Погружной зонд для определения гидрофизических и гидрохимических параметров воды в водоемах
Погружной зонд для определения гидрофизических и гидрохимических параметров воды в водоемах предназначен для совместного одновременного определения прозрачности, мутности, цветности воды, индикации содержания фитопланктона и освещенности на глубине до 2,5 м в естественных водоемах и включает излучатель, в качестве которого использован светодиод, приемник излучения, а в качестве которого использован фотодиод, кроме этого в устройство дополнительно включены еще два светодиода, причем все три светодиода подключены через стабилизатор тока к источнику питания и установлены на той стороне диска Секки, которая при помещении диска Секки в водоем с помощью приспособления, которое может быть выполнено в виде штанги или веревки с нанесенной линейной шкалой с делениями, обращена ко дну водоема. Кроме этого на некотором расстоянии от каждого светодиода расположен соответствующий ему фотодиод соосно по оптическим осям этих светодиода и фотодиода, которые с подключенным к фотодиоду через соответствующий переменный резистор регистрирующим устройством, образуют фотометрический канал. Соответствующие трем светодиодам фотометрические каналы предназначены для определения взвешенных частиц, индикации содержания фитопланктона, растворимых органических веществ, а на другой стороне диска Секки установлен четвертый фотодиод, который с подключенным к нему через переменный резистор регистрирующим устройством образует фотометрический канал, предназначенный для регистрации освещенности в толще воды. При этом в качестве одного из трех светодиодов выполнен светодиод со спектральным диапазоном излучения 640-670 нм и с максимумом 660 нм (красный), в качестве другого из них выполнен светодиод со спектральным диапазоном излучения 510-550 нм и с максимумом 535 нм (зеленый), в качестве третьего выполнен светодиод со спектральным диапазоном излучения 430-460 нм и с максимумом 450 нм (синий), а в качестве фотодиодов выполнены фотодиоды со спектральным диапазоном чувствительности 400-1000 нм. Технический результат заключается в одновременном измерении прозрачности, мутности, цветности воды, индикации содержания фитопланктона и освещенности на глубине до 2,5 м в естественных водоемах при условии повышения надежности предлагаемого устройства при проведении измерений в полевых условиях.
Полезная модель предназначена для совместного одновременного определения прозрачности, мутности, цветности воды, индикации содержания фитопланктона и освещенности на глубине до 2,5 м в естественных водоемах.
Известен «Морской турбидиметр» по патенту RU2112232, который содержит корпус, ряд турбидиметрических каналов, каждый из которых выполнен в виде источника эталонного напряжения и последовательно соединенных модулятора и источника красного светового излучения, оптически связанного с фотоприемником, который последовательно соединен с усилителем фототока и демодулятором, управляющий вход которого соединен с выходом синхронизации модулятора, ряд тензометрических каналов, блок обработки и блок индикации.
Основным недостатком этого устройства является то, что он измеряет только содержание в воде взвешенных частиц.
Известно изобретение «Двулучевой фотометр» по патенту RU2169360, выбранное в качестве прототипа, которое содержит герметичный контейнер, в котором размещены излучатель и последовательно по ходу излучения коллиматор, светоделительное устройство, прерыватель пучков излучения, иллюминатор, узел оптических трактов эталонного и измерительного пучков излучения, расположенный в исследуемой среде и выполненный в виде двух световозвращающих призм, светосводящее устройство, объектив и приемник излучения.
Этот двулучевой фотометр не позволяет измерять прозрачность воды и освещенность в ее толще. Кроме того, он содержит ряд оптических узлов, дорогостоящих, сложных в исполнении и эксплуатации (светоделительное устройство, узел оптических трактов и прерыватель).
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение возможностей устройства при его упрощении, снижении стоимости и уменьшении веса устройства.
Поставленная задача решается за счет технического результата, заключающегося в одновременном измерении прозрачности, мутности, цветности воды, индикации содержания фитопланктона и освещенности на глубине до 2,5 м в естественных водоемах при условии повышения надежности предлагаемого устройства при проведении измерений в полевых условиях.
Указанный результат достигается тем, что в погружном зонде, включающем излучатель и приемник излучения света, в качестве излучателя использован светодиод, а в качестве приемника излучения использован фотодиод, кроме этого в устройство дополнительно включены еще два светодиода, причем все три светодиода подключены через стабилизатор тока к источнику питания и установлены на той стороне диска Секки, которая при помещении диска Секки в водоем с помощью приспособления, которое может быть выполнено в виде штанги или веревки с нанесенной линейной шкалой, обращена ко дну водоема, кроме этого на некотором расстоянии от каждого светодиода расположен соответствующий ему фотодиод соосно по оптическим осям этих светодиода и фотодиода, которые с подключенным к фотодиоду через переменный резистор регистрирующим устройством, образуют фотометрический канал; соответствующие трем светодиодам фотометрические каналы предназначены для определения взвешенных частиц, индикации содержания фитопланктона, растворимых органических веществ, а на другой стороне диска Секки установлен четвертый фотодиод, который с подключенным к нему через переменный резистор регистрирующим устройством образует фотометрический канал, предназначенный для регистрации освещенности в толще воды, при этом в качестве одного из трех светодиодов использован светодиод со спектральным диапазоном излучения 640-670 нм и с максимумом 660 нм (красный), в качестве другого из них использован светодиод со спектральным диапазоном излучения 510-550 нм и с максимумом 535 нм (зеленый), в качестве третьего использован светодиод со спектральным диапазоном излучения 430-460 нм и с максимумом 450 нм (синий), а в качестве фотодиодов использованы фотодиоды со спектральным диапазоном чувствительности 400-1000 нм.
На фиг.1 изображен общий вид погружного зонда для определения гидрофизических и гидрохимических параметров воды в водоемах, на фиг.2 изображена функциональная схема погружного зонда, на фиг.3 изображен вид погружаемой в водоем части зонда, обращенной к дну водоема. На этих фигурах обозначено: 1 - штанга со шкалой, 2 - диск из водонепроницаемого материала белого цвета (диск Секки); 3 - датчик освещенности (четвертый фотодиод); 4 - блок излучателей (обведен штриховой линией) со светодиодами 5, 6, 7; 8 - блок приемников излучения (обведен штрихпунктирной линией) с фотодиодами 9, 10, 11; 12 - блок регистрации (обведен двойной штрихпунктирной линией), в который входят: 13 - автономный источник питания для светодиодов; 14 - стабилизатор тока для светодиодов; 15 - регулятор яркости излучателей (светодиодов); 16, 18, 20 - переменные резисторы для регулирования выходных сигналов от приемников излучения (фотодиодов) 9, 10, 11; 17, 19, 21 - регистрирующие устройства, например стрелочные микроамперметры.
Для измерения освещенности в толще воды устройство содержит измерительный канал, состоящий из датчика освещенности (четвертого фотодиода 3), подстроечного резистора 22 и регистрирующего устройства 23.
В устройстве диск Секки 2 из водонепроницаемого материала белого цвета удерживается в воде с помощью приспособления, которое может быть выполнено в виде штанги 1 или веревки с нанесенной линейной шкалой. Прозрачность определяется визуально по делениям на штанге устройства.
Предварительно перед измерениями погружной зонд калибруется. Для этого его с помощью штанги со шкалой 1 опускают в воду. При присоединении разъема блока регистрации 12 к разъему погружаемого блока от источника питания (аккумулятора) 13 через стабилизатор тока 14 и регулятор яркости излучателей 15 электропитание подается на светодиоды 5, 6, 7. Стабилизатор тока 14 обеспечивает постоянство тока питания светодиодов 5, 6, 7, которые формируют световые потоки, направленные на фотодиоды 9, 10, 11. Переменными резисторами 16, 18, 20 выставляют максимальные значения фототока, регистрируемого микроамперметрами 17, 19, 21 при подключении светодиодов 5, 6, 7 к автономному источнику питания 13 через стабилизатор тока 15. Фотогальванические токи фотодиодов 9, 10, 11 через подстроечные резисторы для регулирования выходных сигналов 16, 18, 20 регистрируются стрелочными микроамперметрами 17, 19, 21. Светодиод 5, фотодиод 9, подстроечный резистор 16 и регистрирующее устройство 17 образует первый измерительный канал, светодиод 6, фотодиод 10, подстроечный резистор 18 и регистрирующее устройство 19 образует второй измерительный канал, светодиод 7, фотодиод 11, подстроечный резистор 20 и регистрирующее устройство 21 образуют третий измерительный канал. Для калибровки значений регистрирующих устройств 17, 19, 21 погружной зонд помещают в калибровочные растворы, содержащие определенное известное количество каждого определенного компонента. Меняя концентрацию растворенных органических веществ (РОВ), водорослей, взвешенных частиц производят калибровку. Погружной зонд помещают в исследуемую воду. По значениям фототока, соответствующим определенным калибровочным значения, определяют содержание компонент в исследуемой воде.
Калибровку датчика освещенности (четвертого фотодиода) 3 осуществляют на дневном свету с помощью регистрации значение фототока с помощью датчика люксметра.
Освещенность определяется с помощью калибровочных данных по значению фототока канала определения освещенности, состоящее из фотодиода 3, подстроечного резистора 22 и регистрирующего устройства 23.
Определение прозрачности:
Прозрачность определяется визуально по делениям на штанге устройства с помощью диска Секки.
Для совместного определения взвешенных частиц, растворенного органического вещества (РОВ) и индикации фитопланктона светодиоды и фотодиоды объединены в блоки излучателей и приемников излучения.
Определение содержания взвешенных частиц.
Светодиод 5 первого измерительного канала излучает зеленый свет 510-550 нм с максимумом 535 нм. В этом спектральном интервале наблюдается минимум поглощения как хлорофиллом, так и растворенным органическим веществом (РОВ), поэтому поглощение света будет обусловлено только неселективным рассеянием на взвешенных частицах. Таким образом, первый измерительный канал регистрирует содержание взвешенных частиц в воде.
Для определения содержания взвешенных частиц используют значения фототока первого измерительного канала и по формуле:
sв=I0 -I3
определяют значение аналитического сигнала Sв для определения содержания взвешенных частиц в мкА, где:
I0 - значение фототока измерительных каналов для чистой воды;
Iз - значение фототока канала зеленого излучения в регистрирующем устройстве 17.
По значениям аналитического сигнала Sв, соответствующим определенным калибровочным данным, определяют содержание взвешенных частиц в исследуемой воде.
Определение содержания фитопланктона.
Светодиод 6 второго измерительного канала излучает красный свет 640-670 нм с максимумом 660 нм. В этом спектральном интервале наблюдается минимум поглощения растворенным органическим веществом (РОВ), но максимум поглощения хлорофиллом фитопланктона, поэтому поглощение света будет обусловлено суммой неселективного рассеяния на взвешенных частицах и поглощения излучения хлорофиллом. Таким образом, второй измерительный канал регистрирует сумму содержания взвешенных частиц в воде и фитопланктона.
Для определения содержания фитопланктона используют значения фототока второго измерительного канала и по формуле
S f=I0-Sв-Iк
определяют значение аналитического сигнала Sf для определения фитопланктона в мкА, где:
I0 - значение фототока измерительных каналов для чистой воды;
Iк - значение фототока канала красного излучения в регистрирующем устройстве 19;
s в - аналитический сигнал для определения содержания взвешенных частиц, мкА.
По значениям аналитического сигнала Sf, соответствующим определенным калибровочным данным, которые определяются по тем видам водорослей, которые являются характерными для контролируемого водного объекта, определяют содержание фитопланктона в исследуемой воде.
Определение содержания растворенного органического вещества (РОВ).
Светодиод 7 третьего измерительного канала излучает сине-фиолетовый цвет 430-460 нм с максимумом 450 нм. В этом спектральном интервале наблюдается максимум поглощения растворенным органическим веществом (РОВ), максимум поглощения хлорофиллом фитопланктона и сохраняется неселективное рассеяние на взвешенных частицах, поэтому поглощение света будет обусловлено суммой неселективного рассеяния на взвешенных частицах, поглощения излучения хлорофиллом и поглощения излучения РОВ. Таким образом, третий измерительный канал регистрирует сумму содержания взвешенных частиц в воде, фитопланктона и РОВ.
Содержание РОВ определяется с помощью калибровочных данных по значению аналитического сигнала Sp в мкА, вычисляемого по формуле:
Sр=I0 -Sв-2,7Sf-Ic,
где:
I0 - значение фототока измерительных каналов для чистой воды;
Sв - аналитический сигнал для определения содержания взвешенных частиц, мкА;
Sf - аналитический сигнал для определения фитопланктона, мкА;
Ic - значение фототока канала синего излучения;
Для проведения исследований был изготовлен погружной зонд для определения гидрофизических и гидрохимических параметров воды в водоемах, в котором в качестве светодиодов использовались низкоапертурные светодиоды Luxeon. В качестве фотодиодов использовались фотодиоды ВРХ90, имеющие спектральный диапазон чувствительности 400-1100 нм, помещенные в корпус ФД-263-01 с линзой. Корпусы герметизированы герметиком «Момент» ТУ 2257-018-0483 1040-2001. Блоки излучателей и приемников излучения закреплены снизу круга из дюралюминия диаметром 300 мм толщиной 5 мм и расположены соосно по оптическим осям светодиодов и фотодиодов (Фиг.3.). Фотодиод был расположен сверху диска из дюралюминия и использовался в фотогальваническом режиме.
Для определения взвешенных частиц было использовано излучение низкоапертурного светодиода Luxeon со спектральным диапазоном излучения 510-550 нм с максимумом 535 нм (зеленого свечения). Эти характеристики соответствуют минимуму поглощения других компонентов. За счет рассеяния излучения взвешенные частицы вызывали снижение сигнала, установленного в дистиллированной воде, во всем спектральном интервале (так называемое неселективное поглощение)
Для определения хлорофилла было использовано излучение низкоапертурного светодиода Luxeon со спектральным диапазоном излучения 640-670 нм с максимумом 660 нм. Важнейшая особенность спектра поглощения хлорофилла «а» и «b» - наличие у них двух ярко выраженных максимумов: в красной - соответственно, при 660-640 нм и в сине-фиолетовой областях спектра при 420-450 нм. Наибольший интерес для нас представлял хлорофилл «а», имеющий два максимума поглощения - при 660 нм в красной области и при 420 нм - в фиолетовой. Ширина полосы поглощения в красной области составляла ~ 30 нм, а в фиолетовой - около 50 нм. Таким образом, для целей фотометрии хлорофилла подходили области спектра 645-675 нм и 405-445 нм.
Для определения РОВ было использовано излучение низкоапертурного светодиода Luxeon Royal Blue со спектральным диапазоном излучения 430-460 нм с максимумом 450 нм. Растворенное органическое вещество (РОВ) представляет собой смесь окрашенных органических соединений. Спектр поглощения представляло собой гладкую ниспадающую гиперболу в интервале 400-700 нм, максимальные значения коэффициентов поглощения были расположены в интервале 400-450 нм.
Погружной зонд для определения гидрофизических и гидрохимических параметров воды в водоемах, включающий излучатель и приемник излучения, отличающийся тем, что в качестве излучателя использован светодиод, а в качестве приемника излучения использован фотодиод, кроме этого в устройство дополнительно включены еще два светодиода, причем все три светодиода подключены через стабилизатор тока к источнику питания и установлены на той стороне диска Секки, которая при помещении диска Секки в водоем с помощью приспособления, которое может быть выполнено в виде штанги или веревки с нанесенной линейной шкалой с делениями, обращена ко дну водоема, кроме этого, на некотором расстоянии от каждого светодиода расположен соответствующий ему фотодиод соосно по оптическим осям этих светодиода и фотодиода, которые с подключенным к фотодиоду через соответствующий переменный резистор регистрирующим устройством образуют фотометрический канал, и соответствующие трем светодиодам фотометрические каналы предназначены для определения взвешенных частиц, индикации содержания фитопланктона, растворимых органических веществ, а на другой стороне диска Секки установлен четвертый фотодиод, который с подключенным к нему через переменный резистор регистрирующим устройством образует фотометрический канал, предназначенный для регистрации освещенности в толще воды, при этом в качестве одного из трех светодиодов выполнен светодиод со спектральным диапазоном излучения 640-670 нм и с максимумом 660 нм (красный), в качестве другого из них выполнен светодиод со спектральным диапазоном излучения 510-550 нм и с максимумом 535 нм (зеленый), в качестве третьего выполнен светодиод со спектральным диапазоном излучения 430-460 нм и с максимумом 450 нм (синий), а в качестве фотодиодов выполнены фотодиоды со спектральным диапазоном чувствительности 400-1000 нм.
