بخشی از مقاله
طراحی و ساخت دستگاه اندازهگیری دبی و حجم آب عبوری از پارشال فلوم
چکیده
برآورد دبی جریان و حجم آب عبوری در شبکههای انتقال آب، کانالها و جویچه های آبیاری سطحی از اهمیت ویژهای برخوردار است. وسایل مختلفی ازجمله انواع سرریز، دریچه و انواع مختلف فلوم در ارتباط مورداستفاده قرار میگیرند. اندازهگیری دقیق دبی آب مزایای گستردهای دارد که از آن جمله میتوان به مواردی چون مدیریت صحیح منابع آب موجود، جلوگیری از وجود آب بیشازحد نیاز در مزارع و حفاظت از محیطزیست و ... اشاره نمود .یکی از روشهای مرسوم برای اندازهگیری دبی در کانالهای آبرسانی استفاده از انواع پارشال فلوم میباشد. در این مطالعه یک دستگاه الکترونیکی و اتوماتیک اندازهگیری و ثبت دبی عبوری از پارشال فلوم و همچنین ثبت حجم آب عبوری ارائهشده است. این وسیله کمهزینه بوده و قابلاستفاده برای فلومها درسایزهای مختلف بوده و کالیبراسیون در محل نصب نیز از ویژگیهای این سیستم است. نتایج حاصل از مقایسهی اندازهگیری دبی و حجم آب توسط دستگاه ارائهشده و اندازهگیریهای دستی نشاندهندهی دقت بالای این دستگاه برای اندازهگیری دبی و حجم آب است.
کلمات کلیدی: اندازهگیری دبی، پارشال فلوم، مدیریت صحیح منابع آب، دستگاه الکترونیکی
. 1 مقدمه
توزیع صحیح آب در یک شبکه، مستلزم وجود یک سیستم دقیق برای اندازهگیری دبی و حجم آب در کلیه آبگیرهای سطوح مختلف شبکه میباشد. اندازهگیری کمیتهای فیزیکی در یک مزرعه کشاورزی به پارامترهای قابلبررسی و تجزیهوتحلیل با استفاده از روشهای رایج دستی و مشاهده مستقیمعموماً بسیار وقتگیر، نیازمند نیروی انسانی، پرزحمت، پرهزینه و گاهی هم کمدقت میباشد .پیشرفتهای دو دهه اخیر در علوم الکترونیک و کامپیوتر به ما این اجازه را میدهد تا عناصری را کهاصطلاحاً (سنسور) مینامیم جایگزین عامل انسانی برای مشاهدات معمول، تکراری و وقتگیر کنیم .هر سنسور بسته به طراحی به تغییراتی که در هوا، آبوخاک اتفاق میافتد واکنش نشان داده و امکان ثبت آن بهصورت عددی را فراهم میسازد.[3]
1
یکی از عوامل اساسی و مهم که طی چند سال اخیر، در مجموعه نظامهای مدیریت بهرهبرداری از شبکه آبیاری در سطح کشور مطرح گردیده، ایجاد قابلیت تحویل حجمی آب به مصرفکنندگان است که یکی از پایههای اصلی نظام جدید مدیریت شبکههای آبیاری محسوب میگردد .دستیابی به این اهداف مستلزم استقرار یک سیستم اندازهگیری حجم جریان در نقاط کلیدی، شامل بند انحرافی، ابتدای کانال اصلی، نقاط ورود آب به داخل محدوده مناطق آبیاری، ابتدای کانالهای درجه 2 و درجه 3 و نقاط خروجی آب از منطقه زیرپوشش شبکه میباشد.[2]
اندازهگیریهای مزرعهای برای تعیین وضعیت سیستمهای آبیاری بر اساس یکسری پارامترهای مهم برای تعریف مشکلات مربوط به عملکرد و توسعهی تجهیزات و امکاناتی جهت اصلاح سیستمهای آبیاری ضروری است.[1] امروزه یکی از روشهای متداول و معتبر اندازهگیری دبی در کانالهای باز و آبیاری شیاری، استفاده از سازه پارشال فلوم میباشد. روش سنجش دبی در سازه پارشال فلوم محصول بیش از 25 سال تحقیقات خستگیناپذیر و بیوقفه آقای پارشال در ایالاتمتحده تحت شرایط سخت جهت دستیابی و هرچه نزدیکتر شدن به فرمولهای غیرخطی میباشد. در این روش در داخل مجرای پارشال فلوم که سازهای است با شکل خاص در مسیر کانال، مقدار حجم عبوری مایع اندازهگیری میشود.
در این تحقیق یک ابزار اندازهگیری و ثبت عمق، دبی و حجم آب عبوری از پارشال تهیهشده است. این سیستم همچنین قادر است مقدار دبی ماکسیمم و مینیمم عبوری از پارشال فلوم را محاسبه کند.
موادوروشها
معادله دبی جریان برای پارشال فلوم با اندازه استاندارد به شکل زیر میباشد.
Q=chn (1)
که در آن h هد اندازهگیری (سانتیمتر)، Q دبی جریان (لیتر در ثانیه)،n و c ضرایب ثابت میباشد و از جدول مربوطه استخراج میشوند. دستگاهی که در این پژوهش طراحی و ساختهشده است مجهز به یک سنسور فرستنده گیرندهی موج اولتراسونیک میباشد. سنسور اولتراسونیک در بالای مسیر عبور آب در فلوم قرار میگیرند ودائماً امواج مافوق صوت را به سطح مایع ارسال و انعکاس آنها را دریافت مینماید .زمان ارسال و دریافت توسط میکروکنترلر، پروسس گردیده و این سیگنال را به مقادیر دیجیتالی ارتفاع یا دبی لحظهای و یا حجم کل عبوری تبدیل مینماید. در این وضعیت میزان دبی با رابطه تجربی و غیرخطی بیان میگردد .این فرمول یا رابطه غیرخطی برای پارشال فلوم های مختلف متفاوت میباشد . بدین ترتیب با اندازهگیری دقیق ارتفاع سطح مایع در گلوگاه با سیستم فوق مقدار دبی مشخص میگردد.
اجزا و شیوه کارکرد دستگاه
سنسور اولتراسونیک: در این تحقیق از سنسور SRF 05 باقابلیت اندازهگیری سطح آب تا عمق 400 سانتیمتر با دقت 1 تا 2 میلیمتر استفادهشده است.
نمایشگر: بهمنظور نمایش مقادیر دبی و عمق آب و همچنین تنظیمات اولیه دستگاه از یک16*4 lcd استفاده شد.
2
میکروکنترلر: پردازش اطلاعات سنسور، محاسبات عددی و کنترل اجزا مدار توسط این قسمت از مدار انجام میگیرند. در این سیستم میکروکنترلرهای AVR به دلیل قیمت مناسب و قابلیت برنامهریزی بالا بهکاربرده شد.
منبع تغذیه: با توجه به نیاز سیستم از یک باطری 12 ولت مینی جهت تغذیهی مدار استفاده شد
کلیدها: جهت تنظیمات اولیه ازجمله واردکردن مقادیر c و n پارشال فلوم و همچنین ثبت مقادیر حجم و دبی در زمانهای مشخص توسط کاربر چهار کلید تعبیهشده است.
شکل 1 مدار الکترونیکی فلومتر تهیهشده را نشان میدهد. در ادامه نحوه استفاده از دستگاه ارائهشده توضیح داده خواهد شد.
شکل .1 نقشه مدار الکترونیکی فلومتر
بعد از روشن کردن دستگاه با استفاده از کلید 1 و 2 پارامترهای ثابت c و n معادله فلوم موردنظر تنظیم میشود. با استفاده از کلید 3 در هر مرحله از انجام آزمایش به مرحله بعدی رفته و فشردن این کلید بهمنزلهی تائید و ثبت مراحل قبلی میباشد. در این مرحله دستگاه در محل مناسب بالای فلوم نصب میشود. عمق نصب دستگاه ازنظر محاسبه دبی و حجم آب محدودیتی ندارد. بدین منظور قبل از ورود آب با فشردن کلید 3 عمق اولیهی فلوم ثبت و در مراحل بعد با محاسبه تفاوت این عمق با عمق آب در زمانهای مشخص دبی محاسبه میشود. در ادامهی کار با فشردن کلید 3 در هرزمان مقادیر دبی عبوری بر روی حافظه میکرو کنترل ذخیره میشود. در انتهای آزمایش برای مشاهده مقادیر ثبتشده از کلید شماره 4 استفاده میکنیم. علاوه بر ثبت دبی در زمانهای انتخابشده، در طول مدت آزمایش در هرلحظه حجم آب عبوری با مقادیر قبلی آن جمع شده و درنهایت حجم کل آب عبوری محاسبه میشود. همچنین در هرلحظه دبی عبوری با مقادیر دبی قبل مقایسه شده و درنهایت مقادیر مینیمم و ماکسیمم دبی نیز در حافظهی میکروکنترلر ذخیره میشود.
3
نتایج و بحث
جهت ارزیابی دستگاه آزمایشهایی برای دو نوع پارشال فلوم در مزرعه دانشگاه فردوسی انجام شد. شکل 2 نحوهی بهکارگیری فلومتر را نشان میدهد.
شکل .2 اندازهگیری عمق و دبی آب عبوری از پارشال فلوم توسط فلومتر
در کنار دادهبرداری توسط دستگاه، عمق آب در فلوم و زمان آزمایش بهصورت دستی جهت مقایسه نهایی یادداشت شدند. در پایان نمودار دبی که از دو روش اندازهگیری با دستگاه و اندازهگیری مستقیم به دست آمد جهت مقایسه رسم گردید (شکل (3
شکل 3 -نمودار دبی فلوم شماره 1 با اندازهگیری دستی و استفاده از فلومتر
4
شکل 4 -نمودار دبی فلوم شماره 2 با اندازهگیری دستی و استفاده از فلومتر
شکل 3 و 4 شباهت بسیار نزدیک نتایج حاصل از دو روش اندازهگیری دستی و اندازهگیری توسط دستگاه را نشان میدهد . در حالت دستی حداکثر دقت در دادهبرداری به کار گرفته شد و دستگاه الکترونیکی نیز با کنترل قبلی انجامشده بر روی آن بدون خطا اقدام به ذخیره دبی در زمانهای مشخص نموده است. شکلهای 3 و 4 نشان میدهند که دستگاه پیشنهادی قادر است دبی آب عبوری از پارشال فلوم را در مقادیر بالاتر از 2 لیتر در ثانیه با دقت بالا ثبت کند .از ارقام ثبتشده میتوان برای تخصیص و مدیریت آب در کانالها و شیارهای روشهای آبیاری سطحی استفاده کرد.
نتیجهگیری
