Устройство для отбора проб минеральной взвеси с различных горизонтов в придонном слое моря в зоне интенсивного волнения и обрушения волн
DEVICE FOR SAMPLING MINERAL SUSPENDED SOLID MATERIALS FROM VARIOUS HORIZONS IN A SEABED LAYER IN ZONES OF INTENSIVE RISE AND FALL OF WAVES AND WAVE BREAKING

Изобретение относится к области океанологических и инженерно-гидрогеологических исследований прибрежных районов шельфа и предназначено для отбора проб минеральной взвеси с различных горизонтов придонного слоя моря в зоне больших скоростей волновой и турбулентной природы для получения достоверных данных о размерном и физико-химическом составе взвеси, о ее концентрации и распределении по вертикали (вертикальный профиль взвеси). Эти данные позволяют судить о процессах седиментации и получить количественные опенки переноса (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 взвешивания (взмучивания), 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.
Для задач отбора проб взвеси с определенных горизонтов водоема наиболее часто применяются два метода - с использованием накопительных стаканов для осаждения проб (так называемых ловушек взвеси), которые с заданной периодичностью обслуживаются операторами-водолазами, и с использованием насосов, которые обеспечивают непрерывность процесса отбоpa проб. Аналогами изобретения являются устройства с использованием насосов.
Например, известно устройство [Inst, of Hydroengng, Gdansk, Poland. Basinski, Т., Kasperowicz, Z. & Onischenko, E. (1980a). Continuous-suction sampler for measuring of sediment concentration]. Устройство предназначено для установки на стационарном береговом или специально созданном морском сооружении и содержит: лебедку; насос, снабженный входным патрубком (с заборным отверстием) и выходным патрубком; присоединенную к выходному патрубку насоса линию подачи взвеси в виде шланга; направляющую с кронштейном для крепления насоса, которая обеспечивает положение заборного отверстия на заданном горизонте моря; кабель питания насоса. Сходными признаками с заявленным изобретением являются: пробоотборник в виде шланга; насос с кабелем питания; присоединенный к насосу шланг подачи взвеси; средство установки заборного отверстия на заданном горизонте моря.
Недостатком этого аналога является отсутствие мобильности, так как устройство предназначено для исследований только в одной оборудованной точке. Устройство недостаточно эффективно при исследовании зон с большими волновыми нагрузками, технология измерений в таких зонах сложна и трудоемка, особенно - для задачи определения вертикального профиля распределения проб.
Известно устройство для отбора проб взвеси с определенных горизонтов водоема с помощью насоса [Measuring instruments for sediment transport. Euromarine, Internet site]. Устройство выполнено в виде рамы с закрепленными на ней (и установленными на соответствующих горизонтах отбора проб) пробозаборниками в виде горизонтально расположенных трубок, которые через насос, обеспечивающий перекачку суспензии, соединены с береговой (или надводной) станцией обработки проб. Устройство подвешено через вертлюг и снабжено стабилизатором, позволяющим устройству принимать направление по течению.
Сходными с существенными признаками заявленного изобретения являются следующие признаки аналога: трубовидный пробозаборник с заданным проходным сечением, который снабжен насосом и средством подачи отобранной минеральной взвеси на береговую станцию приема и обработки проб. В отличие от изобретения в аналоге функции насоса и средства доставки взвеси объединены - в нем используется перистальтический насос. Аналогу присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, поэтому он выбран в качестве прототипа.
Прототип обладает свойством мобильности и обеспечивает автоматическое дистанционно управляемое оперативное определение вертикального профиля распределения минеральной взвеси. Однако жесткое, неизменное расположение пробоотборников относительно друг друга обусловливает определенную дискретность измерения этого профиля. При применении в морских условиях в прототипе велика вероятность засорения, а то и полного перекрытия заборных всасывающих отверстий водорослями. Оптимальная работа прототипа обеспечивается только в местах со стабильным однонаправленным течением (поэтому его наиболее целесообразно применять при исследовании рек). В морских условиях наличие в прототипе стабилизатора вносит дополнительные возмущения в исследуемую среду. Таким образом, при работе в шельфовой зоне моря, в зоне интенсивного волнения и обрушения волн, надежность работы прототипа, а также достоверность получаемых им данных, недостаточны.
В основу изобретения поставлена задача создания устройства для отбора проб минеральной взвеси с различных горизонтов в придонном слое моря, которое обладает преимуществами прототипа и совокупностью существенных признаков которого обеспечивается новое техническое свойство - возможность забора пробы в любой точке среды по вертикали, минимизация возмущений, вносимых самой конструкцией устройства в точке измерений (что очень важно в условиях случайного пульсирующего движения водных масс в различных направлениях), и устранение фактора самопроизвольного прерывания забора пробы из-за засорения всасывающего отверстия водорослями.
Указанное новое свойство обеспечивает технический результат изобретения - повышение точности и достоверности определения качественного и количественного состава проб взвеси, их вертикального распределения.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для отбора проб минеральной взвеси в придонном слое моря в зоне шельфа, содержащем трубовидный пробозаборник с заданным проходным сечением, который снабжен насосом и средством подачи взвеси на береговую станцию приема и обработки проб, новым является следующее: оно содержит несущую раму в виде закрепленной грузами на дне моря прочной выполненной из прутка пирамиды; внутри несущей рамы жестко закреплена вертикальная направляющая заданной длины, выполненная в виде жестко соединенных между собой прутков заданного поперечного сечения; пробозаборник выполнен в виде шланга заданной жесткости и заданной длины; на входном конце пробозаборника соосно его входному отверстию жестко с герметизацией закреплена закрытая цилиндрическая полая всасывающая головка; боковая поверхность всасывающей головки выполнена с заборными отверстиями с заданной проходной способностью и снаружи защищена фильтром; входной конец пробозаборника размещен в вертикальной направляющей с возможностью вертикального скольжения в ней его всасывающей головки; наружный диаметр всасывающей головки превышает на заданную величину наружный диаметр пробозаборника; отверстия на боковой поверхности всасывающей головки имеют одинаковую форму и одинаковые геометрические размеры, выполнены в одной плоскости, перпендикулярной оси всасывающей головки, и расположены радиально относительно этой оси и симметрично относительно друг друга; выходной конец пробозаборника соединен с входным патрубком жестко закрепленного на несущей раме насоса, выходной патрубок которого соединен со шлангом подачи взвеси на береговую станцию приема и обработки проб; фильтр выполнен в виде неплотно прилегающего к наружной боковой поверхности вертикальной направляющей чулка из мелкоячеистой сети с заданной проходной способностью; в верней части несущей рамы жестко закреплена снабженная двигателем катушка, на рабочей поверхности которой, в винтовой направляющей, уложена заданная часть пробозаборника; двигатель катушки подключен к береговому блоку дистанционного питания и управления.
Преимущественно несущая рама выполнена в виде трехгранной пирамиды, а вертикальная направляющая - в виде соединенных между собой трех прутков.
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежа, на котором изображен общий вид устройства (в двух проекциях) и конструкция пробозаборника (выносной элемент I с поперечным сечением А-А).
Устройство для отбора проб взвеси содержит несущую раму 1, опорная часть которой 2 является распределенным грузом, который удерживает раму 1 на дне моря в заданном районе исследований. Конструкция рамы обеспечивает работу устройства в зоне больших скоростей турбулентного потока и представляет собой прочную конструкцию в виде трехгранной, пирамиды, изготовленной из прутка круглого сечения заданного диаметра. Такая прочная ажурная конструкция обеспечивает минимальную гидродинамическую нагрузку на раму и обеспечивает минимальное влияние рамы на гидродинамику взвешивания и переноса взвеси. Детали рамы соединены между собой резьбовыми крепежными элементами.
Внутри рамы 1, в ее центральной части, жестко закреплен пробозаборник 3 в виде шланга заданной жесткости заданной длины и с заданным, проходным сечением. Входной конец пробозаборника 3 размещен в вертикальной направляющей 4, которая жестко закреплена внутри несущей рамы 1 и выполнена в виде жестко соединенных между собой поперечными кольцами, расположенными с шагом порядка 100 мм, трех прутков заданного поперечного сечения и одинаковой заданной длины. Заданное поперечное сечение прутков обеспечивает требуемую прочность направляющей 4. Длина направляющей 4 (длина этих трех прутков) соответствует заданному диапазону горизонтов взятия проб.
На входном конце пробозаборника соосно его входному отверстию жестко с герметизацией закреплена закрытая цилиндрическая полая всасывающая головка 5, боковая поверхность которой выполнена с заборными отверстиями 6 заданной формы с заданной проходной способностью - общая площадь этих заборных отверстий 6 равна эффективной площади проходного сечения пробозаборника 3 (шланга). Заборные отверстия 6 имеют одинаковую форму (могут быть выполнены щелевидными или круглыми) и одинаковые геометрические размеры, выполнены в одной плоскости, перпендикулярной оси всасывающей головки 5, и расположены радиально относительно этой оси и симметрично относительно друг друга, что обеспечивает равные условия забора проб со всех сторон всасывающей головки 5, а также - забор проб именно на заданном горизонте, и эти горизонты идентифицируются системой определения положения всасывающей головки относительно вертикальной направляющей (причем эта система может быть выбрана из числа известных).
Всасывающая головка 5 имеет заданную длину, ее наружный диаметр превышает на заданную величину наружный диаметр пробозаборника 3, что позволяет установить пробозаборник 3 в направляющей 4 с возможностью вертикального скольжения в этой направляющей его всасывающей головки 5. Всасывающая головка 5 установлена в направляющей 4 с заданным (минимально возможным) зазором.
Заборные отверстия 6 всасывающей головки 5 защищены фильтром 7, который выполнен в виде неплотно прилегающего к наружной боковой поверхности вертикальной направляющей 4, по всей ее длине, чулка из мелкоячеистой сети с заданной проходной способностью. Такая конструкция фильтра 7 обеспечивает его самоочищение от водорослей при волновом воздействии на него масс воды.
В верней части несущей рамы 1 жестко закреплена катушка 8, снабженная двигателем 9. Устройство снабжено насосом 10, который вынесен за пределы зоны измерений и расположен рядом с катушкой 8. Снаружи двигатель 9, катушка 8 и насос 10 защищены обтекателем (на чертеже позицией не обозначен.). На рабочей поверхности катушки 8, на ее барабане, уложена (намотана) часть пробозаборника 3 (шланга), обеспечивающая, при вращении катушки, линейное перемещение всасывающей головки в пределах заданного диапазона глубин измерений. Для этого рабочая поверхность катушки 8 выполнена в виде винтовой направляющей - винтового желоба.
Заданная жесткость шланга 3 и его заданная длина обеспечивают беспрепятственное наматывание на катушку 8 и сматывание с нее шланга в процессе его перемещения, обеспечивают вертикальное перемещение всасывающей головки 5 пробозаборника в необходимом диапазоне глубин измерения - от самого нижнего до самого верхнего горизонтов и в обратном направлении. Двигатель 9 подключен кабелем (позицией не обозначен) к береговому блоку дистанционного питания и управления.
Выходное отверстие пробозаборника 3 через соединение с радиальным уплотнением соединено с входным патрубком насоса 10, обеспечивающим подачу отобранной пробы через шланг 11 подачи взвеси на береговую станцию обработки проб. Насос 10 жестко закреплен на одной из опор узла вращения катушки, на стороне выходного отверстия пробозаборника.
Цикл работы устройства для отбора проб взвеси осуществляется следующим образом.
Рама 1 с распределенным грузом 2 устанавливается на заданной глубине шельфа моря в зоне проведения исследовательских работ. Шланг 11 подачи взвеси и кабель питания и управления устройством подсоединены к береговой станции обработки проб. Входной конец пробозаборника (шланга) 3 размещен в вертикальной направляющей 4 так, что заборные отверстия 6 всасывающей головки 5 пробозаборника 3 зафиксированы на заданном, самом нижнем, горизонте моря. Заданная часть шланга 3 намотана на барабан катушки 8.
При включении питания насоса 10 происходит подача отбираемой пробы всасывающей головкой 5 пробоотборника с этого заданного горизонта. Изменение горизонта отбора пробы происходит посредством подачи команды на включение электродвигателя 9 катушки 8, при вращении которой происходит вертикальное перемещение всасывающей головки 5, за счет проскальзывания ее в направляющей 4, до следующего заданного горизонта отбора пробы. Во время перемещения вверх всасывающей головки 5 часть шланга наматывается на барабан катушки 8 по винтовой линии, а другая часть шланга, введенная внутрь барабана и выведенная наружу по его оси, через радиальное уплотнение подсоединена к входному патрубку насоса 10. В данном конкретном примере исполнения устройства радиальное уплотнение является средством компенсации скручивания выходного конца пробозаборника в процессе вращения барабана катушки. Команда на включение электродвигателя 9 и насоса 10 происходит по заданной программе автоматически или в ручном режиме, причем включение насоса происходит строго на заданных горизонтах отбора проб, но не во время перемещения всасывающей головки. Далее суспензия подается по шлангу 11 на береговую станцию обработки проб.
То есть, в пределах заданного цикла измерений всасывающая головка 5 скользит вверх в направляющей 4 от самого нижнего заданного уровня до самого верхнего заданного уровня, обеспечивая отбор проб взвеси на любых выбранных горизонтах, а система определения положения всасывающей головки относительно вертикальной направляющей 4 позволяет идентифицировать относительно этих выбранных горизонтов поступающие по шлангу 11 пробы взвеси. При включении двигателя 9 в реверсном режиме процесс отбор проб происходит с верхнего заданного уровня до нижнего.
По окончании заданного числа циклов измерений местоположение устройства может быть изменено, что обеспечивает исследование больших площадей прибрежной зоны.
Заявленное устройство надежно, технологично в производстве, удобно в эксплуатации и имеет широкий диапазон использования. Несмотря на кажущуюся простоту согласно замыслу изобретения обеспечивается возможность осуществлять отбор проб на любых как стандартных, так и не стандартных горизонтах, что существенно повышает возможности исследований транспорта донных наносов и минимизирует вносимые самим устройством возмущения в исследуемое пространство.