ДАТЧИК ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ БЕСПОЗВОНОЧНЫХ С ЖЕСТКИМ НАРУЖНЫМ ПОКРОВОМ И СИСТЕМА БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

Полезная модель относится к области охраны окружающей среды, в частности, к средствам экологического мониторинга окружающей среды с помощью неинвазивного контроля функционального состояния аборигенных беспозвоночных с жестким наружным покровом и преимущественно может быть использована для автоматической оперативной оценки качества таких компонентов окружающей среды, как вода, донные отложения, воздух и почва на основе дистанционной регистрации в реальном масштабе времени параметров физиологической активности, в частности, кардиологической, дыхательной или других видов двигательной активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, например, раков, крабов, раковинных моллюсков, насекомых или паукообразных.
Для дистанционного автоматического биологического мониторинга окружающей среды, осуществляемого в реальном масштабе времени, возможно использование различных видов тестируемых животных, выбор которых определяется средой их обитания и наличием на их теле жесткого наружного покрова, позволяющего устанавливать на нем датчик физиологической активности животного. Так, например, виноградных улиток, ахотин, скорпионов и медведок можно использовать для оценивания качества воздуха и почвы, а крабов, речных раков, лангустов, омаров и обитающих в воде раковинных моллюсков - для оценивания качества воды и донных отложений.
Наиболее широко средства биологического мониторинга применяются в настоящее время для оценивания качества водной среды. Как показывает анализ современного состояния уровня техники в данной области, в целях автоматической оперативной оценки качества водной среды на основе дистанционного контроля физиологической активности гидробионтов, осуществляемого в реальном масштабе времени, в качестве тестируемых организмов возможно использование таких гидробионтов, как рыбы, крабы, речные раки, лангусты, омары и раковинные моллюски, например, устрицы, мидии, различные виды унионид и брюхоногих моллюсков.
Среди датчиков физиологической активности тестируемых животных известен датчик сигнала дыхательной активности рыб системы автоматического биомониторинга качества воды (US 6393899, 2002), который содержит экспозиционную камеру для размещения рыбы, размещенные на камере сверху и снизу два электрода, выполненные для обеспечения устойчивости к коррозии из нержавеющей стали, два держателя электродов, включающих электропроводную пластину, разделитель и болт,
два герметичных штепсельных разъема и проводную линию связи с аппаратурой усиления и обработки сигнала дыхательной активности рыб. Физиологические сигналы, возникающие при движении жаберных крышек тестируемых рыб, преобразуются данным датчиком в электрические сигналы, которые передаются по проводной линии связи для усиления и обработки.
Вместе с тем, использование в указанном известном датчике электродов из нержавеющей стали, расположенных в контролируемой водной среде и электрически не изолированных, приводит к тому, что формируемый датчиком сигнал становится существенно нестабильным и сопровождается достаточно интенсивным шумом. Эти искажения формируемого датчиком электрического сигнала еще более возрастают вследствие гальванического взаимодействия нержавеющей стали электродов с водой. Прежде всего, это наблюдается при значительной электропроводности контролируемой водной среды. Такие искажения в значительной степени усложняют последующую обработку сформированного электрического сигнала и могут привести к ошибочному принятию решения о состоянии водной среды.
Известен также датчик сигнала дыхательной активности рыб системы автоматического биомониторинга качества воды (US 6393899, 2002), который содержит экспозиционную камеру для размещения рыбы, размещенные на камере сверху и снизу два электрода, выполненные, в отличие от указанного выше аналога, из неметаллического материала, например, графита, два держателя электродов, включающих электропроводную пластину, разделитель и болт, два герметичных штепсельных разъема и проводную линию связи с аппаратурой усиления и обработки сигнала дыхательной активности рыб. В этом случае также физиологические сигналы, возникающие при движении жаберных крышек тестируемых рыб, преобразуются данным датчиком в электрические сигналы, которые передаются по проводной линии связи для усиления и обработки. Использование в данном известном датчике в качестве материала электродов графита, не подверженного гальваническому взаимодействию с водой, в незначительной степени снижает нестабильность формируемого датчиком сигнала и уровень сопровождающего его шума.
Однако, как и в предыдущем случае, использование в указанном известном датчике электродов, находящихся в непосредственном контакте с контролируемой водной средой и электрически не изолированных, приводит к тому, что формируемый датчиком сигнал подвержен нестабильности и сопровождается достаточно интенсивным шумом. Прежде всего, это наблюдается при значительной электропроводности контролируемой водной среды. Такие искажения также в значительной степени усложняют последующую обработку сформированного электрического сигнала и могут привести к ошибочному принятию решения о состоянии
водной среды.
Кроме того, обоим указанным выше известным датчикам свойственен весьма существенный общий недостаток. Как отмечают сами авторы этих технических решений, изменение электропроводности контролируемой воды существенно влияет на амплитуду электрического сигнала, формируемого этими датчиками. Так, например, увеличение электропроводности воды приводит к существенному уменьшению амплитуды сигнала дыхательной активности рыб, что, с одной стороны, может привести к его пропуску при регистрации. С другой стороны, изменение амплитуды сигнала дыхательной активности рыб, связанное с изменением электропроводности воды, при принятии решения приводит к ошибочным результатам, совершенно не связанным с реальным изменением качества контролируемой воды. Для работоспособности данных технических решений их авторы попытались при обработке сигнала дыхательной активности рыб компьютером использовать частичную алгоритмическую компенсацию изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. Но это привело к усложнению конструкции и стоимости системы биомониторинга качества воды, в которой используются данные датчики, а также усложнило эксплуатацию данной системы, поскольку вызвало необходимость осуществления ее периодической калибровки с использованием воды, имеющей различную электропроводность.
И, наконец, использование в конструкциях обоих указанных выше известных датчиков достаточно протяженной проводной линии связи с аппаратурой усиления и обработки сигнала дыхательной активности рыб вызывает дополнительные искажения формируемого датчиками электрического сигнала вследствие неизбежных внешних электрических наводок.
Известен датчик кардиологической активности крабов компьютеризированной системы физиологического мониторинга водной среды (Depledge M.H., Andersen B.B. А computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. - Соmp. Biochem. Physiol., Vol.96A, 1990, No. 4, p.p.473-477), который используется для неинвазивного формирования электрического сигнала кардиологической активности крабов, выполняющих функцию тестируемых беспозвоночных. Данный известный датчик кардиологической активности крабов содержит герметичный корпус, который выполнен с возможностью размещения и фиксации в защитном кольце, выполненном с возможностью установки на карапаксе краба в области расположения его сердца, например, с помощью клеевого соединения, установленный в корпусе светодиод в качестве источника оптического излучения, выполненный с возможностью испускания оптического излучения ближнего инфракрасного диапазона спектра, установленный в корпусе фототранзистор в качестве приемника оптического излучения, чувствительный к оптическому излучению
ближнего инфракрасного диапазона спектра, проводную линию связи с источником питания, подключенную к светодиоду, и проводную линию связи с аппаратурой усиления и обработки электрического сигнала, подключенную к фототранзистору.
Использование в данном известном датчике кардиологической активности крабов для формирования электрического сигнала источника оптического излучения и приемника оптического излучения, установленных в герметичном корпусе изолированно от контролируемой водной среды, препятствует возникновению нестабильности электрического сигнала и сопровождающего его шума, в том числе, и при значительной электропроводности контролируемой водной среды. Это упрощает последующую обработку сформированного электрического сигнала и снижает вероятность ошибочного принятия решения о состоянии водной среды.
По этой же причине изменение электропроводности контролируемой воды не оказывает влияния на амплитуду электрического сигнала, формируемого данным датчиком кардиологической активности крабов, что способствует надежной регистрации электрического сигнала и снижает вероятность ошибочного принятия решения о качестве контролируемой воды. Кроме того, это не вызывает необходимости при обработке электрического сигнала компьютером использовать алгоритмическую компенсацию изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. Это привело к упрощению конструкции и снижению стоимости компьютеризированной системы физиологического мониторинга водной среды, в которой используется данный датчик, а также упростило ее эксплуатацию, не требующую периодической калибровки данной системы с использованием воды, имеющей различную электропроводность.
Вместе с тем, используемый в конструкции данного датчика кардиологической активности крабов герметичный корпус с размещенными в нем источником оптического излучения и приемником оптического излучения имеет достаточно значительные массу и габариты. Поэтому размещение такого корпуса с установленными в нем источником оптического излучения и приемником оптического излучения на карапаксе краба, во-первых, может вызвать у этого животного состояние стресса, которое связано не с изменением качества контролируемой водной среды, а с наличием на карапаксе значительного по массе и габаритам инородного тела. В результате этого при обработке сформированного данным датчиком электрического сигнала компьютеризированной системой физиологического мониторинга водной среды может быть принято ошибочное решение о качестве контролируемой воды. Во-вторых, эта же причина может вызвать заболевание и даже гибель тестируемого животного, что приводит к повышению стоимости и усложнению эксплуатации компьютеризированной системы физиологического мониторинга водной среды, связанными с необходимостью
более частой заменой тестируемых животных вследствие их заболевания или гибели.
Кроме того, использование в конструкции данного датчика кардиологической активности крабов проводной линии связи приемника оптического излучения с аппаратурой усиления и обработки электрического сигнала не защищает эту линию связи от неизбежных внешних электрических наводок, которые искажают электрический сигнал кардиологической активности крабов и при его обработке могут привести к ошибочному принятию решения о качестве контролируемой водной среды.
Наиболее близким по технической сущности к датчику физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, являющимся предметом настоящей полезной модели, следует считать известный датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом (RU 52190 U1, 2006). Указанный датчик содержит корпус, например, в виде полого цилиндра с элементом установки на теле тестируемого беспозвоночного, который выполнен, например, в виде полого цилиндра, охватывающего корпус и снабженного двумя лепестками и винтом фиксации, передающее и приемное оптические волокна, соответственно выходной торец и входной торец которых установлены в корпусе, источник оптического излучения, который установлен с возможностью оптического контакта с входным торцом передающего оптического волокна и в качестве которого может быть использован полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью испускания оптического излучения ближнего инфракрасного диапазона спектра, и приемник оптического излучения, например, фотодиод, чувствительный к оптическому излучению ближнего инфракрасного диапазона спектра и установленный с возможностью оптического контакта с выходным торцом приемного оптического волокна.
Использование в конструкции датчика физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, выбранного за ближайший аналог, передающего и приемного оптических волокон позволяет размещать источник оптического излучения и приемник оптического излучения не в корпусе, установленном на теле тестируемого беспозвоночного, а в непосредственной близости от аппаратуры усиления и обработки сигнала физиологической активности, что обеспечивает снижение массы и габаритов элементов, размещаемых на теле тестируемого беспозвоночного. Такой отказ от размещения источника оптического излучения и приемника оптического излучения внутри корпуса дает возможность использовать негерметичный корпус, имеющий достаточно простую конструкцию, что приводит к еще большему снижению массы и габаритов элементов, размещаемых на теле тестируемого беспозвоночного.
Снижение массы и габаритов элементов, размещаемых на теле тестируемого беспозвоночного, с одной стороны, уменьшает вероятность возникновения у этого
животного состояния стресса, которое связано не с изменением качества контролируемой окружающей среды, а с наличием на нем инородного тела, в результате чего снижается вероятность принятия системой биологического мониторинга ошибочного решения о качестве контролируемой окружающей среды. С другой стороны, уменьшение массы и габаритов элементов, размещаемых на теле тестируемого беспозвоночного, понижает вероятность возникновения заболевания или гибели тестируемого животного, что приводит к снижению стоимости и упрощению эксплуатации системы биологического мониторинга окружающей среды ввиду отсутствия необходимости частой замены тестируемых животных.
Кроме того, использование в конструкции датчика физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, являющегося ближайшим аналогом настоящей полезной модели, приемного оптического волокна приводит к тому, что при его эксплуатации такая волоконно-оптическая линия связи абсолютно не подвержена каким-либо электромагнитным наводкам. Это препятствует искажению формируемого электрического сигнала физиологической активности, что существенно снижает вероятность принятия ошибочного решения о качестве контролируемой окружающей среды.
Вместе с тем, практика испытаний и эксплуатации систем биологического мониторинга окружающей среды с использованием датчика физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, выбранного за ближайший аналог, показала, что при использовании для контроля за состоянием окружающей среды только одного тестируемого животного достаточно часто происходят ошибки типа ложной тревоги, которые связаны с увеличением частоты сердечных сокращений тестируемого животного, обусловленным не изменением состояния окружающей среды, а различными другими причинами.
Поэтому на практике для снижения вероятности ложной тревоги в подобных системах биологического мониторинга окружающей среды используют несколько тестируемых животных, на жестком наружном покрове каждого из которых устанавливают выбранный за ближайший аналог датчик физиологической активности, и принимают решение о наличии экологической опасности, например, по мажоритарному принципу, то есть когда более половины тестируемых животных в результате стресса прореагировали на ухудшение состояния окружающей среды повышением частоты сердечных сокращений. В этом случае в состав датчика физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, выбранного за ближайший аналог, входят все выше перечисленные элементы, в том числе, и полупроводниковые лазеры в качестве источников оптического излучения, причем их количество равно количеству тестируемых животных, используемых для контроля состояния окружающей среды. В
результате этого конструкция системы биологического мониторинга окружающей среды, в которой используются такие датчики физиологической активности, оказывается достаточно сложной, а ее стоимость высокой, что обусловлено, прежде всего, использованием большого количества полупроводниковых лазеров, обладающих достаточно высокой стоимостью.
Поэтому недостатками датчика физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, выбранного за ближайший аналог, являются высокая стоимость и сложность системы биологического мониторинга окружающей среды, в составе которой такой датчик может быть использован.
Среди систем биологического мониторинга окружающей среды известна система автоматического биомониторинга качества воды (US 6393899, 2002), которая основана на регистрации и анализе сигналов дыхательной активности рыб. Данная известная система содержит экспозиционные камеры с анализируемой водой для размещения рыб, установленные на каждой камере в анализируемой воде сверху и снизу два электрода, каждый из которых выполнен, например, из нержавеющей стали или графита для обеспечения устойчивости к коррозии и снабжен держателем электрода и герметичным штепсельным разъемом. Кроме того, указанная система содержит размещенные вне анализируемой воды последовательно соединенные усилитель, подключенный с помощью проводной линии связи к электродам, аналого-цифровой преобразователь, контроллер, терминальную панель и осциллограф, подключенные к терминальной панели пробоотборник и сигнализатор тревоги, а также подключенные к контроллеру удаленный компьютер, удаленный монитор и анализатор качества воды с управляемым электромагнитным клапаном.
Данная известная система автоматического биомониторинга качества воды позволяет формировать и регистрировать сигналы дыхательной активности рыб, а также автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды на основании изменения параметров дыхательной активности рыб, которое обусловлено происходящим в их организме стрессом, связанным со снижением качества воды.
Однако, использование в данной известной системе автоматического биомониторинга качества воды в качестве датчика сигнала дыхательной активности рыб электрически не изолированных по отношению к воде электродов приводит к тому, что формируемый электродами сигнал подвержен нестабильности и сопровождается достаточно интенсивным шумом. Прежде всего, это наблюдается при значительной электропроводности контролируемой водной среды. В случае выполнения электродов из нержавеющей стали эти два вида искажений формируемого электрического сигнала еще более возрастают вследствие гальванического взаимодействия нержавеющей
стали электродов с водой. Такие искажения в значительной степени усложняют последующую обработку сформированного электрического сигнала и могут привести к ошибочному принятию решения о состоянии контролируемой водной среды.
Как отмечают авторы этой системы, по этой же причине изменение электропроводности контролируемой воды существенно влияет на амплитуду формируемого электрического сигнала дыхательной активности рыб. В частности, увеличение электропроводности воды приводит к существенному уменьшению амплитуды сигнала дыхательной активности рыб, что, во-первых, может привести к его пропуску при регистрации. Во-вторых, изменение амплитуды сигнала дыхательной активности рыб, связанное с изменением электропроводности воды, при принятии решения приводит к ошибочным результатам, абсолютно не связанным с реальным изменением качества контролируемой воды. Для работоспособности данной системы автоматического биомониторинга качества воды при обработке сигнала дыхательной активности рыб компьютером в ней предусмотрено использование частичной алгоритмической компенсации изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. Однако, это привело к усложнению конструкции и стоимости системы биомониторинга качества воды, а также усложнило ее эксплуатацию, поскольку вызвало необходимость осуществления ее периодической калибровки с использованием воды, имеющей различную электропроводность.
Кроме того, использование в указанной известной системе биомониторинга качества воды достаточно протяженной проводной линии связи электродов с усилителем вызывает дополнительные искажения формируемого электрического сигнала дыхательной активности рыб вследствие неизбежных внешних электрических наводок.
Известна компьютеризированная система физиологического мониторинга водной среды (Depledge M.H., Andersen B.B. A computer-aided physiological monitoring system for continuous, long-term recording of cardiac activity in selected invertebrates. - Соmp. Biochem. Physiol., Vol.96A, 1990, No. 4, p.p.473-477), которая основана на неинвазивном формировании, регистрации и анализе сигналов кардиологической активности крабов, выполняющих функцию тестируемых беспозвоночных. Данная известная компьютеризированная система физиологического мониторинга водной среды содержит восемь формирователей цифрового сигнала кардиологической активности, каждый из которых содержит последовательно соединенные датчик кардиологической активности, усилитель и аналого-цифровой преобразователь, компьютер с принтером и накопителем на жестком диске и мультиплексор, входы и выход которого подключены соответственно к выходам аналого-цифровых преобразователей формирователей цифрового сигнала кардиологической активности и
входу компьютера. При этом датчик кардиологической активности каждого формирователя цифрового сигнала кардиологической активности содержит герметичный корпус, который выполнен с возможностью размещения и фиксации в защитном кольце, выполненном с возможностью установки на карапаксе краба в области расположения его сердца, например, с помощью клеевого соединения, установленный в корпусе светодиод в качестве источника оптического излучения, выполненный с возможностью испускания оптического излучения ближнего инфракрасного диапазона спектра, установленный в корпусе фототранзистор в качестве приемника оптического излучения, чувствительный к оптическому излучению ближнего инфракрасного диапазона спектра, проводную линию связи с источником питания, подключенную к светодиоду, и проводную линию связи с усилителем формирователя цифровых сигналов кардиологической активности, подключенную к фототранзистору.
Данная известная компьютеризированная система физиологического мониторинга водной среды позволяет формировать и регистрировать сигналы кардиологической активности крабов, а также автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды на основании изменения параметров кардиологической активности крабов, которое обусловлено происходящим в их организме стрессом, связанным со снижением качества воды.
Использование в данной известной компьютеризированной системе физиологического мониторинга водной среды для формирования электрического сигнала датчика кардиологической активности крабов, содержащего источник оптического излучения и приемник оптического излучения, установленные в герметичном корпусе изолированно от контролируемой водной среды, препятствует возникновению нестабильности электрического сигнала и сопровождающего его шума, в том числе, и при значительной электропроводности контролируемой воды. Это упрощает последующую обработку сформированного электрического сигнала компьютеризированной системой физиологического мониторинга водной среды и снижает вероятность ошибочного принятия решения о состоянии контролируемой воды.
По этой же причине изменение электропроводности контролируемой воды не оказывает влияния на амплитуду электрического сигнала, формируемого датчиком кардиологической активности крабов, что способствует надежной регистрации электрического сигнала компьютеризированной системой физиологического мониторинга водной среды и снижает вероятность ошибочного принятия решения о качестве контролируемой воды. Кроме того, это не вызывает необходимости при обработке электрического сигнала использовать в компьютеризированной системе физиологического мониторинга водной среды алгоритмическую компенсацию
изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. Это упрощает конструкцию и снижает стоимость компьютеризированной системы физиологического мониторинга водной среды, а также упрощает ее эксплуатацию, поскольку не требует периодической калибровки данной системы с использованием воды, имеющей различную электропроводность.
Вместе с тем, используемый в конструкции датчика кардиологической активности крабов, входящего в состав данной компьютеризированной системы физиологического мониторинга водной среды, герметичный корпус с размещенными в нем источником оптического излучения и приемником оптического излучения имеет достаточно значительные массу и габариты. Поэтому размещение такого корпуса с установленными в нем источником оптического излучения и приемником оптического излучения на карапаксе краба, во-первых, может вызвать у этого животного состояние стресса, которое связано не с изменением качества контролируемой водной среды, а с наличием на карапаксе значительного по массе и габаритам инородного тела. В результате этого при обработке сформированного датчиком электрического сигнала данной известной компьютеризированной системой физиологического мониторинга водной среды может быть принято ошибочное решение о качестве контролируемой воды. Во-вторых, эта же причина может вызвать заболевание и даже гибель тестируемого животного, что приводит к повышению стоимости и усложнению эксплуатации компьютеризированной системы физиологического мониторинга водной среды, связанными с необходимостью более частой замены тестируемых животных вследствие их заболевания или гибели.
Кроме того, использование в конструкции данной известной компьютеризированной системы физиологического мониторинга водной среды проводной линии связи приемника оптического излучения датчика кардиологической активности крабов с усилителем не защищает эту линию связи от неизбежных внешних электрических наводок, которые искажают электрический сигнал кардиологической активности крабов и при его обработке компьютеризированной системой физиологического мониторинга водной среды могут привести к ошибочному принятию решения о качестве контролируемой водной среды.
Наиболее близкой по технической сущности к системе биологического мониторинга окружающей среды, являющейся предметом настоящей полезной модели, следует считать систему биологического мониторинга окружающей среды (RU 52190 U1, 2006), которая содержит компьютер и несколько (по числу тестируемых животных) формирователей цифрового сигнала физиологической активности. Каждый формирователь цифрового сигнала физиологической активности содержит датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, который
включает корпус с элементом установки на теле тестируемого беспозвоночного, передающее и приемное оптические волокна, соответственно выходной и входной торцы которых установлены в корпусе, источник оптического излучения, например, полупроводниковый лазер, установленный с возможностью оптического контакта с входным торцом передающего оптического волокна и выполненный с возможностью испускания оптического излучения инфракрасного диапазона спектра, приемник оптического излучения, например, фотодиод, чувствительный к оптическому излучению инфракрасного диапазона спектра и установленный с возможностью оптического контакта с выходным торцом приемного оптического волокна, а также последовательно соединенные усилитель и аналого-цифровой преобразователь, подключенный выходом к входу компьютера, причем вход усилителя подключен к приемнику оптического излучения.
Использование в конструкции датчиков  физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом системы биологического мониторинга окружающей среды, выбранной за ближайший аналог, передающего и приемного оптических волокон, позволило размещать источник оптического излучения и приемник оптического излучения не в корпусе, установленном на теле тестируемого беспозвоночного, а в непосредственной близости, соответственно, от источника питания источника оптического излучения и усилителя, к которым они подключены, что обеспечивает снижение массы и габаритов элементов, размещаемых на теле тестируемого беспозвоночного. Такой отказ от размещения источника оптического излучения и приемника оптического излучения внутри корпуса датчика физиологической активности дает возможность использовать негерметичный корпус, имеющий достаточно простую конструкцию, например, в виде полого цилиндра, что приводит к еще большему снижению массы и габаритов элементов, размещаемых на теле тестируемого беспозвоночного. Снижение массы и габаритов элементов, размещаемых на теле тестируемого беспозвоночного, с одной стороны, уменьшает вероятность возникновения у этого животного состояния стресса, которое связано не с изменением качества контролируемой окружающей среды, а с наличием на нем инородного тела, в результате чего снижается и вероятность принятия системой биологического мониторинга окружающей среды ошибочного решения о качестве контролируемой окружающей среды. С другой стороны, уменьшение массы и габаритов элементов, размещаемых на теле тестируемого беспозвоночного, понижает вероятность возникновения заболевания или гибели тестируемого животного, что приводит к снижению стоимости и упрощению эксплуатации системы биологического мониторинга окружающей среды ввиду отсутствия необходимости частой замены тестируемых животных.
Применение в датчиках физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом системы биологического мониторинга окружающей среды, выбранной за ближайший аналог, приемного оптического волокна обеспечило возможность размещения приемника оптического излучения непосредственно у усилителя, с которым он имеет гальваническую связь, что при эксплуатации системы биологического мониторинга окружающей среды препятствует внешним электрическим наводкам. Это предотвращает искажение формируемого электрического сигнала физиологической активности из-за возможных внешних электрических наводок, что при его обработке системой биологического мониторинга окружающей среды существенно снижает вероятность принятия ошибочного решения о качестве контролируемой окружающей среды.
Вместе с тем, использование для снижения вероятности ложной  тревоги нескольких тестируемых животных, на жестком наружном покрове каждого из которых установлен датчик физиологической активности, и принятия решения о наличии экологической опасности, например, по мажоритарному принципу, то есть когда более половины тестируемых животных в результате стресса прореагировали на ухудшение состояния окружающей среды повышением частоты сердечных сокращений, значительно усложняет конструкцию системы биологического мониторинга окружающей среды, выбранной за ближайший аналог, а также приводит к существенному повышению ее стоимости, что обусловлено, прежде всего, использованием большого количества полупроводниковых лазеров, обладающих достаточно высокой стоимостью.
Поэтому недостатками системы биологического мониторинга окружающей среды, выбранной за ближайший аналог, являются высокая стоимость и сложность.
Задачами настоящей полезной модели являются снижение стоимости и упрощение конструкции системы биологического мониторинга окружающей среды.
Поставленные задачи решаются, согласно полезной модели, во-первых, тем, что датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, источник оптического излучения, N корпусов с элементами установки на теле тестируемого беспозвоночного, N приемных оптических волокон, входной торец каждого из которых установлен в соответствующем корпусе, N приемников оптического излучения, каждый из которых установлен с возможностью оптического контакта с выходным торцом соответствующего приемного оптического волокна, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен волоконно-оптическим разветвителем с одним входным торцом и N выходными торцами, причем каждый выходной торец волоконно-оптического разветвителя установлен в соответствующем корпусе, входной торец волоконно-оптического разветвителя установлен с возможностью оптического контакта с
источником оптического излучения и N=2, 3, 4, ....
При этом в качестве источника оптического излучения может быть использован полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью испускания оптического излучения ближнего инфракрасного диапазона спектра, в качестве приемника оптического излучения может быть использован фотодиод, чувствительный к оптическому излучению ближнего инфракрасного диапазона спектра, корпус может быть выполнен в виде полого цилиндра, а элемент установки на теле тестируемого беспозвоночного может быть выполнен в виде полого цилиндра, охватывающего корпус и снабженного двумя лепестками и винтом фиксации.
Снабжение датчика физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом волоконно-оптическим разветвителем с одним входным торцом и N выходными торцами, когда каждый выходной торец волоконно-оптического разветвителя установлен в соответствующем корпусе, входной торец волоконно-оптического разветвителя установлен с возможностью оптического контакта с источником оптического излучения и N=2, 3, 4, ..., позволяет осуществлять облучение N тестируемых животных (N=2, 3, 4, ...) оптическим излучением, испускаемым одним единственным источником оптического излучения, например, полупроводниковым лазером. Это дает возможность использовать в конструкции датчика всего один источник оптического излучения, а не N источников оптического излучения (по одному на каждое тестируемое животное), как это предусмотрено в ближайшем аналоге. В результате этого существенно упрощается конструкция системы биологического мониторинга окружающей среды, а также снижается ее стоимость, поскольку значительно уменьшается количество используемых в ней полупроводниковых лазеров, имеющих достаточно высокую стоимость.
Поставленные задачи решаются, согласно полезной модели, во-вторых, также тем, что система биологического мониторинга окружающей среды, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, компьютер, N аналого-цифровых преобразователей, подключенных выходами к входам компьютера, N усилителей, каждый из которых подключен выходом к входу соответствующего аналого-цифрового преобразователя, и датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, включающий источник оптического излучения, N корпусов с элементами установки на теле тестируемого беспозвоночного, N приемных оптических волокон, входной торец каждого из которых установлен в соответствующем корпусе, и N приемников оптического излучения, каждый из которых установлен с возможностью оптического контакта с выходным торцом соответствующего приемного оптического волокна и подключен к входу соответствующего усилителя, отличается от ближайшего аналога тем, что ее датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким
наружным покровом снабжен волоконно-оптическим разветвителем с одним входным торцом и N выходными торцами, причем каждый выходной торец волоконно-оптического разветвителя установлен в соответствующем корпусе, входной торец волоконно-оптического разветвителя установлен с возможностью оптического контакта с источником оптического излучения и N=2, 3, 4, ....
При этом в качестве источника оптического излучения может быть использован полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью испускания оптического излучения ближнего инфракрасного диапазона спектра, в качестве приемника оптического излучения может быть использован фотодиод, чувствительный к оптическому излучению ближнего инфракрасного диапазона спектра, корпус датчика физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом может быть выполнен в виде полого цилиндра, а элемент установки на теле тестируемого беспозвоночного может быть выполнен в виде полого цилиндра, охватывающего корпус и снабженного двумя лепестками и винтом фиксации.
Снабжение датчика физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом заявляемой системы биологического мониторинга окружающей среды волоконно-оптическим разветвителем с одним входным торцом и N выходными торцами, когда каждый выходной торец волоконно-оптического разветвителя установлен в соответствующем корпусе, входной торец волоконно-оптического разветвителя установлен с возможностью оптического контакта с источником оптического излучения и N=2, 3, 4, ..., также обеспечивает возможность облучения N тестируемых животных (N=2, 3, 4, ...), используемых в системе, оптическим излучением, испускаемым одним единственным источником оптического излучения, например, полупроводниковым лазером. Это позволяет использовать в системе биологического мониторинга окружающей среды всего один источник оптического излучения, а не N источников оптического излучения (по одному на каждое тестируемое животное), как это предусмотрено в ближайшем аналоге. В результате этого существенно упрощается конструкция системы биологического мониторинга окружающей среды, а также снижается ее стоимость, поскольку значительно уменьшается количество используемых в ней полупроводниковых лазеров, имеющих достаточно высокую стоимость.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированных выше задач настоящей полезной модели, благодаря наличию у заявляемых датчика физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом и системы биологического мониторинга окружающей среды перечисленных выше отличительных признаков.
На фиг.1 показаны структурная электрическая схема системы биологического
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
мониторинга окружающей среды и разрезы корпуса и элемента установки на теле тестируемого беспозвоночного датчика физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, где 1 - компьютер, 2 - источник питания источника оптического излучения, 3 - источник оптического излучения, 4 - волоконно-оптический разветвитель, 5-5 - приемник оптического излучения, 6-6 - усилитель, 7-7 - аналого-цифровой преобразователь, 8-8 - корпус, 9-9 - цилиндр элемента установки, 10-10 - лепесток элемента установки, 11-11 - винт фиксации, 12-12 - передающее оптическое волокно, 13-13 - приемное оптическое волокно, 14-14 - выходной торец, 15-15 - входной торец, 16-16 - элемент фиксации волокон, 17-17 - карапакс тестируемого животного, 18-18 - сердце тестируемого животного в период диастолы и 19-19 - сердце тестируемого животного в период систолы.
1
N
1
N
На фиг.2 показан входной торец, по мнению авторов настоящей полезной модели, наилучшего выполнения волоконно-оптического разветвителя 4, когда он образован из семи передающих оптических волокон 12-12 и используется для облучения оптическим излучением семи тестируемых животных, где 20 - входной торец передающего оптического волокна 12-12 и 21 - обойма.
1
N
1
N
1
N
На фиг.3 показан возможный вариант размещения системы биологического мониторинга окружающей среды в случае использования ее для мониторинга водной среды водоема, где 22 - помост, 23 - контейнер для аппаратуры, 24-24 - клетка для животного, 25-25 - щель для оптических волокон и 26-26 - тестируемое животное.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом (см. фиг.1) содержит N корпусов 8-8, которые выполнены, например, в виде полого цилиндра, и N элементов установки на теле тестируемого беспозвоночного. Каждый элемент установки на теле тестируемого беспозвоночного включает полый цилиндр 9-9 элемента установки, охватывающий корпус 8-8, прикрепленных к каждому корпусу 8-8 по два лепестка 10-10 элемента установки, форма и расположение которых соответствуют форме карапакса 17-17 тестируемого животного в месте предполагаемой установки датчика в области расположения сердца, и винт 11-11 фиксации, установленный в выполненном в цилиндре 9-9 элемента установки резьбовом отверстии. Корпуса 8-8, цилиндры 9-9 элемента установки и лепестки 10-10 элемента установки могут быть выполнены из металла, стойкого к коррозии, или из полимерного материала.
1
N
Датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом также содержит волоконно-оптический разветвитель 4, который может быть образован (см. фиг.2) из N передающих оптических волокон 12-12, установленных своими входными торцами 20 в выполненной, например, из металла цилиндрической
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
обойме 21, и имеет один входной торец и N выходных торцов 14-14 (N=2, 3, 4, ...). По мнению авторов настоящей полезной модели, одним из наилучших вариантов является выполнение волоконно-оптического разветвителя 4 из семи (N=7) передающих оптических волокон 12-12, что обусловлено удобством размещения их входных торцов 20 в обойме 21, имеющей форму полого цилиндра. Датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом содержит N приемных оптических волокон 13-13, входной торец 15-15 каждого из которых вместе в выходным торцом 14-14 соответствующего передающего оптического волокна 12-12 волоконно-оптического разветвителя 4 установлены в соответствующем корпусе 8-8 и закреплены в нем посредством элемента 16-16 фиксации волокон, выполненного, например, из отвердевшего эпоксидного клея. В качестве передающих оптических волокон 12-12 и приемных оптических волокон 13-13 могут быть использованы, например, оптические волокна, имеющие диаметр от 50 до 500 мкм.
1
N
1
N
1
N
1
N
Кроме того, датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом содержит (см. фиг.1) источник 3 оптического излучения, например, полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью испускания оптического излучения ближнего инфракрасного диапазона спектра, источник 2 питания источника оптического излучения, подключенный источнику 3 оптического излучения, и N приемников 5-5 оптического излучения, например, фотодиодов, чувствительных к оптическому излучению ближнего инфракрасного диапазона спектра. Входной торец волоконно-оптического разветвителя 4 установлен с возможностью оптического контакта с источником 3 оптического излучения, а выходной торец каждого приемного оптического волокна 13-13 установлен с возможностью оптического контакта с соответствующим приемником 5-5 оптического излучения посредством не показанных на фигурах волоконно-оптических коннекторов, например, марки ST или FC. В качестве источника 3 оптического излучения может быть использован полупроводниковый лазер, например, марки ИЛПН-109М, испускающий оптическое излучение с длиной волны 0,8-0,86 мкм, а в качестве приемников 5-5 оптического излучения могут быть использованы фотодиоды, например, марки ФД-290, чувствительные к оптическому излучению данного диапазона длин волн.
1
N
1
N
1
N
1
N
Система биологического мониторинга окружающей среды содержит компьютер 1, N усилителей 6-6, N аналого-цифровых преобразователей 7-7, входы и выходы каждого из которых подключены соответственно к выходу соответствующего усилителя 6-6 и к входам компьютера 1. Кроме того, система биологического мониторинга окружающей среды содержит описанный выше датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом, причем каждый его приемник 5-5 оптического излучения подключен к входу соответствующего
1
N
усилителя 6-6. В качестве компьютера 1 может быть использован персональный компьютер.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Электронную аппаратуру системы биологического мониторинга окружающей среды в случае использования ее для контроля водной среды водоема (см. фиг.3) размещают, например, в контейнере 23 для аппаратуры на помосте 22, площадка которого расположена выше уровня контролируемой воды, а опоры установлены на суше или в акватории, на дне контролируемого водоема. В этом случае в качестве тестируемых животных 26-26 используют, например, речных раков, лангустов, крабов, устриц, мидий, ампулярий или некоторые виды унионид. При этом на раковинах или на карапаксах 17-17 тестируемых животных в области расположения сердца устанавливают цилиндры 9-9 элемента установки с двумя лепестками 10-10 элемента установки, например, посредством приклеивания последних к раковинам или карапаксам 17-17 тестируемых животных. Для размещения тестируемых животных 26-26 используют клетки 24-24 для животного, которые могут быть выполнены из металлической или полимерной сетки и снабжены щелью 25-25 для оптических волокон. Корпус 8-8 вместе с передающим оптическим волокном 12-12 и приемным оптическим волокном 13-13 пропускают через щель 25-25 для оптических волокон, вставляют корпус 8-8 в цилиндр 9-9 элемента установки и закрепляют его в нем с помощью винта 11-11 фиксации. Клетки 24-24 для животного с размещенным в каждой из них одним тестируемым животным 26-26 располагают на дне контролируемого водоема или на суше в аквариуме, через который прокачивается вода контролируемого водоема. При этом каждое тестируемое животное 26-26 размещают не только в отдельной клетке 24-24 для животного, но и обеспечивают при этом отсутствие визуального контакта между тестируемыми животными 26-26. В случае использования системы биологического мониторинга окружающей среды на водозаборных станциях водоподготовки тестируемых животных 26-26 размещают по одному в проточных аквариумах (на фигурах не показаны) с водой, поступающей из источника водоснабжения.
Датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом и система биологического мониторинга окружающей среды, являющиеся предметами настоящей полезной модели, работают следующим образом.
Оператор системы биологического мониторинга окружающей среды включает питание электронной аппаратуры, входящей в состав данной системы, в том числе, компьютер 1 и источник 2 питания источника оптического излучения. Источник 2 питания источника оптического излучения подает напряжение на источник 3 оптического излучения, который начинает испускать оптическое излучение ближнего инфракрасного диапазона спектра. Это оптическое излучение, пройдя через входной
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
торец волоконно-оптического разветвителя 4, распространяется по его передающим оптическим волокнам 12-12 и, выходя из их выходных торцов 14-14, падает на карапаксы 17-17 тестируемых животных и через них проникает в тела тестируемых животных 26-26. При этом некоторая часть оптического излучения отражается от карапаксов 17-17 тестируемых животных и их внутренних органов, в том числе, и от сердца. Некоторая часть оптического излучения, отраженного от карапаксов 17-17 тестируемых животных и их внутренних органов, в том числе, и от сердца, попадает во входные торцы 15-15 приемных оптических волокон 13-13, распространяется по ним и, пройдя через их выходные торцы, падает на чувствительные поверхности приемников 5-5 оптического излучения, которые преобразуют оптическое излучение в электрический сигнал с амплитудой, пропорциональной падающему световому потоку. В процессе работы сердца каждого тестируемого животного 26-26 оно периодически изменяет свои объем и форму (см. на фиг.1 сердце 18-18 тестируемого животного в период диастолы и сердце 19-19 тестируемого животного в период систолы), в результате чего границы сердечного мешка смещаются относительно пучка оптического излучения, выходящего из выходного торца 14-14 передающего оптического волокна 12-12, и изменяют величину отраженного сердцем светового потока, попадающего во входной торец 15-15 приемного оптического волокна 13-13 и регистрируемого приемником 5-5 оптического излучения. В результате этого электрические сигналы, сформированные приемниками 5-5 оптического излучения, имеют переменные составляющие, период которых равен периодам сердечных сокращений тестируемых животных 26-26.
1
N
1
N
1
N
Сформированные приемниками 5-5 оптического излучения электрические сигналы после усиления по мощности усилителями 6-6 поступает на аналого-цифровые преобразователи 7-7, которые осуществляют с заданной дискретностью во времени преобразование мгновенных значений напряжения этих электрических сигналов в цифровые коды, поступающие в компьютер 1. Каждый поступивший цифровой код, соответствующий мгновенному значению напряжения каждого электрического сигнала, компьютер 1 заносит в свое запоминающее устройство вместе со значениями текущего времени, когда этот цифровой код поступил.
Далее запомненные цифровые коды, соответствующие мгновенным значениям каждого электрического сигнала, компьютер 1 обрабатывает следующим образом. В соответствии с известными алгоритмами путем, например, сравнения запомненных цифровых кодов компьютер 1 определяет два, например, максимальных цифровых кода, ближайших по времени их поступления в компьютер 1. В результате вычисления разности между значениями текущего времени поступления этих максимальных цифровых кодов компьютер 1 определяет период сердечных сокращений тестируемого
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
животного 26-26 и заносит его значение в свое запоминающее устройство. Таким образом компьютер 1 определяет и запоминает значения периода сердечных сокращений каждого тестируемого животного 26-26 за достаточно длительный интервал времени, соответствующий, например, 100-500 периодам сердечных сокращений. Затем компьютер 1 вычисляет, например, среднее арифметическое значение периода сердечных сокращений каждого тестируемого животного 26-26 за указанный интервал времени. После этого компьютер 1 вычисляет разность между эталонным средним арифметическим значением периода сердечных сокращений каждого тестируемого животного 26-26, которое хранится в запоминающем устройстве компьютера 1 и было получено на этапе калибровки системы биологического мониторинга окружающей среды при регистрации сигнала сердечных сокращений этого же тестируемого животного 26-26, размещенного в окружающей среде высокого качества, и полученным средним арифметическим значением периода сердечных сокращений тестируемого животного 26-26. Указанные разности компьютер 1 вычисляет для каждого тестируемого животного 26-26. Если полученные разности не превышают установленных для них пороговых значений, хранящихся в запоминающем устройстве компьютера 1, более, чем у половины из N тестируемых животных 26-26, компьютер 1 не формирует сигнала экологической опасности.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
В случае внезапного ухудшения качества контролируемой водной среды организмы размещенных в ней тестируемых животных 26-26 подвергается стрессу, в результате которого период сердечных сокращений тестируемых животных 26-26 резко и существенно уменьшается. Как показали экспериментальные исследования авторов настоящей полезной модели, из-за ухудшения качества контролируемой водной среды период сердечных сокращений, например, речных раков Astacus astacus L может уменьшаться в 2-3 раза. В этом случае для части или для всех N тестируемых животных 26-26 вычисленная компьютером 1 разность между эталонным средним арифметическим значением периода сердечных сокращений тестируемого животного 26-26, которое хранится в запоминающем устройстве компьютера 1 и было получено на этапе калибровки системы биологического мониторинга окружающей среды при регистрации сигнала сердечных сокращений этого же тестируемого животного 26-26, размещенного в воде высокого качества, и полученным средним арифметическим значением периода сердечных сокращений тестируемого животного 26-26 при ее сравнении превысит установленное для нее пороговое значение, хранящееся в запоминающем устройстве компьютера 1. Если это произошло более, чем у половины тестируемых животных 26-26, компьютер 1 формирует сигнал экологической опасности. Например, при использовании для контроля за окружающей средой семи
1
N
1
N
тестируемых животных 26-26 компьютер 1 формирует сигнал экологической опасности в случае, если у четырех или более тестируемых животных 26-26 зарегистрировано состояние стресса. Информация об экологической опасности отображается оператору системы биологического мониторинга окружающей среды на мониторе компьютера 1. Кроме того, оповещение об экологической опасности персонала может осуществляться сигнализатором экологической опасности, который подключен к компьютеру 1, но на фигурах не показан.
В случае формирования системой биологического мониторинга окружающей среды сигнала экологической опасности осуществляют отбор пробы контролируемой воды для ее последующего химического анализа.
Авторами настоящей полезной модели был разработан опытный образец системы биологического мониторинга окружающей среды с датчиком физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом и в апреле-мае 2006 года испытан в лабораторных и натурных условиях для целей контроля водной среды с использованием речных раков в качестве тестируемых животных, а также для целей контроля воздушной среды с использованием виноградных улиток и ахотин в качестве тестируемых животных. Испытания показали достаточно высокую эффективность использования системы биологического мониторинга окружающей среды с датчиком физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом для контроля качества компонентов окружающей среды.
Таким образом, датчик физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом и система биологического мониторинга окружающей среды обеспечивают снижение стоимости и упрощение конструкции системы биологического мониторинга окружающей среды.