Техническая статья для поиска Google и профессиональных метеорологических приложений.

В метеорологии осадки — это количество воды, выпадающее на горизонтальную поверхность за определенный период времени при отсутствии утечек, испарения или стока. Единица измерения — миллиметры в час (мм/ч).

Согласно правилам наземных метеорологических наблюдений, используемым метеорологическими службами, при выпадении осадков метеостанции должны измерять количество осадков каждые шесть часов. В зависимости от количества и интенсивности осадков, их можно классифицировать как слабый дождь, умеренный дождь, сильный дождь, ливень, сильный ливень или необычайно сильный ливень.

Измерение осадков и статистический анализ являются неотъемлемой частью метеорологических наблюдений. Точное и своевременное получение данных об осадках особенно важно для предотвращения и смягчения последствий стихийных бедствий, таких как наводнения и засухи, а также вторичных геологических опасностей, таких как селевые потоки, камнепады и оползни. Данные об осадках тесно связаны с производством, развитием инфраструктуры и повседневной жизнью и играют значительную роль в метеорологических наблюдениях, гидрологических измерениях, развитии водного хозяйства, гидроэнергетике, транспорте, мониторинге окружающей среды, сельскохозяйственном орошении, охране почв и водных ресурсов, предотвращении наводнений и управлении чрезвычайными ситуациями, микроволновой связи и управлении инженерными проектами.

Среди представленных на рынке небольших дождемеров основные технологии измерения включают дождемеры с опрокидывающимся ведром, пьезоэлектрические дождемеры, миниатюрные радары и оптические дождемеры. Принципы их работы, преимущества и ограничения кратко описаны ниже.

1. Дождемер с опрокидывающимся ведром

1.1 Принцип измерения

Принцип работы дождемера с опрокидывающимся ведром относительно прост. Как показано на рисунке, дождевая вода сначала протекает через сборную воронку в небольшое опрокидывающееся ведро. Когда уровень воды в ведре достигает заданного значения, ведро опрокидывается и вода выливается. Каждое опрокидывание приводит в действие переключатель, замыкает цепь и посылает импульсный сигнал на регистрирующее устройство. Регистратор данных записывает каждый импульс, и этот повторяющийся процесс используется для измерения и регистрации количества осадков.

Рисунок 1. Принципиальная схема дождемера с опрокидывающимся ведром. Исходное изображение:

После десятилетий разработок дождемеры с опрокидывающимся ведром получили преимущества от отработанных инженерных решений и хорошо зарекомендовавшего себя принципа измерения. Сегодня также доступны беспроводные дождемеры раздельного типа, в которых блок измерения осадков устанавливается снаружи, а блок отображения/вывода — внутри, что позволяет персоналу наблюдать за данными об осадках, не выходя из помещения.

1.2 Преимущества и недостатки

Преимущества: Дождемер с опрокидывающимся ведром использует конфигурацию с одним или двумя ведрами и обычно обеспечивает переключающие или цифровые выходные сигналы. По сравнению с другими традиционными весовыми дождемерами, он предлагает относительно высокую степень автоматизации, хорошую оперативность измерений, низкую стоимость и широкое применение.

Недостатки: Вместимость дождемера с опрокидывающимся ведром ограничена. При высокой интенсивности осадков погрешность измерения возрастает, что делает дождемеры с опрокидывающимся ведром менее подходящими для высокоточного измерения экстремальных осадков. Кроме того, относительно сложная механическая конструкция подвергается воздействию осадков в течение длительного времени и может страдать от коррозии, старения и накопления осадка. Эти условия повышают механическую прочность и могут влиять на точность измерения. Установка также требует высокой точности нивелирования. Неправильная установка может увеличить погрешность измерения и сократить срок службы внутренних подвижных компонентов.

Дождемер с опрокидывающимся ведром в основном измеряет суммарное количество осадков и интенсивность осадков на макроскопическом уровне и имеет определенную задержку отклика. Он плохо подходит для мониторинга микроскопических характеристик осадков, таких как размер капель, скорость и количество частиц. Поскольку воронка для подачи воды относительно узкая, она легко засоряется. Зимой также необходимо предотвращать обледенение, часто требующее подогрева. Поэтому для обеспечения нормальной работы может потребоваться частый ручной осмотр, техническое обслуживание и ремонт.

2. Пьезоэлектрический дождемер

Рисунок 2. Пьезоэлектрический дождемер. Исходное изображение:

2.1 Принцип измерения

Метод измерения количества осадков, основанный на динамических измерениях, позволяет косвенно определять размер дождевых капель путем измерения силы удара, возникающей при соударении капель разного размера с чувствительной поверхностью.

Как показано на рисунке 1(а), пьезоэлектрический чувствительный элемент может использоваться для косвенной оценки диаметра дождевой капли путем измерения импульса падающих капель. Датчик дождя состоит из металлического корпуса и пьезоэлектрического чувствительного элемента, прикрепленного внутри корпуса. Когда дождевая капля ударяется о металлический корпус, она вызывает небольшую механическую вибрацию. Под действием механического напряжения пьезоэлектрический элемент генерирует разность напряжений между своими электродами и выдает электрический сигнал. Чем больше сила удара, тем больше амплитуда вибрации и амплитуда выходного напряжения. Собирая пьезоэлектрический выходной сигнал, можно оценить силу удара и импульс падения дождевой капли. Зная скорость дождевой капли, можно рассчитать ее диаметр.

Рисунок 3. Принцип пьезоэлектрического измерения. Исходное изображение:

2.2 Преимущества и недостатки

Преимущества: Оборудование простое и легко интегрируемое, с относительно высокой точностью измерений. Оно может измерять не только макроскопические суммарные осадки и интенсивность осадков, но и микроскопические процессы выпадения осадков, включая размер капель и скорость падения. Пьезоэлектрические приборы для измерения осадков отличаются низким энергопотреблением, низкой стоимостью, малыми размерами и весом, хорошей реакцией в реальном времени и высокой степенью автоматизации, что открывает широкие возможности для их применения.

Недостатки: Трудно одновременно поддерживать высокую точность измерений при сильном и слабом дожде, а также при детальном микроскопическом анализе характеристик осадков. Ограниченная чувствительность датчика может затруднить точное измерение очень мелких капель дождя. При высокой интенсивности осадков сигналы от двух капель, прибывающих с небольшим интервалом, могут перекрываться, что приводит к ошибкам измерения. Система также может быть подвержена воздействию внешних факторов, таких как сильный ветер, вибрация и молния, что потенциально может привести к ошибочным выводам и ошибкам измерения.

3. Миниатюрный радарный дождемер

Рисунок 4. Миниатюрный радарный дождемер. Исходное изображение:

3.1 Принцип обнаружения

Основными объектами обнаружения миниатюрного радара являются капли дождя диаметром от нескольких десятков микрометров до нескольких миллиметров. При взаимодействии капель дождя с высокочастотными электромагнитными волнами, излучаемыми миниатюрным радаром, они рассеивают волны и создают отраженные сигналы. Путем отбора проб и обработки этих отраженных сигналов можно получить такую ​​информацию, как радиальная скорость, интенсивность эхо-сигнала и радиальное распределение, что позволяет обнаруживать осадки и проводить количественный анализ.

Миниатюрный радар обычно использует технологию FMCW (частотно-модулированная непрерывная волна). Непрерывная волна с линейно возрастающей частотой передается в воздух. Когда электромагнитная волна сталкивается с каплей дождя, часть электромагнитной энергии поглощается и рассеивается, создавая разницу между переданным и принятым сигналами. После приема отраженной волны радар сравнивает ее фазу с переданным сигналом, чтобы определить сдвиг частоты или разность частот. Анализ этой разности частот позволяет определить радиальную скорость капли дождя.

Радар также может вычислять мощность принимаемого эхо-сигнала для определения интенсивности осадков. Для получения более точных оценок радиальной скорости и мощности эхо-сигнала радиолокационные системы могут использовать многочастотную передачу и многоканальный прием для повышения чувствительности и разрешения сигнала. Кроме того, технология TDMA (Time Division Multiple Access) может использоваться для координации сигналов от нескольких радиолокационных установок и повышения точности оценки радиальной скорости и мощности эхо-сигнала.

3.2 Преимущества и недостатки

Преимущества: Оборудование относительно простое и легко интегрируемое, с хорошей точностью измерений. Оно может измерять макроскопическое суммарное количество осадков и интенсивность осадков, а также фиксировать микроскопическую информацию об осадках, включая размер капель и скорость падения. Миниатюрный радар может дополнительно обнаруживать другие погодные явления, такие как снег и град. Низкое энергопотребление, низкая стоимость, компактные размеры и вес, измерение в реальном времени и высокая степень автоматизации обеспечивают миниатюрным радарным дождемерам широкий потенциал применения.

Недостатки: Точное измерение очень мелких дождевых капель затруднительно. При современных технических возможностях система, как правило, может измерять дождевые капли диаметром более 0,25 мм, что ограничивает ее способность точно характеризовать морось или очень слабый дождь. При высокой интенсивности осадков два сигнала от дождевых капель, собранные в течение короткого промежутка времени, могут перекрываться, что приводит к ошибкам измерения. Влияние ветра также может увеличить погрешность измерения.

4. Оптический дождемер

При выпадении осадков гидрометеоры влияют на распространяющийся по нормальному направлению световой поток. Приборы, определяющие осадки на основе оптических принципов, наблюдают за дождем, используя детектор для обнаружения и регистрации информации о частицах осадков, содержащейся в световом потоке. В зависимости от метода распознавания, оптическое обнаружение можно условно разделить на два подхода: ослабление интенсивности света и рассеяние света. Эти подходы соответствуют диздрометрам и датчикам видимости/дождя с прямым рассеянием соответственно.

4.1 Дисдрометр

Дисдрометр использует принцип ослабления интенсивности света. Он регистрирует ослабление измерительного света, вызванное частицами осадков, и измеряет скорость падения и размер частиц. Параллельный световой луч, излучаемый источником света, служит детектором. Луч тонкий и широкий и, пройдя через зону обнаружения, где падают частицы осадков, фокусируется на приемнике.

Когда частицы осадков проходят через зону обнаружения, они частично блокируют световой луч, вызывая ослабление выходного сигнала детектора и генерацию импульсного сигнала. Величина ослабления связана с размером частиц, а скорость падения — со временем, необходимым для прохождения через зону отбора проб. Получив импульсный сигнал, генерируемый частицами в зоне обнаружения, и время, необходимое для прохождения через эту зону, можно определить размер частиц и скорость их падения.

Рисунок 5. Принцип измерения оптического затухания. Исходное изображение:

Как показано на рисунке (а), на рисунке (b) изображена частица, частично блокирующая световой луч и вызывающая импульсный сигнал на выходе детектора. Ширина импульса и его падение могут быть использованы для определения времени t, необходимого частице для прохождения через зону отбора проб, и максимального падения импульса Umax. После преобразования сигнала, усиления и фильтрации, как показано на рисунке (c), падающий импульс обрабатывается алгоритмом для получения эффективного диаметра частицы d и скорости v.

4.2 Дождемер рассеивающего типа

Метод оптического рассеяния измеряет частицы осадков, используя рассеяние ими видимого или ближнего инфракрасного света. Он в основном основан на теориях дифракции света и рассеяния Ми. В процессе работы коллимированный и расширенный лазерный луч освещает поле частиц, подлежащих отбору проб. Когда свет попадает на частицу, происходит рассеяние. Один или два приемника собирают рассеянный сигнал, генерируемый частицами осадков, создавая цифровые сигналы, соответствующие распределению частиц по размерам. После оптимизации и обработки можно получить распределение частиц по размерам, падающих в зону обнаружения.

Рисунок 6. Принцип измерения оптического рассеяния. Исходное изображение:

На основе этих двух теорий оптического рассеяния принципы измерения, как правило, применимы к относительно мелким частицам осадков. При увеличении размера частиц анализ, основанный на оптическом рассеянии, следует также сочетать с геометрической оптикой.

4.3 Преимущества и недостатки

Преимущества: Оптические дождемеры также известны как датчики погодных явлений в реальном времени. Их ключевой характеристикой является высокий уровень интеграции, позволяющий осуществлять относительно детальный мониторинг микроскопических процессов выпадения осадков, таких как размер капель и скорость падения. Оборудование легкое, простое в установке, высокоавтоматизированное и относительно недорогое в обслуживании. Оно также может определять другие погодные условия, такие как туман и дымка, и распознавать семь типов осадков: дождь, ледяной дождь, морось, мокрый снег, снег и град.

Недостатки: Самым большим недостатком оптических дождемеров является высокая стоимость оборудования, что затрудняет их широкое внедрение и использование.

5. Сравнительный анализ преимуществ и недостатков

5.1 Макроскопические измерения против микроскопических измерений

Дождемер с опрокидывающимся ведром: эффективен при макроскопических измерениях, неэффективен при микроскопических.

Компромисс очевиден: простая структура, высокая надежность в обычных условиях выпадения осадков, высокая точность и широкая применимость достигаются за счет возможности мониторинга микроскопических физических характеристик осадков, включая размер, скорость и распределение размеров капель дождя.

В этом аспекте конструкция с опрокидывающимся ведром представляет собой прямой компромисс с тремя другими технологиями: выбор зрелого, высокоточного решения для крупномасштабного применения означает отказ от подробной информации о микрофизике осадков.

Пьезоэлектрические, миниатюрные радарные и оптические дождемеры: способны проводить как макроскопические, так и микроскопические измерения.

Все три метода могут предоставлять микроскопическую информацию, но при этом они по-прежнему идут на разные компромиссы в других измерениях.

5.2 Механическая структура против электронного/оптического зондирования

Опрокидывающийся ковш (механическая конструкция):

Компромисс: Механическая конструкция влечет за собой существенные недостатки, включая подверженность коррозии, накоплению отложений, износу движущихся компонентов и необходимость регулярного ручного осмотра, технического обслуживания и ремонта. Это одно из фундаментальных отличий датчиков с опрокидывающимся ковшом от трех других технологий, которые представляют собой статические системы измерения.

Пьезоэлектрические, миниатюрные радары и оптические (электронные/оптические датчики):

Компромисс: Эти технологии не имеют движущихся частей и могут снизить требования к техническому обслуживанию, что обеспечивает им больший потенциал в плане износостойкости и долговременной стабильности. Однако это преимущество сопряжено с такими недостатками, как более низкая точность измерений в некоторых условиях, более высокая стоимость и большая сложность электронной схемы.

5.3 Устойчивость к помехам в сравнении с точностью измерений и информационным содержанием

Ведро для чаевых:

Она относительно нечувствительна к электромагнитным помехам и размеру дождевых капель, но сильно подвержена влиянию внешних природных факторов, таких как листья, осадки, брызги, переносимые ветром, испарение и подобные воздействия.

Пьезоэлектрический и миниатюрный радар:

Эти технологии имеют очень схожий недостаток: уязвимость к сильному ветру. Обе основаны на динамических принципах — измерении силы удара дождевых капель или отражения электромагнитных волн, — поэтому ветер может изменять скорость и траекторию падения дождевых капель и напрямую вносить погрешности измерений.

Это создает компромисс: выбор метода, позволяющего измерять скорость и размер дождевых капель, также означает принятие большей чувствительности к ветровым помехам.

Оптический дождемер:

На оптический путь могут влиять вибрации, вызванные сильным ветром, а также загрязнение оптических поверхностей, например, пылью или каплями воды. Однако, как правило, на него напрямую не влияют изменения динамики дождевых капель, вызванные ветром.

Это создает более сложный компромисс: оптический подход теоретически обеспечивает более точные и информативные измерения, но требует более чистой рабочей среды и имеет самую высокую стоимость оборудования.

5.4 Стоимость и зрелость технологий

Ведро для чаевых:

Компромисс между зрелостью и стоимостью: это наиболее зрелая технология, отличающаяся высокой точностью, низкой стоимостью и самым широким распространением. Компромиссом является относительно высокий уровень ручного обслуживания, необходимого в процессе эксплуатации.

Пьезоэлектрический/миниатюрный радар:

Эти технологии занимают промежуточное положение, стремясь к балансу между стоимостью, функциональностью и производительностью.

Оптический:

Компромисс между производительностью и стоимостью: оптические системы обеспечивают расширенные возможности микроскопического мониторинга и распознавание различных погодных явлений, но это сопряжено с самыми высокими затратами на оборудование.

5.5 Сводная сравнительная таблица

6. Заключение

Преимущества и недостатки этих дождемеров не существуют изолированно. Напротив, они представляют собой типичный технологический компромисс:

1. С одной стороны находится дождемер с опрокидывающимся ведром: недорогой, высоконадежный, но с ограниченным объемом информации.

2. На другом конце спектра находятся оптические дождемеры: более дорогостоящие, но предоставляющие ценную микроскопическую информацию об осадках.

3. В центре внимания находятся пьезоэлектрические и миниатюрные радарные дождемеры. Они стремятся сбалансировать стоимость, функциональность и производительность, используя умеренную стоимость и определенный уровень технической сложности для получения возможности обнаружения микроскопических процессов выпадения осадков, одновременно создавая новые проблемы, такие как чувствительность к ветру.

Таким образом, дождемеры с опрокидывающимся ведром, пьезоэлектрические, миниатюрные радарные и оптические дождемеры имеют свои преимущества и ограничения и подходят для различных сценариев мониторинга осадков. Выбор дождемера, по сути, сводится к сопоставлению технологии измерения со сценарием применения, бюджетом и требуемой точностью измерения. Другими словами, решение заключается в том, какие ограничения вы готовы принять в обмен на преимущества, наиболее важные для вашего применения. Не существует единственного «лучшего» дождемера — есть только тот, который лучше всего подходит для ваших требований.

7. Актуальность для решений HONGYUV в области мониторинга погоды и окружающей среды.

При полевом метеорологическом мониторинге измерение количества осадков редко является изолированной задачей. Данные об осадках часто объединяются с данными о температуре, влажности, скорости и направлении ветра, атмосферном давлении, видимости, радиации и других параметрах окружающей среды для обеспечения полного понимания ситуации.

Компания HONGYUV Technology специализируется на собственных исследованиях, разработках и производстве приборов для мониторинга метеорологических условий и транспортной обстановки. В её ассортимент продукции входят автоматические метеостанции, интегрированные метеостанции, мобильные и портативные метеостанции, ультразвуковые датчики ветра, датчики видимости, оборудование для мониторинга состояния дорог и другие устройства для мониторинга окружающей среды. На сайте компании также освещаются области применения в метеорологическом и экологическом мониторинге, транспортной метеорологии, сельском хозяйстве, энергетике и научно-исследовательских сценариях.

Поэтому при проектировании интегрированной метеостанции выбор технологии измерения осадков следует оценивать с учетом условий развертывания, ожидаемой интенсивности осадков, требуемого временного разрешения, условий технического обслуживания, доступности электроэнергии, архитектуры связи и общих требований к данным для данного приложения.

Например, в системах мониторинга погодных условий на дорогах измерения осадков можно комбинировать с информацией о видимости и состоянии дорог для мониторинга явлений с низкой видимостью, обледенения дорог, стоячей воды, снега и других рисков, связанных с погодой. В сельскохозяйственных и гидрометеорологических приложениях измерения количества осадков могут дополнять другие метеорологические параметры для поддержки орошения, управления водными ресурсами, мониторинга наводнений и полевых наблюдений.

Компания HONGYUV также предоставляет возможности OEM/ODM и изготовления продукции на заказ. Для проектов со специфическими требованиями к интеграции датчик осадков может рассматриваться как один из модулей в более широкой метеорологической системе, что позволяет адаптировать общую конфигурацию, интерфейсы, связь, электропитание и функции, специфичные для конкретного приложения, к потребностям заказчика.

8. Практическое руководство по выбору

Следующее упрощенное руководство можно использовать при выборе небольшого дождемера для конкретного применения:

• Выбирайте дождемер с опрокидывающимся ведром, если главными приоритетами являются низкая стоимость, отработанная технология, простота измерения суммарного количества осадков и возможность широкомасштабного внедрения.

• Если важны компактность, низкое энергопотребление, отклик в реальном времени и информация о микроскопических каплях дождя, рассмотрите пьезоэлектрический дождемер.

• Если важны бесконтактное обнаружение осадков, компактная конструкция, низкое энергопотребление и дополнительные возможности измерения явлений, связанных с осадками, стоит рассмотреть миниатюрный радарный дождемер.

• Выбирайте оптический дождемер, если детальный анализ микрофизики осадков и распознавание различных погодных явлений оправдывают более высокую стоимость оборудования и более строгие требования к чистоте оптической поверхности.

• При проектировании интегрированных автоматических метеостанций следует оценивать дождемер в совокупности с другими датчиками, а также с учетом фактических экологических и системных требований, а не выбирать его в качестве отдельного компонента.

9. Связанные ресурсы HONGYUV

Связанные темы: дождемер, устройство для сбора дождевой воды, пьезоэлектрический дождемер и радарный дождемер.
https://www.hongyuv.com/index.php?s=tag&name=yuliangtongyuliangjiyadianyuliangjileidayuliangji