Комплекс химического анализа воды в акватории речного порта
Использование: техническое решение относится к средствам исследования водной среды путем определения ее химических свойств и может быть использовано для химического анализа воды при автоматическом мониторинге акваторий: рек, озер, водохранилищ и других водоемов. Сущность: создание комплекса химического анализа воды, оптимального по составу аппаратуры для мониторинга загрязненности акватории речного порта. Технический результат: повышение надежности и информативности комплекса при адекватном удовлетворении требований специальных мониторинговых работ по химическому анализу воды в акватории речного порта. Синергетический технический эффект реализуется за счет упрощения, унификации и модульной структуры узлов комплекса при сохранении адекватных функциональных возможностей химического анализа воды и оптимизации состава аппаратуры комплекса. 6 з.п. ф-лы, 2 фиг.
Техническое решение относится к средствам исследования водной среды путем определения ее химических свойств и может быть использовано для химического анализа воды при автоматическом мониторинге акваторий: рек, озер, водохранилищ и других водоемов.
Автоматизированные аппаратурно-программные модули химического анализа водной среды, как правило, являются неотъемлемой составной частью технологических комплексов мониторинга обстановки и координированного управления действий привлекаемых сил и средств для предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций в акваториях рек, озер и других водоемов [1-14]. Задачи по адаптации и интегрированию комплекса средств химического анализа водной среды как контрольного поста в информационно-аналитический центр (ИАЦ) адекватны задачам ИАЦ в части сбора, предварительной обработки и передачи данных на центральный контрольный пункт (ЦКП) для последующей (окончательной) обработки информации и выработки управленческих решений по результатам анализа данных измерений [15].
В последние годы запатентованы как обобщенные структуры технологических комплексов по экологическому мониторингу окружающей среды, включая акватории, [1, 2, 4-7], так и технические решения носителей измерительной аппаратуры (автоматизированных погружаемых модулей сбора данных: зондов, буев, платформ) [3, 8-14].
Примерами автоматизированных систем аварийного и экологического мониторинга окружающей среды региона могут служить устройства [2, 5-7, 13, 14]. Однако, в силу своей специфики такие системы не могут быть эффективно промышленно применимы для корректного химического анализа акваторий: так, системы [13, 14] предназначены только для работы в составе судового оборудования, а система [2] предназначена, в основном, для мониторинга воздушного бассейна.
Кроме того, известные устройства и системы мониторинга водной среды измеряют, как правило, совокупность различных типов параметров и характеристик [15]: гидрологических, гидрохимических, а также биологических, геофизических и технических. Однако, стремление к расширению числа измеряемых параметров и соответственно - увеличению числа датчиков в ряде случаев (например, в известных устройствах и системах [5-7]) неоправданно и приводит к нежелательному усложнению устройств мониторинга и снижению их надежности.
Как показывает опыт, для корректного решения задач мониторинга и оценки загрязненности акваторий речных портов приоритетное значение (необходимое и достаточное) представляет химический анализ воды [15], и расширение числа измеряемых параметров не может считаться целесообразным как с технической, так и с экономической точек зрения.
Известная система [1] для исследования водной среды рек, озер, водохранилищ по патенту США US 6916219 В2, 12.07.2005 (см. также [4]) принята за прототип.
Телеметрический комплекс [1] содержит, по крайней мере, один автоматизированный модуль сбора данных, оснащенный датчиками для измерения параметров и характеристик водной среды, и связанный с ним средствами связи, по крайней мере, один центральный контрольный пункт (ЦКП) управления и обработки данных, причем ЦКП включает программно технический комплекс (ПТК) берегового (базового) информационно-аналитического центра (ИАЦ) на базе компьютера с соответствующим программным обеспечением (ПО), средства управления и телекоммуникации с удаленным модулем сбора данных и модем связи, а автоматизированный модуль сбора данных включает размещенные на носителе измерители параметров воды, которые через контроллер подключены к модему связи с ЦКП и антенному блоку.
Однако, патент [1] описывает лишь общую (традиционную) структуру комплекса экологического контроля, не затрагивая особенностей конструкции (в том числе модульной) погружаемой системы сбора и передачи данных. Состав измерительных датчиков в [1] ограничен только гидрологическими сенсорами. Описание структуры и работы составляющих комплекса не рассматривается, что затрудняет его практическую применимость. Основное внимание в [1] уделено контролю глубины перемещаемого буйкового аппарата, но не дано описание функционирования устройства при его сканировании по глубине.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании комплекса химического анализа воды, оптимального по составу аппаратуры для мониторинга загрязненности акватории речного порта.
Основной технический результат полезной модели - повышение надежности и информативности комплекса при адекватном удовлетворении требований специальных мониторинговых работ по химическому анализу воды в акватории речного порта. Синергетический технический эффект реализуется за счет упрощения, унификации и модульной структуры узлов комплекса при сохранении адекватных функциональных возможностей химического анализа воды и оптимизации состава аппаратуры комплекса. При этом достигается оптимальный критерий комплекса «сложность-стоимость-эффективность», т.е. достижение максимальной эффективности (технического результата) при приемлемых сложности и стоимости.
Технический результат достигается следующим образом.
Комплекс химического анализа воды в акватории речного порта содержит, по крайней мере, один автоматизированный модуль сбора данных, оснащенный датчиками для измерения параметров и характеристик водной среды, и связанный с ним средствами связи, по крайней мере, один центральный контрольный пункт (ЦКП) управления и обработки данных, причем ЦКП включает программно-технический комплекс (ПТК) берегового (базового) информационно-аналитического центра (ИАЦ) на базе компьютера с соответствующим программным обеспечением (ПО), средства управления и телекоммуникации с удаленным модулем сбора данных и модем связи, а автоматизированный модуль сбора данных включает размещенные на носителе измерители параметров воды, которые через контроллер подключены к модему связи с ЦКП и антенному блоку.
Отличительной особенностью комплекса является то, что автоматизированный модуль сбора данных выполнен в виде аппаратурного модуля химического анализа (АМХА) воды, включающего погружаемый контейнер-носитель со сменным блоком химического анализа и перемещающегося вверх-вниз по линии вертикального перемещения посредством механизма всплытия-погружения контейнера с возможностью стопорения на заданной командой управления глубине, причем в контейнере-носителе размещены блок измерителей параметров водной среды, блок приема и хранения измерительной информации, система всплытия-погружения, блок управления, блок питания, блок радио- и гидроакустической связи, а снаружи контейнера закреплен сменный блок потенциометрических датчиков, подключенный к блоку измерителей параметров воды. При этом блок потенциометрических датчиков содержит датчик температуры и ряд унифицированных встроенных корпусов ионоселективных датчиков по числу измеряемых химических параметров водной среды.
Отличие комплекса также заключается в том, что аппаратурный модуль химического анализа АМХА выполнен в виде профилографа для вертикального зондирования водной среды и содержит кабель-трос, снабженный на нижнем конце якорем с размыкателем, а на верхнем - плавучестью, и установленный на кабель-тросе контейнер, выполненный с возможностью вертикального перемещения по кабель-тросу. При этом в контейнере размещены зондирующие измерительные приборы, блок приема и хранения измерительной информации, система всплытия-погружения, блок управления, блок питания, а также блок радио- и гидроакустической связи, причем система всплытия-погружения выполнена в виде реверсивного безредукторного электропривода.
Комплекс, кроме того, отличается тем, что дополнительно снабжен датчиком глубины и батометром-пробоотборником.
При этом комплекс может дополнительно содержать датчик радиоактивности, подключенный блоку измерителей параметров воды.
В различных случаях реализации комплекса сменный блок потенциометрических датчиков химического анализа содержит от 6 до 12 унифицированных встроенных корпусов ионоселективных датчиков.
Комплекс также отличается тем, что ЦКП содержит в составе ПТК ИАЦ блок оценки результатов химического анализа, блок принятия решения об адекватности измеренных параметров и характеристик водной среды в акватории речного порта установленным стандартам качества воды, блок отображения и документирования информации, блок формирования отчетности и хранения архивов.
С целью полноты химического анализа воды акватории речного порта комплекс содержит несколько АМХА, равномерно размещенных в акватории речного порта.
На фиг. 1 приведена общая конструктивная схема комплекса химического анализа воды в акватории речного порта; на фиг. 2 показан вариант конструкции АМХА, выполненного в виде профилографа для вертикального зондирования водной среды.
На чертежах использованы следующие обозначения:
1 - автоматизированный модуль сбора данных - аппаратурный модуль химического анализа АМХА;
2 - центральный контрольный пункт ЦКП управления и обработки данных;
3 - средства связи между АМХА и ЦКП;
4 - программно-технический комплекс ПТК базового информационно-аналитического центра ИАЦ;
5 - блок управления ЦКП;
6 - модем связи ЦКП;
7 - блок измерителей параметров воды;
8 - блок приема и хранения измерительной информации;
9 - блок управления АМХА;
10 - блок питания;
11 - система всплытия-погружения АМХА;
12 - контроллер;
13 - блок радио- и гидроакустической связи;
14 - модем связи АМХА;
15 - антенный блок;
16 - сменный блок потенциометрических датчиков;
17 - датчик температуры;
18 - ионоселективные датчики химического анализа;
19 - кабель-трос;
20 - якорь;
21 - размыкатель;
22 - плавучесть;
23 - контейнер профилографа.
Работа комплекса химического анализа воды в акватории речного порта заключается в следующем (фиг. 1).
Погружаемый аппаратный модуль химического анализа АМХА 1 осуществляет сбор, предварительную обработку и передачу данных на центральный контрольный пункт ЦКП2 посредством линий связи 3, в качестве которых могут быть использованы средства радиосвязи, спутниковой связи, связь через Интернет (аналогично [1]) или беспроводные локальные вычислительные сети (ЛВС). Для измерения параметров и характеристик водной среды служит сменный блок 16 потенциометрических датчиков, включающий датчик 17 температуры и ионоселективные датчики 18 химического анализа. Блок 16 содержит от 6 до 12 унифицированных встроенных корпусов, в которые вставлены ионоселективные электроды по числу измеряемых химических параметров (например, ионы хлора, фтора, кадмия, меди, свинца и др.). Принцип работы ионоселективных датчиков 18 известен и описан, например в [15]. Устройство сменного блока 16 потенциометрических датчиков целесообразно выполнять в виде съемного модуля, аналогично известным модульным конструкциям марки CTD [16] для измерения параметров воды (включает датчики электропроводности, температуры и глубины) и модели AQUADOPP [17] (влючает датчики течения).
Измеренные датчиками 18 параметры преобразуются в абсолютные значения концентрации различных химических веществ в блоке 7 измерителей параметров воды (предварительная обработка данных измерений), накапливаются в блоке 8 приема и хранения измерительной информации и посредством контроллера 12 поступают на устройство связи между АМХА 1 и ЦКП 2, включающее блок 13 связи, модем 14 и антенный блок 15. Блок 11 обеспечивает всплытие-погружение АМХА 1 и его перемещение вверх-вниз по линии вертикального перемещения с возможностью стопорения на заданной командой управления с блока 9 (или с блока 5 ЦПК2) глубине. Блок 9 управления АМХА1 может быть запрограммирован на автономную работу АМХА по заданной программе или по сигналам управления блока 5 ЦКП 2, реализуя процесс измерения параметров воды либо в режиме хранения информации в блоке 8, либо в режиме реального времени. Питание модуля 1 химического анализа обеспечивает блок 10. Структура и работа блоков 7-10 известны и приведены, например, в RU 28778U1, 10.04.2003, RU 2229146 С1, 20.05.2004.
Конструктивно аппаратурный модуль 1 химического анализа может быть выполнен в виде профилографа (фиг. 2) для вертикального зондирования водной среды (например, аналогично [3]), содержащего кабель-трос 19, снабженный на нижнем конце якорем 20 с размыкателем 21, а на верхнем - плавучестью 22, и установленный на кабель-тросе 19 контейнер 23 с аппаратурой в составе блоков 7-16, выполненный с возможностью вертикального перемещения (сканирования) по кабель-тросу 19 посредством системы 11 всплытия-погружения с реверсивным безредукторным электроприводом, структура и состав которого приведены, например в RU 120379 U1, 20.09.2012.
Для повышения информативности мониторинга акваторий комплекс может быть дополнительно снабжен датчиком глубины и батометром-пробоотборником [15], а также датчиком радиоактивности.
По линиям 3 связи измерительная информация с АМХА 1 поступает в ЦКП 2 посредством модема 6.
Программно-технический комплекс ПТК 4 базового (берегового) ИАЦ осуществляет окончательную обработку измерительной информации, поступающей с АМХА 1, оценку результатов химического анализа, и обеспечивает принятие решения об адекватности измеренных параметров и характеристик водной среды в акватории речного порта установленным стандартам качества воды. ПТК 4 осуществляет также отображение и документирование информации, формирует файлы отчетности и архивы ЦКП 2. Управление работой ЦКП 2, а также работой АМХА 1 (посредством линий связи 3) осуществляется блоком 5.
С целью полноты химического анализа воды акватории речного порта комплекс содержит несколько АМХА 1, равномерно размещенных в акватории речного порта.
Таким образом, из описания и работы комплекса химического анализа воды в акватории речного порта следует, что достигается его назначение с указанным техническим результатом, который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков комплекса.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналоги:
1. US 6916219 В2, 12.07.2005 (прототип).
2. RU 2210095 С2, 10.08.2003 (аналог).
3. RU 2012124198 А, 10.10.2012 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
4. US 2003092393 A1, 15.05.2003.
5. RU 2030747 C1, 10.03.1995.
6. RU 2331876 C2, 20.08.2008.
7. RU 2443001 C1, 20.02.2012.
8. US 2002035870 A1, 28.03.2002.
9. US 2009269709 A1, 29.10.2009.
10. JP 2010285072 A, 24,12,2010.
11. KR 100946942 B1, 09.03.2010.
12. RU 2344962 C1, 27.01.2009.
13. RU 110068 U1, 10.11.2011.
14. RU 66064 U1, 27.08.2007.
15. Геоэкологический мониторинг морских нефтегазовых акваторий / Лобковский Л.И. и др. - М.: Наука, 2005. - 346 с.
16. http://www.seabird.com
17. http://www.nortek-as.com
1. Комплекс химического анализа воды в акватории речного порта, содержащий, по крайней мере, один автоматизированный модуль сбора данных, оснащенный датчиками для измерения параметров и характеристик водной среды, и связанный с ним средствами связи, по крайней мере, один центральный контрольный пункт (ЦКП) управления и обработки данных, причем ЦКП включает программно-технический комплекс (ПТК) берегового (базового) информационно-аналитического центра (ИАЦ) на базе компьютера с соответствующим программным обеспечением (ПО), средства управления и телекоммуникации с удаленным модулем сбора данных и модем связи, а автоматизированный модуль сбора данных включает размещенные на носителе измерители параметров воды, которые через контроллер подключены к модему связи с ЦКП и антенному блоку, отличающийся тем, что автоматизированный модуль сбора данных выполнен в виде аппаратурного модуля химического анализа (АМХА) воды, включающего погружаемый контейнер-носитель со сменным блоком химического анализа и перемещающегося вверх-вниз по линии вертикального перемещения посредством механизма всплытия-погружения контейнера с возможностью стопорения на заданной командой управления глубине, причем в контейнере-носителе размещены блок измерителей параметров водной среды, блок приема и хранения измерительной информации, система всплытия-погружения, блок управления, блок питания, блок радио- и гидроакустической связи, а снаружи контейнера закреплен сменный блок потенциометрических датчиков, подключенный к блоку измерителей параметров воды, при этом блок потенциометрических датчиков содержит датчик температуры и ряд унифицированных встроенных корпусов ионоселективных датчиков по числу измеряемых химических параметров водной среды.
2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что аппаратурный модуль химического анализа АМХА выполнен в виде профилографа длявертикального зондирования водной среды и содержит кабель-трос, снабженный на нижнем конце якорем с размыкателем, а на верхнем - плавучестью, и установленный на кабель-тросе контейнер, выполненный с возможностью вертикального перемещения по кабель-тросу, при этом в контейнере размещены зондирующие измерительные приборы, блок приема и хранения измерительной информации, система всплытия-погружения, блок управления, блок питания, а также блок радио- и гидроакустической связи, причем система всплытия-погружения выполнена в виде реверсивного безредукторного электропривода.
3. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что дополнительно снабжен датчиком глубины и батометром-пробоотборником.
4. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит датчик радиоактивности, подключенный к блоку измерителей параметров воды.
5. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что ЦКП содержит в составе ПТК ИАЦ блок оценки результатов химического анализа, блок принятия решения об адекватности измеренных параметров и характеристик водной среды в акватории речного порта установленным стандартам качества воды, блок отображения и документирования информации, блок формирования отчетности и хранения архивов.
6. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что содержит несколько АМХА, равномерно размещенных в акватории речного порта.
