УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА И ОЦЕНКИ ПРОБ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR SAMPLING AND EVALUATING LIQUID SAMPLES

Изобретение относится к экологии, а именно, к устройствам оценки и очистки воды в естественных водоемах, а также в системах очистки воды.
В последние годы существует проблема загрязнения естественных водоемов (рек, озер, морей, океанов) мелкими частицами, образующимися в результате разрушения изделий из пластмасс, в том числе из полиэтилена, различных органических загрязнителей. Следы этих загрязнений обнаруживаются даже в Арктике. Некоторые виды загрязнений активно влияют на морскую фауну и флору, проникая внутрь различных живых объектов, что приводит к гибели или мутации живого мира.
Поэтому появилась задача обнаружения и оценки таких загрязнений, а в дальнейшем, очистки естественных водоемов.
Известны устройства для взятия проб воды (жидкости) с целью ее анализа.
Устройство для отбора пробы воды из подледных водоемов [Патент РФ №2645539, G01N 1/10, 21.02.2018, бюл. №6] содержит наружный корпус, расположенный с зазором, внутри него внутренний сосуд для отбора пробы исследуемой воды, внутри сосуда для отбора пробы воды установлен поршень с электромагнитом. На боковой поверхности в верхней части внутреннего сосуда выполнено отверстие для поступления анализируемой пробы воды внутрь сосуда, в дне внутреннего сосуда выполнено другое отверстие, предназначенное для слива воды в наружный корпус. В зазоре между наружным корпусом и внутренним сосудом 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, внутри буртика крышки по всей его высоте выполнено сквозное вертикальное отверстие, в которое герметично входит второй конец пробоотборной трубки. 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 внутреннего сосуда для обеспечения сообщения с зазором между внутренним сосудом и наружным корпусом. Устройство обеспечивает качественный отбор воды, поскольку в момент отбора пробы исключено попадание буровой жидкости с наружных стенок устройства в пробоотборный сосуд.
Известен также комплекс для отбора проб воды и способ его работы [Патент РФ №2548464, Е21В 49/08, G01N 1/10, 20.04.2015, бюл. №11], пробоотборник которого содержит цилиндрический корпус, на котором расположены две эластичные резиновые манжеты, с диаметром, равным диаметру скважины, в стенке цилиндрического корпуса выполнены боковые отверстия - среднее - для приема воды из рабочего горизонта и расположено между двумя манжетами, верхнее расположено над верхней манжетой, нижнее - под нижней манжетой, верхнее и нижнее отверстия - транзитные и соединены между собой трубкой, проходящей внутри цилиндрического корпуса пробоотборника, нижняя часть цилиндрического корпуса соединена с водоприемником через фланец, прикрепленный к цилиндрическому корпусу, верхняя часть цилиндрического корпуса соединена с кронштейном для подъема пробоотборника и соединенного с ним водоприемника. Устройство позволяет брать пробы воды непосредственно из каждого исследуемого горизонта водоносного слоя.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для отбора проб жидкости [авт. свид. СССР №983489, G01N 1/10, опубл. 23.12.1982], содержащее пробозаборную емкость с входным и выходным отверстиями, размещенные соосно с ними расположенную внутри цилиндрическую оболочку.
Общим недостатком указанных устройств является то, что они не позволяет проводить оценку загрязнений в виде мелких включений из пластмассы, в том числе полиэтилена, при прокачке жидкости из водной среды (естественного водоема). Кроме того, существующие методы контроля не позволяют производить достоверную оценку данного вида загрязнений. К ним относятся лабораторные методы анализа путем взятия проб, лидарные оценки с использованием аэро-, космических объектов. Однако малая плотность объектов и малая масса частиц не позволяют фиксировать их с лидаров, а взятие проб не дает достоверную оценку огромных территорий естественных водоемов.
Для получения достоверной оценки степени загрязнения водной среды в виде мелких включений из пластмассы авторы предлагают использовать устройства для закручивания потоков жидкости [4-6]. К ним относится спиралевидная геликоидальная труба Шаубергера. В результате применения устройств закручивания потоков жидкости водный поток в трубе разделяется на легкие и тяжелые фракции. Тяжелые фракции концентрируются ближе к стенкам трубы. Легкие фракции, содержащие различные загрязнители, включая микрочастицы пластика, концентрируются в центре потока. Подобные устройства используются при перекачке смесей жидкости и руды, перекачки нефтепродуктов, а также для очистки жидкостей от мелкодисперсных загрязнителей в виде различных загрязняющих частиц, например, в виде песка.
Для реализации оценки загрязнений водоемов в виде мелких фракций пластика предлагается создавать передвижные надводные или подводные транспортные средства (станции), например, на базе малых судов, снабженных устройствами для пропускания потока воды через измерительный блок, которые могут производить обнаружение и оценку загрязнений в выделенной акватории водного объекта. При этом предполагается непрерывная оценка протекаемой через передвижную станцию струи воды в водоеме.
Задачей изобретения является разработка устройства для обнаружения и оценки степени загрязнений в виде мелких частиц (легких фракций), содержащихся в естественных водоемах и системах очистки воды.
Техническим результатом является повышение экологической безопасности естественных водоемов и систем очистки воды за счет оперативного обнаружения и достоверной оценки содержания в ней мелких частиц (легких фракций), и дальнейшей очистки водной среды от этого вида загрязнений за счет применения в его конструкции геликоидальной трубы, насоса, для подачи жидкости и цилиндрической оболочки, снабженной оптоэлектронным датчиком, подключенным к измерительному блоку, соединенному с бортовым компьютером.
Поставленная задача достигается тем, что по сравнению с известным техническим решением, включающем пробозаборную емкость с входным и выходным отверстиями, внутри которой размещена цилиндрическая оболочка с меньшим диаметром, установленная соосно с пробозаборной емкостью, в предложенном техническом решении на входе пробозаборной емкости установлена спиралевидная геликоидальная труба, соединенная с насосом для подачи жидкости, при этом цилиндрическая оболочка, размещенная по центру пробозаборной емкости, прикреплена кронштейном к стенке пробозаборной емкости, а внутри цилиндрической оболочки размещен оптоэлектронный, например, инфракрасный лазерный датчик, выход которого через измерительный блок соединен с бортовым компьютером.
Структурная схема устройства для отбора и оценки проб жидкости представлена на фигуре 1.
Устройство содержит пробозаборную емкость 1 в виде трубы с входным и выходным отверстиями, внутри которой размещена цилиндрическая оболочка 2 с меньшим диаметром, установленная соосно с пробозаборной емкостью 1, на входе пробозаборной емкости 1 установлена спиралевидная геликоидальная труба 3, соединенная с насосом 4 для подачи жидкости из водоема, при этом цилиндрическая оболочка 2 размещена по центру пробозаборной емкости 1 и прикреплена кронштейном 4 к стенке пробозаборной емкости 1, внутри цилиндрической оболочки 2 размещен оптоэлектронный лазерный датчик 5, работающий, например, в инфракрасном диапазоне спектра, и предназначенный для фиксации загрязнений в виде мелких частиц, выход датчика 5 через измерительный блок 6, предназначенный для преобразования и предварительной обработки сигналов с оптоэлектронного лазерного датчика 5, соединен с бортовым компьютером 7, который производит подсчет количества порций загрязнений за определенное время, что позволяет производить оценку загрязнения водоемов.
Измерительный блок 6 может быть выполнен на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро, соединенное системной шиной с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, многоканальным аналого-цифровым преобразователем, к одной из линий которого подключен выход датчика 5, и универсальным асинхронным приемопередатчиком UART, выход которого подключен к бортовому компьютеру.
Устройство работает следующим образом.
Предлагаемое устройство устанавливают на передвижное надводное или подводное транспортное средство (станцию), которое движется в акватории, выбранной для исследований, в естественном водоеме. При его движении вода с помощью насоса 4 закачивается в геликоидальную трубу Шаубергера 3. При движении жидкости по трубе Шаубергера 3 происходит ее раскручивание. При этом тяжелые фракции загрязнений прижимаются к стенкам пробозаборной емкости 1, а легкие фракции загрязнений концентрируются в центре пробозаборной емкости 1, проникая во внутреннюю оболочку 2. Оптоэлектронный лазерный датчик 5 фиксирует загрязнение (легкие фракции) и через измерительный блок 6 передает сигнал в бортовой компьютер 7, который производит подсчет порций загрязнений, например, в виде мелких частиц пластика по времени, что позволяет получить оценку загрязнения полученных проб протекающей жидкости. После выхода воды из внутренней оболочки 2 и пройдя через водозаборную емкость 1, вода возвращается в водоем.
Степень загрязнения будет оцениваться количеством обнаруженных порций пластика к объему прошедшей через трубу жидкости. Чем большее количество жидкости пройдет через трубу, тем более достоверной будет оценка загрязнения водоема в выделенной для исследования акватории.
Таким образом, предложенное устройство позволяет более точно определить загрязнение акватории водоема мелкими фракциями пластика и органики, что повышает степень экологической безопасности естественных водоемов и систем очистки воды. Конструкция устройства позволяет изготавливать передвижные станции контроля загрязнений акваторий водоемов пластиком и органическими предметами с небольшими размерами (микрометры). Дополнительный результат, обеспечиваемый предложенным устройством, заключается в более высокой производительности определения процента (степени) загрязнения акватории водоема, за счет применения в его конструкции измерительного блока, выполненного на основе микроконтроллера.
1. Устройство для отбора пробы воды из подледных водоемов. Патент РФ №2645539, G01N 1/10, заявка: 2016137236, 16.09.2016. Опубл. 21.02.2018, бюл. №6.
2. Комплекс для отбора проб воды и способ его работы. Патент РФ №2548464. Е21В 49/08, G01N 1/10, заявка: 2013132399/03, 15.07.2013. Опубл. 20.04.2015, бюл. №11.
3. Устройство для отбора проб жидкости. Авт. свид. СССР №983489, G01N 1/10, заявка: 2608370/25-26, 18.04.1978. Опубл. 23.12.1982, бюл. №47.
4. Шаубергер В. Энергия воды. - М.: «Яуза», «Эксмо», 2007. - 320 с.
5. Гельмгольц Г. Основы вихревой теории. М.: ИКИ, 2002. - 82 с.
6. Гринспен X. Теория вращающихся жидкостей. Гидрометеоиздат, Л.: 1975. - 304 с.