ПРОБООТБОРНИК СНЕГОМЕРНЫЙ

Полезная модель относится к области мониторинга состояния окружающей среды и может быть использована при проведении снегомерных съемок для оценки влагозапаса и исследования загрязнения снегового покрова, а именно - для отбора проб снега.
Известно устройство для отбора проб снега, по которым определяют физические (плотность) и химические (концентрации загрязняющих веществ) характеристики снегового покрова (снегомер ВС-43, «Снегомер ВС-43. Инструкция по эксплуатации», ЗАО Роспроектинвест, СПБ, 1997; Руководство по контролю загрязнения атмосферы. РД 52.04.186-89. Москва-Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991), являющееся прототипом предлагаемой полезной модели и состоящее из металлического цилиндра (1) и весов (2), механически соединенных подвесом (3), рис.1. Согласно РД 52.04.186-89, при пробоотборе каждый керн вырезается на полную глубину снегового покрова (при значительной глубине рекомендуется подхватывать керн снизу небольшой лопаткой), перед ссыпанием снега в полиэтиленовое ведро или пакет необходимо тщательно очистить нижний конец снегомера и снежного керна от грунта и растительных включений, разрешается уплотнение снега в ведре или пакете руками через полиэтиленовую пленку.
Основным недостатком при использовании снегомера ВС-43 для отбора проб снега является недостаточная точность отбора пробы. Причинами этого являются конструкция цилиндра и его материал, в частности:
3
3
3
в результате нагрева металлического цилиндра солнцем или при транспортировке в салоне автомобиля его температура часто оказывается выше 0°С, что при относительно высоких значениях его теплопроводности и теплоемкости (у стали теплопроводность 45,4 Вт/м-К, теплоемкость 0,46 кДж/кг-К, плотность 7,7 10 кг/м, объемная теплоемкость 3,54 МДж/ м·К; Михеев М.А.
Основы теплопередачи. Москва: Государственное энергетическое издательство, 1956, 392 с.) приводит к налипанию снега на поверхность цилиндра (изнутри и снаружи), особенно в температуре воздуха около 0°С, а именно такие условия и наблюдаются при снегомерной съемке максимального влагозапаса и загрязнения снегового покрова, т.к. ее проводят непосредственно перед таянием снегового покрова; налипание снега на поверхность цилиндра снаружи искажает вес пробы, а налипание внутри - и вес, и объем пробы;
- цилиндр с малым внутренним диаметром (около 80 мм) в условиях насыщенного влагой снегового покрова при отборе пробы сминает снег, а не прорезает его, что приводит к искажению веса и объема пробы, а также завышению плотности снега;
- зубцы на нижней кромке цилиндра при отборе пробы на полную глубину снегового покрова (согласно РД 52.04.186-89) зацепляют грунт и разрушают покрывающий его слой растительных остатков, которые попадают в пробу и завышают значения как механических, так и химических загрязнений; рекомендуемая очистка нижнего конца снегомера и торца керна проводится оператором на основании визуального контроля, поэтому возможны как неполное удаление следов грунта и растительности (ведет к завышению значения концентрации загрязняющих веществ), так и избыточное удаление снега из пробы (ведет к занижению значений веса и объема пробы);
- в случае рыхлого снегового покрова необходимо предотвращать высыпание пробы снега через нижний конец цилиндра снегомера, для чего рекомендуется поддерживать торец керна лопаткой; одновременное взвешивание пробы (вместе с цилиндром) и поддержание пробы в цилиндре лопаткой искажает результаты взвешивания.
Эти же причины обуславливают значительную продолжительность отбора одного керна (удаление налипшего снега от предыдущего керна, очистка
снегомера и керна от частиц грунта, неудобство при использовании лопатки) и избыточный вес всего устройства (3 кг).
3
3
3
3
В то же время, существуют материалы с меньшими, чем у стали, значениями теплоемкости и теплопроводности при высоких прочностных характеристиках, в частности - пластики различных типов. Основное влияние на эксплуатационные свойства пробоотборника снегомерного оказывают объемная теплоемкость и теплопроводность (именно они определяют количество паразитной теплоты, которая передается снегу при пробоотборе, и скорость этой передачи). Теплопроводность полистирола в 200 раз меньше, чем у стали, и не превышает 0,2 Вт/м·К; теплоемкость - 1 кДж/кг·К, плотность 1,05 10 кг/м, соответственно, объемная теплоемкость - 1,05 МДж/м·К, что в три с половиной раза меньше, чем у стали. (Пивень А.Н. и др. Теплофизические свойства полимерных материалов. Справочник. Киев. Вища школа. 1976).
Использование таких материалов позволяет исключить налипание снега на цилиндр снегомера независимо от внешних погодных условий и условий транспортировки снегомера. Кроме того, уплотнение керна снега непосредственно в цилиндре позволяет отказаться от необходимости поддерживать керн лопаткой во время пробоотбора и взвешивания, а увеличение диаметра цилиндра предотвращает сминание влажного снега при пробоотборе и позволяет отказаться от зубьев на нижней кромке цилиндра. Поэтому за нижнее значение диаметра цилиндра принимается 80 мм (диаметр цилиндра прототипа). Использование цилиндра диаметром более 300 мм становится неудобным из-за больших габаритов и увеличения массы пробы в 14 раз по сравнению с прототипом. Уплотнение снега в цилиндре и отсутствие зубьев значительно снижают вероятность захвата частиц грунта и остатков растительного покрова. Таким образом, пробоотбор снегомером с пластиковым цилиндром увеличенного диаметра и возможностью уплотнения пробы непосредственно в цилиндре
повышают точность определения физических и химических характеристик снегового покрова и сокращают время отбора каждой пробы.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности и снижение времени отбора пробы снега при снегомерной съемке.
3
Указанная задача решается тем, что в снегомере, состоящем из цилиндра и весов, внутри цилиндра размещен поршень, жестко связанный со штоком, а также ограничитель хода поршня, при этом цилиндр выполнен диаметром от 80 мм до 300 мм из материала с объемной теплоемкостью не более 3,54 МДж/м·К и теплопроводностью не более 45,4 Вт/м·К.
Технический результат предлагаемой полезной модели состоит в том, что:
а) отбор пробы снега осуществляется с большей точностью, т.к. в случае насыщенного влагой снегового покрова исключается сминание снега цилиндром; в случает ненасыщенного влагой снегового покрова исключается необходимость поддерживания керна лопаткой; при перепаде температур (положительная/отрицательная) между цилиндром и снегом исключается налипание снега на поверхность цилиндра; а также значительно снижается захват частиц почвы и остатков растительного покрова;
б) время, затрачиваемое оператором на отбор одной пробы, уменьшается за счет исключения операций по очистке цилиндра от налипшего снега, отсутствия манипуляций с лопаткой; существенно меньшей потребности в очистке торца керна от частиц грунта и остатков растительного покрова; уплотнение керна снега в цилиндре специально введенным поршнем со штоком осуществляется быстрее, чем уплотнение снега в ведре или пакете руками через полиэтиленовую пленку.
Выполнение цилиндра из пластика дополнительно приводит к снижению массы всего устройства, несмотря на введение дополнительных элементов - поршня, штока и ограничителя хода поршня.
Таким образом повышается точность отбора пробы и снижается затрачиваемое на пробоотбор время, что в сочетании со снижением массы устройства значительно повышает производительность труда оператора, особенно при больших объемах работ (снегомерная съемка на маршрутах, экологический мониторинг территории).
Предлагаемое техническое решение более подробно иллюстрируется следующей схемой устройства, рис.2:
1 - цилиндр;
2 - поршень;
3 - шток;
4 - ограничитель хода поршня;
5 - фиксатор штока;
6 - ограничительное кольцо штока;
7 - весы;
8 - подвес.
Цилиндр (1) предназначен для вырезания керна снега на всю глубину снегового покрова. Поршень (2) предназначен для уплотнения керна снега внутри цилиндра (1) с целью предотвращения непроизвольного выпадения керна снега из цилиндра (1) при отборе пробы и ее взвешивании. Усилие оператора передается на поршень (2) через шток (3). Длина рабочего хода поршня (2) определяется ограничителем (4): в верхнем положении - упором поршня (2) в ограничитель (4), в нижнем положении (показано на рисунке) - упором ограничительного кольца (6) штока (3) в ограничитель хода поршня (4). Фиксатор (5) штока (3) предназначен для закрепления штока (3) в заданном положении. В частности - в транспортном положении (показано на рис.2), при котором поршень (2) максимально опущен и пробоотборник имеет наименьшие габаритные размеры. Весы (7) соединены со штоком (3) механическим подвесом (7).
Имеются две шкалы для измерения высоты керна снега: на внешней стороне цилиндра и на внешней стороне штока.
Все детали пробоотборника, за исключением фиксатора (5) штока (3), изготавливаются из инертного материала с низкой (по сравнению со сталью) теплоемкостью, низкой теплопроводностью, низкой плотностью и достаточной механической прочностью. Это, в основном, композитные или синтетические материалы, например, ударопрочный полистирол.
Устройство имеет два положения: транспортное и рабочее.
В транспортном положении поршень (2) опущен в крайнее нижнее положение в цилиндре (1), при этом ограничительное кольцо (6) штока упирается в ограничитель (4) хода поршня. Шток (3) зажат фиксатором (5). Положение ограничительного кольца (6) на штоке (3) подбирается таким образом, чтобы в крайнем нижнем положении поршня (2) его наружная поверхность находилась в одной плоскости с нижней кромкой цилиндра (1).
В рабочем положении фиксатор (5) штока ослаблен так, чтобы обеспечить свободное движение штока (3) и поршня (2) в цилиндре (1). При необходимости (высокий снеговой покров, свежевыпавший снег) поршень (2) может быть выведен в верхнее положение, а шток (3) при этом - зажат фиксатором (5).
Устройство работает следующим образом.
Цилиндр (1) устанавливается вертикально на поверхность снегового покрова в предполагаемое место отбора керна снега. При надавливании на верхнюю часть цилиндра в вертикальном направлении он погружается в снеговой покров на полную глубину, при необходимости (плотный влажный или слежавшийся снег) его можно слегка поворачивать вокруг своей оси. При этом по мере погружения шток (3) под действием давления снега снизу будет выдвигаться из цилиндра вверх.
После погружения цилиндра на полную глубину снегового покрова производится уплотнение керна снега внутри цилиндра (1) путем надавливания на поршень (2) через шток (3) в вертикальном направлении вниз.
Далее пробоотборник извлекается из снегового покрова и проводится контрольный осмотр его нижней части. При захвате керном снега частиц почвы или растительных остатков его нижний конец очищается сметанием нескольких сантиметров загрязненного снега.
После осмотра проводится взвешивание пробы снега непосредственно в цилиндре (1) с находящимся в нем поршнем (2) и штоком (3). Для транспортировки пробы в лабораторию керн снега выталкивается поршнем (2) в чистый полиэтиленовый пакет или ведро.
После отбора пробы выполняется контрольный осмотр всего снегомера и при необходимости проводится очистка его поверхностей от налипшего снега. Конкретный пример выполнения устройства. Цилиндр (1) выполнен из ударопрочного полистирола длиной 1000 мм диаметром 100 мм и толщиной стенки 2 мм, один из торцов цилиндра закрыт ограничителем хода поршня (4) - круглым диском с несколькими отверстиями. В центральное отверстие входит шток (3). В радиальном отверстии с резьбой находится винт фиксатора (5). Внутри цилиндра находится пластиковый поршень (2), соединенный с пластиковым штоком (3). На шток (3) с натягом надето резиновое ограничительное кольцо (6). Отбор пробы проводится вертикальным погружением цилиндра с нефиксированным штоком в снеговой покров на его полную глубину и последующим уплотнением керна снега внутри цилиндра с помощью поршня. Для последующего взвешивания используются весы (7), которые соединяются с зажатым фиксатором штоком с помощью механического подвеса (8).
Предлагаемая конструкция пробоотборника повышает точность определения физических и химических характеристик снегового покрова и сокращает время отбора каждой пробы путем:
- исключения налипания снега на цилиндр независимо от внешних погодных условий и условий транспортировки снегомера,
- отказа от необходимости поддерживать керн лопаткой во время пробоотбора и взвешивания,
- предотвращения сминания влажного снега торцом цилиндра,
- существенного снижения захвата частиц грунта и растительных остатков керном снега.