ПРИБОР ДЛЯ МОНИТОРИНГА ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ BAIKAL-D

Предполагаемая полезная модель относится к прикладной оптике, а именно к оптическим методам мониторинга биогеохимических процессов в естественных водоемах и может быть использована для мониторинга биогеохимических процессов в естественных водоемах в условиях малого внешнего светового фона.
Известен турбидиметр, содержащий излучатель и соосно расположенный фотоприемник, удаленный от излучателя на расстояние оптической базы /Патент РФ №2112232 G01N 21/85, 1998 г./ Устройство содержит корпус с опорами, между которыми размещены турбидиметрические каналы. Блок обработки и блок индикации размещены в корпусе. Там же может быть расположен датчик одного из тензометрических каналов, датчик второго из которых закреплен на опоре. В этом устройстве мутность растворов измеряется по поглощению света в прямом направлении без учета рассеяния в других направлениях.
Известен морской турбидиметр /Патент РФ №2430354 G01N 21/00, 2011 г./ содержащий герметичный цилиндрический корпус и размещенные на его крышке по окружности оптический излучатель и четыре или более приемных фотодетектора, удаленные от излучателя на расстояние оптической базы. Внутри корпуса расположены электронный модуль, управляющий током излучателя, многоканальный аналого-цифровой преобразователь, преобразующий сигналы фотодетекторов в цифровую форму, стабилизированный источник питания и микропроцессор, вычисляющий мутность воды и средний размер взвешенных частиц.
Ближайшим аналогом является прозрачномер морской воды /Патент РФ на 2341786, G01N 21/59, 2008 г./ содержащий контейнер с иллюминатором и расположенной напротив отражающей призмой, излучатель, фотоприемник, коллиматор, светоделительное устройство, объектив, модулятор пучков, систему синхронизации, опорный и измерительный тракты. Опорный канал находится внутри прибора, при этом оптическая ось измерительного канала проходит через полупрозрачное зеркало, коллиматор, иллюминатор и отражающую призму, а оптическая ось опорного канала расположена перпендикулярно оптической оси излучателя и проходит через полупрозрачное зеркало и центр сферического зеркала, разделенных цилиндрической поверхностью модулятора, ось которого соединена с двигателем, снабженным энкодером, что позволяет использовать прозрачномер непосредственно в месте исследовательских работ.
Предлагаемый прозрачномер решает задачу определения коэффициента оптического ослабления воды непосредственно в месте исследовательских работ, в том числе в придонном слое на дне океана.
Недостатком ближайшего аналога является невозможность раздельного измерения первичных гидрооптических характеристик (ПГХ): спектральных показателей поглощения и рассеяния, а также спектрально-угловых характеристик рассеяния, невозможность абсолютной калибровки прибора в исследуемой среде и, как следствие - невозможность проведения длительного мониторинга указанных характеристик.
Задачей предполагаемой полезной модели является создание устройства, позволяющее измерять раздельно абсолютные значения ПГХ с высоким спектральным разрешением.
Поставленная задача достигается тем, что прибор для мониторинга оптических параметров водной среды BAIKAL-D, включающий главный герметичный модуль, в котором находится электронный блок управления, дополнительно содержит модем связи по жиле питания, монохроматор, на основе вогнутой дифракционной решетки, приводимой шаговым двигателем, светодиодный осветитель, входной и выходной световоды, шаговый двигатель в масленой рубашке расположенный снаружи на верхней крышке, приводящий в движение платформу нейтральной плавучести, на которой расположен малый герметичный модуль с приемником света на базе ФЭУ-130, работающем в режиме счета фотонов, сигнал с которого поступает на быстродействующий усилитель-компаратор, а затем на таймер-счетчик, микроконтроллера, оцифровывающего сигнал с ФЭУ и передающего его по кабелю, герметично соединяющему модуль приемника света и главный модуль, точечный монохроматический квазиизотропный источник света, расположенный на нижней крышке главного модуля, экран, затеняющий источник света, фиксированный на нити, натянутой между центрами источника и приемника.
На Фиг. 1 схематично показано внутреннее устройство главного герметичного модуля, на Фиг. 2 - показан общий вид прибора в положении с минимальной базой, и незатененным источником, на Фиг. 3 - показан прибор в положении с максимальной базой, и незатененным источником, на Фиг. 4 - показан прибор с источником, затененным экраном в положении, при котором угол затенения составляет 25 градусов, на Фиг. 5 - показан прибор с источником, затененным экраном в положении, при котором угол затенения составляет 0,5 градуса.
Прибор содержит главный герметичный модуль 1, показанный на Фиг. 1, в котором находится электронный блок управления прибором 2, модем 3 для связи по жиле питания с береговой станцией, монохроматор, на основе вогнутой дифракционной решетки 4, шаговый двигатель механизма поворота дифракционной решетки 5, датчик конечного положения механизма поворота 6, светодиодный осветитель 7, входной световод 8, вводящий свет от осветителя в монохроматор и выходной световод 9, выводящий свет от монохроматора наружу главного корпуса в водную среду.
Снаружи, на верхней крышке - Фиг. 2 расположен шаговый двигатель в масленой рубашке 10, приводящий в движение помощью тросовой петли 11, ведущего 12 и ведомого 13 шкивов платформу нейтральной плавучести 14, на которой расположен малый герметичный модуль с приемником света на базе ФЭУ-130 15, работающем в режиме счета фотонов, сигнал с которого поступает на быстродействующий усилитель-компаратор, а затем на таймер-счетчик, входящий в состав микроконтроллера, оцифровывающего сигнал с ФЭУ и передающего его по кабелю, герметично соединяющему модуль приемника света и главный модуль (на рисунке не показан).
Снаружи на нижней крышке расположен точечный монохроматический квазиизотропный источник света 16, роль которого играет световод с рассеивателем, нить 17, натягивающаяся между центрами источника и приемника света при удалении приемника от источника, экран 18, фиксированный на нити, подпружиненный блок 19, с которого разматывается натянутая нить вместе с экраном, рычаг 20, отводящий нить с экраном в сторону от оси прибора в момент ослаблении нити в процессе сближения приемника и источника.
В крайнем нижнем положении приемника затеняемая площадь равна площади приемника. Конечные положения приемника фиксируются с помощью концевых герконов (на рисунке не показаны). На расстояниях от источника меньше 4,8 м ненатянутая нить укладывается на уловитель нити 21, предотвращающий ее запутывание.
Устройство работает следующим образом:
Процесс измерения спектров поглощения, рассеяния и угловой функции рассеяния начинается с установки начальных значений: минимальной базы, начальной длины волны монохроматора, включения высоковольтного источника питания ФЭУ, измерения внешнего светового фона, включения светодиодного осветителя. Фотоумножитель в течение 1 секунды регистрирует поток фотонов, прошедших расстояние 1 м в исследуемой водной среде (Фиг 2), число импульсов с ФЭУ пропорциональное числу фотонов, в двоичном коде передается в контроллер главного модуля и с помощью ЧМ-модема по жиле питания в береговой компьютер. После изменения длины волны излучения на величину заданного шага процесс измерения повторяется до достижения красной границы спектра. Затем приемник излучения перемещается на заданное расстояние (Фиг. 3), решетка монохроматора возвращается в исходное положение и повторяется процесс измерения спектра на другой базе. Переменная база позволяет исключить параметры прибора и измерять экспоненциальную функцию затухания освещенности от расстояния в видимом диапазоне спектра, показатель которой равен показателю поглощения света в воде.
На расстоянии 4,8 м от источника происходит натяжение нити (Фиг. 4), в результате чего возникает конус тени с углом 25°. При дальнейшем удалении приемника нерастяжимая нить раскручивается с подпружиненного блока, удаляя экран от источника на расстояние 65 см и уменьшая угол теневого конуса до 0,5° (Фиг. 5). Измерения спектров затененного источника при различных углах тени позволяет вычислять абсолютное значение спектрального показателя рассеяния и спектрально-угловую зависимость рассеяния.
Предлагаемое устройство позволяет измерять спектры абсолютных значений ПГХ, несущих более полную информацию о биохимическом составе водной среды нежели информация, полученная устройством-прототипом. Другим важным отличием предлагаемой полезной модели от существующих аналогов является возможность осуществления долговременного мониторинга ПГХ и опосредовано биогеохимических процессов в природных водоемах.