УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ МИНЕРАЛЬНОЙ ВЗВЕСИ С РАЗЛИЧНЫХ ГОРИЗОНТОВ В ПРИДОННОМ СЛОЕ МОРЯ
DEVICE FOR SAMPLING OF MINERAL PARTICLES FROM VARIOUS HORIZONS IN BOTTOM SEA LAYER

Изобретение относится к технике океанографических и гидролого-геологических исследований прибрежных районов шельфа, предназначено для отбора проб минеральной взвеси с различных горизонтов придонного слоя моря в зоне больших (единицы м/с) скоростей турбулентного потока для получения репрезентативных данных о составе и концентрации взвеси и ее распределении по вертикали (вертикальный профиль), позволяющих судить о седиментации и получить количественные оценки транспорта взвешенной части донных осадков - взвеси. Изобретение может быть использовано для решения задач прибрежной инженерии и контроля экологического состояния водоемов.
Получение достоверных данных о процессах переноса и осаждения взвеси в придонном слое водоема, ее качественном составе, является одной из основных проблем при решении широкого круга научных и прикладных задач, в том числе и задач, возникающих при строительстве морских сооружений, берегоукрепительных работ, экологического контроля водоемов и т.д.
Известны несколько типов устройств для отбора проб взвеси в придонном слое водоема [Dynamical processes in coastal regions. Publishing house of the Bulgarian Academy of Sciences. Sofia. 1990].
Например, широко используются устройства с закрепленными на них пробоотборниками в виде накопительных стаканов для осаждения проб, так называемых ловушек взвеси. Эти устройства устанавливаются как на стационарных береговых сооружениях, так и на специально сконструированных погружных донных станциях. Все устройства данного типа обслуживаются операторами-водолазами, которые в определенные промежутки времени доставляют накопительные стаканы (или все устройство) на берег, где из стаканов извлекается минеральная взвесь для определения ее количественного и качественного состава. Недостатком таких устройств является следующее: они не обеспечивают получения оперативной, с разверткой данных во времени, информации о накопленной взвеси; обслуживание таких устройств связано с большими трудозатратами; устройства трудно использовать в зоне шельфа - в зоне интенсивного волнения и обрушения волн.
Известны устройства для отбора проб взвеси с определенных горизонтов водоема с помощью насоса. Например, - [Inst, of Hydroengng, Gdansk, Poland. Basinski Т., Kasperowicz, Z. & Onischenko, E. (1980a). Continuous-suction sampler for measuring of sediment concentration]. Это устройство предназначено для установки на стационарном береговом (или специально созданном морском) сооружении, поэтому не позволяет проводить исследований достаточно большой площади прибрежной зоны.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения по совокупности признаков является устройство для отбора проб минеральной взвеси с помощью насоса [Measuring instruments for sediment transport. Euromarine, Internet site], которое выбрано в качестве прототипа.
Прототип выполнен в виде рамы с закрепленными на ней, и установленными соответственно необходимым горизонтам отбора проб, пробозаборниками в виде горизонтально расположенных трубок, которые соединены с береговой (или надводной) станцией обработки проб. В качестве насоса, обеспечивающего перекачку суспензии, применен многоканальный перистальтический насос. Устройство подвешено через вертлюг и снабжено стабилизатором, позволяющим устройству принять направление по течению, что обеспечивает оптимальную работу устройства. Достоинством прототипа является возможность оперативно производить отбор проб с необходимых горизонтов и обеспечить их репрезентативность.
Сходными существенными признаками прототипа и заявленного изобретения являются: закрепленный на раме узел пробозаборников в виде трубок, выходные отверстия которых связаны с насосом, к выходному патрубку которого присоединен шланг.
Основным недостатком устройства-прототипа является то, что оно стабильно работает только при однонаправленном векторе скорости течения. При исследовании шельфовой зоны моря, которая характеризуется пульсирующими перемещениями водных масс в различных направлениях, устройство не обеспечивает получения достоверных данных о взвеси в придонном слое, особенно, если исследования проводятся в зоне обрушения волн или в экстремальных ветро-волновых ситуациях. Кроме того, при таких условиях прототип имеет низкую надежность работы, так как его конструктивные элементы испытывают огромные гидродинамические нагрузки, что может привести к разрушению конструкции. Существенным недостатком является также отсутствие защиты всасывающих трубок от засорения водорослями и другими материалами.
В основу изобретения поставлена задача создания устройства для отбора проб минеральной взвеси с различных горизонтов в придонном слое моря, в котором за счет признаков, характеризующих особенности выполнения пробозаборников, их установки и управления ими, за счет особенностей выполнения несущей рамы и ее постановки, особенностей других признаков устройства, обеспечивается новое техническое свойство - возможность непрерывного автоматического дистанционно управляемого оперативного забора очищенных от посторонних фракций проб минеральной взвеси с заданных горизонтов придонного слоя моря в условиях пульсирующего передвижения водных масс в различных направлениях, в зоне обрушения волн с большими скоростями турбулентного потока. При этом прочность и мобильность конструкции позволяет значительно увеличить площадь исследования за счет циклической работы устройства во множестве заданных точек шельфа.
Указанные новые свойства обусловливают достижение технического результата изобретения - повышение достоверности определения качественного и количественного состава проб взвеси в придонном слое шельфовой зоны моря в реальном времени, ее вертикального распределения, что необходимо для оценки потоков переносимой взвеси, влияющих на изменение береговой линии и рельефа дна. При этом исследуемая зона может быть достаточно обширной. Другим техническим результатом изобретения является повышение чувствительности определения компонентов взвеси, повышение достоверности выявления редких компонентов.
Поставленная задача решается тем, что в разработанном устройстве для отбора проб минеральной взвеси в придонном слое моря, состоящем из рамы, на которой закреплены трубчатые пробозаборники, новым является следующее. Рама выполнена в виде закрепленной грузами на дне моря в зоне интенсивного волнения и обрушения волн прочной выполненной из прутка пирамиды, внутри которой жестко закреплен узел пробозаборников. Он выполнен в виде объединенного пучка вертикально расположенных труб одинакового проходного сечения, на нижних концах которых жестко закреплены расположенные на соответствующих заданных горизонтах моря всасывающие головки. Они выполнены в виде полых жестких горизонтальных дисков одинакового диаметра, которые расположены на оси объединенного пучка труб и имеют одинаковый заданный, соответствующий размеру проходного сечения труб, размер высоты их полостей. Диаметр дисков превышает размер поперечного сечения объединенного пучка труб. Боковая поверхность каждого диска выполнена в виде сетки с заданной проходной способностью и снаружи снабжена фильтром. Каждый диск закреплен на соответствующей трубе так, что ее входное отверстие с герметизацией сообщается с полостью диска через выполненное в его верхнем основании отверстие. В верхнем и нижнем основаниях каждого диска, кроме нижнего диска, выполнены одна или более пар соосных отверстий, через которые пропущены и в которых с герметизацией жестко закреплены другие трубы объединенного пучка. Пространство между дисками занимают закрепленные соосно дискам цилиндрические обтекатели одинакового заданного наружного диаметра. Выходное отверстие каждой трубы присоединено к соответствующему входному отверстию снабженного приводом многопозиционного крана, выходное отверстие которого присоединено шлангом к насосу, выходной патрубок которого соединен с береговой станцией приема и обработки проб. Насос закреплен на одной из граней рамы и подключен к береговому блоку дистанционного питания и управления, к которому подключен привод многопозиционного крана.
Изобретение характеризуется уточняющими признаками:
- рама-пирамида выполнена трехгранной;
- фильтры выполнены в виде мелкоячеистых сетей, неплотно прилегающих к боковым поверхностям дисков;
- наружный диаметр обтекателей превышает диаметр дисков.
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей, на которых изображено: фиг. 1 - общий вид устройства в двух проекциях; фиг. 2 - конструкция узла пробозаборников.
Устройство для отбора проб взвеси (фиг. 1) содержит несущую раму 1 с прикрепленными в точках ее опоры грузами 2, которыми рама закрепляется на дне моря в заданном районе шельфа. Конструкция рамы обеспечивает работу устройства в зоне больших скоростей турбулентного потока и представляет собой прочную конструкцию в виде пирамиды, преимущественно, трехгранной, изготовленной из прутка круглого сечения. Такая прочная ажурная конструкция обеспечивает минимальную гидродинамическую нагрузку на раму и обеспечивает минимальное влияние рамы на гидродинамику образования и переноса взвеси в целом. Детали рамы соединены между собой резьбовыми крепежными элементами.
Внутри рамы 1, на ее центральной стойке, жестко закреплен узел 3 пробозаборников, который выполнен (фиг. 2) в виде объединенного пучка вертикально расположенных труб 4 одинакового заданного круглого проходного сечения и разной длины. На нижних концах труб 4 жестко закреплены расположенные на соответствующих заданных горизонтах отбора проб всасывающие головки.
Всасывающие головки выполнены в виде полых жестких горизонтальных дисков 5 одинакового диаметра, которые расположены на оси объединенного пучка труб 4. Диски 5 имеют одинаковый заданный, соответствующий размеру проходного сечения труб 4, размер высоты их полостей. Одинаковый размер высоты полостей дисков, то есть равные проходные сечения всасывающих головок, обеспечивают равные условия их работы, и обеспечивают получение достоверных данных независимо от скорости и направления движущихся масс воды. Диаметр дисков 5 превышает размер поперечного сечения объединенного пучка труб 4.
Боковая поверхность каждого диска 5 выполнена в виде сетки с заданной проходной способностью. В данном примере исполнения эта поверхность выполнена жесткой и перфорирована с заданной плотностью и заданным проходным сечением. Снаружи боковая поверхность каждого диска 5 снабжена фильтром 6. Преимущественно, фильтры 6 выполнены в виде неплотно прилегающих к боковым поверхностям дисков 5 мелкоячеистых сетей. Такое исполнение фильтров обеспечивает их самоочищение под воздействием окружающего турбулентного потока, что обусловливает очистку отбираемых проб взвеси от водорослей и других посторонних фракций.
Каждый диск 5 закреплен на соответствующей трубе 4 так, что входное отверстие этой трубы сообщается, причем с герметизацией, с полостью этого диска через выполненное в верхнем основании этого диска отверстие.
В верхнем и нижнем основаниях каждого из дисков 5, кроме нижнего диска, выполнены одна или более пар соосных отверстий, через которые пропущены и в которых с герметизацией жестко закреплены другие трубы 4 объединенного пучка труб. То есть: нижний диск, расположенный на самом нижнем уровне отбора проб, не имеет отверстий для прокладки труб - до этого диска доходит только самая длинная труба, конец которой прикреплен к верхнему основанию этого диска; в верхнем и нижнем основаниях второго снизу диска, который находится на более высоком уровне отбора проб, выполнена одна пара соосных отверстий, через которые пропущена (и в которых с герметизацией жестко закреплена) одна труба - самая длинная, которая прикреплена к нижнему диску; в третьем снизу диске, находящемся на более высоком горизонте отбора проб, выполнены две пары соосных отверстий, через которые пропущены (и которых закреплены) две трубы - самая длинная, прикрепленная к самому нижнему диску, и труба покороче, которая прикреплена к верхнему основанию второго снизу диска. И так далее.
Пространство между дисками 5 занимают закрепленные соосно дискам цилиндрические обтекатели 7 одинакового заданного наружного диаметра. Обтекатели предназначены для минимизации постороннего влияния на естественную гидродинамику среды. Преимущественно, наружный диаметр обтекателей 7 превышает диаметр всасывающих головок (дисков 5) для создания узконаправленных зон отбора проб, что обеспечивает отбор взвеси строго на заданных уровнях моря.
Выходное отверстие каждой трубы 4 (фиг. 1) присоединено к соответствующему входному отверстию снабженного приводом 8 многопозиционного крана 9. Принцип действия и конструкция многопозиционного крана 9 известны - он снабжен картриджем, при вращении которого происходит поочередное подсоединение выходного отверстия крана с одним из его входных отверстий, соединенных с соответствующей всасывающей головкой. Переключение крана происходит с помощью электрического двигателя, установленного в герметичный корпус (на чертеже позициями не обозначены). Выходное отверстие многопозиционного крана 9 присоединено шлангом 10 к насосу 11, выходной патрубок которого соединен шлангом 12 взвесепровода с береговой станцией приема и обработки проб (не показана). Насос 11 закреплен на одной из граней рамы 1 и подключен к береговому блоку дистанционного питания и управления (не показан), к которому подключен привод многопозиционного крана 9.
Цикл работы устройства для отбора проб взвеси осуществляется следующим образом. Рама 1 устанавливается на заданной глубине шельфа моря в зоне проведения исследовательских работ. Шланг 12 подачи взвеси, кабель питания и управления устройством подсоединены к береговой станции обработки проб. При включении питания насоса 11 происходит подача отбираемой пробы с одного из заданных горизонтов моря. Суспензия засасывается одним из пробозаборников (трубой, снабженной всасывающей головкой), соединенным в данный момент через многопозиционный кран 9 с всасывающим патрубком насоса 11. Изменение горизонта отбора пробы и, соответственно, подача команды на срабатывание другого пробозаборника, происходит или автоматически, по заданной программе, или в ручном режиме по желанию оператора, подачей команды на включение электродвигателя. Электродвигатель осуществляет поворот картриджа многопозиционного крана 9, обеспечивая подключение следующего пробоотборника к всасывающему патрубку насоса. Далее суспензия подается по шлангу на береговую станцию обработки проб.
По окончании заданного цикла измерений местоположение устройства может быть изменено, что позволяет увеличить площадь исследуемой прибрежной зоны.
Устройство для отбора проб минеральной взвеси надежно, технологично в производстве, удобно в эксплуатации и имеет широкий диапазон использования.