Устройство для отбора проб воды из подледных водоемов

Полезная модель относится к области океанологии и лимнологии, в частности к пробоотборным устройствам, применяемым для извлечения проб воды с больших глубин морей и озер с целью изучения состава и количества растворенного в воде газа и проведения физико-химических и биологических исследований воды, извлеченной с различных глубин. Работа с пробоотборником может производиться с борта судна или с поверхности льда через скважину небольшого диаметра. Полезная модель также может использоваться в карьерах, прудах и других водных объектах искусственного происхождения. Основное назначение полезной модели заключается в извлечении проб воды и растворенных в ней газов из подледниковых водоемов через пробуренную ледовую скважину, заполненную незамерзающей холодной жидкостью.
В качестве аналога рассмотрено устройство по патенту РФ №2244913 "Устройство для отбора проб из подледных водоемов" [1]. Устройство содержит: цилиндрический корпус, в котором смонтированы нижний и верхний нагреватели, грузонесущий кабель для выполнения спуско-подъемных операций, кабельный замок для крепления устройства на грузонесущем кабеле, блок электроразъемов, блок, содержащий набор параллельно соединенных кассет, в каждой из них находится микробиологический фильтр (например: поликарбонатный фильтр 0,23 мкм), два электромагнитных клапана для изоляции исследуемой пробы от окружающей среды и насос для прокачки исследуемой воды через блок, трубу для выливания отфильтрованной воды в озеро. Устройство работает следующим образом. После проходки скважины с использованием заливочной жидкости для бурения и вскрытия скважиной подледного водоема буровой снаряд извлекается из скважины. При этом определенная часть воды поднимается в скважину до выравнивания давлений в водоеме и столба заливаемой жидкости в скважине. Затем через скважину в исследуемый водоем опускается устройство для отбора проб с предварительно простерилизованным блоком фильтров на заданную глубину, посредством грузонесущего кабеля. Так как за время спуско-подъемных операций вода, поднявшаяся в скважину, может намерзнуть на стенках скважины, устройство опускают с включенным нижним нагревателем. На заданной глубине, открываются электромагнитные клапаны, включают насос, обеспечивающий поступление подледниковой воды во внутренний сосуд, который прокачивает исследуемую воду через блок, содержащий набор параллельно соединенных кассет с микробиологическими фильтрами. При этом вода прокачивается через все кассеты этого блока фильтров параллельно, благодаря чему суммарная площадь фильтров при сравнительно небольшом диаметре пробоотборника позволяет значительно увеличить объем исследуемой пробы. Профильтрованная вода через трубу попадает обратно в озеро. По окончании процесса пробоотбора оба электромагнитных клапана закрывают, выключают насос, и устройство извлекают из скважины. После извлечения устройства из скважины из него вынимается блок с кассетами вместе с электромагнитными клапанами, находящимися в закрытом положении, и передается для проведения исследований воды. Устройство имеет следующие недостатки:
1) устройство не обеспечивает качественный отбор пробы, поскольку заливочная жидкость из скважины попадает в устройство при открытии клапана и включении насоса поступит на стерильные фильтры и загрязнит их;
2) порция заливочной жидкости, содержащаяся в полости перед входным клапаном, проходит через устройство, насос и выпускной клапан и поступает в озеро, что приведет к загрязнению подледного водоема;
3) наличие активных механических устройств: насоса и клапанов, снижает надежность устройства в условиях высокого давления в подледных водоемах;
4) устройство создано для сбора микробиологических проб на фильтрах и не предназначено непосредственно для извлечения проб воды и растворенного в ней газа.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является устройство, по патенту РФ №2645539 "Устройство для отбора пробы воды из подледных водоемов" [2]. Устройство предназначено для отбора пробы подледной воды, которая поступает из озера в нижнюю часть пробуренной скважины.
Устройство содержит наружный корпус, расположенную внутри него пробоотборную емкость, нагреватели, отверстия в наружном корпусе и внутреннем сосуде, причем верх наружного корпуса имеет средства для закрепления подъемного механизма, а отверстие в дне наружного корпуса предназначено для вывода пробоотборной трубки, внутри пробоотборной емкости установлен электромагнит и расположен поршень, и на боковой поверхности в верхней части пробоотборной емкости выполнено боковое отверстие для поступления пробы воды внутрь сосуда, в дне пробоотборной емкости выполнено другое отверстие, предназначенное для слива воды из-под поршня в наружный корпус, причем пробоотборная емкость снабжена крышкой с буртиком, герметично охватывающим его наружную часть, и крышка с буртиком установлена на пробоотборной емкости с образованием зазора вверху, а в зазоре между наружным корпусом и пробоотборной емкости расположена трубка, которая является пробоотборной, один конец которой выведен с обеспечением герметичности наружу через отверстие в дне наружного корпусе. Верхняя часть крышки внутреннего сосуда имеет два сквозных отверстия с заглушками, а внутри буртика крышки по всей его высоте выполнено сквозное вертикальное отверстие, в которое герметично входит второй конец пробоотборной трубки, и вбок от этого отверстия в буртике по направлению к внутреннему сосуду выполнено два отверстия, первое из которых совмещено с отверстием на стенке в верхней части внутреннего сосуда для поступления анализируемой пробы воды, а второе отверстие в буртике совмещено с верхним зазором между крышкой и краем пробоотборной емкости для обеспечением сообщения с зазором между внутренним сосудом и наружным корпусом. Нагревательные элементы установлены на наружной части пробоотборной трубки и в зазоре между наружным корпусом и пробоотборной емкостью. Электромагнит имеет кабель, выведенный на поверхность льда водоема.
Таким образом, в прототипе наружный корпус пробоотборника выполняет защитную функцию пробоотборной емкости, служит для размещения элементов крепежа грузонесущего кабеля, но также и совмещает одновременно элементы пробоотбора, т.к. пробоотборная труба размещена именно внутри наружного корпуса вне пробоотборной емкости.
Устройство имеет следующие недостатки, ограничивающие его использование:
1) устройство не позволяет производить отбор растворенного в воде газа;
2) с помощью устройства можно отбирать только пробу, поступившую в скважину из водоема, устройство не предназначено для отбора пробы ниже скважины внутри водоема из-за конструкции наружного корпуса в виде трубы;
3) устройство сложно в эксплуатации, т.к. для закрытия пробоотборной трубки на ее наружном конце намораживается ледяная пробка с последующим ее расплавлением электрическим нагревателем в месте пробоотбора, что усложняет процедуру подготовки и проведения пробоотбора;
4) процедура удаления пробы из пробоотборной емкости недостаточно стерильна, поскольку для удаления пробы необходимо введение внутрь пробоотборной емкости трубки для слива пробы воды и трубки для подачи вытесняющего ее газа, что потенциально создает условия для загрязнения пробы;
4) для удаления пробы из пробоотборной емкости используется система подачи сверхчистого газа, что усложняет и удорожает пробоотбор.
Техническим эффектом заявляемой полезной модели является получение проб не только воды, но и растворенного в ней газа непосредственно из подледного водоема через пробуренную ледяную скважину, которая заполнена заливочной жидкостью.
Технический эффект достигается тем, что в известном устройстве для отбора проб из подледных водоемов, включающем корпус пробоотборной емкости с отверстием в донышке, помещенный в защитный корпус с креплением для подъема, внутри в верхней части корпуса пробоотборной емкости расположен электромагнит, к которому примагничен поршень с магнитным кольцом сверху, конец вертикальной пробоотборной трубки выведен наружу, в верхней части корпуса пробоотборной емкости под электромагнитом выполнены два отверстия, новым является то, что пробоотборная трубка установлена внутри пробоотборной емкости, проходит через центр поршня, закреплена на нем в верхней своей части, имеет верхнюю резьбу под поршнем и выведена наружу через донышко пробоотборной емкости, на нижнем наружном резьбовом креплении пробоотборной трубки установлен фланец с уплотнительным кольцом и затвор, а два отверстия в верхней части корпуса пробоотборной емкости, расположенные под электромагнитом, снабжены вентилями, и наверху вдоль внутренней поверхности корпуса пробоотборной емкости выполнены пазы, длина каждого превышает расстояние между боковыми поршневыми уплотнительными кольцами, нагревательные элементы окружают пробоотборную емкость, а защитный корпус выполнен в виде каркаса и имеет коническую верхнюю часть.
Как было сказано выше, в прототипе наружный корпус пробоотборника выполняет защитную функцию пробоотборной емкости, служит для размещения элементов крепежа грузонесущего кабеля, но также и совмещает одновременно элементы пробоотбора, т.к. пробоотборная труба размещена именно внутри наружного корпуса вне пробоотборной емкости.
В заявляемом пробоотборном устройстве защитный корпус, выполненный в виде каркаса, обеспечивает доступ к двум вентилям на отверстиях в верхней части корпуса пробоотборной емкости, выполняет защитную функцию для пробоотборной емкости, вентилей и служит для размещения элементов крепежа грузонесущего кабеля, а пробоотборная трубка и другие элементы, связанные с пробоотбором, установлены внутри пробоотборной емкости. Пазы вдоль внутренней поверхности корпуса пробоотборной емкости с длиной каждого, превышающей расстояние между боковыми поршневыми уплотнительными кольцами, обеспечивают выравнивание давления над и под поршнем в начальный момент его движения, а также служат для заполнения пробоотборной емкости дистиллированной водой и удаления воздуха при заполнении.
Такие конструктивные изменения пробоотборника позволяют достичь технического эффекта, что подтверждено ниже.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, фиг 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5.
На фиг. 1 схематически изображен пробоотборник воды, где пробоотборная емкость 1, в нижней части корпуса пробоотборной емкости имеется донышко 2 с отверстием, а в верхней части расположено отверстие с вентилем 3а и отверстие с вентилем 3б, причем вентиль 3б находится выше вентиля 3а, и герметичный электрический разъем 4, а сам корпус пробоотборной емкости 1 снаружи имеет электронагревательные элементы с теплоизоляцией 5 и помещен в защитный корпус-каркас 6 с подъемным креплением 7, в котором закрепляется грузонесущий кабель 8. Внутри, в верхней части корпуса пробоотборной емкости 1 расположен электромагнит 9, который соединен с грузонесущим кабелем 8 через герметичный электрический разъем 4. Внутри корпуса пробоотборной емкости 1 на электромагните 9 примагничен поршень 10 с кольцом из магнитного сплава с радиальными пазами и уплотнительными поршневыми кольцами 11. Через поршень проходит пробоотборная трубка 12 с верхним резьбовым креплением 13 и нижним резьбовым креплением 14, которые предусмотрены для наворачивания фланца 15 с уплотнительным кольцом; затвор 16 наворачивается на нижнее резьбовое крепление 14.
На фиг. 2 изображен затвор 16 с резьбовым отверстием в верхней части, где 17 - боковые отверстия, 18 - уплотнительная прокладка.
На фиг. 3 представлено устройство в момент отбора пробы - при движении поршня вниз.
На фиг. 4 представлено устройство, где поршень находится в крайнем нижнем положении в пробоотборной емкости после отбора пробы воды.
На фиг. 5 представлено устройство в перевернутом положении при удалении пробы воды из пробоотборной емкости.
За счет конструктивного решения пробоотборник обеспечивает два режима пробоотбора. Первый режим предназначен для выделения и сбора растворенного в пробе воды газа с целью изучения его количественного состава на определенной глубине водоема. Второй режим предназначен для отбора пробы воды с целью проведения ее физико-химических и биологических исследований.
Пробоотборник воды работает следующим образом.
Подготовка устройства к отбору пробы на поверхности.
Электромагнит 9 удерживает в верхнем положении поршень 10 с кольцом из магнитного сплава с радиальными пазами. На нижнее резьбовое крепление 14 наворачивается и герметизируется фланец с уплотнительным кольцом 15 и затвор 16 в положении, когда прокладка 18 прижата к нижнему концу пробоотборной трубки 12. Вентили 3а и 3б находятся в открытом состоянии. Через вентиль 3а подается дистиллированная вода, прошедшая обработку для удаления растворенных в ней газов, которая протекает по пазам на внутренней боковой поверхности пробоотборной емкости и заполняет объем под поршнем 10.
Пазы вдоль внутренней поверхности корпуса пробоотборной емкости, каждый длиной, превышающий расстояние между боковыми уплотнительными кольцами поршня, обеспечивают выравнивание давления над и под поршнем в начальный момент его движения. Вытесняемый водой воздух через пазы на внутренней боковой поверхности пробоотборной емкости выходит наружу через вентиль 3б. При появлении воды на выходе вентиля 3б затвор 16 открывается (фиг. 2), прокладка 18 отходит от конца пробоотборной трубки 12, вода по радиальным пазам на магнитном кольце поршня 10, поступает в пробоотборную трубку 12 и заполняет затвор 16, после чего вентили 3б и 3а закрываются. Вода в пробоотборной трубке 12 удерживается атмосферным давлением, воздействующим через открытый затвор 16. Грузонесущий кабель 8 соединяется с герметичным электрическим разъемом 4 и фиксируется в подъемном креплении 7 (фиг. 1).
С помощью грузонесущего кабеля 8 производится опускание пробоотборного устройства через скважину с незамерзающей жидкостью в подледный водоем. Электронагревательный элемент с теплоизоляцией 5 находится во включенном состоянии, чтобы предотвратить замерзание дистиллированной воды в пробоотборной емкости.
После погружения пробоотборного устройства на заданную глубину, через грузонесущий кабель 8 к электромагниту 9 подается напряжение, и он отпускает поршень 10, который начинает двигаться вниз и вытесняет дистиллированную воду из пробоотборной емкости под поршнем через отверстие в донышке 2 наружу (фиг. 3). Боковые поршневые уплотнительные кольца 11 смещаются ниже пазов, выполненных на внутренней поверхности корпуса пробоотборной емкости (на фиг. 1 не показаны), уплотняют поршень 10 внутри пробоотборной емкости 1. При этом вода из водоема через затвор 16 и пробоотборную трубку 12 поступает в объем пробоотборной емкости над поршнем 10. Дистиллированная вода, которая содержится в пробоотборной трубке 12 и не содержащая растворенных газов, поступает в пробоотборную емкость 1 и смешивается с пробой из водоема. При этом не нарушается качественный биохимический и газовый состав пробы. После достижения поршнем крайнего нижнего положения он прижимается своим уплотнительным кольцом к донышку 2, процесс пробоотбора заканчивается, и пробоотборное устройство поднимают на поверхность. В результате понижения давления при подъеме из глубины и за счет прогрева пробоотборной емкости 1 электронагревательным элементом 5 растворенный газ выделяется из воды и собирается в верхней части пробоотборной емкости, при этом вода вытесняется газом наружу через пробоотборную трубку 12 и открытый затвор 16.
После подъема устройства на поверхность затвор 16 закрывается, фланец с уплотнительным кольцом 15 наворачивается на верхнее резьбовое крепление 13 пробоотборной трубки 12 и притягивает поршень 10 через уплотнительное кольцо под ним к донышку 2, герметичный электрический разъем 4 разъединяется, и грузонесущий кабель 8 отсоединяется от подъемного крепления 7 (фиг. 4). Пробоотборное устройство транспортируется в место, подготовленное для удаления из него отобранной пробы воды и выделенного из нее газа. Удаление пробы из пробоотборной емкости производится через вентиль 3а, к которому присоединяется внешняя система, обеспечивающая стерильно чистое извлечение пробы из пробоотборного устройства для проведения дальнейших физико-химических и биологических исследований. Режим отбора пробы воды.
После описанной выше процедуры подготовки устройства к отбору пробы на поверхности (фиг. 1) затвор 16 на нижнем резьбовом креплении 14 пробоотборной трубки 12 переводится в закрытое состояние (прокладка 18 прижата к концу пробоотборной трубки 12), вентиль 3а открывается, вентиль 3б закрыт. Устройство опускают на заданную глубину.
При погружении на заданную глубину через грузонесущий кабель 8 к электромагниту 9 подается напряжение, и он отпускает поршень 10, который начинает двигаться вниз, при этом вода из водоема через вентиль 3а поступает в объем пробоотборной емкости над поршнем 10, а дистиллированная вода, находящаяся под поршнем, через отверстие в донышке 2 выходит наружу. После достижения поршнем крайнего нижнего положения он прижимается своим нижним уплотнительным кольцом к донышку 2, процесс пробоотбора заканчивается, и пробоотборное устройство поднимается на поверхность. В результате понижения давления при подъеме из глубины и за счет прогрева пробоотборной емкости 1 электронагревательным элементом 5 растворенный газ выделяется из воды и выходит наружу через вентиль За, оставляя пробоотборную емкость полностью заполненной пробой воды.
После подъема на поверхность вентиль 3а закрывается, фланеп с уплотнительным кольцом 15 наворачивается на верхнее резьбовое крепление 13, притягивая поршень 10 через уплотнительное кольцо под ним к донышку 2, герметичный электрический разъем 4 разъединяется и грузонесущий кабель 8 отсоединяется от подъемного крепления 7.
Пробоотборное устройство транспортируется в место, где из него удаляется отобранная проба воды. Удаление пробы воды из пробоотборной емкости производится в перевернутом состоянии пробоотборной емкости 1 через вентиль 3а при закрытом вентиле 3б за счет перемещения поршня 10 вниз (фиг. 5). К вентилю 3а присоединяется внешняя система, обеспечивающая стерильно чистое извлечение пробы из пробоотборного устройства для проведения дальнейших физико-химических и биологических исследований.
Пробоотборник воды по сравнению с аналогами и прототипом обладает новыми качественными свойствами, которые заключаются в том, что он позволяет собирать пробы не только воды, но и растворенного в ней газа непосредственно из подледного водоема через пробуренную ледяную скважину, которая заполнена заливочной жидкостью.
К достоинствам устройства можно отнести также то, что упрощается процедура подготовки устройства к работе, процедура удаления пробы из пробоотборной емкости, повышается чистота отобранной пробы и защитный корпус-каркас позволяет извлекать пробоотборник из-подо льда, обеспечивая вход в нижнее отверстие ледовой скважины.
1 - корпус пробоотборной емкости, 2 - донышко с отверстием, 3 - отверстие с вентилем, 4 - герметичный электрический разъем, 5 - электронагреватель с теплоизоляцией, 6 - защитный корпус-каркас, 7 - подъемное крепление, 8 - грузонесущий кабель, 9 - электромагнит, 10 - поршень с магнитным кольцом, 11 - поршневые уплотнительные кольца, 12 - пробоотборная трубка, 13 - верхнее резьбовое крепление, 14 - нижнее резьбовое крепление, 15 - фланец с уплотнительным кольцом, 16 - затвор, 17 - боковые отверстия, 18 - уплотнительная прокладка.