云量自动观测仪功能需求书.docx
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云量自动观测仪功能需求书
附件3
云量自动观测仪功能规格需求书
（试行版）
中国气象局综合观测司
2013年11月
1前言
云量的观测是地面气象观测中最基本的项目之一，云量对天气预报、气候变化分析和气象为社会公众服务都有重要意义。
人工估测云量的观测方式已经不能满足天气预报与气象服务的需求，迫切需要研发仪器实现云量自动化观测。
本功能需求书由中国气象局气象探测中心牵头编写。
1.1目的
本功能规格需求书在《云量自动观测仪功能需求书（试验版）》基础上进行了完善，主要针对地基云量观测仪的功能、组成结构、观测要求提出需求，为开展试验考核评估和仪器设计定型提供参考。
随着气象观测设备水平的逐步发展和观测需求的变化，功能需求书还将进一步完善。
1.2适用范围
本需求书适用于地面气象观测中云量自动观测仪的研发、考核、定型和使用。
1.3制定依据
《地面气象观测规范》（中华人民共和国气象行业标准，2007年）
《气象仪器和观测方法指南（第七版）》（世界气象组织，2005年）
《综合气象观测系统发展规划（2010-2015年）》（中国气象局，2009年）
《新型自动气象（气候）站功能规格书》（中国气象局，2010年）
2功能要求
能够自动实现原始数据采样、存储和处理，并按照规定的观测数据格式输出。
2.1云量定义
由一种特定类型的云（部分云量）的可见部分或全部类型的云（总云量）覆盖天空视野的百分比。
注：
当天空部分为障碍物（如山、房屋等）所遮蔽时，云量应从未被遮蔽的天空部分中估计；如果一部分天空为降水所遮蔽，这部分天空应作为被产生降水的云所遮蔽来看待。
2.2输出项目
至少包括总云量、全天空云分布图片产品和红外云量。
2.3产品输出时间与频率
整10分时刻输出，1次/10分钟。
2.4准确度
在水平能见度≥2km的条件下，云量观测的准确度应达到表1的要求。
表1云量准确度
项目
准确度（%）
总云量
±20
2.5全天空云分布图像观测要求
2.5.1成像要求
可见光云分布图像应真实表现观测点仰角至少30°以上（除地表遮挡物以外）天空的云分布图像。
红外云分布图像真实表现观测点仰角至少67.5°以上天空的云分布图像。
2.5.2输出项目
仪器视场内天空云分布JPG文件格式图片文件。
2.6数据格式
以中国气象局气象探测中心发布的《地面观测气象数据字典》中云量部分数据格式为准。
3组成结构
3.1概述
云量自动观测仪主要由传感器模块、数据采集控制模块、终端显示（可选）、外围组件等组成，结构框图如图1所示.
图1云量自动观测仪结构图
3.2传感器
采用可见光与红外双波段传感器获取天空图像。
3.3数据采集控制单元
实现运行控制、传感器数据采集和处理、数据传输等功能。
3.4软件
软件运行在数据采集控制单元中，具有数据采集、数据处理、数据存储和数据传输功能。
3.5外围组件
外围组件包括基座、立杆（柜/筒）等其它安装云自动观测传感器所需的相关硬件。
4技术要求
4.1传感器要求
可见光传感器能够完成仰角至少30°以上天空成像；红外传感器能够完成仰角至少67.5°以上天空成像。
4.2云量最小分辨力
1%。
4.3通讯传输
需支持串口RS232/485/422和RJ45传输方式。
4.4传感器高度
为了便于设备维护，云量自动观测仪传感器高度180cm±20cm。
4.5时钟精度要求
应具有时钟同步功能，实时时钟走时误差不大于15s/月。
5环境适应性要求
硬件的设计、制造和测试应能承受该设备预期在地面气象观测站可能遇到的所有工作环境。
设备应能在上述环境中365天24小时连续不间断工作。
各种部件，如底座、安装件等，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。
部分环境条件参考如下：
5.1气候条件
工作温度：
-45℃～50℃
相对湿度：
5%～100%
大气压力：
450～1060hPa
降水强度：
0～6mm/min
5.2生物条件
设备应采取适当的防霉菌措施，但除非使用在特殊的环境条件或使用方有要求时，不必通过长霉试验来鉴定其抗霉菌能力。
设备应采取适当的防止动物损坏措施，如鼠咬、蚁啃等。
5.3化学活性物质
工作在正常大气条件下的地基云量自动观测仪，应在材料、表面涂覆和工艺上采取相应的措施，使其具有一定的抗化学活性物质危害的能力。
工作在沿海、海岛的设备，必须考虑大气中盐雾的影响，在材料、表面涂覆和工艺上采取必要的措施，使其具有足够的抗化学活性物质危害的能力，在产品寿命期内不致因腐蚀而引起产品的失效。
盐雾试验时间应不少于48小时，其他试验条件符合有关行业或国家标准的要求。
5.4电磁兼容性要求
5.4.1电磁骚扰限值要求
电源端口和信号端口的传导骚扰限制要求分别见表2和表3。
表2电源端口传导骚扰限值
频率范围
（MHz）
限值（dBμV）
准峰值
平均值
0.15～0.5
66～56
56～46
0.5～5
56
46
5～30
60
50
表3信号端口传导共骚扰限值
频率范围
（MHz）
电压限值（dBμV）
电流限值（dBμA）
准峰值
平均值
准峰值
平均值
0.15～0.5
84～74
74～64
40～30
30～20
0.5～30
74
64
30
20
电源端口和信号端口的辐射骚扰限值应满足表4的要求。
表4在10m距离测量的辐射骚扰限值
频率范围（MHz）
限值[dB（μV/m）]
30～230
30
230～1000
37
5.4.2电磁抗扰度要求
表5需满足的试验内容和严酷度等级
内容
试验条件
交流电源端口
直流电源端口
控制和信号端口
电压暂降和短时中断抗扰度
30﹪0.5周期
60﹪5周期
100﹪250周期
——
——
1.2/50μS（电压）
8/20μS（电流）
浪涌冲击抗扰度
线对地：
±2KV
线对地：
±1KV
线对地：
±1KV
电快速瞬变脉冲群抗扰度
±2KV5Kz
±1KV5Kz
±2KV5Kz
射频电磁场辐射抗扰度
80～1000MHz
3v
80﹪AMk（1KHz）
80～1000MHz
3v
80﹪AMk（1KHz）
80～1000MHz
3v
80﹪AMk（1KHz）
静电放电抗扰度
接触放电：
±4KV
空气放电：
±8KV
接触放电：
±4KV
空气放电：
±8KV
接触放电：
±4KV
空气放电：
±8KV
5.5机械条件
表6机械条件的分类及严酷等级
环境参数
单位
严酷等级
备注
正弦稳态振动
位移
加速度
频率范围
mm
m/s2
Hz
1.5
5
2～99～200
冲击
冲击响应谱L峰值加速度
m/s2
40
自由跌落
高度
m
0.25
包装状态
倾跌与翻倒
倾跌角度
角度
30°
包装状态
6电源要求
（1）接入电源为交流单相电源
（2）电压：
220V±15%
（3）交变频率：
50±2.5Hz
7可靠性要求
产品应进行可靠性设计、试验和验证工作。
可靠性：
MTBF（Q1）＞3000小时
8可维护性要求
平均故障修复时间（MTTR）应低于30分钟。
MTTR包括故障的检测、故障单元拆除及更换。
整个系统易于扩展和维修。
各部件的结构设计应充分考虑维修的方便性、快捷性和不易误操作性。
接线标志清晰不易混淆，应采取充分的措施保证即使非专业人员操作也不易产生误操作。
9安全要求
9.1安全标记及要求
标记符合GB4793.1-2007《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。
（1）交流电源接入端口设“当心电击危险”安全标记；
（2）低压直流电源接入端口以红色“+”和黑色“－”标出极性，并标明额定电压值；
（3）电源开关标明电源“通”、“断”位置；
（4）标明电源熔断器额定电流值。
9.2电气安全
9.2.1防电击危险
机箱内带危险电压的导电部件都应有防护措施，足以避免操作人员可能用手或一般维修工具直接接触。
把危险电压引入机箱的导线在穿过机箱外壳处应有绝缘防护措施，这些导线进入机箱后应适当走线和固定，机箱内所有和这些导线可能直接接触的金属零部件都应有接地措施，以防一旦导线绝缘损坏，这些金属零部件不致带有危险。
9.2.2保护接地措施
云量自动观测仪各独立部件和传感器都应有保护接地措施。
各保护接地线不应构成回路，应在导电的底板或机架上设置一个点，作为保护接地、电源接地的公共接地点。
从这点到地的连接应连续永久，连接导线截面积不小于16mm2。
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0.1Ω。
9.2.3过流保护
使用市电的云量自动观测仪必须具备一次电路过流保护装置。
9.2.4基本电气安全要求
（1）绝缘电阻
使用市电供电时，在电源的初级电路和机壳绝缘电阻不小于2MΩ。
使用12V直流电源供电时，电源初级电路和机壳间绝缘电阻，不应小于1MΩ。
（2）泄漏电流
使用市电供电时，云量自动观测仪泄漏电流值不得超过3.5mA。
（3）抗电强度
使用市电供电的云量自动观测仪，其电源的初级电路和机壳间应能承受幅值1500V，电流5mA的冲击耐压试验，历时一分钟，试验中不应出现飞弧和击穿。
试验结束后仪器能正常工作。
使用低压直流电源供电的云量自动观测仪，电源的初级电路和机壳间应能承受幅值500V，电流5mA的冲击耐压试验，历时一分钟，试验中不应出现飞弧和击穿。
试验结束后仪器能正常工作。
9.3其它要求
（1）仪器设备结构上的棱缘或拐角，应倒圆和磨光；
（2）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；
（3）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。
（4）室外无防护条件下使用的云量自动观测仪或部件，如无特殊要求，其外壳防护等级应符合IP65要求。
10防雷要求
10.1一般要求
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。
防雷类别的确定：
根据QX4-2000第6条的规定确定防雷类别。
10.2直接雷击的防护措施
应处在接闪器的保护范围内。
防直接雷击的冲击接地电阻应不大于4Ω。
10.3雷击电磁脉冲的防护
10.3.1屏蔽措施
信号线应采用屏蔽电缆，采用非屏蔽电缆时，应外穿金属管。
电缆的屏蔽层和金属管下端应接到地网上。
设备到室内的电缆线应敷设在电缆沟内，如没有条件时电缆应在入户前应穿金属管埋地。
10.3.2等电位连接和采用共用接地系统
采用共用接地系统（地网），将所有金属部件就近连接到该接地系统上。
共用接地系统（地网）的接地电阻应不大于4Ω。
10.3.3电涌保护措施
（1）供电系统的电涌保护措施
采用电网或自备发电机供电时，应在交流配电盘处加装冲击通流量Iimp不小于12.5kA的信号电涌保护器（SPD）；
供电系统的电涌保护器的安装要求，应符合GB18802.1-2002《低压配电系统的电涌保护器》规定；
（2）信号系统电涌保护措施
设备输入端应加装适配的信号电涌保护器（SPD）；
信号系统电涌保护器的性能技术指标和安装要求，应符合QX4-2000《气象台防雷技术规范》第9条的规定。
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