На фона на засилените глобални климатични промени, прецизното наблюдение на валежите става все по-важно за контрол на наводненията и облекчаване на сушата, управление на водните ресурси и метеорологични изследвания. Оборудването за наблюдение на валежите, като основен инструмент за събиране на данни за валежите, еволюира от традиционни механични дъждомери до интелигентни сензорни системи, интегриращи технологиите на Интернет на нещата и изкуствения интелект. Тази статия ще представи подробно техническите характеристики и разнообразните сценарии на приложение на дъждомерите и сензорите за валежи, както и ще анализира текущото състояние на приложението на глобалната технология за мониторинг на газ. Специално внимание ще бъде обърнато на тенденциите в развитието в областта на мониторинга на газ в страни като Китай и Съединените щати, като ще бъде представен на читателите най-новият напредък и бъдещите тенденции в технологията за мониторинг на валежите.
Технологичната еволюция и основните характеристики на оборудването за мониторинг на валежите
Валежите, като ключово звено във водния цикъл, и прецизното им измерване са от голямо значение за метеорологичните прогнози, хидрологичните изследвания и ранното предупреждение за бедствия. След век развитие, оборудването за мониторинг на валежите е формирало пълен технически спектър от традиционни механични устройства до високотехнологични интелигентни сензори, отговарящи на нуждите от мониторинг в различни сценарии. Съвременното масово оборудване за мониторинг на валежите включва главно традиционни дъждомери, дъждомери с кофа и нововъзникващите пиезоелектрични сензори за дъжд и др. Всеки от тях има свои собствени характеристики и показва очевидни диференцирани характеристики по отношение на точност, надеждност и приложима среда.
Традиционният дъждомер представлява най-фундаменталният метод за измерване на валежите. Дизайнът му е прост, но ефективен. Стандартните дъждомери обикновено са изработени от неръждаема стомана, с диаметър за задържане на вода Ф200±0,6 мм. Те могат да измерват валежи с интензитет ≤4 мм/мин, с разделителна способност 0,2 мм (съответстващо на 6,28 мл воден обем). При статични тестови условия на закрито, тяхната точност може да достигне ±4%. Това механично устройство не изисква външно захранване и работи на базата на чисто физически принципи. То се отличава с висока надеждност и лесна поддръжка. Външният дизайн на дъждомера също е доста прецизен. Изходът за дъжд е изработен от лист неръждаема стомана чрез цялостно щамповане и изтегляне, с висока степен на гладкост, което може ефективно да намали грешката, причинена от задържане на вода. Хоризонталният балон за регулиране, разположен вътре, помага на потребителите да настроят оборудването до най-добро работно състояние. Въпреки че традиционните дъждомери имат ограничения по отношение на автоматизацията и функционалната мащабируемост, авторитетът на техните данни от измерванията ги прави все още еталонно оборудване за метеорологичните и хидрологичните отдели за провеждане на бизнес наблюдения и сравнения и до днес.
Сензорът за дъждомер с кофа за накланяне е постигнал скок в автоматизираното измерване и извеждане на данни на базата на традиционния цилиндър за дъждомер. Този тип сензор преобразува валежите в електрически сигнал чрез внимателно проектиран механизъм за двойна кофа за накланяне – когато едната от кофите получи вода до предварително определена стойност (обикновено 0,1 мм или 0,2 мм валежи), тя се преобръща сама поради гравитацията и едновременно с това генерира импулсен сигнал 710 чрез механизма от магнитна стомана и рийд превключвател. Сензорът за дъждомер FF-YL, произведен от Hebei Feimeng Electronic Technology Co., Ltd., е типичен представител. Това устройство използва компонента на кофата за накланяне, образуван чрез шприцване на инженерни пластмаси. Опорната система е добре изработена и има малък момент на съпротивление на триене. Следователно, тя е чувствителна към обръщане и има стабилна работа. Сензорът за дъждомер с кофа за накланяне има добра линейност и силна способност за противодействие на смущенията. Освен това, фунията е проектирана с мрежести отвори, за да се предотврати оттичането на дъждовната вода от листа и други отпадъци, което значително подобрява надеждността на работа във външна среда. Дъждомерът с кофа от серията TE525MM на компанията Campbell Scientific в Съединените щати е подобрил точността на измерване на всяка кофа до 0,1 мм. Освен това, влиянието на силния вятър върху точността на измерване може да бъде намалено чрез избор на ветрозащитно покритие или чрез оборудване с безжичен интерфейс за осъществяване на дистанционно предаване на данни.
Пиезоелектричният сензор за дъждомер представлява най-високото ниво на съвременната технология за наблюдение на дъжд. Той напълно елиминира механичните движещи се части и използва PVDF пиезоелектричен филм като устройство за измерване на дъжд. Той измерва валежите, като анализира сигнала за кинетична енергия, генериран от удара на дъждовните капки. Пиезоелектричният сензор за дъжд FT-Y1, разработен от Shandong Fengtu Internet of Things Technology Co., Ltd., е типичен продукт на тази технология. Той използва вградена невронна мрежа с изкуствен интелект, за да разграничава сигналите от дъждовните капки и може ефективно да избягва фалшиви задействания, причинени от смущения като пясък, прах и вибрации 25. Този сензор има много революционни предимства: интегриран дизайн без открити компоненти и способност за филтриране на сигналите от смущения от околната среда; широк диапазон на измерване (0-4 мм/мин), а разделителната способност е до 0,01 мм. Честотата на дискретизация е бърза (<1 секунда) и може да следи продължителността на валежите с точност до секунда. Той използва дъгообразен дизайн на контактната повърхност, не задържа дъждовна вода и наистина е без нужда от поддръжка. Работният температурен диапазон на пиезоелектрическите сензори е изключително широк (-40 до 85℃), с консумация на енергия от само 0,12 W. Комуникацията на данни се осъществява чрез RS485 интерфейс и MODBUS протокол, което ги прави изключително подходящи за изграждане на разпределена интелигентна мрежа за мониторинг.
Таблица: Сравнение на производителността на основното оборудване за мониторинг на валежите
Тип оборудване, принцип на работа, предимства и недостатъци, типична прецизност, приложими сценарии
Традиционният дъждомер събира директно дъждовна вода за измерване, като се отличава с опростена структура, висока надеждност, липса на необходимост от захранване и ръчно отчитане, както и с една единствена функция: метеорологични референтни станции с ±4% и точки за ръчно наблюдение.
Механизмът за накланяне на дъждомера с кофа преобразува валежите в електрически сигнали за автоматично измерване. Данните са лесни за предаване. Механичните компоненти могат да се износват и изискват редовна поддръжка. ±3% (2 мм/мин интензитет на валежите) автоматична метеорологична станция, точки за хидрологичен мониторинг
Пиезоелектричният сензор за дъждомер генерира електрически сигнали от кинетичната енергия на дъждовните капки за анализ. Той няма движещи се части, има висока разделителна способност, относително високи разходи за защита от смущения и изисква алгоритъм за обработка на сигнала ≤±4% за пътна метеорология, автоматични станции на място и интелигентни градове.
В допълнение към наземното фиксирано оборудване за мониторинг, технологията за измерване на валежите се развива и към космически и въздушен дистанционен мониторинг. Наземният радар за дъжд определя интензитета на валежите чрез излъчване на електромагнитни вълни и анализ на разпръснатите ехота от облачни и дъждовни частици. Той може да постигне мащабен непрекъснат мониторинг, но е силно повлиян от затъмнението на терена и градските сгради. Технологията за сателитно дистанционно наблюдение „пренебрегва“ земните валежи от космоса. Сред тях пасивното микровълново дистанционно наблюдение използва интерференцията на валежните частици върху фоновото лъчение за инверсия, докато активното микровълново дистанционно наблюдение (като DPR радара на спътника GPM) директно излъчва сигнали и приема ехота и изчислява интензитета на валежите 49 чрез зависимостта ZR (Z=aR^b). Въпреки че технологията за дистанционно наблюдение има широко покритие, нейната точност все още зависи от калибрирането на данните от наземния дъждомер. Например, оценката в басейна на река Лаоха в Китай показва, че отклонението между сателитния продукт за валежите 3B42V6 и наземните наблюдения е 21%, докато отклонението на продукта в реално време 3B42RT е цели 81%.
Изборът на оборудване за мониторинг на валежите трябва да отчита всеобхватно фактори като точност на измерване, адаптивност към околната среда, изисквания за поддръжка и цена. Традиционните дъждомери са подходящи като референтно оборудване за проверка на данните. Дъждомерът с кофа за накланяне постига баланс между цена и производителност и е стандартна конфигурация в автоматичните метеорологични станции. Пиезоелектрическите сензори, с изключителната си адаптивност към околната среда и ниво на интелигентност, постепенно разширяват приложението си в областта на специалния мониторинг. С развитието на Интернет на нещата и технологиите за изкуствен интелект, мултитехнологичната интегрирана мрежа за мониторинг ще се превърне в бъдеща тенденция, постигайки цялостна система за мониторинг на валежите, която комбинира точки и повърхности и интегрира въздух и земя.
Разнообразни сценарии на приложение на оборудване за мониторинг на валежите
Данните за валежите, като основен метеорологичен и хидрологичен параметър, разшириха областите си на приложение от традиционните метеорологични наблюдения до множество аспекти, като например контрол на градските наводнения, селскостопанско производство и управление на трафика, формирайки всеобхватен модел на приложение, обхващащ важни индустрии на националната икономика. С напредъка на технологиите за мониторинг и подобряването на възможностите за анализ на данни, оборудването за мониторинг на валежите играе ключова роля в повече сценарии, предоставяйки научна основа на човешкото общество за справяне с изменението на климата и предизвикателствата, свързани с водните ресурси.
Метеорологичен и хидрологичен мониторинг и ранно предупреждение за бедствия
Метеорологичният и хидрологичният мониторинг е най-традиционната и важна област на приложение на оборудването за валежи. В националната мрежа от метеорологични наблюдателни станции, дъждомерите и кофите за дъждомер представляват инфраструктурата за събиране на данни за валежите. Тези данни са не само важни входни параметри за прогнозиране на времето, но и основни данни за климатични изследвания. Мрежата от дъждомерни системи в мащаб MESO (MESONET), създадена в Мумбай, демонстрира стойността на мрежа за мониторинг с висока плътност – чрез анализ на данните от мусонния сезон от 2020 до 2022 г., изследователите успешно изчислиха, че средната скорост на движение на проливните дъждове е била 10,3-17,4 километра в час, а посоката е била между 253-260 градуса. Тези открития са от голямо значение за подобряване на модела за прогнозиране на градските дъждове. В Китай „14-ият петгодишен план за хидрологично развитие“ ясно посочва, че е необходимо да се подобри мрежата за хидрологичен мониторинг, да се увеличи плътността и точността на мониторинга на валежите и да се осигури подкрепа за вземане на решения за контрол на наводненията и облекчаване на сушата.
В системата за ранно предупреждение за наводнения, данните от мониторинга на валежите в реално време играят незаменима роля. Сензорите за валежи се използват широко в автоматични хидрологични системи за мониторинг и докладване, насочени към контрол на наводненията, диспечерско управление на водоснабдяването и управление на състоянието на водите в електроцентрали и резервоари. Когато интензитетът на валежите надвиши зададения праг, системата може автоматично да задейства предупреждение, за да напомни на районите надолу по течението да се подготвят за контрол на наводненията. Например, сензорът за валежи с кофа за накланяне FF-YL има трипериодна йерархична алармена функция за валежи. Той може да издава различни нива на звукови, светлинни и гласови аларми въз основа на натрупаните валежи, като по този начин печели ценно време за предотвратяване и смекчаване на бедствия. Безжичното решение за мониторинг на валежите на Campbell Scientific Company в Съединените щати осъществява предаване на данни в реално време чрез интерфейса от серията CWS900, което значително подобрява ефективността на мониторинга с 10 пъти.
Приложения за градско управление и транспорт
Изграждането на интелигентни градове донесе нови сценарии на приложение на технологията за мониторинг на валежите. При мониторинга на градските дренажни системи, разпределените сензори за дъжд могат да уловят интензитета на валежите във всяка зона в реално време. В комбинация с модела на дренажната мрежа, те могат да предскажат риска от градски наводнения и да оптимизират диспечерирането на помпените станции. Пиезоелектрическите сензори за дъжд, с компактните си размери (като FT-Y1) и силна адаптивност към околната среда, са особено подходящи за скрит монтаж в градска среда25. Отделите за контрол на наводненията в мегаполиси като Пекин започнаха пилотно внедряване на интелигентни мрежи за мониторинг на валежите, базирани на Интернет на нещата. Чрез сливането на данни от множество сензори, те се стремят да постигнат прецизно прогнозиране и бърза реакция при градски наводнения.
В областта на управлението на трафика, сензорите за дъжд са се превърнали във важен компонент на интелигентните транспортни системи. Устройствата за дъжд, инсталирани по магистралите и градските магистрали, могат да следят интензитета на валежите в реално време. Когато се засекат обилни валежи, те автоматично задействат променливи знаци, за да издават предупреждения за ограничение на скоростта или да активират системата за отводняване на тунелите. Още по-забележителна е популярността на сензорите за дъжд за автомобили – тези оптични или капацитивни сензори, обикновено скрити зад предното стъкло, могат автоматично да регулират скоростта на чистачките според количеството дъжд, падащ върху стъклото, което значително подобрява безопасността при дъждовно време. Световният пазар на сензори за дъжд за автомобили е доминиран главно от доставчици като Kostar, Bosch и Denso. Тези прецизни устройства представляват най-съвременните технологии за измерване на дъжд.
Селскостопанско производство и екологични изследвания
Развитието на прецизното земеделие е неразделна част от мониторинга на валежите в полеви мащаб. Данните за валежите помагат на фермерите да оптимизират плановете си за напояване, като избягват разхищението на вода, като същевременно гарантират, че водните нужди на културите са задоволени. Сензорите за дъжд (като например дъждомери от неръждаема стомана), оборудвани в селскостопанските и горските метеорологични станции, имат характеристиките на силна устойчивост на ръжда и отличен външен вид и могат да работят стабилно в дивата среда за дълго време. В хълмисти и планински райони, разпределена мрежа за мониторинг на валежите може да улови пространствените разлики във валежите и да предостави персонализирани селскостопански съвети за различните парцели. Някои напреднали ферми започнаха да се опитват да свържат данните за валежите с автоматични напоителни системи, за да постигнат истинско интелигентно управление на водите.
Изследванията в областта на екохидрологията също разчитат на висококачествени наблюдения на валежите. При изучаването на горските екосистеми, мониторингът на валежите в горите може да анализира ефекта на прихващане на короната на дърветата върху валежите. При опазването на влажните зони данните за валежите са ключов принос за изчисляване на водния баланс; в областта на опазването на почвата и водите, информацията за интензитета на валежите е пряко свързана с точността на моделите за ерозия на почвата 17. Изследователи в басейна на река Стара Ха в Китай са използвали данни от наземни дъждомери, за да оценят точността на сателитни продукти за валежи, като TRMM и CMORPH, предоставяйки ценна основа за подобряване на алгоритмите за дистанционно наблюдение. Този вид метод за мониторинг „комбиниран космос-земя“ се превръща в нова парадигма в изследванията в областта на екохидрологията.
Специални области и нововъзникващи приложения
Енергийната индустрия също започна да отдава значение на стойността на мониторинга на валежите. Вятърните паркове използват данни за валежите, за да оценят риска от заледяване на лопатките, докато водноелектрическите централи оптимизират своите планове за производство на електроенергия въз основа на прогнозата за валежите в басейна. Пиезоелектрическият сензор за дъждомер FT-Y1 е приложен в системата за мониторинг на околната среда на вятърните паркове. Широкият му работен температурен диапазон от -40 до 85℃ е особено подходящ за дългосрочен мониторинг при сурови климатични условия.
Аерокосмическата област има специални изисквания за мониторинг на валежите. Мрежата за мониторинг на валежите около пистата на летището гарантира безопасността на авиацията, докато мястото за изстрелване на ракети трябва точно да отчита ситуацията с валежите, за да гарантира безопасността на изстрелването. Сред тези ключови приложения, високонадеждните дъждомери с кофа (като Campbell TE525MM) често се избират като основни сензори. Тяхната точност от ±1% (при интензитет на дъжда ≤10 мм/час) и дизайнът, който може да бъде оборудван с ветроустойчиви пръстени, отговарят на строгите индустриални стандарти 10.
В областта на научните изследвания и образованието също се разширява приложението на оборудването за мониторинг на валежите. Сензорите за дъжд се използват като учебно и експериментално оборудване в специалностите по метеорология, хидрология и екологични науки в колежи и технически средни училища, за да помогнат на студентите да разберат принципа на измерване на валежите. Проектите за гражданска наука насърчават участието на обществеността в наблюдението на валежите и разширяват обхвата на мрежата за мониторинг чрез използване на евтини дъждомери. Образователната програма GPM (Global Precipitation Measurement) в Съединените щати нагледно демонстрира принципите и приложенията на технологията за дистанционно наблюдение на студентите чрез сравнителен анализ на сателитни и наземни данни за валежите.
С развитието на интернет на нещата, големите данни и технологиите за изкуствен интелект, мониторингът на валежите се развива от единично измерване на валежите до многопараметрично съвместно възприятие и интелигентна подкрепа за вземане на решения. Бъдещата система за мониторинг на валежите ще бъде по-тясно интегрирана с други сензори за околната среда (като влажност, скорост на вятъра, влажност на почвата и др.), за да формира цялостна мрежа за възприятие на околната среда, предоставяйки по-цялостна и точна информационна подкрепа на човешкото общество за справяне с предизвикателствата, свързани с изменението на климата и водните ресурси.
Сравнение на текущото състояние на приложение на глобалната технология за газов мониторинг в различните страни
Технологията за мониторинг на газ, подобно на мониторинга на валежите, е важен компонент в областта на възприятието за околната среда и играе ключова роля в глобалните климатични промени, индустриалната безопасност, общественото здраве и други аспекти. Въз основа на своите индустриални структури, екологични политики и технологични нива, различните страни и региони представят различни модели на развитие в изследванията и приложението на технологии за мониторинг на газ. Като основна страна производител и бързо развиващ се център за технологични иновации, Китай постигна забележителен напредък в изследванията, разработките и приложението на газови сензори. Съединените щати, разчитайки на силната си технологична мощ и цялостна стандартизирана система, поддържат водеща позиция в технологиите за мониторинг на газ и областите с високо качество на приложенията. Европейските страни насърчават иновациите в технологиите за мониторинг със строги разпоредби за опазване на околната среда. Япония и Южна Корея заемат важни позиции в областта на потребителската електроника и автомобилните газови сензори.
Развитие и приложение на технологията за мониторинг на газ в Китай
Технологията за мониторинг на газ в Китай показва ускоряваща се тенденция на развитие през последните години и е постигнала забележителен напредък в множество области, като например промишлена безопасност, мониторинг на околната среда и медицинско здраве. Политическите насоки са важна движеща сила за бързото разрастване на пазара за мониторинг на газ в Китай. „14-ият петгодишен план за безопасно производство на опасни химикали“ ясно изисква химическите индустриални паркове да създадат система за мониторинг и ранно предупреждение с пълно покритие на токсични и вредни газове и да насърчат изграждането на интелигентна платформа за контрол на риска. В рамките на тази политика, битовото оборудване за мониторинг на газ се прилага широко във високорискови индустрии като нефтохимическата промишленост и въглищните мини. Например, електрохимичните детектори за токсични газове и инфрачервените детектори за горими газове са се превърнали в стандартни конфигурации за промишлена безопасност.
В областта на мониторинга на околната среда Китай е създал най-голямата мрежа за мониторинг на качеството на въздуха в света, обхващаща 338 града на ниво префектура и по-високо в цялата страна. Тази мрежа следи основно шест параметъра, а именно SO₂, NO₂, CO, O₃, PM₂.₅ и PM₁₀, сред които първите четири са газообразни замърсители. Данните от Националния център за мониторинг на околната среда на Китай показват, че към 2024 г. има над 1400 станции за мониторинг на качеството на въздуха на национално ниво, всички оборудвани с автоматични газови анализатори. Данните в реално време се предоставят на обществеността чрез „Национална платформа за публикуване на данни за качеството на градския въздух в реално време“. Този мащабен и високогъст капацитет за мониторинг осигурява научна основа за действията на Китай за предотвратяване и контрол на замърсяването на въздуха.
Моля, свържете се с Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Уебсайт на компанията:www.hondetechco.com
Тел.: +86-15210548582
Време на публикуване: 11 юни 2025 г.