自動氣象站地溫觀測的抗干擾分析

摘 要：自動氣象站是一套能實時觀測并存儲氣象數據的自動化氣象探測設備。在實際的運行過程中，容易受到外界各種因素的干擾，從而降低觀測質量。文章從直流電源接地、單點接地，以及排除地環回路的干擾等方法入手分析了引起地溫觀測的各種干擾因素，并提出了相應的解決措施，從而保證自動氣象站穩定、可靠的運行。

關鍵詞：自動氣象站；地溫觀測；單點接地；電磁耦合

1 概述

自動氣象站是一套能實時觀測并存儲氣象數據的自動化氣象探測設備，地溫觀測是其中的一部分。目前，地溫要素觀測主要包括地表溫度、淺層溫度及深層溫度，其中淺層地溫包括距地面5cm、10cm、15cm、20cm深度的土壤溫度，深層地溫包括距地面40cm、80cm、160cm、320cm深度的土壤溫度。

自動站地溫觀測使用PT100鉑絲熱電阻正溫度系數芯片，在實際應用中一般采用四線制方式進行測量，但隨著傳感器的使用，容易導致其性能下降。而在自動氣象站觀測中地溫觀測也是最容易受到人為或外界環境干擾的影響，從而造成地溫數據的不穩定。而近年來，氣候環境惡化，天氣變化復雜，雷電災害也呈上升趨勢。每年因雷電電磁脈沖入侵、臺站的接地技術不良或不規范及鼠蟲害的影響，造成地溫觀測故障頻繁，嚴重影響了地溫要素的正常采集。

2 自動站觀測的干擾因素

2.1 靜電干擾

隨著氣象行業的發展，自動氣象站在業務應用中的地位越來越顯著。由于設備電路的精密程度高，且工作在室外，甚至在惡劣的環境下。而在值班室內，各種金屬、電子、通信設備以及人體都會產生大量的靜電電荷，從而形成靜電電場。這個電場容易引起自動氣象站控制電路的電位發生變化，從而傳導至觀測場內，使傳感器、采集器等設備的數據發生跳變。為保障自動氣象站的安全正常運行，在做好日常維護工作的同時，更要注意自動站接地與電磁屏蔽的重要性。

2.2 共阻抗干擾

這種干擾多發生于自動氣象站觀測場內各氣象探測設備接地不合理的情況，當某一接地點的電位發生變化時，其它設備接地點也隨之發生變化，從而導致電路的不穩定。因此，接地是抑制電磁干擾、提高自動站設備電磁兼容性的重要手段，是整個觀測系統正常工作的基本技術要求之一。正確的接地既能抑制電磁干擾對設備的影響，又能抑制設備向外發射干擾；反之，錯誤的接地會引入共阻抗干擾、地回路干擾等電磁干擾，甚至會使觀測設備無法正常工作。

2.3 電磁干擾

大氣中的高頻電磁波，特別是在雷雨天氣時，容易對觀測場內的設備形成電磁輻射干擾。在自動氣象觀測中，影響觀測數據采集的主要原因是連接各傳感器、電源的線纜之間的電或磁的相互耦合所引起的干擾。因此，需要觀測場內的各探測設備相互兼容。電磁兼容是指氣象觀測設備或系統的一種工作狀態，在這種工作狀態下，它們不會因為內部或彼此間存在的電磁干擾而影響其正常工作。

3 地溫觀測的干擾分析

3.1 直流電源接地的抗干擾

從配電室引入到觀測場值班室內的配電線路接地制式采用的是TN-S接地系統，三根相線與N線和PE線是嚴格分開的。但是從值班室引出到觀測場內的用電線路只采用了一根相線與N線，未使用PE線引出。此時N線也就充當了PEN線，在直流電源輸入端測試的L與PEN線的電壓值為220V，符合直流電源交流電的輸入值。

作者在處理一次地溫的跳變故障時，發現電源輸出端的直流電壓出現了跳變。現場排查故障時發現，主要由于PEN線通過中性線電流時產生了電壓降，從而使所接設備的金屬外殼對地產生了電位。而在帶電位的點與設備金屬外殼可在地內產生雜散電流。從而通過PEN線導致各點對地電位不同，進一步導致采集器、通訊模塊等精密電子儀器因地電位不同引起干擾。

解決因地電位的不同而引起自動站設備運行不正常的方法：通過將直流電源PE線與自動站接地端子相連，并與大地相連，接消除各點間的電位差，使其與所有帶電、不帶電的金屬物件形成等電位。從而消除各點對大地間的電位差，也就阻礙了因電流環境所形成設備間的電磁干擾。

3.2 單點接地地線間的耦合

在日常工作中，地溫數據跳變的主要原因是由于直流供電電源整流、濾波時存在雜波干擾，干擾電壓通過電源接地線與大地零電位點所連通，從而影響到正常的信號傳輸。當電流流過接地線時，會對較為敏感的地溫數據采集系統產生干擾。

由于在接地面中流過電流時，電阻和電感的存在，會使接地面的不同點間存在電位差。對于采集箱內部各設備的接地應該盡量避免形成不必要的地回路，并盡量減輕由于多個電路共用接地阻抗產生的干擾電壓對電路工作的影響。因此，需要將自動站采集箱內連接防雷板、采集器、直流電源的接地視為單點接地，如圖2所示。

采集箱內部設備的接地，通常采用并聯單點接地。也就是將需要接地的電源、采集器、防雷板分別以獨立接地導線直接接到電位基準點，如圖2所示。圖2中，接地點A、B、C的電位分別為UA=I1 R1，UB=I2R2，Uc=I3R3。

采用并聯單點接地時，采集器等設備的地電位只與本電路的地電流及地阻抗有關，不受其他電路的影響，這種接地方式在低頻時能有效地避免各單元間的公共地阻抗干擾。但存在防雷板、電源接地線既多且長，會導致設備體積增大。而且在高頻時，直流電源的地線與相鄰采集器地線間的電感性耦合和電容性耦合會增強，易對地溫數據的采集產生影響。

3.3 地線回路中的電磁干擾

地環路干擾是一種常見的干擾現象，其出現的根本原因是地線上不同接地點的電位差。由于地溫分采與總采之間相隔較遠，所以這種干擾也常常發生在連接于采集器的線纜之間。而整個觀測場采用地網鋪設，所以各級電路不可能都采用單點接地，不同接地點之間的電位差導致了地環路電流的出現。由于電路的不平衡性，地環路電流導致了對地溫觀測數據影響的差模干擾電壓的出現。如圖3所示，由于每根線纜上的電流不同，總采輸入端口之間就會產生干擾。

4 結束語

連接于采集器的地溫傳感器屬于弱電系統，微弱的靜電電流都容易影響數據采集，降低數據質量。因此經常釋放靜電弱電流、各探測設備有效的接地，是地溫數據正常采集的保證。在做好有效接地的前提下，也要做好地溫屏蔽線與其他設備接地線之間的電容性、電感性耦合。為此，地溫線纜所處的電磁環境是否兼容也是十分重要的。自動氣象站的接地、各電路間的電磁兼容對于自動氣象站能否正常運行起著決定先因素。這也對日后自動站的維修、維護工作有著更高的要求。

參考文獻

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作者簡介：孫嘉楠（1988，12-），男，漢族，甘肅靖遠人，本科，助理工程師，寧夏大氣探測技術保障中心，主要研究方向：氣象探測技術。