ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ДНОЧЕРПАТЕЛЬ
SMART BOTTOM SAMPLER

Изобретение относится к средствам и устройствам отбора проб грунта при исследовании донных осадков водоемов.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является дночерпатель Экмана-Берджи (http://рр66.ru/katalog/meteorolog/dnocherpateli/dnocherpatel_ekmana-berdzhi/), который предназначен для количественного учета макробентоса и микробентоса в мелководных зонах водоемов с глубиной до 2,5 метра. Недостатки этого технического решения сводятся к следующему:
значительное усложнение эксплуатации при волнении и(или) на больших глубинах - от пользователя требуется очень высокая квалификация и опыт: вследствие использования для срабатывания прибора посыла, скользящего по тросу и достигающем прибора через значительное время (порядка 2-3 мин. на максимальных глубинах), необходимо обеспечивать вертикальное положение и натяг троса весь этот период отбора пробы;
при попадании на скальный, каменистый грунт отбор проб невозможен, но пользователь не будет этого знать и будет предпринимать попытки получить пробы, теряя время;
при отклонении оси дночерпателя от вертикали захватывается площадь, меньшая, чем предусмотрено при вертикальной постановке прибора на грунт, что негативно сказывается на достоверности данных, получаемых при анализе дночерпательных проб;
при работе на подводных склонах нет точного значения глубины, с которой взята проба, что критично для биологических исследований (как правило, за глубину отбора принимают показания судового эхолота);
Технической задачей заявляемого изобретения является упрощение эксплуатации средств и устройств отбора проб при исследовании донных осадков водоемов, а также повышение производительности труда.
Решение технической задачи достигается тем, что устройство для отбора проб при исследовании донных осадков водоемов, состоящее из коробки, в нижней части которой на осях установлены подвижно створки и пружины, а в верхней части коробки жестко закреплены две утяжеляющие накладки, дужка со спусковым механизмом и крышки, спусковой механизм состоит из нижней площадки и верхней площадки, на которые установлены направляющая втулка с пружиной и штифты, причем через направляющую втулку пропускается трос для подвешивания устройства при его работе, отличающееся тем, что:
направляющая втулка оборудована вертлюгом для крепления троса,
на коробку устанавливается выполненный в герметичном водонепроницаемом исполнении блок электроники, в котором жестко закреплены микроконтроллер и соединенные с ним проводами датчик глубины, акселерометр, цифровой термометр, аккумулятор, электромеханический привод, причем микроконтроллер выполнен с возможностями:
обработки информации от датчика глубины, акселерометра и цифрового термометра,
определения момента касания коробкой дна водоема,
определение угла отклонения оси коробки от вертикали,
идентификации каменистого дна,
формирования сигнала на схлопывание створок дночерпателя.
Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявляемого изобретения, заключается в повышении производительности отбора проб грунта при исследовании донных осадков водоемов.
Функционирование заявляемого дночерпателя поясняется фигурой 1, на которой обозначены:
1. Несущий трос, который для срабатывания дночерпателя не обязательно должен быть в натянутом и в вертикальном положении.
2. Имитатор посыла, латунная деталь скользит по втулке (3), имитируя приход посыла по тросу.
3. Направляющая втулка (она же - направляющий вал) из нержавеющей стали, за которую производится крепление к тросу всей конструкции.
4. Несущая рама дночерпателя.
5. Створки (челюсти) дночерпателя.
6. Привод имитатора посыла, герметизированный шаговый двигатель или герметизированный сервопривод.
7. Микроконтроллер ESP32.
8. Высокоточный барометрический датчик MS583730BA01-50, позволяющий определить глубину створок дночерпателя с разрешением не более 1 см.
9. Трехосевой акселерометр LIS3, позволяющий определить отклонение от вертикальной оси дночерпателя, а также (по динамике замедления в грунте) определить характер грунта и потенциальную возможность отбора пробы.
10. Плата, содержащая микроконтроллер и датчики (7, 8, 9), герметизируется компаундом.
11. Герметизированный Li-ion аккумулятор емкостью 5000 мА*ч, питает всю электронную (7, 8, 9) и электромеханическую (6) часть устройства.
12. Механическая связь втулки (3) и всего дночерпателя с тросом.
13. Механическая связь для скольжения имитатора посыла по втулке.
14. Пружинный привод на створки дночерпателя.
15. Механическая связь, освобождающая имитатор посыла (2) при срабатывании устройства.
16. Управляющая электронная линия связь микроконтроллера (7) с приводом (6).
17. Электронная линия данных (интерфейсная шина I2C) ускорения по осям.
18. Электронная линия данных (интерфейсная шина I2C) давления.
19. Линия питания электронной и электромеханической частей.
Функционирование заявляемого изобретения заключается в следующем.
Устройство для отбора проб при исследовании донных осадков водоемов состоит из коробки, в нижней части которой на осях установлены подвижно створки и пружины, в верхней части коробки закреплены две утяжеляющие накладки, дужка со спусковым механизмом и крышки, а спусковой механизм состоит из нижней площадки и верхней площадки, на которые установлены направляющая втулка с пружиной, штифты и трос для подвешивания, который крепится за верхнюю точку направляющей втулки (3) через вертлюг или другие такелажные изделия и фиксируется узлом или иным способом.
Конструкция заявляемого дночерпателя отличается от конструкции наиболее близкого аналога тем, что:
трос крепится за верхнюю точку направляющей втулки через вертлюг;
на коробку устанавливается выполненный в герметичном водонепроницаемом исполнении блок электроники, в который помещены связанные между собой проводами датчик глубины, акселерометр, цифровой термометр, аккумулятор, электромеханический привод и микроконтроллер, выполненный с возможностями:
обработки информации от датчика глубины, акселерометра, цифрового термометра;
определения момента касания дна;
определения отклонения угла оси коробки от вертикали;
идентификации каменистого дна.
После стандартного взведения пружин дночерпателя имитатор посыла фиксируется механической связью (14) в верхнем положении, и на устройство подается питание по линиям (18).
После погружения в воду посредством лебедки или вручную, микроконтроллер обрабатывает поступающие данные от компонентов блока электроники.
Акселерометр LIS DSH служит для оперативного контроля отклонения оси прибора от вертикали, и замеров динамики торможения/отскока и соответствующей ей плотности грунта, что значительно сокращает количество неудачных попыток отбора грунта, гарантируя захват площади донного осадка, соответствующей рабочей площади дночерпателя в вертикальном положении.
Барометрический датчик MS 5803 14ВА и цифровой термометр DS18b20 позволяют дополнить к пробе грунта информацию о точном значении глубины и температуры с места забора, что особенно важно для последующего биологического анализа.
Питается система от литиево-ионного аккумулятора 5000 мА 2S.
В соответствии с алгоритмом (фигура 2) микропроцессор контролирует момент касания/удара о дно. При допустимых отклонениях по осям, а также при характере удара о дно, не соответствующему каменистой поверхности, производится срабатывание привода (6), благодаря чему через связь (14) имитатор посыла (2) освобождается и ударяет в узел дночерпателя, подразумевающий приход посыла по тросу.
Далее дночерпатель срабатывает стандартным образом, приводя через пружинный привод (13) створки (5). При этом достигается возможность любого отклонения троса от вертикали и отсутствия его натяга (как для прихода классического посыла), а также срабатывание происходит практически мгновенно по сравнению с использованием посыла, что позволяет проводить работы в дрейфе без постановки судна на якорь.
О срабатывании дночерпателя и необходимости подъема устройства оператор может узнать по рывку на тросе (требуется хотя бы минимальный натяг: для этого в алгоритме будут заложены соответствующие задержки по времени) и значительному усилию при отрыве от дна. В случае отсутствия срабатывания в виду отклонения от заданных параметров, прописанных в алгоритме, возможны следующие попытки отбора без необходимости подъема на поверхность.
На фигуре 2 показана блок-схема алгоритма применения и функционирования интеллектуального дночерпателя. Слева показаны операции, выполняемые вручную, а справа - в автоматическом режиме, встроенным оборудованием. При спуске до дна ускорение, измеряемое акселерометром соответствует свободному падению с поправкой сопротивления водной среды. При достижении дна ускорение (торможение) очень резко возрастает, производятся высокоскоростные замеры ускорения и фильтрация полученных данных с частотой 260 Гц. С этой целью используется микроконтроллер ESP32, имеющий требуемые характеристики по быстродействию, возможности перепрошивки «по воздуху», наличию беспроводных интерфейсов, что позволит в будущем дополнять систему, например, пересылать информацию по беспроводному интерфейсу.
max
По измеренным значениям акселерометра производится оценка динамики торможения/отскока и соответствующей ей плотности (типу) грунта. Например, если дночерпатель упал на камни, то модуль значения ускорения будет существенно выше, а его график будет знакопеременным, по сравнению с ситуацией, когда дночерпатель падает на мягкий грунт |A|<A.
max
Затем проверяется, под каким углом зашел дночерпатель в грунт. Если расчеты показывают, что дночерпатель достаточно глубоко зашел в грунт и при этом его отклонение от оси по вертикали D меньше D, то отдается команда на срабатывание сервопривода, который освобождает имитатор посыла и дночерпатель захлопывает створки. Процесс занимает 0,25-0,3 с и не требует обязательного натяга троса; однако, в разрабатываемом алгоритме предполагается небольшая задержка по времени для того, чтобы оператор на судне создал легкий натяг троса. Это позволяет по рывку определить срабатывание прибора и необходимость его подъема. Определяется температура и глубина с места взятия пробы.
Поднятый на палубу дночерпатель разгружается стандартным образом, если подразумевается следующий отбор, выключение не требуется.
Свойство интеллектуальности заявляемого дночерпателя достигается за счет реализации многофакторной проверки условий успешного захвата подводного грунта перед срабатыванием створок - таким образом минимизируется число неудачных (дночерпатель не захватил грунт) проб грунта, и достигается технический результат, который заключается в повышении производительности отбора проб грунта при исследовании донных осадков водоемов.