Glede na okrepljene globalne podnebne spremembe je natančno spremljanje padavin postalo vse pomembnejše za nadzor poplav in lajšanje suše, upravljanje vodnih virov in meteorološke raziskave. Oprema za spremljanje padavin se je kot temeljno orodje za zbiranje podatkov o padavinah razvila od tradicionalnih mehanskih dežemerov do inteligentnih senzorskih sistemov, ki vključujejo tehnologije interneta stvari in umetne inteligence. Ta članek bo celovito predstavil tehnične značilnosti in raznolike scenarije uporabe dežemerov in senzorjev padavin ter analiziral trenutno stanje uporabe globalne tehnologije za spremljanje plinov. Posebna pozornost bo namenjena razvojnim trendom na področju spremljanja plinov v državah, kot sta Kitajska in Združene države Amerike, ter bralcem predstavil najnovejši napredek in prihodnje trende tehnologije za spremljanje padavin.
Tehnološki razvoj in ključne značilnosti opreme za spremljanje padavin
Padavine, kot ključni člen v vodnem ciklu, so zaradi natančnega merjenja zelo pomembne za meteorološko napovedovanje, hidrološke raziskave in zgodnje opozarjanje na nesreče. Oprema za spremljanje padavin je po stoletju razvoja oblikovala celoten tehnični spekter, od tradicionalnih mehanskih naprav do visokotehnoloških inteligentnih senzorjev, ki zadovoljujejo potrebe spremljanja v različnih scenarijih. Trenutna glavna oprema za spremljanje padavin vključuje predvsem tradicionalne dežemere, dežemere z nagibnim vedrom in novejše piezoelektrične senzorje za dež itd. Vsak od njih ima svoje značilnosti in kaže očitne razlike v smislu natančnosti, zanesljivosti in uporabnega okolja.
Tradicionalni dežemer predstavlja najosnovnejšo metodo merjenja padavin. Njegova zasnova je preprosta, a učinkovita. Standardni dežemerji so običajno izdelani iz nerjavečega jekla s premerom zadrževanja vode Ф200±0,6 mm. Merijo lahko padavine z intenzivnostjo ≤4 mm/min, z ločljivostjo 0,2 mm (kar ustreza 6,28 ml volumna vode). V notranjih statičnih testnih pogojih lahko njihova natančnost doseže ±4 %. Ta mehanska naprava ne potrebuje zunanjega napajanja in deluje na podlagi čisto fizikalnih načel. Odlikuje jo visoka zanesljivost in enostavno vzdrževanje. Tudi zasnova dežemerja je precej natančna. Izhod za dež je izdelan iz nerjaveče pločevine s celotnim žigosanjem in risanjem, z visoko stopnjo gladkosti, kar lahko učinkovito zmanjša napako, ki jo povzroča zadrževanje vode. V notranjosti nameščen horizontalni nastavitveni mehurček pomaga uporabnikom, da opremo prilagodijo najboljšemu delovnemu stanju. Čeprav imajo tradicionalni dežemerji omejitve glede avtomatizacije in funkcionalne skalabilnosti, jih avtoriteta njihovih merilnih podatkov še danes uvršča med referenčne naprave za meteorološke in hidrološke oddelke za izvajanje poslovnih opazovanj in primerjav.
Senzor dežja z nagibnim vedrom je dosegel preskok v avtomatiziranem merjenju in izpisovanju podatkov na podlagi tradicionalnega valja dežjemerjevega merilnika. Ta vrsta senzorja pretvarja padavine v električni signal s skrbno zasnovanim mehanizmom dvojnega nagibnega vedra – ko eno od vedrov prejme vodo do vnaprej določene vrednosti (običajno 0,1 mm ali 0,2 mm padavin), se zaradi gravitacije samo prevrne in hkrati ustvari impulzni signal 710 prek magnetnega jekla in mehanizma trstičnega stikala. Tipičen predstavnik je senzor dežja FF-YL, ki ga proizvaja Hebei Feimeng Electronic Technology Co., Ltd. Ta naprava uporablja komponento nagibnega vedra, ki je oblikovana z brizganjem inženirske plastike. Nosilni sistem je dobro izdelan in ima majhen moment trenja. Zato je občutljiv na prevračanje in ima stabilno delovanje. Senzor dežja z nagibnim vedrom ima dobro linearnost in močno sposobnost preprečevanja motenj. Poleg tega je lijak zasnovan z mrežastimi luknjami, ki preprečujejo, da bi listje in drugi odpadki blokirali odtekanje deževnice, kar močno izboljša zanesljivost delovanja v zunanjem okolju. Dežemer z nagibnim vedrom serije TE525MM podjetja Campbell Scientific v Združenih državah Amerike je izboljšal natančnost merjenja vsakega vedra na 0,1 mm. Poleg tega je mogoče vpliv močnega vetra na natančnost merjenja zmanjšati z izbiro vetrobranskega stekla ali pa opremiti brezžični vmesnik za doseganje oddaljenega prenosa podatkov 10.
Piezoelektrični senzor za dež predstavlja najvišjo raven trenutne tehnologije za spremljanje dežja. Popolnoma zavrača mehanske gibljive dele in kot napravo za zaznavanje dežja uporablja piezoelektrični film PVDF. Padavine meri z analizo signala kinetične energije, ki ga ustvari udarec dežnih kapljic. Piezoelektrični senzor za dež FT-Y1, ki ga je razvilo podjetje Shandong Fengtu Internet of Things Technology Co., Ltd., je tipičen izdelek te tehnologije. Uporablja vgrajeno nevronsko mrežo umetne inteligence za razlikovanje signalov dežnih kapljic in lahko učinkovito prepreči lažne sprožitve, ki jih povzročajo motnje, kot so pesek, prah in vibracije 25. Ta senzor ima številne revolucionarne prednosti: integrirano zasnovo brez izpostavljenih komponent in sposobnost filtriranja signalov motenj iz okolja; merilno območje je široko (0–4 mm/min), ločljivost pa je visoka do 0,01 mm. Frekvenca vzorčenja je hitra (<1 sekunda) in lahko natančno spremlja trajanje padavin. Ima zasnovo kontaktne površine v obliki loka, ne shranjuje deževnice in resnično ne potrebuje vzdrževanja. Delovno temperaturno območje piezoelektričnih senzorjev je izjemno široko (od -40 do 85 ℃), poraba energije pa je le 0,12 W. Komunikacija podatkov poteka prek vmesnika RS485 in protokola MODBUS, zaradi česar so zelo primerni za izgradnjo porazdeljenega inteligentnega nadzornega omrežja.
Tabela: Primerjava učinkovitosti glavne opreme za spremljanje padavin
Vrsta opreme, princip delovanja, prednosti in slabosti, tipična natančnost, ustrezni scenariji
Tradicionalni dežemer neposredno zbira deževnico za meritve, ima preprosto strukturo, visoko zanesljivost, ne potrebuje napajanja in ročnega odčitavanja ter eno samo funkcijo meteoroloških referenčnih postaj z razponom ±4 % in ročnih opazovalnih točk.
Mehanizem prekucnega merilnika dežja pretvarja padavine v električne signale za samodejno merjenje. Podatki se enostavno prenašajo. Mehanske komponente se lahko obrabijo in zahtevajo redno vzdrževanje. ±3 % (2 mm/min intenzivnost dežja) avtomatska vremenska postaja, hidrološke merilne točke
Piezoelektrični senzor dežja generira električne signale iz kinetične energije dežnih kapljic za analizo. Nima gibljivih delov, ima visoko ločljivost, relativno visoke stroške zaščite pred motnjami in zahteva algoritem za obdelavo signalov ≤ ± 4 % za prometno meteorologijo, avtomatske postaje na terenu in pametna mesta.
Poleg zemeljske fiksne opreme za spremljanje se tehnologija merjenja padavin razvija tudi v smeri vesoljskega in zračnega daljinskega zaznavanja. Zemeljski radar za dež sklepa o intenzivnosti padavin z oddajanjem elektromagnetnih valov in analizo razpršenih odmevov oblakov in dežnih delcev. Z njim je mogoče doseči obsežno neprekinjeno spremljanje, vendar je močno odvisen od okluzije terena in mestnih stavb. Satelitska tehnologija daljinskega zaznavanja "spregleda" zemeljske padavine iz vesolja. Med njimi pasivno mikrovalovno daljinsko zaznavanje uporablja interferenco delcev padavin na sevanju ozadja za inverzijo, medtem ko aktivno mikrovalovno daljinsko zaznavanje (kot je radar DPR satelita GPM) neposredno oddaja signale in sprejema odmeve ter izračuna intenzivnost padavin 49 prek razmerja ZR (Z=aR^b). Čeprav ima tehnologija daljinskega zaznavanja široko pokritost, je njena natančnost še vedno odvisna od kalibracije podatkov zemeljskega dežemera. Na primer, ocena v porečju reke Laoha na Kitajskem kaže, da je odstopanje med satelitskim produktom padavin 3B42V6 in opazovanji na tleh 21 %, medtem ko je odstopanje produkta v realnem času 3B42RT kar 81 %.
Pri izbiri opreme za spremljanje padavin je treba celovito upoštevati dejavnike, kot so natančnost meritev, prilagodljivost okolju, zahteve glede vzdrževanja in stroški. Tradicionalni dežemeri so primerni kot referenčna oprema za preverjanje podatkov. Dežemer z nagibnim vedrom dosega ravnovesje med stroški in zmogljivostjo ter je standardna konfiguracija v avtomatskih vremenskih postajah. Piezoelektrični senzorji s svojo izjemno prilagodljivostjo okolju in inteligentno ravnijo postopoma širijo svojo uporabo na področju posebnega spremljanja. Z razvojem interneta stvari in tehnologij umetne inteligence bo večtehnološko integrirano omrežje za spremljanje postalo prihodnji trend, ki bo dosegel celovit sistem za spremljanje padavin, ki združuje točke in površine ter integrira zrak in tla.
Raznoliki scenariji uporabe opreme za spremljanje padavin
Podatki o padavinah kot temeljni meteorološki in hidrološki parameter so razširili svoja področja uporabe s tradicionalnega meteorološkega opazovanja na številne vidike, kot so nadzor poplav v mestih, kmetijska proizvodnja in upravljanje prometa, s čimer so oblikovali vsestranski vzorec uporabe, ki zajema pomembne panoge nacionalnega gospodarstva. Z napredkom tehnologije spremljanja in izboljšanjem zmogljivosti analize podatkov ima oprema za spremljanje padavin ključno vlogo v več scenarijih in človeški družbi zagotavlja znanstveno podlago za reševanje izzivov podnebnih sprememb in vodnih virov.
Meteorološko in hidrološko spremljanje ter zgodnje opozarjanje na nesreče
Meteorološko in hidrološko spremljanje je najbolj tradicionalno in pomembno področje uporabe opreme za merjenje padavin. V nacionalnem omrežju meteoroloških opazovalnih postaj dežemeri in dežemeri z nagibnim vedrom predstavljajo infrastrukturo za zbiranje podatkov o padavinah. Ti podatki niso le pomembni vhodni parametri za vremensko napovedovanje, temveč tudi osnovni podatki za podnebne raziskave. Omrežje dežemerov MESO (MESONET), vzpostavljeno v Mumbaju, je pokazalo vrednost omrežja za spremljanje z visoko gostoto – z analizo podatkov monsunske sezone od leta 2020 do 2022 so raziskovalci uspešno izračunali, da je bila povprečna hitrost močnega deževja 10,3–17,4 kilometra na uro, smer pa med 253 in 260 stopinjami. Te ugotovitve so zelo pomembne za izboljšanje modela napovedovanja neviht v mestih. Na Kitajskem "14. petletni načrt za hidrološki razvoj" jasno navaja, da je treba izboljšati omrežje za hidrološko spremljanje, povečati gostoto in natančnost spremljanja padavin ter zagotoviti podporo pri odločanju o nadzoru poplav in lajšanju suše.
V sistemu zgodnjega opozarjanja pred poplavami imajo podatki o spremljanju padavin v realnem času nenadomestljivo vlogo. Senzorji padavin se pogosto uporabljajo v sistemih za samodejno spremljanje in poročanje o hidrologiji, namenjenih nadzoru poplav, dispečiranju oskrbe z vodo in upravljanju stanja vode v elektrarnah in rezervoarjih. Ko intenzivnost padavin preseže vnaprej določen prag, lahko sistem samodejno sproži opozorilo, da opomni območja dolvodno, naj se pripravijo na nadzor poplav. Na primer, senzor padavin z nagibnim vedrom FF-YL ima tristopenjsko hierarhično alarmno funkcijo za padavine. Na podlagi nakopičenih padavin lahko sproži različne ravni zvočnih, svetlobnih in glasovnih alarmov, s čimer pridobi dragoceni čas za preprečevanje in blažitev nesreč. Brezžična rešitev za spremljanje padavin podjetja Campbell Scientific v Združenih državah Amerike omogoča prenos podatkov v realnem času prek vmesnika serije CWS900, kar znatno izboljša učinkovitost spremljanja za 10-krat.
Upravljanje mest in prometne aplikacije
Gradnja pametnih mest je prinesla nove scenarije uporabe tehnologije spremljanja padavin. Pri spremljanju mestnih drenažnih sistemov lahko porazdeljeni senzorji padavin v realnem času zaznajo intenzivnost padavin na vsakem območju. V kombinaciji z modelom drenažnega omrežja lahko napovejo tveganje poplav v mestih in optimizirajo razporejanje črpališč. Piezoelektrični senzorji dežja so zaradi svoje kompaktne velikosti (kot je FT-Y1) in močne prilagodljivosti okolju še posebej primerni za skrito namestitev v urbanih okoljih. 25 Oddelki za nadzor poplav v velemestih, kot je Peking, so začeli pilotno izvajati inteligentna omrežja za spremljanje padavin, ki temeljijo na internetu stvari. Z združevanjem podatkov več senzorjev si prizadevajo doseči natančno napovedovanje in hiter odziv na poplave v mestih.
Na področju upravljanja prometa so senzorji za dež postali pomemben sestavni del inteligentnih prometnih sistemov. Naprave za zaznavanje dežja, nameščene vzdolž hitrih in mestnih avtocest, lahko v realnem času spremljajo intenzivnost padavin. Ko zaznajo močne padavine, samodejno sprožijo spremenljive prometne znake, ki izdajo opozorila o omejitvi hitrosti ali aktivirajo sistem za odvodnjavanje predora. Še bolj izjemna je priljubljenost avtomobilskih senzorjev za dež – ti optični ali kapacitivni senzorji, običajno skriti za vetrobranskim steklom, lahko samodejno prilagodijo hitrost brisalcev glede na količino dežja, ki pade na steklo, kar močno izboljša varnost vožnje v deževnem vremenu. Na svetovnem trgu avtomobilskih senzorjev za dež prevladujejo predvsem dobavitelji, kot so Kostar, Bosch in Denso. Te natančne naprave predstavljajo najsodobnejšo raven tehnologije zaznavanja dežja.
Kmetijska proizvodnja in ekološke raziskave
Razvoj preciznega kmetijstva je neločljivo povezan s spremljanjem padavin na terenu. Podatki o padavinah pomagajo kmetom optimizirati namakalne načrte, se izogniti potrati vode in hkrati zagotoviti, da so potrebe po vodi pridelkov zadovoljene. Senzorji za dež (kot so dežemeri iz nerjavečega jekla), nameščeni v kmetijskih in gozdarskih meteoroloških postajah, imajo značilnosti močne odpornosti proti rjavenju in odličnega videza ter lahko dolgo časa stabilno delujejo v divjem okolju. V hribovitih in gorskih območjih lahko porazdeljeno omrežje za spremljanje padavin zajame prostorske razlike v padavinah in zagotovi prilagojene kmetijske nasvete za različne parcele. Nekatere napredne kmetije so začele poskušati povezati podatke o padavinah z avtomatskimi namakalnimi sistemi, da bi dosegle resnično inteligentno upravljanje z vodo.
Raziskave ekohidrologije se opirajo tudi na visokokakovostna opazovanja padavin. Pri preučevanju gozdnih ekosistemov lahko spremljanje padavin znotraj gozda analizira učinek prestrezanja krošenj na padavine. Pri varstvu mokrišč so podatki o padavinah ključni vhodni podatki za izračun vodne bilance; na področju varstva tal in vode so podatki o intenzivnosti dežja neposredno povezani z natančnostjo modelov erozije tal 17. Raziskovalci v porečju reke Stari Ha na Kitajskem so uporabili podatke talnih dežemerov za oceno natančnosti satelitskih produktov padavin, kot sta TRMM in CMORPH, kar je dragocena osnova za izboljšanje algoritmov daljinskega zaznavanja. Ta vrsta metode spremljanja »kombinirano vesolje in zemlja« postaja nova paradigma v raziskavah ekohidrologije.
Posebna področja in nove aplikacije
Tudi elektroenergetska industrija je začela pripisovati pomen spremljanju padavin. Vetrne elektrarne uporabljajo podatke o padavinah za oceno tveganja za zaledenitev lopatic, hidroelektrarne pa optimizirajo svoje načrte za proizvodnjo električne energije na podlagi napovedi padavin za porečje. Piezoelektrični senzor dežja FT-Y1 se uporablja v sistemu za spremljanje okolja vetrnih elektrarn. Njegovo široko delovno temperaturno območje od -40 do 85 ℃ je še posebej primerno za dolgoročno spremljanje v težkih podnebnih razmerah.
Letalsko-vesoljsko področje ima posebne zahteve glede spremljanja padavin. Omrežje za spremljanje padavin okoli letališke vzletno-pristajalne steze zagotavlja varnost v letalstvu, medtem ko mora izstrelišče raket natančno zaznati padavinske razmere, da se zagotovi varnost izstrelitve. Med temi ključnimi aplikacijami se kot osrednji senzorji pogosto izberejo zelo zanesljivi merilniki dežja z nagibnim vedrom (kot je Campbell TE525MM). Njihova natančnost ±1 % (pri intenzivnosti dežja ≤ 10 mm/h) in zasnova, ki jo je mogoče opremiti z vetrno odpornimi obroči, izpolnjujeta stroge industrijske standarde 10.
Področja znanstvenih raziskav in izobraževanja prav tako širijo uporabo opreme za spremljanje padavin. Senzorji padavin se uporabljajo kot učna in eksperimentalna oprema na študijskih programih meteorologije, hidrologije in okoljskih ved na fakultetah in tehničnih srednjih šolah, da bi študentom pomagali razumeti načelo merjenja padavin. Projekti državljanske znanosti spodbujajo sodelovanje javnosti pri opazovanju padavin in širijo pokritost mreže za spremljanje z uporabo cenovno ugodnih dežemerov. Izobraževalni program GPM (Global Precipitation Measurement) v Združenih državah Amerike študentom nazorno prikazuje načela in uporabo tehnologije daljinskega zaznavanja s primerjalno analizo satelitskih in zemeljskih podatkov o padavinah.
Z razvojem interneta stvari, velikih podatkov in tehnologij umetne inteligence se spremljanje padavin razvija od posameznih meritev padavin do večparametrskega sodelovalnega zaznavanja in inteligentne podpore odločanju. Prihodnji sistem za spremljanje padavin bo tesneje povezan z drugimi okoljskimi senzorji (kot so vlažnost, hitrost vetra, vlažnost tal itd.), da bi oblikoval celovito mrežo za zaznavanje okolja, ki bo človeški družbi zagotavljala celovitejšo in natančnejšo podatkovno podporo za reševanje izzivov podnebnih sprememb in vodnih virov.
Primerjava trenutnega stanja uporabe globalne tehnologije za spremljanje plinov z različnimi državami
Tehnologija za spremljanje plinov, tako kot spremljanje padavin, je pomemben sestavni del na področju zaznavanja okolja in igra ključno vlogo pri globalnih podnebnih spremembah, industrijski varnosti, javnem zdravju in drugih vidikih. Glede na svoje industrijske strukture, okoljske politike in tehnološke ravni imajo različne države in regije različne vzorce razvoja pri raziskavah in uporabi tehnologij za spremljanje plinov. Kitajska je kot pomembna proizvodna država in hitro rastoče središče tehnoloških inovacij dosegla izjemen napredek pri raziskavah, razvoju in uporabi plinskih senzorjev. Združene države Amerike, ki se zanašajo na svojo močno tehnološko moč in celovit standardiziran sistem, ohranjajo vodilni položaj na področju tehnologije za spremljanje plinov in visokovrednih aplikacij. Evropske države spodbujajo inovacije tehnologij za spremljanje s strogimi predpisi o varstvu okolja. Japonska in Južna Koreja zasedata pomemben položaj na področju potrošniške elektronike in avtomobilskih plinskih senzorjev.
Razvoj in uporaba tehnologije za spremljanje plinov na Kitajskem
Kitajska tehnologija za spremljanje plinov je v zadnjih letih pokazala pospešen trend razvoja in je dosegla izjemen napredek na več področjih, kot so industrijska varnost, spremljanje okolja in zdravstveno zdravje. Politične smernice so pomembna gonilna sila za hitro širitev kitajskega trga za spremljanje plinov. »14. petletni načrt za varno proizvodnjo nevarnih kemikalij« jasno zahteva, da kemijski industrijski parki vzpostavijo sistem za spremljanje in zgodnje opozarjanje na strupene in škodljive pline s popolno pokritostjo ter spodbujajo izgradnjo inteligentne platforme za nadzor tveganj. V skladu s to politiko se domača oprema za spremljanje plinov pogosto uporablja v panogah z visokim tveganjem, kot sta petrokemija in premogovniki. Na primer, elektrokemični detektorji strupenih plinov in infrardeči detektorji vnetljivih plinov so postali standardne konfiguracije za industrijsko varnost.
Na področju spremljanja okolja je Kitajska vzpostavila največje omrežje za spremljanje kakovosti zraka na svetu, ki pokriva 338 mest na ravni prefektur in višjih mest po vsej državi. To omrežje spremlja predvsem šest parametrov, in sicer SO₂, NO₂, CO, O₃, PM₂.₅ in PM₁₀, med katerimi so prvi štirje plinasta onesnaževala. Podatki Kitajskega nacionalnega centra za spremljanje okolja kažejo, da je bilo leta 2024 več kot 1400 nacionalnih postaj za spremljanje kakovosti zraka, vse opremljene z avtomatskimi analizatorji plinov. Podatki v realnem času so javnosti na voljo prek »Nacionalne platforme za objavljanje podatkov o kakovosti mestnega zraka v realnem času«. Ta obsežna in gosto opremljena zmogljivost spremljanja zagotavlja znanstveno podlago za kitajske ukrepe za preprečevanje in nadzor onesnaženosti zraka.
Prosimo, obrnite se na podjetje Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Spletna stran podjetja:www.hondetechco.com
Tel.: +86-15210548582
Čas objave: 11. junij 2025