АВТОНОМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРИДОННЫХ СЛОЯХ ВОДЫ И ГРУНТА

Автономное устройство для измерения профиля температуры в придонных слоях воды и грунта.
Полезная модель относится к области гидрологических измерений, в частности к автономным устройствам для измерения профиля температуры в придонных слоях воды и грунта мелких водоемов.
Известен зонд для измерения профиля температуры донных отложений, состоящий из несущего стержня, в верхней части которого установлен герметичный контейнер, содержащий электронный измерительный блок и устройство заглубления, при этом несущий стержень выполнен из материала, теплопроводность которого ниже теплопроводности измеряемых отложений, и снабжен температурными датчиками. Температурные датчики установлены в желобе, выфрезированном по направлению стержня вдоль всей его длины (патент РФ 70995, МПК G01N 33/18, опубл. 20.02.2008).
Недостатком зонда является отсутствие контроля вертикальности заглубления несущего стержня, что приводит к искажению получаемых данных о профиле температуры в донных отложениях.
Известно устройство для измерения профиля температуры придонного слоя воды и верхнего слоя донных отложений, состоящее из основания в виде треугольной рамы, соединенного с вертикальным стрежнем, по которому свободно перемещается с помощью штатива измерительный зонд длиной 21 см, внутри корпуса которого равномерно распределены 16 температурных датчиков. К раме прикреплена видеокамера для контроля заглубления зонда (Bernhardt J., Kirillin G., Hupfer M. Periodic convection within littoral lake sediments on the background of seiche-driven oxygen fluctuations // Limnology and Oceanography: Fluids and Environments. 2014. 4:1-17 DOI 10.1215/21573689).
Недостатком устройства является то, что зона измерений температуры ограничена длиной зонда, что снижает информативность получаемых сведений о профиле температуры в придонных слоях воды и верхнем слое донных отложений.
Наиболее близким по совокупности признаков, принятым за прототип, является автономное устройство для измерения профиля температуры в придонных слоях воды и грунта, включающее основание для установки на грунт в виде равностороннего треугольника, выполненное из пластин L-образной формы длиной 1.25 м и шириной 0.25 2
м, изготовленных из поливинилхлорида, соединенное с тросом, подвешенным на буе. Вогнутые стороны L-образных пластин направлены внутрь и формируют дно основания. Наружные стороны L-образных пластин формируют стенки основания. На наружных боковых поверхностях основания укреплены шесть датчиков температуры, оснащенных логгерами. Датчики закреплены перпендикулярно дну основания и распределены со сдвигом по вертикали 2-4 см. Два нижних датчика расположены на 4 и 8 см ниже дна основания, что обеспечивает их попадание в донные отложения. На наружных сторонах основания дополнительно наклеены полосы двухсторонней клейкой пленки для определения глубины погружения основания в донные отложения (Kirillin G., Engelhardt С, Golosov S., Hintze Т. Basin-scale internal waves in the bottom boundary layer of ice-covered Lake Muggelsee, Germany // Aquat. Ecol., 2009. 43:641-651 DOI 10.1007/s10452-009-9274-3).
Недостатком известного устройства является невозможность точного расположения его по горизонтали и вертикали относительно границы вода-дно, что приводит к искажению получаемых данных о профиле температуры, а, следовательно, к снижению точности измерений.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание простого в изготовлении устройства, позволяющего эффективно использовать его для длительных измерений (в течение нескольких месяцев) профиля температуры в придонных слоях воды и грунта мелких водоемов.
Технический результат полезной модели заключается в повышении точности измерения профиля температуры в придонных слоях воды и грунта.
Технический результат достигается тем, что в известном автономном устройстве для измерения профиля температуры в придонных слоях воды и грунта, включающем основание в виде равностороннего треугольника, соединенное с буем и датчики температуры с логгерами, размещенные со сдвигом по вертикали относительно основания, согласно полезной модели, углы основания соединены тросами с буем через шарнирное соединение, к которому шарнирно прикреплен металлический стержень с резьбой, в нижней части которого на уровне основания закреплен с возможностью перемещения по вертикали измерительный блок, состоящий из металлической пластины, на которой размещены гнезда, выполненные из материала с низкой теплопроводностью, в которых вертикально установлены датчики температуры с логгерами, жестко 3
закрепленные за середину корпуса. Кроме того, датчики температуры совмещены с датчиками давления.
Шарнирно прикрепленный к тросу несущий стержень под действием силы тяжести принимает вертикальное положение даже при существенных перекосах основания. Датчики сгруппированы в измерительном блоке в центре измерительного устройства вплотную друг к другу и закреплены за середину корпуса, что сводит к минимуму их взаимное смещение в процессе длительных измерений и обеспечивает повышение точности измерений.
На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства, вид сбоку; на фиг. 2 - вид снизу.
Автономное устройство для измерения профиля температуры в придонных слоях воды и грунта включает основание в виде равностороннего треугольника 1. Углы основания соединены тросами 2 с буем 3 через шарнирное соединение 4, к которому шарнирно прикреплен металлический стержень с резьбой 5. В нижней части металлического стержня на уровне основания 1 установлено крепление 6 измерительного блока, позволяющее перемещать его по вертикали. Измерительный блок состоит из металлической пластины 7, на которой размещены гнезда 8, выполненные из материала с низкой теплопроводностью, с вертикально установленными в них датчиками 9 температуры и давления с логгерами.
Устройство работает следующим образом.
При подготовке к измерениям датчики 9 температуры и давления калибруют. Затем их устанавливают на металлическую пластину 7 в гнезда 8 и жестко закрепляют. Подбирают высоту расположения измерительного блока относительно основания 1 с помощью крепления 6. Измерительный блок устанавливают таким образом, чтобы часть датчиков 9 находилась ниже уровня основания 1, что обеспечит при установке устройства на грунт водоема их попадание в верхний слой донных отложений. Возможность перемещения измерительного блока по вертикали по несущему стержню 5 позволяет контролировать попадание датчиков 9 на заданную глубину в донные отложения. Установку устройства осуществляют на мелководных водоемах с глубинами порядка 10-20 м. Осуществляют промер глубин в районе станции измерений на момент установки устройства, например, с помощью эхолота. С борта лодки устройство опускают на тросе 4
до касания основанием 1 грунта. Длину троса 2, соединенного с буем 3, подбирают таким образом, чтобы при установке измерительного устройства на грунт буй 3 располагался в 2.5 м под поверхностью воды. Основание 1 играет роль якоря и ограничителя заглубления металлического стрежня 5. Шарнирное соединение 4 углов основания 1 и стержня 5, на котором установлен измерительный блок, с буем 3 позволяет обеспечить вертикальность стержня 5 и датчиков 9 измерительного блока в течение всего периода измерений. После завершения измерений устройство извлекают из озера, датчики 9 снимают, соединяют с компьютером и перемещают данные по давлению и температуре. По показаниям датчиков давления находят разности глубин между соседними датчиками 9, что позволяет установить их смещение по вертикали в течение периода измерений, и, следовательно, повысить точность измерения профиля температуры в придонных слоях воды и грунта. Зона измерений может быть расширена путем увеличения длины измерительного блока, количества датчиков 9 и сдвига между ними по вертикали.
Большой запас элементов питания логгеров позволяет проводить автономные измерения в течение длительного времени порядка нескольких месяцев, что дает возможность исследовать динамику температуры придонного слоя воды и верхнего слоя донных отложений в период ледостава, включая малоизученные этапы замерзания озер и разрушения льда.
Испытания устройства были проведены на озере Вендюрском (средняя глубина 5.3, максимальная 13.4 м), расположенном на юге Карелии в период с 19 июня по 26 октября 2011 г., с 27 октября 2011 г. по 13 июня 2012 г., с 14 июня по 18 октября 2012 г., с 20 октября 2012 г. по 16 июня 2013 г., то есть в течение двух периодов открытой воды и двух периодов ледостава. Дискретность измерений составляла одну минуту, использовалось 10 датчиков температуры и давления, размещенных со сдвигом по вертикали 2 см, таким образом, зона измерений по вертикали составляла 18 см. Количество датчиков, попавших в ил, изменялось от 3 до 8 в разные периоды измерений. По показаниям датчиков давления было установлено, что изменение расстояния между крайними датчиками не превышало 10 мм за весь период измерений, что составляет не более 5% от расстояния между ними по вертикали (18 см). Следовательно, использование шарнирного соединения углов основания и стержня, на котором был установлен измерительный блок, с буем позволило обеспечить вертикальность положения стержня и датчиков измерительного блока в течение всего периода измерений. Время погружения устройства составляло 1-2 ч.
Следовательно, использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерений за счет возможности контроля его 5
положения относительно границы вода-грунт и обеспечения стабильной вертикальности несущего стержня и датчиков в процессе измерений, что исключает искажения получаемых данных о профиле температуры в придонных слоях воды и грунта мелких озер.
Кроме того, заявляемое устройство можно использовать для измерения профиля растворенного кислорода в придонных слоях водоемов, если температурные датчики заменить на датчики растворенного кислорода.