水文電子儀器及設(shè)備的干擾和抑制分析

余有書

摘? 要：隨著科學(xué)技術(shù)的逐漸完善，人們開始意識到水環(huán)境對生活的影響，水文電子儀器在水文工作中表現(xiàn)出良好的效果。本文簡要分析水文電子儀器及設(shè)備常見的干擾來源，并提出了接地、屏蔽和避讓三方面抑制水文電子儀器及設(shè)備干擾的措施。

關(guān)鍵詞：水文電子儀器? 強(qiáng)電干擾? 電磁干擾

中圖分類號：U28 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）02（a）-0075-02

水文是指自然界中水的變化、運(yùn)動等各種現(xiàn)象，我國近幾年建設(shè)了很多水位站、雨量站等水文站，這些水文站利用水文電子儀器采集水文信息，有效促進(jìn)了水文工作的開展。但是由于水文信息采集和傳輸?shù)沫h(huán)境相對惡劣，影響測量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，下文詳細(xì)分析抑制干擾的手段。

1? 水文電子儀器及設(shè)備干擾的來源

建國70年來，水文事業(yè)隨著國民經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展而不斷發(fā)展，取得了巨大成就。截止目前，我國已建成各類水文站點(diǎn)4萬多處，水文站中的電子儀器常常會受外界干擾，影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.1 分布電容

當(dāng)輸入的有效信號為零，由于分布電容導(dǎo)致水文電子儀器輸入端的干擾電壓超過0.7V時，就會影響儀器的正常工作。電線長度、空氣濕度等環(huán)境干擾都會產(chǎn)生分布電容，而且分布電容帶來的影響不可控制。

1.2 強(qiáng)電干擾

在采集水文信息時，除了必要的水文電子儀器及設(shè)備，還需要一些通訊設(shè)備。通訊設(shè)備中包含了很多集成模塊，這些集成模塊在工作過程中的電壓比較小，所以導(dǎo)致在集成模塊的管腳和地面間產(chǎn)生的分布電容經(jīng)常受到強(qiáng)電干擾。與此同時，信息傳輸線、反饋線與其他信號導(dǎo)線間也會存在大小不同的分布電容，這些電容受到強(qiáng)電干擾影響儀器的正常使用。大多短波電臺的天線都是由兩根平行的反饋線組成，通訊設(shè)備的信號傳感線基本上是由屏蔽線組成，所以很多強(qiáng)電干擾都可以從這些線路進(jìn)入水文電子儀器的輸入端，影響分布電容，甚至?xí)p壞集成模塊。

1.3 電磁干擾

電磁干擾是水文電子儀器常見的干擾來源，水文報(bào)汛站和上游的水電站需要通過電臺進(jìn)行通話，由于電磁干擾影響短波通訊的效果。在水電站內(nèi)的高壓輸電線、發(fā)電機(jī)和變壓器等電力設(shè)備的周圍都會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁場，磁場電動勢的變化生成了感應(yīng)電流。這種雜亂無序的感應(yīng)電流由分布電容引起，通過電線進(jìn)入電臺中，再從電臺揚(yáng)聲器中傳出電流噪音，影響電臺正常的收聽。

2? 抑制水文電子儀器及設(shè)備干擾的主要措施

為了避免干擾，保障水文電子儀器的正常運(yùn)行，水文站會采用對應(yīng)抗干擾措施來抑制干擾。在測量水流流速時經(jīng)常會使用水文流速儀，這種流速儀常常因?yàn)榻佑|絲抖動產(chǎn)生錯誤信號。所以根據(jù)這一情況可以在水文流速儀的輸入電路中安裝抗干擾延時電路，以此避免產(chǎn)生錯誤信號。在水文自動測報(bào)系統(tǒng)中，需要安裝信號線、設(shè)備和電源線等接口的避雷設(shè)備[1]。

2.1 接地

將水文電子儀器及設(shè)備接地的目的主要有兩個，一方面可以將強(qiáng)電干擾和雷電干擾產(chǎn)生的電荷通過接地線引入大地，避免儀器中積累過多電荷影響正常使用。另一方面可以將電測、通訊設(shè)備、水位傳感設(shè)備等水文電子設(shè)備的信號傳輸線和反饋線的屏蔽層接地，可以有效抑制電磁輻射和強(qiáng)電干擾。接地線電阻的大小決定了接地系統(tǒng)的效果，電阻越小，抑制干擾能力越強(qiáng)，但是無法徹底消除接地電阻。

水文電子儀器中的通訊設(shè)備在使用接地電線后，信號發(fā)射效率明顯提高，通訊距離也明顯增加，由此看來接地對水文電子儀器有著積極的影響。目前水文電子通訊設(shè)備有一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地兩種接地方式，根據(jù)信號頻率劃分。一點(diǎn)接地方式適用于頻率在10MHz以下的長波信號傳輸中，而多點(diǎn)接地方式適用于10MHz以上的短波及超短波信號傳輸中，與此同時選用粗銅線或銅帶作為接地導(dǎo)線。此外還要根據(jù)電臺發(fā)射信號的波長確定接地導(dǎo)線的長度，盡可能縮短接地導(dǎo)線的長度。一般水文電子通信設(shè)備的信號發(fā)射頻率為5MHz，它的四分之一波長為15m。當(dāng)接地線的長度恰好為信號波長的奇數(shù)倍時，就會在接地線上產(chǎn)生駐波，這種高駐波會降低水溫電子通訊設(shè)備的信號發(fā)射功率，導(dǎo)致靠地端的另一側(cè)產(chǎn)生對地電壓，影響設(shè)備正常的使用，甚至引發(fā)人身事故。對于車載電臺來說，需要連接電臺地端口和車輛金屬底盤，以便形成一條低電阻的接地線。為了避免雷電干擾還可以采用電阻小于10Ω的均衡地網(wǎng)，并與避雷針牢靠焊接。

因?yàn)槔|道信號傳輸回路是由一個復(fù)雜的傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，所以在設(shè)計(jì)水文纜道時，需要采取相應(yīng)的措施來較小對地電阻，抑制信號干擾，提高抗干擾能力。對于常見的水文纜道，要求接地電阻應(yīng)該小于50Ω，接地電阻包括地極電阻、導(dǎo)線電阻和大地電阻。在纜道接地后，纜道上各節(jié)點(diǎn)和信號線的感應(yīng)干擾可以通過回路釋放，以此減小對纜道信號的影響。常見水文儀器纜道有串并聯(lián)一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的接地方式，因?yàn)樗男畔y量中的雨量和水位量信號變化不明顯，所以單點(diǎn)接地是目前主流的纜道接地方式。

信號線、電源線是水文自動測報(bào)設(shè)備中的主要線路，這些線路也需要接地。在接地之前需要做好屏蔽工作，一般會將屏蔽層連接到設(shè)備附近的接地線上。當(dāng)信號線過長時，應(yīng)該在外層套一根金屬管。對于電源保護(hù)接地線和設(shè)備接地線，應(yīng)該將它們引到中心接地體，接地線的截面面積應(yīng)該大于3mm2。對于水文電子儀器及設(shè)備的保護(hù)接地、工作接地、防雷接地和交流供電系統(tǒng)接地都應(yīng)該采用聯(lián)合接地方式，根據(jù)不同的工作環(huán)境選擇不同大小的接地電阻。

2.2 屏蔽

由于水文電子儀器及設(shè)備的分布電容主要受電磁能干擾影響，所以根據(jù)這一特點(diǎn)可以利用電場屏蔽阻止或衰減干擾信號。在安裝信號引入前，可以使用屏蔽層屏蔽傳輸信號，一般方法是將信號線埋在地下再引入站房。此外，天線和電臺間的信號傳輸線和反饋線需要屏蔽同軸電纜，屏蔽體內(nèi)的導(dǎo)線長度越短越好。運(yùn)用同軸電纜是目前磁場屏蔽中效果最好的抗干擾手段，如果不使用屏蔽線也可以使用雙絞線，既能避免磁性耦合的干擾，又能提高設(shè)備的運(yùn)行效率[2]。

2.3 避讓

接地和屏蔽的方式可能對一些強(qiáng)干擾的效果不好，所以還可以采用避讓的方式，盡量避讓強(qiáng)干擾環(huán)境。在水文電子儀器的天線架設(shè)時，應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離干擾線和高壓線，如果環(huán)境條件不允許，可以架設(shè)定向天線，與此同時還可以更換頻率或者架高天線，以此提高接收信號的強(qiáng)度。此外當(dāng)短波通訊電臺在計(jì)算機(jī)旁邊工作時，計(jì)算機(jī)屏幕發(fā)出的電磁脈沖也會干擾電臺，尤其影響4～7MHz的波段，為了避免計(jì)算機(jī)的影響，電臺需要“避讓”，增大它們的距離。

由于水文電子儀器和設(shè)備往往會設(shè)有天線，所以應(yīng)該做好避雷工作。當(dāng)發(fā)生雷擊時，瞬間電壓可以達(dá)到數(shù)十萬伏，不僅會使儀器損壞或者引起錯誤動作，而且還會嚴(yán)重威脅人身安全，因此水文電子儀器及設(shè)備除了接地和屏蔽之外，還應(yīng)該安裝避雷裝置。一般雷電可能會從信號傳輸反饋線、電源線和信號線引入，所以可以串聯(lián)同軸避雷器和電源避雷器降低雷電的干擾。

3? 結(jié)語

近幾年我國自然災(zāi)害越來越多，水文工作因此得到各級政府高度重視，行業(yè)管理逐步加強(qiáng)。在水文工作中使用水文電子儀器可以實(shí)現(xiàn)對水文信息的精準(zhǔn)測量，但是由于各種干擾，嚴(yán)重影響儀器的正常工作。上文詳細(xì)提出了干擾抑制措施，為未來專家學(xué)者對水文電子儀器的研究提供經(jīng)驗(yàn)參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬雨秋.水文電子儀器及設(shè)備的干擾和抑制[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2009，17（1）：31-32，38.

[2] 陳在成，李軍.水文測站電子儀器的研制及應(yīng)用[J].中國水利，2009（S1）：130-131.