ПРИБОРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РЕГИСТРАЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ДВУСТВОРЧАТЫХ МОЛЛЮСКОВ
EQUIPMENT SYSTEM FOR CONTINUOUS DETECTION AND MEASUREMENT OF MOTOR ACTIVITY OF BIVALVE MOLLUSCS

Изобретение относится к области физиологии, гидробиологии, экологии и охраны окружающей среды, в частности к средствам экологического мониторинга водной среды с помощью неинвазивного контроля функционального состояния беспозвоночных животных, и может быть использовано для дистанционной регистрации двигательной активности двустворчатых моллюсков в среде их обитания для автоматической оперативной оценки качества водной среды в масштабе реального времени.
Известны датчики физиологической активности беспозвоночных с жестким наружным покровом (патенты РФ на полезные модели №52190 от 03.11.05 г., №61431 от 25.08.06 г.). Датчики содержат источник оптического излучения, волоконно-оптическиий разветвитель, N корпусов с элементами установки на теле тестируемого беспозвоночного, N приемных оптических волокон и N приемников оптического излучения. Известны способ и система биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков по патенту РФ на изобретение №2361207 от 20.06.2008 г. Система содержит волоконно-оптические датчики положения створок раковины моллюска, усилители, аналого-цифровые преобразователи и компьютер. Каждый датчик содержит источник оптического излучения, приемник оптического излучения, линию передачи сигнала в виде оптического волокна, основание датчика, которое выполнено с возможностью установки его на одной створке раковины и с закрепленным на нем чувствительным элементом, выполненным в виде петли оптического волокна. На другой створке раковины установлен элемент воздействия на чувствительный элемент датчика с возможностью его механического взаимодействия с петлей оптического волокна. Данные датчики сложны в изготовлении и постановке на организм, ненадежны в использовании и неприменимы для реальных природных условий из-за изменений суммарного светового пучка; поэтому они могут быть использованы только в искусственных, постоянных и контролируемых условиях. Кроме того, оптоволокно и фотоэлемент будут обрастать взвесью, микроводорослями и бактериями даже в аквариуме, что также изменяет силу светового потока.
Известна биологическая система оповещения, разработанная в Нидерландах и производимая под торговой маркой Musselmonitor (originally in Dutch Mosselmonitor: De Zwart D., K.J.M.Kramer & H.A.Jenner (1995), Practical experiences with the biological early warning system 'Mosselmonitor', Environ. Toxicol. Water Qual. 10: 237-247), применяемая во многих странах мира в основном для контроля пресных и, иногда, прибрежных морских вод, а также в водопроводе Будапешта, Венгрия, для контроля качества хлорированной питьевой воды путем мониторинга степени раскрытия раковин двустворчатых моллюсков. Musselmonitor (мюссельмонитор) представляет собой коробчатый корпус, в котором размещены несколько моллюсков (например, 8 экз. дрейссены, Dreissena polymorpha), на обе створки каждой особи приклеено по электромагнитному датчику, строго навстречу друг другу. Технические недостатки системы следующие: система крепления (приклеивания) датчиков и проводов громоздка и ненадежна, тяжела для нормальной работы моллюсков, уязвима для динамического воздействия течений и волн из-за выступающих, относительно крупных датчиков и проводов; такие провода и датчики легко подвержены быстрому биообрастанию (нитчатые водоросли, гидроиды, молодь моллюсков и др. видов), влияющему на работу системы. После прикрепления каждого датчика необходима их калибровка для перевода из шкалы напряжения тока в расстояние между створками (в мм). Смещение частей датчика относительно друг друга (магнита относительно датчика Холла) даже на 1 мм существенно искажает регистрацию, т.к. 3-4 мм нередко является полной амплитудой движения створок.
Наиболее близкой является система оперативного биологического мониторинга и индикации по заявке на изобретение №2010118938 от 11.05.2010 г. Система содержит измерительные приборы, соединенные с компьютером. В качестве измерительных приборов (средств измерений измерительно-регистрирующего блока) могут быть использованы датчики Холла, плетизмографы, тензометры, волоконно-оптические датчики, стационарные видеокамеры и/или веб-камеры подводного видеонаблюдения за поведением водных организмов. Измерительно-регистрирующий блок может быть размещен на плавучих или на стационарных плавучих, или на гидротехнических сооружениях, или на станциях водоснабжения.
Заявляемый приборный комплекс, как и известные, содержит измерительные приборы, соединенные с компьютером.
Заявляемый приборный комплекс направлен на совершенствование используемых для целей биологического мониторинга средств измерений.
Техническим результатом является применение тензодатчиков для регистрации и измерения двигательной активности двустворчатых моллюсков, повышение точности и достоверности контроля состояния водной среды, упрощение конструкции, повышение автономности и снижение стоимости систем биологического мониторинга и биоиндикации с использованием данных приборов комплекса.
Технический результат достигается тем, что в комплексе, состоящем из одного или более датчиков, усилителя, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и компьютера, каждый датчик представляет собой тензорезисторный датчик, закрепленный на горизонтальном основании внутри защитного корпуса и выполненный с выступающим из корпуса концом гибкой упругой пластины датчика для соединения ее с верхней створкой тестируемого моллюска. Выход каждого датчика подсоединен ко входу усилителя, состоящего из последовательно соединенных между собой устройства балансировки нуля, усилителя аналогового сигнала и устройства сдвига сигнала. Каждый датчик подсоединен к мостовой схеме устройства балансировки нуля. Выход усилителя соединен с входом 10-разрядного АЦП, выход которого соединен со входом устройства сопряжения, передающим оцифрованный сигнал на вход компьютера, оснащенного специализированным программным обеспечением.
Выполнение в качестве датчика приборного комплекса тензорезисторного датчика, закрепленного на горизонтальном основании внутри защитного корпуса и выполненного с выступающим из корпуса концом гибкой упругой пластины датчика для соединения ее с верхней створкой тестируемого моллюска, обеспечивает надежность и стабильность регистрации в любых условиях, упрощение конструкции датчиков, повышение их автономности и снижение стоимости систем биологического мониторинга с их использованием.
В заявляемом изобретении впервые для непрерывной регистрации и измерения двигательной активности беспозвоночных животных применены тензорезисторные датчики (тензодатчики).
Выполнение усилителя, состоящего из последовательно соединенных между собой устройства балансировки нуля, усилителя аналогового сигнала и устройства сдвига сигнала, вход которого, а именно, мостовая схема устройства балансировки нуля соединена к выходу каждого датчика, а выход усилителя соединен с входом 10-разрядного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), и соединение выхода АЦП со входом устройства сопряжения, передающим оцифрованный сигнал на вход компьютера, оснащенного специализированным программным обеспечением, существенно повышает точность измерений и облегчает обработку данных, сводит до минимума искажения и помехи. Кроме того, конструкция усилителя позволяет подключать к нему один, два или более тензодатчика. Приборный комплекс может работать от аккумуляторных батарей, что обеспечивает ее автономность.
Таким образом, впервые для регистрации и измерения двигательной активности двустворчатых моллюсков применена комбинация тензодатчика и чувствительного линейного усилителя сигнала с мостовой схемой на входе, с дальнейшим цифровым преобразованием сигнала для обеспечения интерфейса между тензорезисторным датчиком, включенным в плечо моста устройства балансировки нуля, с программным обеспечением персонального компьютера. Это в совокупности существенно повышает точность измерений и облегчает обработку данных, упрощает конструкцию, габариты и соответственно снижает стоимость систем мониторинга с использованием данных приборов.
Анализ выявленных при поиске источников информации показал, что заявляемая совокупность существенных признаков неизвестна из уровня техники, что подтверждает соответствие заявленного решения критерию «новизна».
Поскольку заявляемая совокупность существенных признаков позволяет получить новый технический результат, отличный от того, что обеспечивают известные способы, можно утверждать, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется с помощью схем, на которых представлены: на фиг.1 - структурная схема приборного комплекса; на фиг.2 - блок-схема усилителя, на фиг.3 - схема соединения приборного комплекса с тестируемым животным.
Приборный комплекс содержит (см. фиг.1, 2) один, два или более тензорезисторных датчика 1, усилитель 2, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 3, соединенный устройством сопряжения 4 с вычислителем 5 и устройством отображения информации 6. В качестве вычислителя 5 с устройством отображения информации 6 используется персональный компьютер 7. Усилитель 2 производит усиление, фильтрацию и корректировку аналогового сигнала и состоит из последовательно соединенных между собой устройства балансировки нуля 8, усилителя аналогового сигнала 9 и устройства сдвига сигнала 10. Усилитель 2 построен по традиционной схеме операционного усилителя на доступных (широко распространенных) микросхемах. Высокая чувствительность и линейность усилителя 2 обеспечивается применением на его входе мостовой схемы с ручной балансировкой нуля, в плечо которой подключен выход тензодатчика 1. Выход устройства балансировки нуля 7 соединен со входом усилителя аналогового сигнала 8, который, в свою очередь, соединен с входом устройства сдвига сигнала 10 в положительную область, выход которого соединен с входом АЦП 3. В АЦП 3 аналоговый сигнал квантуется с частотой дискретизации 10 Гц и оцифровывается. Выход АЦП 3 соединен со входом устройства сопряжения 4, передающим оцифрованный сигнал на вход компьютера 7. В качестве устройства сопряжения может быть использован последовательный интерфейс USB. Для подсоединения ко входу устройства балансировки нуля двух или более тензометрических датчиков используют контактное проводное разъемное соединение.
Тензодатчик 1 (см. фиг.3) представляет собой тонкую гибкую упругую пластину 11, вдоль которой приклеен тензорезистор 12. Тензодатчик 1 размещен в защитном корпусе 13, выполненным с прорезью для пластины 11, и установлен на горизонтальном основании 14, закрепленном на вертикальной стойке 15. Один конец пластины 11 соединен гибкой (нитью) или жесткой (стержнем, например) связью 16 с верхней створкой тестируемого моллюска 17. Место прикрепления связи 16 на пластине 11 определяется видом моллюска 17 и может быть в одном случае, на конце пластины, в другом - ближе к ее середине. Моллюск 17 может быть размещен непосредственно в природных условиях или в аквариуме с водой, подаваемой из тестируемого горизонта. На фиг.3 приведена схема соединения тензодатчика 1 с моллюском 17, нижней створкой приклеенным к опоре 18, размещенной в воде на определенной глубине (преимущественно от 0,1 до 2 м). Опора 18 может быть жестко соединена с платформой (плавающей или стационарной) или прикреплена к пирсу или иному береговому сооружению, на котором размещен тензодатчик 1 и другие составные части комплекса (на чертеже не показано). Опора 18 также может быть жестко соединена с тензодатчиком 1, например, путем установки их на одном кронштейне.
Данный приборный комплекс может быть использован в любой системе биологического мониторинга и индикации.
Тензодатчик, усилитель с АЦП и компьютер могут размещаться на берегу (в том числе на пирсе, причале и т.д.) или на плавучем сооружении (плоту, платформе, терминале, понтоне или судне) во влагозащитном корпусе. Питание приборного комплекса может осуществляться от аккумуляторных батарей или путем подключения к береговому электропитанию.
Приборный комплекс работает следующим образом.
Усилие от перемещения тестируемого животного 17 (закрытия створок раковины моллюска) передается через приклеенную к верхней створке моллюска гибкую или жесткую связь 16 на упругую пластину 11 тензодатчика, изгиб которой вызывает изменение тока в тензорезисторе 12. Сигнал от тензорезистора 12 поступает в полупроводниковый усилитель 2, где он усиливается, фильтруется и корректируется.
Затем этот сбалансированный аналоговый сигнал с тензодатчика 1, усиленный до необходимой амплитуды и сдвинутый в положительную область напряжений, поступает на вход 10-разрядного АЦП 3, где он квантуется с частотой дискретизации, равной 10 Гц, и оцифровывается. Далее информация по последовательному интерфейсу USB передается на персональный компьютер 7 для обработки и визуализации результатов.
После окончания регистрации информация отображается в виде графика актограммы на экране персонального компьютера 7 и сохраняется на жестком диске в виде файла. Кроме оцифрованных данных, в файл записываются данные об измерении (название, дата, время, длительность, дискрет квантования, дополнительная информация). Обработка данных начинается с поиска характерных изменений на графике актограммы и вычисления их статистических величин. Далее выполняется процедура отбрасывания ложных срабатываний, а по положению найденных характерных изменений на графике актограммы определяются все временные показатели и амплитудные характеристики сигнала.
Данные из компьютера 7 могут передаваться через Интернет оператору или в центр обработки информации.
Преимущества заявляемого приборного комплекса: минимальное воздействие на организм моллюска - прикрепляется клеем за несколько минут только кончик гибкой связи (тонкой нити) или жесткой связи (рычага); надежность применения гибкой или жесткой связи в природных условиях (испытано в течение 5 лет); простота прикрепления связи с моллюском обеспечивает простоту замены моллюска в случае его гибели; все части комплекса просты в изготовлении, что снижает стоимость комплекса; комплекс обеспечивает повышение точности и достоверности контроля состояния водной среды.
Заявляемый приборный комплекс успешно прошел опытные испытания в природных условиях.