АВТОНОМНЫЙ ФЛУОРИМЕТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИТОПИГМЕНТОВ И ДРУГИХ ЗНАЧИМЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОДНОЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к области исследования биологических и гидрооптических параметров водной среды и может быть использована в составе многокомпонентных систем комплексного мониторинга опасных природных явлений в водной среде.
Массовое развитие в водной среде микроводорослей фитопланктона периодически наносит ущерб хозяйственной деятельности человека в прибрежной зоне морей, а также на пресноводных объектах. Большое значение имеет возможность оперативной регистрации динамики данного процесса с целью предотвращения его негативных последствий.
Для реализации оперативного мониторинга водной среды в части регистрации массового развития микроводорослей в настоящий момент используются сканеры цвета (восходящего излучения) водных объектов, установленные на ИСЗ, специализированные устройства для измерения прижизненной флуоресценции в составе гидрологических комплексов, а также регулярные наблюдения на стационарных гидропостах. Зависимость качества данных дистанционного зондирования от погодных условий, в частности, облачности, высокая стоимость и слабая доступность специализированных флуориметров в составе гидрологических зондов, а также трудоемкость выполнения массовых полевых наблюдений за биомассой микроводорослей определяют необходимость разработки автоматизированных систем регистрации биомассы микроводорослей на водных объектах по измерению их прижизненной флуоресценции, реализованных на основе готовых доступных элементов.
В настоящее время для массовой регистрации прижизненной флуоресценции микроводорослей на водных объектах необходимо решить следующие задачи:
- разработать блок возбуждения и регистрации флуоресценции, обладающий необходимой светочувствительностью, обеспечивающий стабильное возбуждение флуоресценции, а также ее последующую регистрацию;
- разработать автономную систему управления датчиком флуоресценции, обеспечивающую минимальное непосредственное участие оператора в ее работе, накопление полученной информации и возможность периодической передачи ее удаленным конечным пользователям;
Известны различные системы для выполнения флуориметрических измерений в водной среде.
В патенте на изобретение №2375701 содержится описание прецизионного двухканального спектрофлуориметра, выполненного с использованием светодиодов для возбуждения сигнала флуоресценции и набора фотодиодов, оснащенных интерференционными светофильтрами для регистрации флуоресценции. Система обеспечивает высокую чувствительность и селективность аналитического сигнала. Недостатком системы является отсутствие модулей передачи данных, а также необходимость изготовления всего устройства без использования готовых блоков.
В патенте на полезную модель №124393 приведены сведения о судовом оптоволоконном погружном флуориметре, в котором для возбуждения флуоресценции используются светодиоды, закрепленные на лебедке кабель-троса, содержащего световоды, проводящие излучаемый и принимаемый сигналы. Регистрация флуоресценции также происходит после передачи аналитического сигнала по оптоволоконному кабелю на борт судна. Недостатком системы является высокая стоимость изготовления оптоволоконного троса необходимой длины, а также сложность исполнения оптических соединений для проведения в кабель-трос возбуждающего и аналитического сигналов.
В патенте на полезную модель №108844 содержится описание лазерного многоканального флуориметра для бесконтактного исследования водной среды. Указан способ расширения одномоментно измеряемых ли даром параметров. Недостатком модели является отсутсвие систем управления, корректировки и передачи полученного сигнала.
В патенте на изобретение №2308708 содержатся сведения об устройстве погружного блока двухканального флуориметра, пересечение оптических осей возбуждающего и регистрируемого сигналов в котором осуществляется непосредственно в анализируемой среде. Описано устройство усиления и регистрации сигнала. Недостаком изобретения является необходимость отдельного изготовления всех его составных частей и невозможность использования готовых блоков для его осуществления.
Таким образом, известные примеры устройств для измерения флуоресценции в водной среде не позволяют осуществить сборку высокочувствительного флуориметра с использованием готовых модулей и требуют для изготовления высокоточных инструментов. В описании устройств не содержится сведений об использовании в качестве автономных измерительных комплексов и оперативной передаче полученных данных измерений.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в создании модульной системы, объединяющей готовые универсальные электронные блоки, осуществляющие непосредственное получение и обработку первичного сигнала флуоресценции хлорофилла-А, а также светорассеивания взвешенного вещества..
Сущность полезной модели заключается в том, что флуорометрический комплекс содержит:
1) светонепроницаемый блок измерительной камеры, содержащий лепестковый клапан и погружной насос;
2) герметичный блок возбуждения и регстрации флуоресценции на основе цифрового фотоаппарата, оборудованного светочувствительной КМОП-матрицей и газоразрядной вспышкой, соединенный с блоком измерительной камеры;
3) герметичный блок преобразования возбуждающего и регистрируемого световых потоков, содержащий сменные светофильтры, позволяющий изменять регистрируемые параметры водной среды и соединяющий блок возбуждения и регистрации флуоресценции с блоком измерительной камеры;
4) герметичный блок корректирования получаемого сигнала, содержащий световод и первичный светофильтр, позволяющий учитывать влияние светорассеивающей взвеси на интенсивность возбуждения и регистрации флуоресценции путем измерения ее концентрации, также соединяющий блоки возбуждения и регистрации с блоком измерительной камеры;
5) блок управления режимами получения и первичной обработки сигнала, содержащий персональный компьютер в сборе, с установленным комплексом общедоступных и оригинальных программ, соединенный проводной связью с блоком получения и регистрации флуоресценции;
6) блок питания, состоящий из батареи аккумуляторов и преобразователя напряжения, соединенный с блоками измерительной камеры, возбуждения и регистрации сигнала, погружным насосом блока измерительной камеры, а также блоком корректирования и управления сигналом;
7) блок передачи обработанного сигнала, содержащий GSM-модем в сборе, подключенный к блоку корректирования и управления сигналом, а также соединенный герметичным антенным кабелем с водной поверхностью.
Перечисленные блоки, за исключением внешней антенны и измерительной камеры, конструктивно объединены в 8) герметичном корпусе.
Сущность полезной модели поясняется схемой размещения блоков системы (фиг. 1).
На фиг. 1 обозначены:
1 - блок измерительной камеры
2 - блок возбуждения и регистрации флуоресценции
3 - блок преобразования возбуждающего и регистрируемого световых потоков
4 - блок корректирования получаемого сигнала
5 - блок управления режимами получения и первичной обработки сигнала
6 - блок питания
7 - блок передачи обработанного сигнала
8 - герметичный корпус
Особенностью полезной модели является использование готовых блоков, соединение которых в единое целое позволяет получить требуемый технический результат.
Блок измерительной камеры 1 может быть выполнен из муфты полиэтиленовой сантехнической диаметром 160 мм, окрашеной изнутри и снаружи черной водостойкой матовой акриловой краской, заглушки полиэтиленовой сантехнической диаметром 160 мм, окрашенной изнутри и снаружи черной матовой акриловой краской, с рядом отверстий для водозабора, закрытых со внутренней стороны лепестковым клапаном, выполненным из листовой резины толщиной 2 мм, а также аквариумного погружного насоса, сопло которого через отверстие в стенке муфты направлено во внешнюю среду, а силовой кабель герметично пропущен внутрь корпуса 8.
Блок возбуждения и регистрации флуоресценции 2 может быть выполнен с использованием цифровой компактной фотокамеры марки Nikon AW120, высокая чувствительность к сигналу флуоресценции которой достигается установкой значения светочувствительности на максимальную величину (ISO 6400), к штатной батарее которой, с целью увеличения времени автономной работы устройства, параллельно подключена аккумуляторная необслуживаемая свинцово-кислотная батарея напряжением 4,5 В емкостью 20 Ач, а штатный кабель передачи данных подключен к блоку 5.
Блок преобразования возбуждающего и регистрируемого световых потоков 3 может быть изготовлен из светофильтров марок СЗС-22 и КС-17 соответственно. Светофильтры могут быть герметично закреплены клеем марки ЭДП в оправе, выполненной из двух заглушек полиэтиленовых сантехнических диаметром 160 мм, герметично соединенных друг с другом клеем марки ЭДП внешними сторонами так, чтобы одна из заглушек одновременно служила частью блока измерительной камеры 1 и обеспечивала поступление возбуждающего сигнала внутрь камеры через светофильтр марки СЗС-22 от штатной газоразрядной вспышки фотокамеры блока 2, а также прием сигнала флуоресценции через светофильтр марки КС-17 и штатный объектив на КМОП-матрице фотокамеры.
Блок корректирования полученного сигнала 4 может быть изготовлен из пучка стеклянных или пластиковых гибких световодов от бытовых осветительных приборов, закрепленного одним концом на корпусе фотокамеры в районе штатной вспышки, пропущенного герметично через блок 3 в измерительную камеру 1, закрепленного на заглушке с лепестковым клапаном измерительной камеры 1 и направленного вторым концом на светофильтр КС-17. При этом на одном из концов пучка световодов также должен быть закреплен инфракрасный светофильтр марки ИКС-1 с полосой пропускания более 750 нм для исключения поглощения аналитического сигнала фитопигментами. Концентрация общего взвешенного вещества в воде измеряется по поглощению инфракрасного излучения в толще воды в измерительной камере и требует предварительной калибровки.
Блок управления режимами получения и обработки сигнала 5 может быть изготовлен с использованием персонального компьютера под управлением ОС Windows 7 или 8.1, поддерживающего функцию планировщика заданий для осуществления периодического включения и выключения комплекса. Работа блока 2 может контролировалаться ПК при подключении по проводному каналу передачи данных (USB 2.0). Неотъемлемой частью блока 5 является комплекс общедоступных и оригинальной программ, осуществяющих управление процессом получения, хранения, обработки и передачи цифрового снимка, содержащего данные по сигналу флуоресценции фитопигментов. Для непосредственного управления затвором камеры может была использована программа digiCamControl (www.digicamcontrol.com) с открытым кодом, написанная на языке С#. Работа самой программы может контролироваться подпрограммой, написанной на языке Python. При этом при включении ПК подпрограмма, установленная в автозагрузку ОС, запускет программу управления камерой, отправляет ей команду сделать снимок, затем автоматически находит полученный снимок в папке автосохранения ПК. В дальнейшем подпрограммой используется библиотека обработки изображений Python Image Library, размещенная в открытом доступе (). С использованием готовых подпрограмм библиотеки подпрограммой выполняется обрезка изображения по указанной ранее маске, а также измерения средней яркости пикселя по красному каналу снимка (при измерении флуоресценции фитопигментов и светопоглощения взвесью) в формате sRGB JPG. Полученная информация по средней яркости пикселей может передавалаться по каналу GSM с использованием модема в сеть Интернет на соответствующий сервер. Оригинал снимка при этом может сохраняться на жестком диске ПК. Расчет концентрации фитопигментов по данным средней яркости снимка по основному и коррекционному каналу (блок 4) проводился по ранее полученным калибровочным зависимостям. Для дистанционного управления процессом получения и обработки изображений может быть реализована клиент-серверная архитектура с отправкой запроса ПК при подключении к сети Интернет и получением с сервера соответствующей команды.
Блок питания 6 может быть выполнен с использованием необслуживаемых аккумуляторов номинальным напряжением 12 В. Общая емкость аккумуляторов должна подбираться исходя из предполагаемого времени автономной работы флуориметрического комплекса. В случае выполнения измерений по срокам (8 раз в день) для работы устройства в течение месяца может потребоваться набор аккумуляторов общей емкостью до 100 Ач. Блок питания 6 также может содержать преобразователь напряжения для обеспечения питания переменным током блоков 5 и 1.
Блок передачи обработанного сигнала 7 может представлять из себя GSM-модем, подключаемый к блоку 5 через последовательный порт и оборудованный внешней антенной, которая через герметичный разьем выходит из герметичного корпуса 8 и находится на поверхности воды при использовании автономного устройства в погружном режиме.
Герметичный корпус 8 может быть выполнен из полиэтиленовой бочки емкостью 65 л, к крышке которой закреплены измерительная камера 1 (снаружи), блок корректирования сигнала 3 (изнутри), и сквозь которую проходят герметично силовой кабель насоса измерительной камеры и антенна блока 7.
Источники информации
1. Патент РФ №2375701 на изобретение, МПК G01N 21/64 (2006.01), G09B 23/22 (2006.01), В81В 7/00 (2006.01), 2008.
2. Патент РФ №124393 на полезную модель, МПК G01N 21/01 (2006.01), 2012.
3. Патент РФ №108844 на полезную модель, МПК G01N 21/64 (2006.01), 2011.
4. Патент РФ №2308708 на изобретение, МПК G01N 21/64 (2006.01), 2005.