Мобильный комплекс для исследования пространственного распределения потоков газов в системе "атмосфера - вода"

Полезная модель относится к устройствам мониторинга физико-химического состояния водной среды и приводной атмосферы для исследования пространственного распределения потоков газов в системе атмосфера - вода и может быть использована в экологии. Технический результат - мониторинг в непрерывном автоматическом режиме пространственного распределения парциальных давлений газов в воде и приводной атмосфере, а также потоков газов в системе атмосфера - вода. Предлагаемый мобильный комплекс для исследования пространственного распределения потоков газов в системе атмосфера - вода содержит эквилибратор, водозаборное устройство для подачи проб воды в эквилибратор, газоанализаторы, магистрали проб воздуха, подключенные к газоанализаторам через блок селектора каналов и пробоподготовки, систему управления, сбора и передачи данных и персональный компьютер с предустановленным на него специальным программным обеспечением для обработки и хранения данных, при этом водозаборное устройство состоит из протяженной металлической трубы, опускаемой за борт судна и насоса, обеспечивающих подачу пробы воды в эквилибратор во время хода судна, при этом на одном конце трубы, предназначенной для размещения в воде, жестко крепится обратный клапан, который соединен со шлангом, проходящим внутри трубы. 5 п.ф.п.м.; 1 ил.

Полезная модель относится к устройствам мониторинга физико-химического состояния водной среды и приводной атмосферы для исследования пространственного распределения потоков газов в системе атмосфера - вода и может быть использована в экологии.

Известен патент РФ [RU 2466053С1, 2012] на изобретение «Морской эколого-энергетический комплекс», в состав которого введены блок измерения гидрологических параметров, блок измерения геофизических параметров, которые соединены посредством блока сопряжения с блоком процессорным метеостанции. Этот комплекс содержит, в том числе лабораторию контроля состава воды и метеостанцию.

В раскрытом комплексе не предусмотрены средства для измерения потоков газа. Конструкция является достаточно громоздкой, чтобы эксплуатироваться на малых и внутренних водоемах. Не предусмотрена возможность ее монтирования/демонтирования для переноса на борт другого судна.

Известно изобретение [RU 2496126 C1, 2013] «Морской гидрофизический комплекс». Раскрытое изобретение относится к области исследования океана и может быть использовано для комплексного измерения гидрофизических параметров в океанологии, гидрофизике и гидрографии. Заявленный морской гидрофизический комплекс, содержащий жесткий опорный конструктив, объединяющий автономные гидрофизические модули, каждый из которых выполняет определенную измерительную или синхронизирующую функцию, заключенные в отдельные бароустойчивые корпуса, при этом каждый бароустойчивый корпус снабжен радиочастотным приемопередающим модемом, закрепленным с внутренней стороны корпуса на прозрачной для электромагнитного излучения вставке. Технический результат, достигаемый от реализации заявленного решения, заключается в увеличении надежности работы морских измерительных приборов, упрощении их эксплуатации и унификации морской измерительной техники.

В описанном комплексе основной акцент ставится на способ обмена данными между его узлами по радиочастотному каналу, и продумано соответствующее конструктивное исполнение подводного измерительного зонда.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является «Аппаратно-программный комплекс измерения потоков CO2 в системе вода-атмосфера на озере Байкал», раскрытый в автореферате [Пестунов Дмитрий Александрович. Аппаратно-программный комплекс измерения потоков CO₂ в системе вода-атмосфера на озере Байкал [диссертация кандидата технических наук: 05.11.13 / Пестунов Дмитрий Александрович; Место защиты: Том. политехи, ун-т. - Томск, 2010. - 165 с: ил. РГБ ОД, 61 10-5/2647], в состав которого входят закрытая камера, эквилибратор, газоанализатор, магистрали проб воздуха, соединяющие его с камерой и эквилибратором, систему управления, сбора и передачи данных и персональный компьютер с предустановленным на него специальным программным обеспечением.

Недостатком описанного комплекса является его исполнение для работы в стационарных условиях. В комплексе отсутствуют специальные водозаборные устройства, позволяющие непрерывно отбирать пробу воды с перемещением в пространстве.

Задачей полезной модели является разработка мобильного комплекса для исследования пространственного распределения парциальных давлений газов в воде и приводной атмосфере, а также потоков газов в системе атмосфера - вода, который обеспечивает непрерывный автоматический режим работы и дополнительно позволяет измерять другие параметры определяющие скорость и направление газообмена (температуры воды и приводной атмосферы, атмосферное давление, скорость и направление ветра, поток солнечного излучения, волнение).

Поставленная задача полезной модели достигается тем, что как и известный предлагаемый мобильный комплекс для исследования пространственного распределения потоков газов в системе атмосфера - вода содержит эквилибратор, водозаборное устройство для подачи проб воды в эквилибратор, газоанализаторы, магистрали проб воздуха, подключенные к газоанализаторам через блок селектора каналов и пробоподготовки, систему управления, сбора и передачи данных и персональный компьютер с предустановленным на него специальным программным обеспечением для обработки и хранения данных.

Новым является то, что водозаборное устройство состоит из протяженной металлической трубы, опускаемой за борт судна и насоса, обеспечивающих подачу пробы воды в эквилибратор во время хода судна, при этом на одном конце трубы, предназначенной для размещения в воде, жестко крепится обратный клапан, который соединен со шлангом, проходящим внутри трубы.

Кроме того, второй конец трубы для закрепления его на борту судна пропущен через зажимное отверстие скобы, которая при помощи струбцины притягивается к боковому борту и далее по борту судна в сторону его движения установлена дополнительная малая скоба с оттяжкой для трубы, предназначенная для удержания трубы во время движения судна.

При этом, для валидации (отбор по наименьшему загрязнению) показаний содержит, по меньшей мере, две разнесенные точки отбора атмосферной пробы воздуха, которые подключены к газоанализаторам через блок селектора каналов и пробоподготовки.

Блок пробоподготовки подключен к системе управления, сбора и передачи данных, к которой подключены метеодатчики, пиранометр, навигатор GPS или Глонасс, датчик расхода воды.

При этом датчик температуры воды и электрод pH-метра размещены в эквилибраторе.

Кроме того, использован центробежный насос, который оснащен электронным датчиком расхода воды.

В заявляемом комплексе для анализа используется забортная вода. Для забора воды во время хода судна предлагается оригинальное решение водозаборного устройства, которое крепится на борту судна, при этом весь комплекс аппаратуры установлен на борту судна и, соответственно, не требуется специального климатического исполнения и/или защиты штатного оборудования

Водозаборное устройство состоит из металлической трубы, на конце которой жестко крепится (фиксируется) обратный клапан. В трубу продевается шланг, соединяемый с клапаном. Один конец трубы (с клапаном) опускается в воду, другой продевается в зажимное отверстие на скобе, которая струбцинообразными зажимами притягивается к боковому борту. В отличии от штатного водозабора судна данная система позволяет отбирать воду максимально приближенную к поверхности. Смонтировано устройство может в непосредственной близости к потребителям пробы, в том числе и к эквилибратору.

Новый комплекс дополнен навигатором для определения текущих координат, а установленное на ПК ПО дополнено опцией для работы с известными протоколами навигатора, считывания и записи текущих координат, а также привязки и отображения пространственного распределения измеряемых параметров. Кроме того в программу введена математическая компенсация показаний газоанализатора и эквилибратора на перемещение судна, ввиду их известной инерционности.

Для измерения метеорологических параметров, определяющих скорость и направление газообмена (температуры воды и атмосферы, скорость ветра, атмосферное давление, поток солнечного излучения, волнение) в комплекс включены датчик температуры воды (причем этот датчик погружен в эквилибратор, через который непрерывно проливается проба забортной воды т.о. не требуется бронирование датчика) и температуры и влажности воздуха (в метеокоробке), датчик давления, цифровой анемометр, пиранометр, акселерометр.

Комплекс монтируется/демонтируется на борт любого (пассажирского, коммерческого, научно-исследовательского) судна, что позволяет снизить расходы на проведение измерений по акватории.

Полезная модель иллюстрируется графическими материалами.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого мобильного комплекса для исследования пространственного распределения потоков газов в системе атмосфера - вода.

Заявляемый мобильный комплекс (фиг. 1) содержит водозаборное устройство, состоящее из металлической трубы 1, на конце которой жестко крепится (фиксируется) обратный клапан 2. В трубу продевается шланг, соединяемый с клапаном 2. Водопроводные магистрали здесь изготовлены из инертного к воде материала, для того чтобы проба воды не была подвержена загрязнению. Скобами со струбциной 3 труба крепится к борту судна. Один конец трубы (с клапаном) опускается в воду, другой продевается в зажимное отверстие на скобе, которая струбцинами притягивается к боковому борту. Далее по борту (в сторону движения судна) крепится дополнительная малая скоба с оттяжкой для трубы, удерживающей трубу во время движения судна. Центробежный насос 4, оснащенный электронным датчиком расхода воды 5, обеспечивает подачу пробы воды в эквилибратор 6. Магистрали проб воздуха из двух разнесенных по судну точек отбора атмосферной пробы (носовой 7 и кормовой 8) и эквилибратора подключены через блок селектора каналов и пробоподготовки 9 к газоанализаторам 10. Блок 9 подключен к системе управления, сбора и передачи данных 11, к которой также подключены метеодатчики: датчики температуры, влажности воздуха, атмосферного давления 12, датчик температуры воды и электрод pH-метра 13, помещенные в эквилибратор, пиранометр 14, навигатор GPS или Глонасс 15, датчик расхода воды 5. В случае неавтономной работы система управления по шине USB подключается к ПК 16 с установленным на него ПО 17.

Устройство работает следующим образом.

Проба воды во время хода судна через клапан 2 по водозаборной трубе 1 с помощью центробежного насоса 4 подается в эквилибратор 6, затем сливается обратно. Насос оснащен электронным датчиком расхода воды 5, который, помимо учета количества пролитой воды, сигнализирует системе управления 11 о затруднении или прекращении подачи воды. Контроль температуры воды и ее кислотности ведется непосредственно в эквилибраторе 6, для чего в нем установлены датчик температуры и электрод pH метра 13. Проба воздуха с эквилибратора, а так же с двух атмосферных каналов 7 и 8 подается на блок селектора каналов и пробоподготовки 9, который обеспечивает прокачку пробы по воздушным магистралям, ее фильтрацию, осушку (в случае необходимости), и защиту от попадания в газовую магистраль воды или конденсата. Далее проба через раздаточную коробку блока 9 поступает к газоанализаторам 10. Используемый в комплексе газоанализатор Picarro G2301 и/или Licor 840 измеряют объемную долю CO₂, H₂ O (и CH₄, только в Picarro). Наличие в перечне измеряемых газов воды позволяет исключить в магистрали модуль осушки, а поправку на влажность проводить на уровне алгоритмов. Два атмосферных канала (носовой 7 и кормовой 8) разнесены по судну, а в учет идут показания газоанализаторов с того канала, где наименьшая концентрация углекислого газа. Это позволяет исключить влияние судна на показания атмосферного канала.

Система управления 11 обеспечивает совместимость по питанию и интерфейсам с подключенными к ней датчиками и исполнительными устройствами, собирает данные с датчиков, проводит предварительную обработку и фильтрацию этих данных. В случае автономной работы программа измерений считывается с внешней карты памяти, сюда же записываются осредненные данные с датчиков 5, 12-15, газоанализаторов 10 с частотой указанной в файле настроек. В случае подключения ПК 16 данные с карты памяти становятся доступны специальному предустановленному программному обеспечению (ПО) 17 и копируются в единую базу данных (БД), также ПК передается управление комплексом, т.е. СУ получает и исполняет команды от ПК 15 по шине USB. В системе управления 11 также реализованы свободные линии цифрового и аналогового ввода/вывода для включения дополнительного измерительного оборудования. Данные в ПК 16 сохраняются в две базы данных: все данные в неизменном виде сохраняются в исходную базу данных; во второй базе сохраняются данные, подверженные первичной обработке: фильтрация, осреднение, пересчет на давление и влажность, коррекция на смещение судна и привязка к координатам, интерполяция данных и расчет по ним разницы парциальных давлений. Программное обеспечение 17 обеспечивает прием, первичную обработку, сохранение и отображение получаемых данных, как по временной развертке так и в пространственной.

1. Устройство для исследования пространственного распределения потоков газов в системе атмосфера - вода содержит эквилибратор, водозаборное устройство для подачи проб воды в эквилибратор, газоанализатор, магистрали проб воздуха, систему управления, сбора и передачи данных и персональный компьютер с предустановленным на него специальным программным обеспечением для считывания, обработки, хранения и отображения данных, отличающееся тем, что водозаборное устройство состоит из протяженной металлической трубы, опускаемой за борт судна, и насоса, обеспечивающих подачу пробы воды в эквилибратор, при этом на одном конце трубы, предназначенной для размещения в воде, жестко крепится обратный клапан, который соединен со шлангом, проходящим внутри трубы.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй конец трубы для открепления его на борту судна пропущен через зажимное отверстие скобы, которая при помощи струбцинообразного зажима притягивается к боковому борту, и далее по борту судна в сторону его движения установлена дополнительная малая скоба с оттяжкой для трубы, предназначенная для удержания трубы во время движения судна.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит магистрали проб воздуха из двух разнесенных по судну точек, для выбора пробы атмосферного воздуха, не подверженной влиянию судна, и из эквилибратора, которые подключены к газоанализаторам через блок селектора каналов и пробоподготовки.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок пробоподготовки подключен к системе управления, сбора и передачи данных, к которой подключены датчики температуры, давления, освещенности, скорости ветра, расхода воды и навигатор GPS или Глонасс.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что датчик температуры воды и электрод pH-метра размещены в эквилибраторе.