способ исследования проб водной среды и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ исследования проб водной среды, при котором осуществляют генерацию в пробе водной среды пучком света информационного сигнала, прием последнего и определение по нему исследуемых характеристик пробы водной среды с исследованием пробы при фиксации относительно естественной глубины ее расположения, отличающийся тем, что перед генерацией в пробе водной среды пучком света информационного сигнала пробу водной среды предварительно очищают от твердых частиц с размерами, превыщающими предельно допустимые, и размещают внутри изолированного от внешней среды объема.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при генерации в пробе водной среды информационного сигнала и его приема пробу экранируют от внешних источников информационного сигнала.

3. Устройство для исследования проб водной среды, содержащее корпус, светоизлучатель, соединенный с передающей оптической системой, и приемник информационного сигнала, отличающееся тем, что оно снабжено расположенной в корпусе камерой для размещения пробы с входным и выходным отверстиями, гидроблоком для прокачки воды через камеру и средством для очистки воды от твердых частиц с размерами, превышающими предельно допустимые, при этом средство для очистки воды смонтировано в месте расположения входного отверстия камеры, на внутренней поверхности которой смонтирован выход передающей оптической системы, причем приемник информационного сигнала установлен с возможностью приема информационного сигнала из внутреннего объема камеры.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что гидроблок выполнен в виде гидронасоса, имеющего возможность установки на судне-носителе или подводном аппарате, и трубопровода, соединенного с выходным отверстием камеры.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что светоизлучатель соединен с передающей оптической системой посредством оптического кабеля и выполнен с возможностью установки на судне-носителе или подводном аппарате.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что приемник информационного сигнала выполнен в виде электромагнитного приемника, акустического приемника и оптического приемника.

7. Устройство по пп. 3 и 6, отличающееся тем, что электромагнитный приемник имеет приемный элемент, расположенный внутри или на внутренней поверхности камеры, а камера и корпус выполнены в виде электромагнитного экрана.

8. Устройство по пп. 3 и 6, отличающееся тем, что акустический приемник имеет приемный элемент, расположенный внутри или на внутренней поверхности камеры, а корпус и камера являются акустическим экраном.

9. Устройство по пп. 3 и 6, отличающееся тем, что оптический приемник снабжен приемной оптической системой, вход которой расположен на внутренней поверхности камеры, при этом внутренняя поверхность камеры выполнена светопоглощающей, а внутренний объем ее светоизолирован.

10. Устройство по пп. 3, 6 и 9, отличающееся тем, что приемная оптическая система соединена с оптическим приемником посредством оптического кабеля, а оптический приемник выполнен с возможностью установки на судне-носителей или подводном аппарате.

11. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что оно снабжено линией задержки и регистратором, а светоизлучатель выполнен импульсным и снабжен блоком его управления, подключенным через линию задержки к управляющему входу регистратора, к сигнальным входам которого подключены выходы электромагнитного, акустического и оптического приемников информационного сигнала, при этом длительность задержки линии задержки выбрана из соотношения

T_з>T_и+A(C^-₁¹+C^-₂¹)+BC^-₃¹+T_п,

где T_з длительность задержки, с;

T_и длительность импульса света импульсного светоизлучателя, с;

A максимальный линейный размер внутреннего объема камеры, м;

C₁ и C₂ скорость распространения света и информационного сигнала в воде, м/с;

B длина передающей оптической линии связи между светоизлучателем и выходом передающей оптической системы, м;

C₃ скорость распространения света в передающей оптической линии связи, м/с;

T_п время распространения информационного сигнала от камеры до регистратора, с.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам и устройствам для подготовки и исследования проб водной среды, в первую очередь к биохимическим исследованиям естественных и искусственных водных бассейнов.

Известен способ исследования проб водной среды, при котором осуществляют генерацию в пробе водной среды пучком света информационного сигнала, прием последнего и определение по нему исследуемых характеристик пробы водной среды и исследованием пробы при фиксации относительно естественной глубины ее расположения [1]

Известный способ позволяет вести исследование проб водной среды на месте, что значительно повышает производительность работ и исключает изменение температуры проб и их внутреннего давления, что повышает достоверность проводимых исследований. Однако недостаточно высокой остается точность проводимых исследований, особенно в случае биохимических исследований. Дело в том, что твердые объекты относительно больших размеров (обычно более 200 мкм) с одной стороны затеняют от светоизлучателя и приемника изучаемые микрообъекты, а с другой сами являются источниками псевдоинформационного сигнала. К снижению точности ведет также и наличие внешних относительно изучаемой пробы водной среды естественных и искусственных источников псевдоинформационного сигнала. Кроме того известный способ не позволяет использовать для исследования проб водной среды значительную часть эффектов, обусловленных воздействием на указанные пробы световым пучком, например, звуковые и электромагнитные эффекты, что также обуславливает недостаточно высокую точность исследований.

Известно также устройство для исследования проб водной среды, содержащее корпус, светоизлучатель, соединенный с передающей оптической системой и приемник информационного сигнала (тот же источник информации).

Однако известное устройство имеет недостаточно высокую точность проводимых исследований и ограниченные технические возможности.

Цель изобретения создание способа и устройства исследования проб водной среды, в первую очередь биохимического исследования, основанных на воздействии на пробу световым пучком и регистрации генерируемого при этом информационного сигнала, отличающихся высокой производительностью, достоверностью и точностью исследований, в том числе при проведении глубоководных исследований.

Цель достигается тем, что перед генерацией в пробе водной среды пучком света информационного сигнала пробу водной среды предварительно очищают от твердых частиц с размерами, превышающими предельно допустимые, и размещают внутри изолированного от внешней среды объема.

Кроме того при регенерации в пробе водной среды информационного сигнала и его приеме пробу экранируют от внешних источников информационного сигнала.

Устройство для исследования проб водной среды снабжено расположенной в корпусе камерой для размещения пробы с входным и выходным отверстиями, гидроблоком для прокачки воды через камеру и средством для очистки воды от твердых частиц с размерами, превышающими предельно допустимые, при этом средство для очистки воды смонтировано в месте расположения входного отверстия камеры, на внутренней поверхности которой смонтирован выход передающей оптической системы, причем приемник информационного сигнала установлен с возможностью приема информационного сигнала из внутреннего объема камеры.

Гидроблок выполнен в виде гидронасоса, имеющего возможность установки на судне-ноистеле или подводном аппарате, и трубопровода, соединенного с выходным отверстием камеры.

Светоизлучатель соединен с передающей оптической системой посредством оптического кабеля и выполнен с возможностью установки на судне-носителе или подводном аппарате.

Приемник информационного сигнала выполнен в виде электромагнитного приемника, акустического приемника и оптического приемника.

Электромагнитный приемник имеет приемный элемент, расположенный внутри или на внутренней поверхности камеры, а камера и корпус выполнены в виде электромагнитного экрана.

Акустический приемник имеет приемный элемент, расположенный внутри или на внутренней поверхности камеры, а корпус и камера являются акустическим экраном.

Оптический приемник снабжен приемной оптической системой, вход которой расположен на внутренней поверхности камеры, при этом, внутренняя поверхность камеры выполнена светопоглощающей, а внутренний объем ее светоизолирован.

Приемная оптическая система соединена с оптическим приемником посредством оптического кабеля, а оптический приемник выполнен с возможностью установки на судне-носителе или подводном аппарате.

Устройство снабжено также линией задержки и регистратором, а светоизлучатель выполнен импульсным и снабжен блоком его управления, подключенным через линию задержки к управляющему входу регистратора, к сигнальным входам которого подключены выходы электромагнитного, акустического и оптического приемников информационного сигнала, при этом длительность задержки линии задержки выбрана из соотношения:

T_з > T_и + A (C₁^-1 + C₂^-1) + BC₃ + T_п где Т_з длительность задержки, с;

Т_и длительность импульса света импульсного светоизлучателя, с;

А максимальный линейный размер внутреннего объема камеры, м;

С₁ и С₂ скорости распространения света и информационного сигнала в воде, м/с;

В длина передающей оптической линии связи между светоизлучателем и выходом передающей оптической системы, м;

С_з скорость распространения света в передающей оптической линии связи, м/с;

Т_п время распространения информационного сигнала от камеры до регистратора, с;

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство для исследования проб водной среды (УИП) содержит корпус 1, лазерный импульсный светоизлучатель 2 с передающей оптической системой 3, гидроблок для прокачки воды, выполненный в виде гидронасоса 4, и средство для очистки воды от твердых частиц с размерами, превышающими предельно допустимые, выполненное в виде патрубка 5, переходящего в трубопровод 6 и вмещающего систему решеток 7 с уменьшающимися отверстиями, и жидкостный фильтр 8 с диаметром пор 200 мкм.

Устройство снабжено установленной в корпусе 1 камерой 9 с входным отверстием 10, совмещенным с выходом трубопровода 6 и выходным отверстием 11. Гидронасос 4 установлен на судне-носителе 12 с возможностью прокачки воды через камеру 9, для чего гидронасос 4 соединен с выходным отверстием 11 камеры 9 посредством трубопровода 13, входящего в гидроблок, УИП содержит также комплексный приемник информационного сигнала, установленный с возможностью приема информационного сигнала из внутреннего объема камеры 9 и выполненный в виде совокупности электромагнитного приемника 14, акустического приемника 15 и оптического приемника 16. На внутренней поверхности камеры 9 закреплены выход передающей оптической системы 3 и вход приемной оптической системы 17 оптического приемника 16, а внутри камеры 9 приемные элементы 18, 19 соответственно электромагнитного приемника 14 и акустического приемника 15.

Светоизлучатель 2 соединен с передающей оптической системой 3 посредством оптического кабеля 20 и установлен на судне-носителе 12. Камера 9 и корпус 1 выполнены в виде электромагнитного экрана, для чего они могут быть изготовлены из металла с толщиной стенок, достаточной для ослабления электромагнитного сигнала в рабочей полосе частот информационного сигнала в наперед заданное число раз. Эти условия автоматически выполняются при изготовлении корпуса 1 и камеры 9 из практически любого металла с обеспечением ими достаточной прочности для проведения исследований проб водной среды на глубине более 10-20 мм. Указанное выполнение корпуса 1 и камеры 9 также приводит и к тому, что они выполняют роль акустического экрана. Внутренняя поверхность камеры 9 выполнена светопоглощающей (например, зачернена). Внутренний объем камеры 9 светоизолирован за счет наличия в патрубке 5 достаточно плотного жидкостного фильтра 8 и изгибов трубопроводов 6, 13. Приемная оптическая система 17 соединена с оптическим приемником 16 посредством оптического кабеля 21, при этом оптический приемник 16 установлен на судне-носителе 12. Блок 22 управления лазерного импульсного светоизлучателя 2 подключен через линию 23 задержки к управляющему входу регистратора 24, к сигнальным входам которого посредством кабелей 25, 26 и 27 подключены выходы электромагнитного 14, акустического 15 и оптического 16 приемников информационного сигнала. Длительность задержки Т_з линии 23 задержки удовлетворяет соотношению:

Т_з > Т_и + А (С₁^-1 + С₂^-1) + ВС₃^-1 + Т_п (1) где Т_и длительность импульса света лазерного импульсного светоизлучателя 2, с;

А максимальный линейный размер внутреннего объема камеры 9, м;

С₁ и С₂ скорости распространения света и информационного сигнала в воде, м/с;

В длина передающей оптической линии связи между светоизлучателем 2 и выходом передающей оптической системы 3, м, включающей оптический кабель 20 и систему оптической связи,

С_з скорость распространения света в указанной оптической линии связи, м/с;

Т_п время распространения информационного сигнала от камеры 9 до регистратора 24, с.

В рассматриваемом примере буксируемого измерительного модуля значение длительности задержки Т_з составляет около 70 мкс при регистрации акустического информационного сигнала и около 5 мкс при регистрации электромагнитного и оптического сигналов. Кабели 25, 26, оптические кабели 20, 21 и трубопровод 13 выводятся из корпуса 1 посредством гермоввода 28, объединяясь в шланго-кабель-трос 29. Корпус 1 посредством кронштейнов 30 скреплен с хвостовым стабилизатором 31.

Способ исследования проб водной среды осуществляется на примере работы устройства.

Судно-носитель 12 выводят в наперед заданную точку акватории Мирового океана, после чего корпус 1 с размещенными в нем узлами выносят за борт на шланго-кабель-тросе 29, который вытравливают на наперед заданную величину для обеспечения требуемой глубины буксировки корпуса 1 (то есть глубины исследования проб водной среды). Например, для обеспечения глубины исследования проб водной среды в 100 м при скорости буксировки 5-10 узлов длина вытравливаемой части шланго-кабель-троса может составить 200-500 м.

После этого скорость судна-носителя задают необходимой для заглубления корпуса 1 на глубину исследования проб водной среды и проходят на такой скорости наперед заданный профиль, буксируя корпус 1 посредством шланго-кабель-троса 29.

В процессе буксировки корпуса 1 судном-носителем 12 циклически производят следующие операции.

Пробу водной среды очищают от твердых объектов с размерами более 200 мкм.

Для этого посредством гидронасоса 4 воду прокачивают через последовательно соединенные патрубок 5, трубопровод 6, камеру 9 и трубопровод 13. Очистка пробы водной среды осуществляется за счет ее прокачки через систему решеток 7 с уменьшающимися ячейками и фильтр 8.

Пробу водной среды размещают внутри изолированного от внешней среды объема.

Для этого путем дальнейшей прокачки гидронасосом 4 очищенной пробы водной среды последнюю вводят в камеру 9, внутренний объем которой удовлетворяет указанному требованию.

В пробе водной среды, размещенной в камере 9, генерируют пучком света комплексный информационный сигнал.

Для этого с выходом блока 22 управления посылают управляющий сигнал на вход лазерного импульсного светоизлучателя 2, в результате чего последний излучает световой импульс длительностью, например, 20 мс, который, распространяясь по оптическому кабелю 20, поступает в передающую оптическую систему 3, откуда расфокусированный пучок света поступает в камеру 9 и облучает находящуюся там пробу водной среды, генерируя в последней комплексный информационный сигнал, имеющий в общем случае электромагнитную, световую и звуковую составляющие.

Информационный сигнал приходит от веществ, находящихся в водной среде. Состояние атомов или молекул различных веществ описывается законами квантовой физики.

Для каждого атома (или молекулы) существует несколько вполне определенных, присущих им квантовых состояний.

Основополагающим является представление о том, что электрон (а следовательно, и материя вообще) обладает двойственной природой волны-частицы. Когда электрон совершает определенные, оптические разрешенные переходы между этими состояниями, происходит поглощение или испускание излучения в виде электромагнитных волн. Аналогично существуют уровни энергии атомов и молекул. Минимальная потенциальная энергия определяет их равновесное, основное состояние, а большие уровни электронно-возбужденные состояния. Переходы между двумя квантовыми состояниями атомов и молекул также сопровождаются изменением энергии, которое в зависимости от свойств и строения вещества, при определенной структуре уровней энергии атомов (молекул) дает спектрально узкие линии испускания или поглощения, сопровождающиеся преимущественно одним из трех вышеназванных эффектов.

Генерация падающим пучком света оптического сигнала известна в лазерной спектроскопии. При определенной частоте (длине волны) лазерного луча, настроенного на спектр поглощения атомов измеряемого элемента, только эти атомы поглощают излучаемую энергию. При этом они переходят в электронно-возбужденное состояние. Однако оно нестабильно и совершается обратный переход атомов в основное состояние, что сопровождается излучением фотонов, которые собираются на оптическом приемнике 16, выполненном виде фотоумножителя, и полученный импульс фотоэлектронов формирует информационный сигнал, регистрируемый обычной электронной аппаратурой.

Молекулы, у которых межядерное расстояние в электронно-возбужденном состоянии превышает таковое в основном электронном состоянии, имеют максимум спектра излучения, смещенный в сторону больших длин волн по отношению к максимуму спектра поглощения. Это известное "стоксово" смещение. Так, для атомов марганца длина волны излучения находится в районе 1,06 мкм.

Генерация падающим пучком света акустического сигнала возможна как побочный эффект при молекулярной флюоресценции. Столкновительное тушение обусловлено упругими и неупругими столкновениями между излучающими (поглощающими) и соседними атомами (молекулами), уширяет спектральные линии, может служить причиной излучений в акустической области. Широкополосная природа молекулярной флюоресценции дает возможность преднамеренно вызывать акустические эффекты лазерным излучением на частоте определенных электронных переходов в некоторых атомах или молекулах.

Измерение осуществляется оптоакустическим спектрометром. Генерация падающим пучком света электромагнитного информационного сигнала основана на избирательной фотоионизации. Атом одновременно облучается импульсами от двух или трех лазеров, обеспечивающих переход на новые, более высокие энергетические квантовые состояния. Накопив энергию, достаточную для того, чтобы произошел отрыв атомов электрона, атом превращается в ион.

Поток ионов формирует электромагнитный информационный сигнал.

Комплексный информационный сигнал принимают посредством электромагнитного приемника 14 с приемным элементом 18, акустического приемника 15 с приемным элементом 19 и оптического приемника 16 с приемной оптической системой 17, откуда световой информационный сигнал поступает в оптический приемник 16 по оптическому кабелю 21.

Комплексный информационный сигнал регистрируют посредством регистратора 24, куда он поступает с выходов приемников 14, 15, 16 по кабелям 25, 26, 27 соответственно. При этом целесообразно регистрировать не сам сигнал, а его интегральную мощность, что достигается применением соответствующих приемников 14, 15, 16 или использованием входных цепей регистратора 24 с применением последовательно соединенных детектора и интегратора в каждой из них, параметры которых подбираются опытным путем для каждого из указанных информационных сигналов.

При этом каждый из информационных сигналов регистрируют с наперед заданной временной задержкой относительно излучения светового пучка лазерным импульсным светоизлучателем 2, что позволяет избавиться от негативных эффектов, обусловленных засветкой падающим на пробу водной среды пучком света оптического приемника 16 и нелинейными эффектами в начальный момент возбуждения электромагнитного и акустического информационных сигналов. Указанная временная задержка обеспечивается тем, что в момент посылки на вход лазерного импульсного светоизлучателя 2 управляющего сигнала с блока 22 управления последний одновременно посылает управляющий импульс на линию 23 задержки, откуда он поступает с разными задержками на управляющие входы регистратора, что приводит к регистрации мощности акустического информационного сигнала через 70 мкс, а остальных информационных сигналов через 5 мкс после начала генерации светоизлучателем пучка света.

После этого очередной цикл заканчивается и переходит к следующему, то есть к операции по вышеописанной схеме до тех пор, пока полностью не пройден профиль наблюдения.

В процессе операции по вышеописанной схеме пробу водной среды, находящуюся в камере 9, экранируют от внешних источников информационных сигналов посредством стенок корпуса 1 и камеры 9.

В процессе операций по вышеописанным приемам фиксируют относительно естественной глубину расположения пробы водной среды, что обеспечивается тем, что корпус 1 при буксировке судном-носителем 12 стабилизируют по глубине на время очередного цикла операций, для чего у судна-носителя 12 на это время стабилизируют скорость хода.

По принятому комплексному информационному сигналу определяют исследуемые характеристики проб водной среды, для чего зарегистрированные регистратором 24 компоненты комплексного информационного сигнала сравнивают с теоретически и/или экспериментально полученными данными по реакции проб водной среды на световое воздействие, идентичное применяемому. На основе сравнения решают обратную задачу, например, биохимических исследований, то есть по известной реакции на световое воздействие проб водной среды определяют биохимические показатели проб водной среды. Пространственную привязку данных исследований проводят на основе штатного навигационного оборудования судна-носителя и данных о скорости его хода, по которому определяют глубину естественного расположения исследуемых проб водной среды, равную глубине буксировки корпуса 1.

Возможны варианты реализации описываемых способа и устройства исследования проб водной среды:

1. Буксировка корпуса 1 с размещенными в нем узлами может осуществляться подводным аппаратом. Остальные узлы могут размещаться при этом на подводном аппарате.

2. Судном-носителем или подводным аппаратом может осуществляться не буксировка, а перемещение и манипулирование корпусом 1 посредством дополнительно введенного манипулятора, дополнительный узел которого скреплен с корпусом, а сам манипулятор с судном-носителем или подводным аппаратом соответственно.

3. В рассмотренном выше варианте устройства исследования проб водной среды в корпусе 1 размещено минимально возможное количество узлов.

Возможны другие варианты, в том числе и такой, когда все узлы устройства исследования проб водной среды размещены в корпусе 1. Последний случай имеет негативные и позитивные стороны: время задержки линии задержки может быть сокращено до 40-100 нс (что является существенным для некоторых типов информационного сигнала); передача информационного сигнала к регистратору отличается повышенной помехозащищенностью и пониженными потерями, особенно в случае передачи оптического информационного сигнала; можно обойтись без ряда узлов, в том числе без оптического кабеля и шлангокабеля и т.д.

4. В некоторых случаях достаточным является регистрация не трех составляющих информационного сигнала (оптической, электромагнитной и звуковой), но меньшего или большего их числа, в том числе электрического сопротивления пробы воды, температуры и т.д.

5. Предложенный способ может применяться не только при глубоководных исследованиях, но и при биохимических и микробиологических исследованиях проб воды рек, озер и ручьев, водопроводной и канализационной сетей, промышленных стоков и т.п.

6. В некоторых случаях не требуется экранировки от внешних источников информационного сигнала проб водной среды при генерации в ней информационного сигнала и приеме последнего, поскольку отсутствуют внешние источники псевдоинформационного сигнала. Это относится к сверхглубоководным исследованиям и исследованиям в замкнутых объемах, естественно и искусственно экранированных.

7. Прокачка воды гидронасосом может производиться как в непрерывном, так и старт-стопном режиме в зависимости от конкретных решаемых задач. При этом при старт-стопном режиме можно избежать акустических шумов, обусловленных работой гидронасоса и прокачкой воды, а при непрерывном упростить процесс прокачки.

8. Гидроблок можно крепить как на выходном отверстии камеры, так и на ее входном отверстии до или после системы очистки воды в зависимости от конкретных решаемых задач и конкретного исполнения гидроблока.

9. Светоизлучатель может быть импульсным или непрерывным, лазерным или любым другим в зависимости от конкретных решаемых задач.

10. Светоизлучатель может быть выполнен комплексно, включающим несколько видов излучателей, работающих на различных длинах волн и имеющих различные мощности излучения, что обеспечивает получение более характерных информационных сигналов для конкретных измеряемых показателей и повышает точность измерений.

11. Блок управления импульсным светоизлучателем может быть подключен через линию задержки не к управляющему входу регистратора, а к управляющему входу приемника, что наиболее целесообразно применять в случае высокочувствительного оптического приемника (светопреобразователя), когда линия задержки подключена к его электронному затвору.

Приемник информационного сигнала может быть снабжен регистратором с аналоговым устройством, микpопроцессором, обеспечивающими распознание поступающих сигналов, идентификацию обнаруженных веществ и по специальной сравнительной программе оценку экологического состояния водной среды с записью в память ЭВМ и воспроизведением на ЦПУ, графопостроителе или другом наглядном виде (карты, разрезы, схемы).

13. Гидроблок может быть выполнен в виде крана с регулируемым расходом, система очистки воды и кран установлены с возможностью прохождения жидкости через камеру самотеком, устройство выполнено с возможностью установки на борту судна-носителя или в стационарной лаборатории. Это позволяет уменьшить массо-габаритные характеристики, упростить конструкцию и повысить точность измерения. Данный вариант более эффективен при изучении неглубоких водоемов (когда температура и давление в пробе практически не меняются) на легких плавсредствах, он также обеспечивает определение характеристик поровых (иловых) вод, отжатых из осадков, отобранных в любых водоемах.

14. Устройство может быть снабжено второй камерой (сменной или установленной оптически параллельно с первой), выполненной с возможностью помещения в нее разного вида емкостей (например, кювет) с калибровочной жидкостью, что повышает точность измерений.