Устройство для подводного отбора пузырьков газа

Полезная модель относится к приборам и оборудованию для отбора проб газа, свободно выходящего из донных осадков, и может быть использована при проведении геологических, геохимических и экологических исследований.
Известен стенд для физического моделирования пузырькового переноса газов в водной среде и донных осадках, состоящий из несущего каркаса в виде прямоугольного параллелепипеда, внутри которого расположены система регулирования потока газа, система видеонаблюдения, светорассеивающий экран и контейнер для донных осадков, при этом система регулирования потока газа включает последовательно соединенные источник газа, дистанционно управляемый газовый кран и газовый распылитель, система видеонаблюдения включает платформу, выполненную с возможностью изменения угла наклона, дистанционно управляемую видеокамеру и осветители, видеокамера, осветители и газовый распылитель выполнены с возможностью перемещения внутри каркаса, а светорассеивающий экран закреплен перед осветителями над контейнером, стенка которого, обращенная к видеокамере, выполнена прозрачной [Патент на полезную модель РФ №126465, кл. G01N 9/28, опубл. 27.03.2013].
Полезная модель относится к экспериментальной физике, а именно к устройствам для искусственного воспроизводства процессов пузырькового переноса газов в воде, донных осадках различного типа, а также процесса эманации газа из донных осадков в водный слой, и может быть использована для разработки акустических методов оценки количества газа, поступающего в воду из осадков при пузырьковом переносе и изучения процессов образования и разложения газовых гидратов в донных осадках разного типа.
Недостатком стенда является то, что конструкция его не позволяет собирать природный газ в натурных условиях, поскольку использует искусственный источник газа.
Известны способ обнаружения морского газового прохода, который включает в себя: размещение местного зонда на морском дне или вблизи него; образование пузырьков в воде вблизи или внутри локального зонда; обнаружение пузырьков; получение данных, указывающих относительную концентрацию растворенного газа в воде; и связывание повышенных концентраций растворенного газа с присутствием близлежащего морского газа, и устройство, выполненное с возможностью осуществления способа согласно изобретению и использующее ультразвуковой преобразователь для образования пузырьков и их обнаружения [Патент US №2003056568, кл. G01N 7/14, G01V 1/00, G01V 1/38, G01V 9/00, от 27.03.2003.].
Устройство содержит дистанционно управляемый блок, связанный кабель-тросом с плавсредством (судном), и установленное на нем газоанализатором. Газоанализатор состоит из датчиков температуры и давления, связанных с контрольно-акустической системой, а также осциллятором. Устройство позволяет регистрировать как пузырьковый газ, выходящий из донных пород, так и растворенный газ в водной среде.
Недостатками известного устройства являются:
невозможность отбора достаточного количества газа для последующих лабораторных анализов;
определение потока газов проводится косвенными гидрофизическими способами, а именно ультразвуковым преобразователем, что приводит в конечном итоге к неточности определения исследуемых характеристик газа;
высокая себестоимость проводимых исследований за счет необходимости использования дорогостоящего судового времени за счет работы устройства в непосредственном сопряжении через кабель-трос с оборудованием на судне.
Наиболее близким техническим к предложенному является устройство для подводного отбора пузырьков газа, включающее конус для концентрирования восходящих пузырьков газа, блок сбора пузырьков газа, соединенный с верхней частью конуса через блок прерывания подачи
собранных пузырьков в блок сбора [Патент РФ №2589458, кл. G01M 3/24, опубл. 10.07.2016].
Для периодического прерывания при работе устройства подачи собранных пузырьков содержит по меньшей мере одно из следующего:
управляемый клапан, пространственно расположенный при работе ниже упомянутого блока обнаружения, и управляемый блок сбора пузырьков, выполненный с возможностью периодического выпуска из него одного или более собранных пузырьков в зону обнаружения.
Зона обнаружения содержит датчик температуры и датчик давления для обеспечения возможности определения блоком обработки сигналов размеров одного или более пузырьков на основе их измеренных частот нелинейного резонанса.
Зона обнаружения снабжена газоанализатором для анализа состава одного или более пузырьков, проходящих при работе устройства через зону обнаружения.
Устройство содержит блок сбора одного или более пузырьков после их прохождения через зону горловины для последующего анализа для определения их химической природы, например для определения метана, газообразных продуктов от перегретой электрической пластмассовой изоляции, воздушных пузырьков из затонувшей поврежденной субмарины и т.п.
Химический и изотопный анализ одного или более собранных пузырьков, выходящих из донных пород, так и растворенный газ в водной сред, осуществляется при возвращении устройство к своему судну и соответствующей палубе.
Недостатком этого устройства является невозможность отбора достаточного количества газа для последующих лабораторных анализов, одним из которых является определение его изотопного состава. В свою очередь, определение изотопного состава газа проводится только в специально оборудованных лабораториях и необходимо для однозначного установления его природы.
Определение потока пузырькового газа с помощью этого устройства возможно лишь косвенными гидрофизическими методами, имеющими высокую ошибку.
Использование связанного с судном через кабель-трос дистанционно-управляемого устройства сильно повышает себестоимость проведения исследований из-за высокой себестоимости судового времени.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в определении величины потока газа прямым методом, существенном снижении затрат на исследования за счет возможности автономной работы заявленного устройства, в нивелировании пространственной изменчивости потока и получении более точных данных за счет долговременных постановок на дно устройства.
Указанная задача решается тем, что устройство для подводного отбора пузырьков газа, включающее конус для концентрирования восходящих пузырьков газа, блок сбора пузырьков газа, соединенный с верхней частью конуса через блок прерывания подачи собранных пузырьков в блок сбора, устройство дополнительно содержит раму, на которой закреплен первый конус, второй конус, закрепленный на раме над первым конусом, и буй, соединенный с верхней частью рамы буйрепом, блок сбора пузырьков газа выполнен в виде емкости с запорным вентилем в нижней части, блок прерывания выполнен в виде обратного клапана с исполнительным механизмом, при этом обратный клапан выполнен в виде цилиндрического корпуса с коническим раструбом в верхней части, расположенного в нем конуса с укрепленным на его вершине стержнем и уплотнительным кольцом на внешней его стороне, цилиндрический корпус клапана закреплен на верхней части второго конуса и выполнен с прорезями, расположенными на осевом сечении корпуса клапана, исполнительный механизм клапана выполнен в виде рычага, закрепленного с одной стороны на корпусе клапана, расположенного в средней части в прорезях цилиндрического корпуса клапана и соединенного осью со стержнем конуса клапана и снабженного с другой стороны поплавком.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства в разрезе.
На фиг. 2 - блок прерывания подачи собранных пузырьков газа (обратный клапан в открытом положении под водой).
Устройство содержит раму 1, на которой закреплен первый конус 2 для сбора пузырьков газа 2, второй конус 3, закрепленный на раме 1 над первым конусом 2 и предназначенный для удержания устройства в вертикальном положении (фиг. 1).
Устройство так же включает блок сбора пузырьков газа, выполненный в виде емкости 4 с запорным вентилем 5 в нижней части. Блок сбора пузырьков газа соединен с верхней частью первого конуса 2 через блок прерывания подачи собранных пузырьков в блок сбора.
Блок прерывания выполнен в виде обратного клапана с исполнительным механизмом. Обратный клапан выполнен в виде цилиндрического корпуса 6 с коническим раструбом 7 в верхней части, расположенного в нем конуса 8 с укрепленным на его вершине стержнем 9 и уплотнительным кольцом 10 на внешней его стороне (фиг. 2).
Цилиндрический корпус 6 клапана закреплен на верхней части первого конуса 2 и выполнен с прорезями И, расположенными на осевом сечении корпуса 6 клапана.
Исполнительный механизм клапана выполнен в виде рычага 12, закрепленного с одной стороны на корпусе клапана, расположенного в средней части в прорезях 11 цилиндрического корпуса 6 клапана и соединенного осью 13 со стержнем 9 конуса 8 клапана и снабженного с другой стороны поплавком 14.
Устройство содержит буй 15, соединенный рымом 16 с верхней частью рамы 1 буйрепом 17.
В нижней части первого конуса 2 закреплено кольцо 18 на фале 19.
Устройство работает следующим образом.
Подготовка устройства к работе осуществляется в два этапа.
На первом этапе устройство удерживается в перевернутом подвешенном положении с помощью кольца 18, закрепленного на фале 19. В таком положении обратный клапан находится в открытом положении, как это изображено на фиг. 2. В емкость 4 блок сбора пузырьков газа через блок прерывания подачи пузырьков газа (обратный клапан) заливается забортная вода. После полного заполнения водой емкости 4 блока сбора пузырьков газа и блока прерывания подачи пузырьков газа, устройство погружается полностью под воду.
На втором этапе (устройство полностью под водой), устройство переворачивается в вертикальное (рабочее положение) освобождением кольца 18, удерживающего его в подвешенном перевернутом положении. Удержание устройства в рабочем положении (фиг. 1) осуществляется лишь за счет буйрепа 17, соединенного с рамой 1 устройства через рым 16. Устройство готово к постановке на дно.
Постановка устройства на дно и экспозиция. На дно устройство устанавливается с помощью спускоподъемного механизма (лебедки). Скорость опускания устройства не должна превышать 1 м/с. При такой скорости погружения устройство надежно удерживается в вертикальном (рабочем) положении. После установки на дно устройство готово к работе.
Положительная плавучесть поплавка 14 обеспечивает открытое положение обратного клапана через рычаг 12 исполнительного механизма и свободный доступ пузырьков газа через обратный клапан в емкость 4.
Для отстыковки устройства от плавсредства (если это необходимо) на верхний конец буйрепа 17 крепят буй 15, и выбрасывают его за борт (фиг. 1).
Буй 15 может быть снабжен пассивным отражателем, проблесковым отражателем и/или радиомаяком для возможности его последующего обнаружения.
Само устройство удерживается на дне за счет собственной силы тяжести, а также может быть утяжелено дополнительными грузами в случае работы в условиях сильных придонных течений. Время экспозиции устройства на дне не ограничено и зависит только от научных задач исследований.
Подъем устройства и снятие емкости 4 блока сбора пузырьков газа. Подъем устройства на борт осуществляется через буйреп 17 с помощью спускоподъемного механизма (лебедки). В момент подъема устройства избыток воды, вытесняемый расширяющимся газом, выталкивается из накопительной емкости 4 через открытый обратный клапан блока прерывания подачи пузырьков газа. В момент выхода устройства из воды поплавок 14 под собственной тяжестью опускается вниз и закрывает обратный клапан через рычаг 12 исполнительного механизма. В результате, проба газа, находящаяся в накопительной емкости 4, сохраняется при атмосферном давлении. В тоже время, обратный клапан через уплотнительное кольцо 10, расположенное между конусом 8 и внутренней стороной цилиндрического корпуса 6 надежно удерживает пробу газа внутри накопительной емкости 4. Снятие емкости 4 блока сбора пузырьков газа осуществляется после перекрытия запорного вентиля 5. Вместе с запорным вентилем 5 емкость 4 отвинчивается от второго конуса 3 и переносится в судовую лабораторию или транспортируется в береговую лабораторию для последующего изучения. При необходимости на место снятой емкости 4 может сразу монтироваться новая емкость 4.
Последующая подготовка устройства к работе и установка на дно осуществляется по выше описанной методике.
От прототипа устройство отличается возможностью использовать собирающий конус большого размера, и как следствие большой "парусности". Использование большого размера конуса позволяет собирать достаточные для анализа объемы газа в условиях низкой величины их потока.
Кроме того, буксировка устройств, обладающих большой "парусностью" в условиях придонных течений с помощью дистанционно-управляемых по кабель-тросу аппаратов представляет большую сложность, а зачастую вовсе невозможна.
-2
-1
Величина потока вычисляется исходя из площади собирающего конуса и времени экспозиции устройства на дне (единица измерения - литр м-сут.).
От прототипа этот способ определения потока отличается тем, что позволяет использовать абсолютные значения прямых измерений, а не косвенные гидрофизические данные, требующие введения поправок, неизбежно возникающих при регистрации акустических параметров среды.
Устройство не привязано к судну (плавсредству) и, таким образом, время его экспозиции на дне не ограничено. Это позволяет определять малые величины потоков газа (в случае достаточного промежутка времени между выходом пузырьков из дна), не фиксируемые прототипом.
Кроме того, съемный блок сбора пузырьков газа позволяет оперативно устанавливать накопительную емкость с запорным вентилем повторно на борту судна, что позволяет существенно снизить время между двумя последовательными постановками одного и того же устройства, а следовательно экономить дорогостоящее судовое время.
Наиболее высокая эффективность исследований достигается применением серии пробоотборников, устанавливаемых одновременно в нескольких точках изучаемого района. Такая постановка позволяет нивелировать пространственную изменчивость потока и получить более точные данные. В тоже время, прототип не позволяет применять одновременно несколько устройств, поскольку его дистанционно-управляемое устройство постоянно связано с плавсредством кабель-тросом.
Дополнительным преимуществом заявленного устройства является простота его конструкции, дешевизна изготовления и возможность установки на любую глубину воды.
Получение "чистой" пробы достигается применением блока прерывания подачи пузырьков газа оригинальной конструкции. Цель блока заключается в выравнивании внешнего давления и давления в накопительной емкости в период погружения/всплытия устройства под водой, а также изолировать контакт собранной пробы газа с воздушной средой в период нахождения устройства на воздухе. Прототип подобного устройства не имеет.
Более того, все детали устройства выполнены из некорродирующего материала (устойчивого к морской среде): нержавейка, пластик и синтетический буйреп (фал). Это, в совокупности с его автономностью, позволяет проводить установку устройства на дне неограниченное время.