БАТОМЕТР-ДЕГАЗАТОР ДОННЫХ ВОД
BATHOMETER-DEGASIFIER OF BOTTOM WATERS

Изобретение относится к океанологическим и геологическим исследованиям и предназначено для отбора проб воды в придонном слое водоемов (рек, озер, морей и океанов) с целью изучения состава и концентрации растворенных в воде газов.
Известен батометр [1], предназначенный для взятия проб воды у дна моря. Он содержит: цилиндрический корпус с поршнем, снабженным уплотнением; жесткую раму, состоящую из направляющих корпуса, боковых плит, одна из которых является одновременно и днищем корпуса, и кронштейна; управляющий механизм в виде каркаса, поворотного рычага, стропа, груза-разведчика дна, элемента жесткости. В исходном состоянии, при горизонтальном расположении корпуса, закрепленный на тросе батометр опускается в море. При достижении дна грузом-разведчиком батометр срабатывает: равновесие рычага нарушается, корпус принимает вертикальное положение, под действием своей массы корпус опускается и насаживается на днище, которое выполнено конусным и снабжено уплотнением в виде резиновой прокладки.
Такие признаки устройства, как строп, груз, герметичный корпус, соединенный через уплотнение с днищем, сходны с существенными признаками заявленного изобретения.
Этот аналог не обеспечивает надежной герметизации пробы из-за конструктивной особенности днища, что снижает достоверность пробы. Кроме того, он не позволяет производить отбор проб непосредственно у дна водоема, так как при вертикальном положении корпуса между днищем и дном водоема должен быть гарантированный зазор (не менее 0,5 м), в ином случае батометр при закрывании захватывает грязь и не герметизируется. Недостатком также является невозможность выполнения дегазации пробы и отбора газа непосредственно из батометра.
Известен батометр [2], используемый в океанологии и гидрологии. Он содержит рабочую камеру, входное отверстие которой находится вверху и закрыто крышкой, связанной с тягой и пробкой, которая находится в камере. Крышка установлена с возможностью перемещения в корпусе гидравлического реле времени, соединенном с камерой, и связана со спусковым тросом.
Такие признаки аналога, как герметичная камера, входное отверстие которой закрыто пробкой, связанной с тягой, являются сходными с существенными признаками заявленного изобретения.
Недостатками батометра является то, что он не проточный, требует продолжительного времени для забора воды, не обеспечивает надежной герметизации пробы и ее дегазации.
В качестве прототипа выбрана установка для дегазации жидкостных проб [3]. Прототип включает приспособление для извлечения растворенного газа, газоанализатор и герметичный пробоотборник, который содержит механизм принудительного увеличения его объема, дегазационную камеру, дистанционно управляемый герметизатор пробы, штуцеры для удаления воздуха, отбора выделившегося газа и заполнения камеры пробой. Герметизатор пробы выполнен в виде соединенного со штуцером клапана-крана с рычагом и тросом управления рычагом. Механизм принудительного увеличения объема камеры пробоотборника включает соединенный с поршнем шток с гайкой и рукоятками.
Сходными существенными признаками прототипа и заявленного изобретения являются: герметичный корпус, который снабжен механизмом принудительного увеличения его объема, клапаном и кранами для газа и жидкости.
Недостатком прототипа является то, что это устройство не проточное и не позволяет осуществлять забор воды с больших глубин.
В основу изобретения поставлена задача создания пробоотборника-дегазатора донных вод, в котором за счет особенностей взаимного расположения отверстий для забора воды, формы клапанов и их уплотнений, за счет выравнивания давления в корпусе, фиксирования положений клапанов, очистки воды обеспечиваются новые технические свойства батометра - повышение надежности герметизации клапанов и предотвращение самопроизвольного их срабатывания, устранение фактора внутреннего усилил на уплотнения корпуса и обеспечение его проточности. Указанные новые свойства обусловливают достижение технического результата изобретения - повышение достоверности проб придонной воды и растворенных в ней газов и обеспечение возможности забора проб с больших глубин, (глубина практически не ограничена). Дополнительным техническим результатом изобретения является возможность упрощения процесса дегазации воды.
Поставленная задача решается тем, что в батометре-дегазаторе донных вод, который содержит герметичный корпус с устройством для изменения его внутреннего объема, клапаном и кранами для газа и воды, новым является то, что корпус снабжен компенсатором его внутреннего давления и содержит верхний и нижний клапана в виде соосных цилиндрических поршней, которые снабжены уплотняющими манжетами V-образного сечения и установлены в верхнее и нижнее цилиндрические посадочные отверстия, выполненные в корпусе и также снабженные уплотняющими манжетами V-образного сечения, поршни закреплены на штоке, который соединен с подвеской и грузом и установлен в корпусе с возможностью ограниченного перемещения для выхода поршней из посадочных отверстий и возвращения их в посадочные отверстия, шток кинематически соединен с фиксатором открытого и закрытого состояний батометра-дегазатора, связанным с датчиком касания дна, корпус снабжен водозаборным устройством с фильтром.
Изобретение характеризуется уточняющими признаками: фиксатор открытого и закрытого состояний батометра-дегазатора выполнен в виде собачки, взаимодействующей с канавками штока; компенсатор внутреннего давления выполнен в виде цилиндрического корпуса с поршнем.
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежа, на котором изображено: фиг.1 - общий вид устройства в разрезе; фиг.2 - верхняя часть проекции устройства при открытых клапанах.
Батометр-дегазатор донных вод состоит из цилиндрического корпуса 1, к которому с помощью болтов герметично присоединены верхний 2 и нижний 3 фланцы. Герметичность соединений обеспечивается кольцевыми резиновыми прокладками, установленными в проточках фланцев. В верхнем и нижнем фланцах 2, 3 выполнены соосные цилиндрические отверстия, служащие для забора воды. После забора эти отверстия герметично закрываются соответственно верхним и нижним клапанами.
Верхний и нижний клапана выполнены в виде цилиндрических поршней, соответственно 4 и 5, которые снабжены уплотнениями подвижного контакта, соответственно 6 и 7. Уплотнение каждого клапана представляет собой две резиновые манжеты в виде колец с V-образным поперечным сечением, которые установлены в канавку поршня и в канавку посадочного отверстия под поршень.
Поршни 4 и 5 закреплены на штоке 8, установленном продольно в корпусе 1. В данном случае шток 8 выполнен в виде трех отдельных частей, жестко соединенных поршнями 4 и 5. В верхней своей части шток 8 имеет отверстие для крепления троса корабельной лебедки, с помощью которой осуществляется опускание и подъем батометра. К нижней части штока 8 с помощью резьбового соединения прикреплен груз 9 для увеличения массы штока. Груз выполнен в форме шара. На верхнем фланце 2 закреплена верхняя направляющая втулка 10, вдоль которой перемещается шток 8 своей верхней частью.
На верхнем фланце 2 установлены краны 11, 12 и сообщающийся с полостью корпуса 1 компенсатор 13 внутреннего давления. Компенсатор 13 в данном случае выполнен поршневым - в виде герметичного цилиндрического корпуса с поршнем. Кран 11 принадлежит устройству 14 изменения внутреннего объема корпуса 1, которое выполнено в виде резиновой камеры, размещенной в полости корпуса. При дегазации воды в камеру нагнетается воздух и откачивается из камеры наружу, тем самым создавая необходимые для отбора газа условия (давление-разрежение). Кран 12 служит для отбора проб выделенного в результате дегазации воды газа.
Компенсатор 13 внутреннего давления служит для выравнивания давления в корпусе 1 с внешним давлением. При установке компенсатора необходимого объема батометр обеспечивает отбор проб воды с любых глубин. Компенсатор позволяет значительно уменьшить гидравлическое сопротивление при закрывании цилиндрических клапанов и исключает паразитный обмен отобранной пробы с внешней средой во время подъема батометра. Кроме того, компенсатор может быть использован в процессе дегазации воды, что упрощает процесс. Компенсатор внутреннего давления в данном случае выполнен в виде цилиндрического корпуса с поршнем. Герметизация его камеры осуществляется с помощью резинового кольца круглого сечения, размещенного в канавке поршня. Шток поршня перемещается по направляющему отверстию крышки компенсатора. Предусмотрено средство фиксирования поршня.
Нижний фланец 3 имеет кран 15 для отбора пробы воды и слива воды с батометра в процессе дегазации.
Устройство содержит закрепленное на корпусе 1 верхнее ограждение 16 в виде рамы, служащее для защиты батометра от повреждений при возможных ударах о борт судна.
На нижнем фланце 3 установлено водозаборное устройство. Оно содержит платформу 17 в виде цилиндра с боковыми окнами для протока воды. На основании 18 цилиндра закреплена нижняя направляющая втулка 19, вдоль которой перемещается шток 8 своей нижней частью.
Водозаборное устройство содержит юбку 20 в виде усеченного конуса, предназначенную для улучшения промываемости батометра при его опускании, путем захватывания набегающего потока, а также для увеличения гидродинамического сопротивления корпуса по отношению к гидродинамическому сопротивлению центрального штока с поршневыми клапанами (при опускании создается усилие поддержания открытого состояния батометра, при подъеме - усилие по закрытию батометра). Верхнее основание юбки 20 в виде кольца прикреплено болтами к нижнему фланцу 3. Нижнее основание юбки выполнено в виде двух колец разного диаметра, скрепленных ребрами. К этому основанию прикреплен фильтр 21 в виде металлической сетки, предотвращающей попадание в батометр частиц грунта, за счет чего исключается нарушение уплотнений клапанов и снижение достоверности пробы. Нижнее основание юбки 20 выполняет также функцию нижнего ограждения для защиты батометра от повреждений при ударах. На юбке предусмотрены ручки для удержания батометра при его постановке на борту судна.
На корпусе 1 с помощью фланца закреплена подставка, совмещенная с датчиком касания дна. Подставка содержит вертикальные стойки 22, скрепленные кольцом 23 и опорным кольцом 24. Датчик касания дна содержит опорную площадку 25 в виде кольца, на котором закреплены две вертикальные стойки 26. Стойки 26 датчика касания дна установлены по ходовой посадке в отверстия, выполненные в кольцах 23 и 24 подставки. Стойки 26 подпружинены относительно кольца 23 пружинами возврата 27, обеспечивающими рабочий ход датчика касания дна - зазор между опорным кольцом 24 подставки и опорной площадкой 25 датчика. Датчик касания дна может быть снабжен съемной опорой 28 для легких илистых грунтов.
Батометр содержит фиксатор 29 открытого и закрытого его состояний (фиксатор открытого и закрытого положений клапанов). Фиксатор 29 кинематически соединен со штоком 8 - выполнен в виде собачки, взаимодействующей с двумя поперечными канавками 30 штока. Для срабатывания фиксатора при достижении батометром дна фиксатор подвижно закреплен на втулке 31, которая установлена на одной из стоек 26 датчика касания дна. Положение втулки на стойке отрегулировано в соответствии с рабочим ходом датчика касания дна и расстоянием между канавками штока.
Фиксатор 29 ограничивает диапазон перемещений штока 8, фиксирует закрытое и открытое положения клапанов (когда они находятся в установочных отверстиях, и когда вышли из отверстий на заданный уровень).
Работа батометра происходит следующим образом.
Предварительно на борту судна батометр подготавливают, для чего подвешивают его за шток 8 и устанавливают опорным кольцом 24 на дополнительную специальную подставку (на чертеже не показана). Она представляет собой, например, сварную конструкцию из прутка с боковым вырезом, через который с помощью ручек, размещенных на юбке 20, в нее заводится батометр. На этой специальной подставке опорная площадка 25 датчика касания дна ни на что не опирается, «висит» в воздухе, что предотвращает нештатное срабатывание батометра. Пружины возврата 27 обеспечивают наличие зазора между опорным кольцом 24 и опорной площадкой 25. Взводят механизм срабатывания батометра следующим образом. Перемещают элементы датчика касания дна в верхнее положение до вывода фиксатора 29 из паза штока 30 путем приложения усилия к опорной площадке 25, направленного снизу вверх. С помощью дополнительно используемого рычага (на чертеже не показан) в виде вилки, которой опираются на верхнюю часть груза 9, перемещают шток 8 вниз до вхождения фиксатора 29 в верхнюю канавку 30 штока. Опору 25 отпускают и таким образом фиксируют открытое состояние батометра. Устанавливают поршень компенсатора 13 внутреннего давления в крайнее нижнее положение - шток поршня удавлен до упора. Закрывают краны 11, 12, 15.
Выводят батометр за борт судна и с помощью лебедки опускают на дно в режиме максимально возможного хода. В процессе опускания батометра осуществляется захват набегающего потока воды и проток воды через полость батометра. При достижении батометром дна, что определяется по провисанию троса, сразу начинают подъем батометра.
При достижении дна батометр опускается на него опорной площадкой 25 датчика касания дна. Корпус батометра за счет собственного веса опускается вниз. Стойки 22 и 26 взаимно перемещаются. По окончании рабочего хода датчика касания дна фиксатор 29 выходит из зацепления с верхней канавкой 30 штока 8. Шток освобождается. На этом этапе в полости батометра находится придонная вода. Забор пробы производится следующим образом: с началом подъема батометра усилие, приложенное к штоку 8, обеспечивает его перемещение вверх. Верхний и нижний поршни 4, 5 устанавливаются в их посадочные места, отсекая пробу воды и герметизируя ее. При дальнейшем подъеме батометра пружины 27 перемещают элементы датчика касания дна вниз и обеспечивают замыкание собачки 29 в нижнем пазе 30 штока 8. За счет массы батометра и гидродинамического сопротивления юбки 20 водозаборного устройства обеспечивается стабильность герметизации пробы. Процесс установки поршней облегчает компенсатор 13. В течение всего времени подъема батометра компенсатор продолжает осуществлять функцию выравнивания внутреннего и внешнего давлений на корпус.
Батометр-дегазатор поднимают на борт судна и снова устанавливают на дополнительную подставку, которая не допускает контакта датчика касания дна с палубой и обеспечивает положение фиксации закрытых клапанов.
Батометр подготавливают к отбору проб воды и выделенного из воды газа, для чего подсоединяют через резиновую трубку к крану 11 воздушный компрессор/насос (на чертеже не показан). Производят отбор проб воды и газа в следующей последовательности. Открывают краны 11, 12. Через кран 11 в устройство 14 изменения внутреннего объема корпуса 1 закачивается воздух. Через кран 12 вытекает проба воды. Производят анализ пробы воды. В устройство 14 изменения внутреннего объема корпуса батометра продолжают закачивать воздух, пока корпус освободится от воды на 18-20%. То есть, для проведения дегазации наполнение водой корпуса 1 должно составлять 80-82%. Закрывают кран 12. Через кран 11 из устройства 14 откачивают воздух до полного уменьшения объема устройства 14, за счет чего осуществляется дегазация воды в корпусе 1. Через кран 11 в устройство 14 снова закачивают воздух. При уменьшении объема корпуса 1 давление выделившегося газа повышается. Через кран 12 отбирают пробу газа на анализ. По окончании работ отрывают все краны. Лишняя вода выливается. Батометр снова подготавливают к работе.
Батометр-дегазатор придонной воды надежен, технологичен, удобен в эксплуатации и имеет широкий диапазон использования.
Использованные источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №494647, опубл. 05.12.75, Бюл. №45.
2. Авторское свидетельство СССР №1430795, опубл. 15.10.88, Бюл. №38.
3. Авторское свидетельство СССР №1243764, опубл. 15.07.86, Бюл. №26 (прототип).