АВТОНОМНЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель относится к средствам для исследования и экологического контроля водной среды путем непрерывного измерения физических и химических параметров среды с подвижного носителя на малых глубинах.
В связи с актуальностью проблемы охраны окружающей среды большое число как теоретических работ, так и практических разработок посвящено средствам контроля загрязнения водных объектов.
Известна система мониторинга качества воды [1], которая содержит измерительное оборудование, установленное в море на глубине 1 и 5 м, и с помощью датчиков измеряющее температуру, электропроводность и содержание растворенного в воде кислорода. Данные измерений транслируются на береговой пост для последующей обработки.
Однако измерения с помощью данной системы носят локальный характер, что не позволяет контролировать обширные водные пространства естественных водоемов.
Известно также использование подвижных носителей (судов) для определения загрязнения водной среды. Так, оборудование, установленное на борту ледокола SHIRASE [2] содержит погружаемую на глубину до 8 метров аппаратуру, насос для отбора проб воды, датчики измерения температуры, солености, количества растворенных в воде органических веществ, содержания в ней хлорофилла, биогенов, а также количественного содержания взвешенных частиц размером 0,5-5 мм. Обработка показаний датчиков осуществляется в электронно-вычислительной машине.
Известно судно для экологического контроля водной среды [3]. Судно-катамаран оборудовано подводной буксируемой линией с измерительными датчиками и устройством водозабора, телеуправляемым подводным аппаратом для проведения осмотровых работ под водой с передачей телевизионного изображения на борт судна, устройством водозабора из придонного слоя, пробоотборниками грунта, устройством ультразвукового зондирования толщи воды, устройством контроля воды на
загрязненность нефтепродуктами, устройством контроля параметров приповерхностного слоя воды с размещенными на погружаемом блоке датчиками гидрофизических параметров и входным штуцером шланга водозабора. Шланги забортных устройств водозабора подключены к трубопроводам гидромагистрали с непрерывным потоком воды, из которой производится отбор и подача проб к аппаратуре гидрохимического анализа, реализующей экспрессные методы контроля в проточно-инжекционном варианте исполнения. Показания измерительных датчиков после предварительной обработки сопоставляются с результатами измерений аппаратуры гидрохимического анализа и других подсистем комплекса в центральной системе обработки информации, реализованной на базе электронно-вычислительной машины.
Комплексы технических средств, установленных на данных суднах [2, 3] обеспечивают полноту и достоверность контроля в широком диапазоне параметров загрязнения и позволяют произвести комплексное обследование обширных акваторий.
Однако их применение требует больших временных затрат на обследование из-за невысокой скорости и ограниченной маневренности судна при использовании полного набора технических средств. Использование сложной аппаратуры детального анализа состава загрязнения водной среды в поисковом режиме также является нерациональным. Ограниченные возможности центральной вычислительной системы, реализованной на базе электронно-вычислительной машины, не обеспечивают обработку информации от всех подсистем комплекса и не обеспечивают формирование архива с привязкой результатов измерений к координатам местоположения судна.
При проведении обследования экологического состояния водных объектов природоохранными судами зачастую для определения источника загрязнения возникает необходимость оперативного контроля смежных водных путей, например, мелководных притоков или малых рек. Эксплуатирующиеся в настоящее время в различных регионах природоохранные суда с измерительными комплексами на борту имеют, как правило, значительную осадку - 1,5 м и более, что ограничивает возможность их захода в мелководные акватории.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемой полезной модели является «Система измерительная химико-физических параметров водной среды автоматическая» [4].
Система по прототипу содержит преобразователь гидрохимикофизических параметров водной среды, а также связанную с преобразователем электронно-вычислительную машину с клавиатурой и монитором, которая выполнена с возможностью обработки данных, получаемых от преобразователя гидрохимикофизических параметров водной среды, визуализации обработанных результатов измерения, архивирования и документирования измерительной информации.
Система-прототип позволяет производить оперативное комплексное обследование акватории, обладает достаточно высокой точностью и надежностью измерений, однако по причине больших габаритов и веса не может быть использована на судах малого водоизмещения, таких, как шлюпка, лодка, и т.д., что ограничивает ее эксплуатационные возможности.
Задачей полезной модели является обеспечение мобильности и автономной работы комплекса, при одновременном повышении его информативности.
Указанная задача решается тем, что в автономном экологическом информационно-измерительном комплексе, содержащем преобразователь гидрохимикофизических параметров водной среды, связанный посредством цифрового последовательного канала связи с электронно-вычислительной машиной, согласно полезной модели, электронно-вычислительная машина выполнена в малогабаритном исполнении и размещена вместе с автономным источником питания в контейнере, на внутренней стороне откидной крышки которого установлено дополнительно введенное устройство спутниковой навигации, связанное посредством цифрового последовательного канала связи с электронно-вычислительной машиной, а преобразователь гидрохимикофизических параметров водной среды и дополнительно введенное устройство ультразвукового зондирования толщи воды, связанное цифровым последовательным каналом связи с электронно-вычислительной машиной, расположены вне контейнера и для проведения измерений устанавливаются на приспособлении, погружаемом в воду.
Выполнение комплекса в виде контейнера с откидной крышкой, с такой компоновкой и размещением приборов и устройств, а также использование малогабаритной электронно-вычислительной машины позволяют уменьшить габаритные размеры и вес комплекса, облегчают его транспортировку и развертывание, обеспечивая тем самым мобильность и возможность использования комплекса на
шлюпках, лодках и др. судах малого водоизмещения при проведении оперативного экологического мониторинга мелководных акваторий.
Введение в комплекс устройства спутниковой навигации позволяет непрерывно получать информацию о местоположении судна-носителя, курсе и скорости его движения, осуществлять привязку результатов измерений к географическим координатам и времени, что, в конечном счете, позволяет запротоколировать общую картину экологического состояния контролируемой акватории.
Размещение устройства спутниковой навигации на внутренней стороне откидной крышки контейнера позволяет сократить время, необходимое для подготовки его к работе.
Введение в комплекс устройства для ультразвукового зондирования толщи воды позволяет производить определение глубины места и осуществлять регистрацию профиля дна в процессе движения судна.
Благодаря использованию автономного источника питания обеспечивается возможность автономной работы комплекса, в том числе на судах-носителях, не оснащенных бортовой сетью, таких как лодка, шлюпка.
Благодаря тому, что в предлагаемом информационно-измерительном комплексе преобразователь гидрохимикофизических параметров водной среды и устройство ультразвукового зондирования толщи воды для проведения измерений устанавливают на специальном приспособлении (кронштейне) - обеспечивается их правильное пространственное размещение, крепление, вынос за борт носителя и заглубление.
Выполнение в предлагаемом комплексе корпуса малогабаритной электронно-вычислительной машины в пылевлагозащитном исполнении обеспечивает защиту от механических и климатических условий, предохраняет от коррозии, влаги и пыли.
Наличие в предлагаемом комплексе зарядного устройства для автономного источника питания обеспечивает возможность его подзарядки от бортовой или стандартной сети 220 В 50 Гц, если таковая имеется.
Указанные выше и другие преимущества, а также особенности настоящей полезной модели будут более понятны после рассмотрения подробного описания, сопровождаемые чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - автономный информационно-измерительный комплекс. Общий вид.
Фиг.2 - структурная схема автономного информационно-измерительного комплекса.
Фиг.3 - конструкция приспособления (кронштейна) для установки и заглубления преобразователя гидрохимикофизических параметров водной среды и устройства ультразвукового зондирования толщи воды.
На Фиг.1, 2 обозначены:
1 - малогабаритная электронно-вычислительная машина
2 - автономный источник питания
3 - контейнер (по стрелке)
4 - откидная крышка контейнера
5 - устройство спутниковой навигации
6 - преобразователь гидрохимикофизических параметров водной среды
7 - устройство ультразвукового зондирования толщи воды
8 - зарядное устройство
Автономный информационно-измерительный комплекс содержит малогабаритную электронно-вычислительную машину 1, размещенную вместе с автономным источником питания 2 в контейнере 3, на внутренней стороне откидной крышки 4 которого, закреплено устройство 5 спутниковой навигации, связанное посредством цифрового последовательного канала связи, например RS-232, с электронно-вычислительной машиной 1. Преобразователь 6 гидрохимикофизических параметров водной среды и устройство 7 ультразвукового зондирования толщи воды, расположены вне контейнера 3. Преобразователь 6 гидрохимикофизических параметров водной среды связан с электронно-вычислительной машиной 1 двухпроводным магистральным последовательным интерфейсом RS-485 с гальванической развязкой, который обеспечивает высокую помехоустойчивость передачи информации в условиях судовых и промышленных помех, а также исключает возможность выхода из строя измерительных приборов. Устройство 7 ультразвукового зондирования толщи воды связано с электронно-вычислительной машиной 1 посредством цифрового последовательного канала связи, например RS-422.
Малогабаритная цифровая электронно-вычислительная машина 1 может быть выполнена в виде персональной электронно-вычислительная машины (ноутбука) на
основе процессора Intel 486 Pentium 2, 3, 4 и т.п. с соответствующими контроллерами ввода-вывода и отображения цифровых данных и графической информации.
В состав всех контрольно-измерительных приборов и устройств комплекса введены контроллеры, оснащенные устройствами аналого-цифрового преобразования, портами последовательного и параллельного ввода/вывода.
Документирование измерительной информации может осуществляться как на жестком диске, входящем в состав электронно-вычислительной машины 1, так и в энергонезависимой памяти (flash-памяти).
Автономный источник питания 2 предназначен для осуществления электропитания комплекса. В качестве автономного источника питания 2 в комплексе используют внутренние аккумуляторы. В состав комплекса может входить зарядное устройство 8, с помощью которого при наличии бортовой или стандартной сети 220 В 50 Гц аккумуляторы можно подзарядить.
Преобразователь 6 гидрохимикофизических параметров водной среды обеспечивает непрерывное измерение гидрохимикофизических параметров водной среды, таких как температура, удельная электропроводимость, водородный показатель, окислительно-восстановительный потенциал, массовая концентрация растворенного кислорода и содержит: бесконтактный преобразователь удельной электропроводности воды, преобразователь температуры, преобразователь давления, и многоканальный аналогово-цифровой преобразователь, причем выходы бесконтактного преобразователя удельной электропроводности воды, преобразователя температуры и преобразователя давления подключены к входам аналогово-цифрового преобразователя. Аналого-цифровой преобразователь в свою очередь выполнен с контроллером последовательного интерфейса RS-485 на выходе, вход-выход которого является выходом преобразователя 6 гидрохимикофизических параметров водной среды.
Устройство 7 ультразвукового зондирования толщи воды предназначено для определения глубины места и регистрации профиля дна в процессе движения судна-носителя, что позволяет обнаружить слои с аномальными звукорассеивающими характеристиками, вызванными наличием грязевых линз или других механических и биологических включений. В качестве устройства 7 ультразвукового зондирования толщи воды используют серийно выпускаемый ультразвуковой датчик глубины.
В качестве варианта реализации устройства 7 спутниковой навигации может быть использован серийно выпускаемый прибор спутниковой навигации, типа Garmin.
Приспособление (кронштейн) для установки и заглубления преобразователя 6 гидрохимикофизических параметров водной среды и устройства 7 ультразвукового зондирования толщи воды (см. Фиг.3) представляет собой складную конструкцию, состоящую из несущей штанги 9, в нижней части которой закрепляют с помощью скобы 10 преобразователь 6 гидрохимикофизических параметров водной среды, а также устройство 7 ультразвукового зондирования толщи воды, а верхнюю часть посредством шарнира 11 закрепляют к струбцине 12, обеспечивающей крепление приспособления к борту малогабаритного судна-носителя. Упор 13 служит для создания опоры штанги 9 на борт судна-носителя.
Мобильный информационно-измерительный комплекс используют следующим образом.
При подходе к зоне патрулирования откидывают крышку 4 контейнера 3, преобразователь 6 гидрохимикофизических параметров водной среды и устройство 7 ультразвукового зондирования толщи воды подключают посредством кабелей к электронно-вычислительной машине 1 и устанавливают на кронштейне (см. Фиг.3), который в свою очередь закрепляют с помощью струбцины 12 на борту судна-носителя и заглубляют. Эффективная глубина заглубления измерительных приборов 0,7-1 м.
Включают устройство 7 ультразвукового зондирования толщи воды и производят регистрацию и обработку отраженных от толщи воды и дна акустических сигналов.
Включают устройство 5 спутниковой навигации и получают информацию о текущих координатах и параметрах движения судна.
При подаче питания от автономного блока питания 2, преобразователи, входящие в состав преобразователя 6 гидрохимикофизических параметров водной среды вырабатывают напряжения, пропорциональные соответствующим параметрам водной среды. Выходные сигналы преобразователей, с помощью аналого-цифрового преобразователя преобразуются в цифровую форму и по линии связи передаются в соответствии с протоколом интерфейса RS-485 в электронно-вычислительную машину 1 с целью получения значений исходных гидрохимикофизических параметров, выраженных в соответствующих единицах.
Комплекс позволяет одновременно производить ультразвуковое зондирование толщи воды и дна водоема, непрерывное измерение параметров приповерхностного слоя воды и получать навигационные характеристики, используя устройства 7, 6, 5 соответственно.
Информация от всех средств измерений и информационных средств комплекса по цифровым каналам связи поступает в электронно-вычислительную машину 1.
Малогабаритная электронно-вычислительная машина 1 обеспечивает сбор, обработку и отображение информации, поступающей от всех контрольно-измерительных средств комплекса, организацию многофункционального интерфейса оператор-система, электронное документирование результатов работы, управление составными частями комплекса и контроль их работоспособности.
Обработка информации малогабаритной электронно-вычислительной машиной 1 включает в себя статистическую обработку полученных результатов, обнаружение аномалий, привязку результатов измерений к географическим координатам места измерений, архивирование результатов измерений.
Программно-математическое обеспечение комплекса содержит программы, обеспечивающие возможность отображения на экране электронно-вычислительной машина 1 карты-схемы района плавания, созданной на основе карт-лоций соответствующих районов, и нанесения на них маршрута движения судна-носителя, а также информации, поступающей от преобразователя 6 гидрохимикофизических параметров водной среды и устройства 7 ультразвукового зондирования толщи воды.
Установленное на электронно-вычислительной машине 1 комплекса программно-математическое обеспечение позволяет эффективно контролировать динамику изменений экологической обстановки за счет сопоставления поступающей оперативной информации с результатами долговременных наблюдений, хранящихся в базах данных. Информация представляется в удобном для восприятия оператором виде, заносится в электронный архив. Комплекс обеспечивает картирование результатов измерений по акватории с помощью устройства 5 спутниковой навигации, что позволяет определять застойные зоны, факелы водосбросов, обнаруживать источники загрязнений.
Таким образом, предлагаемый комплекс при приемлемой его простоте, массе и габаритах обеспечивает оперативное обнаружение зон загрязнения, высокую
достоверность и определение качественного состава загрязнений по основным нормируемым группам токсикантов в приповерхностном слое воды.
Представленные описание и чертежи позволяют используя существующую элементную базу и технологии без особых трудностей изготовить его в производстве, что характеризует предлагаемый комплекс как промышленно применимый.
Список литературы
1. Система мониторинга качества воды. GRЕ. ReV. - 1988, №26 - С.14-20
2. Система для мониторинга приповерхностных вод. Fukuchi Mitsuo, Hottori Hitoshi. - Proc. NIPR Symp. Polar Biol. - 1987, 1. - C.47-55.
3. Свидетельство №301 на полезную модель. Судно для экологического контроля водной среды. - Публикация 25.04.95 г.
4. Свидетельство №0029376 на полезную модель. Система измерительная химико-физических параметров водной среды автоматическая. - Публикация 10.05.03 г. (Прототип)