АВТОНОМНЫЙ ФЛУОРИМЕТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ХЛОРОФИЛЛА ФИТОПЛАНКТОНА И ОБЩЕГО ВЗВЕШЕННОГО ВЕЩЕСТВА В ВОДНОЙ СРЕДЕ

Полезная модель относится к области исследования оптическими методами водных масс пресноводных и морских водоемов, в том числе со значительной концентрацией общего взвешенного вещества. Содержание фитопланктона в природной воде и динамика его изменения свидетельствуют не только о состоянии первичной для всех водных обитателей кормовой базы, но и об уровне загрязненности водоемов, насыщенности воды кислородом, направлении и скорости перемещения водных масс. Широко используются в настоящее время для контроля концентрации микроводорослей в морской среде спутниковые системы дистанционного зондирования, позволяющие регистрировать спектры восходящего от водной поверхности излучения, вызванного воздействием солнечного света. При всех достоинствах спутникового мониторинга, таких как широкий охват водоемов вне зависимости от границ, быстрый доступ к результатам, этому методу присущи также и недостатки. К ним можно отнести недостаточную разрешающую способность по пространству, нерегулярность получения информации в конкретной зоне водной поверхности, анализ преимущественно поверхностных слоев, сильную зависимость результатов от облачности.
Контактный мониторинг не исключает, а дополняет спутниковое зондирование, его возможности постоянно расширяются, благодаря использованию автоматизированного оборудования, а доступность данных улучшается за счет применения современных средств связи. Датчики, установленные на местах контакта с контролируемой средой, могут измерять множество количественных и качественных параметров и процессов, связанных с водой, с высокой точностью и достаточной частотой. В другом варианте использования контактных систем сбора данных проточные или буксируемые устройства перемещаются судном, в результате собирается информация о параметрах водной среды на большой площади в известное время.
В то же время, для построения комплексной картины происходящих в водной среде процессов исследования спектральных характеристик недостаточно. Важно учитывать температуру, соленость, концентрацию общего взвешенного и растворенного органического вещества, скорость течения и другие характеристики, а также их распределение в толще воды и изменение во времени, в том числе во времени суток. Комплексное исследование водной среды осуществляется объединением различных контактных датчиков на береговых постах или движущемся судне. Широкий набор контактных данных позволяет оперативно делать выводы не только о концентрации фитопланктона, но и о такой важнейшей характеристике его состояния, как фотосинтетическая активность клеток. При исследовании водных масс шельфовых зон морей, особенно вблизи устьев рек, а также самих рек, следует также контролировать концентрацию общего взвешенного вещества в воде.
Для обеспечения эффективного сбора контактных данных о состоянии водной среды необходимы легко интегрируемые устройства, сочетающие компактность, энергоэффективность, возможность автономной работы и дистанционной передачи данных. Большое значение имеет возможность измерения одним устройством широкого набора параметров, характеризирующих как воду, так и состояние фотосинтетического аппарата содержащихся в ней микроводорослей. Наиболее современными методами исследования свойств морской и речной воды являются оптические, основанные на явлениях поглощения, рассеяния, флуоресценции. Это связано с относительной прозрачностью воды, возможностью обеспечить селективность путем варьирования набора спектрально-временных характеристик тестового излучения, значительным прогрессом в элементной базе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны различные системы для выполнения флуориметрических измерений в водной среде.
В патенте US 4293225 описан погружной флуориметр, имеющий источник передачи импульсов света в жидкость, в которую флуориметр погружен, чтобы вызвать флуоресценцию материала, находящегося в виде суспензии, и детектор флуоресценции, при этом второй детектор используется для измерения интенсивности светового потока источника в течение каждого импульса света, выходы детектора флуоресценции и второго детектора измеряются при каждом импульсе света, и их отношение используется для определения интенсивности флуоресценции относительно интенсивности света, вызывающего флуоресценцию. Этот механизм компенсирует влияние как краткосрочного, так и долгосрочного дрейфа, особенно в источнике света. Недостатком этого устройства является невозможность одновременно производить измерения содержания общего взвешенного вещества в водной среде. Также устройство не позволяет регистрировать раздельно флуоресценцию хлорофилла в дальней красной и ближней инфракрасной областях для определения состояние фотосинтетического аппарата хлорофилла фитопланктона.
В патенте US 5350922 подводный датчик предназначен для обнаружения или измерения концентрации взвешенных частиц в воде. Датчик предназначен для измерения света, рассеянного почти во всех углах, включая прямое рассеяния, обратное рассеяние и многократное рассеяние от взвешенных в воде частиц, с использованием очень короткой длины светового пути. Датчик рассеяния света включает в себя источник света, фотоприемник и световой экран, исключающий прямое попадание излучения от источника к приемнику. Концентрация взвешенных частиц в природных водах в широких пределах пропорциональна измеряемой интенсивности рассеянного света. Небольшая и простая конструкция датчика позволяет использовать его и в качестве расходного материала, и для длительного применения. Недостатком датчика является то, что при его использовании измеряется только концентрация взвешенных частиц в природных водах, но не измеряется флуоресценция хлорофилла.
В патенте на изобретение №2354958 описываются способ для флуориметрического определения параметров фотосинтеза фотоавтотрофных организмов, в том числе фитопланктона, и устройство для его осуществления. Для определения состояния фотосинтезирующих организмов импульсы возбуждающего света длительностью 1-5 мкс с интервалом между импульсами 50-100 мс вызывают флуоресценцию хлорофилла. По совокупности измеренных значений интенсивности флуоресценции определяют параметры флуоресценции, по которым судят о состоянии фотосинтетического аппарата, и определяют параметры фотосинтеза исследуемого объекта, при этом характеристики флуоресценции хлорофилла измеряют при постоянной фоновой подсветке. Состояние фотосинтетического аппарата, в том числе фотосистемы I и фотосистемы II, определяют по амплитудо-временным зависимостям флуоресценции хлорофилла в полосе с длиной волны 680 нм и более, что обеспечивается применением граничного светофильтра КС 18. Недостатком устройства является невозможность регистрировать раздельно флуоресценцию хлорофилла в дальней красной и ближней инфракрасной областях, соответствующих отклику фотосистемы I и отклику фотосистемы II, а также невозможность измерять содержание общего взвешенного вещества в водной среде.
Наиболее близкий к полезной модели аналог, который можно считать прототипом, описан в патенте US 6020587 А. Измеритель содержания хлорофилла в растениях, который собирает свет, отраженный от растения и разделяет его в двух различных диапазонах длин волн. Эти диапазоны длин волн, или каналы, имеют центральные длины волн 700 нм и 840 нм. Свет, собираемый в этих двух каналах, регистрируется с использованием фотодетекторов и усилителей, а затем оцифровывается. Также регистрируется уровень света от источника света. Отношение интенсивностей отраженного света в двух отдельных диапазонах длин волн указывает на относительный уровень физиологического стресса у растений. Недостатком устройства является невозможность одновременно с измерением содержания хлорофилла в растениях измерять содержание общего взвешенного вещества в водной среде.
Таким образом, известные примеры устройств не позволяют осуществить измерение концентрации хлорофилла фитопланктона в водной среде с оценкой состояния фотосинтетического аппарата фитопланктона и уровня физиологического стресса у водных растений за счет раздельной регистрации прижизненной флуоресценции хлорофилла в дальней красной и ближней инфракрасной областях спектра, соответствующих отклику фотосистемы I и отклику фотосистемы II, с одновременным измерением содержания общего взвешенного вещества в водной среде, что особенно важно в водах с повышенной мутностью, характерных для рек и морей вблизи речных устьев. Кроме того, в описанных устройствах не содержится сведений об использовании их в качестве автономных измерительных комплексов с дистанционной передачей полученных результатов.
Раскрытие сущности полезной модели
Технический результат, достигаемый от реализации описываемой полезной модели, состоит в расширении набора измеряемых параметров и, соответственно, полноты сбора контактных данных о состоянии водной среды.
Сущность полезной модели заключается в том, что флуориметрический комплекс содержит:
1) один или несколько импульсных оптических источников, направленных в водную среду, для возбуждения прижизненной флуоресценции фитопланктона;
2) фотоприемник, принимающий из водной среды оптическое излучение флуоресценции хлорофилла фитопланктона, снабженный оптическим фильтром, подавляющим излучение в полосе спектра оптических источников, и оптическим экраном, исключающим прямое и зеркальное попадание излучения оптических источников;
3) фотоприемник, принимающий преимущественно излучение возбуждающего оптического источника, позволяющий учитывать нестабильность возбуждающего света и корректировать результаты измерений;
4) фотоприемник, принимающий рассеянное водной средой излучение оптических источников, снабженный оптическим фильтром, подавляющим излучение в полосе спектра флуоресценции хлорофилла фитопланктона и пропускающий излучение в полосе спектра оптических источников, и оптическим экраном, исключающим прямое и зеркальное попадание излучения оптических источников;
5) устройство управления и обработки сигналов, осуществляющее синхронизацию работы флуорометрического комплекса, усиление, фильтрацию и оцифровку принимаемых оптических сигналов, вычисление результатов измерения интенсивности флуоресценции хлорофилла фитопланктона и интенсивности рассеянного в водной среде излучения с учетом нестабильности амплитуды интенсивности оптического источника;
6) автономный или (и) сетевой блок питания, стабилизаторы и другие устройства питания, цепи питания;
7) устройство передачи результатов, в том числе беспроводное, и (или) устройство индикации результатов;
8) устройство, обеспечивающее прохождение излучения от оптических источников в водную среду и прохождение излучения от водной среды к фотоприемникам с одновременной защитой электронных цепей от физического контакта с водой, которое может быть реализовано в виде оптически прозрачной трубки, оптически прозрачной пластины, оптически прозрачной кюветы, световодов;
9) дополнительно может содержать не один, а два фотоприемника, принимающих из водной среды оптическое излучение флуоресценции хлорофилла фитопланктона раздельно в дальней красном и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, снабженных соответствующими оптическими фильтрами, подавляющими излучение в полосе спектра оптических источников и пропускающими излучение флуоресценции в требуемой полосе спектра;
10) дополнительно может содержать устройство вычисления значения концентрации хлорофилла фитопланктона и концентрации общего взвешенного вещества, содержащихся в водной среде, с учетом калибровочных коэффициентов;
11) дополнительно может содержать термодатчик для одновременного измерения температуры водной среды;
12) дополнительно может содержать фотоприемник для регистрации фоновой освещенности водной среды, позволяющий учитывать влияние естественного или искусственного света на состояние фотосинтетического аппарата хлорофилла фитопланктона;
13) вышеперечисленные устройства могут быть помещены в один или несколько корпусов, связанных линиями связи.
Сущность полезной модели поясняется функциональной схемой (фиг. 1).
На фиг. 1 показана функциональная схема автономного флуориметрического комплекса для определения содержания хлорофилла фитопланктона и общего взвешенного вещества в водной среде, цифрами обозначены:
1 - водная среда;
2 - фотоприемники излучения флуоресценции;
3 - импульсный оптический источник;
4 - фотоприемник излучения оптического источника;
5 - фотоприемник рассеянного водной средой излучения;
6 - устройство управления и обработки сигналов;
7 - термодатчик;
8 - оптически прозрачное окно;
9 - блок питания;
10 - устройство передачи результатов измерений;
11 - дополнительный фотоприемник излучения флуоресценции, отличающийся диапазоном спектра.
Осуществление полезной модели
Описываемая полезная модель автономного флуориметрического комплекса реализована в виде двух блоков: погружного блока, контактирующего с водной средой (1) и блока питания и управления, находящегося над поверхностью воды.
Герметичный корпус погружного блока состоит их цилиндрической основы, верхнего фланца, кабельной трубы, нижнего фланца, съемного модуля, изготовленных из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т, а также уплотнительного кольца и винтовых стяжек. Цилиндрическая основа высотой 160 мм выполнена из бесшовной трубы наружным диаметром 89 мм и толщиной стенок 5 мм. Верхний фланец изготовлен из листовой стали толщиной 5 мм и прикреплен аргоновой сваркой к цилиндрической основе. В центр верхнего фланца вставлена кабельная труба диаметром 20 мм и толщиной 4 мм, труба прикреплена также при помощи сварки. В рабочем положении погружного блока кабельная труба выступает из воды и заканчивается переходником на гибкий шланг, прикрепленным при помощи резьбы.
Нижний фланец, выполненный из листовой стали, прикрепленный методом сварки к основе, содержит 6 отверстий для винтовых стяжек и канавку для уплотнительного кольца. К нижнему фланцу прижимается при помощи винтов, гаек и шайб из нержавеющей стали оптический модуль, нижняя часть которого выполнена в виде диска из нержавеющей стали толщиной 5 мм. Диск содержит 6 отверстий для винтовых стяжек и канавку для уплотнительного кольца. Силиконовое кольцо наружным диаметром 98 мм и толщиной 6 мм обеспечивает герметичность погружного блока.
В центре диска оптического модуля находится отверстие, в которое вклеивается прозрачное в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне окно (8). В качестве окна используется плоско-выпуклая линза диаметром 58 мм, которая за счет фокусирующих свойств позволяет повысить чувствительность. Для вклеивания линзы используется водостойкий двухкомпонентный клей ТК 400, плоская сторона линзы обращена наружу.
С внутренней стороны к диску оптического модуля винтами прикреплено опорное кольцо из алюминиевого сплава д16-Т толщиной 8 мм. На этом кольце установлены все остальные устройства погружного блока, включая два источника света, два фотоприемника флуоресценции, контрольный фотоприемник излучения источника, фотоприемник рассеянного излучения, термодатчик, устройство управления, экраны и светофильтры. Электронные части всех вышеперечисленных устройств погружного блока выполнены в виде специально разработанных двухсторонних печатных плат с поверхностным монтажом, использованы активные и пассивные элементы в малогабаритных корпусах.
2
Фотоприемники (2) установлены в центре конструкции оптического модуля на специальных стойках на некотором отдалении от окна (линзы) чтобы обеспечить требуемые для интерференционного фильтра углы падения. С одной стороны печатной платы фотоприемника расположен кремниевый фотодиод VBPW34S с площадью чувствительного элемента 7,5 мм, с другой - остальные элементы, в том числе четырехкасадный усилитель, источник опорного напряжения, стабилизатор напряжения смещения фотодиода, цепи питания. Использованы микросхемы ADA4841-1YRZ, AD8605ARTZ и ADR421BRZ. Приемники установлены под небольшим углом к оси оптического модуля для обеспечения максимального попадания излучения флуоресценции, угол подбирался эмпирически.
К плате со стороны фотодиода прижат через силиконовое уплотнение изготовленный по заказу интерференционный светофильтр. Изготовлены три комплекта фильтров для выделения излучения флуоресценции в красной, инфракрасной и обеих полосах, диапазон пропускания фильтров - 680-700, 710-770 и 650-790 нм соответственно. Размеры фильтров - 16×12 мм, толщина - 5 мм. С другой стороны фильтров, обращенной к водной среде, к устройству, ограничивающему телесный угол попадающих на фотодиод лучей, приклеен силиконовым герметиком дополнительный оптический фильтр. Фильтр размером 16x20 мм, вырезанный при помощи алмазной пилы с водяным охлаждением из стандартного стеклянного светофильтра марки КС-11.
С обеих сторон от фотоприемников установлены два светодиодных импульсных оптических источника (3). Источники выполнены на печатных платах, использованы светодиоды LXML-PR02-A900, излучающие длину волны 447.5 нм с полушириной 20 нм. Стабилизатор тока фотодиода выполнен по классической схеме с использованием полевого транзистора IRF7401 и операционного усилителя AD8605ARTZ. На инвертирующий вход усилителя подается напряжение с включенных в цепь истока двух чип-резисторов номиналом 0,22 Ом в корпусе типоразмера 1206, а на неинвертирующий - импульс напряжения, формируемый при помощи транзистора IRLML6302TR. Импульс запуска и опорное напряжение подаются с устройства управления. Импульсный ток светодиода составил около 20 А, длительность импульса 5 мкс.
Поскольку экспериментально было установлено, что в спектре излучения светодиодов присутствует существенная составляющая в полосе флуоресценции хлорофилла, то на платах источников излучения установлены со стороны светодиодов оптические фильтры размером 10×10 мм, вырезанные из стандартного стеклянного светофильтра марки СЗС-20. Угол наклона источников излучения подбирается так, чтобы их оси пересекались на расстоянии примерно 50 мм от наружной поверхности, использованной в качестве окна линзы. Самым практичным является крепление источников к опорному кольцу при помощи силиконового герметика после фиксации в требуемом положении при помощи вспомогательных средств из проволоки.
Вблизи окна установлен контрольный фотоприемник (4), обращенный фотодиодом к источникам излучения и расположенный посередине между ними, чтобы на него попадало излучение обоих источников. Несмотря на хорошую стабилизацию импульсного тока через светодиоды, мощность оптического сигнала нестабильна, прежде всего, из-за изменения температуры окружающей среды. Контрольный фотоприемник предназначен для измерения реальной интенсивности излучаемого оптического света и последующей корректировки измеренной интенсивности флуоресценции, которую в пределах десятков процентов можно считать пропорциональной интенсивности возбуждающего сигнала. Контрольный фотоприемник выполнен в виде печатной платы, в нем использован фотодиод TEMD7000X01 и однокаскадный усилитель на микросхеме AD8605ARTZ. Светофильтры не использовались, поскольку интенсивность излучаемого света на несколько порядков превышает интенсивность рассеянного и интенсивность флуоресценции.
Между фотоприемниками, так, чтобы не перекрывать ход лучей излучения флуоресценции из водной среды, установлен фотоприемник регистрации интенсивности рассеянного водной средой излучения (6). В нем использован тот же фотодиод, что и в контрольном фотоприемнике, но усилитель - трехкаскадный. Рассеянное водной средой, содержащей взвесь, излучение попадает через окно на фотодиод через светофильтр, аналогичный использованному в источниках. Взаимное положение источников света и приемника рассеянного излучения подобрано так, что зеркально отраженное от обеих поверхностей окна излучение источников не попадает на приемник. Для дополнительного подавления излучения, рассеянного не водной средой, а внутренними элементами конструкции, использовано приклеенное к приемнику кольцо, сужающее телесный угол приходящих лучей, и зачернение конструктивных элементов и корпуса внутри погружного блока черной нитрокраской.
Обычно измерения рассеяния на взвеси производят при использовании красных или инфракрасных светодиодов, поскольку инфракрасный свет не вызывает мешающей измерениям флуоресценции хлорофилла. Но режим рассеяния света при микрометровых размерах взвешенных в воде частиц сохраняется во всем видимом диапазоне, таким образом можно измерять интенсивность рассеяния того же синего излучения, которое вызывает и флуоресценцию хлорофилла. Для устранения помех от излучения флуоресценции используется светофильтр.
Поскольку в рабочем состоянии корпус погружного блока находится в тепловом равновесии с водной средой, термодатчик (7) установлен внутри погружного блока. Он закреплен на уголке вблизи края кольца из алюминиевого сплава, для лучшего теплового контакта использована теплопроводящая паста КПТ-8. Датчик изготовлен в виде узкой двухсторонней печатной платы, с одной стороны которой в нижнем слое выполнена площадка с металлизацией, не покрытая защитной маской. В верхнем слое расположен термодатчик типа DS18B20U, для улучшения теплового контакта с металлизированным слоем использованы переходные отверстия и паста КПТ-8. На плате термодатчика также установлен микроконтроллер ATTINY2313A-MU в малогабаритном корпусе, микросхема ADM1485ARZ для поддержки интерфейса RS-485 и стабилизатор питания 78L05.
Устройство управления (6) установлено на специальных стойках над вышеперечисленными узлами, поскольку не требует оптического или теплового контакта с водной средой. Устройство управления выполнено в виде печатной платы и содержит микроконтроллер ATMegal6A, 4 АЦП, в том числе 2 микросхемы AD7686BRMZ и микросхемы AD7894ARZ-2, источник опорного напряжения ADR421BRZ, четыре усилителя со смещением нуля, выполненные на операционных усилителях AD8605ARTZ, буферы опорного напряжения и входного сигнала, микросхема ADM1485ARZ для поддержки интерфейса RS-485 и стабилизаторы питания для фотоприемников и источников света, источник опорного напряжения для источников света, выполненный на микросхеме TL431, а также пассивные фильтры, индикаторные светодиоды и другие элементы.
Электрические соединения оптических источников и устройства управления выполнены монтажными проводами МГТФ с диаметром токоведущей жилы 0,07 мм и 0,2 мм. Проводники присоединены пайкой, не требующей соединителей, занимающих пространство.
В верхней части оптического блока установлены два соединителя РС-4, предназначенные для подключения кабеля, соединяющего погружной блок и блок управления и обработки. Один из соединителей предназначен для подключения модуля управления, второй для термодатчика, чтобы не нагружать модуль управления дополнительными функциями по передаче сигналов. Соединители обеспечивают удобство при наладке оптического модуля, исключая необходимость работы с громоздким рабочим соединительным кабелем. При работе флуориметрического комплекса кабель проходит внутри кабельной трубы выше поверхности воды, вблизи выхода из трубы выполнено герметизирующее уплотнение. Уплотнение выполнено при помощи пластмассовых вставок и заливки компаундом типа Виксинт ПК-68. Уплотнение предназначено для исключения воздушного обмена внутренней полости погружного блока с атмосферой, чтобы избежать образования конденсата. Выше трубы, заканчивающейся штуцером, кабель проходит внутри гибкого силиконового шланга. Применение шланга вместо жестких труб снижает стоимость и облегчает установку поргужного датчика.
Блок управления и обработки выполнен с использованием стандартного пластмассового корпуса для радиоэлектронной аппаратуры G218. В нем размещены: аккумулятор G 12 - 2,3 напряжением 12 В и емкостью 2,3 А⋅ч (9), электрические соединители, элементы индикации и модуль управления, выполненный в виде печатной платы. Модуль управления базового блока флуориметрического комплекса содержит электронные ключи для подачи питания на 4 соединителя, предназначенные для подключения датчиков, микросхемы поддержки интерфейса RS-485, соединитель USB с микросхемой поддержки FT232RQ для передачи данных на компьютер, соединитель для обмена данными с модемом. Предусмотрена система контроля напряжения аккумулятора и его подзарядки, для этого на соответствующие контакты соединителя блока управления и обработки нужно подать напряжение постоянного тока от 6 до 18 В от любого источника, в том числе и возобновляемого, например, от солнечной батареи.
При отладке флуориметрического комплекса используется переносной компьютер, подключаемый при помощи кабеля USB. В автономном режиме данные передаются по радиоканалу при помощи GSM/GPRS-модема «SprutNet», RS232/RS485 (10). Работой модуля управления и всего базового блока управляет микроконтроллер ATMega324A. На плате модуля управления преимущественно использованы электронные компоненты с поверхностным монтажом.
Программное обеспечение для всех микроконтроллеров флуориметрического комплекса разработано на языке Assembler for AVR в среде AVR Studio, для загрузки программ в микроконтроллеры использовался программатор AVR Dragon. При работе комплекса блок управления и обработки включает 1 раз в 5 минут по очереди оптический модуль погружного блока и отдельно находящийся внутри него термодатчик. Результаты измерений всех фотоприемников нормируются на результат контрольного фотоприемника в устройстве управления оптического модуля и передаются на блок управления и обработки, в котором уже вычисляются измеряемые величины с учетом калибровочных коэффициентов.
Выполнена наладка описанной реализации полезной модели, включая отладку электронных устройств, подбор коэффициентов усиления и полос пропускания, отладку микропрограммного обеспечения, юстировку оптических устройств, отладку передачи данных, калибровку комплекса с использованием водных сред с известными параметрами, измеренными стандартными средствами или специально приготовленными для получения требуемых параметров, ввод калибровочных коэффициентов в программу обработки результатов. Испытания подтвердили достижение решаемой полезной моделью задачи.
Источники информации
1. Патент US 4293225, МПК G01N 21/64 (2006.01), 1981.
2. Патент US 5350922, МПК G01N 21/49 (2006.01), 1994.
3. Патент РФ №2354958 на изобретение, МПК G01N 21/64 (2006.01), 2006.
4. Патент US 6020587 А, МПК G01N 21/35 (2006.01), 2000.