日照时数观测仪功能需求书.docx
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日照时数观测仪功能需求书
附件
自动日照计功能规格需求书
中国气象局综合观测司
2014年12月
编写说明
本功能规格需求书规定了自动日照计的相关技术要求，包括：
组成结构、功能和测量性能指标、环境适应性和业务运行等要求，可作为自动日照计的设备研制、生产、测试评估的依据。
本功能规格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。
主要编写人员：
吕文华、丁蕾、贺晓雷、杨云、边泽强、权继梅、崇伟。
目录
1前言1
1.1目的1
1.2适用范围1
1.3制定依据1
2组成结构要求2
2.1概述2
2.2日照传感器2
2.3数据处理单元3
2.4供电单元3
2.5外围结构3
3功能要求4
3.1日照观测4
3.2数据采样4
3.3数据处理4
3.4数据格式4
3.5数据存储4
3.6数据传输5
3.7时钟管理功能5
4性能要求5
4.1自动日照计性能要求5
4.2观测时制要求5
4.3数据质量控制标识规定6
4.4电源要求6
5环境适应性要求6
5.1气候条件6
5.2外壳防护等级6
5.3抗盐雾要求7
5.4电磁兼容性要求7
6业务运行要求8
6.1运行状态信息8
6.2产品的可靠性8
6.3可维护性8
6.4检验要求9
6.5设备寿命9
7结构和外观要求9
7.1机械结构要求9
7.2机械强度要求9
7.3材料与涂覆要求10
7.4外观要求10
8其他要求10
8.1技术文件10
8.2安装与场地要求10
8.3安全要求11
8.4防雷要求11
附录12
附录Ａ分钟日照算法12
附录Ｂ数据格式、观测要素及编码13
附录C设备状态要素编码19
1前言
1.1目的
日照是指太阳在一地实际照射的时数，是地面气象台站观测的基本项目。
日照时数定义为在一给定时段内太阳直接辐照度超过120W/m2的各分段时间的总和。
目前我国气象部门对日照时数的观测普遍使用的是暗筒式（又叫乔唐式）和聚焦式日照计，该仪器的日照纸需人工制作、安装和更换，日照时数需要根据感光迹线进行人工判断，自动化程度低，测量结果精度较低、资料可比性和一致性难以保证，即使同一台仪器的记录的可比性也不是很理想。
随着当前地面气象观测自动化的发展，该仪器已经不能满足自动化业务观测的需求，亟待研制具有自动观测、性价比高、精度高、维护方便等特点的可以业务运行的日照计。
自动日照计的应用对监测天气气候状况、农业生产、太阳能开发、建筑规划与设计、环境监测等都有重要意义。
1.2适用范围
本功能需求书规定了自动日照计的结构、功能、性能、环境适应性和业务运行等要求，为设备制造单位提供产品设计和生产的依据。
1.3制定依据
本功能规格需求书依据或参考下列文件资料编写：
[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组成结构要求
2.1概述
自动日照计由硬件和软件两部分组成。
其硬件可分成日照传感器、数据处理单元、电源和外围组件4个主要部分。
自动日照计既可以与微机终端连接组成日照观测系统，也可以作为日照传感器挂接在其它采集系统上，组成结构见图1，其软件可完成日照数据采集、处理、存储和发送等。
图1日照观测系统结构图
2.2日照传感器
日照传感器结构如图2所示，其核心部件为3个光电感应器件，放置于一透明玻璃罩内，其中1个光电感应器件用于测量总辐射，另外2个光电感应器件用于测量散射辐射，其遮光罩应采用特殊的全分天空方式，使二者不能同时暴露于阳光下。
传感器内部通过一系列的转换，得到代表太阳直接辐射的电信号，当直接辐射大于等于120W/m2时，输出相应电平表示的日照信号。
利用直接辐射表或总辐射表和散射辐射表的测量值可以计算日照时数，但该类辐射仪器不属于本功能规格需求书的规定范畴。
图2日照传感器结构图
2.3数据处理单元
数据处理单元由中央处理器、时钟电路、数据存储器、接口、控制电路等部分构成，它是自动日照计的关键部件。
主要功能是负责对传感器的输出信号进行采样，并对采样样本进行质量控制、数据运算处理、记录存储，并进行与自动气象站或终端微机之间的数据通信。
2.4供电单元
供电控制单元负责为传感器和数据处理单元提供工作电源，通常使用12V蓄电池供电，可使用交流电或太阳能（风能等）对蓄电池进行充电。
2.5外围结构
外围结构主要包括传感器安装立柱、支架及其附件。
3功能要求
3.1日照观测
日照传感器通过测量太阳辐射，直接或间接得到太阳直接辐照度，根据设定的阈值，判断有无日照。
传感器输出以高、低电平表示的日照信号，同时也输出代表直接辐射的信号，用于监控传感器工作状态。
3.2数据采样
每10s对传感器进行一次采样，1分钟采集6次。
3.3数据处理
对采样得到的电压信号进行判断，如果判断为有日照，则将这10秒累计到日照时间，每分钟对日照时间四舍五入后进行取整输出，单位为min，小数部分保留，继续累积到下一分钟（分钟日照算法见附录Ａ）。
对小时内分钟日照时数进行累加，得到日照时数小时累计，单位为min。
对小时日照时数进行累加，得到日照时数日累计，单位为h。
3.4数据格式
数据格式、观测要素及编码符合附录B的规定。
3.5数据存储
自动日照计具有数据存储功能，数据存储采用滚动循环存储方式，每分钟存储一条记录。
存储的数据量不少于6个月，数据存储器应具备掉电保存功能。
3.6数据传输
通过RS-232接口传输数据，由通讯模块实现。
3.7时钟管理功能
当日照计独立运行时，由实时时钟芯片提供系统时钟；当日照计接入业务软件时，支持网络时间协议的自动校时。
4性能要求
4.1自动日照计性能要求
4.1.1总体性能要求
—最大允许误差：
±10%/月；
—年稳定性：
±5%；
4.1.2传感器性能要求
—光谱范围：
400nm～1100nm；
—阈值：
直接辐照度120W/m2；
—阈值的最大允许误差：
±24W/m2；
4.1.3时钟精度要求
—实时时钟走时误差：
≤15s/月；
4.1.4加热及功耗要求
—加热：
为了防止结露和雪霜，传感器应具备加热功能；
—功耗：
＜2W（不含加热）,＜15W（含加热）。
4.2观测时制要求
日照的观测使用地方时进行观测。
地方时：
00时00分00秒001毫秒代表一天的开始，24时00分00秒代表一天的结束。
4.3数据质量控制标识规定
数据质量控制标识的规定符合附录B的要求。
4.4电源要求
自动日照计的供电电源为12V蓄电池。
由辅助电源对蓄电池浮充电，在有市电的地方，一般优选市电作为辅助电源，无市电的地方，可选的辅助电源有：
柴油发电机、太阳能电池板等。
蓄电池的容量必须保证自动日照计能在脱离辅助电源的条件下连续工作10天，并在蓄电池电压低到不足以维持符合质量要求的观测工作前两天发出报警信息。
5环境适应性要求
5.1气候条件
—工作环境温度：
－40℃～＋60℃；
—相对湿度：
5%～100%；
—大气压力：
450hPa～1100hPa；
—抗风能力：
≤60m/s；
5.2外壳防护等级
自动日照计对气候条件的降水、灰尘等应具备一定的防护能力。
按GB4208-2008《外壳防护等级（IP代码）》，自动日照计的外壳防护等级应满足IP65的要求。
5.3抗盐雾要求
自动日照计应在材料、表面涂覆和工艺上采取相应的措施，使其具有一定的抗盐雾腐蚀的能力，在产品寿命期内不致因腐蚀而引起产品的失效。
按《GB/T2423.17电工电子产品环境试验第2部分：
试验方法试验Ka：
盐雾》，零件镀层应满足耐48小时盐雾沉降试验的要求。
5.4电磁兼容性要求
5.4.1电磁骚扰限值要求
（1）传导骚扰
自动日照计电源端口和信号端口的传导骚扰限制要求分别见表1和表2。
表1 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2 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
（2）辐射骚扰
自动日照计电源端口和信号端口的辐射骚扰限值应满足表3的要求。
表3 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
自动日照计各端口电磁抗扰度应满足表4的要求。
表4 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
±2kV5kHz
±1kV5kHz
±2KV5kHz
射频场感应的传导骚扰抗扰度
0.15～80MHz
3v
80﹪AMk（1kHz）
0.15～80MHz
3v
80﹪AMk（1kHz）
0.15～80MHz
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
6业务运行要求
6.1运行状态信息
自动日照计具备输出设备运行状态信息的功能，主要包括设备工作状态值、电源状态、通信状态和存储器状态等。
设备运行状态信息见附录C。
6.2产品的可靠性
产品应进行可靠性设计、试验和验证工作，并满足平均无故障间隔工作时间（MTBF）大于8000小时的要求。
6.3可维护性
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；
提供传感器、采集器和通讯三级的状态监控；
平均维修时间（MTTR）要求：
≤40min。
6.4检验要求
以标准直接辐射表输出120W/m2辐照度值作为自动日照计阈值标准，按国家气象计量站相关检测方法或日照计校准规范进行测试。
6.5设备寿命
在规定的使用环境和正常维护的条件下，自动日照计使用寿命不小于八年。
7结构和外观要求
7.1机械结构要求
（1）结构应利于装配、调试、检验、包装、运输、安装及维护等工作，更换部件时简便易行；
（2）各零部件应安装正确、牢固，无机械变形、断裂、弯曲等，操作部分不应有迟滞、卡死、松脱等；
（3）安装支架结构坚固、造型美观，便于传感器安装和维护，传感器安装后无晃动，能满足日照观测需求。
7.2机械强度要求
日照计的各种部件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
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