Автономный подводный зонд-флуориметр
AUTONOMOUS UNDERWATER FLUORIMETER PROBE

Изобретение относится к приборостроению для проведения исследований параметров морской воды методами спектрофлуорометрии и может быть использовано в экологии, лимнологии, океанологии в качестве устройства для in situ исследований функционирования фитопланктонных сообществ и процессов распределения растворенных органических веществ, а также для мониторинга антропогенного загрязнения морских и пресноводных акваторий.
Известен флуориметр, предназначенный для установки на управляемые подводные аппараты (п. США №8017928 В2). Прибор представляет из себя герметичный корпус из двух блоков, в одном из которых смонтирован источник возбуждающего излучения на базе мощного светодиода с оптической системой фокусировки этого излучения в толщу воды, а во втором собран высокочувствительный фотодиодный датчик флуоресценции. Прибор производит регистрацию флуоресценции растворенных в воде загрязняющих веществ непосредственно в толще воды, без использования проточной кюветы.
Также известен зонд-флуориметр для измерения концентрации хлорофилла А, использующий в качестве источника возбуждения флуоресценции мощный светодиод, излучающий на длине волны 350 нм (в.з. Китая №101403695 А). Прибор представляет из себя погружаемый в воду герметичный корпус из нержавеющей стали, в котором установлена система обработки данных на базе микроконтроллера, на которую подается сигнал с высокочувствительного фотодиода. Прибор не имеет встроенной памяти для записи результатов измерений и требует постоянного подключения к ПК.
Основными недостатками известных решений является использование для возбуждения флуоресценции некогерентного светодиодного источника излучения, что уменьшает точность измерений и увеличивает энергопотребление. Кроме этого, известные решения не регистрируют такие вспомогательные оптические параметры, как комбинационное рассеяния (КР) воды, флуоресценцию растворенных органических веществ (РОВ), необходимые для нормирования и корректировки измеренных значений флуоресценции хлорофилла А, что уменьшает точность измерений.
Известен двухканальный флуориметр для регистрации и измерения динамики дифференциального флуоресцентного сигнала нано- и микрообъектов, являющийся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому. Флуориметр, выполнен в виде гермокорпуса с верхней и нижней крышками, содержит герметичную кювету с измерительной камерой с крышкой, аккумуляторы, высокочувствительные фотодиоды в комбинации с интерференционными светофильтрами с герметичными иллюминаторами, мощный светодиодный источник излучения с системой фокусировки и герметичным иллюминатором, блок АЦП, систему обработки данных на базе микроконтроллера, а также оборудован датчиками измерения температуры и давления (п. РФ №2375701 С1).
Основным недостатком данного решения является также использование в качестве источника возбуждения флуоресценции некогерентного светодиодного источника, генерирующего как излучение в заданном диапазоне длин волн, так и "паразитное" излучение в широком спектральном диапазоне и требующего сложной оптической системы фокусировки и дорогостоящих узкополосных интерференционных фильтров, что снижает интенсивность возбуждающего излучения и ухудшает энергоэффективность прибора, увеличивает габариты прибора и уменьшает его надежность. Кроме этого, у светодиодных источников присутствует зависимость длины волны возбуждающего излучения от температуры прибора, что дополнительно снижает точность измерений за счет того, что вариации длины волны возбуждающего излучения приводят к вариациям регистрируемых сигналов флуоресценции и таким образом входят в ошибку результирующих измерений.
Устройство регистрирует флюоресценцию различных нано и микрообъектов, а также температуру и давление среды, но не регистрирует вспомогательные оптические параметры, например, такие как комбинационное рассеяния воды, флуоресценцию растворенных органических веществ (РОВ) и другие, необходимые для нормирования и корректировки измеренных значений флуоресценции. Кроме того, в прототипе используют измерительную камеру, через которую вода прокачивается посредством насоса, что увеличивает потребление энергии и снижает автономность.
Решаемая проблема - расширение ассортимента автономных подводных" зондов-флуориметров.
Технический результат - предложенная конструкция зонда позволяет получить высокую точность регистрации излучения флуоресценции (чувствительность к излучению флуоресценции), обеспечивает низкое энергопотребление, повышенную автономность, имеет малые габаритные размеры и высокую надежность.
Проблема решается автономным подводным зондом - флуориметром для измерения биооптических параметров морской воды, включающим гермокорпус с верхней и нижней крышками, содержащий систему обработки данных на базе микроконтроллера, блок АЦП, аккумуляторы, датчики температуры и давления забортной воды, установленные в верхней крышке, а также, содержащий герметично установленные в нижней крышке корпуса датчики - сателлиты, включающие соединенные с системой обработки данных когерентный источник возбуждения в виде полупроводникового лазера, излучающего на длине волны 447 нм с оптической системой фокусировки и герметичным иллюминатором, высокочувствительные фотодиоды с пиковой чувствительностью на длине волны 690 нм и соответствующими оптическими фильтрами и фокусирующими линзами, регистрирующие интенсивность лазерного излучения, излучение флуоресценции хлорофилла "А" комбинационное рассеяние воды и флуоресценцию растворенных органических веществ.
На Фиг. 1 показано расположение иллюминаторов источника возбуждения и датчиков-саттелитов, где 1 - приемное окно датчика флуоресценции хлорофилла А; 2 - сателлит-излучатель, содержащий в своем составе мощный полупроводниковый лазер; 3 - датчик-сателлит, предназначенный для регистрации интенсивности лазерного излучения; 4 - датчик-сателлит, регистрирующий интенсивность пика комбинационного рассеяния (КР) воды; 5 - датчик -сателлит регистрирующий интенсивность флуоресценции растворенных органических веществ (РОВ).
На Фиг. 2 приведена принципиальная схема заявляемого зонда-флуориметра, где 1.1 - фотодиод датчика флуоресценции хлорофилла, 1.2 - оптический фильтр датчика флуоресценции, 2.1 - полупроводниковый лазер с системой оптической фокусировки; 3.1 - фотодиод датчика интенсивности лазерного излучения; 3.2 - оптический фильтр датчика интенсивности лазерного излучения; 4.1- фотодиод датчика КР; 4.2 - оптический фильтр датчика КР; 5.1 - фотодиод датчика флуоресценции РОВ; 4.2 - оптический фильтр датчика флуоресценции РОВ; 6 -система обработки данных на базе микроконтроллера; 7 - АЦП; 8 - датчик температуры забортной воды; 9 - датчик давления; 10 - энергонезависимая память; 11 - блок питания.
На Фиг. 3 приведена фотография нижней крышки зонда флуориметра.
Автономный подводный зонд-флуориметр представляет из себя герметичный металлический корпус, имеющий верхнюю и нижнюю крышки. Внутри корпуса расположены батареи большой емкости, например, литиевые, а также система обработки данных на базе микроконтроллера (6). На верхней крышке прибора расположены датчики, измеряющие температуру (8) и давление забортной воды (9). В центральной части нижней крышки прибора расположено приемное окно (1) датчика, регистрирующего интенсивность флуоресценции хлорофилла А, сателлит-излучатель (2.1), содержащий в своем составе мощный полупроводниковый лазер излучающий на длине волны 447 нм., сблокированный с оптической системой фокусировки, а также датчики-саттелиты, предназначенные для регистрации интенсивности лазерного излучения (3), пика комбинационного рассеяния (КР) воды (4) и интенсивность флуоресценции растворенных органических веществ (РОВ) (5). Все датчики располагаются под прямыми углами друг к другу по осям декартовой системы координат.
В качестве источника возбуждения флуоресценции (2.1) используют полупроводниковый лазер, обладающий высоким КПД и генерирующим когерентное излучение на строго заданной длине волны 447 нм, например, типа PL-ТВ450 В.
Зонд способен автономно работать на глубинах до 100 метров на протяжении четырех суток и производить измерение биооптических параметров в толще воды, без использования насоса, прокачивающего воду через измерительную кювету.
Дополнительно установленные датчики-саттелиты (3-5) позволяют расширить информацию о состоянии фитопланктонных сообществ и их функционировании и повысить точность измерения флуоресценции хлорофилла-А.
Устройство работает следующим образом. Перед погружением зонда-флуориметра в воду с него снимается верхняя крышка, под которой расположены установленные на плате системы обработки данных (6) выключатель "работа / сон" и разъем MicroUSb микрококонтроллера для подключения к рабочему компьютеру. Зонд дата-кабелем подключается к компьютеру, при помощи которого задаются основные параметры измерения, после чего выключатель "работа/сон" переводится в положение "работа", крышка герметично закрывается и зонд погружается в воду.
В режиме "работа", микроконтроллер системы обработки данных (6) (Фиг. 2), через заданные временные интервалы, подает сигнал на включение полупроводникового лазера (2.1), установленного в сателлите и работающего на длине волны 447 нм, являющейся оптимальной для одновременной регистрации флуоресценции хлорофилла А, флуоресценции РОВ на длине волны 500 нм и комбинационного рассеяния воды на длине волны 532 нм (Попик А.Ю. Динамика спектров лазерной индуцированной флуоресценции хлорофилла-а фитопланктона в условиях меняющихся параметров внешней среды Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Владивосток 2015 стр. 17. Рис 1.2).
В результате воздействия оптического излучения в воде возникают следующие оптические эффекты: упругое рассеяние на длине волны излучения лазера, комбинационное рассеяние на молекулах воды, пропорциональное интенсивности возбуждающего излучения лазера, флуоресценция, содержащегося в клетках фитопланктона хлорофилла А, флуоресценция, растворенных органических веществ (РОВ), возникших в результате жизнедеятельности фитопланктона, поднявшихся со дна, или терригенного происхождения. Для нормировки и корректировки регистрируемых сигналов флуоресценции хлорофилла А и РОВ с учетом оптических свойств анализируемого объема воды, используют интенсивность комбинационного рассеяния воды, а также температуру забортной воды. Интенсивность флуоресценции РОВ используют для корректировки сигнала флуоресценции хлорофилла А в водах с высоким содержанием РОВ, где данные вещества начинают сказываться на флуоресценции в области 660-700 нм. После включения лазера (2.1) микроконтроллер системы обработки данных (6) последовательно опрашивает входы многоразрядного, например, 18 разрядного, АЦП (7), которые подключены к интегрированным высокочувствительным фотодиодам (1.1,3.1,4.1,5.1), например, типа TSL2571f. Высокочувствительные фотодиоды, расположенные каждый в своем датчике-сателлите, сблокированы с соответствующими оптическими фильтрами и фокусирующими линзами (1.2,3.2,4.2,5.2), что обеспечивает регистрацию излучения в диапазонах спектра, соответствующих описанным выше эффектам: комбинационное рассеяние на длине волны 532 нм, флуоресценция хлорофилла «А» на длине волны 680 нм, флуоресценция РОВ на длине волны 500 нм, а также интенсивность лазерного излучения с целью проверки того, что лазер работает в штатном режиме. Также микроконтроллер системы обработки данных (6) опрашивает цифровые датчики температуры (8) и давления забортной воды (9). Все данные, получаемые с каналов АЦП (7) записываются в систему обработки данных (6) и энергонезависимую память прибора (10). По истечении заданного времени эксперимента, зонд-флуориметр извлекается из воды и при помощи выключателя переводится в режим "сон". В дальнейшем, при помощи рабочего ПК из флуориметра извлекаются данные проведенных измерений, аккумулятор заряжается и прибор подготавливается к следующей серии измерений.
Все элементы устройства являются промышленно выпускаемыми, а приведенные длины волн известны для регистрации указанных эффектов. (Попик А.Ю. Динамика спектров лазерной индуцированной флуоресценции хлорофилла-а фитопланктона в условиях меняющихся параметров внешней среды Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Владивосток 2015 стр. 17. Рис 1.2; Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов. М: Техносфера, 2007 стр. 312; А.Н. Дроздова Оптические свойства растворенного органического вещества поверхностного слоя воды моря Лаптевых Оптика и спектроскопия, 2019, том 126, вып. 3). Корпус зонда может быть изготовлен как из термореактивного пластика, так и металла.
За счет предложенной конструкции зонда, использующего в качестве источника возбуждения полупроводниковый лазер, обладающий высоким КПД и генерирующим когерентное излучение на строго заданной длине волны 447 нм, и не содержащий в своем составе проточной кюветы и насоса, необходимого для принудительной прокачки жидкости через кювету, позволяет значительно уменьшить энергопотребление, увеличить автономность и надежность прибора, а также уменьшить его габариты, в то время как использование датчиков-сателлитов, измеряющих вспомогательные оптические параметры необходимые для нормирования и корректировки измеренных значений флуоресценции: КР-воды, флуоресценцию РОВ, интенсивность лазерного излучения, заявляемый зонд-флуориметр, позволяет повысить точность измерения флуоресценции хлорофилла "А".