بررسی کارایی استفاده از حسگر غیرتماسی مادون قرمز در اندازه گیری تغییرات سطح آب

در شرایط تغییر اقلیم و گرمایش جهانی، مدیریت جامع منابع آب و بهره وری آن اهمیتی چندین برابر می یابد و در این میان اندازه گیری منابع آب موجود یکی از پایه های اساسی مدیریت منابع آب را تشکیل می دهد. اندازه گیری هرچه دقیق تر منابع آب موجود، شرایط برنامه ریزی بهتر و اساسی را فراهم می آورد. آب های سطحی خصوصا منابع آب ناشی از سیلاب ها و آورد حوزه های آبخیز بزرگ و کوچک، نقش قابل توجهی در چرخه آب ایران بازی می کنند. یکی از مشکلات اصلی مدیریت منابع آب در سطح کشور، نبود آمار کافی دبی خروجی از حوزه های آبخیز کشور خصوصا حوضه های کوچک است. در این میان، استفاده از دستگاه های هیدرومتری ثبات و سطح سنجی آب می تواند به طور قابل توجهی مشکلات جمع آوری اطلاعات منابع آب سطحی و زیرزمینی را کاهش دهد. روش های متعددی برای اندازه گیری سطح آب منظور توسعه یافته اند که می توان در کل آنها را به دو روش تماسی و غیرتماسی (بسته به قرار گیری حسگر در تماس مستقیم با آب یا خارج از آب) تقسیم بندی نمود که هر کدام از آنها می توانند به صورت خودکار یا دستی ثبت شوند. انتخاب روش مناسب بستگی به شرایط موجود دارد. برای انتخاب دستگاه سطح سنج آب باید مواردی مانند محدوده تغییرات ارتفاع سطح مایع، ویژگی های فیزیکی سیال مانند چگالی، تمیز یا کثیف بودن سیال، میزان بخارات یا ذرات جامد موجود در سیال، خورندگی سیال، تمایل سیال به رسوب دهی بر روی دیواره ظرف یا وسیله اندازه گیری، دما و فشار فرایند، ترکیب شیمیایی سیال، قوانین زیست محیطی و وجود رطوبت، در نظر گرفته شود.

مهم ترین مزایای روش های غیرتماسی عدم وابستگی زیاد به نوع سیال و عدم درگیر شدن حسگر با سیال است. ازجمله روش های غیرتماسی می توان به استفاده از عکس برداری به وسیله 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 اندازه گیری تغییرات سطح آب در محیط آزمایشگاه و محیط طبیعی مورد بررسی قرار گرفته است. این ماژول دارای یک حسگر اندازه گیری فاصله شامل مجموعه ای 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 سانتی گراد است. خروجی این ماژول به صورت آنالوگ بوده و ولتاژی متناظر با فاصله اندازه گیری 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 می کند. لذا، نیاز به واسنجی داده ها و برقراری ارتباط بین داده های حسگر و مقادیر واقعی وجود دارد. محدوده اندازه گیری این سنسور بین 20 تا 150 سانتی متر است و از نور مادون قرمز برای تشخیص فاصله استفاده می کند. برای بررسی قابلیت های حسگر در آزمایشگاه و محیط طبیعی، دیتالاگر فوق کم مصرف ساخت داخل کشور که توانایی کار در محیط حوزه های 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 پلی اتیلن است که سنسور در بالای آن قرار گرفته و این مجموعه در داخل یک بدنه فلزی (بدنه مقاوم در برابر سیلاب ها و رواناب ها) دیگر قرار داده می شود. تغییرات سطح آب با استفاده از شناور موجود در لوله و توسط حسگر برداشت می شود. این مجموعه ابتدا در آزمایشگاه مورد استفاده و بررسی قرار گرفت. آزمایش اندازه گیری سطح تغییرات سطح آب در 10 مرحله انجام شد و در هر مرحله تغییرات سطح آب و داده های حاصل از حسگر برداشت شد. سپس داده های برداشت شده حاصل از حسگر به عنوان متغیر مستقل و مقادیر واقعی آب به عنوان متغیر وابسته در نظر گرفته شد و با برازش چند جمله ای ها (از درجه یک تا چهار) معادلات ارتباط بین متغیر مستقل و وابسته تعیین شد. همچنین 30 درصد از داده های برداشت شده نیز برای ارزیابی نهایی رابطه های ارائه شده در نظر گرفته شد.

نتایج و بحث:

ارتباط معکوس بین داده های حسگر و فاصله واقعی کاملا مشهود است و با افزایش فاصله مقادیر خروجی حسگر کاهش می یابد. مقادیر ضریب همبستگی R در رابطه با برازش های یک تا چهارجمله ای، نزدیک به یک است که نشان دهنده همبستگی بالای داده های حسگر با مقادیر واقعی تغییرات ارتفاع آب است. همچنین، میزان شاخص RMSE نیز بین 16/2 تا  89/1 سانتی متر متغیر است.  در کل با افزایش درجه چندجمله ای، این انطباق بیشتر نیز می شود و شاخص RMSE نیز کاهش می یابد. نتایج نشان دهنده آن است که سنسور مذکور در محیط آزمایشگاه با خطای دو سانتی متر تغییرات سطح آب را تخمین می زند. البته با افزایش دامنه حداقل محدوده اندازه گیری سنسور از 20 به 30 سانتی متر، خطای اندازه گیری ها به 34/1 سانتی متر کاهش می یابد. با توجه به قیمت ارزان سنسور، در مواردی که نیازی به دقت بالای اندازه گیری ها 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 محیط های سیلابی، با مشکلات متعددی ازجمله توقف جنس شناور در داخل لوله اندازه گیری سطح آب همراه است. لذا، برای اندازه گیری سطح آب در داخل آبراهه های سیلابی توصیه نمی شود و برای افزایش قابلیت این دستگاه، استفاده از سایر حسگرها مانند حسگرهای فشاری یا التراسونیک، می تواند مورد توجه قرار گیرد. 

تا به حال روش های بسیار زیادی برای اندازه گیری تغییرات سطح آب توسعه یافته اند، 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 می شود. تا به حال، عملکرد سنسورهای ارزان قیمت GP2Y0A02YK0F در اندازه گیری سطح آب گزارش نشده است که در این پژوهش این مهم انجام شد. پژوهش های مشابه بیشتر تمرکز بر استفاده از سایر سنسورها خصوصا سنسورهای فشار یا التراسونیک داشته و البته دیتالاگرها و در کل دستگاه های ارائه شده محدودیت تامین امنیت دارند. با توجه به شرایط فعلی حوزه های آبخیز کشور و عدم وجود شبکه های گسترده اندازه گیری سطح آب و دبی، رویکرد کلی ارائه شده در این پژوهش می تواند، بسیار موثر 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 می تواند حرکت جسم شناور بر سطح آب را تحت تاثیر 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 روش های اندازه گیری مورد استفاده ارائه خواهد شد.