Введение

С точки зрения повседневной жизни дождь несомненно относится к неприятным явлениям природы. В дождь неуютно гулять или добираться на работу или учебу, приходится пользоваться зонтами, дождевиками, укрытиями или, в худшем случае, мокнуть с немалой вероятностью заболеть. В дождь ухудшается видимость на дорогах и увеличивается риск попасть в аварию. Однако, нельзя не отметить, что дождь является одним из важных этапов круговорота воды в природе и без него невозможно себе представить существование жизни на Земле. Безусловно, с развитием технических возможностей человека он может себе позволить устраивать рукотворные локальные дожди и благополучно выращивать растения даже в пустынях, но на это уходило бы слишком много ресурсов без помощи природы. Поэтому, как ни крути, а без дождя людям пришлось бы туго. Другое дело, что процесс выпадения осадков тоже было бы неплохо поставить на контроль и строгий учет для целей науки, промышленности и сельского хозяйства. А в этом деле уже трудно обойтись без автоматизации и цифровых измерительных приборов. И связующую роль между ними и выпадающими осадками как раз играют датчики. Они используются в автомобилях, самолетах и других транспортных средствах для автоматического включения стеклоочистителей, систем дополнительного контроля и оповещения водителей и операторов [1]. Также они широко используются в системах автоматического полива (ирригационных системах) [2]. Здесь они помогают определять выпавшее количество естественных осадков, чтобы избежать перерасхода воды или, наоборот, пересыхания почвы. Кроме того, датчики дождя и тумана используются в инфраструктуре умных городов, морских портов и аэродромов [3,4]. С их помощью можно автоматически закрывать окна и двери умных зданий, купола телескопов, формировать автоматические оповещения об опасных погодных условиях. Наконец, самое широкое применение такие датчики находят в автоматических метеостанциях, позволяющих отслеживать погоду в течение длительного времени и мониторить изменения климата [5].

Классификация датчиков. На сегодняшний день существует довольно большое количество различных типов датчиков влажности, дождя и тумана. Самые простые из них представляют собой просто сосуды с нанесенной на них шкалой, по которой можно измерять количество выпавших осадков. Более современные могут оснащаться цифровой шкалой с возможностью записи данных в файл. Для более точных измерений продолжительных осадков сосуды могут быть закреплены на двух плечах своеобразной качели, которая качается при наполнении одного из сосудов, тем самым опорожняя его и подставляя другой сосуд под струи дождя. По-английски такие устройства называются “tipping buckets” [6].

Другим распространенным вариантом датчиков дождя являются датчики на основе изменения проводимости. В них измеряется сопротивление какого-либо материала или участка почвы, которое очевидным образом зависит от количества содержащейся в нем влаги. В датчиках осадков также используется конструкция с двумя электродами, один из которых выполнен в виде сетки. Существует модификация для определения снега, в ней присутствует подогрев. К преимуществам таких датчиков можно отнести простоту конструкции и относительную дешевизну, к недостаткам — довольно большую инерционность срабатывания и возвращения в рабочее состояние [7].

Также бывают емкостные датчики, в которых измеряется не сопротивление, а емкость определенного материала, которая тоже в свою очередь зависит от количества накопленной влаги. Такие датчики обычно более точные, но и более дорогие по сравнению с резистивными, так как в них могут использоваться только специальные материалы [8].

Еще одним типом датчиков являются акустические датчики влажности. В них измеряется скорость распространения звуковой волны в воздухе, она также зависит от его насыщенности влагой. Справедливости ради нужно отметить, что такие датчики редко выходят за пределы научных лабораторий.

Самыми продвинутыми и высокотехнологичными на сегодняшний день, пожалуй, являются оптоэлектронные датчики влажности, дождя и тумана. В них используется взаимодействие света с воздухом или другой средой, в которой может накапливаться влага. В основном в них измеряется коэффициент отражения света от границы раздела стекла и воздуха или другой используемой среды [9]. К такому типу относятся, например, оптоволоконные или купольные датчики. Во-первых, свет распространяется по оптическим волноводам наподобие тех, с помощью которых компьютеры присоединяются к высокоскоростным линиям интернет-соединения, в них свет может почти без потерь распространяться на большие расстояния при соблюдении условий полного внутреннего отражения. Во-вторых, свет распространяется внутри прозрачного купола при условиях полного внутреннего отражения и попадает на фотоприемник, расположенный на выходе из купола. В случае попадании воды на поверхность оптоволокна или купола условия полного внутреннего отражения нарушаются и мощность прошедшего излучения падает, что и служит сигналом начала дождя.

Конструкция датчика. В данной работе за основу взята купольная конструкция датчика дождя, схема которой показана на рис. 1. Принцип ее работы кратко описан выше.

Рис. 1. Схема купольного датчика дождя и тумана: 1 — источник света 1, 2 — источник света 2, 3 — прозрачный купол, 4 — фотоприемник 1, 5 — фотоприемник 2, 6 — печатная плата, 7 — микроконтроллер

Она состоит из источника света 1, роль которого играет инфракрасный светодиод модели RF-P28A3-IRN-FT фирмы REFOND с длиной волны 850 нм и мощностью 65 мВт, излучение которого распространяется внутри прозрачного купола 3 из полиметилметакрилата (ПММА) при условиях полного внутреннего отражения и, два раза отразившись от границы раздела купола и воздуха, попадает на фотоприемник 2, роль которого играет фотодиод модели BPW 34 S фирмы OSRAM. Чтобы иметь возможность регистрировать не только наличие дождя или конденсата на поверхности купола, в схему были добавлены источник света 2, полностью аналогичный источнику 1, излучение которого распространяется через плоскую часть купола в атмосферу и в случае наличия в ней аэрозольных частиц воды, которые как раз представляют собой туман, рассеиваются во всех направлениях, в том числе назад в купол. Для регистрации рассеянного назад излучения используется фотоприемник 2, полностью аналогичный фотоприемнику 1. Для обработки сигналов с обоих фотоприемников и управления работой источников света используется микроконтроллер 7, установленный на печатной плате 6. Также на печатной плате пристуствует влагозащищенный разъем USB-C, с помощью которого к схеме подводится питание и происходит передача сигналов.

Трехмерная модель купола и ее параметры. После разработки схемы и подбора материалов и компонентов была создана трехмерная модель датчика, показанная на рис. 2. Она была загружена в специальное программное обеспечение для расчета оптических характеристик.

Рис. 2. Трехмерная модель датчика дождя и тумана: 1 — купол, 2 — первичные источники света, 3 — первичные фотоприемники, 4 — вторичный источник света, 5 — вторичный фотоприемник

Она была загружена в специальное программное обеспечение для расчета оптических характеристик. В результате расчетов было выяснено, что при отсутствии капель на поверхности купола до первичных фотоприемников доходит излучение мощностью 60 мВт, что говорит о низких потерях и корректности выбранной схемы и подобранных компонентов. При наличии одной капли на поверхности купола мощность излучения на первичном фотоприемнике падает до 46,8 мВт, а при наличии двух капель — до 35,8 мВт и продолжает падать по мере увеличения количества капель. Это говорит о высокой чувствительности созданной модели, способной работать в режиме счета одиночных капель.

Также в процессе расчетов были определены чувствительность и предел измерений модели датчика дождя и датчика тумана. Полученные значения сведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры модели датчика дождя и тумана

В качестве чувствительности для модели датчика тумана взята минимальная детектируемая концентрация частиц воды размером 5 мкм в воздухе.

Также в процессе работы были разработаны программы обработки сигналов датчика дождя и датчика тумана, позволяющие получать количественные измерения выпадающих осадков и обеспечивать калибровку и стабильную работу датчиков.

Работа выполнена в рамках проекта «Оптические датчики дождя и тумана» при поддержке гранта НИУ «МЭИ» на реализацию программы научных исследований «Приоритет 2030: Технологии будущего» в 2024–2026 гг.

Литература:

1. Chen, H. Design of Rain Sensor based on Optical Principle / H. Chen. — Текст: непосредственный // Applied Mechanics and Materials. — 2014. — № 668–669. — С. 977–980.

2. Evaluation of a Low-Cost Optical Rain Sensor / D. Steele, T. Scherer, A. Akyuz [и др.]. — Текст: непосредственный // 2014 ASABE and CSBE/SCGAB Intersectional Meeting. — St. Joseph, Michigan: American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2014. — SD14–063.

3. Straub, D. J. Detecting the Presence of Fog Using Low-cost Proximity Sensors / D. J. Straub. — Текст: непосредственный // Aerosol and Air Quality Research. — 2020. — № 20. — С. 981–990.

4. Experimental Characterization of Polarized Light Backscattering in Fog Environments / M. Ballesta-Garcia, S. Peña-Gutiérrez, P. García-Gómez, S. Royo. — Текст: непосредственный // Sensors. — 2023. — № 23. — С. 8896.

5. Montero-Martínez, G. A comparison of two optical precipitation sensors with different operating principles: The PWS100 and the OAP-2DP / G. Montero-Martínez, E. F. Torres-Pérez, F. García-García. — Текст: непосредственный // Atmospheric Research. — 2016. — № 178. — С. 550–558.

6. Segovia-Cardozo, D. A. Tipping Bucket Rain Gauges in Hydrological Research: Summary on Measurement Uncertainties, Calibration, and Error Reduction Strategies / D. A. Segovia-Cardozo, C. Bernal-Basurco, L. Rodríguez-Sinobas. — Текст: непосредственный // Sensors. — 2023. — Т. 23. — № 12. — C. 5385.

7. A Graphene Oxide Flexible Sensor for Humidity Detection / Laera, M. A, Cassano [и др.]. — Текст: непосредственный // Engineering Proceedings. — 2023. — № 48(1). — С. 1–6.

8. 8, Zhou W A micro capacitive humidity sensor based on Al–Mo electrodes and polyimide film / Zhou W 8, J. Wei, L. Wang. — Текст: непосредственный // Polymers. — 2024. — № 16(13). — С. 1–12.

9. Optical Moisture Sensor / Teder R. S. — Текст: непосредственный // U. S. Patent US8271198B2, Sep. 18, 2012.