АВТОНОМНАЯ ГИДРОХИМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ

Техническое решение относится к технике исследования акваторий и может быть использовано для химического контроля водной среды в буйковых станциях и/или в подводных аппаратах для проведения комплексных наблюдений при мониторинге акваторий.
Известные устройства (буйковые станции) [2-5] мониторинга водной среды измеряют, как правило, совокупность различных типов параметров и характеристик: гидрологических, гидрохимических, а также биологических, геофизических и технических. Однако, стремление к расширению числа измеряемых параметров и соответственно - к увеличению числа датчиков, в ряде случаев (например, в устройствах и системах [4, 5]), неоправданно и приводит к нежелательному усложнению устройств мониторинга и снижению их надежности.
Как показывает опыт [6, 7], для корректного решения задач мониторинга и оценки загрязненности акваторий, особенно речных портов, приоритетное значение (необходимое и достаточное) представляет химический анализ воды [8], и расширение числа измеряемых параметров не может считаться целесообразным как с технической, так и с экономической точек зрения.
Кроме того, в последнее время наметилась тенденция к конструированию узлов мониторинга в виде отдельных модулей [1, 7] которыми могут оснащаться различные системы мониторинга акваторий (буйковые станции, подводные аппараты).
Однако, модули химического анализа водной среды (см. например [6]), устанавливаемые на буях и автономных станциях [1-3, 6], имеют ограниченный технический ресурс вследствие недостаточной защиты ионоселективных датчиков от воздействия внешней агрессивной среды (основной недостаток ионоселективных датчиков химического анализа [8]), тем самым снижая технический ресурс в целом всей автономной буйковой станции, предназначенной и устанавливаемой для длительной автономной работы по анализу водной среды.
За прототип выбрана буйковая станция [1] для мониторинга акваторий по патенту RU 130946 U1, 10.08.2013.
Станция [1] для исследования водной среды содержит герметичный цилиндрический корпус с верхней и нижней крышками и закрепленными на них верхним и нижним ограждениями, внутри корпуса установлены блок электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры, блок приема-передачи информации, блок электропитания и блок управления. Снаружи корпуса закреплены соединенные с блоком электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры и блоком управления средства измерения параметров воды, включая радиометр и средство электрохимического анализа с ионоселективными датчиками, система всплытия-погружения, связанная с блоком управления и закрепленная на нижней крышке корпуса, антенны радио- и акустической связи и проблесковый маяк, установленные на верхней крышке корпуса.
Однако буйковая станция [1], как и другие аналоги, обладает недостаточным техническим ресурсом для продолжительной автономной работы вследствие недолговечности и невысокой надежности ионоселективных датчиков. Функциональные возможности устройства [1] могут быть расширены путем использования более оптимального числа ионоселективных датчиков и их рационального размещения в химическом модуле, а также путем использования нескольких унифицированных химических модулей анализа воды, работающих последовательно при длительном автономном мониторинге по мере их неплановых неисправностей и отказов.
Сущность предлагаемого технического решения - создание автономной гидрохимической станции для исследования водной среды, обеспечивающей длительную непрерывную автономную работу по анализу воды и предотвращающей необходимость подъема станции на поверхность акватории для замены вышедших из строя ионоселективных датчиков (модуля ионоселективных датчиков).
Основной технический результат - увеличение технического ресурса автономной гидрохимической станции посредством использования совокупности унифицированных геохимических модулей с встроенными ионоселективными датчиками, мембраны которых надежно защищены от нежелательного воздействия агрессивной внешней среды как в рабочем, так и в нерабочем состоянии (хранение, транспортировка к месту работ). Достоинством станции являются также оптимальное число рационально размещенных в геохимическом модуле ионоселективных датчиков, а также рациональное расположение совокупности закрепленных на корпусе станции геохимических модулей. Синергия надежной защиты ионоселективных датчиков от воздействия внешней агрессивной среды с рациональным конструктивным выполнением станции и модулей геохимических датчиков обеспечивает надежную непрерывную и длительную работу автономной гидрохимической станции без подъема ее на поверхность акватории.
Технический результат достигается следующим образом.
Автономная гидрохимическая станция для исследования водной среды содержит герметичный цилиндрический корпус с верхней и нижней крышками и закрепленными на них верхним и нижним ограждениями.
Внутри корпуса установлены блок электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры, блок приема-передачи информации, блок электропитания и блок управления. Снаружи корпуса закреплены соединенные с блоком электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры и блоком управления средства измерения параметров воды, включая радиометр и средство электрохимического анализа воды с ионоселективными датчиками, система всплытия-погружения, связанная с блоком управления и закрепленная на нижней крышке корпуса, антенны радио- и акустической связи и проблесковый маяк, установленные на верхней крышке корпуса.
Отличительной особенностью станции является то, что средство электрохимического анализа воды выполнено в виде совокупности унифицированных геохимических модулей с встроенными ионоселективными датчиками по числу измеряемых химических параметров, закрепленных по периметру цилиндрического корпуса. При этом каждый унифицированный модуль снабжен герметично прижимаемой к его корпусу крышкой, открываемой в рабочем состоянии по команде блока управления.
Отличие станции также заключается в том, что корпус унифицированного геохимического модуля выполнен в виде герметичного цилиндра, в основание которого по окружности встроены ионоселективные датчики, а в центре основания размещен датчик сравнения. Крышка корпуса модуля выполнена откидной и снабжена пружиной, герметичным клапаном и карданным механизмом, соединенным со смонтированными внутри корпуса модуля редуктором и двигателем. При этом в нерабочем состоянии крышка герметично прижата к снабженному уплотнительным кольцом основанию цилиндра корпуса и образует пространство между ними, которое заполнено инертным газом.
При этом совокупность закрепленных по периметру цилиндрического корпуса унифицированных геохимических модулей для длительного автономного мониторинга водной среды может содержать 6 и более модулей.
На фиг. 1 показана общая конструктивная схема автономной гидрохимической станции для исследования водной среды, фиг. 2 иллюстрирует вариант конструктивного выполнения станции, на фиг. 3 представлена конструктивная схема унифицированного геохимического модуля.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - корпус станции;
2 - унифицированный геохимический модуль;
3 - плавучесть;
4 - верхнее и нижнее ограждения;
5 - маяк проблесковый;
6 - гидрофон;
7 - антенный блок;
8 - радиометр;
9 - блок питания;
10 - штуцер размыкателя системы всплытия-погружения;
11 - герметичный корпус геохимического модуля;
12 - нижняя крышка (цоколь) модуля;
13 - верхняя откидная крышка модуля;
14 - ионоселективные датчики (в центре - датчик сравнения);
15 - пружина;
16 - уплотнительное кольцо;
17 - двигатель;
18 - редуктор;
19 - карданный механизм;
20 - герметичный клапан.
Работа станции заключается в следующем.
Станция (фиг. 1, 2), в корпус которой установлены блок электронных модулей измерительной и регистрирующей аппаратуры, блок приема-передачи информации, блок электропитания 9 и блок управления, устанавливается в заданном районе акватории. Аналогично [1] станция может быть использована как в качестве автономной донной станции, так и донной станции кабельной, а также при взаимодействии с подводными аппаратами. После постановки станции начинаются измерения параметров водной среды: посредством ионоселективных датчиков 14 одного из унифицированных геохимических модулей 2; радиометр 8 осуществляет радиационный анализ. Данные измерений регистрируются и хранятся в блоке электронных модулей, размещенных в корпусе 1.
После выработки ресурса первого геохимического модуля 2 по сигналам блока управления он отключается и в рабочее состояние приводится следующий модуль 2. По мере выработки технических ресурсов ионоселективных датчиков 14 и/или геохимических модулей 2 новые унифицированные модули 2 последовательно включаются в рабочий режим, обеспечивая длительную непрерывную работу станции при продолжительном мониторинге водной среды без подъема станции на поверхность акватории. Управление работой модулей 2 (как и всей аппаратурой станции) осуществляет блок управления (программно-вычислительный блок) структура и работа которых известны из [1].
Система всплытия-погружения с плавучестью 3 и штуцером размыкателя 10, гидрофон 6, антенный блок 7 и проблесковый маяк 5 функционируют аналогично [1]. Верхнее и нижнее ограждения 4 служат, как и в прототипе [1], для защиты от механических повреждений корпуса 1 станции.
Унифицированный геохимический модуль 2 (фиг. 3), используя управляющие сигналы размещенного в корпусе 1 станции блока управления работает следующим образом.
Герметичный корпус 11 модуля выполнен в виде цилиндра и содержит встроенные (установленные в гнезда) в верхнее основание цилиндра корпуса по окружности ионоселективные датчики 14 (включая центральный датчик сравнения). Конструкция и работа ионоселективных датчиков (электродов) и датчика сравнения известны и описаны, например в [8]. Число ионоселективных датчиков 14 определяется по числу измеряемых химических параметров (например, ионы хлора, фтора, кадмия, меди, свинца и др.) и может составлять от 6 до 12 (см. фиг. 3). Пружина 15 предназначена для открывания в подводном положении (на месте установки модуля) крышки 13, имеющей герметично закрывающийся клапан 20, закрывающийся карданным механизмом 19, вращающимся по команде редуктором 18, который приводится в движение двигателем 17. Герметичность модуля обеспечивается уплотнительным (например, резиновым) кольцом 16.
В нерабочем состоянии модуля пространство между прижатой к корпусу 11 крышкой 13 и корпусом 11 через клапан 20 заполняется инертным газом (например, гелием или аргоном), который после закрытия клапана 20 карданным механизмом 19 обеспечивает долговременное хранение и защиту мембран ионоселективных датчиков 14 от воздействия внешней агрессивной среды.
После погружения в воду модуля (рабочее состояние) по заданной команде вращение двигателя 17 приводит к вращению через редуктор 18 карданного механизма 19, который приоткрывает (отжимает) клапан 20, что приводит к заполнению пространства между крышкой 13 и корпусом 11 водой. Пружина 15 полностью откидывает крышку 13, после чего ионоселективные датчики 14 получают контакт с внешней водной средой, обеспечивая анализ ее химических параметров. При этом нижняя крышка 12 корпуса 11, выполненная в виде цоколя с разъемом, обеспечивает крепление модуля (и его снятие) на различных носителях: буйковых станциях (донных и кабельных), необитаемых и обитаемых подводных аппаратах, исследовательских судах и платформах. Разъем в крышке 12 служит для вывода линии связи с ионоселективными датчиками 14 и линий управления двигателем 17.
Для длительного автономного мониторинга водной среды совокупность закрепленных по периметру цилиндрического корпуса 1 станции последовательно работающих унифицированных геохимических модулей 2 может содержать 6 и более модулей.
Новизна технического решения подтверждена анализом источников по уровню техники, а промышленная применимость - испытаниями опытных образцов автономной гидрохимической станции в 2013 г. При этом достигается технический результат - увеличение технического ресурса станции и ее рациональная конструкция, - который находится в причинно-следственной связи с совокупностью существенных признаков устройства.
ИСТОЧНИКИ ПО УРОВНЮ ТЕХНИКИ
I. Прототип и аналог:
1. RU 130946 U1, 10.08.2013 (прототип).
2. RU 2344962 C1, 27.01.2009 (аналог).
II. Дополнительные источники по уровню техники:
3. RU 2096247 C1, 20.11.1997.
4. RU 2331876 C2, 20.08.2008.
5. RU 2443001 C1, 20.02.2012.
6. RU 2030747 C1, 10.03.1995.
7. RU 133311 U1, 10.10.2013.
8. Геоэкологический мониторинг морских нефтегазовых акваторий / Лобковский Л.И. и др. - М.: Наука, 2005. - 346 с.