بخشی از مقاله
چکیده
در بخش مدیریت آب و طراحی سازه های وابسته به آن، چه از لحاظ آشامیدنی و چه کشاورزی همواره بایستی برخی پارامترهای آب، از جمله کیفیت - میزان ناخالصی ها و رسوبات - و سرعت جریان در دسترس باشند. با توجه به اهمیت مسائل ذکر شده و مشکلات و کاستی های روش های اندازه گیری این پارامترها، ما بر آن شدیم تا روش و دستگاهی ابداع نماییم که ضمن برخورداری از دقت بالا، قابل حمل و در اندازه بسیار کوچک و چند منظوره - جهت اندازه گیری میزان رسوبات و ناخالصی و سرعت جریان - باشد.
در این راستا با توجه به سادگی و ارزان بودن و در دسترس بودن فیبر نوری و حساسیت بالای فرایند های نوری به شرایط محیطی، اقدام به طرح تئوری و نیز ساخت نوعی سنسور فیبر نوری منحصر به فرد نمودیم، که علاوه بر مسائل آبی، می تواند در صنایع نفت و گاز نیز کاربرد داشته باشد. این سنسور شامل دو قسمت می باشد، قسمت اول مربوط به سنجش سرعت و قسمت دوم مربوط به تعیین میزان ناخالصی - رسوبات و آنالیت ها و ... - می باشد.
اساس کار آن بدین صورت است که با کوپل نمودن نور در دو قسمت سنسور، بسته به میزان ناخالصی و سرعت جریان، میزان نور خروجی از دو قسمت، متفاوت با نور کوپل شده و نیز متفاوت با هم خواهد بود. بدین ترتیب نسبت میزان نور خروجی از سنسور به نور کوپل شده در هر قسمت می تواند به عنوان شاخص سرعت و ناخالصی در نظر گرفته شود؛ با کالیبره نمودن سنسور، روابط و نمودارهای ولتاژ خروجی- سرعت و ولتاژ خروجی- رسوب و... بدست میآیند.
بدین ترتیب، ما یک سیستم مانیتورینگ دائم داریم که تمام سه پارامتر مطرح شده را لحظه به لحظه اندازه گیری و ثبت می نماید. با دایر نمودن این سیستم در ایستگاه های هیدرومتری یا در تصفیه خانه ها نیاز به بسیاری از وسایل اندازه گیری و نیز نمونه گیری ها، رفع خواهد شد و به تبع آن صرفه جویی در نیروی کار و هزینهها خواهد شد و از همه مهمتر اینکه تاثیر خطاهای انسانی به کلی رفع خواهد شد.
مقدمه
امروزه بررسی های کیفی آب دامنه ی گسترده تری پیدا کرده و مسائل مربوط به آلودگی آب های سطحی و زیر زمینی را نیز شامل می گردد. موضوع آلودگی نه تنها در کشور های صنعتی، بلکه در کشور های در حال توسعه نیز مطرح میباشد .[1] در دهه ی گذشته، صنعت تلاش زیادی جهت ارائه ی روش و دستگاهی جهت مانیتور نمودن آلودگی در آب رودخانه ها و آب های سطحی نموده است. رودخانهها و نیز مخازن سدها به عنوان منابع حیاتی آب شرب و نیز فعالیت های کشاورزی و صنعتی می باشند؛ این مسأله کنترل پیوسته کیفیت آب در رودخانه ها و مخازن را ایجاب می کند.
براساس چنین کنترل هایی معلوم شده که میزان کل آنالیت هایی که در آب وجود دارد، در حدود % 10 در سال در حال افزایش میباشد .[2] مسأله اساسی دیگری که در مخازن سدها و کلاً سازه های آبی با آن روبرو هستیم، مسألهی رسوب گذاری میباشد. از اثرات منفی رسوب گذاری در سدها می توان کاهش حجم ذخیره آنها را نام برد 1]و.[3 مسالهی اساسی دیگری که اصولاً بسیاری از پارامترهای دیگر به آن وابسته می باشد، سرعت جریان و اندازه گیری آن می باشد. اندازه گیری سرعت آب به روش های مختلف امکان پذیر می باشد. انتخاب روش به شرایط محلی رودخانه یا کانال و دقت مورد نیاز و در اختیار بودن وسایل و امکانات لازم بستگی دارد. روش های متداول اندازهگیری جریان رودخانهها به شرح زیر میباشد:
- اندازهگیری سرعت با جسم شناور
- اندازهگیری سرعت با دستگاه سرعت سنج - مولینه -
- اندازهگیری سرعت با روش های شیمایی
- اندازهگیری سرعت به روش صوتی .[1]
این کنترل ها - کیفیت، رسوب، سرعت جریان - ، تجهیزات زیاد، هزینهی زیاد و کار زیادی می طلبند. علاوه بر این، تکنیک های مانیتور نمودن آلودگی در آب رودخانه ها و مخازن سدها و ... مناسب نمی باشد و بیشتر این روشها، آزمایشگاهی، گران و هزینهبر میباشند .[2] بنابراین نیاز بهیک سیستم مانیتورینگ قابل حمل و با دقت و سرعت پاسخ بالا، اجتناب ناپذیر میباشد. با توجه به این حقیقت اخیراً محققان زیادی، سعی در ساخت و توسعه ی سنسورهای شیمایی که به طور معمول و با سرعت پاسخ بالا و درجهی دقتی مشابه ابزارهای معمول کنترل به کار گرفته میشوند، نمودهاند.
برای مثال محققین از خاصیت Surface Plasmon Resonance - SPR - در فیبر نوری به عنوان یک تکنیک برای ساخت سنسور گاز و بیوشیمی استفاده مینمایند، .[2] یکی از پارامترهایی که می توان بر اساس آن میزان ناخالصی آب را مانتیور نمود، RI یا ضریب شکست نور در آب - - Refractive Index میباشد. اندازهگیری ضریب شکست برای کارهای مختلفی مهم میباشد و روش های مختلف جهت اندازهگیری آن ارائه شده است .[5] به عنوان مثال جهت اندازه گیری غلظت مایعات در صنایع غذایی همانند تولید رب و آب میوه، قند و غیره، اخیراً سیستم هایی طراحی شده که اساس کار آن ها بر مبنای اندازهگیری - RI - میباشد .[6]
با توجه به اهمیت مسائل ذکر شده و مشکلات و کاستی های روش های بیان شده، ما بر آن شدیم تا روش و دستگاهی ابداع کنیم که حتی الامکان مشکلات و نقصهای روشهای یاد شده را بر طرف کرده و ضمن برخورداری از دقت بالا، قابل حمل و در اندازه بسیار کوچک و چند منظوره - جهت اندازه گیری میزان رسوبات و ناخالصی و سرعت جریان - باشد؛ در این راستا با توجه به سادگی و ارزان بودن و در دسترس بودن فیبر نوری و حساسیت بالای فرایند های نوری به شرایط محیطی، اقدام به طرح تئوری نوعی سنسور فیبر نوری منحصر به فرد نمودیم.
معرفی فیبر نوری
بعد از اختراع لیزر در سال 1960 میلادی، ایده بکارگیری فیبرهای نوری با افت کم که در حالت کلی بعنوان کابلهای فیبر نوری - - FOS شناخته می شوند، برای انتقال اطلاعات شکل گرفت . خبر ساخت اولین فیبر نوری در سال 1966 همزمان در انگلیس و فرانسه اعلام شد، که عملاً درانتقال اطلاعات مخابراتی قابل استفاده نبود تا اینکه در سال 1976 با کوشش فراوان محققین، تلفات فیبر نوری تولیدی شدیداً کاهش داده شد و به مقداری رسید که قابل ملاحظه با سیم های کواکسیکال مورد استفاده در شبکه مخابرات بود .
خواص عایقی FOS ها گویای این واقعیت است که آنها می توانند در پتانسیل صفر عمل کنند و همچنین در جاهاییکه درجه کمی از تضعیف علائم و ظرفیتهای بالا برای انتقال اطلاعات مورد نظر باشد می توانند بکار روند. در ایران در اوایل دهه 60 ، فعالیت های تحقیقاتی در زمینه فیبر نوری در مرکز تحقیقات منجر به تاسیس مجتمع تولید فیبر نوری در پونک تهران گردیدو عملاً در سال 1373 تولید فیبرنوری در ایران آغاز شد. فعالیت استفاده از کابل های نوری در دیگر شهرهای بزرگ ایران شروع شد تا در آینده نزدیک از طریق یک شبکه ملی مخابرات نوری به هم متصل شوند.
نحوه عملکرد فیبر نوری
می دانیم هر گاه نور از محیط اول به محیط دوم که غلیظ تر است وارد شود دچار شکست میشود و اگر نور از محیط غلیظ با بیش از زاویه حد به سطح آن برخورد کند سطح ماده همانند یک آینه تخت عمل می کند و نور بازتابش می کند . از این خاصیت در فیبرهای نوری استفاده شده است. فیبرنوری یک موج بر استوانه ای از جنس شیشه - یا پلاستیک - که از دو ناحیه مغزی و غلاف با ضریب شکست متفاوت و دولایه پوششی اولیه و ثانویه پلاستیکی تشکیل شده است.
به عبارتی دیگر یک فیبر نوری متشکل از یک هسته داخلی با ماده هادی نور و پوشش آلیاژی در بر گیرنده هسته با ضریب شکست کمتر از ضریب شکست هسته می باشد. در کاربردهای عملی هر دو ماده با یک پوشش حفاظتی محصور شده اند. نور در امتداد هسته از طریق انعکاس کامل در مرز هسته و پوشش آن منتشر می شود . انتشار نور تحت تاثیر عواملی ذاتی و اکتسابی دچار تضعیف می شوداین. عوامل عمدتاً ناشی از جذب ماورای بنفش، جذب مادون قرمز، پراکندگی رایلی، خمش و فشارهای مکانیکی بر آنها هستند.
اگر قطر هسته هادی نور خیلی بزرگتر از طول موج نور باشد و اگر یک تغییر کوچک در انکسار نور به فاصله یک طول موج وجود داشته باشد، آنموقع انتشار امواج نوری می تواند بر حسب تقریب باصطلاح هندسی نوری توصیف شود ولی محدودیتی به این صورت وجود دارد که فقط یک تعداد محدودی از زوایای مایل نسبت به محور فیبر مجاز است. از این رو در مورد حالت های موج بر متناظر بحث می شود. تعداد حالتها بستگی هم به طول موج و هم به شکل هندسی و توزیع ضرایب شکست موج بردارند.
