Автономная гидрохимическая станция для исследования водной среды

Авторы патента:

B63B22 - Гидродинамические или гидростатические характеристики корпусов или подводных крыльев (корпуса подводных лодок B63B 3/13; кили B63B 3/38; определение гидродинамических характеристик корпусов при проектировании B63B 9/00; уменьшение килевой и бортовой качки или подобных нежелательных движений водных транспортных средств с помощью стабилизирующих пластин, воздействующих на воду B63B 39/06)

Использование: техническое решение относится технике исследования акваторий и может быть использовано для химического контроля водной среды в буйковых станциях и/или в подводных аппаратах для проведения комплексных наблюдений при мониторинге акваторий. Сущность: средство электрохимического анализа воды выполнено в виде совокупности унифицированных геохимических модулей с встроенными ионоселективными датчиками по числу измеряемых химических параметров, закрепленных по периметру цилиндрического корпуса, при этом каждый унифицированный модуль снабжен герметично прижимаемой к его корпусу крышкой, открываемой в рабочем состоянии по команде блока управления. Технический результат: увеличение технического ресурса автономной гидрохимической станции посредством использования совокупности унифицированных геохимических модулей с встроенными ионоселективными датчиками, мембраны которых надежно защищены от нежелательного воздействия агрессивной внешней среды. 2 з.п. ф-лы, 3 фиг.

Техническое решение относится к технике исследования акваторий и может быть использовано для химического контроля водной среды в буйковых станциях и/или в подводных аппаратах для проведения комплексных наблюдений при мониторинге акваторий.

Известные устройства (буйковые станции) [2-5] мониторинга водной среды измеряют, как правило, совокупность различных типов параметров и характеристик: гидрологических, гидрохимических, а также биологических, геофизических и технических. Однако, стремление к расширению числа измеряемых параметров и соответственно - к увеличению числа датчиков, в ряде случаев (например, в устройствах и системах [4, 5]), неоправданно и приводит к нежелательному усложнению устройств мониторинга и снижению их надежности.

Как показывает опыт [6, 7], для корректного решения задач мониторинга и оценки загрязненности акваторий, особенно речных портов, приоритетное значение (необходимое и достаточное) представляет химический анализ воды [8], и расширение числа измеряемых параметров не может считаться целесообразным как с технической, так и с экономической точек зрения.

Кроме того, в последнее время наметилась тенденция к конструированию узлов мониторинга в виде отдельных модулей [1, 7] которыми могут оснащаться различные системы мониторинга акваторий (буйковые станции, подводные аппараты).

Однако, модули химического анализа водной среды (см. например [6]), устанавливаемые на буях и автономных станциях [1-3, 6], имеют ограниченный технический ресурс вследствие недостаточной защиты ионоселективных датчиков от воздействия внешней агрессивной среды (основной недостаток ионоселективных датчиков химического анализа [8]), тем самым снижая технический ресурс в целом всей автономной буйковой станции, предназначенной и устанавливаемой для длительной автономной работы по анализу водной среды.

За прототип выбрана буйковая станция [1] для мониторинга акваторий по патенту RU 130946 U1, 10.08.2013.

Станция [1] для исследования водной среды содержит герметичный цилиндрический корпус с верхней и нижней крышками и закрепленными на них верхним и нижним ограждениями, внутри корпуса установлены блок электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры, блок приема-передачи информации, блок электропитания и блок управления. Снаружи корпуса закреплены соединенные с блоком электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры и блоком управления средства измерения параметров воды, включая радиометр и средство электрохимического анализа с ионоселективными датчиками, система всплытия-погружения, связанная с блоком управления и закрепленная на нижней крышке корпуса, антенны радио- и акустической связи и проблесковый маяк, установленные на верхней крышке корпуса.

Однако буйковая станция [1], как и другие аналоги, обладает недостаточным техническим ресурсом для продолжительной автономной работы вследствие недолговечности и невысокой надежности ионоселективных датчиков. Функциональные возможности устройства [1] могут быть расширены путем использования более оптимального числа ионоселективных датчиков и их рационального размещения в химическом модуле, а также путем использования нескольких унифицированных химических модулей анализа воды, работающих последовательно при длительном автономном мониторинге по мере их неплановых неисправностей и отказов.

Сущность предлагаемого технического решения - создание автономной гидрохимической станции для исследования водной среды, обеспечивающей длительную непрерывную автономную работу по анализу воды и предотвращающей необходимость подъема станции на поверхность акватории для замены вышедших из строя ионоселективных датчиков (модуля ионоселективных датчиков).

Основной технический результат - увеличение технического ресурса автономной гидрохимической станции посредством использования совокупности унифицированных геохимических модулей с встроенными ионоселективными датчиками, мембраны которых надежно защищены от нежелательного воздействия агрессивной внешней среды как в рабочем, так и в нерабочем состоянии (хранение, транспортировка к месту работ). Достоинством станции являются также оптимальное число рационально размещенных в геохимическом модуле ионоселективных датчиков, а также рациональное расположение совокупности закрепленных на корпусе станции геохимических модулей. Синергия надежной защиты ионоселективных датчиков от воздействия внешней агрессивной среды с рациональным конструктивным выполнением станции и модулей геохимических датчиков обеспечивает надежную непрерывную и длительную работу автономной гидрохимической станции без подъема ее на поверхность акватории.

Технический результат достигается следующим образом.

Автономная гидрохимическая станция для исследования водной среды содержит герметичный цилиндрический корпус с верхней и нижней крышками и закрепленными на них верхним и нижним ограждениями.

Внутри корпуса установлены блок электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры, блок приема-передачи информации, блок электропитания и блок управления. Снаружи корпуса закреплены соединенные с блоком электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры и блоком управления средства измерения параметров воды, включая радиометр и средство электрохимического анализа воды с ионоселективными датчиками, система всплытия-погружения, связанная с блоком управления и закрепленная на нижней крышке корпуса, антенны радио- и акустической связи и проблесковый маяк, установленные на верхней крышке корпуса.

Отличительной особенностью станции является то, что средство электрохимического анализа воды выполнено в виде совокупности унифицированных геохимических модулей с встроенными ионоселективными датчиками по числу измеряемых химических параметров, закрепленных по периметру цилиндрического корпуса. При этом каждый унифицированный модуль снабжен герметично прижимаемой к его корпусу крышкой, открываемой в рабочем состоянии по команде блока управления.

Отличие станции также заключается в том, что корпус унифицированного геохимического модуля выполнен в виде герметичного цилиндра, в основание которого по окружности встроены ионоселективные датчики, а в центре основания размещен датчик сравнения. Крышка корпуса модуля выполнена откидной и снабжена пружиной, герметичным клапаном и карданным механизмом, соединенным со смонтированными внутри корпуса модуля редуктором и двигателем. При этом в нерабочем состоянии крышка герметично прижата к снабженному уплотнительным кольцом основанию цилиндра корпуса и образует пространство между ними, которое заполнено инертным газом.

При этом совокупность закрепленных по периметру цилиндрического корпуса унифицированных геохимических модулей для длительного автономного мониторинга водной среды может содержать 6 и более модулей.

На фиг. 1 показана общая конструктивная схема автономной гидрохимической станции для исследования водной среды, фиг. 2 иллюстрирует вариант конструктивного выполнения станции, на фиг. 3 представлена конструктивная схема унифицированного геохимического модуля.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - корпус станции;

2 - унифицированный геохимический модуль;

3 - плавучесть;

4 - верхнее и нижнее ограждения;

5 - маяк проблесковый;

6 - гидрофон;

7 - антенный блок;

8 - радиометр;

9 - блок питания;

10 - штуцер размыкателя системы всплытия-погружения;

11 - герметичный корпус геохимического модуля;

12 - нижняя крышка (цоколь) модуля;

13 - верхняя откидная крышка модуля;

14 - ионоселективные датчики (в центре - датчик сравнения);

15 - пружина;

16 - уплотнительное кольцо;

17 - двигатель;

18 - редуктор;

19 - карданный механизм;

20 - герметичный клапан.

Работа станции заключается в следующем.

Станция (фиг. 1, 2), в корпус которой установлены блок электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры, блок приема-передачи информации, блок электропитания 9 и блок управления, устанавливается в заданном районе акватории. Аналогично [1] станция может быть использована как в качестве автономной донной станции, так и донной станции кабельной, а также при взаимодействии с подводными аппаратами. После постановки станции начинаются измерения параметров водной среды: посредством ионоселективных датчиков 14 одного из унифицированных геохимических модулей 2; радиометр 8 осуществляет радиационный анализ. Данные измерений регистрируются и хранятся в блоке электронных модулей, размещенных в корпусе 1.

После выработки ресурса первого геохимического модуля 2 по сигналам блока управления он отключается и в рабочее состояние приводится следующий модуль 2. По мере выработки технических ресурсов ионоселективных датчиков 14 и/или геохимических модулей 2 новые унифицированные модули 2 последовательно включаются в рабочий режим, обеспечивая длительную непрерывную работу станции при продолжительном мониторинге водной среды без подъема станции на поверхность акватории. Управление работой модулей 2 (как и всей аппаратурой станции) осуществляет блок управления (программно-вычислительный блок) структура и работа которых известны из [1].

Система всплытия-погружения с плавучестью 3 и штуцером размыкателя 10, гидрофон 6, антенный блок 7 и проблесковый маяк 5 функционируют аналогично [1]. Верхнее и нижнее ограждения 4 служат, как и в прототипе [1], для защиты от механических повреждений корпуса 1 станции.

Унифицированный геохимический модуль 2 (фиг. 3), используя управляющие сигналы размещенного в корпусе 1 станции блока управления работает следующим образом.

Герметичный корпус 11 модуля выполнен в виде цилиндра и содержит встроенные (установленные в гнезда) в верхнее основание цилиндра корпуса по окружности ионоселективные датчики 14 (включая центральный датчик сравнения). Конструкция и работа ионоселективных датчиков (электродов) и датчика сравнения известны и описаны, например в [8]. Число ионоселективных датчиков 14 определяется по числу измеряемых химических параметров (например, ионы хлора, фтора, кадмия, меди, свинца и др.) и может составлять от 6 до 12 (см. фиг. 3). Пружина 15 предназначена для открывания в подводном положении (на месте установки модуля) крышки 13, имеющей герметично закрывающийся клапан 20, закрывающийся карданным механизмом 19, вращающимся по команде редуктором 18, который приводится в движение двигателем 17. Герметичность модуля обеспечивается уплотнительным (например, резиновым) кольцом 16.

В нерабочем состоянии модуля пространство между прижатой к корпусу 11 крышкой 13 и корпусом 11 через клапан 20 заполняется инертным газом (например, гелием или аргоном), который после закрытия клапана 20 карданным механизмом 19 обеспечивает долговременное хранение и защиту мембран ионоселективных датчиков 14 от воздействия внешней агрессивной среды.

После погружения в воду модуля (рабочее состояние) по заданной команде вращение двигателя 17 приводит к вращению через редуктор 18 карданного механизма 19, который приоткрывает (отжимает) клапан 20, что приводит к заполнению пространства между крышкой 13 и корпусом 11 водой. Пружина 15 полностью откидывает крышку 13, после чего ионоселективные датчики 14 получают контакт с внешней водной средой, обеспечивая анализ ее химических параметров. При этом нижняя крышка 12 корпуса 11, выполненная в виде цоколя с разъемом, обеспечивает крепление модуля (и его снятие) на различных носителях: буйковых станциях (донных и кабельных), необитаемых и обитаемых подводных аппаратах, исследовательских судах и платформах. Разъем в крышке 12 служит для вывода линии связи с ионоселективными датчиками 14 и линий управления двигателем 17.

Для длительного автономного мониторинга водной среды совокупность закрепленных по периметру цилиндрического корпуса 1 станции последовательно работающих унифицированных геохимических модулей 2 может содержать 6 и более модулей.

Новизна технического решения подтверждена анализом источников по уровню техники, а промышленная применимость - испытаниями опытных образцов автономной гидрохимической станции в 2013 г. При этом достигается технический результат - увеличение технического ресурса станции и ее рациональная конструкция, - который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков устройства.

ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ

I. Прототип и аналог:

1. RU 130946 U1, 10.08.2013 (прототип).

2. RU 2344962 C1, 27.01.2009 (аналог).

II. Дополнительные источники по уровню техники:

3. RU 2096247 C1, 20.11.1997.

4. RU 2331876 C2, 20.08.2008.

5. RU 2443001 C1, 20.02.2012.

6. RU 2030747 C1, 10.03.1995.

7. RU 133311 U1, 10.10.2013.

8. Геоэкологический мониторинг морских нефтегазовых акваторий / Лобковский Л.И. и др. - М.: Наука, 2005. - 346 с.

1. Автономная гидрохимическая станция для исследования водной среды, содержащая герметичный цилиндрический корпус с верхней и нижней крышками и закреплёнными на них верхним и нижним ограждениями, внутри корпуса установлен блок электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры, блок приёма-передачи информации, блок электропитания и блок управления, снаружи корпуса закреплены соединённые с блоком электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры и блоком управления средства измерения параметров воды, включая радиометр и средство электрохимического анализа воды с ионоселективными датчиками, система всплытия-погружения, связанная с блоком управления и закреплённая на нижней крышке корпуса, антенны радио- и акустической связи и проблесковый маяк, установленные на верхней крышке корпуса, отличающаяся тем, что средство электрохимического анализа воды выполнено в виде совокупности унифицированных геохимических модулей с встроенными ионоселективными датчиками по числу измеряемых химических параметров, закреплённых по периметру цилиндрического корпуса, при этом каждый унифицированный модуль снабжён герметично прижимаемой к его корпусу крышкой, открываемой в рабочем состоянии по команде блока управления.

2. Автономная гидрохимическая станция по п. 1, отличающаяся тем, что корпус унифицированного геохимического модуля выполнен в виде герметичного цилиндра, в основание которого по окружности встроены ионоселективные датчики, а в центре основания размещён датчик сравнения. крышка корпуса модуля выполнена откидной и снабжена пружиной, герметичным клапаном и карданным механизмом, соединённым со смонтированными внутри корпуса модуля редуктором и двигателем, при этом в нерабочем состоянии крышка герметично прижата к снабжённому уплотнительным кольцом основанию цилиндра корпуса и образует пространство между ними, которое заполнено инертным газом.

3. Автономная гидрохимическая станция по п. 1, отличающаяся тем, что совокупность закреплённых по периметру цилиндрического корпуса унифицированных геохимических модулей для длительного автономного мониторинга водной среды содержит 6 и более модулей.