水资源监测设备抗干扰问题浅析

庄 冬

（安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 水利水资源安徽省重点实验室 合肥 230000）

随着水利信息化的发展，人工抄表模式已经不能满足水资源的现代化管理要求，因此水资源取用水量远程监测系统应运而生。水资源取用水量远程监测系统的应用既降低了水资源管理成本，又实现了水资源取用水数据的实时监测。在水资源取用水量远程监测系统建设过程中不可避免的遇到电磁干扰问题。为解决取用水量远程监测系统电磁干扰问题，首先应分析电磁干扰的产生原因、特性等；然后针对电磁干扰的干扰源、传播途径等采取有效的预防措施；最后根据实验前后的通讯状态对比得出抗干扰有效性强弱的结论。电磁干扰问题的解决是要保障正常信号的传递和接收，来规避信号的损失。

1 干扰分析

在水资源取用水量远程监测系统建设过程中，经常发现水资源监测设备出现数据采集错误、数据传输丢失、数据传输中断等现象。经技术排查发现，水资源监测设备的异常是取水现场的变频设备造成的。

在明确了干扰源后，通过实验分析干扰源对水资源监测设备产生的干扰。（1）将水资源监测设备靠近干扰源但切断一切外部连接线，采用电池临时供电，观察干扰源对水资源监测设备的干扰情况；（2）将水资源监测设备尽量远离干扰源但保留两者之间的连接线；（3）将水资源监测设备靠近干扰源并与之保持着有线连接。实验结果：当水资源监测设备既靠近干扰源又与其保持有线连接时，干扰最强烈；当水资源监测设备连接干扰源但相距较远或者水资源监测设备和干扰源完全断开有线连接时，信号干扰都会减弱。

综合以上分析得到干扰源的电磁干扰通过两种途径进行传播：其一，通过导体连接到现场水资源监测设备造成干扰；其二，通过空间辐射对现场水资源监测设备造成干扰。干扰途径示意图如图1 所示。

图1 干扰途径示意图

1.1 传导干扰

传导干扰就是干扰源以导电体为媒介对其他电子产品或设备产生的信号干扰。干扰源通过导线或者导电介质直接或者间接与水资源监测设备相连而产生的干扰。分析水资源监测设备的外部连接线可以判断，有线干扰来源主要水资源监测设备需现场提供220V 交流电，因此会不可避免的通过供电线路与干扰源相连。干扰源所产生的干扰信号能量以电流或电压的形式在电路中传导，通过金属导线耦合至水资源监测设备。水资源监测设备与流量计之间通讯往往被转换成微弱的低电平电压信号，受到传导干扰后导致数据紊乱不能使用。

1.2 辐射干扰

辐射干扰即干扰源以空间耦合的方式将其产生的干扰信号传导给其他电子产品或设备并对其产生强烈的信号干扰。变频器在运行过程中会产生谐波并对靠近的系统或仪表产生干扰，干扰造成计量仪表与水资源监测设备的通讯出现异常。为发现变频器的辐射干扰强度与距离远近的关系，将水资源监测设备分别放置在与变频器不同的距离然后监听水资源监测设备的通讯状态。为分析变频器的辐射干扰强度与距离的关系，通过控制变量法实验。用同一台变频器并关闭附近其他电子设备保证辐射强度不变。被干扰设备采用电池供电，防止有线干扰影响实验结果。实验时，开启变频器分别将被干扰设备放置在距离变频器1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m 的地方，然后监听并记录被干扰设备的通讯状态。实验发现当被干扰设备距离变频器1m、2m、3m的时候，通讯被阻断并不断地接收“FF”的乱码；当被干扰设备距离变频器4m、5m、6m 的时候，发送要数命令可以接收到正确的回数命令但仍能接收到“FF”的乱码，随着距离变远收到乱码“FF”的频率在降低；当被干扰设备距离变频器7m甚至更远时，发送要数命令可以收到正确的回数命令且无乱码。通过监听状态来判断，水资源监测设备距离变频器越近，其受到变频器的辐射干扰越强，甚至不能正常通讯且监听到数据全部为乱码。

2 解决方案

2.1 干扰原理分析

电磁干扰信号因电磁感应在水资源监测设备的回路中产生感应电压，进而影响水资源监测设备电路的正常工作。电磁干扰的三个要素：干扰信号源、干扰途径、干扰对象。如果要削弱干扰可通过三方面进行：抑制和消除电磁干扰信号源、切断电磁干扰途径、保护电磁干扰对象。从抗电磁干扰手段上说可分为软件、硬件两方面。常见的软件抗干扰技术包括：数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术及软件陷阱技术等。硬件抗干扰技术包括：干扰隔离、滤波处理、干扰屏蔽等方法。基于简单高效解决电磁干扰问题的目的，本文主要研究硬件抗干扰技术，分析各硬件抗干扰技术手段解决电磁干扰问题的优缺点，最终得出一套简单有效的电磁干扰解决方案。

2.2 解决干扰的具体措施

在取水监测站点实施前仔细观察现场环境，尽量避免与变频器此类干扰源共用电网。取水水资源监测设备应尽可能远离干扰源的位置安装，线路的接线位置与走向应尽量与变频器的输入、输出线保持较远距离，避免现场的强电磁场。如果可以将变频器的载波频率调低到一个外界电子设备可以接收的范围，就可以消除干扰。如果上述方法不能奏效或不能实现，那么只能通过硬件的抗干扰措施解决。

2.2.1 干扰隔离

干扰隔离是将电磁干扰信号源与易受电磁干扰的电子设备隔离开，使其不直接发生电的联系。常见的隔离器件有隔离变压器和光电隔离模块。隔离变压器就是利用变压器把数字电路信号与模拟电路信号隔离开，切断了串模干扰通过连线进入水资源监测设备电路的途径。光电隔离模块主要作用在信号传输线路中，其输入输出间寄生电容很小，绝缘电阻很大，因此电磁干扰信号很难通过它传入水资源监测设备电路。另外，可以采用物理隔离的方式：（1）从空间上远离干扰源，距离越远干扰衰减越大；（2）不同线缆单独走线布置线槽，避免相互间的电磁感应干扰。

2.2.2 滤波处理

如果传导干扰较强，可以在通讯回路中串联滤波器。滤波电路对低频的通讯信号的通过率较高，对尖峰脉冲、瞬变脉冲等高频具有较强的滤除效果，可以有效地削弱或隔绝传导干扰。通过滤波电路对电路中干扰信号的过滤可以很大程度地减小干扰源对水资源监测设备的影响，从而保证数据采集的准确性以及通讯传输的稳定性。

2.2.3 干扰屏蔽

屏蔽主要应对辐射干扰，将干扰源的电磁场与水资源监测设备隔离开。金属对入射电磁波具有反射损耗和吸收损耗的特性，电磁波到达金属屏蔽体表面，一部分透入屏蔽体内部，一部分被金属屏蔽体反射，透入电磁屏蔽体的电磁波，在金属屏蔽体内产生感应涡流，干扰功率被损耗。为减少来自外界干扰源的辐射干扰，水资源监测设备集成到一个机箱内，机箱采用不锈钢材质。同理，数据采集连线采用双绞屏蔽线缆并用钢管保护。

2.2.4 结论

经过各种抗电磁干扰方法的对比分析得出如下结论：当取水监测现场的干扰强度较低时，最经济有效的手段是远离干扰源同时采用导磁导电性良好的金属做防护箱对水资源监测设备进行防护；当取水监测现场电磁环境复杂干扰强度较高时，需从有线干扰和无线干扰两方面排查切断干扰传播途径。有线干扰排查电源线，通过加装隔离变压器或低通滤波器加以隔离处理，无线干扰通过导磁导电金属分别对干扰源和水资源监测设备进行包裹，双重隔离。

3 结语

随着水利行业的不断发展，水利信息化的进程不断加快。为更好地服务水利、方便管理，各种电子通讯设备在水利行业的应用将逐渐增多。然而各种电子通讯设备大都存在着干扰问题，这就需要规范安装、加强防护措施、增强抗干扰的意识、避免相互干扰。本文以安徽省水资源取水监测站点建设过程中遇到的电磁干扰问题为案例进行问题分析，提出了具体有效的抗干扰措施，可供类似的电磁干扰问题解决提供参考■