孙嘉楠+黄玉学+胡斌+张婷婷
摘 要：自动气象站是一套能实时观测并存储气象数据的自动化气象探测设备。在实际的运行过程中，容易受到外界各种因素的干扰，从而降低观测质量。文章从直流电源接地、单点接地，以及排除地环回路的干扰等方法入手分析了引起地温观测的各种干扰因素，并提出了相应的解决措施，从而保证自动气象站稳定、可靠的运行。
关键词：自动气象站；地温观测；单点接地；电磁耦合
1 概述
自动气象站是一套能实时观测并存储气象数据的自动化气象探测设备，地温观测是其中的一部分。目前，地温要素观测主要包括地表温度、浅层温度及深层温度，其中浅层地温包括距地面5cm、10cm、15cm、20cm深度的土壤温度，深层地温包括距地面40cm、80cm、160cm、320cm深度的土壤温度。
自动站地温观测使用PT100铂丝热电阻正温度系数芯片，在实际应用中一般采用四线制方式进行测量，但随着传感器的使用，容易导致其性能下降。而在自动气象站观测中地温观测也是最容易受到人为或外界环境干扰的影响，从而造成地温数据的不稳定。而近年来，气候环境恶化，天气变化复杂，雷电灾害也呈上升趋势。每年因雷电电磁脉冲入侵、台站的接地技术不良或不规范及鼠虫害的影响，造成地温观测故障频繁，严重影响了地温要素的正常采集。
2 自动站观测的干扰因素
2.1 静电干扰
随着气象行业的发展，自动气象站在业务应用中的地位越来越显著。由于设备电路的精密程度高，且工作在室外，甚至在恶劣的环境下。而在值班室内，各种金属、电子、通信设备以及人体都会产生大量的静电电荷，从而形成静电电场。这个电场容易引起自动气象站控制电路的电位发生变化，从而传导至观测场内，使传感器、采集器等设备的数据发生跳变。为保障自动气象站的安全正常运行，在做好日常维护工作的同时，更要注意自动站接地与电磁屏蔽的重要性。
2.2 共阻抗干扰
这种干扰多发生于自动气象站观测场内各气象探测设备接地不合理的情况，当某一接地点的电位发生变化时，其它设备接地点也随之发生变化，从而导致电路的不稳定。因此，接地是抑制电磁干扰、提高自动站设备电磁兼容性的重要手段，是整个观测系统正常工作的基本技术要求之一。正确的接地既能抑制电磁干扰对设备的影响，又能抑制设备向外发射干扰；反之，错误的接地会引入共阻抗干扰、地回路干扰等电磁干扰，甚至会使观测设备无法正常工作。
2.3 电磁干扰
大气中的高频电磁波，特别是在雷雨天气时，容易对观测场内的设备形成电磁辐射干扰。在自动气象观测中，影响观测数据采集的主要原因是连接各传感器、电源的线缆之间的电或磁的相互耦合所引起的干扰。因此，需要观测场内的各探测设备相互兼容。电磁兼容是指气象观测设备或系统的一种工作状态，在这种工作状态下，它们不会因为内部或彼此间存在的电磁干扰而影响其正常工作。
3 地温观测的干扰分析
3.1 直流电源接地的抗干扰
从配电室引入到观测场值班室内的配电线路接地制式采用的是TN-S接地系统，三根相线与N线和PE线是严格分开的。但是从值班室引出到观测场内的用电线路只采用了一根相线与N线，未使用PE线引出。此时N线也就充当了PEN线，在直流电源输入端测试的L与PEN线的电压值为220V，符合直流电源交流电的输入值。
作者在处理一次地温的跳变故障时，发现电源输出端的直流电压出现了跳变。现场排查故障时发现，主要由于PEN线通过中性线电流时产生了电压降，从而使所接设备的金属外壳对地产生了电位。而在带电位的点与设备金属外壳可在地内产生杂散电流。从而通过PEN线导致各点对地电位不同，进一步导致采集器、通讯模块等精密电子仪器因地电位不同引起干扰。
解决因地电位的不同而引起自动站设备运行不正常的方法：通过将直流电源PE线与自动站接地端子相连，并与大地相连，接消除各点间的电位差，使其与所有带电、不带电的金属物件形成等电位。从而消除各点对大地间的电位差，也就阻碍了因电流环境所形成设备间的电磁干扰。
3.2 单点接地地线间的耦合
在日常工作中，地温数据跳变的主要原因是由于直流供电电源整流、滤波时存在杂波干扰，干扰电压通过电源接地线与大地零电位点所连通，从而影响到正常的信号传输。当电流流过接地线时，会对较为敏感的地温数据采集系统产生干扰。
由于在接地面中流过电流时，电阻和电感的存在，会使接地面的不同点间存在电位差。对于采集箱内部各设备的接地应该尽量避免形成不必要的地回路，并尽量减轻由于多个电路共用接地阻抗产生的干扰电压对电路工作的影响。因此，需要将自动站采集箱内连接防雷板、采集器、直流电源的接地视为单点接地，如图2所示。
采集箱内部设备的接地，通常采用并联单点接地。也就是将需要接地的电源、采集器、防雷板分别以独立接地导线直接接到电位基准点，如图2所示。图2中，接地点A、B、C的电位分别为UA=I1 R1，UB=I2R2，Uc=I3R3。
采用并联单点接地时，采集器等设备的地电位只与本电路的地电流及地阻抗有关，不受其他电路的影响，这种接地方式在低频时能有效地避免各单元间的公共地阻抗干扰。但存在防雷板、电源接地线既多且长，会导致设备体积增大。而且在高频时，直流电源的地线与相邻采集器地线间的电感性耦合和电容性耦合会增强，易对地温数据的采集产生影响。
3.3 地线回路中的电磁干扰
地环路干扰是一种常见的干扰现象，其出现的根本原因是地线上不同接地点的电位差。由于地温分采与总采之间相隔较远，所以这种干扰也常常发生在连接于采集器的线缆之间。而整个观测场采用地网铺设，所以各级电路不可能都采用单点接地，不同接地点之间的电位差导致了地环路电流的出现。由于电路的不平衡性，地环路电流导致了对地温观测数据影响的差模干扰电压的出现。如图3所示，由于每根线缆上的电流不同，总采输入端口之间就会产生干扰。
4 结束语
连接于采集器的地温传感器属于弱电系统，微弱的静电电流都容易影响数据采集，降低数据质量。因此经常释放静电弱电流、各探测设备有效的接地，是地温数据正常采集的保证。在做好有效接地的前提下，也要做好地温屏蔽线与其他设备接地线之间的电容性、电感性耦合。为此，地温线缆所处的电磁环境是否兼容也是十分重要的。自动气象站的接地、各电路间的电磁兼容对于自动气象站能否正常运行起着决定先因素。这也对日后自动站的维修、维护工作有着更高的要求。
参考文献
[1]林昌福，李化.电磁兼容原理及应用[M].机械工业出版社，2009（4）.
[2]张继光.自动气象站的防雷与接地技术[J].电子科技，2011，24（6）.
[3]尹海燕，刘文琛，陈凤娟.防雷接地对自动气象站地温数据的影响[J].气象应用与研究，2014，35.
作者简介：孙嘉楠（1988，12-），男，汉族，甘肃靖远人，本科，助理工程师，宁夏大气探测技术保障中心，主要研究方向：气象探测技术。
