称重式降水传感器功能规格需求书

1、称重式降水传感器功能需求书中国气象局综合观测司2011-9目录1前言.11.1目的 .11.2适用范围 .11.3编写依据 .12组成结构.12.1概述 .12.2称重单元 .22.2.1载荷元件 .22.2.2信号变换电路 .22.3处理单元 .22.4外围组件 .32.4.1收集容器 .32.4.2外壳 .32.4.3底盘 .32.4.4底座组件 .32.4.5防风圈 .32.5处理软件 .43功能要求.43.1数据采样 .43.2数据处理 .43.3数据存储 .43.4数据传输 .43.5数据格式 .43.5.1RS-232/RS-485 输出方式下的分钟数据格式 .43.5.2RS-2

2、32/RS-485 输出方式下的分钟和状态数据格式 .53.5.3开关量输出方式下数据格式 .53.6数据质量控制 .53.6.1采样瞬时值的质量控制 .63.6.2瞬时值的质量控制 .63.7监控功能 .73.8时钟管理功能 .73.9终端操作命令 .73.9.1读取 /设置区站号命令 .73.9.2读取分钟数据命令 .83.9.3读取分钟和状态数据命令 .83.9.4读取 /设置时间命令 .93.9.5读取 /设置瞬时值质量控制参数命令 .94测量性能要求 .104.1测量类型 .104.2量和单位 .104.3指标.105结构要求.105.1基本要求 .10I5.2外壳.115.2.1承

3、水口 .115.2.2罩壳 .125.3底盘.125.4收集容器 .125.5基座.125.6防风圈 .126材料与涂覆要求 .126.1材料要求 .126.2涂覆要求 .137安全要求.137.1安全标记及要求 .137.2基本电器安全要求 .137.3其它要求 .138通信要求.138.1通信接口 .138.2通信参数 .148.2.1RS-232 接口 .148.2.2开关量接口 .149时钟要求.1410电源要求 .1411环境条件 .1412电磁兼容性要求 .1412.1电磁骚扰限值要求 .1412.2电磁抗扰度要求 .1513防雷要求 .1513.1一般要求 .1513.2直接雷击

4、的防护措施 .1613.3雷击电磁脉冲的防护 .1613.3.1屏蔽措施 .1613.3.2等电位连接和采用共用接地系统 .1613.3.3电涌保护措施 .1613.3.4防雷装置的维护和管理 .1614可靠性要求 .1615可维护性要求 .1716其他要求 .1716.1防蒸发措施 .1716.2防冻结处理措施 .1716.3辅助排水装置 .1716.4命名要求 .1716.5技术文件要求 .1816.6检验要求 .18附图1：传感器外形结构与尺寸.19附图2：防风圈外形结构与尺寸.20II1 前言1.1目的目前我国气象部门对固态降水以人工观测为主， 存在时效性差、 时空密度不足等诸多弊端，

5、不能全面、连续反映冰雪过程的变化情况。为此，需要研制能够观测固态降水的自动化仪器， 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。研制固态降水传感器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， 能达到当前先进的固态降水自动化观测水平，为冬季降水量预报和服务提供高质量的观测资料。本功能需求书由中国气象局综合观测司委

6、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称重式降水传感器在组成结构、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编写依据本功能需求书参考国内外固态降水测量技术发展情况， 以及国内气象部门对固态降水传感器的试验考核、 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）中国气象局地面气象观测规范(2003 年 )；3）中国气象局新型自动气象 (气候 )站功能规格书 (业务试用版 )（ 2

7、010 年）2 组成结构2.1概述称重式降水传感器基于载荷测量技术原理设计， 由硬件和处理软件组成。 其硬件可分成称重单元、 处理单元和外围组件， 既可以输出开关量信号接入现有自1动气象站，也可以作为智能传感器挂接在其它采集系统上。设备组成见图 1。载荷元件开关量处自动气象站理信号变换电路单RS232/485元、称重单元外围组件（收集容器、 外壳、底盘、基座、防风圈等）图 1 称重式降水传感器结构框图2.2称重单元称重单元是称重降水传感器的重要组成部分，主要由载荷元件和信号变换电路组成，载荷元件是称重单元的核心，通过对重量变化的快速响应测量降水。称重单元通过温度补偿、数字滤波等技术达到全量程范

8、围内的降水准确测量。载荷元件根据载荷元件测量原理来分， 目前称重式降水测量技术主要有两种， 一种是基于电阻应变技术： 敏感梁在外力作用下产生弹性变形， 使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形， 电阻应变片变形后， 它的阻值将发生变化， 再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号， 进而得到重量； 另一种是振弦技术： 以弦丝为弹性部件， 根据其拉力与振动频率的对应关系， 通过相应的测量电路得到重量。信号变换电路信号变换电路的作用是将载荷元件测得的信号进行转换， 再通过温度修正处理后，得到重量数据。2.3处理单元它由中央处理器、时钟电路、数据存储器、接口、控制电路等部分构成。其主要功能是对称重

9、单元的信号进行采样，并对采样值进行数据运算处理，计算出分钟降水量和累计降水量，并实现质量控制、记录存储，实现数据通信和传输。处理单元既要满足现行气象观测业务要求，能够输出开关量， 接入现有自动2气象站；又要符合智能气象传感器的发展趋势， 能够输出数字信号， 接入新型自动气象站。因此，称重式降水传感器应同时具有 RS232（或 RS485）通讯接口和开关量输出接口。2.4外围组件外围组件包括收集容器、外壳、底盘、底座组件、防风圈等。2.4.1收集容器收集容器用于收集降水， 同时也盛装防冻液和蒸发抑制油。 收集容器安装在载荷元件上， 可容纳的累积降水量 (含防冻液、蒸发抑制油等 )不小于 400m

10、m，为方便清空容器内液体，必须配有辅助排水装置。外壳外壳主要有两方面的作用， 一方面是通过其承水口， 收集降水进入收集容器中，另一方面保护称重单元、 处理单元等内部组件免受雨雪天气因素的侵扰， 保证其在野外环境下正常工作。 外壳的外形设计呈 “凸 ”字型，具有上部窄下部宽的特点，这样的设计结构可起到防风、 减少蒸发和增加降水捕获量的功能。 收集容器与外壳应保持合理间隙，防止两者冻结、接触影响正常观测。承水口设计须符合气象业务观测相关规定，形状为内径 200mm 的正圆，口缘呈内直外斜刀刃形， 采用铜、铝合金或不锈钢材料制作， 以防雨滴溅失和桶口变形，保证承水口采样面积。 为防止承水口被冰雪覆盖

11、冻结， 器口应具有抗冻结功能。底盘底盘用于放置内部的称重单元、收集容器等部件。底盘安装在底座上。底座组件底座组件包括基座、 预埋件和螺栓螺母等。 基座的下法兰盘安装在混凝土基座 (戓基础 )上；基座的上法兰盘用于安装底盘，并可通过调平螺栓调节仪器的水平度。防风圈防风圈是增大降雪捕获率的重要设备，配备安装Tretyakov 型防风圈，防风圈顶端高度略高于传感器承水口，表面喷涂防腐蚀、防氧化材料白色亚光涂层。防风圈应独立预埋基础，与传感器分开安装。32.5处理软件处理软件在处理单元中运行，具有数据采集、 数据处理、数据存储和数据输出功能。3 功能要求3.1数据采样处理单元对称重单元按每分钟一次的采

12、样频率进行扫描， 将获得的电信号转换成降水量，得到分钟降水量。3.2数据处理处理单元对采样值进行数据质量控制， 对通过采样值质量检查的分钟降水量进行累计，得到累计降水量。3.3数据存储传感器具有数据存储功能， 数据存储使用堆栈式存储器结构。 存储的数据内容包括：分钟降水量、累计降水量、原始质量数据、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。3.4数据传输传感器具有数据传输的功能，采用开关量方式输出时， 主动送出开关量； 采用 RS-232（或 RS-485）方式输出时，采用响应终端命令的方式。数据采集器与传感器间的信号传输距离应不小于 200m。通过在 RS-

13、232 口上接入无线或有线传输模块，可以实现数据远程传输功能。3.5数据格式RS-232/RS-485 输出方式下的分钟数据格式数据总长度为 18 个字节，由下表所列内容组成，各项目之间用空格分隔(结束符之前不留空格 )，每个项目采用定长方式，长度不足高位补0。表 1短数据格式（ RS-232/RS-485 ）序号项目字节数说明1.时间4当前数据的时、分。格式示例： 15082.分钟降水量3带一位小数，扩大10 倍，单位： mm43.小时降水量4带一位小数，扩大 10 倍，单位： mm。4.校验和2前面所有字符的累加和，取累加和的低字节。如累加和为0xA25B ，则校验和为 0x5B ，输出“

14、 5B ”5.结束符2回车换行RS-232/RS-485 输出方式下的分钟和状态数据格式数据总长度为 78 个字节，由下表所列内容组成， 各项目之间用空格分隔 (结束符之前不留空格 )，每个项目采用定长方式，长度不足高位补 0。表 2 长数据格式（ RS-232/RS-485 ）序号项目字节数说 明1.时间12当前数据的年、月、日、时、分。格式示例： 2010073015082.区站号55 位字符的区站号3.状态标识4由四位数字组成， 每一位分别表示： 数据状态、 加热器状态、硬件状态、供电状态。数据状态： 0：数据正常； 1：数据不合格； 2：数据警告； 3：溢出； 4：排水。加热器状态：

15、0：加热器关闭 / 没有； 1：加热器开启；2：加热器故障。硬件状态：0：硬件正常； 1：故障； 2：警告。供电状态：0：正常； 1：高； 2：低。4.分钟降水量3带一位小数，扩大10 倍，单位： mm5.分钟降水量质1一位数字，按数据质量标识规定表示。量标识6.小时降水量4带一位小数，扩大10 倍，单位： mm。7.小时降水量质1一位数字，按数据质量标识规定表示。量标识8.实时质量6带一位小数，扩大10 倍，单位： g。含收集容器、收集容器中液体的总质量。9.主板温度4带一位小数，扩大10 倍，单位：。10.主板工作电压3带一位小数，扩大10 倍，单位： V 。11.附加项20扩展预留12.

16、校验和2前面所有字符的累加和，取累加和的低字节。如累加和为0xA25B ，则校验和为 0x5B ，输出“ 5B ”13.结束符2回车换行开关量输出方式下数据格式每 0.1mm 降水，等效输出一个开关量。3.6数据质量控制为保证观测数据质量， 称重式降水传感器应具有数据质量控制功能， 可对降水数据的极值范围、 允许变化速率等参数进行设置。 应对降水数据是否经过数据5质量控制以及质量控制的结果进行标识(仅适用于 RS-232/RS-485 输出 )，数据质量控制标识应符合新型自动气象(候 )站功能规格书的相关规定，摘录于表3。表 3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

17、何质量控制检查。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；不同要素的关系不满足规定的标准。“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4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

18、a) 极限范围检查一个 “正确 ”的降水量采样瞬时值， 应在传感器的测量范围内，未超出的标识“正确 ”；超出的标识 “错误 ”。其判断条件见表4。表 4“正确 ”的降水量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降水量依照传感器指标确定下限和上限b) 瞬时气象值的计算通过极限范围检查的降水量采样瞬时值，作为当前分钟降水量瞬时值； 若未通过检查，则当前分钟降水量瞬时值标识为“缺失 ”。瞬时值的质量控制a) 极限范围检查一个 “正确 ”的降水量瞬时值，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5。表 5“正确 ”的降水量瞬时值的判断条件

19、气象变量下限上限存疑的变化速率错误的变化速率降水量0 mm10mm710注：表中“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传感器安装地的气候条件进行设置的。6b) 变化速率检查相邻两个降水量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 ”，则当前降水量瞬时值标识为 “存疑 ”；若两者的差大于表4中的 “错误的变化速率 ”，则当前降水量瞬时值标识为“错误 ”。3.7监控功能传感器具有以下监控功能：传感器工作电压；主板工作温度；传感器原始质量（重量）数据；传感器数据状态，包括：正常、不合格、警告、溢出、排水；加热器状态，包括：关闭 /没有、开启、故障；硬件状态，包括：正常、故障；3.8时钟管理功能当传感器独立运行时， 由实时时钟芯片提供系统时钟； 当传感器接入自动气象站或业务软件时，由自动气象站或业务软件为传感器提供对时， 保持时钟同步。3.9终端操作命令传感器支持各种终端操作命令， 用来设置参数、 读取数据等。 至少具备以下终端操作命令，列于表 6。表 6终端操作命令命令编号命令字参数个数功能简述1DATETIME0/1读取 / 设置传感器时间2ID0/1设置传感器区站号3RDPR0读取当前分钟降水量数据4DMPR0/1/2读取分钟降水量和状态数据5QCPM WP0/