ОПТОВОЛОКОННЫЙ ФЛУОРИМЕТР С ПОГРУЖАЕМЫМ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ МОДУЛЕМ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Оптоволоконный флуориметр с погружаемым измерительным модулем может быть использован в технологиях исследования окружающей среды, в частности, для экологического контроля и диагностики состояния акваторий, по измерениям концентрации и состояния фотосинтезирующих микроводорослей типа фитопланктона. Полезная модель относится к системам для in situ исследований.
Уровень техники.
Известен лазерно-флуоресцентный анализатор (патент РФ на изобретение №2263897, МПК G01N 21/64, опубл. 20.04.2005 г.) состоящий из источника излучения, оптического волокна для ввода излучения в среду и системы детектирования. Для регистрации сигнала включено второе волокно, при этом использован волоконно-оптический зонд, устанавливаемый в протоке исследуемой среды, причем волокна закреплены в одной плоскости так, что их оптические апертуры перекрываются. Анализатор предназначен для дистанционного мониторинга загрязнений водной среды.
Известное устройство не позволяет выполнять измерение концентрации и состояния фотосинтезирующих водорослей. Устройство не дает данных о глубине погружения волоконно-оптического зонда, и температуре среды. Отсутствие устройства для погружения волоконно-оптического зонда не позволяет выполнять продолжительные измерения.
Известен судовой лазерный спектрометр (патент РФ на полезную модель №57009, МПК G01N 21/64, опубл. 27.09.2006 г.), состоящий из надводной и погружаемой частей, соединенных друг с другом посредством двух световодов, обеспечивающих прием и передачу излучаемого и принимаемого оптических сигналов. Судовая часть включает источник излучения, в качестве которого установлен двухчастотный лазер, систему согласования излучаемого сигнала со световодом излучаемого сигнала, и систему регистрации и обработки данных. Система включает последовательно соединенные полихроматор, электронно-оптический преобразователь, цифровую видеокамеру и персональный компьютер. Погружаемая часть выполнена в виде кюветы, снабженной кабель-тросом, и состоит из системы формирования излучаемого сигнала, соединенной со световодом излучаемого сигнала, измерительной ячейки и системы согласования со световодом принимаемого сигнала.
Известное устройство позволяет измерять флуоресценцию воды и получать данные о концентрации фотосинтезирующих водорослей, но не позволяет судить об их состоянии. В известном устройстве используются электронные датчики температуры, солености и давления в погружаемой части, что требует применения электрического кабеля, тем самым увеличивая вес и габариты устройства, кроме того снижается надежность работы устройства. Раздельное использование световодов и кабель-троса ограничивает рабочую глубину несколькими десятками метров. Подсоединение судовой части непосредственно к волокнам, опущенным в воду, не позволяет применять автоматические устройства для спуска кюветы в воду, например, лебедку, что позволило бы ускорить выполнение измерений.
Известен бортовой измерительный комплекс параметров воды с погружаемым модулем на оптоволоконной связи (патент РФ на полезную модель №75042, МПК G01N 21/01, опубл. 20.07.2008 г.), содержащий излучатели и спектрометр с компьютером, выполненные в виде надводной части, а также погружаемый в воду посредством оптоволоконного кабель-троса модуль, внутри которого размещены оптические датчики флуоресценции, прозрачности, солености, давления, температуры и др. Сигналы датчиков об измеренных ими величинах передаются по оптоволоконному кабелю в блок регистрации и излучения, расположенный внутри катушки с наматываемым на нее оптоволоконным кабелем. Передача данных на компьютер осуществляется через токосъемники.
Известное устройство измеряет спектр флуоресценции воды, но не предоставляет информацию о временных изменениях флуоресцентного излучения. Так же устройство имеет погружаемый модуль смена воды в котором происходит только условии измерений на ходу судна, когда вода будет проходить через модуль под действием гидродинамического давления, т.е. профильное (по глубине) определение распределения измеримых параметров не возможно.
Известен бортовой измерительный комплекс параметров воды (патент РФ на полезную модель №96662, МПК G01N 21/01, опубл. 10.08.2010 г.), состоящий из надводной и погружаемой частей, соединенных друг с другом посредством оптоволоконного кабель-троса, намотанного на барабан лебедки с электромеханическим приводом, и обеспечивающего передачу излучаемых и принимаемых оптических сигналов. Надводная часть включает блок генерации и приема излучения и персональный компьютер. Барабан лебедки содержит токосъемники, предназначенные для передачи электрических сигналов. Погружаемая часть выполнена в виде модуля, содержащего датчики параметров воды и имеющего элементы защиты от фоновой засветки. Кабель-трос помещен в защитную оболочку и содержит электрические провода, при этом он разделен как минимум на две части: бортовую и погружаемую. На барабане лебедки дополнительно установлены оптические вращающиеся соединители по числу волокон кабель-троса, передающие излучение из погружаемой части кабель-троса в бортовую часть кабель-троса. Лебедка снабжена устройством для укладки погружаемой части кабель-троса. В надводной части между лебедкой и компьютером дополнительно размещен электронный блок, содержащий источники питания для привода лебедки и электронных датчиков погружаемого модуля, а также преобразователь интерфейсов для связи с погружаемым модулем, который снабжен устройством для прокачивания воды через датчики параметров воды.
Данное устройство наиболее близко к заявляемому техническому решению и принято за прототип.
В известном устройстве наличие только одного источника излучения не позволяет определять состояние флуоресцирующих микроводорослей. В известном устройстве погружаемая часть содержит электронные датчики, требующие прочного герметичного корпуса, что снижает диапазон глубин выполнения измерений, увеличивает вес модуля и нагрузку на лебедку. В составе кабель-троса необходимы электрические провода подающие питание и обеспечивающие связь с датчиками. Передача информации ведется через токосъемники, в которых снижается надежность соединения из-за вибраций в процессе вращения лебедки, что приводит к периодическим ошибкам при передаче данных или подаче электропитания. Погружаемый модуль и кабель-трос имеют большой вес, не позволяющий выполнять измерения на больших глубинах из-за высокой нагрузки на электромеханический привод лебедки.
В основу полезной модели положена задача - разработать конструкцию оптоволоконного флуориметра с погружаемым измерительным модулем для экспресс-исследования экологического состояния акваторий, по данным о концентрации и состоянии фотосинтезирующих водорослей (фитопланктона), а также позволяющего в реальном времени выполнять как непрерывные, так и эпизодические исследования фитопланктона морских и пресноводных водоемов в широком диапазоне глубин. Кроме того, оптоволоконный флуориметр должен обеспечивать надежность передачи данных измерений и обладать минимальными массогабаритными показателями погружаемого модуля.
Раскрытие полезной модели.
Поставленная задача решается тем, что оптоволоконный флуориметр с погружаемым измерительным модулем состоит из надводной и погружаемой частей, соединенных друг с другом посредством кабель-троса, намотанного на барабан лебедки с электромеханическим приводом и обеспечивающего передачу излучаемых и принимаемых оптических сигналов. Надводная часть состоит из бортового блока, образованного источником излучения, приемником излучения и персональным компьютером, и лебедки, связанных между собой бортовым кабелем. Погружаемая часть состоит из кабель-троса и погружаемого модуля, выполненного в виде цилиндрической конструкции и содержащего датчики параметров воды, элементы защиты от фоновой засветки и устройство для прокачки воды. Электромеханический привод лебедки электрически связан с бортовым блоком. Барабан лебедки содержит оптические вращающиеся соединители для стыковки двух оптических волокон бортового кабеля и кабель-троса, идущих к датчику флуоресценции, и токосъемники для подачи электропитания к устройствам опроса датчиков погружаемого модуля. В качестве датчиков параметров воды установлены оптоволоконные датчики давления, температуры и освещенности воды. Погружаемый модуль дополнительно содержит оптоволоконный датчик флуоресценции, размещенный соосно с цилиндрическим корпусом погружаемого модуля. Источник излучения выполнен многоканальным и содержит как минимум четыре излучателя. Лебедка дополнительно содержит как минимум два устройства связи по радиоканалу, одно из которых установлено внутри барабана лебедки, а другое снаружи. В барабане лебедки дополнительно установлены как минимум три устройства опроса оптоволоконных датчиков, подключенных к соответствующим оптическим волокнам кабель-троса и к устройству передачи данных по радиоканалу, установленному внутри барана лебедки. Кабель-трос подводной части содержит, как минимум, пять оптических волокна связанных с оптоволоконными датчиками погружаемого модуля.
Датчик температуры термоизолирован от корпуса погружаемого измерительного корпуса.
Датчик освещенности проходит вдоль вертикальной оси корпуса погружаемого модуля и своей светочувствительной частью выходит на наружную поверхность корпуса погружаемого модуля перпендикулярно к оси погружаемого модуля.
Датчики температуры и давления размещены таким образом, что не затеняют поток света из датчика флуоресценции.
Источник излучения выполнен на светодиодах.
Источник излучения выполнен на лазерных диодах.
Приемник излучения выполнен на фотоэлектронном умножителе.
Лебедка дополнительно содержит съемный плоский широкий желоб для спуска кабель-троса в воду.
В качестве устройства прокачки воды использован автономный насос, управляемый посредством сигналов через оптическое волокно.
Оптоволоконный флуориметр с погружаемым модулем выполнен в виде мобильной системы и может быть установлен на различных судах, в том числе, не предназначенных для ведения научных исследований: малых катерах и яхтах, судах торгового и рыболовного флота. Применение такого оптоволоконного флуориметра позволит существенно снизить стоимость обследования водных акваторий за счет сокращения численности состава экспедиций и требуемого времени на сбор и обработку экспериментальных данных.
Заявляемый оптоволоконный флуориметр с погружаемым измерительным модулем поясняется чертежом, где:
1 - компьютер;
2 - источник излучения;
3 - приемник излучения;
4 - электромеханический привод лебедки;
5 - устройство опроса датчика давления;
6 - устройство опроса датчика температуры;
7 - устройство опроса датчика освещенности;
8 - оптический датчик флуоресценции;
9 - оптический датчик давления;
10 - оптический датчик температуры;
11 - оптический датчик освещенности;
12 - погружаемый модуль;
13 - кабель-трос;
14 - лебедка;
15 - бортовой кабель;
16 - устройства связи по радиоканалу;
17 - вращающиеся оптические соединители;
18 - автономный насос.
Оптоволоконный флуориметр с погружаемым измерительным модулем состоит из бортовой и погружаемой части, соединенных друг с другом посредством кабель-троса 13, причем бортовая часть разделена на бортовой блок и лебедку 14, соединенные с помощью бортового кабеля 15. Бортовой блок размещается каюте судна и состоит из источника 2 излучения и приемника 3 излучения, управляемых с персонального компьютера 1. К источнику 2 излучения и приемнику 3 излучения подключены оптические волокна. Источник 2 излучения предает по оптическому волокну свет в погружаемый модуль 12 к размещенному в нем датчику 8 флуоресценции, по второму волокну флуоресцентное излучение из датчика 8 флуоресценции поступает в приемник 3 излучения. Бортовой блок соединен с лебедкой 14 с помощью бортового кабеля 15. Бортовой кабель 15 представляет собой конструкцию из двух оптических волокон и четырех электрических проводов помещенных в прочную защитную оболочку, два провода для передачи данных, два провода для подачи питания. Лебедка 14 устанавливается на борту судна. Лебедка 14 имеет электромеханический привод 4, приводящий ее в движение и управляемый с персонального компьютера 1. Кроме того, лебедка 14 снабжена конструктивным элементом в виде широкого желоба (на чертеже не показан), позволяющим спускать кабель-трос по заданной траектории без резких перегибов. Лебедка 14 дополнительно снабжена устройствами 16 связи по радиоканалу для обмена данными с устройствами опроса 5, 6, 7. Устройства опроса 5, 6, 7 через оптические волокна подключены к датчикам давления 9, температуры 10 и освещенности 11 (соответственно), размещенным в цилиндрическом погружаемом модуле 12. На оси барабана лебедки 14 с обеих сторон размещены вращающиеся оптические соединители 17, через которые происходит коммутация оптических волокон бортового кабеля 15 и кабель-троса 13, связанных с датчиком 8 флуоресценции. На барабане лебедки 14 намотан кабель-трос 13, спускаемый в воду и удерживающий погружаемый модуль 12. Кабель-трос 13 состоит из прочной водонепроницаемой оболочки, гибкого стального троса, наружной оболочки, скрепляющей водонепроницаемую оболочку и стальной трос, и оптических волокон размещенных внутри водонепроницаемой оболочки. Датчик 8 флуоресценции размещен соосно с вертикальной осью погружаемого модуля. Датчики 9 и 10 размещены таким образом, что не затеняют излучение из датчика 8 флуоресценции. Датчик 10 термоизолирован от корпуса погружаемого модуля. Датчик освещенности 11 проходит вдоль вертикальной оси корпуса погружаемого модуля 12 и своей светочувствительной частью выходит на наружную поверхность корпуса под углом 90° к вертикальной оси погружаемого модуля и улавливает освещенность воды. Через датчик 8 флуоресценции протекает вода, при этом он защищен от внешнего рассеянного в воде солнечного света. Протекание воды обеспечивается насосом 18, который управляется оптическими сигналами через оптоволокно.
Оптоволоконный флуориметр с погружаемым измерительным модулем работает следующим образом.
По команде от компьютера 1 электромеханический привод 4 приводит в движение барабан лебедки 14, в результате чего происходит стравливание кабель-троса 13 и спуск погружаемого модуля 12, выполненного в виде цилиндрической конструкции, на заданную глубину. Контроль глубины погружения происходит с помощью оптического датчика 9 давления. Опрос датчика 9 происходит устройством 5, который передает данные в персональный компьютер 1. При достижении заданной глубины происходит остановка вращения барабана лебедки 14 и удержание погружаемого модуля 12. При удержании модуля 12 на заданной глубине происходит цикл измерения фотосинтетической активности фитопланктона.
По команде от компьютера 1 источник 2 излучения через оптическое волокно заранее заданной последовательностью импульсов света запускает насос 18. Насос закачивает воду в датчик 8 флуоресценции с текущей глубины, через несколько секунд насос останавливается. Затем по команде от компьютера 1 происходит генерация света источником 2 излучения в оптическое волокно, по которому свет передается через вращающееся оптическое соединение 17 к датчику 8 флуоресценции и излучается в воду, возбуждая флуоресценцию. Одновременно с началом работы источника 2 излучения включается приемник 3 излучения. Из датчика 8 приемным оптическим волокном улавливается флуоресцентное излучение и передается через вращающееся оптическое соединение 17 в приемник 3 излучения, где регистрируется изменение интенсивности флуоресценции по времени. Параллельно с измерением фотосинтетической активности фитопланктона измеряется температура воды датчиком 10. Датчик 10 температуры опрашивается устройством 6, который передает данные в компьютер 1. Так же измеряется уровень внешней освещенности среды с помощью датчика 11 освещенности, который опрашивается устройством 7, а данные передаются в персональный компьютер 1. После окончания цикла измерения происходит спуск погружаемого модуля 21 и повторение цикла измерения на следующей заданной глубине. Измерения могут выполняться как при спуске погружаемого модуля, так и при подъеме.
В отличие от прототипа, заявляемое техническое решение позволяет:
- исследовать не только флуоресценцию воды, но и измерять концентрацию и состояние фотосинтезирующих водорослей;
- повысить надежность передачи данных с датчиков погружаемого модуля;
- улучшить массогабаритные показатели погружаемого модуля за счет применения оптоволоконных датчиков, не требующих герметичных областей в погружаемом модуле;
- повысить технологичность конструкции кабель-троса;
- повысить надежность передачи данных за счет наличия радиоканала между лебедкой и бортовым блоком, исключив влияние искрения токосъемников и влияние вибрации лебедки;
- устранить влияние электромагнитных помех на передачу данных из погружаемого модуля за счет исключения из конструкции кабель-троса электрических проводов.