بخشی از مقاله
چکیده
دستگاه از یک دیود و یک گیرنده برای شناسایی رسوبات معلق استفاده میکند. نور مادون قرمز ساطع شده از دیود در اثر برخورد با مواد معلق درون آب ممکن است جذب شود و یا پراکنده شود. بخشی از این نور پراکنده شده توسط ذرات به سمت سنسور گیرنده بازمی گردد. با افزایش غلظت مواد معلق در آب، بازگشت نور شدیدتر می شود. البته اگر غلظت از حد مشخصی بیشتر شود، که در کاربردهای معمول رخ نمیدهد، به دلیل پراکنش چند باره ی نور بازپراکنش شده، نور رسیده به دستگاه کاهش مییابد.
جذابیت این دستگاه این است که همهی برداشتها به صورت دیجیتالی انجام شده و برخلاف دستگاه خارجی، آنالوگ نبوده و نتایج به طول کابلهای آن وابسته نیست. برداشت داده با فرکانس 10 هرتز و به طور سری زمانی است و بنابراین در مقایسه با روش سنتی، که کاربر باید به محل برود و نمونهبرداری کند و تنها چند نمونه در دورهی مورد مطالعه خواهد داشت، دارای تفکیک پذیری زمانی بالاتری است. دستگاه ساخته شده برای نمونههایی از خاکهای سیلت ریز و درشت، و ماسه و در غلظتهایی در محدودهی 2700-60 میلیگرم در لیتر با موفقیت تست شد و دارای پاسخ خطی مناسبی بود.
مقدمه
کشور ایران به سبب داشتن رودخانه ها و سدهای بزرگ و همچنین خطوط ساحلی گسترده، همواره با مشکل رسوب گذاری و از کار افتادگی تأسیسات برق آبی، تأسیسات آب رسانی به مراکز صنعتی و کشاورزی و همچنین، مشکلات فرسایش و رسوب در سازهها ی ساحلی و بنادر مواجه بوده است. در راستای مقابله با این گونه معضلات و یافتن راه حل های مناسب در هر شرایط، دستیابی به اطلاعات دقیق از میزان غلظت رسوبات معلق و میزان کدورت آب، یکی از مهمترین گامها است.
معمولا این دادههای اندازهگیری که به ندرت در کشور وجود دارند، برای کالیبراسیون مدلهای رسوبی به کار رفته و برنامه ریزیهای بلندمدت کشور، مانند طرح مدیریت یکپارچه مناطق ساحلی کشور [1]، بر اساس آنها انجام می شود. همچنین رسوبات دریایی و مواد ارگانیک می توانند کدورت آب را نیز تحت تاثیر قرار دهند و کارکرد صحیح صنایع وابسته به منابع دریایی مانند آب شیرین کن ها نیازمند کنترل دائمی کدورت آب است.
لذا یافتن روش های ساده، کم هزینه و سریع و با حداقل دست خوردگی در محل، به منظور جایگزینی با روش های سنتی و حتی مدرن اما دشوار کنونی برای اندازه گیری رسوبات معلق، از طریق ساخت دستگاه های اندازه گیری مناسب، میتواند گام موثری در جهت پیشرفت و بهبود شناخت محیطی موجود در کشور از سواحل و رودخانهها باشد. رسوبات به دو شکل عمده ی رسوبات کف و رسوبات معلق در محیط های دریایی حرکت می کنند. بسته به نوع رسوبات و شرایط جریان، در یک پروفیل قائم در جریان آب، مقدار بار معلق میتواند تا بیش از 70 درصد از بار رسوبی کل را تشکیل دهد .[2] این سهم بالا، اهمیت برآورد مناسب بار معلق را به عنوان بخش تعیینکنندهای از بار کل رسوب روشنتر میسازد.
به عبارت دیگر میزان غلظت رسوبات معلق یکی از مهمترین پارامترها در برآورد بار رسوبی محیط های آبی نظیر رودخانهها، مصبها و دریاها به شمار میرود. بنابراین به دست آوردن توانایی کمی کردن صحیح غلظت رسوبات معلق همواره مد نظر محققان بوده، و در راستای تحقق این هدف روش های تعیین غلظت رسوبات معلق در طول زمان دستخوش تغییر و تحول شدهاند.
روند افزایشی استفاده از روش های عددی در شبیه سازی و تعیین فرآیندهای انتقال رسوب در محیط های دریایی و وابستگی این گونه مدلها به دانستن غلظت های رسوبات معلق در مرزها و یا نقاط خاصی در داخل محیطهای مورد بررسی جهت صحت سنجی و ارزیابی نتایج آنها، اهمی ت انجام اندازه گیریهای میدانی از غلظت رسوبات معلق را دو چندان مینماید.
ضمن این که بسیاری از نتایج تحلیلی عموما نیاز به یک نقطهی اندازه گیری دارند تا بتوانند تخمین درستی از پروفیل رسوب رودخانه بیان کنند، و روابط پارامتریک ارائه شده به جای آن نقطهی اندازهگیری توافق چندانی با هم و با اندازهگیریها ندارند [3]، و بنابراین اندازهگیری امری اجتنابناپذیر است. روش های سنتی اندازه گیری رسوبات معلق دارای معایبی هستند که استفاده از آن ها را با عدم قطعیت های زیادی همراه کرده است.
برای مثال نمونه باید توسط فرد در محل گرفته شود و بنابراین در زمان های طوفاین که احتمالاً بارهای رسوبی غیرعادی در محل وجود دارد، به دلیل عدم امکان دسترسی به محل، امکان نمونه برداری وجود نخواهد داشت. از نظر آماری، چنین نمونه برداری دارای اریبی به سمت زمان های آرامش محیط است. در ضمن استفاده از نمونهبردارهای نقطهای مانند بطری نیسکین1 و بطری نانسن2 و یا نمونهبردارهای تجمعی مانند US Dh-48 ستون آب را دچار دستخوردگی می کنند.
نمونه ی آب برداشت شده نیاز به آنالیزهایی آزمایشگاهی دارد و بنابراین زمان بر است .[2] بنابراین تعداد نمونه های برداشت شده در هر دورهی اندازهگیری نیز محدود خواهد بود. بنابراین این روش ها دارای فرکانس برداشتی هستند که معمولا ناکافی است. برخی از روش های نوین مانند تصویربرداری ویدیویی و پردازش آن محدود به کاربردهای آزمایشگاهی خواهد بود [4] یا مانند استفاده از تصاویر ماهواره ای تنها تخمینی از رسوبات در سطح دریا، و نه در ستون آب خواهند داشت.
[5] استفاده از بازپراکنش صوتی اگر چه روش مناسبی برای ماسه های درشت و ذرات بزرگ تر از ماسه است، اما برای ذرات ریزدانه کاربرد نامناسبی دارد و ممکن است تخمین نادرستی از رسوبات داشته باشد .[6] یکی از پرکاربردترین روش های مدرن استفاده از بازپراکنش نور مادون قرمز با استفاده از سنجندهی بازپراکنش نور 3 است که میتواند برای اندازهگیری غلظت رسوبات معلق در آب و یا میزان کدورت آب به کار رود. کاربرد راحت و نتایج قابل قبول این دستگاهها سبب شده است که در نقاط مختلف جهان در شرایط شدید دریایی نیز برای اندازهگیری رسوبات از این وسایل استفاده شود .[10-7]
این مقاله گزارشی از نمونه ی ساخته شده ی این دستگاه توسط نویسندگان است که آزمایشات نشان داده است به خوبی می تواند برای اندازه گیری سری زمانی رسوبات معلق مختلف به کار رود. ساخت نمونه ی تجاری این وسیله، در شرایطی که نمونهی مشابه داخلی ندارد، و واردات نمونهی خارجی به دلیل تحریم ها ساده نیست، میتواند راه کاری برای تخمین دقیقتر میزان رسوبات معلق موجود در رودخانهها، مخازن و دریاهای کشور باشد.
مبانی دستگاه نوری غلظتسنج
نشان داده شده است که برای یک منطقهی مشخص، در صورتی که دانهبندی رسوبات تفاوت چندانی در طول زمان نداشته باشد، استفاده از بازتابش نوری در محدودهی مادون قرمز میتواند با دقت قابل قبولی رسوبات معلق را اندازهگیری کند 7]، 11، .[12 دستگاه از یک دیود مادونقرمز تشکیل شده است که شدت تابش حداکثر آن در طول موج 940 نانومتر انجام میشود. به فاصلهی اندکی یک گیرنده قرار دارد که قرار است شدت تابش برگشت داده شده از سوی رسوبات را ذخیره کند. به طور کلی نور مادونقرمز دارای جذب زیادی در سیال است و بنابراین محدودهی اندازه گیری دستگاه در عمل به حدود 30 سانتیمتر جلوی آن محدود میشود.
فرستنده و گیرنده، همانطور که در شکل 1 - -الف - مشخص است، در محفظه های جداگانه محافظت شده اند تا احتمال تابش مستقیم بین فرستنده و گیرنده از بین برود. دیوارهی کل دستگاه از پلیکربنات ساخته شده و جلوی سنسورها در عمل شیشهی نانو قرار میگیرد تا از رشد جلبکها و مواد آلی روی آن جلوگیری شود. کلیهی اتصالات به خوبی آب بندی شده است. ضمن آنکه دستگاه طوری طراحی شده که زاویهی بازگشت سیگنال ناشی از ذرات رسوبی، بیش از 140 درجه است - شکل -1ب را ببینید - و بنابراین اثر حبابهای هوا بسیار کم میشود.
برای حذف اثر نور محیطی از تکنیک همبستگی و قفل بر روی سیگنال ارسال شده توسط فرستنده استفاده میشود. برای این منظور فرستندهی مادون قرمز در یک فرکانس خاص 1 - کیلوهرتز - مدوله میشود. سیگنال دریافت شده توسط سنسور به وسیله مبدل آنالوگ به دیجیتال موجود در میکروکنترلر به اطلاعات دیجیتال تبدیل شده، و در مرحلهی بعد همبستگی سیگنال دریافت شده با سیگنال ارسال شده توسط میکروکنترلر موجود در دستگاه به صورت دیجیتال محاسبه میگردد. پنجرهی زمانی محاسبه همبستگی برابر 100 میلیثانیه است، و لذا یک فیلتر دیجیتال میانگذر با ضریب کیفیت بالا تولید میگردد که قادر است تداخلات نوری خارجی، از جمله 50 هرتز را، حذف نماید. برای جلوگیری از به اشباع رفتن تقویتکننده آنالوگ بر اثر شدت نورهای خیلی بالا، از یک فیلتر آنالوگ بالاگذر RC با فرکانس قطع 5 هرتز استفاده شده است.
همان طور که گفته شد، کلیه ی برداشت های سنجنده توسط بردی که روی دستگاه است به صورت دیجیتال تبدیل میشود و میتواند درون آن روی حافظه ی جانبی، و یا از طریق پورت به دستگاه ثبت کننده4 و یا رایانه متصل شود. اهمیت دیجیتال شدن دادهها روی دستگاه این است که بر خلاف نمونهی خارجی دستگاه، طول کابل دستگاه روی نتایج تاثیرگذار نیست. شکل - 3 - مدار الکتریکی نمونهی ساخته شدهی دستگاه را نشان میدهد که دادهها را با فرکانس 10 هرتز از طریق درگاه USB به رایانه ارسال میکند.
