СИСТЕМА ЭКСПРЕССНОГО ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ БИОТОПЛИВНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Полезная модель относится к технологиям промышленного производства микроводорослей биотопливного и кормового назначения в открытых водоемах.
Известны устройства, в которых плотность фитопланктона в открытых водоемах определяют прямым путем («Методы оценки экологического состояния водоемов» http://edu.greensail.ru/monitoring/methods/bioindicat2.shtml).
В известном устройстве фильтрацию проб осуществляют под низким вакуумом в специальной воронке, закрепленной на колбе Бунзена, соединенной с насосом Камовского. При этом используют мембранные фильтры №5 и 6 (диаметр пор, соответственно: 1,2 и 2,5 мкм). Предварительно фильтры кипятят в течение 20…30 мин. в дистиллированной воде минут. За полчаса перед началом фильтрации пробу консервируют, добавлением 5…10 капель формалина или фиксатора, состоящего из двух растворов, приготовленных по специальной рецептуре.
3
Фильтр в воронке смачивают несколькими каплями дистиллированной воды. Пробу встряхивают и фильтруют при минимальном разрежении. Фильтрацию прекращают, когда а над осадком заканчивается, при этом поверхность фильтра должна оставаться влажной. Фильтр с осадком помещают в пенициллиновые склянки и пипеткой добавляют 5…10 см фильтрата. После этого кисточкой снимают осадок с фильтра и консервируют пробу.
3
3
При расчете количества водорослей используют счетные камеры Нажотта и другие приспособления. При определении количества биомассы доминирующих видов необходимо зарегистрировать данный вид не менее 100 раз. Расчет биомассы фитопланктона осуществляют путем суммирования количества биомассы отдельных видов. С этой целью измеряют не менее 30 экземпляров водорослей каждого вида в каждой пробе и определяют среднюю величину для популяции каждого вида. Объем каждой клетки в мкм умножают на их количество (тыс.клеток/л) и получают плотность фитомассы в мг/л или г/м воды.
Недостатками известных устройств с очевидностью следует, что их нецелесообразно и технически сложно применять для дистанционного оперативного контроля плотности фитопланктона. Кроме того, эти устройства позволяют исследовать только один параметр, характеризующий условия культивирования микроводорослей.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели по технической сущности является система для дистанционного определения химико-физических параметров водной среды и управления устройствами для предупреждения заморов (патент РФ №2437086, МПК G01N 27/06, опубл. 20.12.2011). Система, в частности, предназначена для оперативного дистанционного определения температуры, водородного показателя (рН) водной среды. Система для дистанционного определения химико-физических параметров водной среды выполнена в виде передающей станции, расположенной в плавучем буе и приемной станции, установленной на берегу. Передающая станция содержит источник питания, подключенный к элементам передающей станции, датчик температуры, датчик водородного показателя верхнего слоя воды, датчик водородного показателя нижнего слоя воды. Датчики связаны с тремя входами коммутатора, выходом подключенного к аналого-цифровому преобразователю, который через передатчик сигналов подключен к передающей антенне.
Приемная станция содержит источник питания, приемную антенну, приемник сигналов, блок определения сигнала, выходом связанный с коммутатором, три выхода которого соединены с устройствами для обработки данных и индикации результатов измерения температуры и водородного показателеля. Устройства для обработки данных и индикации результатов измерения температуры и водородного показателя выполнены в виде последовательно соединенных демодулятора, дешифратора, регистра памяти и цифрового индикатора. Выходы регистров памяти устройств обработки и индикации водородных показателей дополнительно связаны с входами вычислительного блока.
Существенным недостатком описанной выше системы является то, что она не обеспечивает контроль полной группы параметров водной среды, определяющих условия культивирования микроводорослей. Кроме того, она недостаточно надежна в условиях местных электрораспределительных сетей, характеризующихся частыми и продолжительными перебоями в электроснабжении.
К недостаткам известной системы также следует отнести то, что она не использует для передачи данных имеющиеся на местах коммуникационные инфраструктуры, такие как сети сотовой связи, показатели доступности и надежности которых повышаются быстрыми темпами.
Задачей предлагаемой полезной модели является экспрессный дистанционный контроль в реальном времени полной группы физико-химических параметров водной среды, определяющих условия культивирования и прирост фитомассы микроводорослей биотопливного назначения в открытых водоемах с использованием коммуникационной инфраструктуры сетей сотовой связи.
В результате использования предлагаемой полезной модели обеспечивается контроль полной группы параметров водной среды, определяющих условия культивирования микроводорослей в условиях ненадежного электроснабжения, появляется возможность использовать для передачи данных имеющиеся на местах коммуникационные инфраструктуры, такие как сети сотовой связи, показатели доступности и надежности которых повышаются быстрыми темпами.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает:
- оценку условии культивирования микроводорослеи для принятия мер по повышению продуктивности открытых водоемов;
- уточнение эмпирических параметров оценочных зависимостей, используемых при моделировании прироста фитомассы микроводорослей в изменяющихся условиях внешней среды;
- получение данных для корректировки методики оценки ресурсов фитомассы микроводорослей с использованием снимков из космоса и мониторинга посредством беспилотных летательных аппаратов (БпЛа).
2
Технический результат достигается тем, что в предлагаемой системе экспрессного дистанционного контроля параметров водной среды при культивировании микроводорослей биотопливного назначения, включающей передающую станцию, оборудованную датчиком температуры воды, измерителем водородного показателя и источником питания и расположенной на плавучем буе, и приемную станцию, установленную на берегу и содержащую источник питания, приемную антенну и приемник сигналов, приемная станция входит в состав центрального пульта, оснащенного приемной антенной, закрепленной на опоре, а передающая станция входит в состав автономной измерительной станции, связанной с центральным пультом каналами WiFi, GSM, и УКВ радиосвязи и смонтированной стационарно в водоеме по разведению микроводорослей биотопливного назначения, при этом центральный пульт имеет в своем составе электрораспределительный щит, вход которого подключен с помощью кабеля переменного тока к электрораспределительной сети, а выход, посредством кабеля переменного тока, - к одному из входов автомата ввода резерва, резервный дизель-генератор, подключенный с помощью кабеля переменного тока ко второму входу автомата ввода резерва, источник постоянного тока, вход которого подключен с помощью кабеля переменного тока к выходу автомата ввода резерва, блок приема и обработки сигналов, подключенный к выходу источника постоянного тока и к аккумуляторной батарее с помощью кабеля постоянного тока, и соединенный с приемной антенной посредством коаксиального кабеля, причем автономная измерительная станция, включает в себя платформу, на которой сверху установлен корпус надводного модуля, а снизу смонтирован модуль погружаемых датчиков, на верхней панели корпуса надводного модуля установлены солнечная батарея, измеритель солнечной радиации и передающая антенна, а внутри смонтированы аккумуляторная батарея преобразователь постоянного напряжения и блок обработки и передачи сигналов, оснащенный радиопередатчиком, связанным коаксиальным кабелем с передающей антенной, при этом модуль погружаемых датчиков имеет в своем составе датчик температуры воды, рН-метр, датчик концентрации CO, измеритель оптической плотности среды и анализатор спектров флуоресценции, подключенные с помощью кабеля питания и сигнального обмена к блоку обработки и передачи сигналов; измеритель солнечной радиации подключен к блоку обработки и передачи сигналов посредством сигнального кабеля, а солнечная батарея, аккумуляторная батарея и блок обработки и передачи сигналов подключены к преобразователю напряжения с помощью кабелей постоянного тока. Автономная измерительная станция дистанционно измеряет текущие значения соответствующих параметров и передает их на центральный пульт для обработки и анализа.
Технический результат достигается также тем, что состав оборудования автономной станции обеспечивает измерение в реальном времени полной системы параметров, определяющих энергетические и субстратные факторы развития альгакультуры.
Технический результат достигается также тем, что центральный пульт оборудован надежным источником электропитания, включающим в себя аккумуляторную батарею и резервный дизель-генератор, коммутируемые посредством автомата ввода резерва.
Технический результат достигается также тем, что для передачи данных использует имеющуюся на местах инфраструктуру сотовой связи.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
На фиг.1 представлена общая схема системы экспрессного дистанционного контроля параметров водной среды при культивировании микроводорослей.
На фиг.2 представлена схема центрального пульта.
На фиг.3 представлена схема автономной измерительной станции.
2
Система включает в себя (фиг 1): центральный пульт 1, оснащенный приемной антенной 2, закрепленной на опоре 3 из композитных материалов и автономную измерительную станцию 4, смонтированную стационарно на плавучей платформе 5 в определенном месте водоема 6 по разведению микроводорослей биотопливного назначения и связанную с центральным пультом каналами 7 радиосвязи (WiFi, GSM, и УКВ). Центральный пульт 1 имеет в своем составе электрораспределительный щит 10, вход 11 которого подключен с помощью кабеля переменного тока 12 к электросети 9 (220 В/50 Гц), а выход 13, посредством кабеля переменного тока 14, - к первому входу 15 автомата ввода резерва 16, резервный дизель-генератор 17, подключенный с помощью кабеля переменного тока 18 ко второму входу 19 автомата ввода резерва 16, источник постоянного тока 20, вход 21 которого подключен с помощью кабеля переменного тока 22 к выходу 23 автомата ввода резерва 16, блок приема и обработки сигналов 24, подключенный к выходу 25 источника постоянного тока 20 и к аккумуляторной батарее 26 с помощью кабеля постоянного тока 27. Блок приема и обработки сигналов 24 соединен с приемной антенной 3 посредством коаксиального кабеля 8. Автономная измерительная станция 4 (фиг.3) состоит из плавучей платформы 5, на которой сверху установлен влагозащитный корпус 28 надводного модуля, а снизу смонтирован модуль 29 погружаемых датчиков; на верхней панели корпуса надводного модуля 28 установлены солнечная батарея 30, измеритель солнечной радиации 31 и передающая антенна 32, а внутри смонтированы аккумуляторная батарея 33 преобразователь постоянного напряжения 34 и блок обработки и передачи сигналов 35, оснащенный радиопередатчиком 36, связанным коаксиальным кабелем 37 с передающей антенной 32. Модуль погружаемых датчиков 29 имеет в своем составе датчик температуры воды 38, рН-метр 39, датчик 40 концентрации CO, измеритель оптической плотности среды 41 и анализатор спектров флуоресценции 42, подключенные с помощью кабеля питания и сигнального обмена 43 к блоку обработки и передачи сигналов 35. Измеритель солнечной радиации 31 подключен к блоку обработки и передачи сигналов посредством сигнального кабеля 44, а солнечная батарея 30, аккумуляторная батарея 33 и блок обработки и передачи сигналов 35 подключены.к преобразователю напряжения 34 с помощью кабелей постоянного тока 45.
Система экспрессного дистанционного контроля параметров водной среды при культивировании микроводорослей биотопливного назначения функционирует следующим образом.
2
Измеритель солнечной радиации 31, установленный на верхней панели влагозащитного корпуса надводного модуля 28, датчик температуры воды 38, рН-метр 39, датчик 40 концентрации CO, измеритель оптической плотности среды 41 и анализатор спектров флуоресценции 42, входящие в состав модуля погружаемых датчиков 29, измеряют физические величины, характеризующие условия культивирования микроводорослей в определенных местах водоемов по выращиванию фитомассы микроводорослей (мощность поступающего на поверхность водоема солнечного излучения, температура и водородный показатель воды, концентрация в ней углекислого газа, оптическая плотность водной среды, интенсивность спектров флуоресценции фитопланктона на длинах волн характерных для культивируемого вида микроводорослей) и по сигнальному кабелю 44 и кабелю питания и сигнального обмена 43 передают измеренные значения в блок обработки и передачи сигналов 35, в котором осуществляется их преобразование с последующей передачей на центральный пульт 1 с помощью радиопередатчика 36, оснащенного передающей антенной 32, соединенной с ним посредством коаксиального кабеля 37. Передача сигналов может осуществляться по каналам радиосвязи 7 в стандартах WiFi, GSM или в диапазоне УКВ. Электропитание на погружаемые датчики, измерители и анализаторы 39…42 подается из блока обработки и передачи сигналов 35 по кабелю питания и сигнального обмена 43. Функционирование автономной измерительной станции 4 осуществляется за счет электроэнергии, вырабатываемой солнечной батареей 30, установленной на верхней панели корпуса надводного модуля 28 и передаваемой на преобразователь постоянного напряжения 34 и далее, в блок обработки и передачи данных 35 и на аккумуляторную батарею 33 посредством кабелей постоянного тока 45. Аккумуляторная батарея 33 обеспечивает электропитание всей автономной измерительной станции 4 в условиях недостаточной освещенности и в ночное время. Преобразователь постоянного напряжения 34 поддерживает требуемые уровни напряжения при заряде и разряде аккумуляторной батареи 30, а также при работе блока обработки и передачи информации 35 и подключенных к нему датчиков, измерителей и анализаторов 31, 39…42. Он также выполняет функции распределения постоянного тока в цепях кабелей 45 в основном (от солнечной батареи) и резервном (от аккумуляторной батареи) режимах электропитания. Плавучая платформа 5 служит несущей основой для автономной измерительной станции 4 и может быть стационарно установлена в любом месте водоема 6 с использованием троса (или цепи) и якоря (сваи, шеста).
Информация об условиях культивирования микроводорослей в виде радиосигналов принимается посредством приемной антенны 2, установленной на опоре 3, и по коаксиальному кабелю 8 поступает в блок приема и обработки сигналов 24, входящий в состав оборудования центрального пульта 1 и получающий электропитание по кабелю постоянного тока 27, к которому также подключена аккумуляторная батарея 26 и выход 25 источника постоянного тока 20, обеспечивающего также постоянный подзаряд аккумуляторной батареи 26. Питание источника постоянного тока 20 осуществляют с выхода 23 автомата ввода резерва 16 по кабелю переменного тока 22. В нормальном режиме электропитания выход 23 автомата ввода резерва 16 через вход 15 и кабель переменного тока 14 соединен с выходом 13 электрораспределительного щита 10. При этом электроэнергия из электросети 9 по кабелю переменного тока 12 поступает на вход 11 электрораспределительного щита, а с его выхода 13 - на вход 15 автомата защиты 16 и далее на его выход 23. При непродолжительном (в пределах времени батарейного резервирования) перебое в электросети 9 электропитание блока приема и обработки сигналов 24 осуществляет аккумуляторная батарея 26. Если аккумуляторная батарея 26 разрядится до установленного предельного допустимого напряжения до ликвидации перебоя в электросети 9, автомат ввода резерва 16 запустит резервный дизель-генератор 17, отключит свой выход 23 от своего входа 15 и подключит его к своему входу 19, после чего электроэнергия на вход 21 источника переменного тока 20 будет поступать от резервного дизель-генератора 17 по электрической цепи: кабель переменного тока 18 - вход 19 автомат ввода резерва 16 - выход 23 автомат ввода резерва 16 - кабель переменного тока 22. После ликвидации перебоя в электросети 9 восстанавливается нормальный режим электропитания, описанный выше.