异常信息提供更加有利的条件[6]。但是，由于数字化水位仪的测量原理均是利用传感器(探头)检测在井水中受到的压强，进而转换成水位值来测量实际水位，而在所有电量或非电量的测量仪器中，零位的稳定性直接影响着测量精度，电子仪器本身存在的零漂问题将导致观测数据的可靠性和精准度，故应引起足够的重视[7-9]。以往学者对水位仪零漂的研究主要集中在对特定1台或1类数字化水位仪的零漂分析[7，10]，且主要基于相关性分析，基本没有对井网中运行的多台仪器的零漂变化特征进行对比研究，具有一定的局限性。在实施中国地震局“地震监测、预报、科研”三结合课题“水位校测方法的对比实验研究”过程中，笔者对天津地区的5口流体观测井的数字化水位仪进行每半月1次的高频度水位校测实验。基于实验数据，对上述井孔所使用的3种数字化水位仪的零漂特征进行研究，对影响零漂的因素进行相关性分析和研究。

1　对比实验概述

1.1实验井孔的选择

水位校测对比实验选择了天津市地震局的5口流体观测井，分别是宝坻井、宝坻新台井、王3井、高村井和张道口-1井。被选定的井孔既有深井(高村井井深3 402.81 m、张道口-1井井深1 150 m、王3井井深1 077 m)，又有中深度井(宝坻新台井井深523 m、宝坻井井深427 m)；各井孔水位观测层位各不相同，水位埋深也有较大差异。其中,张道口-1井的水位埋深在地表120 m以下，其余井孔水位埋深在地表20 m左右。被选定的井孔对于水位观测井网来说具有典型性，同时满足校测实验的要求。

1.2水位观测仪器

所选择井孔水位观测使用的数字化水位仪共有3种，即宝坻井使用的是LN-3型数字化水位仪，宝坻新台井、高村井、王3井使用的是SWY-1A型数字化水位仪，张道口-1井使用的是DRSW-1型地热水位综合观测仪。LN-3型数字化水位仪系“九五”仪器，主要用于地震地下流体高精度井孔水位观测和同层水温观测，由原中国地震局分析预报中心研制。SWY-1A数字化水位仪和DRSW-1型地热水位综合观测仪系“十五”仪器，前者用于水位观测，后者用于水温和地热(水温)综合观测(配有水位和地热2个探头)，均由中国地震局地壳应力研究所研制。实验井孔使用的各型号水位仪的性能参数见表1。

表1 实验井孔各型号水位仪性能参数

1.3实验方法

采取在同一日使用河北省地震局研制的电子校测设备对选定的5口流体观测井进行水位校测对比实验，实验期间为2015年1月～6月，频度为每半个月1次，时间固定为每月的1日和15日前后。水位校测的操作方式，依照规范，使用校测设备直接测量井孔水位，校测设备读数1次，同时读取水位仪显示值，用探头埋深减去水位仪显示值(部分仪器主机需要加2.5)，得出水位实测值，反复测量5次，以5次校测水位值的平均值与5次水位实测值的平均值计算得到差值，确定为水位仪的零漂值。

2　实验结果及零漂特征分析

对每口井进行12次(2015年1～6月)水位校测。水位校测对比实验结果显示：宝坻井、王3井、高村井、张道口-1井的水位仪零漂方向为“下漂”，即水位仪转换值低于实际水位值(水位校测值)；宝坻新台井水位仪的零漂方向为“上漂”。杨鼎鸿等[10]认为，数字化水位仪的零漂方向可能与水位仪传感器受污染或者零漂变化趋势有关。笔者并不完全认同其观点，认为水位仪传感器检测的是压强，污染不会影响到井孔水位的变化以及仪器的零漂变化趋势；水位仪的零漂应当与探头(传感器)的老化有关，探头内置电子元器件组成的电路，老化引起零漂是必然的。

从5口流体观测井6个月的水位校测实验结果来看，各井孔的水位仪零漂值相对稳定，没有“上漂”发展成为“下漂”，也没有“下漂”发展成为“上漂”的现象，这说明历史的累积作用才是“上漂”和“下漂”的重要原因。探头线没有标明尺寸刻度，同时探头长期受力会产生拉伸，因而探头安装时对探头线测量的精准度、探头线因重力作用的拉长、调整探头埋深时对探头线测量的精准度以及水位校测的人为误差等，往往会导致零漂计算结果上的偏差，产生“上漂”或“下漂”。

在6个月内，宝坻井最大零漂0.031 7 m，最小零漂0.001 3 m，零漂最大变幅(最大零漂减去最小零漂值)0.030 4 m；宝坻新台井最大零漂0.051 5 m，最小零漂0.042 6 m，零漂最大变幅0.008 9 m；高村井最大零漂0.116 7 m ，最小零漂0.091 7 m，零漂最大变幅0.025 m；王3井最大零漂0.067 1 m，最小零漂0.052 0 m，零漂最大变幅0.015 1 m；张道口-1井最大零漂0.365 7 m，最小零漂0.132 0 m，零漂最大变幅0.233 7 m。由此可见，宝坻新台井、高村井、王3井水位仪的零漂变动更平稳，宝坻井水位仪稍次之，张道口-1井水位仪的零漂变动较大。

对各井孔使用的水位仪的零漂变化曲线见图1(其中宝坻井、宝坻新台井、王3井、高村井的比例尺相同，张道口-1井的比例尺为其余井孔的2倍)。宝坻新台井、高村井、王3井使用的水位仪均是中国地震局地壳应研究所研制的SWY-1A型数字化水位仪，相比较而言，该型号的水位仪更稳定。但受研究仪器的样本数量限制，本结论可能会有些偏差。

图1　5口井水位仪零漂变化曲线

3　零漂的影响因素分析

为进一步探究数字化水位仪的零漂影响因素，选取宝坻新台的温度、气压和水位仪供电交流电压与宝坻新台井水位仪零漂值进行相关性分析。表2为零漂与温度、气压及交流电压数据，其中温度、气压及电压数据采用水位校测时段的时均值。

表1 零漂与温度、气压及交流电压数据

通过相关性分析，计算得出温度、气压及电压与水位仪零漂的相关系数分别为-0.210 9、0.326 2和-0.404 7，这表明数字化水位仪器零漂值与室温、气压和交流电压不具有显著的相关性。实际上，宝坻新台井在室外，以大气温度和气压数据计算相关性，与杨鼎鸿等[10]以观测室温计算相关性是有可比性的，但结果却大相径庭，之前学者通过调控室温对比实验数据得出数字化水位仪器零漂值与室温具有显著的相关性，甚至在短时间内，水位的零漂值主要受室温干扰，呈准同步变化的结论。可见之前学者就温度等相关性分析具有偶然性和不准确性。而且，水位校测对比实验从2015年1月～6月，气温从低往高，呈现出一定的线性变化，而从图1可以看到，各井孔水位仪的零漂均不呈线性变化，因此基本可以排除气温、气压、电源电压对水位仪零漂的影响。

仪器原理及大量观测实践均表明，水位仪的零漂主要源于仪器的探头，而非主机本身(曾对2台SWY-1A型水位仪主机与同一探头匹配实测实验，发现2台水位仪主机的测量结果几乎一致)。水位仪探头处于水下的某一位置，大气温度或观测室温不能直接作用于仪器探头，水位仪零漂受大气温度或观测室温的影响没有任何科学依据。因为水位仪的水位测量使用高精度半导体压力传感器，具有良好的精度、线性和稳定性。水位仪的设计中，为保证水位测量不受气压干扰，将半导体压力传感器的参考压力室通过电缆中的导气管与大气相连，探头有消除气压影响的设计，因此气压影响水位仪的零漂应当是不正确的。

水位仪零漂的真正影响因素，应当来源于仪器探头电路老化等因素。同时，计算的零漂中有人为误差的影响。因为人是任何工作的第一要素，由于感觉器官分辨力的差异和局限性，进行测量工作时，读数时会产生一定的误差，同时每个人的技术水平高低不等，以及工作态度的好坏，都能对观测结果造成不同的影响，也就是说，由于人为因素所造成的观测误差是不可消除的[11]。每次水位校测时，均是人在操作，难免会有误差，这些误差就混入到仪器零漂计算结果中。

水位仪零漂的计算结果往往还会受到历史上的探头安装时对探头线测量的精准度、探头线因重力作用的拉长、调整探头埋深时对探头线测量的精准度的影响，甚至其影响是极大的或根本的。现有的数字化水位仪的探头测量范围为0 m～10 m，所以，在超过测量范围之前，观测人员要调整水位仪的探头埋深，既使工作人员细致工作，也难以精准地将探头下放的长度测量准确，这必然会导致零漂计算上的累积。

4　结　论

(1)对比实验研究表明，水位仪零漂存在着非线性变化，每种水位仪、甚至每台水位仪的零漂变动规律均不完全相同，相比较而言，SWY-1A型水位仪的零漂变动更平稳，在6个月内变幅较小。仪器研制厂商必须正视目前出售的仪器中存在的仪器零漂问题，从仪器研制过程切实解决相关的技术问题，将水位仪的零漂控制到最佳，确保仪器指标长期稳定。

(2)相关性分析结果表明，水位仪零漂与大气温度、气压和供电交流电压的相关系数较低，基本可以排除气温、气压、电源电压对水位仪零漂的影响。只要按水位仪说明书要求提供温度、电源等条件，完全可以观测到可靠的数据。

(3)数字化水位仪的零漂源于探头，主要受探头老化等因素的影响。探头安装时对探头线测量的精准度、探头线因重力作用的拉长、调整探头埋深时对探头线测量的精准度以及水位校测的人为误差等，往往会导致零漂计算结果上的偏差。

(4)数字化水位观测应定期、规范化地进行水位校测并依据零漂变化对观测数据予以校正，确保观测数据真实、可靠，能更好地发挥地震预测效能。

致谢：天津市地震局高级工程师刘学领、张建新、李恩建，工程师徐学恭、王宝琐在“水位校测方法的对比实验研究”项目研讨会上提出了许多宝贵的建议，在此表示衷心地感谢！

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STUDY ON ZERO DRIFT CHARACTERISTICE OF DIGITAL WATER LEVEL METER BY COMPARATIVE EXPERIMENT

CHENG Likang，GONG Yongjian，LI Yingnan，XU Cheng，WANG Jianguo，CHEN Song，ZHU Bingqing

(EarthquakeAdministrationOfTianjinMunicipality,Tianjin300201,China)

The correlation of 3 kinds of experimental dual digital water level meter used in 5 fluid observation wells calibration based on digital water level meter zero drift characteristics are analyzed, the results show that: ① Water level zero drift change is nonlinear, each kind of instrument, even each instrument zero drift changes reguler are not the same, the SWY-1A type water level gauge zero drift changes more smoothly,and smaller amplitude; ② The correlation coefficient of gauge zero drift and temperature, pressure and power supply voltage are lower, the influence of temperature, pressure, power supply voltage and zero drift of the water level meter are excluded; ③The water level meter zero drift due to the influence of probe, the main reason for the probe by aging and other factors. Probe installed on line probe measurement accuracy, a probe line because of the gravity of the elongated, adjust the probe depth measured on line probe measurement accuracy and level of School of human error, often resulting in zero drift calculation results of deviation; ④The digital water level observation should be regularly, specification of water level calibration and the data corrected and ensure the true and reliable data, to better play to the earthquake prediction performance.

Digital; Water level meter; Zero drift; Characteristic

2015-03-10

中国地震局“地震监测、预报、科研”三结合课题“水位校测方法的对比实验研究”(编号：150204)资助。

程立康(1982—)，男，天津宝坻人，工程师，本科，主要从事地震台站流体、电磁观测技术的研究。

P315.72+3

A

1005-586X(2016)03-0038-05