سنسورهای سطح آب پیزومقاومتی در سنگاپور: کاربردهای عملی و مطالعات موردی

حسگرهای سطح آب پیزومقاومتی به بخش جدایی‌ناپذیری از استراتژی جامع مدیریت آب سنگاپور تبدیل شده‌اند و از گذار این کشور به سمت «شبکه هوشمند آب» پشتیبانی می‌کنند. این مقاله به بررسی کاربردهای متنوع این حسگرهای قوی و دقیق در سیستم‌های آب شهری سنگاپور، از پیشگیری از سیل گرفته تا مدیریت مخزن و شبکه‌های هوشمند آب، می‌پردازد. این حسگرها به عنوان فناوری‌ای که فشار آب را از طریق عناصر پیزومقاومتی به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند، داده‌های قابل اعتماد و بلادرنگ را برای هیئت خدمات عمومی سنگاپور (PUB) فراهم می‌کنند تا عملیات را بهینه کنند، تاب‌آوری سیستم را افزایش دهند و ارائه خدمات را در زیرساخت‌های پیچیده آب این کشور بهبود بخشند.

مقدمه‌ای بر حسگرهای پیزومقاومتی در بخش آب سنگاپور

سفر سنگاپور به سوی تبدیل شدن به یک رهبر جهانی در مدیریت آب، ناشی از ضرورت بوده است. سنگاپور به عنوان یک کشور جزیره‌ای کوچک با منابع آب طبیعی محدود و آسیب‌پذیری بالا در برابر اثرات تغییرات اقلیمی مانند بارندگی شدید و افزایش سطح دریا، سرمایه‌گذاری زیادی در فناوری‌های نوآورانه آب انجام داده است. در میان این فناوری‌ها، حسگرهای سطح آب پیزومقاومتی به عنوان یک جزء حیاتی از زیرساخت‌های نظارت بر آب این کشور ظهور کرده‌اند و قابلیت اطمینان و دقت بی‌نظیری را در محیط‌های آبی متنوع ارائه می‌دهند.

سنسورهای پیزومقاومتی بر این اصل کار می‌کنند که برخی مواد هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکی، مقاومت الکتریکی خود را تغییر می‌دهند. در کاربردهای سطح آب، این سنسورها فشار هیدرواستاتیک اعمال شده توسط ستونی از آب را اندازه‌گیری می‌کنند که مستقیماً با ارتفاع آب متناسب است. این رابطه فیزیکی امکان تعیین دقیق سطح آب را صرف نظر از شفافیت آب، کدورت یا وجود مواد جامد معلق فراهم می‌کند - عواملی که اغلب فناوری‌های جایگزین مانند سنسورهای اولتراسونیک یا نوری را به چالش می‌کشند.

هیئت خدمات عمومی (PUB)، آژانس ملی آب سنگاپور، حسگرهای پیزومقاومتی را به صورت استراتژیک در حوزه‌های مختلف مدیریت آب مستقر کرده است. این استقرارها به چندین چالش منحصر به فرد سنگاپور می‌پردازند: نیاز به پیش‌بینی دقیق سیل در آب و هوای گرمسیری مستعد بارندگی شدید، نیاز به مدیریت دقیق مخزن در کشوری با کمبود زمین که مخازن شهری متعددی ایجاد کرده است، و تقاضا برای داده‌های قابل اعتماد برای بهره‌برداری از یک شبکه آبرسانی به طور فزاینده پیچیده و به هم پیوسته.

داستان آب سنگاپور، داستان دگرگونی است - از کمبود آب تا امنیت آب. چهار منبع ملی آب این کشور (آب حوضه محلی، آب وارداتی، آب شیرین کن و آب نمک زدایی شده) نشان دهنده یک استراتژی متنوع تامین آب است که در آن هر جزء نیاز به نظارت دقیق دارد. حسگرهای پیزومقاومتی با ارائه داده‌های دقیق و بلادرنگ مورد نیاز برای بهینه سازی عملیات در هر چهار منبع، به ویژه در سیستم‌های حوضه محلی که اکنون آب را از دو سوم مساحت سنگاپور جمع آوری می‌کنند، به این استراتژی کمک می‌کنند.

پذیرش فناوری پیزومقاومتی با طرح گسترده‌تر «ملت هوشمند» سنگاپور همسو است که بر تصمیم‌گیری مبتنی بر داده در تمام بخش‌ها تأکید دارد. در مدیریت آب، این به معنای حسگرهایی است که نه تنها اندازه‌گیری‌ها را ارائه می‌دهند، بلکه به طور یکپارچه با پلتفرم‌های پیشرفته تحلیلی ادغام می‌شوند و امکان نگهداری پیش‌بینی‌کننده، سیستم‌های کنترل خودکار و قابلیت‌های هشدار اولیه را فراهم می‌کنند. استحکام حسگرهای پیزومقاومتی - توانایی آنها در حفظ دقت علیرغم رسوبات زیستی، نوسانات دما و استقرار طولانی‌مدت - آنها را به ویژه برای محیط گرمسیری سنگاپور و استانداردهای سختگیرانه PUB برای کیفیت داده‌ها و قابلیت اطمینان سیستم مناسب می‌کند.

سیستم‌های پایش سیل و هشدار زودهنگام

آب و هوای گرمسیری سنگاپور بارندگی شدیدی را به همراه دارد که می‌تواند به سرعت سیستم‌های زهکشی را از کار بیندازد و همین امر، نظارت قوی بر سیل را برای تاب‌آوری شهری ضروری می‌کند. هیئت خدمات عمومی (PUB) به عنوان بخشی از استراتژی مدیریت ریسک سیل خود، شبکه گسترده‌ای از حسگرهای سطح آب پیزومقاومتی را پیاده‌سازی کرده و یکی از پیشرفته‌ترین سیستم‌های هشدار سیل شهری در جهان را ایجاد کرده است. این حسگرها داده‌های حیاتی مورد نیاز برای پیش‌بینی، نظارت و واکنش به وقایع سیل در سراسر چشم‌انداز شهری متراکم جزیره را فراهم می‌کنند.

استقرار حسگر در مناطق پرخطر

شرکت PUB به صورت استراتژیک حسگرهای پیزومقاومتی را در تقریباً 200 مکان کلیدی در سراسر شبکه زهکشی سنگاپور، با تمرکز ویژه در مناطق کم‌ارتفاع و نقاط سیل‌خیز تاریخی57، نصب کرده است. این حسگرها به طور مداوم سطح آب در کانال‌ها، زهکش‌ها و رودخانه‌ها را رصد می‌کنند و داده‌های بلادرنگ را به سیستم‌های کنترل مرکزی PUB ارسال می‌کنند. فناوری پیزومقاومتی به دلیل قابلیت اطمینان فوق‌العاده‌اش در شرایط محیطی چالش‌برانگیز سنگاپور - رطوبت بالا، باران‌های شدید مکرر و احتمال سیلاب‌های مملو از آوار که می‌توانند انواع دیگر حسگرها را آلوده کنند - برای این کاربردها انتخاب شده است.

این حسگرها بخشی از یک سیستم یکپارچه نظارت بر سیل را تشکیل می‌دهند که شامل رادار بارندگی، دوربین‌های مداربسته و مانیتورهای کیفیت آب است. با این حال، حسگرهای سطح آب پیزومقاومتی به عنوان عنصر اساسی عمل می‌کنند و مستقیم‌ترین اندازه‌گیری خطر واقعی سیل را در مکان‌های خاص ارائه می‌دهند. اندازه‌گیری‌های آنها به ویژه ارزشمند است زیرا نتیجه یکپارچه تمام فرآیندهای هیدرولوژیکی بالادست - شدت بارندگی، ویژگی‌های رواناب حوضه آبریز و عملکرد سیستم زهکشی - را در یک پارامتر واحد و به راحتی قابل تفسیر: عمق آب ثبت می‌کنند.

مکانیسم‌های هشدار خودکار

سیستم نظارت بر سیل سنگاپور از داده‌های حسگرهای پیزومقاومتی برای تولید هشدارهای خودکار از طریق کانال‌های متعدد استفاده می‌کند. هنگامی که سطح آب به آستانه‌های از پیش تعیین‌شده (معمولاً در 50٪، 75٪، 90٪ و 100٪ از عمق بحرانی) افزایش می‌یابد، سیستم از طریق پیامک، برنامه تلفن همراه MyWaters و نمایشگرهای داخلی اتاق کنترل PUB7 اعلان‌هایی را ارسال می‌کند. این رویکرد هشدار چند مرحله‌ای، امکان پاسخ‌های تدریجی، از نظارت معمول تا مداخلات اضطراری را فراهم می‌کند.

دقت بالای حسگرهای پیزومقاومتی (±0.1٪ از مقیاس کامل در بسیاری از نصب‌ها) تضمین می‌کند که هشدارها بر اساس اندازه‌گیری‌های دقیق باشند و در عین حال زمان هشدار کافی را فراهم کنند. ساکنان و مشاغل می‌توانند برای دریافت هشدار برای حداکثر سه مکان خاص حسگر مشترک شوند و هشدارهای سیل شخصی‌سازی‌شده را برای مناطق مورد توجه خاص امکان‌پذیر سازند.7 این سطح از سفارشی‌سازی تنها به این دلیل امکان‌پذیر است که حسگرهای پیزومقاومتی داده‌های قابل اعتمادی را ارائه می‌دهند که PUB و عموم مردم می‌توانند به آن اعتماد کنند.

ادغام با زیرساخت کنترل سیل

فراتر از سیستم‌های هشدار، داده‌های حسگرهای پیزومقاومتی مستقیماً زیرساخت‌های خودکار کاهش سیل را در چندین مکان در سراسر سنگاپور کنترل می‌کنند. در مناطقی مانند جاده اورچارد - یک منطقه خرید که در سال‌های ۲۰۱۰ و ۲۰۱۱ سیل شدیدی را تجربه کرد - داده‌های حسگر باعث فعال شدن موانع موقت سیل و فعال شدن پمپ‌های قدرتمند برای منحرف کردن آب سیل می‌شود. زمان پاسخ سریع حسگرها (معمولاً کمتر از یک ثانیه) برای این کاربردها بسیار مهم است و به سیستم‌های کنترل اجازه می‌دهد قبل از شدید شدن شرایط سیل واکنش نشان دهند.

یکی از کاربردهای قابل توجه، برنامه زیرزمین «ضد سیل» برای ساختمان‌ها در مناطق مستعد سیل است. در اینجا، حسگرهای پیزومقاومتی نصب شده در پارکینگ‌های زیرزمینی به سیستم‌های هشدار ساختمان متصل می‌شوند و در صورت تهدید سیل، هشدارهای مستقیمی را به مدیران ساختمان و ساکنان ارائه می‌دهند. ساختار مستحکم حسگرها، عملکرد قابل اعتماد را حتی در صورت غوطه‌ور شدن جزئی در آب، که یک نقطه شکست رایج برای فناوری‌های کم‌دوام‌تر است، تضمین می‌کند.

عملکرد در طول رویدادهای آب و هوایی شدید

شبکه حسگر پیزومقاومتی سنگاپور ارزش خود را در طول چندین رویداد بارندگی شدید ثابت کرده است. به عنوان مثال، در طول طوفان سال ۲۰۱۸ که نزدیک به ۱۶۰ میلی‌متر باران در چهار ساعت بارید - یکی از شدیدترین بارندگی‌ها در تاریخ سنگاپور - شبکه حسگر، به‌روزرسانی‌های دقیقه به دقیقه‌ای از سطح آب در سراسر جزیره را در اختیار PUB قرار داد. این داده‌ها امکان استقرار هدفمند تیم‌های واکنش به سیل و ارتباطات عمومی دقیق در مورد مناطقی که بیشترین خطر را دارند، فراهم کرد.

تجزیه و تحلیل داده‌های حسگرها پس از وقوع سیل نیز به PUB کمک کرده است تا تنگناهای سیستم زهکشی را شناسایی کرده و سرمایه‌گذاری‌های زیرساختی آینده را بهینه کند. توانایی حسگرهای پیزومقاومتی در ارائه اندازه‌گیری‌های دقیق حتی در شرایط بحرانی، آنها را برای این تحقیقات پزشکی قانونی بسیار ارزشمند می‌کند، زیرا آنها هیدروگراف کامل وقایع سیل را بدون شکاف داده‌ها در طول جریان‌های اوج ثبت می‌کنند.

مدیریت مخزن و ذخیره آب

رویکرد نوآورانه سنگاپور در زمینه ذخیره آب و مدیریت مخازن، به شدت به نظارت دقیق سطح آب متکی است و حسگرهای پیزومقاومتی نقش محوری در تضمین کارایی و ایمنی این دارایی‌های حیاتی آب ایفا می‌کنند. سنگاپور، به عنوان یک شهر-دولت جزیره‌ای با منابع آب طبیعی محدود، چشم‌انداز شهری خود را به گونه‌ای تغییر داده است که به عنوان یک منطقه آبخیز عمل کند و شبکه گسترده‌ای از مخازن ایجاد کرده است که اکنون آب را از دو سوم سطح زمین کشور جمع‌آوری می‌کنند. مدیریت این مخازن نیازمند داده‌های دقیق و بلادرنگ سطح آب است - نیازی که به طور کامل توسط فناوری حسگر پیزومقاومتی برآورده می‌شود.

نظارت بر سیستم مخزن مارینا

مخزن مارینا، شهری‌ترین حوضه آبریز سنگاپور، نمونه‌ای از کاربرد پیچیده حسگرهای پیزومقاومتی در تأسیسات ذخیره‌سازی آب در مقیاس بزرگ است. حسگرهای متعددی به صورت استراتژیک در اعماق و مکان‌های مختلف در سراسر مخزن قرار گرفته‌اند تا نه تنها سطح کلی آب، بلکه اثرات لایه‌بندی و تغییرات موضعی را نیز رصد کنند. این اندازه‌گیری‌ها برای چندین جنبه عملیاتی بسیار مهم هستند:

• مدیریت تامین آب: داده‌های دقیق سطح آب، نرخ‌های بهینه برداشت را تضمین می‌کند که ضمن جلوگیری از کاهش غیرضروری آب، تامین آب را حفظ می‌کند.
• جمع‌آوری آب‌های سطحی: در طول بارندگی، حسگرها به تعیین میزان رواناب اضافی که مخزن می‌تواند با خیال راحت جذب کند، کمک می‌کنند.
• کنترل شوری: در سد مارینا، داده‌های حسگر به عملیات دروازه اطلاع می‌دهند تا از نفوذ آب دریا جلوگیری شود و در عین حال امکان تخلیه مناسب فراهم شود.

حسگرهای پیزومقاومتی در مخزن مارینا به طور ویژه برای مقاومت در برابر شرایط آب شور، جایی که آب شیرین به دریا می‌رسد، طراحی شده‌اند و موادی برای مقاومت در برابر خوردگی در این محیط چالش‌برانگیز انتخاب شده‌اند. ساختار مستحکم آنها امکان عملکرد مداوم با حداقل نگهداری را، علیرغم غوطه‌وری مداوم و قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی مختلف آب، فراهم می‌کند.

نظارت غیرمتمرکز بر مخازن ذخیره‌سازی

فراتر از مخازن اصلی، حسگرهای پیزومقاومتی سطح آب را در مخازن ذخیره‌سازی غیرمتمرکز متعدد سنگاپور - زیرساخت‌های حیاتی برای حفظ فشار آب و ذخایر اضطراری در سراسر شبکه توزیع آب جزیره37 - نظارت می‌کنند. این کاربردها تطبیق‌پذیری حسگرها را نشان می‌دهند:

• مخازن پشت بام شهری: در ساختمان‌های بلند، حسگرها ضمن جلوگیری از سرریز، تأمین آب کافی برای طبقات بالا را تضمین می‌کنند.
• مخازن خدماتی: این تأسیسات ذخیره‌سازی میانی از داده‌های حسگرها برای بهینه‌سازی برنامه‌های پمپاژ و مصرف انرژی استفاده می‌کنند.
• ذخیره اضطراری: ذخایر استراتژیک که برای سناریوهای خشکسالی یا خرابی زیرساخت‌ها نگهداری می‌شوند، برای آمادگی به دقت رصد می‌شوند.

PUB به دلیل عملکرد ثابت حسگرهای پیزومقاومتی در هندسه‌های مختلف مخزن و توانایی آنها در ارتباط مستقیم با سیستم‌های SCADA که شبکه توزیع آب سنگاپور را خودکار می‌کنند، آنها را برای این کاربردها استاندارد کرده است.

ما همچنین می‌توانیم راه‌حل‌های متنوعی برای

۱. کنتور دستی برای کیفیت آب چند پارامتری

۲. سیستم شناور شناور برای کیفیت آب چند پارامتری

۳. برس تمیزکننده خودکار برای حسگر آب چند پارامتری

۴. مجموعه کامل سرورها و ماژول بی‌سیم نرم‌افزاری، پشتیبانی از RS485 GPRS /4g/WIFI/LORA/LORAWAN

برای حسگر آب بیشتر اطلاعات،

لطفا با شرکت فناوری هونده تماس بگیرید.

Email: info@hondetech.com

وب‌سایت شرکت:www.hondetechco.com

تلفن: +86-15210548582