Vzhľadom na intenzívnejšiu globálnu zmenu klímy sa presné monitorovanie zrážok stalo čoraz dôležitejším pre kontrolu povodní a zmierňovanie sucha, manažment vodných zdrojov a meteorologický výskum. Zariadenia na monitorovanie zrážok, ako základný nástroj na zber údajov o zrážkach, sa vyvinuli z tradičných mechanických zrážkomerov na inteligentné senzorové systémy integrujúce technológie internetu vecí a umelej inteligencie. Tento článok komplexne predstaví technické vlastnosti a rozmanité scenáre použitia zrážkomerov a senzorov zrážok a analyzuje súčasný stav aplikácie globálnej technológie monitorovania plynov. Osobitná pozornosť sa bude venovať vývojovým trendom v oblasti monitorovania plynov v krajinách ako Čína a Spojené štáty americké, pričom čitateľom predstaví najnovší pokrok a budúce trendy v technológii monitorovania zrážok.
Technologický vývoj a základné vlastnosti zariadení na monitorovanie zrážok
Zrážky ako kľúčový článok vodného cyklu majú veľký význam pre meteorologické predpovede, hydrologický výskum a včasné varovanie pred katastrofami. Zariadenia na monitorovanie zrážok si po storočí vývoja vytvorili kompletné technické spektrum od tradičných mechanických zariadení až po high-tech inteligentné senzory, ktoré spĺňajú potreby monitorovania v rôznych scenároch. Súčasné bežné zariadenia na monitorovanie zrážok zahŕňajú najmä tradičné zrážkomery, výklopné vedrové zrážkomery a vznikajúce piezoelektrické dažďové senzory atď. Každý z nich má svoje vlastné charakteristiky a vykazuje zjavné odlišné znaky z hľadiska presnosti, spoľahlivosti a použiteľného prostredia.
Tradičný zrážkomerov predstavuje najzákladnejšiu metódu merania zrážok. Jeho konštrukcia je jednoduchá, ale účinná. Štandardné zrážkomery sú zvyčajne vyrobené z nehrdzavejúcej ocele s priemerom zadržiavania vody Ф200±0,6 mm. Dokážu merať zrážky s intenzitou ≤4 mm/min s rozlíšením 0,2 mm (čo zodpovedá 6,28 ml objemu vody). V podmienkach statických skúšok v interiéri môže ich presnosť dosiahnuť ±4 %. Toto mechanické zariadenie nevyžaduje externý zdroj napájania a funguje na čisto fyzikálnych princípoch. Vyznačuje sa vysokou spoľahlivosťou a jednoduchou údržbou. Vzhľad zrážkomeru je tiež veľmi precízny. Výpust dažďa je vyrobený z nehrdzavejúceho plechu prostredníctvom celkového lisovania a ťahania s vysokým stupňom hladkosti, čo môže účinne znížiť chyby spôsobené zadržiavaním vody. Horizontálna nastavovacia bublina umiestnená vo vnútri pomáha používateľom nastaviť zariadenie do najlepšieho prevádzkového stavu. Hoci tradičné zrážkomery majú obmedzenia, pokiaľ ide o automatizáciu a funkčnú škálovateľnosť, autorita ich nameraných údajov z nich robí stále referenčné zariadenie pre meteorologické a hydrologické oddelenia na vykonávanie obchodných pozorovaní a porovnávaní.
Senzor zrážkomera s vyklápacím vedrom dosiahol skok v automatizovanom meraní a výstupe údajov na základe tradičného valca zrážkomera. Tento typ senzora premieňa zrážky na elektrický signál prostredníctvom starostlivo navrhnutého mechanizmu dvojitého vyklápacieho vedra – keď jedno z vedier dostane vodu v vopred určenej hodnote (zvyčajne 0,1 mm alebo 0,2 mm zrážok), v dôsledku gravitácie sa samo prevráti a súčasne generuje impulzný signál 710 prostredníctvom magnetického oceľového mechanizmu a jazýčkového spínača. Typickým predstaviteľom je senzor zrážkomera FF-YL vyrobený spoločnosťou Hebei Feimeng Electronic Technology Co., Ltd. Toto zariadenie využíva komponent vyklápacieho vedra vytvorený vstrekovaním technických plastov. Nosný systém je dobre vyrobený a má malý moment trecieho odporu. Preto je citlivý na prevrátenie a má stabilný výkon. Senzor zrážkomera s vyklápacím vedrom má dobrú linearitu a silnú odolnosť voči rušeniu. Okrem toho je lievik navrhnutý so sieťovými otvormi, ktoré zabraňujú listom a iným nečistotám blokovať stekanie dažďovej vody, čo výrazne zlepšuje prevádzkovú spoľahlivosť vo vonkajšom prostredí. Zrážkomer s vyklápacími vedrami série TE525MM od spoločnosti Campbell Scientific Company v Spojených štátoch zlepšil presnosť merania každého vedra na 0,1 mm. Okrem toho je možné znížiť vplyv silného vetra na presnosť merania výberom ochrany pred vetrom alebo bezdrôtovým rozhraním na dosiahnutie diaľkového prenosu údajov 10.
Piezoelektrický senzor zrážok predstavuje najvyššiu úroveň súčasnej technológie monitorovania zrážok. Úplne odstraňuje mechanické pohyblivé časti a ako zariadenie na snímanie zrážok používa piezoelektrickú fóliu PVDF. Meria zrážky analýzou signálu kinetickej energie generovaného dopadom dažďových kvapiek. Piezoelektrický senzor zrážok FT-Y1, vyvinutý spoločnosťou Shandong Fengtu Internet of Things Technology Co., Ltd., je typickým produktom tejto technológie. Používa zabudovanú neurónovú sieť umelej inteligencie na rozlíšenie signálov dažďových kvapiek a dokáže účinne zabrániť falošným spúšťaniam spôsobeným rušením, ako je piesok, prach a vibrácie 25. Tento senzor má mnoho revolučných výhod: integrovaný dizajn bez odkrytých komponentov a schopnosť filtrovať signály rušenia prostredia; rozsah merania je široký (0-4 mm/min) a rozlíšenie je až 0,01 mm. Vzorkovacia frekvencia je rýchla (<1 sekunda) a dokáže presne monitorovať trvanie zrážok. Používa oblúkový dizajn kontaktnej plochy, nezachytáva dažďovú vodu a je skutočne bezúdržbový. Prevádzkový teplotný rozsah piezoelektrických senzorov je extrémne široký (-40 až 85 ℃) so spotrebou energie iba 0,12 W. Dátová komunikácia sa dosahuje prostredníctvom rozhrania RS485 a protokolu MODBUS, vďaka čomu sú veľmi vhodné na budovanie distribuovanej inteligentnej monitorovacej siete.
Tabuľka: Porovnanie výkonu bežných zariadení na monitorovanie zrážok
Typ zariadenia, princíp činnosti, výhody a nevýhody, typická presnosť, použiteľné scenáre
Tradičný zrážkomer priamo zhromažďuje dažďovú vodu na meranie, vyznačuje sa jednoduchou konštrukciou, vysokou spoľahlivosťou, nevyžaduje napájanie ani manuálne odčítanie a má jednu funkciu: meteorologické referenčné stanice s presnosťou ±4 % a manuálne pozorovacie body.
Mechanizmus sklápacieho zrážkomera premieňa zrážky na elektrické signály pre automatické meranie. Dáta sa ľahko prenášajú. Mechanické komponenty sa môžu opotrebovať a vyžadujú si pravidelnú údržbu. ±3 % (intenzita zrážok 2 mm/min) automatická meteorologická stanica, hydrologické monitorovacie body
Piezoelektrický senzor zrážkomera generuje elektrické signály z kinetickej energie dažďových kvapiek na analýzu. Nemá žiadne pohyblivé časti, má vysoké rozlíšenie, relatívne vysoké náklady na ochranu pred rušením a vyžaduje algoritmus spracovania signálu ≤ ± 4 % pre dopravnú meteorológiu, automatické stanice v teréne a inteligentné mestá.
Okrem pozemných stacionárnych monitorovacích zariadení sa technológia merania zrážok vyvíja aj smerom k diaľkovému monitorovaniu z vesmíru a vzduchu. Pozemný dažďový radar určuje intenzitu zrážok vyžarovaním elektromagnetických vĺn a analýzou rozptýlených ozvien oblakov a dažďových častíc. Dokáže dosiahnuť rozsiahle kontinuálne monitorovanie, ale je výrazne ovplyvnený oklúziou terénu a mestskou zástavbou. Technológia satelitného diaľkového prieskumu Zeme „prehliada“ zrážky z vesmíru. Pasívny mikrovlnný diaľkový prieskum využíva interferenciu zrážkových častíc s radiačným pozadím na inverziu, zatiaľ čo aktívny mikrovlnný diaľkový prieskum (ako napríklad radar DPR satelitu GPM) priamo vysiela signály a prijíma ozveny a vypočítava intenzitu zrážok 49 pomocou vzťahu ZR (Z=aR^b). Hoci má technológia diaľkového prieskumu Zeme široké pokrytie, jej presnosť stále závisí od kalibrácie údajov pozemného zrážkomera. Napríklad hodnotenie v povodí rieky Laoha v Číne ukazuje, že odchýlka medzi satelitným produktom zrážok 3B42V6 a pozemnými pozorovaniami je 21 %, zatiaľ čo odchýlka produktu v reálnom čase 3B42RT je až 81 %.
Výber zariadenia na monitorovanie zrážok musí komplexne zvážiť faktory, ako je presnosť merania, prispôsobivosť prostrediu, požiadavky na údržbu a náklady. Tradičné zrážkomery sú vhodné ako referenčné zariadenia na overovanie údajov. Vyklápací vedrový zrážkomer dosahuje rovnováhu medzi nákladmi a výkonom a je štandardnou konfiguráciou v automatických meteorologických staniciach. Piezoelektrické senzory s vynikajúcou prispôsobivosťou prostrediu a úrovňou inteligencie postupne rozširujú svoje uplatnenie v oblasti špeciálneho monitorovania. S rozvojom internetu vecí a technológií umelej inteligencie sa multitechnologická integrovaná monitorovacia sieť stane budúcim trendom, čím sa dosiahne komplexný systém monitorovania zrážok, ktorý kombinuje body a povrchy a integruje vzduch a zem.
Diverzifikované scenáre použitia zariadení na monitorovanie zrážok
Údaje o zrážkach, ako základný meteorologický a hydrologický parameter, rozšírili svoje oblasti použitia z tradičného meteorologického pozorovania na viacero aspektov, ako je ochrana pred povodňami v mestách, poľnohospodárska výroba a riadenie dopravy, čím vytvorili všestranný aplikačný model pokrývajúci dôležité odvetvia národného hospodárstva. S pokrokom v monitorovacích technológiách a zlepšením možností analýzy údajov zohrávajú zariadenia na monitorovanie zrážok kľúčovú úlohu vo viacerých scenároch a poskytujú ľudskej spoločnosti vedecký základ pre riešenie problémov súvisiacich so zmenou klímy a vodnými zdrojmi.
Meteorologické a hydrologické monitorovanie a včasné varovanie pred katastrofami
Meteorologické a hydrologické monitorovanie je najtradičnejšou a najdôležitejšou oblasťou použitia zariadení na meranie zrážok. V národnej sieti meteorologických pozorovacích staníc tvoria zrážkomery a výklopné vedrové zrážkomery infraštruktúru na zber údajov o zrážkach. Tieto údaje nie sú len dôležitými vstupnými parametrami pre predpoveď počasia, ale aj základnými údajmi pre výskum klímy. Sieť zrážkomerov v mierke MESO (MESONET) zriadená v Bombaji preukázala hodnotu monitorovacej siete s vysokou hustotou – analýzou údajov z monzúnového obdobia od roku 2020 do roku 2022 výskumníci úspešne vypočítali, že priemerná rýchlosť silného dažďa bola 10,3 – 17,4 kilometra za hodinu a smer bol medzi 253 – 260 stupňami. Tieto zistenia majú veľký význam pre zlepšenie modelu predpovede mestských dažďov. V Číne „14. päťročný plán hydrologického rozvoja“ jasne uvádza, že je potrebné zlepšiť hydrologickú monitorovaciu sieť, zvýšiť hustotu a presnosť monitorovania zrážok a poskytnúť podporu pri rozhodovaní o kontrole povodní a zmierňovaní následkov sucha.
V systéme včasného varovania pred povodňami zohrávajú údaje z monitorovania zrážok v reálnom čase nenahraditeľnú úlohu. Senzory zrážok sa široko používajú v hydrologických automatických monitorovacích a reportovacích systémoch zameraných na ochranu pred povodňami, dispečing zásobovania vodou a riadenie stavu vody v elektrárňach a nádržiach. Keď intenzita zrážok prekročí nastavenú prahovú hodnotu, systém môže automaticky spustiť varovanie, aby pripomenul oblastiam po prúde, aby sa pripravili na ochranu pred povodňami. Napríklad senzor zrážok s vyklápacím vedrom FF-YL má trojperiodovú hierarchickú funkciu alarmu zrážok. Dokáže vydávať rôzne úrovne zvukových, svetelných a hlasových alarmov na základe nahromadených zrážok, čím získava drahocenný čas na prevenciu a zmierňovanie katastrof. Bezdrôtové riešenie monitorovania zrážok od spoločnosti Campbell Scientific Company v Spojených štátoch realizuje prenos údajov v reálnom čase prostredníctvom rozhrania série CWS900, čím výrazne zvyšuje účinnosť monitorovania o 10 %.
Aplikácie mestského manažmentu a dopravy
Výstavba inteligentných miest priniesla nové aplikačné scenáre pre technológiu monitorovania zrážok. Pri monitorovaní mestských odvodňovacích systémov dokážu distribuované rozmiestnené senzory zrážok zachytiť intenzitu zrážok v každej oblasti v reálnom čase. V kombinácii s modelom odvodňovacej siete dokážu predpovedať riziko záplav v mestách a optimalizovať dispečing čerpacích staníc. Piezoelektrické senzory dažďa sú vďaka svojej kompaktnej veľkosti (ako napríklad FT-Y1) a silnej prispôsobivosti prostrediu obzvlášť vhodné na skrytú inštaláciu v mestskom prostredí. 25. Oddelenia protipovodňovej ochrany v megamestách, ako je Peking, začali pilotne realizovať inteligentné siete na monitorovanie zrážok založené na internete vecí. Prostredníctvom fúzie údajov z viacerých senzorov sa snažia dosiahnuť presnú predpoveď a rýchlu reakciu na záplavy v mestách.
V oblasti riadenia dopravy sa dažďové senzory stali dôležitou súčasťou inteligentných dopravných systémov. Zariadenia na meranie zrážok inštalované pozdĺž rýchlostných ciest a mestských rýchlostných ciest dokážu monitorovať intenzitu zrážok v reálnom čase. Keď sa zistia silné zrážky, automaticky spustia premenlivé dopravné značky, ktoré vydávajú varovania pred obmedzeniami rýchlosti alebo aktivujú odvodňovací systém tunela. Ešte pozoruhodnejšia je popularita dažďových senzorov pre automobily – tieto optické alebo kapacitné senzory, zvyčajne skryté za čelným sklom, dokážu automaticky upraviť rýchlosť stieračov podľa množstva dažďa dopadajúceho na sklo, čím výrazne zvyšujú bezpečnosť jazdy v daždivom počasí. Globálnemu trhu s automobilovými dažďovými senzormi dominujú najmä dodávatelia ako Kostar, Bosch a Denso. Tieto presné zariadenia predstavujú špičkovú úroveň technológie snímania dažďa.
Poľnohospodárska výroba a ekologický výskum
Rozvoj presného poľnohospodárstva je neoddeliteľný od monitorovania zrážok na poli. Údaje o zrážkach pomáhajú poľnohospodárom optimalizovať zavlažovacie plány, predchádzať plytvaniu vodou a zároveň zabezpečiť, aby boli uspokojené vodné potreby plodín. Dažďové senzory (ako napríklad zrážkomery z nehrdzavejúcej ocele) vybavené v poľnohospodárskych a lesníckych meteorologických staniciach sa vyznačujú silnou odolnosťou proti hrdzi a vynikajúcim vzhľadom a môžu dlhodobo stabilne fungovať v divokom prostredí. V kopcovitých a horských oblastiach môže distribuovaná sieť na monitorovanie zrážok zachytiť priestorové rozdiely v zrážkach a poskytovať personalizované poľnohospodárske poradenstvo pre rôzne pozemky. Niektoré pokročilé farmy sa začali pokúšať prepojiť údaje o zrážkach s automatickými zavlažovacími systémami, aby dosiahli skutočne inteligentné hospodárenie s vodou.
Ekohydrologický výskum sa tiež opiera o vysokokvalitné pozorovania zrážok. Pri štúdiu lesných ekosystémov môže monitorovanie zrážok v rámci lesa analyzovať vplyv zachytávania korunou na zrážky. Pri ochrane mokradí sú údaje o zrážkach kľúčovým vstupom pre výpočet vodnej bilancie; v oblasti ochrany pôdy a vody sú informácie o intenzite zrážok priamo spojené s presnosťou modelov erózie pôdy 17. Výskumníci v povodí rieky Ha v Číne použili údaje z pozemných zrážkomerov na vyhodnotenie presnosti satelitných zrážkových produktov, ako sú TRMM a CMORPH, čo poskytuje cenný základ pre zlepšenie algoritmov diaľkového prieskumu Zeme. Tento druh monitorovacej metódy „kombinovanej vesmírnej a pozemnej“ sa stáva novou paradigmou v ekohydrologickom výskume.
Špeciálne oblasti a vznikajúce aplikácie
Energetický priemysel tiež začal prikladať dôležitosť monitorovaniu zrážok. Veterné farmy využívajú údaje o zrážkach na posúdenie rizika námrazy na lopatkách, zatiaľ čo vodné elektrárne optimalizujú svoje plány výroby energie na základe predpovede zrážok v povodí. Piezoelektrický senzor zrážok FT-Y1 sa používa v systéme monitorovania životného prostredia veterných elektrární. Jeho široký rozsah prevádzkových teplôt od -40 do 85 ℃ je obzvlášť vhodný na dlhodobé monitorovanie v drsných klimatických podmienkach.
Letecký a kozmický priemysel má špeciálne požiadavky na monitorovanie zrážok. Sieť monitorovania zrážok okolo letiskovej dráhy zaručuje bezpečnosť letectva, zatiaľ čo miesto štartu rakiet musí presne zachytiť zrážkovú situáciu, aby sa zabezpečila bezpečnosť štartu. Medzi tieto kľúčové aplikácie sa ako hlavné senzory často vyberajú vysoko spoľahlivé košíkové zrážkomery (ako napríklad Campbell TE525MM). Ich presnosť ±1 % (pri intenzite dažďa ≤ 10 mm/hod) a konštrukcia, ktorú je možné vybaviť vetruodolnými krúžkami, spĺňajú prísne priemyselné normy 10.
V oblasti vedeckého výskumu a vzdelávania sa tiež rozširuje využitie zariadení na monitorovanie zrážok. Zrážkové senzory sa používajú ako výučbové a experimentálne zariadenia v odboroch meteorológie, hydrológie a environmentálnych vied na vysokých školách a technických stredných školách, aby pomohli študentom pochopiť princíp merania zrážok. Občianske vedecké projekty podporujú účasť verejnosti na pozorovaní zrážok a rozširujú pokrytie monitorovacej siete používaním lacných zrážkomerov. Vzdelávací program GPM (Globálne meranie zrážok) v Spojených štátoch názorne demonštruje študentom princípy a aplikácie technológie diaľkového prieskumu Zeme prostredníctvom porovnávacej analýzy satelitných a pozemných údajov o zrážkach.
S rozvojom internetu vecí, veľkých dát a technológií umelej inteligencie sa monitorovanie zrážok vyvíja od merania jednotlivých zrážok k viacparametrovému kolaboratívnemu vnímaniu a inteligentnej podpore rozhodovania. Budúci systém monitorovania zrážok bude užšie integrovaný s inými environmentálnymi senzormi (ako je vlhkosť, rýchlosť vetra, vlhkosť pôdy atď.), aby vytvoril komplexnú sieť vnímania prostredia, ktorá poskytne ľudskej spoločnosti komplexnejšiu a presnejšiu dátovú podporu pri riešení problémov súvisiacich so zmenou klímy a vodnými zdrojmi.
Porovnanie súčasného stavu aplikácie globálnej technológie monitorovania plynov v rôznych krajinách
Technológia monitorovania plynov, podobne ako monitorovanie zrážok, je dôležitou súčasťou v oblasti vnímania životného prostredia a zohráva kľúčovú úlohu v globálnych klimatických zmenách, priemyselnej bezpečnosti, verejnom zdraví a ďalších aspektoch. Na základe svojich priemyselných štruktúr, environmentálnych politík a technologickej úrovne sa rôzne krajiny a regióny vyznačujú odlišnými vývojovými vzormi vo výskume a aplikácii technológií monitorovania plynov. Čína ako významná výrobná krajina a rýchlo sa rozvíjajúce centrum technologických inovácií dosiahla pozoruhodný pokrok vo výskume, vývoji a aplikácii plynových senzorov. Spojené štáty americké si vďaka svojej silnej technologickej sile a kompletnému štandardizovanému systému udržiavajú vedúce postavenie v oblasti technológií monitorovania plynov a oblastí s vysokou hodnotou aplikácií. Európske krajiny podporujú inovácie monitorovacích technológií prísnymi predpismi na ochranu životného prostredia. Japonsko a Južná Kórea zaujímajú dôležité postavenie v oblasti spotrebnej elektroniky a automobilových plynových senzorov.
Vývoj a aplikácia technológie monitorovania plynu v Číne
Čínska technológia monitorovania plynov v posledných rokoch vykazuje zrýchľujúci sa trend rozvoja a dosiahla pozoruhodný pokrok vo viacerých oblastiach, ako je priemyselná bezpečnosť, monitorovanie životného prostredia a zdravotná starostlivosť. Politické usmernenia sú dôležitou hnacou silou rýchleho rastu čínskeho trhu s monitorovaním plynov. „14. päťročný plán pre bezpečnú výrobu nebezpečných chemikálií“ jasne vyžaduje, aby chemické priemyselné parky zaviedli systém monitorovania a včasného varovania pred toxickými a škodlivými plynmi s úplným pokrytím a aby podporovali výstavbu inteligentnej platformy na kontrolu rizík. V rámci tejto politiky sa domáce zariadenia na monitorovanie plynov široko používajú vo vysoko rizikových odvetviach, ako sú petrochemický priemysel a uhoľné bane. Napríklad elektrochemické detektory toxických plynov a infračervené detektory horľavých plynov sa stali štandardnými konfiguráciami pre priemyselnú bezpečnosť.
V oblasti monitorovania životného prostredia Čína zriadila najväčšiu sieť na monitorovanie kvality ovzdušia na svete, ktorá pokrýva 338 miest na úrovni prefektúr a vyššej po celej krajine. Táto sieť monitoruje najmä šesť parametrov, a to SO₂, NO₂, CO, O₃, PM₂.₅ a PM₁₀, z ktorých prvé štyri sú plynné znečisťujúce látky. Údaje z Čínskeho národného centra pre monitorovanie životného prostredia ukazujú, že v roku 2024 existovalo viac ako 1 400 staníc na monitorovanie kvality ovzdušia na národnej úrovni, pričom všetky boli vybavené automatickými analyzátormi plynov. Údaje v reálnom čase sú verejnosti sprístupnené prostredníctvom „Národnej platformy na zverejňovanie informácií o kvalite mestského ovzdušia v reálnom čase“. Táto rozsiahla a hustá monitorovacia kapacita poskytuje vedecký základ pre čínske opatrenia na prevenciu a kontrolu znečistenia ovzdušia.
Kontaktujte, prosím, spoločnosť Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Webová stránka spoločnosti:www.hondetechco.com
Tel.: +86-15210548582
Čas uverejnenia: 11. júna 2025