水資源監測設備抗干擾問題淺析

莊 冬

（安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 水利水資源安徽省重點實驗室 合肥 230000）

隨著水利信息化的發展，人工抄表模式已經不能滿足水資源的現代化管理要求，因此水資源取用水量遠程監測系統應運而生。水資源取用水量遠程監測系統的應用既降低了水資源管理成本，又實現了水資源取用水數據的實時監測。在水資源取用水量遠程監測系統建設過程中不可避免的遇到電磁干擾問題。為解決取用水量遠程監測系統電磁干擾問題，首先應分析電磁干擾的產生原因、特性等；然后針對電磁干擾的干擾源、傳播途徑等采取有效的預防措施；最后根據實驗前后的通訊狀態對比得出抗干擾有效性強弱的結論。電磁干擾問題的解決是要保障正常信號的傳遞和接收，來規避信號的損失。

1 干擾分析

在水資源取用水量遠程監測系統建設過程中，經常發現水資源監測設備出現數據采集錯誤、數據傳輸丟失、數據傳輸中斷等現象。經技術排查發現，水資源監測設備的異常是取水現場的變頻設備造成的。

在明確了干擾源后，通過實驗分析干擾源對水資源監測設備產生的干擾。（1）將水資源監測設備靠近干擾源但切斷一切外部連接線，采用電池臨時供電，觀察干擾源對水資源監測設備的干擾情況；（2）將水資源監測設備盡量遠離干擾源但保留兩者之間的連接線；（3）將水資源監測設備靠近干擾源并與之保持著有線連接。實驗結果：當水資源監測設備既靠近干擾源又與其保持有線連接時，干擾最強烈；當水資源監測設備連接干擾源但相距較遠或者水資源監測設備和干擾源完全斷開有線連接時，信號干擾都會減弱。

綜合以上分析得到干擾源的電磁干擾通過兩種途徑進行傳播：其一，通過導體連接到現場水資源監測設備造成干擾；其二，通過空間輻射對現場水資源監測設備造成干擾。干擾途徑示意圖如圖1 所示。

圖1 干擾途徑示意圖

1.1 傳導干擾

傳導干擾就是干擾源以導電體為媒介對其他電子產品或設備產生的信號干擾。干擾源通過導線或者導電介質直接或者間接與水資源監測設備相連而產生的干擾。分析水資源監測設備的外部連接線可以判斷，有線干擾來源主要水資源監測設備需現場提供220V 交流電，因此會不可避免的通過供電線路與干擾源相連。干擾源所產生的干擾信號能量以電流或電壓的形式在電路中傳導，通過金屬導線耦合至水資源監測設備。水資源監測設備與流量計之間通訊往往被轉換成微弱的低電平電壓信號，受到傳導干擾后導致數據紊亂不能使用。

1.2 輻射干擾

輻射干擾即干擾源以空間耦合的方式將其產生的干擾信號傳導給其他電子產品或設備并對其產生強烈的信號干擾。變頻器在運行過程中會產生諧波并對靠近的系統或儀表產生干擾，干擾造成計量儀表與水資源監測設備的通訊出現異常。為發現變頻器的輻射干擾強度與距離遠近的關系，將水資源監測設備分別放置在與變頻器不同的距離然后監聽水資源監測設備的通訊狀態。為分析變頻器的輻射干擾強度與距離的關系，通過控制變量法實驗。用同一臺變頻器并關閉附近其他電子設備保證輻射強度不變。被干擾設備采用電池供電，防止有線干擾影響實驗結果。實驗時，開啟變頻器分別將被干擾設備放置在距離變頻器1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m 的地方，然后監聽并記錄被干擾設備的通訊狀態。實驗發現當被干擾設備距離變頻器1m、2m、3m的時候，通訊被阻斷并不斷地接收“FF”的亂碼；當被干擾設備距離變頻器4m、5m、6m 的時候，發送要數命令可以接收到正確的回數命令但仍能接收到“FF”的亂碼，隨著距離變遠收到亂碼“FF”的頻率在降低；當被干擾設備距離變頻器7m甚至更遠時，發送要數命令可以收到正確的回數命令且無亂碼。通過監聽狀態來判斷，水資源監測設備距離變頻器越近，其受到變頻器的輻射干擾越強，甚至不能正常通訊且監聽到數據全部為亂碼。

2 解決方案

2.1 干擾原理分析

電磁干擾信號因電磁感應在水資源監測設備的回路中產生感應電壓，進而影響水資源監測設備電路的正常工作。電磁干擾的三個要素：干擾信號源、干擾途徑、干擾對象。如果要削弱干擾可通過三方面進行：抑制和消除電磁干擾信號源、切斷電磁干擾途徑、保護電磁干擾對象。從抗電磁干擾手段上說可分為軟件、硬件兩方面。常見的軟件抗干擾技術包括：數字濾波技術、開關量的軟件抗干擾技術、指令冗余技術及軟件陷阱技術等。硬件抗干擾技術包括：干擾隔離、濾波處理、干擾屏蔽等方法。基于簡單高效解決電磁干擾問題的目的，本文主要研究硬件抗干擾技術，分析各硬件抗干擾技術手段解決電磁干擾問題的優缺點，最終得出一套簡單有效的電磁干擾解決方案。

2.2 解決干擾的具體措施

在取水監測站點實施前仔細觀察現場環境，盡量避免與變頻器此類干擾源共用電網。取水水資源監測設備應盡可能遠離干擾源的位置安裝，線路的接線位置與走向應盡量與變頻器的輸入、輸出線保持較遠距離，避免現場的強電磁場。如果可以將變頻器的載波頻率調低到一個外界電子設備可以接收的范圍，就可以消除干擾。如果上述方法不能奏效或不能實現，那么只能通過硬件的抗干擾措施解決。

2.2.1 干擾隔離

干擾隔離是將電磁干擾信號源與易受電磁干擾的電子設備隔離開，使其不直接發生電的聯系。常見的隔離器件有隔離變壓器和光電隔離模塊。隔離變壓器就是利用變壓器把數字電路信號與模擬電路信號隔離開，切斷了串模干擾通過連線進入水資源監測設備電路的途徑。光電隔離模塊主要作用在信號傳輸線路中，其輸入輸出間寄生電容很小，絕緣電阻很大，因此電磁干擾信號很難通過它傳入水資源監測設備電路。另外，可以采用物理隔離的方式：（1）從空間上遠離干擾源，距離越遠干擾衰減越大；（2）不同線纜單獨走線布置線槽，避免相互間的電磁感應干擾。

2.2.2 濾波處理

如果傳導干擾較強，可以在通訊回路中串聯濾波器。濾波電路對低頻的通訊信號的通過率較高，對尖峰脈沖、瞬變脈沖等高頻具有較強的濾除效果，可以有效地削弱或隔絕傳導干擾。通過濾波電路對電路中干擾信號的過濾可以很大程度地減小干擾源對水資源監測設備的影響，從而保證數據采集的準確性以及通訊傳輸的穩定性。

2.2.3 干擾屏蔽

屏蔽主要應對輻射干擾，將干擾源的電磁場與水資源監測設備隔離開。金屬對入射電磁波具有反射損耗和吸收損耗的特性，電磁波到達金屬屏蔽體表面，一部分透入屏蔽體內部，一部分被金屬屏蔽體反射，透入電磁屏蔽體的電磁波，在金屬屏蔽體內產生感應渦流，干擾功率被損耗。為減少來自外界干擾源的輻射干擾，水資源監測設備集成到一個機箱內，機箱采用不銹鋼材質。同理，數據采集連線采用雙絞屏蔽線纜并用鋼管保護。

2.2.4 結論

經過各種抗電磁干擾方法的對比分析得出如下結論：當取水監測現場的干擾強度較低時，最經濟有效的手段是遠離干擾源同時采用導磁導電性良好的金屬做防護箱對水資源監測設備進行防護；當取水監測現場電磁環境復雜干擾強度較高時，需從有線干擾和無線干擾兩方面排查切斷干擾傳播途徑。有線干擾排查電源線，通過加裝隔離變壓器或低通濾波器加以隔離處理，無線干擾通過導磁導電金屬分別對干擾源和水資源監測設備進行包裹，雙重隔離。

3 結語

隨著水利行業的不斷發展，水利信息化的進程不斷加快。為更好地服務水利、方便管理，各種電子通訊設備在水利行業的應用將逐漸增多。然而各種電子通訊設備大都存在著干擾問題，這就需要規范安裝、加強防護措施、增強抗干擾的意識、避免相互干擾。本文以安徽省水資源取水監測站點建設過程中遇到的電磁干擾問題為案例進行問題分析，提出了具體有效的抗干擾措施，可供類似的電磁干擾問題解決提供參考■