大气负离子自动观测系统

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1、大气负离子自动观测系统功能需求书大气负离子自动观测系统功能需求书中国气象局综合观测司2012年2月目 录1.概述42.总体要求53.组成结构63.1.传感器63.2.采集器73.3.外围设备73.4.软件部分83.4.1采集软件83.4.2业务软件84.功能要求84.1.采集器84.1.1.数据处理功能8初始化8数据采集8数据处理9数据存储9数据传输94.1.2.控制功能9监控功能9数据下载功能9报警功能104.2.外围设备104.2.1电 源104.2.2通信接口104.2.3上位机104.3.软件114.3.1.采集软件114.3.2.业务软件114.3.3.数据格式115.主要技术要求1

2、15.1.主要性能参数115.2.传感器125.2.1.测量要素125.2.2.物理参数125.2.3.离子传感器可装卸要求125.2.4.离子传感器防异物要求125.3.采集器135.3.1.微处理器135.3.2.测量时长和采样频率135.3.3.平均方法135.4.软件数据质量控制135.4.1.异常数据的剔除135.4.2.异常数据的处理135.4.3.异常数据判断阈值146.其它一般性要求146.1.安全要求146.1.1.标记146.1.2.结构安全146.1.3.电气安全146.1.4.防雷要求156.2.结构和外观要求156.2.1传感器形状要求156.2.2外机箱防风要求15

3、6.2.3机械结构要求156.2.4材料要求166.3.工作适应性要求166.3.1.环境适应性166.3.2.结露保护要求166.3.3.可靠性要求167.强制检测要求177.1.全自动观测和传输检测177.2.高湿环境工况检测177.3.结露保护检测177.4.离子迁移率检测177.5.传感器稳定性检测177.6.负离子测量浓度值准确性检测18附件 数据格式18实时数据传输文件名18正点数据文件（IF文件）18加密数据文件（ID文件）19台站信息文件（IC文件）20设备状态信息文件（IS文件）211. 概述本功能需求书适用于“电容式吸入法”原理的大气负离子自动观测系统。本功能需求书提出大气

4、负离子自动观测系统的基本功能、技术性能、技术参数与主要测试要求。大气负离子自动观测系统主要用于测量空气中特定负离子浓度值，特别是对人体有益的小粒径负离子浓度值；还可以检测空气中的小粒径正离子浓度值。通过测量离子迁移率（用K表示，单位：cm2/(Vsec)），可以计算得到空气中的负离子浓度值。在同一电场强度下，离子粒径越大运动速度越慢，粒径越小运动速度越快，因此，K值与粒径大小成反比，即离子迁移率K值越大，表示离子粒径越小；K值越小，表示离子粒径越大。用离子迁移率K表示离子运行速度的快慢程度,也就表示了离子粒径的大小。研究表明，在离子迁移率K0.4时，所测得的负离子绝大部分是以氧分子吸附的负离子

5、为主的小粒径离子，即俗称的“负氧离子”。当离子迁移率K=0.4时，实际上涵盖了K0.4所测得的所有小粒径负离子浓度值。因此，本功能需求书中规定的小粒径负离子基本测量的离子迁移率K=0.4.本功能需求书制订过程中参考了GB/T 18809-2002空气离子测量仪通用规范，同时结合气象部门的业务和服务要求，对观测系统提出了需求。大气负离子自动观测系统的研制、考核、生产必须遵守本功能需求书。本功能需求书的解释权、修改权属于中国气象局综合观测司。2. 总体要求大气负离子自动观测系统采集空气中特定负离子并计算其浓度值，能长期、自动、连续、全天候监测大气负离子浓度变化，适应环境气象观测的业务需求，满足观测

6、数据的高精度和高稳定性要求。它需具备高可靠性、高准确性、易维护、易备份等特点。大气负离子自动观测系统应满足以下要求：（1） 应能全天候、全地域自动正常运行；（2） 应能在高温、低温、高湿环境下正常运行；（3） 应具备防外界风、结露保护等性能；（4） 应采用模块化结构设计，便于扩展、更换部件及维护维修；（5） 具备观测要素、通信方式等的扩展功能；（6） 应满足互换性要求，包括传感器的互换、采集器的互换、外部设备的互换、电缆和接插件的互换等；（7） 大气负离子自动观测系统的某部件以同一种类的另一部件替换后，不应降低原有性能；（8） 整体构件和电气性能都应具备防雷等安全要求；（9） 应具备设备运行状

7、态监控及报警功能以及其他等功能。3. 组成结构大气负离子自动观测系统由硬件和软件两部分组成，其中硬件部分包括传感器、采集器和外围设备，软件包括采集器中的嵌入式软件和业务应用软件。图1 组成结构示意3.1. 传感器大气负离子自动观测系统采用“电容式吸入法”原理进行负离子检测，测量空气中的负离子浓度值。在离子传感器（或称采集桶、采集筒）的极化板（或称偏压板）上加载定量的极化电压，再让被测空气按设定速度匀速通过传感器。空气中特定的小粒径负离子在电场的作用下发生偏转，被采集板所捕获。采集到的负离子负电荷量经过采集器的处理，即可计算出负离子的电荷浓度值。“电容式吸入法”负离子检测装置的原理示意见图2。注

8、：图中d为板间间隙，L为极板长度，V为抽气速率，U为极化电压，K为对应基本测量的离子迁移率。图2 电容式吸入法原理示意图本功能需求书参照GB/T 18809-2002空气离子测量仪通用规范中的标准结构和物理参数进行设计。离子传感器的形状为圆筒形或长方体形。3.2. 采集器采集器是大气负离子自动观测系统的核心，由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高精度电信号放大器（电荷放大器）、高性能微处理器、高精度的 A/D 电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序和数据存储器、传感器接口、数据接口、监测电路、指示灯等。3.3. 外围设备外围设备部分主要包括电源、通信接口、上位机等。3.4. 软件部分33.13.

9、23.31233.13.23.33.43.4.1 采集软件采集器中运行的软件称采集软件，由嵌入式操作系统和功能软件组成。3.4.2 业务软件业务软件是安装在大气负离子自动观测系统上位机中的应用软件。4. 功能要求4.1. 采集器 采集器主要有两大功能：（1）数据处理功能。完成数据采样、计算处理、质量控制、记录存储等功能，实现数据通信和传输，与终端或远程数据中心进行交互。（2）控制功能。包括网络、运行、配置、时钟等控制。4.1.1. 数据处理功能初始化通过终端，输入或修改嵌入式软件必要的参数，如测站的地理位置、海拔、时间、传感器等方面的参数等。部分初始化则可在故障引起系统运行临时中断时，自动恢复

10、其正常运行而不丢失任何存储资料。数据采集（1） 对传感器按预定的采样频率进行采样；（2） 对负离子变量测量值进行转换，使传感器输出的电信号转换成单位量，得到采样瞬时值；（3） 对采样瞬时值，根据规定的算法（见5.3.2.），计算出负离子浓度值。数据处理（1） 导出负离子观测需要的瞬时值；（2） 由采集器生成采样瞬时值数据、平均值数据和监控数据，并写入数据存储器。数据存储（1） 采集器存储正点1小时及正10分钟的负离子、正离子浓度值；（2） 数据存储可以使用循环式存储器结构，即允许最新的数据覆盖旧数据；（3） 采集器内部的数据存储器容量应留有足够余量；（4） 采集器内部的数据存贮器应具备掉电保存

11、功能。数据传输大气负离子自动观测系统应有通过接口支持数据通信的功能，把数据传输到上位机。大气负离子自动观测系统应具备通过无线网络或有线网络方式进行数据远程传输的功能。根据响应方式的不同，数据传输应同时具有以下两种方式：（1） 在系统控制下的传输，即大气负离子自动观测系统正常运行时的自动传输；（2） 响应终端命令的传输，即人工操作下的传输，通常由上位机发出指令，主动调取报文。4.1.2. 控制功能控制功能为上位机对采集器进行控制的功能，采集器实现对各种参数的传递和设置，从采集器读取各种数据和下载各种文件。按照操作功能性质的不同，分为监控功能、数据下载功能和报警功能。监控功能监控功能应包括以下内容

12、：（1） 设置或读取数据采集器的基本信息、通讯参数；（2） 设置或读取数据采集器的时间、日期；（3） 设置或读取观测站的区站号、纬度、经度、海拔等。数据下载功能数据下载功能应包括以下内容：（1） 下载正点1小时标准测量数据和正10分钟加密测量数据；（2） 下载其他数据文件。报警功能报警功能应包括以下内容：（1） 蓄电池电压等出现异常或故障时的标识或报警；（2） 通信中断后，上位机应有标识或报警；（3） 数据测量值出现异常时应有标识或报警。4.2. 外围设备44.14.212344.14.24.2.1 电 源电源应包括：（1） 大气负离子自动观测系统的供电电压为直流 12V或24V；（2） 在有

13、市电的地方，一般优选市电作为主电源；（3） 可选用其他供电方式，如太阳能、风能供电等。其他电源的储能供电时间不小于72小时；（4） 在断电的情况下主机内蓄电池供电时间不小于2小时。4.2.2 通信接口通信接口应包括：（1） 采集器应配置RS232或RS485接口，以支持本地通信、现场测试和软件升级；（2） 配置RS232接口，挂接GPRS/CDMA通信模块，以支持远程无线通信；（3） 配置支持TCP/IP协议的以太网接口（RJ45），以接入本地局域网，用于现场诊断维护和数据有线传输等。4.2.3 上位机即服务器或PC机，运行业务软件实现对采集器的监控、数据处理和存储，按照业务规范完成观测业务。

14、4.3. 软件4.3.1. 采集软件主要功能包括：（1） 实现基本的数据采集、数据处理、数据存储和数据传输功能；（2） 实现稳定可靠的自动通信连接，包括心跳消息检测等；（3） 内部存储器存储数据文件、参数文件、配置文件、日志文件等。4.3.2. 业务软件业务软件主要用于数据处理、显示和生成观测产品等，主要功能包括：（1） 实现对采集器参数设置、数据采集、各种报警和运行监控；（2） 实现数据的实时上传、入库；（3） 从采集器读取数据或数据文件形成规定的采集数据文件；（4） 实现对采集数据文件内容的查询、检索；（5） 生成基本分析加工产品；（6） 构建Web实时展示平台，实现数据的实时网络展示等功

15、能。4.3.3. 数据格式数据格式采用规定的格式（见附件），包括ASCII文本存储，以及支持其转换为需要的数据库格式和Excel格式的功能。5. 主要技术要求5.1. 主要性能参数大气负离子自动观测系统主要性能参数如下：（1） 测量要素：小粒径负离子；（2） 测量范围：（低浓度）1019.999104（个/cm3 ）（高浓度）1059.999108（个/cm3 ）；（3） 离子迁移率：K=0.4（cm2 /（Vsec）5%；（4） 最小分辨率：10 (个/cm3)；（5） 测量误差：10%（大于最小分辨率）；（6） 测量时间间隔：（标准）正点1小时（加密）正10分钟。5.2. 传感器5.2.1

16、. 测量要素大气负离子自动观测系统主要测量小粒径负离子浓度值。本功能需求书中的测量要素为：（1） 基本要素： 离子迁移率K=0.4的小粒径负离子；（2） 扩展要素： 离子迁移率K=0.4的小粒径正离子；离子迁移率K=1.0的小粒径负离子；离子迁移率K=1.0的小粒径正离子。5.2.2. 离子传感器可装卸要求为了保证负离子检测的连续性和维护维修的简单化，离子传感器与主机必须具有可分离、组合的结构，以便能方便的装卸和更换传感器。5.2.3. 离子传感器防异物要求由于离子传感器的高度敏感性，对进入异物的防范有较高的要求，要采取各种办法进行预防，如增加防虫网罩、自动风门等，以减少设备维护的频次。异物包

17、括昆虫、小动物、蜘蛛丝、油性污染物、漂浮性杂物等。5.3. 采集器5.3.1. 微处理器采集器的微处理器的选取应满足下列要求：（1） A/D 转换电路须16 位以上；（2） 实时时钟应能保证误差 15 s/月；（3） 数据存储器应为512KB以上；（4） RAM 应满足嵌入式软件的运行；（5） 采用实时时钟，在产品寿命期内不会因供电中断而造成走时误差；（6） 要求标准测量流程的数据有效存储时间90天。5.3.2. 测量时长和采样频率测量时长是指每个要素从调零完成后开始测量到测量结束的时间。为了保证测量的稳定性和准确性，要有足够的测量时长。每要素测量时长为96秒。采样频率是指在测量时长内对空气进

18、行采集取样的次数。采样频率为10次/分钟。5.3.3. 平均方法由于负离子测量的特殊性，一般测量时长在30秒以后数据才能稳定测量，故取后半部分的测量值做平均。取测量的最后6次测量值，去掉最大和最小值，剩余4次做平均，即为当次观测值。5.4. 软件数据质量控制5.4.1. 异常数据的剔除上位机软件应具有异常数据的判断和剔除功能，并在负离子设备状态信息文件中进行记录。5.4.2. 异常数据的处理上位机软件应具有异常数据的处理功能。可采用外延的算法进行异常数据处理，具体算法为：y=ax+b说明：取前面的有效测值作线性外延。5.4.3. 异常数据判断阈值要求上位机软件具有异常数据判断的阈值控制。可采用

19、正常值的倍数来设置：判断阈值=正常值倍数说明：a) 正常值为异常数据出现前的有效测值平均；b) 根据当地长期观测数据进行设置倍数，倍数=0.19.9.6. 其它一般性要求6.1. 安全要求6.1.1. 标记（1） 产品标识；（2） 电源标识；（3） 熔断器标识；（4） 电源开关标识；（5） 电击危险标识；（6） 符合有关行业和国家标准要求的其他标记。6.1.2. 结构安全大气负离子自动观测系统的机箱结构上的棱缘或拐角应是倒圆和磨光。用作电气连接或其他连接的螺钉连接件，如果其松脱或损坏会影响安全，所以应能承受正常使用时的机械压力。6.1.3. 电气安全（1） 防电击危险机箱内带危险电压的导电部件

20、都应有防护措施，足以避免操作人员可能用手或一般维修工具直接接触。（2） 保护接地措施大气负离子自动观测系统各独立部件和传感器都应有保护接地措施。接地端子或接地接触件与需要接地的零部件之间的连接电阻不应超过0.1。（3） 过流保护使用市电位主电源的大气负离子自动观测系统，必须对一次电路设置过流保护装置。大气负离子自动观测系统内的蓄电池如果是锂电池或类似电池的，如果因电池极性接反以及强制充电或放电可能导致危险，所以在设计上应有防止极性接反以及防止强制充放电的措施。6.1.4. 防雷要求（1） 一般要求应具备防直接雷击和防雷击电磁脉冲的措施，防雷安全要求和设计应符合行业标准的要求。一般要求具有二级防

21、雷措施。（2） 直接雷击的防护措施大气负离子自动观测系统的传感器、采集器、供电系统、无线通讯的天线等，应处在接闪器的保护范围内。引下线和金属杆接到地网上。防直击雷的冲击接地电阻应不大于4。（3） 屏蔽措施传感器的信号线应采用屏蔽电缆。电缆的屏蔽层和金属管下端应接到地网上。大气负离子自动观测系统到室内的电缆线应敷设在电缆沟内。6.2. 结构和外观要求1234566.16.26.2.1 传感器形状要求为了提高测量精度，离子传感器的形状应选用圆柱形采集板、极化（偏压）板和圆柱形外壳，以保证与风扇产生的风场相吻合，达到最佳测量精度。6.2.2 外机箱防风要求外机箱采用对称性防风结构，确保外界风力对传感

22、器的影响接近零，测量免受外界风的干扰，提高测量精度。6.2.3 机械结构要求机械结构应利于装配、调试、检验、包装、运输、安装、维护等工作，更换部件时简便易行。应有足够的机械强度。6.2.4 材料要求（1） 应选用耐老化、抗腐蚀、具有良好的电气绝缘性能的材料；（2） 外表面应采取一定的防辐射措施，以避免辐射升温过高，影响设备正常的观测与运行；（3） 各类外壳、零部件，除用耐腐蚀材料制造的外，其表面应有涂、敷、镀等工艺措施，以保证其耐潮、防霉、防盐腐蚀、防光辐射等的性能。需要涂敷的外壳和零件，表面涂、敷、镀层应均匀，覆盖面达100%.6.3. 工作适应性要求6.3.1. 环境适应性设备应在以下各种

23、环境下均能正常工作，不会引起设备损坏。（1） 使用环境气温：3070 ；相对湿度：0100RH；大气压力：4501060 hpa；太阳辐射：1120 w/m2；抗风能力：75 m/s；降水强度：6 mm/min。（2） 生物环境采取适当的措施防止昆虫、动物等的影响，如蜘蛛网、鼠咬、蚁啃等。6.3.2. 结露保护要求设备应具备结露保护功能，即在出现结露、大雾、短路、导电等情况时，负离子检测设备或电信号放大器能自动进入保护状态，待情况解除后自动恢复正常工作。6.3.3. 可靠性要求平均无故障工作时间（MTBF）大于2500hr.7. 强制检测要求为了保证设备能够开展野外观测，本功能需求书中的大气负

24、离子自动观测系统必须进行以下强制检测项目。7.1. 全自动观测和传输检测由于大气负离子自动观测系统必须长期在野外无人值守工作，从数据采集、传输到控制均要实现全自动正常工作。7.2. 高湿环境工况检测为了适应全天候、全地域的工作要求，本功能需求书中的大气负离子自动观测系统必须在0100%RH的湿度环境下均能长期正常工作。因此必须进行高湿检测。7.3. 结露保护检测为了保证大气负离子自动观测系统能在野外正常工作，防止离子传感器因结露、空气导电等因素而导致传感器损坏、电信号放大器击穿等情况的发生，必须进行结露保护功能检测。7.4. 离子迁移率检测参考国标GB/T 18809-2002的要求，必须对大

25、气负离子自动观测系统的离子迁移率K值进行检测，满足离子迁移率K=0.4（cm2 /（Vsec）.7.5. 传感器稳定性检测为了保证传感器内的测量对象与外界尽量保持一致，要求对以下参数进行测量：（1） 气压差要求传感器内外不能出现明显的气压差。要求气压差值1hPa.（2） 外界风影响风速外界风速对测值的影响很大，因此大气负离子自动观测系统应该具有良好的防外界风性能。要求外界风影响风速0.5m/s.7.6. 负离子测量浓度值准确性检测对大气负离子自动观测系统的负离子测量浓度值的准确性、合理性以及可测浓度范围等进行检测。与参考标准进行对比误差10%（大于最小分辨率）。附件 数据格式实时数据传输文件名

26、文件文件名正点负离子数据文件IFIIiii- YYYYMMDDHH.TXT加密负离子数据文件IDIIiii-YYYYMMDDHHmm. TXT负离子台站信息文件ICIIiii-YYYYMMDDHH. TXT负离子状态信息文件ISIIiii-YYYYMMDDHH. TXT注释：a)文件中IF,ID,IC,IS为指示符，I代表离子；IIiii为区站号;YYYY表示年份，4位；MM表示月份，2位，位数不足高位补零；DD表示日，2位，位数不足高位补零；HH表示小时，2位，位数不足高位补零；mm表示分钟，2位，位数不足高位补零。b)YYYYMMDDHHmm表示文件生成的时间。c)日文件和月文件可以通过以

27、上实时文件生成。正点数据文件（IF文件）正点数据文件（文件名中IF为指示符，IIiii为区站号，YYYY表示年份，4位；MM表示月份，2位，位数不足高位补零；DD表示日，2位，位数不足高位补零；HH表示小时，2位，位数不足高位补零；），记录为6个要素的正点值，共存储31字节，记录尾用回车换行结束，ASCII字符存盘。每个要素高位不足补空格。文件中的时间按北京时确定。排列顺序及长度分配如下表：序号要素名长度说明1时间4字节日、时（北京时）2正点负离子15字节正点K=0.4负离子值。末位为倍数：1=101，5=105.3正点负离子25字节正点K=1.0负离子值。末位为倍数：1=101，5=105.

28、4正点正离子15字节正点K=0.4正离子值。末位为倍数：1=101，5=105.5正点正离子25字节正点K=1.0正离子值。末位为倍数：1=101，5=105.6气温4字节正点空气温度值7相对湿度3字节正点相对湿度值注释：a)K为离子迁移率；离子值记录单位10个/cm3;b)温度记录单位0.1，扩大10倍。首位为符号位，正为“0”，负为“-”；c)相对湿度记录单位1%，原值；d)电压记录单位0.1V，扩大10倍。e)存储各要素值不含小数点；f)每个要素位数不足，高位补空格；g)缺测或无记录，按约定字长，每个字节位补入一个“/”字符。加密数据文件（ID文件）每个加密时段一个加密数据文件（文件名中

29、ID为指示符，mm为时间分钟，其余同正点负离子数据文件），数据按右对齐排列，每个要素高位不足补空格。记录为4个要素的正点值，共存储23个字节，各记录尾用回车换行结束，ASCII字符存盘。文件中的时间按北京时确定。排列顺序及长度分配如下表： 序号要素名长度说明1时间6字节日、时、分（北京时）210分钟负离子5字节正点10分钟K=0.4负离子值。末位为倍数：1=101，5=105.310分钟正离子5字节正点10分钟K=0.4正离子值。末位为倍数：1=101，5=105.410分钟气温4字节正点10分钟空气温度值510分钟相对湿度3字节正点10分钟相对湿度值注释：同正点数据文件。台站信息文件（IC文

30、件）台站信息文件（文件名中ID为指示符，其余同正点负离子数据文件）为本站基本参数，包括区站号、年、月、经度、纬度、观测场拔海高度、传感器拔海高度和观测方式共八组，每组数据定长为5个字节，存储共40个字节，各记录尾用回车换行结束，ASCII字符存盘。每个要素高位不足补空格。文件中的时间按北京时确定。存储规定：经度和纬度的分保留两位，高位不足补“0”。拔海高度、传感器拔海高度都保留一位小数，扩大10倍存入。观测方式：人工为0，自动为1，高位不足补“0”。排列顺序及长度分配如下表：序号内容长度说明1区站号5字节IIiii2年5字节0XXXX3月5字节000XX4经度5字节XXXXX5纬度5字节0XX

31、XX6观测场拔海高度5字节XXXXX7传感器拔海高度5字节XXXXX8观测方式5字节0000X注释：X代表数据字节。其他同正点数据文件。 设备状态信息文件（IS文件）设备状态信息文件（文件名中IS为指示符，其余同正点负离子数据文件）。存储共19个字节，各记录尾用回车换行结束，ASCII字符存盘。每个要素高位不足补空格文件中的时间按北京时确定。排列顺序及长度分配如下表：序号内容长度说明1计算机通信状态1字节0为下线；1为在线2电源电压值3字节放大10倍3设备断电报警1字节0为否；1为是4子站是否修改原始数据1字节0为否；1为是5是否做异常数据剔除与外延1字节0为否；1是6异常数据判断阈值倍数3字节0.00-9.99倍，放大100倍；无阈值倍数3字节补”/”。7是否有异常数据1字节0为否；1为是8子站是否加密观测1字节0为否；1为是9是否修改子站时钟1字节0为否；1为是10是否有数据缺失1字节0为否；1为是11是否补报缺失数据1字节0为否；1为自动；2为人工12补报缺失数据后的漏报数4字节前两位为要素代号，后为漏报个数。无漏报4字节补”/”。注释：其他同正点数据文件。-20-