固体降水称重自动观测仪功能需求书

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1、附件：自动雪深观测仪功能需求书（试验版）中国气象局综合观测司2010-9目录1 前言 1 1.1 目的 11.2 适用范围 11.3 编写依据 12 组成结构 2 2.1 概述 22.2 测距传感器 22.2.1 超声波传感器 22.2.2 激光传感器 32.3 数据处理单元 32.4 通信控制单元 32.5 供电控制单元 32.6 外围组件 32.6.1 测雪板 32.6.2 支架 42.6.3 气温测量组件（可选） 42.7 软件 42.7.1 采集软件 42.7.2 业务软件 43 功能要求 43.1 初始化 43.2 数据采样 43.3 数据处理 53.4 数据存储 53.5 数据传输

2、 53.5.1 本地传输 53.5.2 远程通信传输 53.6 数据格式 53.7 数据质量控制 63.7.1 采样瞬时值的质量控制 63.7.2 瞬时值的质量控制 73.8 监控功能 73.9 时钟管理功能 73.10 终端操作命令 83.10.1 读取分钟数据命令 83.10.2 读取 /设置时间命令 84 测量性能 84.1 测量类型 84.2 量和单位 84.3 指标要求 95 外观要求 95.1 基本要求 95.2 安全要求 105.2.1 安全标记及要求 105.2.2 基本电器安全要求 105.2.3 其它要求 115.3 机械强度要求 115.4 材料与涂覆要求 115.4.1

3、 材料要求 115.4.2 涂覆要求 116 供电电源要求 1.2.6.1 主电源供电要求 126.2 备选电源供电要求 127 环境适应性要求 1.2.7.1 气候条件 127.2 电磁兼容性要求 127.2.1 电磁骚扰限值要求 127.2.2 电磁抗扰度要求 138 防雷要求 1.4.8.1 一般要求 148.2 直接雷击的防护措施 148.3 雷击电磁脉冲的防护 148.3.1 屏蔽措施 148.3.2 等电位连接和采用共用接地系统 148.3.3 电涌保护措施 148.4 防雷装置的维护和管理 159 可靠性和稳定性要求 1.5.9.1 产品的可靠性设计 159.2 测量稳定性要求

4、1510 可维护性要求 1.5.11 其他要求 1.5.11.1 安装高度 1511.2 时钟精度要求 1611.3 功耗要求 1611.4 命名要求 1611.5 技术文件要求 1611.6 检验要求 16附件 1 观测仪外形结构与尺寸（超声波传感器） 1.7附件 2 观测仪外形结构与尺寸（激光传感器） 1.8丄、八1 前言1.1 目的目前我国气象部门对积雪深度以人工观测为主，存在时效性差、时空密度 不足等诸多弊端，不能全面、连续反映积雪的变化过程。为此，需要研制能够 自动观测积雪深度变化的仪器，它既可以作为单独的传感器挂接在自动气象站 上又可以作为观测仪独立使用，使观测结果客观化、观测资料

5、连续化，减少台 站观测人员的工作量，进一步提高观测质量和观测效率，为公众提供更多有价 值的气象信息和观测产品。研制自动雪深观测仪符合中国气象局综合气象观测发展规划 (2010-2015 年)要求，是可用于装备地面气象观测网，承担冬季降水量观测任务的自动化 气象观测设备。该仪器具有较高运行可靠性，能达到当前先进的雪深自动化观 测水平，为冬季降水量预报和服务提供高质量的观测资料。本功能需求书为试验版，主要针对采用测距(超声、激光)原理的积雪深 度测量仪器，目的在于进一步规范测距式自动雪深观测仪研发和生产行为，为 仪器设计定型和开展试验提供依据。随着国内积雪深度测量技术的逐步发展， 功能需求书还将进

6、一步完善。本功能需求书由中国气象局综合观测司委托中国气象局气象探测中心组织 编写，修改权、解释权属于中国气象局综合观测司。1.2 适用范围本功能需求书从技术和工程两个层面上规定了适用于在气象观测场内安装 使用的测距式积雪深度自动观测仪在组成结构、功能、测量指标、采样算法、 数据格式、供电电源、工作环境和设备安全可靠性等方面的要求，为设备制造 单位提供设计和生产的依据。1.3 编写依据本功能规格需求书参考国内外积雪深度测量技术发展情况，以及国内气象 部门对雪深传感器的试验考核、试用的基础上，以下列文件资料为依据进行编写的:1. 世界气象组织气象仪器和观测方法指南（第七版）；2. 中国气象局地面气

7、象观测规范（2003年）；3. 自动气象站质量控制程序指南（ET AWS-4, Final Report，WMO CBS）4. 中国气象局第二代自动气象站功能规格书（2008年）2组成结构2.1概述自动雪深观测仪基于测距原理设计，由硬件和软件组成。其硬件可分成测距传感器、数据处理单元、通讯控制单元、供电控制单元和外围组件5个主要部分，结构特点是既可以与微机终端连接组成雪深测量系统也可以作为雪深智 能传感器挂接在其它采集系统上；其软件可分成采集软件和业务软件两种。设备组成见图1。数据处理单元通讯处理单元RS232485自动气象站或终端微机图1自动雪深观测仪结构框图2.2测距传感器测距传感器是利用

8、发射的波束（光波、声波或电磁波）遇到障碍物反射回 来的特性进行测量，主要有超声波传感器、激光传感器、红外传感器、雷达物 位计等，目前在积雪深度测量方面应用较多的是超声波传感器和激光传感器。超声波传感器超声波传感器由一个超声波激发电路、机械波发生器和一个超声波接收电 路组成，实现电信号到超声波能量的转换，同时可以接收超声波在目标物上的 反射回波，并转换成电信号。采用时差法可计算出传感器到目标的距离，由于 超声波受周围环境影响较大，所以必须通过温度补偿、数字滤波等技术提高测 量准确性达毫米级。激光传感器 激光传感器由高稳定的激光发射器、接收器、前置控制器组成，采用相位 法测距，用无线电波段的频率，

9、对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线 一次所产生的相位延迟， 再根据调制光的波长， 换算此相位延迟所代表的距离。 即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。2.3 数据处理单元数据处理单元是自动雪深自动观测仪的关键部件。主要功能是负责对测距 传感器的激发控制、计算测量波速发送和接收的时差（或相位差） ，并对采样样 本进行质量控制、数据运算处理、记录存储。2.4 通信控制单元通信控制单元负责完成标准接口间的数据转换，带有标准RS232/485 串行数据接口，通过将数据采集单元的观测数据和状态数据进行打包整理或接口转 换，可以直接与已有的气象站或新一代自动气象站的智能数据接口连接，实现 气象观

10、测业务要求；也可以作为智能气象仪器，接入本地计算机或通过无线通 讯技术，直接接入中心服务器，形成区域观测仪器。2.5 供电控制单元供电控制单元负责为系统提供工作电源，通常使用蓄电池供电（直流 9-16V）,可使用交流或太阳能（风能等）对蓄电池进行充电。2.6 外围组件其它相关硬件（测雪板、支架、气温测量组件等）统称为外围组件。测雪板 测雪板是保证雪深测量基准的依据，测雪板材质应不随温度变化而发生质 变，无融雪效应，一般选择比热低的固体材质（例如： PVC 板材），整体平整， 埋设后与地面齐平，测雪板几何中心正对上方的雪深传感器测量中心点，测雪 板面积大小必须覆盖雪深传感器测量面。支架支架用于固

11、定雪深传感器， 包括设备支撑杆、 横臂（供超声波传感器使用） 、 传感器安装连接件、预埋件定位板和预埋件等。支架高度可调，能满足传感器 在不同高度范围内进行测量，使用不锈钢等材料制作，表面进行必要的防锈和 耐腐蚀涂层处理，通过预埋件或膨胀螺栓直接安装在混凝土基座（基础 ）上，通过调平螺栓可以调节仪器的水平度。2.6.3 气温测量组件（ 超声波测量必选）气温测量组件主要用于测量空气温度， 由温度传感器和通风防辐射罩组成， 测量值供超声波传感器进行温度补偿计算。安装和使用方法参考地面气象观 测规范要求，并充分考虑到当地积雪深度情况。2.7 软件采集软件采集软件具有采集单元的数据采集、 数据处理、

12、数据存储和数据输出功能。业务软件业务软件用于处理自动雪深观测数据，是安装在终端微机中的应用软件。 业务软件需根据具体需求编制，本功能规格需求书仅规定数据输出格式。3 功能要求3.1 初始化观测仪开机后，可对内部进行自检；观测员可通过终端微机对观测仪进行 设置，包括观测站基本参数、传感器参数（初始高度） 、通信参数、质量控制参 数等；建立和运行观测任务。3.2 数据采样数据处理单元每 6 秒从雪深传感器采样一个当前高度值， 每分钟得到 10 个采样值（采样瞬时值）。3.3数据处理对每分钟内的采样值进行质量控制后，对通过质量控制的采样值求平均， 输出当前分钟高度值，根据初始高度值和当前高度值计算得

13、到积雪深度值，并 对积雪深度值进行质量标示，计算出每分钟的积雪深度值 （瞬时值）03.4数据存储观测仪具有数据存储功能，数据存储使用滚动循环存储方式。存储的数据 内容为每分钟观测数据，包括：采样时间、初始高度、当前高度、雪深、状态 监控信息等。存储的数据量不少于 30天，数据存储器应具备掉电保存功能。3.5数据传输观测仪具有数据传输（数据传送、数据通信）的功能，既可以向外传送数据，也可以响应来自数据采集器或终端微机的输入命令。采用RS-232 （或RS-485）方式输出时，观测仪数据传输采用响应终端命令的方式。本地传输终端微机与观测仪间的信号传输距离应不小于200m 远程通信传输观测仪应具备通

14、过无线或有线方式进行数据远程传输的功能。3.6数据格式由观测仪向终端电脑或数据采集器输出的每条分钟数据记录的数据总长度为60个字节，存储格式为ASCII码，由下表1所列内容组成，各项目之间用空格分隔，每个项目采用定长方式，长度不足高位补0o表1分钟数据记录格式序号项目字节数说明1.雪深数据识别符2SD2.标识5表示仪器和台站编号，可命令设置3.时间12数据采样的时间（年、月、日、时、分），格式示例：2010090816104.初始高度5单位：mm，传感器安装后距离基准面的垂直高度5.当前高度5单位：mm，传感器距离被测面的垂直高度6.雪深5单位：mm，积雪垂直深度7.雪深质量标识1按数据质量标

15、识规定表示；8.数据处理单元 工作温度4单位：C，带1位小数，扩大10倍； 第1位为符号位，后3位为数据位；9.数据处理单元 工作电压3单位：V，带1位小数，扩大10倍；10.附加项6扩展预留11.回车换行2注意：高位不足，补 0;以相同位数的 厂表示缺测。3.7数据质量控制为保证观测数据质量，雪深自动观测仪应具有数据质量控制功能，可对雪 深数据的极值范围、允许变化速率等参数进行设置。应对雪深数据是否经过数 据质量控制以及质量控制的结果进行标识，数据质量控制标识应符合第二代 自动气象站功能规格书的相关规定，摘录于表 2。表2数据质量控制标识标识代码值描述9没有检查”：该变量没有经过任何质量控制

16、检查。0正确”数据没有超过给定界限。1存疑”：不可信的。2错误”错误数据，已超过给定界限。3不一致”：一个或多个参数不一致；不冋要素的关系不满足规定的标准。4校验过的”：原始数据标记为存疑、错误或不一致，后来利用其它检查程 序确认为正确的。8缺失”：缺失数据。N没有传感器，无数据。注：对于瞬时气象值，若属采集器或通信原因引起数据缺测，在终端命令数据输出时直接 给出缺失，相应质量控制标识为“8；若有数据，质量控制判断为错误时，在终端命令数据输出时，其值仍给出，相应质量控制标识为“ 2,但错误的数据不能参加后续相关计算或统计。采样瞬时值的质量控制a）极限范围检查一个 正确”的雪深采样瞬时值，应在传

17、感器的测量范围内，未超出的标识 正确”超出的标识 错误”其判断条件见表3。表3正确”的雪深采样瞬时值的判断条件气象变量传感器测量范围下限传感器测量范围上限允许最大变化值雪深依照传感器指标确定下限和上限10mmb）瞬时气象值的计算通过极限范围检查的雪深采样值数量达到2/3,可用于计算雪深瞬时值;若不足2/3，则当前雪深瞬时值标识为 缺失”瞬时值的质量控制a）极限范围检查一个 正确”的雪深瞬时值，不能超出规定的界限，未超出的标识 正确” 超出的标识错误”其判断条件见表4。表4正确”的雪深瞬时值的判断条件气象变量下限上限存疑的变化速率错误的变化速率雪深0 mm1500mm20-60mm60mm注：表

18、中 下限” 上限” 存疑的变化速率”和 错误的变化速率”的值都是可以根据 季节和观测仪安装地的气候条件进行设置的。b）变化速率检查相邻两个雪深瞬时值的变化速率应在允许范围内。若两者的差大于表4中存疑的变化速率”则当前雪深瞬时值标识为 存疑”若两者的差大于表 4中 的错误的变化速率”则当前雪深瞬时值标识为 错误”3.8监控功能观测仪具有以下监控功能：主板工作温度；主板工作电压；传感器数据状态，包括：正常、不合格;3.9时钟管理功能当观测仪独立运行时，由实时时钟芯片提供系统时钟；当观测仪接入自动 气象站时，由自动站为观测仪提供对时，保持时钟同步；当观测仪连接到业务 软件时，由业务软件为观测仪提供对

19、时，保持时钟同步。3.10 终端操作命令终端电脑或数据采集器可向观测仪发送终端操作命令， 完成设置仪器参数、 读取采样数据等功能，命令主要包括以下两条：读取数据命令： GMSD ；读取 /设置时间命令： DATETIME ；读取分钟数据命令命令符： GMSD参数按如下四种方式给出：不带参数，下载观测仪所记录的最新分钟观测记录数据； 参数为：开始时间 结束时间，下载指定时间范围内的分钟观测记录数据； 参数为：开始时间n,下载指定时间开始的n条分钟观测记录数据； 开始时间、结束时间格式： YYYY-MM-DD HH:MM 。响应的观测数据及排列顺序见数据格式。读取/设置时间命令命令符： DATET

20、IME 参数按如下两种方式给出：不带参数,从观测仪读取当前时间；参数为： 时间, 设置观测仪的时间, 时间格式： YYYY-MM-DD HH:MM:SS 。4 测量性能4.1 测量类型观测仪可以测量从积雪表面到地面（测雪板）的垂直深度。4.2 量和单位积雪深度,单位： mm；4.3 指标要求雪深量程：0- 2000mm （适用于气象观测场）；分辨力： 1mm；准确度：0mm （实验室环境下测试指标）；5 外观要求5.1 基本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；表面应整洁，无损伤和形变，表面涂层无气泡、开裂、脱 落等现象，各零部件应安装正确、牢

21、固，无机械变形、断裂、弯曲等，操作部 分不应有迟滞、卡死、松脱等。观测仪外观如下图 2，相关各部件尺寸及材质要求如下：a）超声波传感器支架：外形呈倒 L 型圆柱体，支架可调最大高度不小于2.5米，可根据观测需求调整安装高度，横臂长度0.3倍高度（超声波 波速角w 30。使用不锈钢等材料制作，表面进行必要的防锈和耐腐蚀 涂层处理。b）激光传感器支架：外形为圆柱体，支架高度不小于 2.5米，激光传感器 可根据观测需求调整安装高度。 使用不锈钢等材料制作， 表面进行必要 的防锈和耐腐蚀涂层处理。c）测雪板：一般选择无融雪效应，比热低的固体材质（例如：PVC板材），整体表面平整， 埋设后与地面齐平。

22、测雪板几何中心正对上方的雪深传 感器测量中心点， 测雪板面积大小必须覆盖雪深传感器测量面， 尺寸一 般为 1.2m*1.2m。d）底座：圆形法兰直径大于 300mm，使用不锈钢等材料制作，表面进行必要的防锈和耐腐蚀涂层处理。 通过预埋件或膨胀螺栓直接安装在混凝土基座 （基础）上，通过调平螺栓可以调节仪器的水平度。b、激光传感器外观示意图图3自动雪深观测仪外观示意图5.2安全要求安全标记及要求标记符合GB 4793.1-2007测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 关于 设备用图形符号”的要求；a）交流电源接入端口设 当心电击危险”安全标记；b）低压直流电源接入端口以红色 “ + 和黑色”标出

23、极性，并标明额定电压 值；c）电源开关标明电源 通”断”位置；d）标明电源熔断器额定电流值。522基本电器安全要求a）外表易触件不应是危险带电件；b）观测仪必须有保护接地；c）所有电源和信号端口均应采取防感应雷击措施。d）交流电源初级电路与机箱间绝缘电阻 2MQ ；e）低压直流电源初级电路与机箱间绝缘电阻 1MQ ；f) 使用交流供电的自动站泄漏电流 v 3.5mAg) 使用交流供电的自动站应能承受 1500V/5 mA/1 分钟的冲击耐压试验；h) 使用直流供电的自动站应能承受 500V/5 mA/1 分钟的冲击耐压试验；5.2.3 其它要求a) 仪器设备结构上的棱缘或拐角，应倒圆和磨光。b

24、) 对于在产品寿命期内无法始终保持足够的机械强度而需要定期维护或更 换的部件，应在产品使用说明书上醒目地载明更换周期并着重注明不这 样做的危险性。c) 用作电气连接或其他连接的螺钉连接件，应能承受正常使用时的机械压 力。5.3 机械强度要求观测仪的各种部件，如传感器、支架、横臂、安装连接件等，应有足够的 机械强度和防腐蚀能力，确保在产品寿命期内，不因外界环境的影响和材料本 身原因而导致机械强度下降而引起危险和不安全。5.4 材料与涂覆要求材料要求应选用耐老化材料、抗腐蚀材料、良好的电气绝缘材料等，禁止使用不符 合有关国家标准或行业标准的劣质材料。涂覆要求各零部件，除用耐腐蚀材料制造的外，其表面

25、应有涂、敷、镀等工艺措施， 以保证其耐潮、防霉、防盐雾的性能。支架、横臂、安装连接件、底座等需要涂覆的部件，表面涂、敷、镀层应 均匀，覆盖面达 100 %。涂覆颜色为灰白色。6 供电电源要求6.1 主电源供电要求a) 交流供电 AC220V (+ 10%15%);b) 直流 DC9-16V ；c) 后备蓄电池，可保证雪深自动观测仪在无交流电源下 5天正常工作;数 据采集器在交流供电中断后应仍能保存所有的数据，即使在蓄电池电压 低到不足以维持符合质量要求的观测工作时，在中断的交流电源恢复 后，系统应能自动恢复正常工作。6.2 备选电源供电要求当安装地点没有交流电源或电源不理想时，可选择太阳能、风力等其他方 式供电。7 环境适应性要求7.1 气候条件工作温度：-45 C 20C；储存温度：-20 C 40C；相对湿度：5%100%；大气压力：450 1060hpa;降水强度： 300 mm