بررسی کارایی استفاده از حسگر غیرتماسی مادون قرمز در اندازهگیری تغییرات سطح آب
مقدمه در شرایط تغییر اقلیم و گرمایش جهانی، مدیریت جامع منابع آب و بهره‌وری آن اهمیتی چندین برابر مییابد و در این میان اندازهگیری منابع آب موجود یکی از پایه‌های اساسی مدیریت منابع آب را تشکیل می‌دهد. اندازهگیری هرچه دقیق تر منابع آب موجود، شرایط برنامه‌ریزی بهتر و اساسی را فراهم می‌آورد. آب‌های سط...
Saved in:
| Main Authors: | , , |
|---|---|
| Format: | Article |
| Language: | fas |
| Published: |
Soil Conservation and Watershed Management Research Institute (SCWMRI)
2024-12-01
|
| Series: | Muhandisī va mudirīyyat-i ābkhīz |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://jwem.areeo.ac.ir/article_131808_54b00efe5821eb57841bf654f8ec309a.pdf |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Summary: | مقدمه
در شرایط تغییر اقلیم و گرمایش جهانی، مدیریت جامع منابع آب و بهره‌وری آن اهمیتی چندین برابر مییابد و در این میان اندازهگیری منابع آب موجود یکی از پایه‌های اساسی مدیریت منابع آب را تشکیل می‌دهد. اندازهگیری هرچه دقیق تر منابع آب موجود، شرایط برنامه‌ریزی بهتر و اساسی را فراهم می‌آورد. آب‌های سطحی خصوصاً منابع آب ناشی از سیلاب‌ها و آورد حوزه‌های آبخیز بزرگ و کوچک، نقش قابل توجهی در چرخه آب ایران بازی می‌کنند. یکی از مشکلات اصلی مدیریت منابع آب در سطح کشور، نبود آمار کافی دبی خروجی از حوزه‌های آبخیز کشور خصوصاً حوضه‌‌های کوچک است. در این میان، استفاده از دستگاه‌های هیدرومتری ثبات و سطح سنجی آب میتواند به‌طور قابل توجهی مشکلات جمع آوری اطلاعات منابع آب سطحی و زیرزمینی را کاهش دهد. روش‌های متعددی برای اندازهگیری سطح آب منظور توسعه یافتهاند که میتوان در کل آنها را به دو روش تماسی و غیرتماسی (بسته به قرار گیری حسگر در تماس مستقیم با آب یا خارج از آب) تقسیم‌‌بندی نمود که هر کدام از آنها می‌‌توانند به‌صورت خودکار یا دستی ثبت شوند. انتخاب روش مناسب بستگی به شرایط موجود دارد. برای انتخاب دستگاه سطح‌سنج آب باید مواردی مانند محدوده تغییرات ارتفاع سطح مایع، ویژگی‌های فیزیکی سیال مانند چگالی، تمیز یا کثیف بودن سیال، میزان بخارات یا ذرات جامد موجود در سیال، خورندگی سیال، تمایل سیال به رسوب‌دهی بر روی دیواره ظرف یا وسیله اندازهگیری، دما و فشار فرایند، ترکیب شیمیایی سیال، قوانین زیست محیطی و وجود رطوبت، در نظر گرفته شود.
مواد و روش‌‌ها
مهم‌ترین مزایای روش‌های غیرتماسی عدم وابستگی زیاد به نوع سیال و عدم درگیر شدن حسگر با سیال است. ازجمله روش‌های غیرتماسی میتوان به استفاده از عکس‌برداری به‌وسیله دوربین، حسگر آلتراسونیک و همچنین حسگر مادون قرمز و روش لیزری اشاره نمود. در این پژوهش، کارایی یک ماژول مادون قرمز شارپ مدل GP2Y0A02YK0F در اندازهگیری تغییرات سطح آب در محیط آزمایشگاه و محیط طبیعی مورد بررسی قرار گرفته است. این ماژول دارای یک حسگر اندازهگیری فاصله شامل مجموعه‌‌ای یکپارچه از آشکارساز حساس به موقعیت (Position Sensitive Detector, PSD)، دیود مادون قرمز (Infrared Emitting Diode, IRED) و مدار پردازش سیگنال است. محدوده ولتاژ کاری این مجموعه 5/4 تا 5 ولت است. محدوده دمایی عملکرد ماژول بین 10- تا 60+ درجه سانتی‌گراد است. خروجی این ماژول به‌صورت آنالوگ بوده و ولتاژی متناظر با فاصله اندازهگیری شده شامل اعداد در محدوده صفر تا 1023 است. در صورتی که جسم به ماژول نزدیک شود، خروجی به سمت صفر و در حالتی که جسم از آن فاصله بگیرد اعداد خروجی به سمت 1023 میل می‌کند. لذا، نیاز به واسنجی داده‌ها و برقراری ارتباط بین دادههای حسگر و مقادیر واقعی وجود دارد. محدوده اندازهگیری این سنسور بین 20 تا 150 سانتیمتر است و از نور مادون قرمز برای تشخیص فاصله استفاده می‌کند. برای بررسی قابلیت‌‌های حسگر در آزمایشگاه و محیط طبیعی، دیتالاگر فوق کم مصرف ساخت داخل کشور که توانایی کار در محیط حوزه‌های آبخیز را داشته باشد مورد استفاده قرار گرفت. البته به علت نیاز به یک سطح غیرقابل عبور جاذب نور، این روش با روش قدیمی استفاده از شناورها بر روی سطح آب ترکیب شد. بعد از اتصال حسگر به دیتالاگر، بدنه مکانیکی دستگاه نیز ساخته شد که شامل یک لوله پلی‌اتیلن است که سنسور در بالای آن قرار گرفته و این مجموعه در داخل یک بدنه فلزی (بدنه مقاوم در برابر سیلاب‌ها و رواناب‌ها) دیگر قرار داده میشود. تغییرات سطح آب با استفاده از شناور موجود در لوله و توسط حسگر برداشت میشود. این مجموعه ابتدا در آزمایشگاه مورد استفاده و بررسی قرار گرفت. آزمایش اندازهگیری سطح تغییرات سطح آب در 10 مرحله انجام شد و در هر مرحله تغییرات سطح آب و دادههای حاصل از حسگر برداشت شد. سپس دادههای برداشت شده حاصل از حسگر به‌عنوان متغیر مستقل و مقادیر واقعی آب به‌عنوان متغیر وابسته در نظر گرفته شد و با برازش چند جمله‌‌ای‌‌ها (از درجه یک تا چهار) معادلات ارتباط بین متغیر مستقل و وابسته تعیین شد. همچنین 30 درصد از دادههای برداشت شده نیز برای ارزیابی نهایی رابطه‌های ارائه شده در نظر گرفته شد.
نتایج و بحث
ارتباط معکوس بین دادههای حسگر و فاصله واقعی کاملاً مشهود است و با افزایش فاصله مقادیر خروجی حسگر کاهش مییابد. مقادیر ضریب همبستگی R در رابطه با برازش‌های یک تا چهارجمله‌‌ای، نزدیک به یک است که نشان‌دهنده همبستگی بالای دادههای حسگر با مقادیر واقعی تغییرات ارتفاع آب است. همچنین، میزان شاخص RMSE نیز بین 16/2 تا 89/1 سانتیمتر متغیر است. در کل با افزایش درجه چندجمله‌‌ای، این انطباق بیشتر نیز میشود و شاخص RMSE نیز کاهش مییابد. نتایج نشان دهنده آن است که سنسور مذکور در محیط آزمایشگاه با خطای دو سانتیمتر تغییرات سطح آب را تخمین می‌زند. البته با افزایش دامنه حداقل محدوده اندازه گیری سنسور از 20 به 30 سانتیمتر، خطای اندازهگیریها به 34/1 سانتیمتر کاهش مییابد. با توجه به قیمت ارزان سنسور، در مواردی که نیازی به دقت بالای اندازهگیریها نیست، این سنسور و روش مناسب است. در صورت نیاز به افزایش دقت، باید حسگرهای دیگر جایگزین شوند. باید در نظر داشت که در هنگام استفاده در محیط‌‌های سیلابی، با مشکلات متعددی ازجمله توقف جنس شناور در داخل لوله اندازهگیری سطح آب همراه است. لذا، برای اندازهگیری سطح آب در داخل آبراهه‌های سیلابی توصیه نمی‌‌شود و برای افزایش قابلیت این دستگاه، استفاده از سایر حسگرها مانند حسگرهای فشاری یا التراسونیک، میتواند مورد توجه قرار گیرد.
نتیجه‌‌گیری
تا به حال روش‌های بسیار زیادی برای اندازهگیری تغییرات سطح آب توسعه یافتهاند، اما آنچه در انتخاب نهایی نوع روش و دستگاه مورد استفاده تاثیرگذار، هدف است. به عبارتی بهتر، متناسب با شرایط محیطی، دقت مورد انتظار و هزینه، نوع دستگاه و حسگر انتخاب میشود. تا به حال، عملکرد سنسورهای ارزان قیمت GP2Y0A02YK0F در اندازهگیری سطح آب گزارش نشده است که در این پژوهش این مهم انجام شد. پژوهش‌های مشابه بیشتر تمرکز بر استفاده از سایر سنسورها خصوصاً سنسورهای فشار یا التراسونیک داشته و البته دیتالاگرها و در کل دستگاه‌های ارائه شده محدودیت تأمین امنیت دارند. با توجه به شرایط فعلی حوزه‌های آبخیز کشور و عدم وجود شبکه‌های گسترده اندازهگیری سطح آب و دبی، رویکرد کلی ارائه شده در این پژوهش میتواند، بسیار مؤثر باشد. البته استفاده از شناورها در لوله و بحث نفوذ سیل به لوله یک محدودیت اساسی است و رویکردی بایستی در نظر گرفته شود که استفاده از قطعه شناور را در لوله حذف نماید. چراکه گل آلودگی حاصل از سیل میتواند حرکت جسم شناور بر سطح آب را تحت تأثیر قرار دهد و بعد از مدتی از حرکت صحیح و متناسب با سطح آب جسم شناور جلوگیری نماید. در تحقیقات آتی نتایج حاصل از سایر روش‌های اندازه گیری مورد استفاده ارائه خواهد شد. |
|---|---|
| ISSN: | 2251-9300 2322-536X |