УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО СБОРА ТВЕРДЫХ ВЗВЕШЕННЫХ ЧАСТИЦ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
DEVICE FOR SELECTIVE COLLECTION OF SOLID SUSPENDED PARTICLES IN AQUATIC MEDIUM

Область техники, к которой относится изобретение
Устройство предназначено для отбора количественных проб в области гидробиологических исследований и экологического мониторинга водной среды. Относится к устройствам-пробоотборникам, которые могут быть использованы как при горизонтальном поверхностном и приповерхностном тралении, так и при вертикальном отборе проб твердых взвешенных частиц в водной среде, а также в качестве седиментационной ловушки. Устройство может применяться для селективного пробоотбора зоо- и фитопланктона и, в частности, для сбора взвешенных частиц микропластика в водной среде.
Уровень техники
Из полезной модели CN 203814419 U известна простая сеть для сбора планктона, которая устанавливается горизонтально и состоит из основной сетки, представляющей собой конус с открытым дном, одностороннего соединительного механизма, установленного в горловине конуса основной сетки и соединенного с жестким каркасом горла конуса сетки, поплавков, а также тяжелого груза, выполняющего роль якоря. Недостатком данной полезной модели является ее ненадежность и ограниченный функционал ее использования.
Из полезной модели CN 203313679 U известен морской планктонный многосетный объединенный пробоотборник, который состоит из конических фильтрующих сетей и пробосборников, которые закреплены на открытых узких концах фильтрующих сеток. Три фильтрующие сети закреплены на единой опорной перекладине, и их можно собирать и распускать, управляя тросом. Недостатком данной конструкции является малая ее надежность, ломкость конструкции, что может привести к спутыванию сетки и необъективности собранных проб.
В целом отсутствие в конструкции прототипов устройств жесткого рамного каркаса показывает ненадежность конструкции в процессе его эксплуатации: под воздействием колебаний воды во время траления на сетном полотне уловителя - металлической сетке уже через несколько дней эксплуатации появляются изгибы, заломы, а затем и разрывы, что приводит утрате части собранного материала проб.
Отсутствие в конструкции прототипов устройств модульности и конструктивной возможности оперативной замены поврежденного сетного уловителя, приводит к необходимости замены всего устройства на новое, что приводит к уменьшению функциональности устройств, усложнению его эксплуатации и возможной задержке исследовательских работ.
Отсутствие в конструкции прототипов устройств опционально устанавливаемого съемного горла повышает вероятность выброса обратно через горло уже отфильтрованной пробы при остановке используемого для траловой работы плавсредства, что особенно актуально для небольших водоемов или работы рядом с берегом, где используются небольшие лодки или катера из-за необходимости маневрирования.
Отсутствие в конструкции прототипов устройств опционально устанавливаемой селективной траловой решетки приводит к повышению вероятности засорения проб крупными фрагментами плавающих фрагментов мусора, водорослей или древесины, что уменьшает качество собранных проб.
Отсутствие в конструкции прототипов устройств возможности установки в вертикальное положение для слива собранной пробы приводит к необходимости подвешивания и удерживании прототипов устройств длиной 1,5-2 метра в вертикальном положении на выносных кран-балках, что уменьшает удобство использования таких устройств на небольших плавательных средствах - лодках и небольших катерах, особенно при волнении водной поверхности или ветре.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения устройства для отбора твердых взвешенных частиц в водной среде поставлена цель разработки простого в использовании, надежного и универсального устройства, обеспечивающего точный отбор репрезентативных количественных проб на содержание твердых частиц в процессе экологического мониторинга морских и пресноводных акваторий.
Технической задачей заявленного изобретения является создание универсального и простого в использовании устройства для точного горизонтального и вертикального отбора взвешенных частиц в водной среде, с возможностью быстрой замены сетного уловителя на неповрежденный или с иным размером ячейки, а также с возможностью установки устройства в вертикальное положение для его промывки и освобождения от собранного материала.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение жесткости и надежности конструкции, повышение защищенности сетного уловителя и, как следствие, улучшение его метрологических характеристик, расширение функциональности и упрощение эксплуатации устройства.
Технический результат достигается тем, что устройство для сбора твердых частиц в водной среде содержит прямоугольный жесткий рамный каркас, внутри которого закреплен съемный сетной уловитель, представляющий собой усеченный правильный конус, из натянутого и расправленного сетного полотна с определенным размером ячейки.
Устройство для сбора твердых частиц в водной среде содержит сетной уловитель, представляющий собой правильный усеченный конус из безузлового сетного полотна, и отличающееся тем, что сетной уловитель закреплен внутри жесткого рамного каркаса в натянутом и расправленном состоянии и является съемным, а для его изготовления используется сетное полотно с определенным размером ячейки изготовленное из материалов группы: металл, сплав металла, полимер, шелк. Жесткий рамный каркас предохраняет уязвимую ткань сетного полотна от внешнего воздействия, механических повреждений, собственных деформаций и, как следствие, возможного разрушения.
Материалом для изготовления жесткого рамного каркаса выбран по крайней мере один из материалов группы: металл, например, титан, сплав металла, например, нержавеющая сталь или композитный материал, например, углепластик или стеклопластик. Материалом для изготовления сетного полотна для сетного конуса с размерами ячеек в диапазоне 0,035-1 мм выбран по крайней мере один из материалов группы: нержавеющая сталь, латунь, полиамид, шелк. Размер ячейки сетного полотна находится в данном диапазоне, позволяет улавливать любые твердые взвешенные частицы в водной среде в диапазоне от 0,035 до 1,0 мм и более, что покрывает весь диапазон всевозможных проб для гидробиологических исследований и экологического мониторинга водной среды.
Жесткое и натяженное крепление сетного уловителя позволяет избежать разрушения его материала в результате длительных колебаний и полоскания во время траления, а также при транспортировке или вытягивании устройства на палубу судна. Эта особенность конструкции позволяет использовать в качестве материала для сетных уловителей, разные материалы, в том числе и хрупкие металлические сетки, обычно легко разрушающиеся при деформациях, но являющиеся метрологически более точными, поскольку размер и форма ячеек сетного полотна у таких материалов очень стабильны при длительном использовании, что особенно важно при отборе проб на микропластик.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется рисунками:
Фиг. 1. Принципиальная конструкция сети: А - вид сбоку; В - вид спереди. На схеме указаны габариты большого устройства;
Фиг. 2. Принципиальная схема работы устройства при тралении: А - устройство с установленным съемным горлом; В - устройство с установленной селективной траловой решеткой;
Фиг. 3. Принципиальная схема работы устройства в качестве седиментационной ловушки: А - установка на дне в заякоренном состоянии; Б - работа в качестве дрифтера;
Фиг. 4. Схема сборки устройств в порядок для стратификационного сбора.
Осуществление изобретения
Заявляемое устройство (Фиг. 1) состоит из прямоугольного жесткого рамного каркаса [1], внутри которого жестко закреплен, съемный сетной уловитель, представляющий собой усеченный правильный конус, из натянутого и расправленного сетного полотна с определенным размером ячейки [2]. Сетной уловитель крепится между рамой-основанием [3] с переднего конца и фиксированным кольцом-фланцем с заднего конца [5]. Материалом сетного уловителя может служить, в зависимости от поставленной задачи, нержавеющая сталь, латунь, полиамид или шелк. Положение сетного конуса внутри рамного каркаса защищает его от механических повреждений при транспортировке и эксплуатации.
Прямоугольная рама-основание [3], находящаяся в передней части рамного каркаса предназначена для распределения нагрузки от буксирного троса и крепления устья сетного уловителя. По углам рамы находятся бридельные петли [4], для крепления буксирных бриделей [20], крепящихся, в свою очередь, к буксирному тросу [12].
К кольцу-фланцу [5], жестко закрепленному в задней части рамного каркаса вдоль его продольной оси вращения, помимо сетного конуса, крепится сменный стакан-коллектор [6], для концентрации пробы, а также U-образные петли [7], предназначенные для:
- опоры устройства в вертикальном положении на горизонтальной поверхности (палуба или берег), для промывки сети или слива пробы из стакана-коллектора;
- установки устройства в вертикальное положение для транспортировки;
- крепления грузов, при использовании устройства в качестве седиментационной ловушки в толще воды.
Устройство также содержит два разнесенных по сторонам длинных массивных поплавка [8], которые крепятся к рамному каркасу посредством крепежных хомутов [9]. С помощью поплавков происходит стабилизация устройства по тангажу (килевой качке) в процессе траления. Верхнее крепление поплавков нейтрализует возникновение крена конструкции, а их продольное расположение позволяет обеспечить равномерный забор воды без скачков и выброса заборной горловины устройства на поверхность (см. Фиг. 1).
Общий вес устройства находится в пределах 10-15 кг, что позволяет, с одной стороны, достаточно просто манипулировать с ним, а с другой обеспечивает хорошую стабилизацию во время буксировки.
Материалом для изготовления жесткого рамного каркаса выбран по крайней мере один из материалов группы: нержавеющая сталь, углепластик. В частности, материалом рамного каркаса выбран прут из нержавеющей стали с диаметром сечения 6-8 мм.
Материалом для изготовления заменяемого сетного полотна уловителя выбран по крайней мере один из материалов группы: нержавеющая сталь, латунь, полиамид, шелк, с размерами ячеек в диапазоне 0,035-1 мм.
При изготовлении сетных уловителей для сбора частиц микропластика предлагается использовать полиамидное или металлическое сетное полотно с размером ячейки в диапазоне 0,1-1,0 мм; для морских сборов предлагается использовать сетное полотно только из нержавеющей стали или полиамида.
При изготовлении сетных уловителей для отбора проб фитопланктона и зоопланктона предлагается использовать полиамидное сетное полотно: капроновую или нейлоновую сетку, или шелковую сито-ткань с размером ячейки 0,035- 0,5 мм.
При изготовлении сетных уловителей для сбора оседающих частиц в седиментационной ловушке предлагается использовать тефлоновую или ПВХ-пленку.
Диапазон размеров улавливаемых частиц зависит от размера ячейки сетного материала, устанавливаемого на сетной уловитель. При использовании устройства для сбора твердых взвешенных частиц в водной среде с размером ячейки сетного материала 0,035-1,0 мм размер улавливаемых частиц в водной среде находится в диапазоне от 0,035 и более. Верхняя граница размеров улавливаемых частиц задается пропускающей способностью селективной траловой решетки [11] (см. Фиг. 2В).
Предлагается два варианта реализации устройства, которые могут эксплуатироваться в зависимости от конкретных условий эксплуатации - размер и тип водоема, гидрологические условия, наличие или размер плавсредства (Табл. 1).
Сетной уловитель в устройстве является съемным элементом, что позволяет, при изменении текущей исследовательской задачи или повреждения ткани сетного уловителя, быстро заменить его на новый или другой с иными метрологическими характеристиками.
Размер ячеек сетного полотна в диапазоне 0,035-1,0 мм позволяет улавливать любые частицы размерной группы микропластика, зоопланктона или фитопланктона, а жесткое и натяженное крепление сетки позволяет избежать ее разрушения в результате интенсивных колебаний во время траления, а также сохранить постоянный размер ячеек сетки во время эксплуатации устройства.
Объем воды, проходящей через сеть, предлагается контролировать стандартными расходомерами с крыльчаткой (flow meter) - счетчиками потока воды, устанавливаемыми на горло сети [10] (см. Фиг. 2А).
Модульность
В конструкции устройства используется модульный принцип, который позволяет изменять его конструкцию в процессе эксплуатации. Примерами таких изменений являются:
а) оперативная возможность замены сетного конуса [2] (см. Фиг. 1) на сетной уловитель с другим размером ячейки или из другого материала;
б) оперативная замена стакана-коллектора [6] на другой по конструкции или по объему;
в) установка съемного горла [10] (см. Фиг. 2А), которое предотвращает вероятность выброса обратно через горло уже отфильтрованной пробы при остановке используемого для траловой работы плавсредства;
г) установка селективной траловой решетки [11] (см. Фиг. 2В) для защиты от попадания плавающих крупных фрагментов в сеть;
д) возможность сборки нескольких устройств в один горизонтальный или вертикальный порядок для стратификационного сбора (см. Фиг. 4);
е) установка дистанционных держателей поплавков для обеспечения работы сети в притопленном состоянии на разной глубине до 1-2 метров (см. Фиг. 3В);
ж) замена поплавков [8] на поплавки иного объема и, соответственно, другого водоизмещения, что важно для стабилизации устройства при волнении воды.
В конструкцию устройства заложена возможность сборки нескольких устройств в один горизонтальный или вертикальный порядок для стратификационного отбора проб (см. Фиг. 4). Комплекс для сбора твердых частиц в водной среде представляет собой по меньшей мере два устройства, которые жестко скреплены между собой, формируя порядок устройств с одинаковыми или разными метрологическими характеристиками сетного полотна для каждого из устройств. Комплекс устройств с одинаковыми характеристиками позволяет повысить репрезентативность сбора твердых частиц в водной среде, а с разными характеристиками позволяет за один проход собрать сборы для разных задач, например, микропластик и зоопланктон в зависимости от выбранных материалов и размеров ячеек сетных полотен для каждого из устройств. Количество устройств для компоновки устройств в порядок зависит от буксировочной способности плавательного средства (судна, катера, моторизованной лодки).
На Фиг. 4 показана компоновка устройств в порядок для стратификационного сбора в горизонтальный порядок с помощью специальных крепежных зажимов. Буксировка устройства осуществляется с помощью буксирного троса [12], который соединен с устройством через буксирные бридели [20], закрепленные за бридельные петли [4] (см. Фиг. 1). Передняя рейка [19] служит для распределения нагрузки на буксирные бридели и равномерной буксировки нескольких устройств, соединенных в порядок, за плавсредством (см. Фиг. 4).
Устройство для селективного сбора твердых взвешенных частиц в водной среде работает следующим образом:
Способ 1. Сбор твердых частиц в водной среде происходит в процессе буксировки устройства за плавательным средством (судном, катером, моторизованной лодкой) посредством буксирного троса [12] (Фиг. 2).
На переднюю раму [3] может быть установлено съемное горло [10] из листового металла (нержавеющая сталь, алюминий) и/или селективная траловая решетка [11] (см. Фиг. 2).
Глубина погружения и стабилизация устройства на выбранной глубине регулируется поплавками [8], (см. Фиг. 1) дополнительным грузом (депрессором) и весом самого устройства. Возможно изменение изменения угла атаки устройства при креплении депрессоров за различные опорные точки каркаса.
При скорости буксировки 1-5 км/ч сечение буксирного троса должно быть не менее 3 мм (максимальная рабочая нагрузка 540 кг). При большей ожидаемой скорости буксировки сечение троса должно быть больше.
Предлагается использование стаканов-коллекторов двух конструктивных типов:
а) съемного контейнерного типа с возможностью транспортировки вместе с собранным содержимым;
б) с возможностью слива содержимого через встроенный запорный кран непосредственно после подъема конструкции из воды.
Способ 2. Сепарация твердых частиц происходит при подаче в вертикально установленное устройство больших объемов воды с помощью насосов. При данном способе устройство может быть установлено в вертикальное положение на суше, палубе плавательного средства или зафиксировано в вертикальном положении в толще воды.
Способ 3. При использовании устройства в качестве седиментационной ловушки, устройство устанавливается на дно водоема с помощью якоря или грузов (депрессоров) [14] (см. Фиг. 3А), закрепленных за U-образные петли [7] на заднем конце рамы (см. Фиг. 1А). Возможно использование устройства с одним стаканом-коллектором [6] для кратковременных наблюдений (до месяца) или в течение более длительного периода, с целью получения большей суммарной пробы. При установке ротационной кассеты с несколькими пробосборниками возможно исследование месячной сезонной и межгодовой изменчивости, что очень важно для исследования циклов биогенных компонентов. Такая ловушка может работать в заякоренном состоянии стоя на дне (см. Фиг. 3А), а также как дрифтер, плавая на заданной глубине, регулируемой поплавками [15] на фиксирующем тросе [16], соединенном с буем [17], улавливая осаждающиеся в толще воды взвешенные твердые частицы (см. Фиг. 3В).
Испытания
Заявляемое устройство в виде двух прототипов (с жестким рамным каркасом и без рамного каркаса) успешно прошло испытания в условиях озера Байкал при отборе проб микропластика и зоопланктона. Испытания устройства проводились с помощью различных плавсредств - моторизованной лодки, а также катеров различного водоизмещения. Скорость траления, на которой испытывалось устройство, составляла от 1 до 10 км/ч.
В частности, отбор проб на содержание микропластика в воде производился тралением в поверхностном слое воды, при буксировке за судном с помощью стального троса диаметром 3 мм и длиной 30 м. Ориентировочный объем воды, пропускаемый через сеть за одно траление, составляет около 500-1000 кубических метров, в зависимости от размера ячейки сетки и скорости буксировки. В процессе эксплуатации в качестве сетного полотна использовалась хрупкая металлическая сетка с размером ячеи 0,3x0,3 мм, которая не разрушилась в течение двух месяцев ежедневной эксплуатации, транспортировки и хранения для рамного прототипа, в то время как у безрамного прототипа она деформировалась и начала рваться через 5 дней эксплуатации, что указывает на повышенную надежность предлагаемой конструкции и, как следствие, на повышение качества отбора проб.
Возможность установки устройства в вертикальное положение позволило достаточно просто и быстро проводить промывку устройства и его освобождение от собранного материала прямо на палубах используемых плавательных средств, даже во время качки и ветра, или на берегу.