大气电场仪功能需求书试验版doc.docx
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大气电场仪功能需求书试验版doc
大气电场仪功能规格需求书
（试验版）
中国气象局气象探测中心
2011年8月
目录
1前言1
1.1编写目标和原则1
1.2适用范围1
1.3编写依据1
2基本原理2
2.1定义2
2.2测量原理2
3组成结构2
3.1智能传感器部分3
3.2通信控制单元4
3.3无线传输模块4
3.4供电单元4
3.5外围设备5
3.6软件5
4技术要求5
4.1测量要求5
4.2可靠性要求7
4.3安装要求7
4.4电源7
4.5功耗7
5功能要求8
5.1初始化8
5.2数据采样8
5.3数据处理8
5.4数据存储8
5.5数据传输12
5.6数据质量13
5.7终端操作命令13
6其他要求15
6.1观测时制15
6.2文件要求15
6.3电磁兼容15
6.4工作环境适应性16
6.5电源安全性17
6.6防雷18
6.7结构和外观18
附件终端命令格式说明19
1格式一般说明19
2监控操作命令19
3数据质量控制参数操作命令23
4观测数据操作命令24
5报警操作命令25
1前言
1.1编写目标和原则
随着科学技术的不断发展，气象监测能力不断提高，社会对天气预报、气象监测和灾害性天气的预警能力的需求日益提高。
雷暴天气常常造成严重的灾害，观测大气电场的实时变化，有利于深入研究雷电发生的规律和预警预报技术和方法，推进雷电预警预报业务和雷电防护技术服务的发展。
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大气电场仪在组成结构、功能、测量指标、采样算法、通讯接口、数据格式、供电电源、工作环境和设备安全可靠性等方面要求，为设备制造单位提供设计和生产的依据。
本需求书主要针对场磨式大气电场仪，其他电场仪相关要求可参照本需求如。
1.3编写依据
1）《地面气象观测规范》（中国气象局，2003年）
2）《大气物理学》（北京大学出版社，2003年）
3）《雷电学原理》（陈渭民，气象出版社，2006年）
4）《大气电学手册》（孙景群，科学出版社,1995年）
5）《空间电学》（庄洪春，科学出版社,1995年）
2基本原理
2.1定义
2.1.1大气电场
存在于大气中而与带电物质产生电力相互作用的物理场。
大气电场用大气电场的强度和方向来描述。
2.1.2大气电场方向
大气电场方向用正负来表示，习惯上将晴天大气电场，即方向垂直向下的大气电场规定为正电场，而将方向垂直向上的大气电场定义为负电场。
2.2测量原理
大气电场仪利用置于电场中的导体上产生感应电荷的原理来测量电场强度和方向。
电场仪探头中定子上的感应电荷Q（t）为时间的函数，其值与外界电场强度E成正比：
Q（t）＝-ε0EA（t）
（1）
其中ε0为自由空间介电常数，A（t）为定子暴露在电场中的表面积，所以当定子的暴露面积随时间不断变化时，Q（t）为一交变电流信号。
由于电场强度与感应电流成比例关系，因此通过测量感应电流流经一个大电阻产生的等效电压值，即可得到外界电场强度值。
感应电流流经一个大电阻产生的等效电压值与外界电场强度值之间的比例系数可以通过标定得到。
3组成结构
大气电场仪由硬件和软件组成。
硬件可分成电场感应探头、处理单元、供电单元、通信控制单元、无线传输模块（选配）及外围组件，其软件可分成采集软件和业务软件两种。
设备的逻辑结构如下图3-1。
图3-1大气电场仪逻辑结构框图
图中，大气电场仪由感应探头、处理单元等部分组成，辅以通信控制单元、通信模块和电源设备构成一个独立应用的大气电场观测站。
通过数据处理单元既可以向本地终端输出数据文件，也可以通过无线网络向数据中心输出数据文件。
3.1智能传感器部分
由感应探头、处理单元构成。
感应部件根据导体在电场中感应电荷，感知大气电场变化，并转换为可以进行计量的物理量信号。
处理单元是大气电场仪的关键部件。
它由A/D转化电路、中央处理器、GPS时钟、数据存储器、控制电路和接口等部分构成。
其主要功能是负责测量传感器输出的电压信号，完成传感器的信号的A/D转换，信号采样，并对采样值进行数据运算处理、质量控制、记录存储，实现数据通信和传输。
图3-2处理单元的硬件结构
3.2通信控制单元
通信控制单元负责将数据采集单元的观测数据和状态数据进行打包整理和校验，可以按照预先设定的通讯方式和传输时间间隔进行数据发送，也可以通过远程命令，进行通讯方式和传输时间间隔调整。
3.3无线传输模块
通过在RS-232口上接入无线传输模块，可以扩展通信距离。
无线传输模块的类型有GPRS、CDMA1x、DCP。
采用GPRS或CDMA1x无线传输模块时，可以实现多点传输，至少可同时将数据发到2个数据中心站。
3.4供电单元
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12V），使用太阳能电池板对蓄电池进行充电，如果具备市电接入条件，也可以选用单相市电220V对蓄电池进行充电。
供电单元采取限流保护和防反接措施，提供稳定的输出电流。
可根据要求进行电压转换。
3.5外围设备
支架、外保护壳和基础，围栏（用于非气象台站，建议不小于10m×10m）等。
3.6软件
3.6.1采集软件
采集软件运行在大气电场仪的数据处理单元中，具有数据采集、数据处理、数据存储和数据传输功能。
3.6.2业务软件
业务软件由业务主管单位制定，用于处理、显示、存储、查询和传输大气电场仪观测数据，是安装在本地终端微机或远程数据中心终端的应用软件，该软件在大气电场值达到报警阈值时，有声音及图像报警功能。
4技术要求
4.1测量要求
4.1.1量程
±50KV/m。
4.1.2探测范围
0～15km。
4.1.3灵敏度
不低于±50V/m。
4.1.4分辨率
不低于20V/m。
4.1.4测量误差
≤5%。
4.1.5线性度
≤1%。
4.1.6转速误差（场磨式）
≤1%。
4.1.7输出数值
输出瞬时气象（秒）值和分钟平均值。
瞬时气象（秒）值，是指该时间点前一个采样时次计算得到的瞬时气象值。
例：
00时的瞬时气象值是23时59分59秒001毫秒至00时00分00秒000毫秒（包括999毫秒的时间区间）的观测时段内的气象样值的算术平均值。
a）瞬时气象（秒）值
为算数平均
式中：
——观测时段内气象变量的平均值；
——观测时段内第
个气象变量的采样瞬时值（样本），其中，“错误”、“可疑”等非“正确”的样本应丢弃而不用于计算，即令
；
N——观测时段内的样本总数，由“采样频率”和“平均值时间区间”决定；
——观测时段内“正确”的样本数（
）。
b）分钟平均值
分钟平均值每分钟输出一次，是在瞬时气象（秒）值基础上的滑动平均。
4.2可靠性要求
产品应进行可靠性设计、试验和验证工作。
并满足以下要求：
a）正确选择和合理使用元器件；
b）元器件降额设计，降低功耗；
c）减少接触故障的可靠性设计；
d）产品整机老化，出厂前检验；
e）基于标准化的设计。
f）平均故障间隔时间（MTBF）大于3600小时。
4.3安装要求
a）大气电场仪应安装在户外开阔地带，避免建在陡坡、洼地或邻近有丛林、铁路、公路、工矿、烟囱、高大建筑物的地方。
避开地方性雾、烟等大气污染严重的地方。
b）传感器的感应面安装高度1.5m（±0.05m）。
4.4电源
单相交流供电：
电压220V（±10%），频率50Hz（±6%）；
直流供电：
电压12V（±5%）。
外部供电中断的情况下，蓄电池能维持设备正常运行3天。
4.5功耗
≤20W；
5功能要求
5.1初始化
大气电场仪通电后，进行自检，自检通过后，以缺省参数进入工作状态。
可通过终端对大气电场仪进行参数设置，包括观测站基本参数、传感器参数、通信参数、质量控制参数、主动发送模式参数等；建立新的运行模式。
5.2数据采样
数据处理单元对传感器的输出信号进行处理，得到采样值，通过设定算法得到瞬时气象值（秒）数据，以1秒为步长计算每分钟的平均值。
每小时测量电池电源及主板温度、转速（场磨式）、振动频率（振动式）等设备状态参数，得到小时状态信息。
5.3数据处理
根据5.1.7规定的算法，计算出分钟电场值。
计算出大气电场观测需要的统计量，如一个或多个时段内的极值数据、不同时段内的平均值等。
将采样值数据、分钟气象值数据和监控数据等写入数据存储单元，同时实时传输至终端微机或远程数据中心形成相应数据文件。
数据处理单元对采样值进行数据质量控制，对通过采样值数据质量检查的样本进行计算，得到分钟电场值。
5.4数据存储
5.4.1采集器存储器数据文件
大气电场仪具有数据存储功能，数据存储使用循环存储器结构。
存储的数据内容包括数据文件和状态文件等。
存储的数据量不少于3天，数据存储器应具备掉电保存功能。
5.4.1.1数据文件
a）文件名
文件名“EFYYYYMMDD.DAT”。
其中：
EF为指示符，表示大气电场数据；YYYY为年份，MM为月份，DD为日期，月份和日期不足两位时，前面补“0”，DAT为固定编码。
b）文件形成
该文件每日一个，采用定长的随机文件记录方式写入，记录尾用回车换行结束，每一条记录384Byte（含回车换行符），ASCII字符写入，每个参数值间用一个空格间隔。
文件第一次生成时应进行初始化，初始化的过程是：
首先检测数据文件是否存在，如无该日数据文件，则生成该文件，要素位置一律存相应长度的“-”字符（即减号）。
文件内容按北京时计时。
c）文件内容
数据文件的第1条记录为本站当日基本参数，内容及排列顺序见表4.1。
表4.1基本参数行格式
序号
参数
字长（Byte）
1.
站号
5
2.
年
4
3.
月
2
4.
日
2
5.
经度
8
6.
纬度
7
7.
观测场拔海高度
5
8.
站类型标识
1
9.
版本号
3
10.
保留
337
11.
回车换行
2
注：
经度和纬度按度分秒存放，最后1位为东、西经标识和南、北纬度标识，经度的度为3位，分和秒均为2位，高位不足补“0”，东经标识“E”，西经标识“W”；纬度的度为2位，分和秒均为2位，高位不足补“0”，北纬标识为“N”，南纬标识为“S”；
观测场拔海高度：
保留1位小数，原值扩大10倍存入，高位不足补“0”；
自动气象站类型标识：
基准站存“1”，基本站存“2”，一般站存“3”，区域站存“4”，其他存“5”；
保留位均用“-”填充；
版本号：
用于硬件及固件版本管理，初值为1.00，原值扩大100倍存入，例如初值为“100”。
文件中第1条后每分钟一条记录，存本分钟60秒的秒数据值，最低秒数据、最高秒数据和本分钟秒数据的平均值，以ASCII字符写入，每个要素长度为5Byte，要素间为一个空格，最后两位为回车换行符，内容和排列顺序见表4.2。
表4.2数据文件要素位长及排列顺序
序号
要素名
字长（Byte）
1.
时、分（北京时）
4
2.
01秒数值
5
3.
02秒数值
5
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
61.
60秒数值
5
62.
本分钟最低秒电场值
5
63.
本分钟最高秒电场值
5
64.
本分钟秒数据的平均值
5
65.
回车换行
2
注：
“时、分”作为记录识别标志用，时、分各两位，高位不足补“0”，其中“时”是按北京时的正点小时；
若要素缺测则均应按约定的字长，每个字节位均存入一个“/”字符，若因无传感器或停用，则相应位置仍保持“-”字符；当要素值为负值时最高位为记符号“-”，要素值为正值不加符号，高位不足补“0”。
数据的记录方式及单位具体规定见表4.3。
表4.3大气电场数据文件要素记录单位和存储规定
要素名
记录单位
存储规定
电场值
0.01KV/m
原值扩大100倍
5.1.1.2状态文件
状态信息文件EFSTIIiii-YYYYMMDD.DAT，EFST为指示符，表示大气电场仪状态，文件每天一个，每小时一条记录，采用定长的随机文件记录方式写入。
每个参数值间用一个空格间隔，每一组数据长度分配如表4.4：
表4.4状态数据文件要素位长及排列顺序
序号
内容
字长（Byte）
说明
1
小时（北京时）
2
位数不足时，高位补零
2
计算机与子站的通信状态
1
1正常，2异常，0中断
3
设备运行正常
1
1正常，2异常，0停运
4
主板温度
3
999表示异常
5
电源电压（12V）
3
999表示异常
6
转速
4
9999表示异常
7
振动频率
4
9999表示异常
8
厂家自有检测
2
厂家自定义
9
厂家自有检测
2
厂家自定义
10
回车换行
2
注：
“小时”、“主板温度”、“电源电压”，高位不足补“0”，若要素缺测则均应按约定的字长，每个字节位均存入一个“/”字符，若因无传感器或停用，则相应位置仍保持“-”字符；当要素值为负值时最高位为记符号“-”，要素值为正值不加符号，高位不足补“0”。
注：
其他要求参照数据文件
表4.5状态记录单位和存储规定
要素名
记录单位
存储规定
主板温度
0.1℃
原值扩大10倍
电源电压
0.1V
原值扩大10倍
转速
1r/s
振动频率
1Hz
5.4.2微机终端存储文件
5.2.1.1数据文件
a）文件名
AWS_M_EIIiii-yyyyMMDD.TXT，简称M_E文件。
M、E为指示符，表示大气电场仪数据；IIiii为站号；yyyy为年份，MM为月份，DD为日期，月和日期不足两位时，前面补“0”，TXT为固定编码，表示此文件为ASCII格式。
b）文件形成
每站每日一个，采用定长的随机文件记录方式写入，ASCII字符写入，每个参数值间用一个空格间隔，记录尾用回车换行结束，每个要素值高位不足补空格。
文件第一次生成时应进行初始化，初始化的过程是：
首先检测数据文件是否存在，如无该日数据文件，则生成当日文件，要素位置一律存相应长度的“-”字符（即减号）。
数据文件按北京时计时。
c）文件内容
与采集器存储器中的数据文件“EFGGYYYYMMDD.DAT”相同。
5.2.1.2状态文件
状态信息文件AWS_M_ES_IIiii-yyyyMMDD.TXT，M、ES为指示符，表示大气电场仪状态，文件每天一个，每小时一条记录，采用定长的随机文件记录方式写入。
每个参数值间用一个空格间隔。
文件内容与采集器存储器中的状态文件相同。
5.2.1.3报警文件
报警信息文件AWS_M_EA_IIiii-YYYYMMDD.TXT，M、EA为指示符，表示大气电场仪报警数据，文件每天一个，非定长，当观测值符合报警条件时，存入该文件，每个参数值间用一个空格间隔。
每一组数据长度分配如表4.6：
表4.6报警数据文件要素位长及排列顺序
序号
内容
字长（Byte）
说明
1
时、分、秒
6
（北京时）
2
报警等级
1
1-3级，3级最高
3
观测数值
5
4
回车换行
2
注：
其他要求参照数据文件
5.5数据传输
大气电场仪采用RS-232方式输出，大气电场仪数据传输支持主动发送和响应终端命令的方式，缺省状态为主动发送。
5.5.1通信波特率
数据处理单元采用标准RS232串口，通信波特率为：
9600bps，8个数据位，1个停止位，无校验。
5.5.2本地传输
本地终端微机与大气电场仪之间的信号传输距离应不小于200m（RS232接口可配备长线驱动模块）。
5.5.3远程通信传输
通过在RS-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。
通信控制单元负责将数据采集单元的观测数据和状态数据进行打包整理和校验，按照设置的网络通信方式进行传输。
根据不同的环境需求可采用多种通信组网方式灵活组合。
在具备有线通信环境下，采用有线通信方式接入；在不具备有线通信方式，但具有无线移动运营商网络覆盖的条件下，采用GPRS或CDMA方式接入；在既不具备有线也不具备无线运营商网络的条件下，可采用卫星通信方式接入。
5.6数据质量
对设备输出各项参数值进行检测，判断其是否满足本功能规格书所列技术要求，如出现异常应予以处理。
5.7终端操作命令
终端操作命令为和终端微机之间进行通讯的命令，以实现对各种参数的传递和设置，从读取各种数据和下载各种文件。
按照操作命令性质的不同，分为监控操作命令、数据质量控制参数操作命令、观测数据操作命令和报警操作命令四大类（具体命令见《附件终端命令格式说明》）。
5.7.1监控操作命令
监控操作命令至少应包括以下内容：
a）设置或读取大气电场仪的通讯参数；
b）读取大气电场仪的基本信息；
c）大气电场仪自检；
d）设置或读取大气电场仪日期；
e）设置或读取大气电场仪时间；
f）设置或读取观测站的编号；
g）设置或读取观测站的纬度；
h）设置或读取观测站的经度；
i）读取大气电场仪主板温度；
j）读取大气电场仪电源电压；
k）读取大气电场仪实时状态信息。
5.7.2数据质量控制参数操作命令
数据质量控制参数由采集器嵌入式软件确定，可由用户设置的操作命令应包括传感器测量范围值和要素的质量控制项的内容。
a）设置或读取传感器测量范围值；
b）设置或读取要素质量控制参数。
5.7.3观测数据操作命令
观测数据操作命令至少应包括以下内容：
a）下载秒数据；
b）下载分钟数据；
c）下载小时数据；
d）读取采样数据；
e）下载数据文件。
5.7.4报警操作命令
报警操作命令至少应包括以下内容：
a）设定大气电场报警阈值，出现报警时，具备报警解除功能。
至少三级报警，初始设置为:
大气场强高于2.5kV/m或低于-2.5kV/m，;大气场强高于7.5kV/m或低于-7.5kV/m;大气场强高于15kV/m或低于-15kV/m。
b）传感器出现异常或故障时报警；
c）数据接收中断超过规定时限后，终端微机应发出报警信号。
6其他要求
6.1观测时制
采用北京时，以北京时20时为日界。
北京时：
20时00分00秒001毫秒代表一天的开始，20时00分00秒代表一天的结束。
6.2文件要求
随同大气电场仪应提供含有下述内容的文件：
——产品出厂检测合格证书；
——技术说明书；
——操作使用和维护维修手册。
从上述文件应能够获得技术帮助及制造厂或供货方的名称、地址和尽可能多的通讯联系方式。
6.3电磁兼容
6.3.1静电放电抗扰度要求
大气电场仪的静电放电抗扰度应满足GB/T17626.2-1998中规定的等级4的要求。
对操作人员可能触及的点和表面施加8kV或15kV空气放电，在放电和放电衰减期，允许大气电场仪超差工作，但在放电衰减之后应自行恢复到正常工作状态；在放电中和放电后储存的程序不能有变化，不能改变状态。
6.3.2浪涌（冲击）抗扰度试验
大气电场仪的浪涌（冲击）抗扰度应满足GB/T17626.5-1999中规定的等级4的要求，在浪涌冲击过后仪器应能自动恢复正常工作。
注1:
浪涌试验的浪涌电压、电压波形及源阻抗要求如下：
a）对大气电场仪的电源线—线间施加2kV、对线—地施加4kV的一个1.2/50μS的浪涌电压（浪涌电流为8/20μS），信号源内阻为12Ω；
b）对通信接口的非屏蔽信号线－地间施加4kV，线－线间施加2kV浪涌电压，信号源内阻为42Ω，长距离通信（如RS-485接口）的波形为10/700μS，短距离通信（如RS-232接口）的波形为1.2/50μS。
c）通信接口的屏蔽信号线的试验配置见GB/T17626.5-1999中的7.5条，浪涌电压为4kV，波形为1.2/50μS。
6.4工作环境适应性
6.4.1气候环境
6.4.1.1产品在以下环境下应正常工作：
a）环境温度:
－25C～50C
b）相对湿度:
10﹪～100﹪RH
c）大气压力:
450hPa～1060hPa
d）抗风能力:
≤26m/s
e）防尘防水：
IP65
6.4.1.2产品在以下环境贮存后，应正常工作：
a）环境温度:
－50C～60C
b）相对湿度:
95%RH
6.4.2生物条件
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。
应采取适当的防止动物损坏措施，如鼠咬、蚁啃等。
6.4.3化学活性物质
工作在正常大气条件下的大气电场仪，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。
用于沿海、海岛等环境的大气电场仪，必须考虑大气中盐雾对大气电场仪的影响，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。
6.4.4机械条件
在产品规定包装条件下
正弦稳态振动：
位移1.5mm
加速度：
5m/s2
频率：
2～9Hz；9～200Hz
非稳态振动（冲击）：
峰值加速度40m/s2
自由跌落：
高度0.25m
倾跌角度：
30°
6.5电源安全性
6.5.1绝缘电阻
使用市电的大气电场仪，在电源的初级电路和机壳绝缘电阻不小于2MΩ。
6.5.2泄漏电流
使用市电的大气电场仪泄漏电流值不得超过3.5mA。
6.5.3抗电强度
使用市电供电的大气电场仪，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。
试验结束后大气电场仪能正常工作。
6.6防雷
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，室外部分应符合6.2.3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。
6.7结构和外观
6.7.1机械结构
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。
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。
6.7.2机械强度
大气电场仪和各种部件，如立柱、传感器安装支撑件等，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。
6.7.3材料与涂复
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。
各零部件，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、防盐雾的性能。
需要涂复的零件，表面涂、敷、镀层应均匀，覆盖面达100%。
6.7.4外观
外观应整洁，无损伤和形变，表面涂层无气泡、开裂、脱落等现象。
附件终端命令格式说明
1格式一般说明
a）各种终端命令由命令符和相应参数组成，命令符由若干英文字母组成，参数可以没有，或由一个或多个组成，命
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