חיישני מפלס מים פיאזורסיסטיים בסינגפור: יישומים מעשיים ומחקרי מקרה

חיישני מפלס מים פיאזורסיסטיים הפכו לחלק בלתי נפרד מאסטרטגיית ניהול המים המקיפה של סינגפור, ותומכים במעבר של המדינה ל"רשת מים חכמה". מאמר זה בוחן את היישומים המגוונים של חיישנים חזקים ומדויקים אלה במערכות המים העירוניות של סינגפור, החל ממניעת שיטפונות ועד לניהול מאגרים ורשתות מים חכמות. כטכנולוגיה הממירה לחץ מים לאותות חשמליים באמצעות אלמנטים פיאזורסיסטיים, חיישנים אלה מספקים לרשות השירותים הציבוריים של סינגפור (PUB) נתונים אמינים בזמן אמת כדי לייעל את הפעילות, לשפר את חוסן המערכת ולשפר את אספקת השירותים בתשתית המים המורכבת של המדינה.

מבוא לחישה פיאזורסיסטית במגזר המים של סינגפור

המסע של סינגפור להפוך למובילה עולמית בניהול מים הונע על ידי צורך. כמדינת אי קטנה עם משאבי מים טבעיים מוגבלים ופגיעות גבוהה להשפעות שינויי האקלים כמו גשמים עזים ועליית מפלס הים, סינגפור השקיעה רבות בטכנולוגיות מים חדשניות. בין אלה, חיישני מפלס מים פיאזורסיסטיים צצו כמרכיב קריטי בתשתית ניטור המים של המדינה, ומציעים אמינות ודיוק חסרי תקדים בסביבות מימיות מגוונות.

חיישנים פיאזורסיסטיים פועלים על פי העיקרון שחומרים מסוימים משנים את ההתנגדות החשמלית שלהם כאשר הם נתונים למאמץ מכני. ביישומי מפלס מים, חיישנים אלה מודדים את הלחץ ההידרוסטטי המופעל על ידי עמוד מים, שהוא ביחס ישר לגובה המים. קשר פיזי זה מאפשר קביעת מפלס מים מדויקת ללא קשר לצלילות המים, עכירותם או נוכחותם של מוצקים מרחפים - גורמים שלעתים קרובות מאתגרים טכנולוגיות חלופיות כמו חיישנים אולטרסאונד או אופטיים.

רשות השירותים הציבוריים (PUB), סוכנות המים הלאומית של סינגפור, פרסה אסטרטגית חיישנים פיאזורסיסטיים בתחומים מרובים של ניהול מים. פריסות אלו מטפלות בכמה מהאתגרים הייחודיים של סינגפור: הצורך בחיזוי שיטפונות מדויק באקלים טרופי הנוטה לגשמים עזים, הדרישה לניהול מאגרים מדויק במדינה דלה בקרקע שיצרה מאגרים עירוניים רבים, והביקוש לנתונים אמינים להפעלת רשת אספקת מים מורכבת ומקושרת יותר ויותר.

סיפור המים של סינגפור הוא סיפור של טרנספורמציה - ממחסור במים לביטחון מים. ארבעת הברזים הלאומיים של המדינה (מי ניקוז מקומיים, מים מיובאים, מים חדשים ומים מותפלים) מייצגים אסטרטגיית אספקת מים מגוונת שבה כל רכיב דורש ניטור קפדני. חיישנים פיאזורסיסטיים תורמים לאסטרטגיה זו על ידי אספקת נתונים מדויקים בזמן אמת הדרושים לייעול הפעילות בכל ארבעת הברזים, במיוחד במערכות הניקוז המקומיות שאוספות כיום מים משני שלישים משטחה היבשתי של סינגפור.

אימוץ טכנולוגיית פיאזורסיסטיב תואם את יוזמת "האומה החכמה" הרחבה יותר של סינגפור, המדגישה קבלת החלטות מונעת נתונים בכל המגזרים. בניהול מים, הדבר מתורגם לחיישנים שלא רק מספקים מדידות אלא גם משתלבים בצורה חלקה עם פלטפורמות ניתוח מתקדמות, ומאפשרים תחזוקה ניבויית, מערכות בקרה אוטומטיות ויכולות התרעה מוקדמת. החוסן של חיישנים פיאזורסיסטיביים - יכולתם לשמור על דיוק למרות זיהום ביולוגי, תנודות טמפרטורה ופריסה ארוכת טווח - הופך אותם למתאימים במיוחד לסביבה הטרופית של סינגפור ולסטנדרטים המחמירים של PUB לאיכות נתונים ואמינות המערכת.

מערכות ניטור שיטפונות והתרעה מוקדמת

האקלים הטרופי של סינגפור מביא עמה גשמים עזים שיכולים להציף במהירות את מערכות הניקוז, מה שהופך ניטור שיטפונות חזק לחיוני לחוסן עירוני. רשות השירותים הציבוריים (PUB) הטמיעה רשת נרחבת של חיישני מפלס מים פיאזורסיסטיים כחלק מאסטרטגיית ניהול סיכוני השיטפונות שלה, ויצרה אחת ממערכות התרעה מפני שיטפונות עירוניות המתקדמות ביותר בעולם. חיישנים אלה מספקים את הנתונים הקריטיים הדרושים לחיזוי, ניטור ותגובה לאירועי שיטפונות ברחבי הנוף העירוני הצפוף של האי.

פריסת חיישנים באזורים בסיכון גבוה

PUB התקינה אסטרטגית חיישנים פיאזורסיסטיים בכ-200 מיקומים מרכזיים לאורך רשת הניקוז של סינגפור, עם התמקדות מיוחדת באזורים נמוכים ובמוקדי הצפה היסטוריים57. חיישנים אלה עוקבים באופן רציף אחר מפלסי המים בתעלות, ניקוזים ונהרות, ומזינים נתונים בזמן אמת למערכות הבקרה המרכזיות של PUB. טכנולוגיית הפיאזורסיסטים נבחרה עבור יישומים אלה בשל אמינותה יוצאת הדופן בתנאי הסביבה המאתגרים של סינגפור - לחות גבוהה, גשמים עזים תכופים ופוטנציאל למי שיטפונות עמוסי פסולת שעלולים לזהם סוגים אחרים של חיישנים.

החיישנים מהווים חלק ממערכת משולבת לניטור שיטפונות הכוללת מכ"ם גשם, מצלמות טלוויזיה במעגל סגור וניטור איכות מים. עם זאת, חיישני מפלס המים הפיזורזיסטיים משמשים כאלמנט הבסיסי, ומספקים את המדידה הישירה ביותר של סיכון השיטפונות בפועל במקומות ספציפיים. המדידות שלהם בעלות ערך מיוחד משום שהן לוכדות את התוצאה המשולבת של כל התהליכים ההידרולוגיים במעלה הזרם - עוצמת הגשם, מאפייני נגר מי הניקוז וביצועי מערכת הניקוז - בפרמטר יחיד וקל לפירוש: עומק המים.

מנגנוני התראה אוטומטיים

מערכת ניטור השיטפונות של סינגפור ממנפת נתוני חיישנים פיאזורסיסטיים כדי לייצר התראות אוטומטיות דרך ערוצים מרובים. כאשר מפלסי המים עולים לספים שנקבעו מראש (בדרך כלל ב-50%, 75%, 90% ו-100% מהעומק הקריטי), המערכת מפעילה התראות באמצעות SMS, אפליקציית MyWaters לנייד ותצוגות פנימיות של חדר הבקרה של PUB7. גישת התראות מדורגת זו מאפשרת תגובות מדורגות, החל מניטור שגרתי ועד להתערבויות חירום.

הדיוק הגבוה של חיישני הפיאזורזיסטיב (±0.1% מהקנה מידה מלא במתקנים רבים) מבטיח שההתראות מבוססות על מדידות מדויקות, תוך צמצום אזעקות שווא תוך מתן זמן התרעה הולם. תושבים ועסקים יכולים להירשם לקבלת התראות עבור עד שלושה מיקומי חיישנים ספציפיים, מה שמאפשר התראות שיטפונות מותאמות אישית עבור אזורים בעלי דאגה מיוחדת7. רמת התאמה אישית זו אפשרית רק משום שחיישני הפיאזורזיסטיב מספקים נתונים אמינים באופן עקבי ש-PUB והציבור יכולים לסמוך עליהם.

אינטגרציה עם תשתית בקרת הצפות

מעבר למערכות התרעה, נתוני חיישנים פיאזורסיסטיים שולטים ישירות בתשתית אוטומטית למיתון שיטפונות במספר מוקדים ברחבי סינגפור. באזורים כמו אורצ'רד רואד - אזור קניות שחווה שיטפונות חמורים ב-2010 וב-2011 - נתוני חיישנים מפעילים את פעולתם של מחסומי שיטפונות זמניים ומפעילים משאבות חזקות כדי להסיט את מי השיטפונות. זמן התגובה המהיר של החיישנים (בדרך כלל פחות משנייה אחת) הוא קריטי עבור יישומים אלה, ומאפשר למערכות בקרה להגיב לפני שתנאי השיטפונות הופכים לחמורים.

יישום בולט אחד הוא תוכנית מרתפים "חסינת הצפה" עבור מבנים באזורים מועדים להצפות. כאן, חיישנים פיאזורסיסטיים המותקנים בחניונים תת-קרקעיים מתחברים למערכות אזעקה של הבניין, ומספקים אזהרות ישירות למנהלי הבניין ולדיירים כאשר מי הצפה מאיימים. המבנה החזק של החיישנים מבטיח פעולה אמינה גם כאשר הם שקועים חלקית, נקודת כשל נפוצה בטכנולוגיות פחות עמידות.

ביצועים במהלך אירועי מזג אוויר קיצוניים

רשת החיישנים הפיזור-רזיסטיבית של סינגפור הוכיחה את ערכה במהלך אירועי גשם קיצוניים מרובים. לדוגמה, במהלך סופה בשנת 2018 שהורידה כמעט 160 מ"מ גשם בארבע שעות - אחד הגשמים העזים ביותר בהיסטוריה של סינגפור - רשת החיישנים סיפקה ל-PUB עדכונים דקה אחר דקה על מפלסי המים ברחבי האי. נתונים אלה אפשרו פריסה ממוקדת של צוותי תגובה לשיטפונות ותקשורת מדויקת לציבור לגבי האזורים הנמצאים בסיכון הגבוה ביותר.

ניתוח נתוני חיישנים לאחר אירוע עזר גם ל-PUB לזהות צווארי בקבוק במערכות הניקוז ולמטב השקעות עתידיות בתשתיות. יכולתם של החיישנים הפיזור-רזיסטיבים לספק מדידות מדויקות גם בתנאים קיצוניים הופכת אותם ליקרים במיוחד עבור חקירות פורנזיות אלו, מכיוון שהם לוכדים את ההידרוגרף המלא של אירועי שיטפונות ללא פערים בנתונים במהלך שיא הזרימה.

ניהול מאגרים ואחסון מים

הגישה החדשנית של סינגפור לאגירת מים וניהול מאגרים מסתמכת במידה רבה על ניטור מדויק של מפלס המים, כאשר חיישנים פיאזורסיסטיים ממלאים תפקיד מרכזי בהבטחת היעילות והבטיחות של נכסי מים קריטיים אלה. כעיר-מדינה על אי עם משאבי מים טבעיים מוגבלים, סינגפור שינתה את הנוף העירוני שלה לתפקוד כאזור ניקוז מים, ויצרה רשת נרחבת של מאגרים שאוספים כעת מים משני שלישים משטח הקרקע של המדינה. ניהול מאגרים אלה דורש נתוני מפלס מים מדויקים בזמן אמת - דרישה הנענית בצורה מושלמת על ידי טכנולוגיית חיישנים פיאזורסיסטיים.

ניטור מערכת מאגר המים במרינה

מאגר מרינה, נקודת הניקוז העירונית ביותר בסינגפור, מדגים את היישום המתוחכם של חיישנים פיאזורסיסטיים במתקני אחסון מים בקנה מידה גדול. חיישנים מרובים ממוקמים אסטרטגית בעומקים ובמיקומים שונים ברחבי המאגר כדי לנטר לא רק את מפלסי המים הכוללים, אלא גם את השפעות הריבוד והשינויים המקומיים. מדידות אלו חיוניות למספר היבטים תפעוליים:

• ניהול אספקת מים: נתוני מפלס מדויקים מבטיחים קצב שאיבה אופטימלי אשר שומר על אספקה תוך הימנעות משיכה מיותרת.
• לכידת מי סערה: במהלך אירועי גשמים, חיישנים עוזרים לקבוע כמה נגר נוסף המאגר יכול לספוג בבטחה.
• בקרת מליחות: במסך המרינה, נתוני חיישנים מודיעים על פעולות השער כדי למנוע חדירת מי ים תוך מתן אפשרות לפריקה מתאימה.

חיישני הפיזורזיסטיב במאגר מרינה תוכננו במיוחד כדי לעמוד בתנאי המים המליחים שבהם מים מתוקים פוגשים את הים, עם חומרים שנבחרו כדי לעמוד בפני קורוזיה בסביבה מאתגרת זו. המבנה החזק שלהם מאפשר פעולה רציפה עם תחזוקה מינימלית, למרות טבילה מתמדת וחשיפה לכימיקלים משתנים של מים.

ניטור מיכלי אחסון מבוזרים

מעבר למאגרים גדולים, חיישנים פיאזורסיסטיים עוקבים אחר מפלסי המים במיכלי האחסון המבוזרים הרבים של סינגפור - תשתית קריטית לשמירה על לחץ מים ומאגרי חירום ברחבי רשת חלוקת המים של האי. יישומים אלה מדגימים את הרבגוניות של החיישנים:

• מיכלי גג עירוניים: בבניינים רבי קומות, חיישנים מבטיחים אספקת מים נאותה לקומות העליונות תוך מניעת הצפה.
• מאגרי שירות: מתקני אחסון ביניים אלה משתמשים בנתוני חיישנים כדי לייעל את לוחות הזמנים של השאיבה ואת צריכת האנרגיה.
• אחסון חירום: עתודות אסטרטגיות הנשמרות לתרחישי בצורת או כשל בתשתיות מנוטרות בקפידה לצורך מוכנות.

ל-PUB יש חיישנים פיאזורסיסטיים סטנדרטיים עבור יישומים אלה הודות לביצועיהם העקביים על פני גיאומטריות שונות של מיכלים ויכולתם להתממשק ישירות עם מערכות SCADA המאוטומציות את רשת חלוקת המים של סינגפור.

אנו יכולים גם לספק מגוון פתרונות עבור

1. מד ידני לאיכות מים רב-פרמטרית

2. מערכת מצוף צף לאיכות מים רב-פרמטרית

3. מברשת ניקוי אוטומטית לחיישן מים רב-פרמטרים

4. סט שלם של שרתים ותוכנה מודול אלחוטי, תומך RS485 GPRS /4g/WIFI/LORA/LORAWAN

עבור חיישן מים נוסף מֵידָע,

אנא צרו קשר עם Honde Technology Co., LTD.

Email: info@hondetech.com

אתר החברה:www.hondetechco.com

טלפון: 86-15210548582+