Berlatarbelakangkan perubahan iklim global yang semakin meningkat, pemantauan hujan yang tepat menjadi semakin penting untuk kawalan banjir dan pelepasan kemarau, pengurusan sumber air, dan penyelidikan meteorologi. Peralatan pemantauan hujan, sebagai alat asas untuk mengumpul data hujan, telah berkembang daripada tolok hujan mekanikal tradisional kepada sistem sensor pintar yang mengintegrasikan Internet of Things dan teknologi kecerdasan buatan. Artikel ini akan memperkenalkan secara komprehensif ciri-ciri teknikal dan senario aplikasi pelbagai tolok hujan dan sensor hujan, dan menganalisis status aplikasi semasa teknologi pemantauan gas global. Perhatian khusus akan diberikan kepada trend pembangunan dalam bidang pemantauan gas di negara-negara seperti China dan Amerika Syarikat, membentangkan kemajuan terkini dan trend masa depan teknologi pemantauan hujan kepada pembaca.
Evolusi teknologi dan ciri-ciri teras peralatan pemantauan hujan
Kerpasan, sebagai penghubung utama dalam kitaran air, pengukuran tepatnya sangat penting untuk ramalan meteorologi, penyelidikan hidrologi dan amaran awal bencana. Peralatan pemantauan hujan, selepas satu abad pembangunan, telah membentuk spektrum teknikal yang lengkap daripada peranti mekanikal tradisional kepada sensor pintar berteknologi tinggi, memenuhi keperluan pemantauan dalam senario yang berbeza. Peralatan pemantauan hujan arus perdana semasa terutamanya merangkumi tolok hujan tradisional, tolok hujan tipping bucket dan sensor hujan piezoelektrik yang baru muncul, dan sebagainya. Setiap satunya mempunyai ciri-ciri tersendiri dan menunjukkan ciri-ciri yang jelas berbeza dari segi ketepatan, kebolehpercayaan dan persekitaran yang sesuai.
Tolok hujan tradisional mewakili kaedah pengukuran hujan yang paling asas. Reka bentuknya ringkas tetapi berkesan. Tolok hujan standard biasanya diperbuat daripada keluli tahan karat, dengan diameter penahan air Ф200±0.6mm. Ia boleh mengukur hujan dengan keamatan ≤4mm/min, dengan resolusi 0.2mm (bersamaan dengan 6.28ml isipadu air). Di bawah keadaan ujian statik dalaman, ketepatannya boleh mencapai ±4%. Peranti mekanikal ini tidak memerlukan bekalan kuasa luaran dan beroperasi berdasarkan prinsip fizikal tulen. Ia mempunyai kebolehpercayaan yang tinggi dan penyelenggaraan yang mudah. Reka bentuk rupa tolok hujan juga agak teliti. Saluran keluar hujan diperbuat daripada kepingan keluli tahan karat melalui pengecapan dan lukisan keseluruhan, dengan tahap kelancaran yang tinggi, yang berkesan dapat mengurangkan ralat yang disebabkan oleh pengekalan air. Gelembung pelarasan mendatar yang ditetapkan di dalam membantu pengguna melaraskan peralatan kepada keadaan kerja terbaik. Walaupun tolok hujan tradisional mempunyai batasan dari segi automasi dan skalabiliti fungsi, autoriti data pengukurannya menjadikannya masih peralatan penanda aras untuk jabatan meteorologi dan hidrologi untuk menjalankan pemerhatian dan perbandingan perniagaan sehingga hari ini.
Sensor tolok hujan baldi tipping telah mencapai lonjakan dalam pengukuran automatik dan output data berdasarkan silinder tolok hujan tradisional. Sensor jenis ini menukarkan hujan kepada isyarat elektrik melalui mekanisme baldi tipping berganda yang direka bentuk dengan teliti – apabila salah satu baldi menerima air pada nilai yang telah ditentukan (biasanya hujan 0.1mm atau 0.2mm), ia terbalik dengan sendirinya disebabkan oleh graviti, dan pada masa yang sama menghasilkan isyarat denyut 710 melalui mekanisme suis keluli magnet dan buluh. Sensor tolok hujan FF-YL yang dihasilkan oleh Hebei Feimeng Electronic Technology Co., Ltd. adalah wakil tipikal. Peranti ini menggunakan komponen baldi tipping yang dibentuk oleh pengacuan suntikan plastik kejuruteraan. Sistem sokongan dihasilkan dengan baik dan mempunyai momen rintangan geseran yang kecil. Oleh itu, ia sensitif terhadap flipping dan mempunyai prestasi yang stabil. Sensor tolok hujan baldi tipping mempunyai kelinearan yang baik dan keupayaan anti-gangguan yang kuat. Selain itu, corong direka bentuk dengan lubang jejaring untuk menghalang daun dan serpihan lain daripada menyekat air hujan daripada mengalir ke bawah, yang meningkatkan kebolehpercayaan kerja dalam persekitaran luar dengan ketara. Tolok hujan baldi tipping siri TE525MM daripada Campbell Scientific Company di Amerika Syarikat telah meningkatkan ketepatan pengukuran setiap baldi kepada 0.1mm. Selain itu, pengaruh angin kencang terhadap ketepatan pengukuran boleh dikurangkan dengan memilih cermin depan atau antara muka tanpa wayar boleh dilengkapi untuk mencapai penghantaran data jarak jauh 10.
Sensor tolok hujan piezoelektrik mewakili tahap tertinggi teknologi pemantauan hujan semasa. Ia membuang sepenuhnya bahagian mekanikal yang bergerak dan menggunakan filem piezoelektrik PVDF sebagai peranti pengesan hujan. Ia mengukur hujan dengan menganalisis isyarat tenaga kinetik yang dihasilkan oleh hentaman titisan hujan. Sensor hujan piezoelektrik FT-Y1 yang dibangunkan oleh Shandong Fengtu Internet of Things Technology Co., Ltd. adalah produk tipikal teknologi ini. Ia menggunakan rangkaian neural AI terbenam untuk membezakan isyarat titisan hujan dan berkesan dapat mengelakkan pencetus palsu yang disebabkan oleh gangguan seperti pasir, habuk, dan getaran 25. Sensor ini mempunyai banyak kelebihan revolusioner: reka bentuk bersepadu tanpa komponen terdedah dan keupayaan untuk menapis isyarat gangguan persekitaran; Julat pengukuran adalah luas (0-4mm/min), dan resolusinya setinggi 0.01mm. Frekuensi persampelan adalah pantas (<1 saat), dan ia boleh memantau tempoh hujan dengan tepat hingga saat. Dan ia menggunakan reka bentuk permukaan sentuhan berbentuk arka, tidak menyimpan air hujan, dan benar-benar mencapai bebas penyelenggaraan. Julat suhu operasi sensor piezoelektrik adalah sangat luas (-40 hingga 85℃), dengan penggunaan kuasa hanya 0.12W. Komunikasi data dicapai melalui antara muka RS485 dan protokol MODBUS, menjadikannya sangat sesuai untuk membina rangkaian pemantauan pintar teragih.
Jadual: Perbandingan Prestasi Peralatan Pemantauan Hujan Arus Perdana
Jenis peralatan, prinsip kerja, kelebihan dan kekurangan, ketepatan tipikal, senario yang berkenaan
Tolok hujan tradisional mengumpul air hujan secara langsung untuk pengukuran, menampilkan struktur mudah, kebolehpercayaan yang tinggi, tidak memerlukan bekalan kuasa dan bacaan manual, dan fungsi tunggal stesen rujukan meteorologi ±4% dan titik pemerhatian manual.
Mekanisme baldi terbalik tolok hujan baldi terbalik menukarkan hujan kepada isyarat elektrik untuk pengukuran automatik. Data mudah dihantar. Komponen mekanikal mungkin haus dan memerlukan penyelenggaraan berkala. Stesen cuaca automatik ±3% (keamatan hujan 2mm/min), titik pemantauan hidrologi
Sensor tolok hujan piezoelektrik menghasilkan isyarat elektrik daripada tenaga kinetik titisan hujan untuk dianalisis. Ia tidak mempunyai bahagian yang bergerak, resolusi tinggi, kos anti-gangguan yang agak tinggi, dan memerlukan algoritma pemprosesan isyarat ≤±4% untuk meteorologi trafik, stesen automatik di lapangan, dan bandar pintar.
Selain peralatan pemantauan tetap berasaskan darat, teknologi pengukuran hujan juga sedang berkembang ke arah pemantauan penderiaan jauh berasaskan angkasa lepas dan udara. Radar hujan berasaskan darat menyimpulkan keamatan hujan dengan memancarkan gelombang elektromagnet dan menganalisis gema awan dan zarah hujan yang berselerak. Ia boleh mencapai pemantauan berterusan berskala besar, tetapi sangat dipengaruhi oleh oklusi rupa bumi dan bangunan bandar. Teknologi penderiaan jauh satelit "mengabaikan" hujan Bumi dari angkasa lepas. Antaranya, penderiaan jauh gelombang mikro pasif menggunakan gangguan zarah hujan pada sinaran latar belakang untuk penyongsangan, manakala penderiaan jauh gelombang mikro aktif (seperti radar DPR satelit GPM) secara langsung memancarkan isyarat dan menerima gema, dan mengira keamatan hujan 49 melalui hubungan ZR (Z=aR^b). Walaupun teknologi penderiaan jauh mempunyai liputan yang luas, ketepatannya masih bergantung pada penentukuran data tolok hujan darat. Sebagai contoh, penilaian di Lembangan Sungai Laoha, China menunjukkan bahawa sisihan antara produk hujan satelit 3B42V6 dan pemerhatian darat adalah 21%, manakala sisihan produk masa nyata 3B42RT adalah setinggi 81%.
Pemilihan peralatan pemantauan hujan perlu mempertimbangkan secara menyeluruh faktor-faktor seperti ketepatan pengukuran, kebolehsuaian persekitaran, keperluan penyelenggaraan dan kos. Tolok hujan tradisional sesuai sebagai peralatan rujukan untuk pengesahan data. Tolok hujan tipping bucket mengimbangi kos dan prestasi dan merupakan konfigurasi standard dalam stesen cuaca automatik. Sensor piezoelektrik, dengan kebolehsuaian persekitaran dan tahap pintar yang luar biasa, secara beransur-ansur mengembangkan aplikasinya dalam bidang pemantauan khas. Dengan perkembangan Internet of Things dan teknologi kecerdasan buatan, rangkaian pemantauan bersepadu berbilang teknologi akan menjadi trend masa depan, mencapai sistem pemantauan hujan yang komprehensif yang menggabungkan titik dan permukaan serta mengintegrasikan udara dan tanah.
Senario aplikasi pelbagai peralatan pemantauan hujan
Data hujan, sebagai parameter meteorologi dan hidrologi asas, telah mengembangkan bidang aplikasinya daripada pemerhatian meteorologi tradisional kepada pelbagai aspek seperti kawalan banjir bandar, pengeluaran pertanian dan pengurusan trafik, membentuk corak aplikasi menyeluruh yang merangkumi industri penting dalam ekonomi negara. Dengan kemajuan teknologi pemantauan dan peningkatan keupayaan analisis data, peralatan pemantauan hujan memainkan peranan penting dalam lebih banyak senario, menyediakan asas saintifik untuk masyarakat manusia menangani cabaran perubahan iklim dan sumber air.
Pemantauan meteorologi dan hidrologi serta amaran awal bencana
Pemantauan meteorologi dan hidrologi merupakan bidang aplikasi peralatan hujan yang paling tradisional dan penting. Dalam rangkaian stesen pemerhatian meteorologi kebangsaan, tolok hujan dan tolok hujan tipping bucket merupakan infrastruktur untuk pengumpulan data hujan. Data ini bukan sahaja merupakan parameter input penting untuk ramalan cuaca, tetapi juga data asas untuk penyelidikan iklim. Rangkaian tolok hujan skala MESO (MESONET) yang ditubuhkan di Mumbai telah menunjukkan nilai rangkaian pemantauan berketumpatan tinggi – dengan menganalisis data musim monsun dari 2020 hingga 2022, para penyelidik berjaya mengira bahawa kelajuan pergerakan purata hujan lebat adalah 10.3-17.4 kilometer sejam, dan arahnya adalah antara 253-260 darjah. Penemuan ini sangat penting untuk menambah baik model ramalan ribut hujan bandar. Di China, "Rancangan Lima Tahun ke-14 untuk Pembangunan Hidrologi" dengan jelas menyatakan bahawa adalah perlu untuk menambah baik rangkaian pemantauan hidrologi, meningkatkan ketumpatan dan ketepatan pemantauan hujan, dan menyediakan sokongan untuk kawalan banjir dan pembuatan keputusan bantuan kemarau.
Dalam sistem amaran awal banjir, data pemantauan hujan masa nyata memainkan peranan yang tidak tergantikan. Sensor hujan digunakan secara meluas dalam sistem pemantauan dan pelaporan automatik hidrologi yang bertujuan untuk kawalan banjir, penghantaran bekalan air, dan pengurusan keadaan air stesen janakuasa dan takungan. Apabila keamatan hujan melebihi ambang yang ditetapkan, sistem ini boleh mencetuskan amaran secara automatik untuk mengingatkan kawasan hilir untuk membuat persediaan bagi kawalan banjir. Contohnya, sensor hujan tipping baldi FF-YL mempunyai fungsi penggera hierarki hujan tiga tempoh. Ia boleh mengeluarkan tahap penggera bunyi, cahaya dan suara yang berbeza berdasarkan hujan terkumpul, sekali gus menjimatkan masa berharga untuk pencegahan dan mitigasi bencana. Penyelesaian pemantauan hujan tanpa wayar Campbell Scientific Company di Amerika Syarikat merealisasikan penghantaran data masa nyata melalui antara muka siri CWS900, sekali gus meningkatkan kecekapan pemantauan sebanyak 10%.
Aplikasi pengurusan bandar dan pengangkutan
Pembinaan bandar pintar telah membawa senario aplikasi baharu kepada teknologi pemantauan hujan. Dalam pemantauan sistem saliran bandar, sensor hujan yang digunakan secara teragih boleh menangkap intensiti hujan di setiap kawasan dalam masa nyata. Digabungkan dengan model rangkaian saliran, ia boleh meramalkan risiko banjir bandar dan mengoptimumkan penghantaran stesen pam. Sensor hujan piezoelektrik, dengan saiznya yang padat (seperti FT-Y1) dan kebolehsuaian alam sekitar yang kukuh, amat sesuai untuk pemasangan tersembunyi di persekitaran bandar 25. Jabatan kawalan banjir di bandar-bandar besar seperti Beijing telah mula menjalankan rintisan rangkaian pemantauan hujan pintar berdasarkan Internet of Things. Melalui gabungan data berbilang sensor, ia bertujuan untuk mencapai ramalan yang tepat dan tindak balas yang pantas terhadap banjir bandar.
Dalam bidang pengurusan lalu lintas, sensor hujan telah menjadi komponen penting dalam sistem pengangkutan pintar. Peranti hujan yang dipasang di sepanjang lebuh raya dan lebuh raya bandar boleh memantau keamatan hujan dalam masa nyata. Apabila hujan lebat dikesan, ia akan secara automatik mencetuskan tanda mesej berubah-ubah untuk mengeluarkan amaran had laju atau mengaktifkan sistem saliran terowong. Apa yang lebih luar biasa ialah populariti sensor hujan kereta – sensor optik atau kapasitif ini, biasanya tersembunyi di sebalik cermin depan, boleh melaraskan kelajuan pengelap secara automatik mengikut jumlah hujan yang jatuh pada kaca, sekali gus meningkatkan keselamatan pemanduan dalam cuaca hujan. Pasaran sensor hujan automotif global terutamanya didominasi oleh pembekal seperti Kostar, Bosch dan Denso. Peranti ketepatan ini mewakili tahap teknologi pengesanan hujan yang canggih.
Pengeluaran pertanian dan penyelidikan ekologi
Perkembangan pertanian jitu tidak dapat dipisahkan daripada pemantauan hujan pada skala lapangan. Data hujan membantu petani mengoptimumkan pelan pengairan, mengelakkan pembaziran air sambil memastikan keperluan air tanaman dipenuhi. Sensor hujan (seperti tolok hujan keluli tahan karat) yang dilengkapi di stesen meteorologi pertanian dan perhutanan mempunyai ciri-ciri keupayaan anti karat yang kuat dan kualiti penampilan yang sangat baik, dan boleh berfungsi dengan stabil dalam persekitaran liar untuk jangka masa yang lama. Di kawasan berbukit dan pergunungan, rangkaian pemantauan hujan yang teragih dapat menangkap perbezaan ruang dalam hujan dan memberikan nasihat pertanian yang diperibadikan untuk plot yang berbeza. Beberapa ladang canggih telah mula cuba menghubungkan data hujan dengan sistem pengairan automatik untuk mencapai pengurusan air pintar yang sebenar.
Penyelidikan ekohidrologi juga bergantung pada pemerhatian hujan yang berkualiti tinggi. Dalam kajian ekosistem hutan, pemantauan hujan intra-hutan dapat menganalisis kesan pintasan kanopi terhadap hujan. Dalam perlindungan tanah lembap, data hujan merupakan input utama untuk pengiraan imbangan air; Dalam bidang pemuliharaan tanah dan air, maklumat keamatan hujan secara langsung berkaitan dengan ketepatan model hakisan tanah 17. Penyelidik di Lembangan Sungai Old Ha di China menggunakan data tolok hujan darat untuk menilai ketepatan produk hujan satelit seperti TRMM dan CMORPH, menyediakan asas yang berharga untuk menambah baik algoritma penderiaan jauh. Kaedah pemantauan "gabungan angkasa-tanah" seperti ini menjadi paradigma baharu dalam penyelidikan ekohidrologi.
Bidang khas dan aplikasi baru muncul
Industri kuasa dan tenaga juga telah mula mementingkan nilai pemantauan hujan. Ladang angin menggunakan data hujan untuk menilai risiko aising bilah, manakala stesen kuasa hidro mengoptimumkan pelan penjanaan kuasa mereka berdasarkan ramalan hujan lembangan. Sensor tolok hujan piezoelektrik FT-Y1 telah digunakan dalam sistem pemantauan alam sekitar ladang angin. Julat suhu operasinya yang luas iaitu -40 hingga 85℃ amat sesuai untuk pemantauan jangka panjang di bawah keadaan iklim yang keras.
Bidang aeroangkasa mempunyai permintaan khas untuk pemantauan hujan. Rangkaian pemantauan hujan di sekitar landasan lapangan terbang memberikan jaminan keselamatan penerbangan, manakala tapak pelancaran roket perlu memahami situasi hujan dengan tepat untuk memastikan keselamatan pelancaran. Antara aplikasi utama ini, tolok hujan baldi tipping yang sangat andal (seperti Campbell TE525MM) sering dipilih sebagai sensor teras. Ketepatan ±1% (di bawah intensiti hujan ≤10mm/jam) dan reka bentuk yang boleh dilengkapi dengan cincin kalis angin memenuhi piawaian industri yang ketat 10.
Bidang penyelidikan saintifik dan pendidikan juga sedang mengembangkan aplikasi peralatan pemantauan hujan. Sensor hujan digunakan sebagai peralatan pengajaran dan eksperimen dalam jurusan meteorologi, hidrologi dan sains alam sekitar di kolej dan sekolah menengah teknik untuk membantu pelajar memahami prinsip pengukuran hujan. Projek sains warga menggalakkan penyertaan awam dalam pemerhatian hujan dan meluaskan liputan rangkaian pemantauan dengan menggunakan tolok hujan berkos rendah. Program pendidikan GPM (Pengukuran Hujan Global) di Amerika Syarikat dengan jelas menunjukkan prinsip dan aplikasi teknologi penderiaan jauh kepada pelajar melalui analisis perbandingan data satelit dan hujan darat.
Dengan perkembangan Internet of Things, data raya dan teknologi kecerdasan buatan, pemantauan hujan sedang berkembang daripada pengukuran hujan tunggal kepada persepsi kolaboratif berbilang parameter dan sokongan keputusan pintar. Sistem pemantauan hujan masa hadapan akan disepadukan dengan lebih rapat dengan sensor persekitaran lain (seperti kelembapan, kelajuan angin, kelembapan tanah, dll.) untuk membentuk rangkaian persepsi alam sekitar yang komprehensif, menyediakan sokongan data yang lebih komprehensif dan tepat untuk masyarakat manusia bagi menangani cabaran perubahan iklim dan sumber air.
Perbandingan status aplikasi semasa teknologi pemantauan gas global dengan negara-negara
Teknologi pemantauan gas, seperti pemantauan hujan, merupakan komponen penting dalam bidang persepsi alam sekitar dan memainkan peranan penting dalam perubahan iklim global, keselamatan industri, kesihatan awam dan aspek-aspek lain. Berdasarkan struktur perindustrian, dasar alam sekitar dan tahap teknologi mereka, negara dan wilayah yang berbeza menunjukkan corak pembangunan yang tersendiri dalam penyelidikan dan aplikasi teknologi pemantauan gas. Sebagai negara pembuatan utama dan pusat inovasi teknologi yang pesat membangun, China telah mencapai kemajuan yang luar biasa dalam penyelidikan dan pembangunan serta aplikasi sensor gas. Amerika Syarikat, yang bergantung pada kekuatan teknologinya yang kukuh dan sistem standard yang lengkap, mengekalkan kedudukan utama dalam teknologi pemantauan gas dan bidang aplikasi bernilai tinggi. Negara-negara Eropah sedang mempromosikan inovasi teknologi pemantauan dengan peraturan perlindungan alam sekitar yang ketat. Jepun dan Korea Selatan menduduki kedudukan penting dalam bidang elektronik pengguna dan sensor gas automotif.
Pembangunan dan Aplikasi Teknologi Pemantauan Gas di China
Teknologi pemantauan gas China telah menunjukkan trend pembangunan yang pesat dalam beberapa tahun kebelakangan ini dan telah mencapai kemajuan yang luar biasa dalam pelbagai bidang seperti keselamatan industri, pemantauan alam sekitar dan kesihatan perubatan. Panduan dasar merupakan penggerak penting untuk pengembangan pesat pasaran pemantauan gas China. "Rancangan Lima Tahun ke-14 untuk Pengeluaran Keselamatan Bahan Kimia Berbahaya" jelas memerlukan taman perindustrian kimia untuk mewujudkan sistem pemantauan gas toksik dan berbahaya yang meliputi sepenuhnya dan menggalakkan pembinaan platform kawalan risiko pintar. Di bawah latar belakang dasar ini, peralatan pemantauan gas domestik telah digunakan secara meluas dalam industri berisiko tinggi seperti petrokimia dan lombong arang batu. Contohnya, pengesan gas toksik elektrokimia dan pengesan gas mudah terbakar inframerah telah menjadi konfigurasi standard untuk keselamatan perindustrian.
Dalam bidang pemantauan alam sekitar, China telah menubuhkan rangkaian pemantauan kualiti udara terbesar di dunia, meliputi 338 bandar peringkat wilayah dan ke atas di seluruh negara. Rangkaian ini terutamanya memantau enam parameter, iaitu SO₂, NO₂, CO, O₃, PM₂.₅ dan PM₁₀, antaranya empat yang pertama adalah bahan pencemar gas. Data daripada Pusat Pemantauan Alam Sekitar Kebangsaan China menunjukkan bahawa sehingga 2024, terdapat lebih 1,400 stesen pemantauan kualiti udara peringkat kebangsaan, semuanya dilengkapi dengan penganalisis gas automatik. Data masa nyata disediakan kepada orang ramai melalui "Platform Pelepasan Masa Nyata Kualiti Udara Bandar Kebangsaan". Kapasiti pemantauan berskala besar dan berketumpatan tinggi ini menyediakan asas saintifik untuk tindakan China bagi mencegah dan mengawal pencemaran udara.
Sila hubungi Honde Technology Co., LTD.
Email: info@hondetech.com
Laman web syarikat:www.hondetechco.com
Tel: +86-15210548582
Masa siaran: 11 Jun 2025