АВТОНОМНЫЙ ПРОБООТБОРНИК Российский патент 2003 года по МПК G01N1/10 

Изобретение относится к устройствам для отбора проб окружающей среды, в частности к устройствам для отбора проб водной взвеси и планктона при гидрологических исследованиях.

Загрязненность воды обусловлена, в основном, двумя видами инородных примесей: растворимыми веществами и нерастворимыми в воде взвесями. Для соблюдения и контроля норм экологии производится отбор проб воды в предполагаемых местах загрязнения водного бассейна, например, в районах аварии нефтеналивных танкеров, в зонах залповых аварийных сбросов очистных стоков и т. п. При этом часто необходимо произвести отбор проб воды в наиболее сжатые сроки после аварии и зафиксировать (запеленговать) место наибольшего загрязнения воды.

Как правило, зона местного загрязнения, например, в море, с течением времени под воздействием волн, ветра и течений постепенно смещается и расплывается и через некоторый период не может быть однозначно обнаружена визуально. Поэтому для индикации смещающейся зоны загрязнения могут быть использованы сигнальные буи, сбрасываемые, например, с вертолетов или самолетов. Такие буи, движущиеся вместе с водной массой, могут быть также снабжены устройствами для отбора проб воды и взвесей. Это позволяет к моменту прибытия специальных авиационных средств или плавсредств не только запеленговать смещающую зону загрязнения воды, но и "сохранить" взятые в начальный период пробы загрязнения.

Известно устройство для взятия проб воды на заданных глубинах, содержащее надводные блоки и связи, погружаемый герметичный контейнер с датчиками глубины и блоком управляющих сигналов, пробоотборники и механизмы закрытия их по сигналам управления (патент США 3339417, кл. 73-425, 1967 г.).

Известно устройство для автоматического отбора проб воды на заданных глубинах, в котором надводный блок управления снабжен блоком контроля срабатывания крышек пробоотборника, а в погружаемом контейнере каждый пробоотборник снабжен датчиком закрытия крышки, выход которого через электрические связи соединен с блоком цифровой индикации и блоком контроля срабатывания крышек пробоотборника (СССР а.с. 607126, G 01 N 1/10, 1978 г.).

Недостатками этих двух устройств является их сравнительная сложность, а также необходимость использования в них электронных средств управления и контроля работы, усложняющих и удорожающих эти устройства.

Известен пробоотборник, включающий эластичный корпус, размещенные с обоих концов корпуса крышки, соединенные пружинами, и управляющий механизм. С целью обеспечения надежной герметизации пробы и получения достоверных проб воды, он снабжен штангой и размещенными на ней с возможностью перемещения обоймами с фиксаторами и съемными прижимными крышками (СССР а.с. 626282, G 01 N 1/10).

Известен батометр, содержащий мягкий складывающийся корпус с направляющим тросом, крышку с подпружиненным клапаном и спусковым устройством. С целью повышения производительности за счет увеличения объема отбираемой на заданной глубине проб он снабжен грузом, расположенным внутри мягкого складывающегося корпуса, и нитями. Одна из них соединена со спусковым устройством, а другая - с пружиной клапана (СССР а.с. 628422, G 01 N 1/10, 1978 г.). Эти устройства непригодны для сбрасывания с самолетов и принудительно вводятся в действие с борта судна. Кроме того, в устройствах не предусмотрены элементы сигнализации о месте нахождения пробоотборника.

Известен пробоотборник, содержащий заборник пробы с расположенным в нижней его части грузом и средство для поднятия пробы на поверхность воды. Заборник пробы выполнен в виде трубчатого стержня, на котором установлена подвижная втулка, шарнирно соединенная через опорные тяги с раскладными стойками, на которых закреплена матерчатая основа. Средство для поднятия заборника выполнено в виде камеры, разделенной перегородкой с патрубком на две секции. В нижней секции расположен подпружиненный поршень, над которым выполнено отверстие с размещенным в нем лепестковым клапаном. Под поршнем по высоте камеры выполнены сквозные отверстия, при этом напротив верхнего отверстия закреплен карман с гидрореагирующим веществом, а другие отверстия снабжены заглушками. В верхней секции расположена складная герметичная оболочка, пневматически связанная с патрубком перегородки (РФ патент 2008645, G 01 N 1/10, 1994 г.).

Известен автономный пробоотборник, включающий также как и предложенный герметичный в верхней части корпус с установленным на нем упругой полой штангой с хвостовиком-стабилизатором и размещенными в его внутренней полости заборниками пробы в виде матерчатых оболочек, при этом корпус в нижней части выполнен со сквозными отверстиями, снабжен выпуклым днищем и механически связанным с ним посредством подпружиненных шаровых опор профилированным поплавковым воротником (РФ, патент 2012862, G 01 N 1/10, 15.05.1994). Этот пробоотборник выбран за прототип изобретения.

Недостатками устройства являются:
- отсутствие надежной силовой защиты устройства при сбрасывании с авиационных средств, что может привести к разрушению конструкции при ударе о воду;
- пробы воды и взвеси отбираются только с одной фиксированной глубины;
- невозможность обнаружения пробоотборника при плохой видимости (в тумане, ночью, в штормовую погоду).

Целью изобретения является улучшение эксплуатационно-функциональных характеристик пробоотборника за счет обеспечения возможности автоматического забора проб среды на различных заданных глубинах, повышения живучести конструкции при ударе о воду и гарантированного обеспечения обнаружения пробоотборника в оптическом и радиолокационном диапазонах наблюдения.

Для достижения цели в автономном пробоотборнике, включающем герметичный в верхней части корпус с установленным на нем упругой полой штангой с хвостовиком-стабилизатором и размещенными в его внутренней полости заборниками пробы в виде матерчатых оболочек, при этом корпус в нижней части выполнен со сквозными отверстиями, снабжен выпуклым днищем и механически связанным с ним посредством подпружиненных шаровых опор профилированным поплавковым воротником, согласно изобретению корпус выполнен в виде тонкостенного цилиндра, установленные в нем заборники пробы снабжены цилиндрическими стаканами с продольно разрезанными стенками и раздельными днищами с возможностью их взаимного перемещения, а матерчатые оболочки в форме усеченных конусов расположены во внутренней полости каждого из стаканов, причем в верхней части каждого стакана с внутренней стороны его стенки установлена спиралеобразная сжатая в горизонтальной плоскости пружина, прикрепленная к верхней части матерчатой оболочки, нижняя часть которой закреплена к днищу стакана, причем днище пробоотборника выполнено в виде монолитной перфорированной полусферы, внутренняя полость которой закрыта крышкой, при этом в полости размещены гранулы гидрореагирующего вещества.

В автономном пробоотборнике хвостовик-стабилизатор выполнен в виде радиолокационного уголкового отражателя, механически связанного со штангой посредством шарового шарнира.

На фиг.1 изображено устройство в сложенном состоянии, на фиг.2 - в раскрытом (рабочем) состоянии.

Корпус 1 устройства выполнен в виде тонкостенного герметичного в верхней части цилиндра, в котором установлены цилиндрические стаканы 2 с вертикальными стенками 3, продольно разрезанными на две половины, с возможностью их взаимного перемещения.

Во внутренней полости каждого из стаканов 2 размещена закрепленная одной стороной к днищу 4 стакана матерчатая оболочка 5 в форме усеченного конуса, другая сторона которой закреплена на сжатой спиралеобразной пружине 6, установленной под перфорированной плитой 7, поджатой пружиной 8.

В нижней части корпуса установлены с возможностью взаимного перемещения поплавковый воротник 10 и перфорированное массивное днище 9 в форме полусферы с внутренней полостью, заполненной гидрореагирующим материалом, например гранулами натрия, и закрытой запрессованной на тугой посадке заглушкой 17. При этом выполненный, например, из уплотненного пенопласта поплавковый воротник 10, механически связан с днищем и стенкой корпуса посредством подпружиненного пружиной 11 шарового упора 12.

На верхнем торце корпуса установлена трубчатая штанга 13 с закрепленным на ней посредством шарового шарнира 18 радиолокационным уголковым отражателем 14, а корпус устройства, матерчатые оболочки и днище связаны последовательно между собой фалами 15, выполненными, например из капрона, в количестве n+1, где n - общее число матерчатых оболочек.

Глубинный пробоотборник работает следующим образом.

После сбрасывания, например с самолета, под действием аэродинамических сил скоростного напора воздуха на штангу 13 с угловым отражателем 14 пробоотборник занимает положение прочным массивным днищем вперед, которое в основном воспринимает на себя перегрузку при ударе о воду.

При последующем интенсивном погружении под действием напора воды поплавковый воротник 9 смещается вверх до упора в верхнюю кромку корпуса 1. Подпружиненные ранее шаровые опоры 12 выпадают из пазов и освобождают массивное днище 10, продолжающее по инерции движение вниз, распрямляя при этом тяги 15, которые вытаскивают последовательно соединенные цилиндрические стаканы 2, боковые разрезные стенки которых распадаются, освобождая растягивающиеся спиралеобразные пружины 6 и растягиваемые стенки матерчатых оболочек. Этому процессу способствует также разжимающаяся пружина 8, которая выталкивает из корпуса его внутренние части. При погружении днища через отверстия в нем интенсивно поступает вода, которая вступает в бурную реакцию с гранулами натрия:
2Na+2H₂O-->NaOH+H₂+Q_ккал.
Следует взрывообразный выброс газа (водорода), который выбивает заглушку 17. В результате заглушка остается висеть на фале, растягивая на глубине всю систему матерчатых оболочек, а освобожденное массивное днище падает вниз.

В свою очередь, обладающий плавучестью корпус 1 (который снабжен пенопластовым воротником и сохраняет внутри воздушную подушку) всплывает на поверхность воды. При этом происходит перемещение всех матерчатых оболочек в вертикальном направлении и дополнительный "захват" ими частиц взвеси.

На практике при указанной конструкции днища при его погружении в воду взрыв гидрореагирующего вещества происходит через 10÷15 с. Поэтому в случае движения пробоотборника в воде со скоростью ~1 м/с, он успеет погрузиться на глубинах ~10÷15 м с последующим всплытием.

При подборе пробоотборника с борта вертолета или корабля происходит просачивание воды через матерчатые оболочки, выполненные, например, из стеклопластика с ячейками 0,1÷0,3 мм, и "отцеживание" взвеси на полотне.

Используемый в пробоотборнике уголковый отражатель представляет собой жесткую тонкостенную конструкцию, состоящую из трех взаимно перпендикулярных металлизированных граней, электрически соединенных между собой. Для треугольного уголкового отражателя максимальная эффективная поверхность рассеивания (ЭПР) σ_Δ равна:

где λ - длина волны облучения радиолокатора,
а - длина ребра отражателя.

При этом ширина диаграммы переизлучения уголкового отражателя по уровню половинной мощности составляет 40-50^o (С.А. Вакин, Л.Н. Шустов. Основы радиопротиворакетной и радиотехнической разведки. Сов. Радио, М., 1968). Поэтому уголковые отражатели с малым расширением дают высокую ЭПР. Например, для данной разработки при λ=3 м, а=50 м, ЭПР отражателя составляет σ_Δ≈300 м².

Волнение моря вынуждает раскачиваться установленный на шаровом шарнире уголковый отражатель, что приводит к флуктуации сигнала на экране радиолокатора и обеспечивает распознавание "цели" на фоне других сигналов. Практически этот отражатель находится на высоте h₁=1,5÷2 м над поверхностью моря, а матерчатые оболочки растягиваются на различных глубинах в пределах h₂=4÷5.

Таким образом, предлагаемый глубинный пробоотборник имеет относительно простую конструкцию, которая, тем не менее, обеспечивает:
- полную автоматизацию процесса сбора проб;
- надежное сохранение объекта при ударе его о воду;
- возможность дистанционного обнаружения плавающего пробоотборника оптическими и радиолокационными средствами;
- достаточно эффективное "удержание" частиц взвеси в условиях волнения моря и наличия течений.

Работоспособность данного глубинного пробоотборника подтверждена при исследованиях опытных образцов в акваториях Черного и Охотского морей и в центральной части Тихого океана, а его эффективность в целом обусловлена снижением затрат труда, энергоресурсов и времени для получения достоверных сведений.

Изобретение предназначено для сбора проб воды и взвесей в верхних слоях морских акваторий и приспособлено для сбрасывания с авиационных средств. Автономный пробоотборник включает герметичный в верхней части корпус с установленным на нем упругой полой штангой с хвостовиком-стабилизатором и размещенными в его внутренней полости заборниками пробы в виде матерчатых оболочек. При этом корпус в нижней части выполнен со сквозными отверстиями, снабжен выпуклым днищем и механически связанным с ним посредством подпружиненных шаровых опор профилированным поплавковым воротником. Корпус выполнен в виде тонкостенного цилиндра, установленные в нем заборники пробы снабжены цилиндрическими стаканами с продольно разрезанными стенками и раздельными днищами с возможностью их взаимного перемещения. Матерчатые оболочки в форме усеченных конусов расположены во внутренней полости каждого из стаканов. В верхней части каждого стакана с внутренней стороны его стенки установлена спиралеобразная сжатая в горизонтальной плоскости пружина, прикрепленная к верхней части матерчатой оболочки, нижняя часть которой закреплена к днищу стакана. Днище пробоотборника выполнено в виде монолитной перфорированной полусферы, внутренняя полость которой закрыта крышкой. Хвостовик-стабилизатор выполнен в виде радиолокационного уголкового отражателя, механически связанного со штангой посредством шарового шарнира. Пробоотборник обеспечивает полную автоматизацию процесса сбора проб, надежное сохранение объекта при его ударе о воду, возможность дистанционного обнаружения плавающего пробоотборника оптическими и радиолокационными средствами, эффективное удержание частиц взвеси в условиях волнения моря и наличия течений. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Автономный пробоотборник, включающий герметичный в верхней части корпус с установленной на нем упругой полой штангой с хвостовиком-стабилизатором и размещенными в его внутренней полости заборниками пробы в виде матерчатых оболочек, при этом корпус в нижней части выполнен со сквозными отверстиями, снабжен выпуклым днищем и механически связанным с ним посредством подпружиненных шаровых опор профилированным поплавковым воротником, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде тонкостенного цилиндра, установленные в нем заборники пробы снабжены цилиндрическими стаканами с продольно разрезанными стенками и раздельными днищами с возможностью их взаимного перемещения, а матерчатые оболочки в форме усеченных конусов расположены во внутренней полости каждого из стаканов, причем в верхней части каждого стакана с внутренней стороны его стенки установлена спиралеобразная сжатая в горизонтальной плоскости пружина, прикрепленная к верхней части матерчатой оболочки, нижняя часть которой закреплена к днищу стакана, причем днище пробоотборника выполнено в виде монолитной перфорированной полусферы, внутренняя полость которой закрыта крышкой, при этом в полости размещены гранулы гидрореагирующего вещества. 2. Автономный пробоотборник по п.1, отличающийся тем, что в нем хвостовик-стабилизатор выполнен в виде радиолокационного уголкового отражателя, механически связанного со штангой посредством шарового шарнира.