Система экспрессного дистанционного контроля параметров водной среды при культивировании микроводорослей биотопливного назначения
Полезная модель относится к технологиям промышленного производства микроводорослей биотопливного и кормового назначения в открытых водоемах.
Задачей предлагаемой полезной модели является экспрессный дистанционный контроль в реальном времени полной группы физико-химических параметров водной среды, определяющих условия культивирования и прирост фитомассы микроводорослей биотопливного назначения в открытых водоемах с использованием коммуникационной инфраструктуры сетей сотовой связи.
В результате использования предлагаемой полезной модели обеспечивается контроль полной группы параметров водной среды, определяющих условия культивирования микроводорослей в условиях ненадежного электроснабжения, появляется возможность использовать для передачи данных имеющиеся на местах коммуникационные инфраструктуры, такие как сети сотовой связи.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемой системе дистанционного контроля параметров водной среды при культивировании микроводорослей биотопливного назначения приемная станция входит в состав центрального пульта, оснащенного приемной антенной, закрепленной на опоре, а передающая станция входит в состав автономной измерительной станции, связанной с центральным пультом каналами WiFi, GSM, и УКВ радиосвязи и смонтированной стационарно в водоеме по разведению микроводорослей биотопливного назначения, при этом центральный пульт имеет в своем составе электрораспределительный щит, вход которого подключен с помощью кабеля переменного тока к электрораспределительной сети, а выход, посредством кабеля переменного тока, - к одному из входов автомата ввода резерва, резервный дизель-генератор, подключенный с помощью кабеля переменного тока ко второму входу автомата ввода резерва, источник постоянного тока, вход которого подключен с помощью кабеля переменного тока к выходу автомата ввода резерва, блок приема и обработки сигналов, подключенный к выходу источника постоянного тока и к аккумуляторной батарее с помощью кабеля постоянного тока, и соединенный с приемной антенной посредством коаксиального кабеля, причем автономная измерительная станция, включает в себя платформу, на которой сверху установлен корпус надводного модуля, а снизу смонтирован модуль погружаемых датчиков, на верхней панели корпуса надводного модуля установлены солнечная батарея, измеритель солнечной радиации и передающая антенна, а внутри смонтированы аккумуляторная батарея преобразователь постоянного напряжения и блок обработки и передачи сигналов, оснащенный радиопередатчиком, связанным коаксиальным кабелем с передающей антенной, при этом модуль погружаемых датчиков имеет в своем составе датчик температуры воды, рН-метр, датчик концентрации CO2, измеритель оптической плотности среды и анализатор спектров флуоресценции, подключенные с помощью кабеля питания и сигнального обмена к блоку обработки и передачи сигналов; измеритель солнечной радиации подключен к блоку обработки и передачи сигналов посредством сигнального кабеля, а солнечная батарея, аккумуляторная батарея и блок обработки и передачи сигналов подключены к преобразователю напряжения с помощью кабелей постоянного тока.
Полезная модель относится к технологиям промышленного производства микроводорослей биотопливного и кормового назначения в открытых водоемах.
Известны устройства, в которых плотность фитопланктона в открытых водоемах определяют прямым путем («Методы оценки экологического состояния водоемов» http://edu.greensail.ru/monitoring/methods/bioindicat2.shtml).
В известном устройстве фильтрацию проб осуществляют под низким вакуумом в специальной воронке, закрепленной на колбе Бунзена, соединенной с насосом Камовского. При этом используют мембранные фильтры 
5 и 6 (диаметр пор, соответственно: 1,2 и 2,5 мкм). Предварительно фильтры кипятят в течение 20
30 мин. в дистиллированной воде минут. За полчаса перед началом фильтрации пробу консервируют, добавлением 510 капель формалина или фиксатора, состоящего из двух растворов, приготовленных по специальной рецептуре.
Фильтр в воронке смачивают несколькими каплями дистиллированной воды. Пробу встряхивают и фильтруют при минимальном разрежении. Фильтрацию прекращают, когда а над осадком заканчивается, при этом поверхность фильтра должна оставаться влажной. Фильтр с осадком помещают в пенициллиновые склянки и пипеткой добавляют 510 см3 фильтрата. После этого кисточкой снимают осадок с фильтра и консервируют пробу.
При расчете количества водорослей используют счетные камеры Нажотта и другие приспособления. При определении количества биомассы доминирующих видов необходимо зарегистрировать данный вид не менее 100 раз. Расчет биомассы фитопланктона осуществляют путем суммирования количества биомассы отдельных видов. С этой целью измеряют не менее 30 экземпляров водорослей каждого вида в каждой пробе и определяют среднюю величину для популяции каждого вида. Объем каждой клетки в мкм3 умножают на их количество (тыс.клеток/л) и получают плотность фитомассы в мг/л или г/м3 воды.
Недостатками известных устройств с очевидностью следует, что их нецелесообразно и технически сложно применять для дистанционного оперативного контроля плотности фитопланктона. Кроме того, эти устройства позволяют исследовать только один параметр, характеризующий условия культивирования микроводорослей.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сущности является система для дистанционного определения химико-физических параметров водной среды и управления устройствами для предупреждения заморов (патент РФ 2437086, МПК G01N 27/06, опубл. 20.12.2011). Система, в частности, предназначена для оперативного дистанционного определения температуры, водородного показателя (рН) водной среды. Система для дистанционного определения химико-физических параметров водной среды выполнена в виде передающей станции, расположенной в плавучем буе и приемной станции, установленной на берегу. Передающая станция содержит источник питания, подключенный к элементам передающей станции, датчик температуры, датчик водородного показателя верхнего слоя воды, датчик водородного показателя нижнего слоя воды. Датчики связаны с тремя входами коммутатора, выходом подключенного к аналого-цифровому преобразователю, который через передатчик сигналов подключен к передающей антенне.
Приемная станция содержит источник питания, приемную антенну, приемник сигналов, блок определения сигнала, выходом связанный с коммутатором, три выхода которого соединены с устройствами для обработки данных и индикации результатов измерения температуры и водородного показателеля. Устройства для обработки данных и индикации результатов измерения температуры и водородного показателя выполнены в виде последовательно соединенных демодулятора, дешифратора, регистра памяти и цифрового индикатора. Выходы регистров памяти устройств обработки и индикации водородных показателей дополнительно связаны с входами вычислительного блока.
Существенным недостатком описанной выше системы является то, что она не обеспечивает контроль полной группы параметров водной среды, определяющих условия культивирования микроводорослей. Кроме того, она недостаточно надежна в условиях местных электрораспределительных сетей, характеризующихся частыми и продолжительными перебоями в электроснабжении.
К недостаткам известной системы также следует отнести то, что она не использует для передачи данных имеющиеся на местах коммуникационные инфраструктуры, такие как сети сотовой связи, показатели доступности и надежности которых повышаются быстрыми темпами.
Задачей предлагаемой полезной модели является экспрессный дистанционный контроль в реальном времени полной группы физико-химических параметров водной среды, определяющих условия культивирования и прирост фитомассы микроводорослей биотопливного назначения в открытых водоемах с использованием коммуникационной инфраструктуры сетей сотовой связи.
В результате использования предлагаемой полезной модели обеспечивается контроль полной группы параметров водной среды, определяющих условия культивирования микроводорослей в условиях ненадежного электроснабжения, появляется возможность использовать для передачи данных имеющиеся на местах коммуникационные инфраструктуры, такие как сети сотовой связи, показатели доступности и надежности которых повышаются быстрыми темпами.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает:
- оценку условии культивирования микроводорослеи для принятия мер по повышению продуктивности открытых водоемов;
- уточнение эмпирических параметров оценочных зависимостей, используемых при моделировании прироста фитомассы микроводорослей в изменяющихся условиях внешней среды;
- получение данных для корректировки методики оценки ресурсов фитомассы микроводорослей с использованием снимков из космоса и мониторинга посредством беспилотных летательных аппаратов (БпЛа).
Технический результат достигается тем, что в предлагаемой системе экспрессного дистанционного контроля параметров водной среды при культивировании микроводорослей биотопливного назначения, включающей передающую станцию, оборудованную датчиком температуры воды, измерителем водородного показателя и источником питания и расположенной на плавучем буе, и приемную станцию, установленную на берегу и содержащую источник питания, приемную антенну и приемник сигналов, приемная станция входит в состав центрального пульта, оснащенного приемной антенной, закрепленной на опоре, а передающая станция входит в состав автономной измерительной станции, связанной с центральным пультом каналами WiFi, GSM, и УКВ радиосвязи и смонтированной стационарно в водоеме по разведению микроводорослей биотопливного назначения, при этом центральный пульт имеет в своем составе электрораспределительный щит, вход которого подключен с помощью кабеля переменного тока к электрораспределительной сети, а выход, посредством кабеля переменного тока, - к одному из входов автомата ввода резерва, резервный дизель-генератор, подключенный с помощью кабеля переменного тока ко второму входу автомата ввода резерва, источник постоянного тока, вход которого подключен с помощью кабеля переменного тока к выходу автомата ввода резерва, блок приема и обработки сигналов, подключенный к выходу источника постоянного тока и к аккумуляторной батарее с помощью кабеля постоянного тока, и соединенный с приемной антенной посредством коаксиального кабеля, причем автономная измерительная станция, включает в себя платформу, на которой сверху установлен корпус надводного модуля, а снизу смонтирован модуль погружаемых датчиков, на верхней панели корпуса надводного модуля установлены солнечная батарея, измеритель солнечной радиации и передающая антенна, а внутри смонтированы аккумуляторная батарея преобразователь постоянного напряжения и блок обработки и передачи сигналов, оснащенный радиопередатчиком, связанным коаксиальным кабелем с передающей антенной, при этом модуль погружаемых датчиков имеет в своем составе датчик температуры воды, рН-метр, датчик концентрации CO2, измеритель оптической плотности среды и анализатор спектров флуоресценции, подключенные с помощью кабеля питания и сигнального обмена к блоку обработки и передачи сигналов; измеритель солнечной радиации подключен к блоку обработки и передачи сигналов посредством сигнального кабеля, а солнечная батарея, аккумуляторная батарея и блок обработки и передачи сигналов подключены к преобразователю напряжения с помощью кабелей постоянного тока. Автономная измерительная станция дистанционно измеряет текущие значения соответствующих параметров и передает их на центральный пульт для обработки и анализа.
Технический результат достигается также тем, что состав оборудования автономной станции обеспечивает измерение в реальном времени полной системы параметров, определяющих энергетические и субстратные факторы развития альгакультуры.
Технический результат достигается также тем, что центральный пульт оборудован надежным источником электропитания, включающим в себя аккумуляторную батарею и резервный дизель-генератор, коммутируемые посредством автомата ввода резерва.
Технический результат достигается также тем, что для передачи данных использует имеющуюся на местах инфраструктуру сотовой связи.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
На фиг.1 представлена общая схема системы экспрессного дистанционного контроля параметров водной среды при культивировании микроводорослей.
На фиг.2 представлена схема центрального пульта.
На фиг.3 представлена схема автономной измерительной станции.
Система включает в себя (фиг 1): центральный пульт 1, оснащенный приемной антенной 2, закрепленной на опоре 3 из композитных материалов и автономную измерительную станцию 4, смонтированную стационарно на плавучей платформе 5 в определенном месте водоема 6 по разведению микроводорослей биотопливного назначения и связанную с центральным пультом каналами 7 радиосвязи (WiFi, GSM, и УКВ). Центральный пульт 1 имеет в своем составе электрораспределительный щит 10, вход 11 которого подключен с помощью кабеля переменного тока 12 к электросети 9 (220 В/50 Гц), а выход 13, посредством кабеля переменного тока 14, - к первому входу 15 автомата ввода резерва 16, резервный дизель-генератор 17, подключенный с помощью кабеля переменного тока 18 ко второму входу 19 автомата ввода резерва 16, источник постоянного тока 20, вход 21 которого подключен с помощью кабеля переменного тока 22 к выходу 23 автомата ввода резерва 16, блок приема и обработки сигналов 24, подключенный к выходу 25 источника постоянного тока 20 и к аккумуляторной батарее 26 с помощью кабеля постоянного тока 27. Блок приема и обработки сигналов 24 соединен с приемной антенной 3 посредством коаксиального кабеля 8. Автономная измерительная станция 4 (фиг.3) состоит из плавучей платформы 5, на которой сверху установлен влагозащитный корпус 28 надводного модуля, а снизу смонтирован модуль 29 погружаемых датчиков; на верхней панели корпуса надводного модуля 28 установлены солнечная батарея 30, измеритель солнечной радиации 31 и передающая антенна 32, а внутри смонтированы аккумуляторная батарея 33 преобразователь постоянного напряжения 34 и блок обработки и передачи сигналов 35, оснащенный радиопередатчиком 36, связанным коаксиальным кабелем 37 с передающей антенной 32. Модуль погружаемых датчиков 29 имеет в своем составе датчик температуры воды 38, рН-метр 39, датчик 40 концентрации CO2, измеритель оптической плотности среды 41 и анализатор спектров флуоресценции 42, подключенные с помощью кабеля питания и сигнального обмена 43 к блоку обработки и передачи сигналов 35. Измеритель солнечной радиации 31 подключен к блоку обработки и передачи сигналов посредством сигнального кабеля 44, а солнечная батарея 30, аккумуляторная батарея 33 и блок обработки и передачи сигналов 35 подключены.к преобразователю напряжения 34 с помощью кабелей постоянного тока 45.
Система экспрессного дистанционного контроля параметров водной среды при культивировании микроводорослей биотопливного назначения функционирует следующим образом.
Измеритель солнечной радиации 31, установленный на верхней панели влагозащитного корпуса надводного модуля 28, датчик температуры воды 38, рН-метр 39, датчик 40 концентрации CO2, измеритель оптической плотности среды 41 и анализатор спектров флуоресценции 42, входящие в состав модуля погружаемых датчиков 29, измеряют физические величины, характеризующие условия культивирования микроводорослей в определенных местах водоемов по выращиванию фитомассы микроводорослей (мощность поступающего на поверхность водоема солнечного излучения, температура и водородный показатель воды, концентрация в ней углекислого газа, оптическая плотность водной среды, интенсивность спектров флуоресценции фитопланктона на длинах волн характерных для культивируемого вида микроводорослей) и по сигнальному кабелю 44 и кабелю питания и сигнального обмена 43 передают измеренные значения в блок обработки и передачи сигналов 35, в котором осуществляется их преобразование с последующей передачей на центральный пульт 1 с помощью радиопередатчика 36, оснащенного передающей антенной 32, соединенной с ним посредством коаксиального кабеля 37. Передача сигналов может осуществляться по каналам радиосвязи 7 в стандартах WiFi, GSM или в диапазоне УКВ. Электропитание на погружаемые датчики, измерители и анализаторы 3942 подается из блока обработки и передачи сигналов 35 по кабелю питания и сигнального обмена 43. Функционирование автономной измерительной станции 4 осуществляется за счет электроэнергии, вырабатываемой солнечной батареей 30, установленной на верхней панели корпуса надводного модуля 28 и передаваемой на преобразователь постоянного напряжения 34 и далее, в блок обработки и передачи данных 35 и на аккумуляторную батарею 33 посредством кабелей постоянного тока 45. Аккумуляторная батарея 33 обеспечивает электропитание всей автономной измерительной станции 4 в условиях недостаточной освещенности и в ночное время. Преобразователь постоянного напряжения 34 поддерживает требуемые уровни напряжения при заряде и разряде аккумуляторной батареи 30, а также при работе блока обработки и передачи информации 35 и подключенных к нему датчиков, измерителей и анализаторов 31, 3942. Он также выполняет функции распределения постоянного тока в цепях кабелей 45 в основном (от солнечной батареи) и резервном (от аккумуляторной батареи) режимах электропитания. Плавучая платформа 5 служит несущей основой для автономной измерительной станции 4 и может быть стационарно установлена в любом месте водоема 6 с использованием троса (или цепи) и якоря (сваи, шеста).
Информация об условиях культивирования микроводорослей в виде радиосигналов принимается посредством приемной антенны 2, установленной на опоре 3, и по коаксиальному кабелю 8 поступает в блок приема и обработки сигналов 24, входящий в состав оборудования центрального пульта 1 и получающий электропитание по кабелю постоянного тока 27, к которому также подключена аккумуляторная батарея 26 и выход 25 источника постоянного тока 20, обеспечивающего также постоянный подзаряд аккумуляторной батареи 26. Питание источника постоянного тока 20 осуществляют с выхода 23 автомата ввода резерва 16 по кабелю переменного тока 22. В нормальном режиме электропитания выход 23 автомата ввода резерва 16 через вход 15 и кабель переменного тока 14 соединен с выходом 13 электрораспределительного щита 10. При этом электроэнергия из электросети 9 по кабелю переменного тока 12 поступает на вход 11 электрораспределительного щита, а с его выхода 13 - на вход 15 автомата защиты 16 и далее на его выход 23. При непродолжительном (в пределах времени батарейного резервирования) перебое в электросети 9 электропитание блока приема и обработки сигналов 24 осуществляет аккумуляторная батарея 26. Если аккумуляторная батарея 26 разрядится до установленного предельного допустимого напряжения до ликвидации перебоя в электросети 9, автомат ввода резерва 16 запустит резервный дизель-генератор 17, отключит свой выход 23 от своего входа 15 и подключит его к своему входу 19, после чего электроэнергия на вход 21 источника переменного тока 20 будет поступать от резервного дизель-генератора 17 по электрической цепи: кабель переменного тока 18 - вход 19 автомат ввода резерва 16 - выход 23 автомат ввода резерва 16 - кабель переменного тока 22. После ликвидации перебоя в электросети 9 восстанавливается нормальный режим электропитания, описанный выше.
Система экспрессного дистанционного контроля параметров водной среды при культивировании микроводорослей биотопливного назначения, включающая передающую станцию, оборудованную датчиком температуры воды, измерителем водородного показателя и источником питания и расположенную на плавучем буе, и приемную станцию, установленную на берегу и содержащую источник питания, приемную антенну и приемник сигналов, отличающаяся тем, что приемная станция входит в состав центрального пульта, оснащенного приемной антенной, закрепленной на опоре, а передающая станция входит в состав автономной измерительной станции, связанной с центральным пультом каналами WiFi, GSM, и УКВ радиосвязи и смонтированной стационарно в водоеме по разведению микроводорослей биотопливного назначения, при этом центральный пульт имеет в своем составе электрораспределительный щит, вход которого подключен с помощью кабеля переменного тока к электрораспределительной сети, а выход, посредством кабеля переменного тока, - к одному из входов автомата ввода резерва, резервный дизель-генератор, подключенный с помощью кабеля переменного тока ко второму входу автомата ввода резерва, источник постоянного тока, вход которого подключен с помощью кабеля переменного тока к выходу автомата ввода резерва, блок приема и обработки сигналов, подключенный к выходу источника постоянного тока и к аккумуляторной батарее с помощью кабеля постоянного тока, и соединенный с приемной антенной посредством коаксиального кабеля, причем автономная измерительная станция включает в себя платформу, на которой сверху установлен корпус надводного модуля, а снизу смонтирован модуль погружаемых датчиков, на верхней панели корпуса надводного модуля установлены солнечная батарея, измеритель солнечной радиации и передающая антенна, а внутри смонтированы аккумуляторная батарея преобразователь постоянного напряжения и блок обработки и передачи сигналов, оснащенный радиопередатчиком, связанным коаксиальным кабелем с передающей антенной, при этом модуль погружаемых датчиков имеет в своем составе датчик температуры воды, рН-метр, датчик концентрации СО2, измеритель оптической плотности среды и анализатор спектров флуоресценции, подключенные с помощью кабеля питания и сигнального обмена к блоку обработки и передачи сигналов; измеритель солнечной радиации подключен к блоку обработки и передачи сигналов посредством сигнального кабеля, а солнечная батарея, аккумуляторная батарея и блок обработки и передачи сигналов подключены к преобразователю напряжения с помощью кабелей постоянного тока.
