На фоне усиливающегося глобального изменения климата точный мониторинг осадков становится всё более важным для борьбы с наводнениями и засухой, управления водными ресурсами и метеорологических исследований. Оборудование для мониторинга осадков, являющееся основным инструментом сбора данных об осадках, прошло путь от традиционных механических дождемеров до интеллектуальных сенсорных систем, интегрирующих технологии Интернета вещей и искусственного интеллекта. В данной статье будут подробно рассмотрены технические характеристики и разнообразные сферы применения дождемеров и датчиков осадков, а также проанализировано современное состояние применения технологий глобального мониторинга газов. Особое внимание будет уделено тенденциям развития в области мониторинга газов в таких странах, как Китай и США, с представлением читателям последних достижений и перспективных направлений развития технологий мониторинга осадков.
Технологическая эволюция и основные характеристики оборудования для мониторинга осадков
Осадки, являясь ключевым звеном круговорота воды в природе, имеют огромное значение для метеорологического прогнозирования, гидрологических исследований и раннего предупреждения о стихийных бедствиях. Оборудование для мониторинга осадков, развивавшееся на протяжении столетия, представляет собой полный спектр технических решений – от традиционных механических устройств до высокотехнологичных интеллектуальных датчиков, удовлетворяющих потребности мониторинга в различных сценариях. Современное основное оборудование для мониторинга осадков включает в себя традиционные дождемеры, дождемеры с опрокидывающимся стаканом, а также новые пьезоэлектрические дождемеры и т. д. Каждый из них обладает своими особенностями и демонстрирует очевидные различия с точки зрения точности, надежности и условий применения.
Традиционный дождемер представляет собой наиболее фундаментальный метод измерения осадков. Его конструкция проста, но эффективна. Стандартные дождемеры обычно изготавливаются из нержавеющей стали с диаметром водоудерживающей трубки Ф200±0,6 мм. Они могут измерять количество осадков с интенсивностью ≤4 мм/мин с разрешением 0,2 мм (что соответствует 6,28 мл объема воды). В условиях статических испытаний в помещении их точность может достигать ±4%. Это механическое устройство не требует внешнего источника питания и работает на основе чисто физических принципов. Оно отличается высокой надежностью и простотой обслуживания. Внешний вид дождемера также довольно тщательный. Дождеприемник изготовлен из листовой нержавеющей стали путем штамповки и вытяжки, с высокой степенью гладкости, что может эффективно снизить погрешность, вызванную удержанием воды. Горизонтальный регулировочный пузырек внутри помогает пользователям настроить оборудование для наилучшего рабочего состояния. Хотя традиционные дождемеры имеют ограничения с точки зрения автоматизации и функциональной масштабируемости, авторитетность данных их измерений и по сей день делает их эталонным оборудованием для метеорологических и гидрологических служб, позволяющим проводить деловые наблюдения и сравнения.
Датчик осадкомера с опрокидывающимся ведром совершил прорыв в автоматизированном измерении и выводе данных на основе традиционного цилиндрического дождемера. Этот тип датчика преобразует осадки в электрический сигнал с помощью тщательно разработанного механизма двойного опрокидывающегося ведра: когда одно из ведер получает воду до заданного значения (обычно 0,1 мм или 0,2 мм осадков), оно само опрокидывается под действием силы тяжести и одновременно генерирует импульсный сигнал 710 через механизм магнитной стали и геркона. Датчик осадкомера FF-YL, производимый Hebei Feimeng Electronic Technology Co., Ltd., является типичным представителем. В этом устройстве используется компонент опрокидывающегося ведра, изготовленный методом литья под давлением из конструкционных пластиков. Опорная система качественно изготовлена и имеет небольшой момент сопротивления трению. Поэтому он чувствителен к опрокидыванию и имеет стабильную работу. Датчик осадкомера с опрокидывающимся ведром обладает хорошей линейностью и высокой помехоустойчивостью. Кроме того, воронка оснащена сетчатыми отверстиями, предотвращающими попадание листьев и другого мусора в дождевую воду, что значительно повышает надежность работы на открытом воздухе. Дождемер с опрокидывающимся ковшом серии TE525MM американской компании Campbell Scientific Company повысил точность измерения до 0,1 мм. Кроме того, влияние сильного ветра на точность измерений можно снизить, установив ветрозащитный экран или установив беспроводной интерфейс для дистанционной передачи данных.
Пьезоэлектрический датчик дождя представляет собой высшую ступень современной технологии мониторинга дождя. Он полностью отказался от механических подвижных частей и использует пьезоэлектрическую пленку PVDF в качестве датчика дождя. Датчик измеряет количество осадков, анализируя сигнал кинетической энергии, генерируемый ударом капель дождя. Пьезоэлектрический датчик дождя FT-Y1, разработанный компанией Shandong Fengtu Internet of Things Technology Co., Ltd., является типичным продуктом этой технологии. Он использует встроенную нейронную сеть на основе искусственного интеллекта для распознавания сигналов от капель дождя и может эффективно избегать ложных срабатываний, вызванных такими помехами, как песок, пыль и вибрация 25. Этот датчик обладает множеством революционных преимуществ: интегрированная конструкция без открытых компонентов и способность отфильтровывать сигналы помех окружающей среды; широкий диапазон измерений (0–4 мм/мин) и разрешение до 0,01 мм; высокая частота дискретизации (<1 секунды) позволяет контролировать продолжительность дождя с точностью до секунды. Кроме того, он использует дугообразную конструкцию контактной поверхности, не накапливает дождевую воду и действительно не требует обслуживания. Диапазон рабочих температур пьезоэлектрических датчиков чрезвычайно широк (от -40 до 85 °C), а потребляемая мощность составляет всего 0,12 Вт. Передача данных осуществляется через интерфейс RS485 и протокол MODBUS, что делает их идеальными для построения распределенной интеллектуальной сети мониторинга.
Таблица: Сравнение производительности основного оборудования для мониторинга осадков
Тип оборудования, принцип работы, преимущества и недостатки, типичная точность, применимые сценарии
Традиционный дождемер собирает дождевую воду непосредственно для измерения, отличается простой конструкцией, высокой надежностью, не требует источника питания и ручного считывания показаний, а также имеет единственную функцию ±4% для метеорологических опорных станций и точек ручного наблюдения.
Механизм опрокидывающегося ковша дождемера преобразует количество осадков в электрические сигналы для автоматического измерения. Данные легко передаются. Механические компоненты могут изнашиваться и требуют регулярного обслуживания. ±3% (интенсивность дождя 2 мм/мин), автоматическая метеостанция, пункты гидрологического мониторинга.
Пьезоэлектрический датчик дождя генерирует электрические сигналы, используя кинетическую энергию капель дождя, для анализа. Он не имеет подвижных частей, отличается высоким разрешением, относительно высокой стоимостью защиты от помех и требует алгоритма обработки сигнала с точностью ≤±4% для использования в дорожной метеорологии, автоматических полевых станциях и умных городах.
Помимо наземного стационарного оборудования для мониторинга, технология измерения осадков также развивается в направлении дистанционного зондирования с помощью космических и воздушных средств. Наземный радар дождя определяет интенсивность осадков, излучая электромагнитные волны и анализируя рассеянные эхо-сигналы облачных и дождевых частиц. Он может обеспечить широкомасштабный непрерывный мониторинг, но на него сильно влияют перекрытие рельефа и городская застройка. Технология спутникового дистанционного зондирования «обходит стороной» осадки на Земле из космоса. Среди них пассивное микроволновое дистанционное зондирование использует интерференцию частиц осадков с фоновым излучением для инверсии, в то время как активное микроволновое дистанционное зондирование (например, радар DPR спутника GPM) напрямую излучает сигналы и принимает эхо-сигналы, а также рассчитывает интенсивность осадков 49 через соотношение ZR (Z=aR^b). Хотя технология дистанционного зондирования имеет широкий охват, ее точность по-прежнему зависит от калибровки данных наземного дождемера. Например, оценка в бассейне реки Лаоха в Китае показывает, что отклонение между спутниковым продуктом осадков 3B42V6 и наземными наблюдениями составляет 21%, в то время как отклонение продукта в реальном времени 3B42RT достигает 81%.
При выборе оборудования для мониторинга осадков необходимо учитывать такие факторы, как точность измерений, адаптируемость к окружающей среде, требования к техническому обслуживанию и стоимость. Традиционные дождемеры подходят в качестве эталонного оборудования для проверки данных. Дождемер с опрокидывающимся ковшом обеспечивает баланс между стоимостью и производительностью и является стандартной конфигурацией автоматических метеостанций. Пьезоэлектрические датчики, отличающиеся исключительной адаптируемостью к окружающей среде и высоким уровнем интеллекта, постепенно расширяют свое применение в области специального мониторинга. С развитием Интернета вещей и технологий искусственного интеллекта мультитехнологичная интегрированная сеть мониторинга станет будущим трендом, позволяя создать комплексную систему мониторинга осадков, объединяющую точки и поверхности, а также интегрирующую данные с воздуха и земли.
Разнообразные сценарии применения оборудования для мониторинга осадков
Данные об осадках, являясь одним из основных метеорологических и гидрологических параметров, расширили свои области применения, охватывая не только традиционные метеорологические наблюдения, но и множество других аспектов, таких как борьба с наводнениями в городах, сельскохозяйственное производство и управление дорожным движением, формируя комплексную модель применения, охватывающую важные отрасли национальной экономики. С развитием технологий мониторинга и расширением возможностей анализа данных оборудование для мониторинга осадков играет ключевую роль во всё большем количестве сценариев, предоставляя человечеству научную основу для решения проблем, связанных с изменением климата и водными ресурсами.
Метеорологический и гидрологический мониторинг и раннее предупреждение о стихийных бедствиях
Метеорологический и гидрологический мониторинг – наиболее традиционная и важная область применения оборудования для измерения осадков. В национальной сети метеорологических станций дождемеры и дождемеры с опрокидывающимся ковшом составляют инфраструктуру для сбора данных об осадках. Эти данные являются не только важными входными параметрами для прогнозирования погоды, но и базовыми данными для климатических исследований. Сеть дождемеров мезомасштаба (MESONET), созданная в Мумбаи, продемонстрировала ценность сети мониторинга с высокой плотностью: анализируя данные сезона муссонов с 2020 по 2022 год, исследователи успешно рассчитали, что средняя скорость движения ливневых дождей составляла 10,3–17,4 километра в час, а направление – 253–260 градусов. Эти результаты имеют большое значение для совершенствования модели прогнозирования ливневых дождей в городах. В Китае в «14-м пятилетнем плане развития гидрологии» четко указано на необходимость улучшения сети гидрологического мониторинга, повышения плотности и точности мониторинга осадков, а также оказания поддержки в принятии решений по борьбе с наводнениями и ликвидации последствий засухи.
В системе раннего оповещения о наводнениях данные мониторинга осадков в режиме реального времени играют незаменимую роль. Датчики осадков широко используются в системах автоматического гидрологического мониторинга и отчетности, предназначенных для борьбы с наводнениями, диспетчеризации водоснабжения и управления состоянием воды на электростанциях и водохранилищах. Когда интенсивность осадков превышает заданное пороговое значение, система автоматически выдает предупреждение, напоминая жителям расположенных ниже по течению территорий о необходимости подготовки к борьбе с наводнениями. Например, датчик осадков с опрокидывающимся ковшом FF-YL имеет функцию трехпериодной иерархической сигнализации. Он может подавать звуковые, световые и голосовые сигналы различной интенсивности в зависимости от накопленного количества осадков, что позволяет выиграть драгоценное время для предотвращения и ликвидации последствий стихийных бедствий. Беспроводное решение для мониторинга осадков от компании Campbell Scientific (США) реализует передачу данных в режиме реального времени через интерфейс серии CWS900, что значительно повышает эффективность мониторинга в 10 раз.
Приложения для городского управления и транспорта
Строительство умных городов открыло новые возможности для применения технологий мониторинга осадков. Распределённые датчики осадков, используемые для мониторинга городских дренажных систем, позволяют в режиме реального времени отслеживать интенсивность осадков в каждой зоне. В сочетании с моделью дренажной сети они позволяют прогнозировать риск городских наводнений и оптимизировать управление насосными станциями. Пьезоэлектрические датчики дождя благодаря компактным размерам (например, FT-Y1) и высокой адаптивности к окружающей среде особенно подходят для скрытой установки в городских условиях. 25. Службы по борьбе с наводнениями в мегаполисах, таких как Пекин, начали пилотировать интеллектуальные сети мониторинга осадков на основе Интернета вещей. Благодаря объединению данных с нескольких датчиков они стремятся добиться точного прогнозирования и быстрого реагирования на городские наводнения.
В сфере управления дорожным движением датчики дождя стали важным компонентом интеллектуальных транспортных систем. Устройства для измерения осадков, установленные вдоль скоростных автомагистралей и городских магистралей, могут отслеживать интенсивность осадков в режиме реального времени. При обнаружении сильного дождя они автоматически активируют дорожные знаки с изменяемой информацией, предупреждающие об ограничении скорости или активирующие систему дренажа туннелей. Что еще более примечательно, так это популярность автомобильных датчиков дождя — эти оптические или емкостные датчики, обычно скрытые за лобовым стеклом, могут автоматически регулировать скорость стеклоочистителей в зависимости от количества осадков, падающих на стекло, что значительно повышает безопасность вождения в дождливую погоду. На мировом рынке автомобильных датчиков дождя доминируют такие поставщики, как Kostar, Bosch и Denso. Эти высокоточные устройства представляют собой передовой уровень технологии измерения дождя.
Сельскохозяйственное производство и экологические исследования
Развитие точного земледелия неотделимо от мониторинга осадков на уровне полей. Данные об осадках помогают фермерам оптимизировать планы орошения, избегая потерь воды и обеспечивая при этом удовлетворение потребностей сельскохозяйственных культур в воде. Датчики дождя (например, дождемеры из нержавеющей стали), установленные на сельскохозяйственных и лесных метеорологических станциях, обладают высокой устойчивостью к ржавчине и превосходным внешним видом, а также могут стабильно работать в дикой природе в течение длительного времени. В холмистых и горных районах распределенная развернутая сеть мониторинга осадков может регистрировать пространственные различия в количестве осадков и предоставлять персонализированные сельскохозяйственные рекомендации для различных участков. Некоторые передовые хозяйства начали пытаться связать данные об осадках с автоматическими системами орошения для достижения по-настоящему интеллектуального управления водными ресурсами.
Исследования в области экогидрологии также опираются на высококачественные наблюдения за осадками. При изучении лесных экосистем внутрилесной мониторинг осадков позволяет анализировать влияние перехвата осадков пологом леса. В области защиты водно-болотных угодий данные об осадках являются ключевыми входными данными для расчета водного баланса; в области сохранения почв и водных ресурсов информация об интенсивности осадков напрямую связана с точностью моделей эрозии почвы17. Исследователи, работающие в бассейне реки Олд-Ха в Китае, использовали данные наземных осадкомеров для оценки точности спутниковых измерений осадков, таких как TRMM и CMORPH, что обеспечивает ценную основу для совершенствования алгоритмов дистанционного зондирования. Этот вид «комбинированного наземно-космического» мониторинга становится новой парадигмой в исследованиях в области экогидрологии.
Специальные области и новые приложения
Энергетическая отрасль также начала уделять большое внимание мониторингу осадков. Ветряные электростанции используют данные об осадках для оценки риска обледенения лопастей, а гидроэлектростанции оптимизируют свои планы выработки электроэнергии на основе прогноза осадков в бассейне. Пьезоэлектрический датчик дождя FT-Y1 применяется в системе мониторинга окружающей среды ветроэлектростанций. Его широкий диапазон рабочих температур от -40 до 85 °C особенно подходит для долгосрочного мониторинга в суровых климатических условиях.
В аэрокосмической отрасли особые требования к мониторингу осадков. Сеть мониторинга осадков вокруг взлётно-посадочной полосы аэропорта гарантирует безопасность полётов, в то время как на стартовой площадке ракеты необходимо точно отслеживать характер осадков для обеспечения безопасности запуска. Среди этих ключевых областей применения в качестве основных датчиков часто выбирают высоконадёжные дождемеры с опрокидывающимся стаканом (например, Campbell TE525MM). Их точность ±1% (при интенсивности дождя ≤10 мм/ч) и конструкция, допускающая установку ветрозащитных колец, соответствуют строгим отраслевым стандартам 10.
Научные исследования и образование также расширяют применение оборудования для мониторинга осадков. Датчики осадков используются в качестве учебного и экспериментального оборудования на курсах метеорологии, гидрологии и наук об окружающей среде в колледжах и техникумах, помогая студентам понять принцип измерения осадков. Гражданские научные проекты стимулируют участие общественности в наблюдении за осадками и расширяют охват сети мониторинга за счет использования недорогих дождемеров. Образовательная программа GPM (Глобальное измерение осадков) в США наглядно демонстрирует студентам принципы и применение технологий дистанционного зондирования посредством сравнительного анализа спутниковых и наземных данных об осадках.
С развитием Интернета вещей, больших данных и технологий искусственного интеллекта мониторинг осадков эволюционирует от единичного измерения осадков к многопараметрическому совместному восприятию и интеллектуальной поддержке принятия решений. Будущая система мониторинга осадков будет более тесно интегрирована с другими датчиками окружающей среды (такими как влажность, скорость ветра, влажность почвы и т.д.), формируя комплексную сеть восприятия окружающей среды, предоставляя человечеству более полную и точную информационную поддержку для решения проблем изменения климата и водных ресурсов.
Сравнение текущего состояния применения технологии глобального мониторинга газа в разных странах
Технология мониторинга газа, как и мониторинг осадков, является важным компонентом в области восприятия окружающей среды и играет ключевую роль в глобальном изменении климата, промышленной безопасности, здравоохранении и других аспектах. Основываясь на своих промышленных структурах, экологической политике и технологическом уровне, разные страны и регионы представляют отличительные модели развития в исследованиях и применении технологий мониторинга газа. Будучи крупной страной-производителем и быстро развивающимся центром технологических инноваций, Китай добился значительного прогресса в исследованиях, разработках и применении газовых датчиков. Соединенные Штаты, опираясь на свой сильный технологический потенциал и полную систему стандартов, сохраняют лидирующие позиции в технологиях мониторинга газа и областях их применения с высокой добавленной стоимостью. Европейские страны продвигают инновации в технологиях мониторинга со строгими нормами защиты окружающей среды. Япония и Южная Корея занимают важные позиции в области потребительской электроники и автомобильных газовых датчиков.
Разработка и применение технологии мониторинга газа в Китае
Технология мониторинга газа в Китае в последние годы демонстрирует тенденцию к ускоренному развитию и достигла значительного прогресса во многих областях, таких как промышленная безопасность, мониторинг окружающей среды и медицинское здравоохранение. Политическое руководство является важной движущей силой быстрого расширения рынка мониторинга газа в Китае. «14-й пятилетний план по безопасному производству опасных химических веществ» четко требует, чтобы химические промышленные парки создали полномасштабную систему мониторинга токсичных и вредных газов и раннего оповещения, а также содействовали созданию интеллектуальной платформы управления рисками. В рамках этой политики бытовое оборудование для мониторинга газа широко применяется в отраслях с высоким уровнем риска, таких как нефтехимия и угольные шахты. Например, электрохимические детекторы токсичных газов и инфракрасные детекторы горючих газов стали стандартными конфигурациями для промышленной безопасности.
В области мониторинга окружающей среды Китай создал крупнейшую в мире сеть мониторинга качества воздуха, охватывающую 338 городов уровня префектуры и выше по всей стране. Эта сеть в основном отслеживает шесть параметров, а именно SO₂, NO₂, CO, O₃, PM₂.₅ и PM₁₀, среди которых первые четыре являются газообразными загрязняющими веществами. Данные Национального центра мониторинга окружающей среды Китая показывают, что по состоянию на 2024 год существовало более 1400 станций мониторинга качества воздуха национального уровня, все из которых оснащены автоматическими газоанализаторами. Данные в режиме реального времени предоставляются общественности через «Национальную платформу мониторинга качества городского воздуха в режиме реального времени». Этот масштабный и высокоплотный потенциал мониторинга обеспечивает научную основу для действий Китая по предотвращению и контролю загрязнения воздуха.
Пожалуйста, свяжитесь с Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Сайт компании:www.hondetechco.com
Тел.: +86-15210548582
Время публикации: 11 июня 2025 г.