На тлі посилення глобальної зміни клімату точний моніторинг опадів стає все більш важливим для боротьби з повенями та полегшення наслідків посухи, управління водними ресурсами та метеорологічних досліджень. Обладнання для моніторингу опадів, як основний інструмент для збору даних про опади, еволюціонувало від традиційних механічних опадомірів до інтелектуальних сенсорних систем, що інтегрують технології Інтернету речей та штучного інтелекту. У цій статті буде всебічно представлено технічні характеристики та різноманітні сценарії застосування опадомірів та датчиків опадів, а також проаналізовано поточний стан застосування глобальної технології моніторингу газу. Особлива увага буде приділена тенденціям розвитку в галузі моніторингу газу в таких країнах, як Китай та Сполучені Штати, представлені читачам останні досягнення та майбутні тенденції технології моніторингу опадів.
Технологічна еволюція та основні характеристики обладнання для моніторингу опадів
Опади, як ключова ланка у кругообігу води, та їх точне вимірювання мають велике значення для метеорологічного прогнозування, гідрологічних досліджень та раннього попередження про стихійні лиха. Обладнання для моніторингу опадів, після століття розвитку, сформувало повний технічний спектр від традиційних механічних пристроїв до високотехнологічних інтелектуальних датчиків, що задовольняють потреби моніторингу в різних сценаріях. Сучасне обладнання для моніторингу опадів включає в себе переважно традиційні дощоміри, перекидні дощоміри та нові п'єзоелектричні датчики дощу тощо. Кожен з них має свої власні характеристики та демонструє очевидні відмінності з точки зору точності, надійності та застосовних середовищ.
Традиційний опадомір є найфундаментальнішим методом вимірювання опадів. Його конструкція проста, але ефективна. Стандартні опадоміри зазвичай виготовляються з нержавіючої сталі з діаметром водоутримуючого отвору Ф200±0,6 мм. Вони можуть вимірювати кількість опадів з інтенсивністю ≤4 мм/хв з роздільною здатністю 0,2 мм (що відповідає 6,28 мл об'єму води). В умовах статичних випробувань у приміщенні їхня точність може досягати ±4%. Цей механічний пристрій не потребує зовнішнього джерела живлення та працює на основі чисто фізичних принципів. Він відрізняється високою надійністю та легкістю обслуговування. Зовнішній вигляд опадоміра також досить ретельний. Випускний отвір для дощу виготовлено з листа нержавіючої сталі шляхом загального штампування та креслення, з високим ступенем гладкості, що може ефективно зменшити похибку, спричинену затримкою води. Горизонтальна регулювальна бульбашка, встановлена всередині, допомагає користувачам налаштувати обладнання для найкращого робочого стану. Хоча традиційні опадоміри мають обмеження щодо автоматизації та функціональної масштабованості, авторитетність їхніх вимірювальних даних робить їх досі еталонним обладнанням для метеорологічних та гідрологічних служб для проведення бізнес-спостережень та порівнянь.
Датчик дощоміра з перекидним ковшем досяг значного прогресу в автоматизованому вимірюванні та виведенні даних на основі традиційного циліндра дощоміра. Цей тип датчика перетворює опади на електричний сигнал за допомогою ретельно розробленого механізму подвійного перекидного ковша – коли одне з ковшів отримує воду до заданого значення (зазвичай 0,1 мм або 0,2 мм опадів), воно перекидається під дією сили тяжіння та одночасно генерує імпульсний сигнал 710 через магнітний сталевий механізм та герконовий перемикач. Типовим представником є датчик дощоміра FF-YL, вироблений компанією Hebei Feimeng Electronic Technology Co., Ltd. У цьому пристрої використовується компонент перекидного ковша, виготовлений методом лиття під тиском інженерних пластмас. Опорна система добре виготовлена та має малий момент опору тертя. Тому вона чутлива до перекидання та має стабільну роботу. Датчик дощоміра з перекидним ковшем має добру лінійність та високу стійкість до перешкод. Крім того, воронка має сітчасті отвори, щоб запобігти стікання дощової води листям та іншим сміттям, що значно підвищує надійність роботи на відкритому повітрі. Перекидний ковшовий дощомір серії TE525MM компанії Campbell Scientific у Сполучених Штатах покращив точність вимірювання кожного ковша до 0,1 мм. Крім того, вплив сильного вітру на точність вимірювання можна зменшити, вибравши вітрозахисний екран або обладнавши бездротовий інтерфейс для дистанційної передачі даних.
П'єзоелектричний датчик дощу являє собою найвищий рівень сучасної технології моніторингу дощу. Він повністю відмовляється від механічних рухомих частин та використовує п'єзоелектричну плівку PVDF як датчик дощу. Він вимірює опади, аналізуючи сигнал кінетичної енергії, що генерується ударом крапель дощу. П'єзоелектричний датчик дощу FT-Y1, розроблений компанією Shandong Fengtu Internet of Things Technology Co., Ltd., є типовим продуктом цієї технології. Він використовує вбудовану нейронну мережу штучного інтелекту для розрізнення сигналів крапель дощу та може ефективно уникати хибних спрацьовувань, спричинених такими перешкодами, як пісок, пил та вібрація 25. Цей датчик має багато революційних переваг: інтегровану конструкцію без відкритих компонентів та здатність фільтрувати сигнали перешкод навколишнього середовища; широкий діапазон вимірювання (0-4 мм/хв), а роздільна здатність сягає 0,01 мм. Частота дискретизації висока (<1 секунди), і він може точно контролювати тривалість дощу з точністю до секунди. Він має дугоподібну конструкцію контактної поверхні, не накопичує дощову воду та дійсно не потребує обслуговування. Діапазон робочих температур п'єзоелектричних датчиків надзвичайно широкий (від -40 до 85℃), а споживана потужність становить лише 0,12 Вт. Передача даних здійснюється через інтерфейс RS485 та протокол MODBUS, що робить їх дуже придатними для побудови розподіленої інтелектуальної мережі моніторингу.
Таблиця: Порівняння продуктивності основного обладнання для моніторингу опадів
Тип обладнання, принцип роботи, переваги та недоліки, типова точність, застосовні сценарії
Традиційний опадомір безпосередньо збирає дощову воду для вимірювання, має просту структуру, високу надійність, не потребує живлення та ручного зчитування, а також має єдину функцію: метеорологічні опорні станції з точністю ±4% та пункти ручного спостереження.
Механізм перекидання ковша опадоміра перетворює кількість опадів на електричні сигнали для автоматичного вимірювання. Дані легко передавати. Механічні компоненти можуть зношуватися та потребують регулярного обслуговування. ±3% (інтенсивність дощу 2 мм/хв) автоматична метеостанція, пункти гідрологічного моніторингу
П'єзоелектричний датчик дощу генерує електричні сигнали з кінетичної енергії крапель дощу для аналізу. Він не має рухомих частин, має високу роздільну здатність, відносно високу вартість захисту від перешкод та потребує алгоритму обробки сигналу ≤±4% для дорожньої метеорології, автоматичних польових станцій та розумних міст.
Окрім наземного стаціонарного моніторингового обладнання, технологія вимірювання опадів також розвивається в напрямку космічного та повітряного дистанційного зондування. Наземний дощовий радар визначає інтенсивність опадів, випромінюючи електромагнітні хвилі та аналізуючи розсіяні відлуння хмарних і дощових частинок. Він може здійснювати масштабний безперервний моніторинг, але на нього значно впливає оклюзія рельєфу та міська забудова. Супутникова технологія дистанційного зондування «не помічає» земні опади з космосу. Серед них пасивне мікрохвильове дистанційне зондування використовує інтерференцію частинок опадів на фоновому випромінюванні для інверсії, тоді як активне мікрохвильове дистанційне зондування (наприклад, радар DPR супутника GPM) безпосередньо випромінює сигнали та приймає відлуння, а також обчислює інтенсивність опадів 49 за співвідношенням ZR (Z=aR^b). Хоча технологія дистанційного зондування має широке покриття, її точність все ще залежить від калібрування даних наземного опадоміра. Наприклад, оцінка в басейні річки Лаоха в Китаї показує, що відхилення між продуктом супутникових опадів 3B42V6 та наземними спостереженнями становить 21%, тоді як відхилення продукту реального часу 3B42RT сягає 81%.
Вибір обладнання для моніторингу опадів повинен всебічно враховувати такі фактори, як точність вимірювання, адаптивність до навколишнього середовища, вимоги до обслуговування та вартість. Традиційні опадоміри підходять як еталонне обладнання для перевірки даних. Перекидний ковшовий опадомір забезпечує баланс між вартістю та продуктивністю і є стандартною конфігурацією в автоматичних метеостанціях. П'єзоелектричні датчики, завдяки своїй видатній адаптивності до навколишнього середовища та рівню інтелектуальності, поступово розширюють своє застосування в галузі спеціального моніторингу. З розвитком Інтернету речей та технологій штучного інтелекту, багатотехнологічна інтегрована мережа моніторингу стане майбутньою тенденцією, що дозволить створити комплексну систему моніторингу опадів, яка поєднує точки та поверхні, а також інтегрує повітря та землю.
Різноманітні сценарії застосування обладнання для моніторингу опадів
Дані про опади, як фундаментальний метеорологічний та гідрологічний параметр, розширили сфери свого застосування від традиційних метеорологічних спостережень до багатьох аспектів, таких як боротьба з повенями в містах, сільськогосподарське виробництво та управління дорожнім рухом, формуючи всебічну схему застосування, що охоплює важливі галузі національної економіки. З розвитком технологій моніторингу та вдосконаленням можливостей аналізу даних, обладнання для моніторингу опадів відіграє ключову роль у більшій кількості сценаріїв, забезпечуючи наукову основу для людського суспільства для вирішення проблем зміни клімату та водних ресурсів.
Метеорологічний та гідрологічний моніторинг і раннє попередження про стихійні лиха
Метеорологічний та гідрологічний моніторинг є найтрадиційнішою та найважливішою сферою застосування обладнання для вимірювання опадів. У національній мережі метеорологічних станцій спостереження опадоміри та ковшові опадоміри складають інфраструктуру для збору даних про опади. Ці дані є не лише важливими вхідними параметрами для прогнозування погоди, але й базовими даними для кліматичних досліджень. Мережа опадомірів масштабу MESO (MESONET), створена в Мумбаї, продемонструвала цінність мережі моніторингу високої щільності – аналізуючи дані сезону мусонів з 2020 по 2022 рік, дослідники успішно підрахували, що середня швидкість руху сильної дощу становила 10,3-17,4 кілометра на годину, а напрямок знаходився між 253-260 градусами. Ці результати мають велике значення для вдосконалення моделі прогнозування міських дощів. У Китаї «14-й п'ятирічний план гідрологічного розвитку» чітко зазначає необхідність удосконалення мережі гідрологічного моніторингу, збільшення щільності та точності моніторингу опадів, а також надання підтримки для боротьби з повенями та прийняття рішень щодо полегшення наслідків посухи.
У системі раннього попередження про повені дані моніторингу опадів у режимі реального часу відіграють незамінну роль. Датчики опадів широко використовуються в системах автоматичного гідрологічного моніторингу та звітності, спрямованих на боротьбу з повенями, диспетчеризацію водопостачання та управління станом води на електростанціях і водосховищах. Коли інтенсивність опадів перевищує встановлений поріг, система може автоматично запускати попередження, щоб нагадати районам, що знаходяться нижче за течією, про необхідність підготовки до боротьби з повенями. Наприклад, датчик опадів з перекидним ковшем FF-YL має триперіодну ієрархічну функцію сигналізації про опади. Він може видавати різні рівні звукових, світлових та голосових сигналів на основі накопичених опадів, таким чином купуючи дорогоцінний час для запобігання стихійним лихам та їх пом'якшення. Бездротове рішення для моніторингу опадів від компанії Campbell Scientific у Сполучених Штатах реалізує передачу даних у режимі реального часу через інтерфейс серії CWS900, що значно підвищує ефективність моніторингу в 10 разів.
Управління міськими районами та транспортні програми
Будівництво розумних міст принесло нові сценарії застосування технології моніторингу опадів. Під час моніторингу міських дренажних систем розподілені датчики опадів можуть фіксувати інтенсивність опадів у кожній зоні в режимі реального часу. У поєднанні з моделлю дренажної мережі вони можуть прогнозувати ризик міських повеней та оптимізувати диспетчеризацію насосних станцій. П'єзоелектричні датчики дощу, завдяки своїм компактним розмірам (наприклад, FT-Y1) та високій адаптивності до навколишнього середовища, особливо підходять для прихованого встановлення в міському середовищі.25 Департаменти боротьби з повенями в мегаполісах, таких як Пекін, розпочали пілотне впровадження інтелектуальних мереж моніторингу опадів на основі Інтернету речей. Завдяки об'єднанню даних кількох датчиків вони прагнуть досягти точного прогнозування та швидкого реагування на міські повені.
У сфері управління дорожнім рухом датчики дощу стали важливим компонентом інтелектуальних транспортних систем. Пристрої контролю дощу, встановлені вздовж швидкісних автомагістралей та міських швидкісних магістралей, можуть контролювати інтенсивність опадів у режимі реального часу. Коли виявляється сильна злива, вони автоматично активують змінні дорожні знаки, щоб видавати попередження про обмеження швидкості або активувати систему водовідведення тунелю. Ще більш вражаючою є популярність автомобільних датчиків дощу – ці оптичні або ємнісні датчики, зазвичай приховані за лобовим склом, можуть автоматично регулювати швидкість склоочисників відповідно до кількості дощу, що падає на скло, значно підвищуючи безпеку водіння в дощову погоду. На світовому ринку автомобільних датчиків дощу в основному домінують такі постачальники, як Kostar, Bosch та Denso. Ці прецизійні пристрої представляють передовий рівень технології вимірювання дощу.
Сільськогосподарське виробництво та екологічні дослідження
Розвиток точного землеробства невіддільний від моніторингу опадів у польових масштабах. Дані про опади допомагають фермерам оптимізувати плани зрошення, уникаючи втрат води, водночас забезпечуючи задоволення потреб сільськогосподарських культур у воді. Датчики дощу (такі як опадоміри з нержавіючої сталі), встановлені на сільськогосподарських та лісових метеорологічних станціях, мають характеристики високої стійкості до іржі та відмінного зовнішнього вигляду, і можуть стабільно працювати в дикому середовищі протягом тривалого часу. У горбистих та гірських районах розподілена розгорнута мережа моніторингу опадів може фіксувати просторові відмінності в опадах та надавати персоналізовані сільськогосподарські поради для різних ділянок. Деякі передові ферми почали намагатися пов'язати дані про опади з автоматичними системами зрошення для досягнення справжнього інтелектуального управління водними ресурсами.
Екогідрологічні дослідження також спираються на високоякісні спостереження за опадами. При вивченні лісових екосистем, внутрішньолісовий моніторинг опадів може аналізувати вплив перехоплення пологом на опади. У захисті водно-болотних угідь дані про опади є ключовими вхідними даними для розрахунку водного балансу; у сфері збереження ґрунтів та води інформація про інтенсивність дощу безпосередньо пов'язана з точністю моделей ерозії ґрунту 17. Дослідники в басейні річки Старий Ха в Китаї використовували дані наземних опадомірів для оцінки точності супутникових продуктів опадів, таких як TRMM та CMORPH, що забезпечило цінну основу для вдосконалення алгоритмів дистанційного зондування. Такий метод моніторингу «комбінований космос-наземний» стає новою парадигмою в екогідрологічних дослідженнях.
Спеціальні галузі та нові застосування
Енергетична промисловість також почала надавати значення моніторингу опадів. Вітрові електростанції використовують дані про опади для оцінки ризику обмерзання лопатей, а гідроелектростанції оптимізують свої плани виробництва електроенергії на основі прогнозу опадів для басейну. П'єзоелектричний датчик дощу FT-Y1 застосовується в системі моніторингу навколишнього середовища вітрових електростанцій. Його широкий робочий діапазон температур від -40 до 85℃ особливо підходить для тривалого моніторингу в суворих кліматичних умовах.
Аерокосмічна галузь має особливі вимоги до моніторингу опадів. Мережа моніторингу опадів навколо злітно-посадкової смуги аеропорту гарантує безпеку авіації, тоді як місце запуску ракети повинно точно оцінювати ситуацію з опадами, щоб забезпечити безпеку запуску. Серед цих ключових застосувань високонадійні ковшові дощоміри (такі як Campbell TE525MM) часто обираються як основні датчики. Їхня точність ±1% (за інтенсивності дощу ≤10 мм/год) та конструкція, яку можна оснастити вітрозахисними кільцями, відповідають суворим галузевим стандартам 10.
У сферах наукових досліджень та освіти також розширюється застосування обладнання для моніторингу опадів. Датчики опадів використовуються як навчальне та експериментальне обладнання на спеціальностях метеорології, гідрології та екологічних наук у коледжах та технічних середніх школах, щоб допомогти студентам зрозуміти принцип вимірювання опадів. Громадянські наукові проекти заохочують участь громадськості у спостереженні за опадами та розширюють охоплення мережі моніторингу за допомогою недорогих опадомірів. Освітня програма GPM (Глобальне вимірювання опадів) у Сполучених Штатах яскраво демонструє студентам принципи та застосування технології дистанційного зондування шляхом порівняльного аналізу супутникових та наземних даних про опади.
З розвитком технологій Інтернету речей, великих даних та штучного інтелекту, моніторинг опадів еволюціонує від вимірювання окремих опадів до багатопараметричного спільного сприйняття та інтелектуальної підтримки рішень. Майбутня система моніторингу опадів буде тісніше інтегрована з іншими датчиками навколишнього середовища (такими як вологість, швидкість вітру, вологість ґрунту тощо) для формування комплексної мережі сприйняття навколишнього середовища, забезпечуючи більш повну та точну підтримку даних для людського суспільства для вирішення проблем зміни клімату та водних ресурсів.
Порівняння поточного стану застосування глобальної технології газового моніторингу з країнами
Технологія моніторингу газу, як і моніторинг опадів, є важливим компонентом у сфері сприйняття навколишнього середовища та відіграє ключову роль у глобальній зміні клімату, промисловій безпеці, громадському здоров'ї та інших аспектах. Виходячи зі своїх промислових структур, екологічної політики та технологічного рівня, різні країни та регіони демонструють різні моделі розвитку в дослідженнях та застосуванні технологій моніторингу газу. Як велика країна-виробник та швидкозростаючий центр технологічних інновацій, Китай досяг значного прогресу в дослідженнях, розробках та застосуванні газових сенсорів. Сполучені Штати, спираючись на свою сильну технологічну потужність та повну систему стандартів, утримують лідируючі позиції в технології моніторингу газу та галузях високого застосування. Європейські країни сприяють інноваціям у технологіях моніторингу за допомогою суворих правил охорони навколишнього середовища. Японія та Південна Корея займають важливі позиції в галузях побутової електроніки та автомобільних газових сенсорів.
Розробка та застосування технології газового моніторингу в Китаї
Китайська технологія газового моніторингу продемонструвала прискорений розвиток за останні роки та досягла значного прогресу в багатьох галузях, таких як промислова безпека, моніторинг навколишнього середовища та охорона здоров'я. Політичні рекомендації є важливою рушійною силою для швидкого розширення ринку газового моніторингу Китаю. «14-й п'ятирічний план безпечного виробництва небезпечних хімічних речовин» чітко вимагає від хімічних промислових парків створити повноцінну систему моніторингу токсичних і шкідливих газів та раннього попередження, а також сприяти створенню інтелектуальної платформи контролю ризиків. Відповідно до цієї політики, побутове обладнання для газового моніторингу широко застосовується у галузях високого ризику, таких як нафтохімічна промисловість та вугільні шахти. Наприклад, електрохімічні детектори токсичних газів та інфрачервоні детектори горючих газів стали стандартними конфігураціями для промислової безпеки.
У сфері моніторингу навколишнього середовища Китай створив найбільшу у світі мережу моніторингу якості повітря, яка охоплює 338 міст префектурного рівня та вище по всій країні. Ця мережа в основному контролює шість параметрів, а саме: SO₂, NO₂, CO, O₃, PM₂.₅ та PM₁₀, серед яких перші чотири є газоподібними забруднювачами. Дані Китайського національного центру моніторингу навколишнього середовища показують, що станом на 2024 рік існує понад 1400 станцій моніторингу якості повітря національного рівня, всі з яких оснащені автоматичними газоаналізаторами. Дані в режимі реального часу надаються громадськості через «Національну платформу релізів інформації про якість міського повітря в режимі реального часу». Ця масштабна та щільна мережа моніторингу забезпечує наукову основу для дій Китаю щодо запобігання та контролю забруднення повітря.
Будь ласка, зв'яжіться з компанією Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Вебсайт компанії:www.hondetechco.com
Тел.: +86-15210548582
Час публікації: 11 червня 2025 р.