ПРОБООТБОРНИК ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Полезная модель относится к области исследования донных отложений в естественных и искусственных водоемах, а более конкретно к устройствам для взятия проб из верхнего слоя донных отложений.
Верхний слой донных отложений водных объектов может быть загрязнен химическими веществами. Чтобы обнаружить и определить загрязняющее вещество современными методами достаточно небольшой по объему пробы грунта, зачерпнутой с поверхности дна.
Для отбора таких проб можно использовать дночерпатели, погружаемые на дно на стальном тросе, содержащие грунтозахватывающий ковш, спусковое устройство и механизмы для приведения ковша в действие. Как правило, сила, необходимая для захвата и удержания пробы в изолированном объеме, обеспечивается натяжением троса при выборке. На этом принципе основаны дночерпатели Петерсена, Экмана-Берджа [http://docs.cntd.ru/document/1200060189, Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных отложений. Утверждено Государственным комитетом СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды 12 сентября 1982 г. Под редакцией канд. биол. наук В.А. Абакумова. Раздел 2.1 Донная фауна, рис. 2.1, 2.2, 2.3, 2.4].
К недостаткам таких дночерпателей можно отнести то, что все они за одно погружение берут пробу только из одной точки. При большой пространственной неоднородности загрязнения единственная проба не является репрезентативной, а при повторном взятии проб, особенно в глубоководных водоемах, возникает неоправданно большая затрата судового времени на повторный пробоотбор.
Известны многоканальные пробоотборники воды, отбирающие пробы с различных горизонтов за одно погружение, содержащие размещенные в специальном каркасе батометры с крышками и резиновыми тягами, создающими усилие, необходимое для изоляции пробы, дистанционно управляемое многоканальное спусковое устройство в виде ряда удерживающих элементов, обеспечивающее последовательное закрывание крышек батометров по командам, посылаемым с судна по грузонесущему кабель-тросу. Таковыми являются карусельные батометры, например, производимые компанией General Oceanics [http://www.generaloceanics.com/product.php?productid=1171&cat]. Устройств подобного рода для взятия серий проб грунта не существует. Возможностью взятия серий проб грунта обладают только сложные многоцелевые роботизированные комплексы и пилотируемые подводные аппараты, использование которых только для отбора грунта экономически невыгодно.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является одноковшовый пробоотборник Hamon Grab Sampler канадской фирмы McGregor GeoScience Limited [http://mcgregor-geoscience.com/Portals/46/ documents/Hamon.pdf?timestamp=1412260434228]. Погружаемый на грузонесущем тросе, пробоотборник Hamon Grab Sampler имеет прямоугольную раму, образующую устойчивую платформу для ковша, прикрепленного к нижнему концу поворотного рычага, вращающегося вокруг горизонтальной оси в вертикальной плоскости под действием натяжения троса, возникающего при выборке пробоотборника. Для управления пробоотборником используется сбрасыватель, который в момент укладки пробоотборника на дно отсоединяет трос от пробоотборника, но сохраняет соединение с вытяжным тросом, прикрепленным к поворотному рычагу. При выборке пробоотборника натяжение грузонесущего троса передается через вытяжной трос на поворотный рычаг, который при нахождении пробоотборника на грунте перемещает ковш, обеспечивая зачерпывание пробы грунта, а при подъеме пробоотборника на судно прижимает ковш к запорной пластине, предохраняя пробу от вымывания.
Недостатком вышеописанного пробоотборника является то, что за одно погружение пробоотборника можно взять только одну пробу донных отложений.
Техническая проблема, которая не может быть решена при использовании известных аналогов пробоотборников, заключается в невозможности взятия нескольких проб донных отложений в заданных точках дна за одно погружение, что делает процесс отбора проб очень длительным из-за необходимости повторять операции погружения и поднятия пробоотборника, при этом тратится дорогое судовое время, что приводит к увеличению затрат на проведение исследований.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание конструкции пробоотборника, который может за одно погружение взять несколько проб донных отложений из заранее намеченных точек дна, перемещая пробоотборник без поднятия на поверхность.
Для получение технического результата в пробоотборнике донных отложений, включающем корпус, содержащий основание, выполненное в виде рамы в форме прямоугольного параллелепипеда, четыре наклонные стойки, нижними концами закрепленные по углам основания, узел крепления грузонесущего элемента, пробоотборную емкость, закрепленную с возможностью поворота в вертикальной плоскости, и запорную пластину, предлагается верхние концы наклонных стоек попарно закрепить на горизонтальной перемычке, в средней части которой разместить узел крепления грузонесущего элемента, в качестве которого использовать электрический кабель. Пробоотборник предлагается снабдить, по крайней мере, двумя пробоотборными емкостями, закрепленными на кронштейнах, установленных на общей горизонтальной оси с возможностью поочередного поворота при совершении рабочего хода до запорной пластины, выполненной в виде общей запорной платформы. В качестве пробоотборной емкости предлагается использовать одноразовую складывающуюся емкость, вход в которую закрепить на цилиндрическом держателе, выполненном с острой кромкой, и снабдить откидной крышкой, а емкость в стартовой позиции предлагается разместить во внутреннем объеме держателя. Кроме того, пробоотборник предлагается дополнительно снабдить отдельными спусковыми механизмами со спусковыми стержнями и приводящим их в действие дистанционно управляемым электродвигателем, видеокамерой с осветителями, а также общей стартовой платформой, к одной стороне которой в стартовой позиции предлагается прижать задние кромки держателей с одноразовыми емкостями, а на другой стороне стартовой платформы расположить накладную пластину, выполненную с открытыми поперечными пазами под спусковые стержни и общим закрытым с внешней стороны продольным каналом, пересекающим открытые пазы, причем верхнюю часть каждого спускового стержня, установленного в паз, предлагается перекрыть протянутой в продольном канале вытяжной лентой, связанной с валом электродвигателя. На крышке каждой пробоотборной емкости предлагается закрепить гибкую связь, свободным концом которой обогнуть спусковой стержень, выступающий из паза на накладной пластине, и связать быстроразъемным соединением с эластичной тягой для обеспечения прижима пробоотборной емкости в стартовой позиции к стартовой платформе, а крышки емкости - к держателю. Свободный конец эластичной тяги предлагается закрепить в соответствующем гнезде на горизонтальной перемычке, причем среднюю часть эластичной тяги отклонить упором, расположенным в плоскости рабочего хода пробоотборной емкости и закрепленным на кронштейне, для обеспечения заданного момента силы натяжения эластичной тяги относительно оси вращения кронштейна в стартовой позиции, при рабочем ходе и для прижима емкости к запорной платформе.
На прилагаемых к описанию схемах изображено:
фиг. 1 - предлагаемый пробоотборник донных отложений, вид сбоку;
фиг. 2 - то же, вид спереди;
фиг. 3 - пробоотборная емкость, закрепленная на кронштейне с упором, с открытой крышкой при рабочем ходе, вид сбоку;
фиг. 4 - пробоотборная емкость, выполненная в виде одноразового пакета, закрепленного на держателе, вид сбоку;
фиг. 5 - держатель цилиндрический, аксонометрическая проекция;
фиг. 6 - крышка пробоотборной емкости, вид в плане;
фиг. 7 - спусковой механизм в стартовой позиции;
фиг. 8 - спусковой механизм в момент отрыва пробоотборной емкости в виде сложенного одноразового пакета от стартовой платформы, поперечный разрез;
фиг. 9 - часть стартовой платформы с накладной пластиной и протянутой вытяжной лентой, аксонометрическая проекция;
фиг. 10 - стартовая платформа с накладной пластиной, спусковым стержнем, установленным в паз, и вытяжной лентой, поперечный разрез.
На схемах приняты следующие обозначения:
1 - электрический кабель; 2 - серьга; 3 - перемычка; 4 - герморазъем; 5 - эластичная тяга; 6 - видеокамера с осветителями; 7 - стойки наклонные; 8 -запорная платформа; 9 - ось; 10 - электродвигатель дистанционно управляемый; 11 - вытяжная лента; 12 - барабан; 13 - пробоотборная емкость; 14 -спусковой механизм; 15 - кронштейн; 16 - упор; 17 - втулка; 18 - цилиндрический держатель; 19 - крышка откидная, выполненная в виде накладки - 20, прижатой шарнирной скобой - 21; 22 - хомут; 23 - гибкая связь; 24 - накладная пластина; 25 - паз открытый; 26 - стержень спусковой; 27 - канал для вытяжной ленты; 28 - стартовая платформа; 29 - основание в виде рамы.
Заявляемый пробоотборник донных отложений включает корпус с массивным основанием 29 в виде рамы в форме прямоугольного параллелепипеда. Четыре наклонные стойки 7 закреплены нижними концами в углах основания 29, а верхние концы стоек 7 попарно закреплены на горизонтальной перемычке 3. В основании 29 расположены пробоотборные емкости 13, стартовая платформа 28 со спусковым механизмом 14, включающим накладную пластину 24 с поперечными пазами 25 под спусковые стержни 26 и общим продольным каналом 27, пересекающим открытые поперечные пазы для вытяжной ленты 11, связанной с барабаном 12 на валу дистанционно управляемого электродвигателя 10. Вытяжная лента 11 перекрывает верхнюю часть каждого спускового стержня 26. Пробоотборные емкости 13 закреплены на кронштейнах 15, установленных на общей горизонтальной оси 9 на втулках 17 с возможностью поочередного поворота до запорной платформы 8, выполненной в виде плоской прочной пластины, укрепленной в конечной точке движения пробоотборной емкости 13.
В верхней части пробоотборника установлена видеокамера 6 с осветителями и элементами электропроводки (на схеме не показаны). Видеокамера 6 с осветителями установлена так, чтобы хорошо просматривались пробоотборные емкости 13 при достижении дна, отрыве от дна и положение каждой емкости до и после отбора пробы.
На перемычке 3 размещен узел крепления грузонесущего элемента, выполненный, например, в виде серьги 2. В качестве грузонесущего элемента использован электрический кабель 1. На перемычке 3 закреплены эластичные тяги 5, например, резиновые, причем каждая тяга 5 связана с одной пробоотборной емкостью 13 и в средней своей части отклонена упором 16, закрепленным на кронштейне 15 и расположенным в плоскости рабочего хода пробоотборной емкости 13.
В качестве пробоотборной емкости 13 предлагается использовать одноразовую емкость, выполненную из складывающегося материала, например изготовленную из полиэтиленового рукава подходящей ширины, или использовать готовые упаковочные полиэтиленовые пакеты. Вход в пробоотборную емкость закреплен при помощи хомута 22 на цилиндрическом держателе 18, выполненном с острой кромкой для облегчения забора пробы, и снабжен откидной крышкой 19, которая может быть выполнена в виде накладки 20, прижатой шарнирной скобой 21. В стартовой позиции одноразовая емкость 13 сложена зигзагом («гармошкой») и размещена во внутреннем объеме цилиндрического держателя 18, закрытом с одной стороны откидной крышкой 19, а другой стороной прижатым к стартовой платформе 28.
На крышке 19 закреплена гибкая связь 23, представляющая собой отрезок нерастяжимого канатика, длина которого позволяет обогнуть выступающий из паза 25 конец спускового стержня 26 и соединить с эластичной тягой 5, обеспечив таким образом прижим пробоотборной емкости 13 в стартовой позиции к стартовой платформе 28, а крышки 19 емкости 13 - к держателю 18. Предложенный способ крепления эластичной тяги 5 к пробоотборной емкости 13 через гибкую связь 23 и крышку 19 дает возможность использовать одну и ту же эластичную тягу 5 для удержания емкости 13 в стартовой позиции в закрытом виде, а после сброса гибкой связи 23 с конца спускового стержня 26 при срабатывании спускового механизма эластичная тяга 5 открывает крышку 19 и, воздействуя через крышку 19, приводит во вращение пробоотборную емкость 13, выполняя рабочий ход.
Выбранная длина кронштейна 15 и взаимное расположение оси 9, стартовой 28 и запорной 8 платформ определяют заглубление пробоотборной емкости 13, длину рабочего хода и высоту подъема наполненной емкости 13 над грунтом. Упор 16 создает плечо и момент силы натяжения эластичной тяги 5 в стартовой позиции пробоотборной емкости 13 и при максимальном заглублении емкости 13 для преодоления грунта при зачерпывании пробы.
Вытяжная лента 11 обладает достаточной жесткостью, чтобы, несмотря на наличие свободного конца, не вытягиваться петлями через поперечные пазы 25, которые она пересекает, и удерживать нагруженные спусковые стержни 26 на своих местах. В точках соприкосновения вытяжной ленты 11 со стержнями 26 и на кромках пазов 25 в накладной пластине 24 на ленту 11 действует давление стержней 26, вследствие чего вытягиванию ленты 11 будет противодействовать сила трения, которую преодолевает дистанционно управляемый электродвигатель 10, предназначенный для приведения в действие спусковых механизмов 14. Электродвигатель 10 расположен над стартовой платформой 28 с расположенными на ней спусковыми механизмами 14, из которых он вытягивает ленту 11, наматывая ее на барабан 12.
В качестве эластичной тяги 5 может быть использована резиновая тяга, состоящая из собранных в жгуты резиновых шнуров с допустимым растяжением не менее 500%. Резиновую тягу натягивают между откидной крышкой 19, к которой она крепится через гибкую связь 23, и соответствующим гнездом на перемычке 3, располагая в плоскости вращения емкости 13. Длина ненагруженной резиновой тяги выбирается равной 30-50% расстояния от перемычки 3 до запорной платформы 8, что обеспечивает силу удержания наполненной емкости 13 при малом удлинении тяги 5, оставляя достаточный резерв для увеличения удлинения, когда емкость 13 будет установлена в стартовую позицию, а длина растянутой тяги 5 соответственно возрастет. Фактическое натяжение задается путем выбора количества резиновых шнуров в жгуте с учетом веса в воде взятой пробы, требуемой силы прижатия наполненной емкости к запорной платформе и силы, достаточной для выполнения рабочего хода пробоотборной емкости. Одно из этих требований в зависимости от плотности донных отложений является определяющим. Длиной гибкой связи 23 в этом расчете можно пренебречь.
Подвод электропитания к электрическим устройствам и выход видеосигнала может быть осуществлен по упрочненному кевларом 4-жильному морскому электрокабелю 1 нейтральной плавучести. Рекомендуется электрокабель со специальной скруткой токопроводящих жил ООО «Псковкабель» КМГГ 4×0,25-4-8,0 У или с дополнительной оптоволоконной жилой КМГГ 4×0,25+1Е-4-8,0 У. Электрокабель 1 имеет силовое крепление через серьгу 2 к перемычке 3. Через герморазъем 4 и гермовводы (на схеме не показаны) электрокабель 1 подводится к потребителям.
Пробоотборник собран из коррозионностойких материалов. Массивное основание 29 собрано из уголкового профиля из нержавеющей стали, наклонные стойки 7 изготовлены из полипропиленовых труб, снабженных внутренними металлическими прутками для повышения жесткости, необходимой для сохранения формы под большой нагрузкой, создаваемой одновременно натянутыми эластичными, например резиновыми, тягами в пределах 50-100 кг.
Устойчивое положение заявляемого пробоотборника на дне обеспечивается расположением большей части массивных узлов в нижней широкой части основания 29, а увеличение устойчивости, при необходимости, может быть обеспечено путем крепления к вершине каркаса плавучести (на схеме не показана), которая одновременно может быть использована как поддерживающее устройство для гидролокатора кругового обзора, полезного при повышенных требованиях к точности привязки проб к обследуемому объекту.
Описание работы пробоотборника донных отложений.
Осуществляют сборку пробоотборника. В процессе сборки устанавливают на штатные места видеокамеру 6 с осветителями, электродвигатель 10 дистанционного управления, крепят ведущие к ним электрокабели с герморазъемом 4, крепят на перемычке 3 серьгу 2 и соединяют грузонесущий электрокабель 1 с электрическими приборами, после чего проверяют их готовность к работе пробным включением.
В пазы 25 накладной пластины 24, установленной на стартовой платформе 28, закладывают поочередно в направлении, противоположном рабочему ходу вытяжной ленты 11, спусковые стержни 26 и одновременно в канал 27 вставляют конец вытяжной ленты 11 и продвигают его до заложенного стержня 26, фиксируя его от выпадения из паза 25. Процедура с закладыванием стержней 26 и пошаговым продвижением вытяжной ленты 11 повторяется, пока не будут установлены все стержни 26 и конец вытяжной ленты не выйдет из канала 27 наружу. Конец вытяжной ленты 11 закрепляют на барабане 12, насаженном на вал электродвигателя 10.
Снаряжают пробоотборные емкости 13 (фиг. 4, 5, 6), натягивают на тыльную часть цилиндрического держателя 18 одноразовый пакет и закрепляют его одноразовым хомутом 22. Крепят в отверстии на крышке 19 стопорным узлом конец гибкой связи 23, одноразовый пакет укладывают зигзагом вовнутрь цилиндрического держателя 18 и в таком виде цилиндрический держатель 18, закрытый крышкой 19, прижимают вручную к стартовой платформе 28. Гибкая связь 23, например, в виде канатика обводится вокруг выступающего из паза 25 накладной пластины 24 конца спускового стержня 26 и соединяется с концом подтянутой к емкости 13 резиновой тяги 5, второй конец которой предварительно закрепляют в соответствующем гнезде на перемычке 3. Быстроразъемное крепление гибкой связи 23 с резиновой тягой 5 может быть выполнено в виде крюка на гибкой связи 23 и петли на тяге 5. Завершают сборку первой пробоотборной емкости 13 закладкой резиновой тяги 5 в прорезь (на схеме не показана) упора 16, закрепленного на кронштейне 15. Затем процедура сборки повторяется для остальных пробоотборных емкостей 13. По ее завершении пробоотборник готов к работе.
В стартовой позиции (фиг. 7) пробоотборная емкость 13 плотно закрыта крышкой 19 и прижата силой натяжения резиновой тяги 5 тыльной стороной к нижней ровной поверхности стартовой платформы 28. Удерживает ее в этом положении гибкая связь 23 в виде, например, канатика, огибающего выступающий конец спускового стержня 26. Чтобы произвести зачерпывание пробы грунта, нужно, подав напряжение на электродвигатель 10, протянуть вытяжную ленту 11 настолько, чтобы ее свободный конец пересек линию паза 25, позволив тем самым уложенному в этот паз спусковому стержню 26 повернуться под действием натяжения резиновой тяги 5 (фиг. 8). В результате поворота стержня 26 натянутая гибкая связь 23 соскакивает со стержня 26, петля распрямляется и передает натяжение на закрытую крышку 19, открывая ее (фиг. 8), в результате чего натяжение через крышку передается на емкость 13, обеспечивая ее рабочий ход (фиг. 1). Благодаря упору 16 во всех фазах покоя и движения емкости 13 (фиг. 1) обеспечиваются величины плеча и момента силы натяжения достаточные, чтобы на старте емкость 13 была плотно закрыта и прижата к стартовой платформе 28, в момент максимального заглубления успешно преодолевала сопротивление зачерпываемого грунта (чему также способствуют острые кромки держателя 18), а при выходе из грунта плотно прижималась к запорной платформе 8, преодолевая противодействие веса взятой пробы.
Для отбора проб обеспечивающее плавсредство выходит в заданную точку, руководствуясь обычными или специальными средствами навигации. Пробоотборник погружают на электрокабеле 1 на дно, контролируя достижение дна с помощью видеокамеры 6 с осветителями. При необходимости коррекции выхода в заданную точку, его перемещают под соответствующим контролем, приподняв над дном на 1 -2 м, и вновь опускают на дно. Убедившись, что рабочие органы наблюдаются на экране монитора, включают электродвигатель, продолжая наблюдать за положением рабочих органов. Как только обнаружится, что первая пробоотборная емкость сработала, питание электродвигателя отключается. После этого, приподняв пробоотборник над дном, плавсредство перемещается во вторую заданную точку, пробоотборник опускается на дно, отбирается вторая проба, и так далее, пока не будут заполнены все пробоотборные емкости, после чего пробоотборник поднимается на борт. В зависимости от требования к точности позиционирования, при минимальных требованиях отбор проб производится с помощью навигационного приемника GPS/GLONASS по координатам плавсредства, которые записываются в момент взятия пробы; при повышенных требованиях положение точек отбора проб привязывается к подводному объекту или специально выставленному маркеру с использованием гидролокатора кругового обзора (ГКО), подключение которого к кабелю пробоотборника через герморазъем 4 обеспечено как дополнительная опция, при этом ГКО снабжается поддерживающей плавучестью, которая путем регулирования длины соединительного кабеля удерживает его на расстоянии от дна, обеспечивающем оптимальное обнаружение объекта или маркера на фоне помех от неровностей рельефа дна.
Таким образом, заявляемый пробоотборник, по сравнению с техническим решением, описанным в ближайшем аналоге, обеспечивает взятие нескольких проб донных отложений из заранее намеченных точек дна без поднятия его на поверхность после взятия одной пробы, что значительно сокращает время отбора проб и экономит затраты на проведение исследований. Выигрыш во времени тем больше, чем больше глубина моря. Время перемещения от точки к точке, как правило, мало по сравнению со временем погружения и выборки. В этом случае выигрыш определяется суммарной затратой времени на погружение и выборку, помноженной на число пробоотборных емкостей минус единица. Например, при работе 6-ковшовым пробоотборником на 100-метровой глубине и расположении точек пробоотбора в круге радиусом 15 м, время прицельного отбора всех 6 проб сокращается приблизительно в 5 раз по сравнению с использованием процедур, описанных в ближайшем аналоге.