冻土自动观测仪功能规格需求书

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1、冻土自动观测仪功能规格需求书中国气象局综合观测司2018年12月目录1前言31.1目的31.2适用范围31.3制定依据32组成结构要求42.1概述42.2硬件结构42.2.1传感器42.2.2数据采集器52.2.3系统电源62.2.4通信接口62.2.5外围设备62.3软件结构63功能要求73.1观测要素73.2初始化和参数设置73.3运行状态信息73.4数据采集和处理73.5数据质量控制73.6数据存储83.7数据传输83.8软件升级83.9终端操作命令83.10时钟同步84技术指标84.1测量性能指标94.2环境适应性指标94.2.1气候条件9354.2.2机械条件94.

2、2.3生物条件104.2.4化学条件104.2.5电磁兼容性104.3可靠性指标104.4可维护性指标114.5功耗要求114.6设备寿命115安装与场地要求116结构和外观要求126.1机械结构要求126.2机械强度要求136.3材料与涂覆要求136.4外观要求137供电要求137.1主电源供电要求137.2备选电源供电要求138安全要求138.1电气安全要求148.2防雷要求14附录Ａ冻土自动观测仪采集算法流程15附录B要素编码与数据格式16B.1冻土自动观测要素及其编码16B.2设备状态要素编码16B.3数据帧格式18附录C通信命令25351前言1.1目的冻土是指含有水

3、分的土壤因温度下降到0℃或以下而呈冻结的状态。冻土观测是中国气象局统一布局观测项目，观测内容包括土壤冻结层次和冻结深度，观测方式主要采用人工器测，使用TB1-1型冻土器（又叫达尼林冻土器），人工每天定时将深达0.5～4.5米的注水软胶管提到地面之上，用手摸测软管中水的冻结情况判断冻土层次和深度。该观测方式较为原始，劳动强度大，且内管提取、摸测过程中易产生断折，加上受观测人员的主观感知程度影响，冻土观测结果存在人为误差。同时，随着冻土观测数据在气候监测、农业生产、建筑规划与设计、环境监测等领域需求的日益增多，传统观测仪器和方式方法已经不能满足当前预报和服务需求，亟待研制具有观测

4、精度高、性能稳定、维护方便等特点的冻土自动观测仪。为此，本功能规格需求书按照统一标准、统一功能、统一结构的设计思路，明确了冻土自动观测仪性能要求，规范了冻土自动观测数据格式。1.2适用范围本功能规格需求书规定了冻土自动观测仪的结构、功能、性能、环境适应性和业务运行等方面的要求，为设备研发、加工生产等提供依据。本功能规格需求书不适用于利用地温等要素综合判识冻土深度的方法。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]《地面气象观测规范》，中国气象局，2003年。[2]《气象观测专用技术装备功能规格需求书编写指南（试行）》，中国气象局综合观测司，2015年。[3

5、]《GB/T33695-2017 35地面气象要素编码与数据格式》，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会，2017年。1组成结构要求2.1概述冻土自动观测仪是根据含有水分土壤的冻融特性，通过测量水的相态（频域反射、温度反演），采用阈值判断方法测量土壤冻结深度的仪器。目前冻土自动观测主要采用电阻法、电容法和测温法等。冻土自动观测仪由软件和硬件两部分组成。软件为嵌入式软件，硬件主要由传感器、数据采集器、供电单元和外围设备等组成，可接入综合集成硬件控制器，其硬件结构示意图如图2.1。图2.1冻土自动观测仪硬件结构示意图2.2硬件结构2.2.1传感器2.2.

6、1.1冻阻式冻土传感器冻阻式冻土传感器利用水的相态发生改变时体积、电阻等介电常数物理特性随之变化的原理，通过非纯净水做感应质，测量相关物理量得到冻结层次和上下限深度。352.2.1.1电容式冻土传感器电容式冻土传感器利用土壤中水与冰发生相变时介电常数随之改变的特性，通过LC振荡电路频率响应变化，结合频率变化规律和土壤温度建立土壤冻融状态判别模型，获得冻结层次和上下限深度。2.2.1.2测温式冻土传感器测温式冻土传感器根据水凝结成冰或冰融化成水的温度变化特性，结合冻点确定算法，获得冻结层次和上下限深度。2.2.1数据采集器数据采集器的硬件部分由嵌入式处理器、数据存储器、时钟电路

7、、通信接口和指示灯电路等多种电路模块组成。数据采集器的主要功能是获取传感器采样数据，对采样数据进行计算处理、质量控制、数据存储、通信传输，与终端计算机进行交互。数据采集器硬件设计时必须满足以下要求：（1）电源：应采用高精度、高稳定性电源模块，满足采集器供电要求，外接电源供电电压为DC（9～15）V。（2）时钟：自带高精度实时时钟，时钟误差≤15秒/月，接受终端软件校时，校时误差小于1秒。（3）存储：程序存储器容量满足嵌入式软件需求。数据存储器至少能存储10天的分钟数据、1个月的正点数据，并留有30%以上