СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ВОДНОЙ СРЕДЫ НА ОСНОВЕ РЕГИСТРАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ СТВОРОК РАКОВИН ДВУХСТВОРЧАТЫХ РАКОВИННЫХ МОЛЛЮСКОВ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01N33/18 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к методам и средствам экологического мониторинга водной среды с помощью неинвазивного контроля функционального состояния аборигенных животных, и преимущественно может быть использовано для автоматической оперативной оценки качества водной среды на основе дистанционной регистрации в реальном масштабе времени параметров физиологической активности двухстворчатых раковинных моллюсков в среде их обитания, проявляющейся во взаимном положении створок их раковин.

Как показывает анализ современного состояния уровня техники в данной области, в целях автоматической оперативной оценки качества водной среды на основе дистанционного контроля физиологической активности гидробионтов, осуществляемого в реальном масштабе времени, в качестве тестируемых организмов возможно использование таких животных, как рыбы, крабы, речные раки, лангусты, омары и двухстворчатые раковинные моллюски, например, устрицы или мидии. При этом о физиологической активности тестируемого животного в среде его обитания судят, прежде всего, на основании двигательной активности животного или частей его тела.

Известен способ оценки качества воды (US 6393899, 2002) на основании дыхательной активности аборигенных пресноводных рыб, прежде всего, обладающих значительными по размерам жаберными крышками форелевых или окуневых, который основан на регистрации и анализе в реальном масштабе времени сигналов движения их жаберных крышек. Данный известный способ предусматривает размещение рыб в экспозиционных камерах с контролируемой водой с установленными на каждой камере в контролируемой воде сверху и снизу двумя электродами, выполненными, например, из нержавеющей стали или графита, прием и преобразование с помощью указанных электродов физиологических сигналов, возникающих при движении жаберных крышек тестируемых рыб, в электрические сигналы движения жаберных крышек, передачу этих электрических сигналов по проводной линии связи, усиление и преобразование их в цифровые коды, ввод полученных цифровых кодов в компьютер, обработку цифровых кодов компьютером для определения частоты и глубины дыхания тестируемых рыб и принятие решения об экологической опасности при отклонении частоты и глубины дыхания тестируемых рыб от заданных значений с формированием сигнала тревоги и последующим отбором пробы контролируемой воды для осуществления химического анализа.

Данный известный способ позволяет формировать и регистрировать сигналы движения жаберных крышек рыб, а также автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды на основании изменения параметров этого движения, которое обусловлено происходящим в организме рыб стрессом, связанным со снижением качества воды.

Однако использование в данном известном способе оценки качества воды в качестве датчика сигнала движения жаберных крышек рыб электродов, электрически не изолированных по отношению к воде, приводит к тому, что формируемый электродами сигнал подвержен нестабильности и сопровождается достаточно интенсивным шумом. Прежде всего, это наблюдается при значительной электропроводности контролируемой водной среды. В случае использования электродов из нержавеющей стали эти два вида искажений формируемого электрического сигнала еще более возрастают вследствие гальванического взаимодействия нержавеющей стали электродов с водой. Такие искажения в значительной степени усложняют последующую обработку сформированного электрического сигнала и могут привести к ошибочному принятию решения о состоянии контролируемой водной среды.

Как отмечают в описании изобретения авторы этого известного способа, по этой же причине изменение электропроводности контролируемой воды существенно влияет на амплитуду формируемого электрического сигнала движения жаберных крышек рыб. В частности, увеличение электропроводности воды приводит к существенному уменьшению амплитуды сигнала движения жаберных крышек рыб, что, во-первых, может привести к его пропуску при регистрации. Во-вторых, изменение амплитуды сигнала движения жаберных крышек рыб, связанное с изменением электропроводности воды, при принятии решения приводит к ошибочным результатам, абсолютно не связанным с реальным изменением качества контролируемой воды. Для возможности осуществления на практике данный известный способ оценки качества воды предусматривает использование при обработке сигнала движения жаберных крышек рыб частичной алгоритмической компенсации изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. Однако это привело к усложнению конструкции и стоимости системы оценки качества воды, реализующей этот способ, а также усложнило ее эксплуатацию, поскольку вызвало необходимость осуществления ее периодической калибровки с использованием воды, имеющей различную электропроводность.

Кроме того, использование в данном известном способе оценки качества воды для передачи сформированного маломощного сигнала движения жаберных крышек рыб достаточно протяженной проводной линии связи электродов с усилителем сигнала вызывает дополнительные искажения формируемого электрического сигнала движения жаберных крышек рыб вследствие неизбежных внешних электрических наводок, что также может привести к ошибочному принятию решения о состоянии контролируемой водной среды.

Наиболее близким по технической сущности к способу биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков, являющемуся предметом настоящего изобретения, следует считать способ биологического мониторинга водной среды, который осуществлен в известной аппаратуре для обнаружения загрязнения водной среды (FR 2713778, 1995) и предусматривает использование в качестве тестируемых животных обитающих в воде двухстворчатых раковинных моллюсков, например, мидий или устриц. Данный известный способ включает закрепление нескольких двухстворчатых раковинных моллюсков с помощью клея нижней створкой раковины на расположенном горизонтально основании так, чтобы верхняя створка раковины каждого моллюска упиралась в упругую пластину, прикрепленную к основанию параллельно его поверхности и снабженную размещенным на ее конце магнитом или металлической пластинкой, размещение моллюсков в контролируемой воде, формирование электрического сигнала положения створок раковины каждого моллюска с помощью датчика Холла или индуктивного датчика, установленных на основании и находящихся во взаимодействии соответственно с магнитом или металлической пластинкой, передачу полученных электрических сигналов с использованием радиоканала, прием их, преобразование в цифровые коды и ввод в компьютер, сравнение компьютером введенных цифровых кодов с пороговым значением, соответствующим значению электрического сигнала при закрытых створках раковины моллюска, определение количества моллюсков, закрывших створки раковин, по количеству цифровых кодов, превысивших пороговое значение, и принятие решения о загрязнении контролируемой воды при превышении количеством моллюсков, закрывших створки раковин, порогового значения.

Данный известный способ биологического мониторинга водной среды позволяет формировать и регистрировать сигналы положения створок раковины моллюсков, а также автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды в случае регистрации закрытия створок своих раковин несколькими из тестируемых моллюсков, что обусловлено происходящим в организмах моллюсков стрессом, связанным со снижением качества воды.

Использование при осуществлении данного известного способа датчика Холла или индуктивного датчика для формирования сигнала положения створок раковины моллюска препятствует возникновению нестабильности этого электрического сигнала и сопровождающего его шума при значительной электропроводности контролируемой водной среды. По сравнению с рассмотренным выше аналогом это упрощает последующую обработку сформированного электрического сигнала и снижает вероятность ошибочного принятия решения о состоянии контролируемой воды.

По этой же причине изменение электропроводности контролируемой воды не оказывает влияния на амплитуду электрического сигнала положения створок раковины моллюска, что способствует надежной его регистрации и снижает вероятность ошибочного принятия решения о качестве контролируемой воды. Кроме того, это не вызывает необходимости при обработке электрического сигнала использовать алгоритмическую компенсацию изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. По сравнению с рассмотренным выше аналогом это упрощает конструкцию и снижает стоимость аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды, а также упрощает ее эксплуатацию, поскольку не требует ее периодической калибровки с использованием воды, имеющей различную электропроводность.

Вместе с тем, закрепление тестируемого моллюска с помощью клея нижней створкой его раковины на расположенном горизонтально основании в положении, которое отличается от положения моллюска в естественных условиях его обитания щелью между створками раковины, сориентированной вверх, а также размещение его между основанием и упругой пластиной, которая вследствие механического контакта и своих упругих свойств оказывает весьма существенное давление на верхнюю створку раковины, препятствующее ее открытию, во-первых, может вызвать у этого животного состояние стресса, которое связано отнюдь не с изменением качества контролируемой водной среды, что может привести к ошибочному решению о качестве контролируемой воды. Во-вторых, эта же причина может вызвать заболевание и даже гибель тестируемого животного, что приводит к повышению стоимости и усложнению эксплуатации реализующей данный способ аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды, которые связаны с необходимостью более частой замены тестируемых животных вследствие их заболевания или гибели.

Кроме того, использование в указанном известном способе радиоканала для передачи сигнала положения створок раковины моллюска приводит, с одной стороны, к усложнению конструкции и повышению стоимости аппаратуры, позволяющей осуществить этот способ, а, с другой стороны, к искажению полезного радиосигнала под воздействием внешних электромагнитных помех, что может привести к ошибочному принятию решения о качестве контролируемой водной среды. Более того, лежащий в основе функционирования датчика, входящего в состав аппаратуры для осуществления указанного известного способа, электромагнитный принцип взаимодействия чувствительного элемента и элемента, воздействующего на чувствительный элемент, также не позволяет избежать влияния на его функционирование внешних электромагнитных полей, действие которых приводит к искажению формируемого датчиком электрического сигнала и поэтому может вызвать ошибочное принятие решения о качестве контролируемой водной среды. В особенности это проявляется при использовании данного известного датчика в составе аппаратуры контроля качества воды на водозаборных станциях и станциях водоподготовки, которые оснащены широким спектром электрооборудования, работающего на основе взаимодействия электромагнитных полей.

Поэтому недостатками способа биологического мониторинга водной среды, который следует считать ближайшим аналогом, являются недостаточно высокая достоверность контроля состояния водной среды, сложность и высокая стоимость эксплуатации аппаратуры, позволяющей осуществить этот способ, а также весьма существенные значения массы и габаритов датчика положения створок раковины моллюска.

Среди систем биологического мониторинга окружающей среды известна система автоматического биомониторинга качества воды (US 6393899, 2002), которая основана на регистрации и анализе сигналов движения жаберных крышек рыб, связанного с дыхательной активностью рыб. Данная известная система содержит экспозиционные камеры с анализируемой водой для размещения рыб, установленные в каждой камере в анализируемой воде сверху и снизу два электрода, каждый из которых выполнен, например, из нержавеющей стали или графита для обеспечения устойчивости к коррозии и снабжен держателем электрода и герметичным штепсельным разъемом. Кроме того, указанная система содержит размещенные вне анализируемой воды последовательно соединенные усилитель, подключенный с помощью проводной линии передачи сигнала к электродам, аналого-цифровой преобразователь, контроллер, терминальную панель и осциллограф, подключенные к терминальной панели пробоотборник и сигнализатор тревоги, а также подключенные к контроллеру удаленный компьютер, удаленный монитор и анализатор качества воды с управляемым электромагнитным клапаном.

Данная известная система автоматического биомониторинга качества воды позволяет формировать и регистрировать сигналы движения жаберных крышек рыб, то есть сигналы их дыхательной активности, а также автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды на основании изменения параметров дыхательной активности рыб, которое обусловлено происходящим в их организме стрессом, связанным со снижением качества воды.

Однако использование в данной известной системе автоматического биомониторинга качества воды в качестве чувствительного элемента датчика движения жаберных крышек рыбы электродов, электрически не изолированных по отношению к воде, приводит к тому, что формируемый электродами сигнал подвержен нестабильности и сопровождается достаточно интенсивным шумом. Прежде всего, это наблюдается при значительной электропроводности контролируемой водной среды. В случае выполнения электродов из нержавеющей стали эти два вида искажений формируемого электрического сигнала еще более возрастают вследствие гальванического взаимодействия нержавеющей стали электродов с водой. Такие искажения в значительной степени усложняют последующую обработку сформированного электрического сигнала и могут привести к ошибочному принятию решения о состоянии контролируемой водной среды.

Как отмечают авторы этой системы, по этой же причине изменение электропроводности контролируемой воды существенно влияет на амплитуду формируемого электрического сигнала движения жаберных крышек рыб. В частности, увеличение электропроводности воды приводит к существенному уменьшению амплитуды сигнала движения жаберных крышек рыб, что, во-первых, может привести к его пропуску при регистрации. Во-вторых, изменение амплитуды сигнала движения жаберных крышек рыб, связанное с изменением электропроводности воды, при принятии решения приводит к ошибочным результатам, абсолютно не связанным с реальным изменением качества контролируемой воды. Для работоспособности данной системы автоматического биомониторинга качества воды при обработке сигнала движения жаберных крышек рыб компьютером в ней предусмотрено использование частичной алгоритмической компенсации изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. Однако это привело к усложнению конструкции и стоимости системы биомониторинга качества воды, а также усложнило ее эксплуатацию, поскольку вызвало необходимость осуществления ее периодической калибровки с использованием воды, имеющей различную электропроводность.

Кроме того, использование в указанной известной системе биомониторинга качества воды достаточно протяженной проводной линии передачи сигнала от электродов к усилителю вызывает дополнительные искажения формируемого электрического сигнала движения жаберных крышек рыб вследствие неизбежных внешних электрических наводок.

Наиболее близкой по технической сущности к системе биологического мониторинга среды обитания животного, являющейся предметом настоящей полезной модели, следует считать аппаратуру для обнаружения загрязнения водной среды (FR 2713778, 1995), предусматривающую использование в качестве тестируемых животных, обитающих в воде, двухстворчатых раковинных моллюсков, например мидий или устриц. Данная известная аппаратура содержит датчики положения створок раковины моллюска, которые содержат расположенное горизонтально основание, установленный на основании чувствительный элемент в виде датчика Холла или индуктивного датчика, упругую пластину, которая прикреплена к основанию параллельно его поверхности и снабжена магнитом или металлической пластинкой, выполняющими функцию элемента, воздействующего на чувствительный элемент, и установленными на конце упругой пластины с возможностью электромагнитного взаимодействия с чувствительным элементом, то есть соответственно с датчиком Холла или индуктивным датчиком. При этом датчик положения створок раковины моллюска выполнен с возможностью закрепления моллюска с помощью клея нижней створкой его раковины на основании так, чтобы верхняя створка раковины моллюска упиралась в упомянутую упругую пластину. Кроме того, указанная известная аппаратура содержит радиоэлектронный блок передачи сигналов положения створок раковины моллюска, радиоэлектронный блок приема и выделения сигналов положения створок раковины моллюска, аналого-цифровой преобразователь, а также блок обработки данных, блок сбора данных и блок оповещения, выполненные на основе компьютера.

Данная известная аппаратура для обнаружения загрязнения водной среды позволяет формировать сигналы положения створок раковины моллюсков, на основании этих сигналов оценивать изменение положения створок раковины моллюсков и автоматически осуществлять принятие решения о снижении качества контролируемой водной среды в случае регистрации закрытия створок своих раковин несколькими из тестируемых моллюсков, что обусловлено происходящим в организмах моллюсков стрессом, связанным со снижением качества воды.

Использование в данной известной аппаратуре, являющейся ближайшим аналогом, для формирования сигнала положения створок раковины моллюска датчика с чувствительным элементом в виде датчика Холла или индуктивного датчика препятствует возникновению нестабильности этого электрического сигнала и сопровождающего его шума вследствие значительной электропроводности контролируемой воды. По сравнению с рассмотренным выше аналогом это упрощает последующую обработку сформированного электрического сигнала и снижает вероятность ошибочного принятия решения о состоянии контролируемой водной среды.

По этой же причине изменение электропроводности контролируемой воды не оказывает влияния на амплитуду электрического сигнала положения створок раковины моллюска, что способствует надежной его регистрации и снижает вероятность ошибочного принятия решения о качестве контролируемой воды. Кроме того, это не вызывает необходимости при обработке электрического сигнала использовать алгоритмическую компенсацию изменения его амплитуды, вызванного изменением электропроводности воды. По сравнению с рассмотренным выше аналогом это упрощает конструкцию и снижает стоимость аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды, а также упрощает ее эксплуатацию, поскольку не требует ее периодической калибровки с использованием воды, имеющей различную электропроводность.

Вместе с тем, при использовании аппаратуры, являющейся ближайшим аналогом, по своему назначению закрепление тестируемого моллюска с помощью клея нижней створкой его раковины на расположенном горизонтально основании в положении, которое отличается от положения моллюска в естественных условиях его обитания щелью между створками раковины, сориентированной вверх, а также размещение его между основанием и упругой пластиной, которая вследствие механического контакта и своих упругих свойств оказывает весьма существенное давление на верхнюю створку раковины, препятствующее ее открытию, во-первых, может вызвать у этого животного состояние стресса, которое связано отнюдь не с изменением качества контролируемой водной среды, что может привести к ошибочному решению о качестве контролируемой воды. Во-вторых, эта же причина может вызвать заболевание и даже гибель тестируемого животного, что приводит к повышению стоимости и усложнению эксплуатации данной известной аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды, которые связаны с необходимостью более частой замены тестируемых животных вследствие их заболевания или гибели. Эти же особенности конструкции входящего в состав данной известной аппаратуры датчика, связанные с его использованием, привели к достаточно существенным значениям массы и габаритов этого датчика.

Кроме того, использование в составе указанной аппаратуры радиоканала для передачи сигнала положения створок раковины моллюска приводит, с одной стороны, к усложнению конструкции и повышению стоимости аппаратуры, а, с другой стороны, к искажению полезного радиосигнала под воздействием внешних электромагнитных помех, что может привести к ошибочному принятию решения о качестве контролируемой водной среды. Лежащий в основе функционирования датчика, входящего в состав являющейся ближайшим аналогом аппаратуры, электромагнитный принцип взаимодействия чувствительного элемента и элемента, воздействующего на чувствительный элемент, также не позволяет избежать влияния на его функционирование внешних электромагнитных полей, действие которых приводит к искажению формируемого датчиком электрического сигнала и поэтому может вызвать ошибочное принятие решения о качестве контролируемой водной среды. В особенности это проявляется при использовании данного известного датчика в составе аппаратуры контроля качества воды на водозаборных станциях и станциях водоподготовки, которые оснащены широким спектром электрооборудования, работающего на основе взаимодействия электромагнитных полей.

Поэтому недостатками аппаратуры для обнаружения загрязнения водной среды, которую следует считать ближайшим аналогом, являются недостаточно высокая достоверность контроля состояния водной среды, сложность и высокая стоимость ее эксплуатации, а также весьма существенные значения массы и габаритов датчика положения створок раковины моллюска.

Задачами настоящего изобретения являются повышение достоверности контроля окружающей среды, упрощение и снижение стоимости эксплуатации системы контроля водной среды, а также уменьшение массы и габаритов датчика положения створок раковины моллюска, используемого в данной системе.

Поставленные задачи решаются согласно настоящему изобретению, во-первых, тем, что способ биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков, включающий в соответствии с ближайшим аналогом закрепление на створках раковины каждого моллюска датчика положения створок, размещение моллюсков с датчиками положения створок в контролируемой воде, формирование датчиками электрических сигналов положения створок, преобразование их в цифровые коды, ввод цифровых кодов в компьютер, сравнение компьютером введенных цифровых кодов с пороговым значением, соответствующим значению электрического сигнала при закрытых створках раковины моллюска, определение количества моллюсков, закрывших створки раковин, по результатам сравнения цифровых кодов с пороговым значением и принятие решения о загрязнении контролируемой воды при превышении количеством моллюсков, закрывших створки раковин, порогового значения, отличается от ближайшего аналога тем, что для формирования электрического сигнала положения створок каждого моллюска формируют оптическое излучение, пропускают его по оптическому волокну линии передачи, один из участков которого выполнен в виде петли оптического волокна и установлен на закрепленном на одной створке раковины моллюска основании датчика с упором одной стороной петли оптического волокна в дно паза, выполненного в основании датчика, с возможностью механического взаимодействия другой стороны петли оптического волокна с элементом воздействия на чувствительный элемент, установленным на другой створке раковины моллюска, и с возможностью деформации формы петли оптического волокна в ее плоскости в результате механического взаимодействия петли оптического волокна с элементом воздействия на чувствительный элемент и дном паза основания датчика, преобразуют оптическое излучение, прошедшее по оптическому волокну линии передачи, в электрический сигнал положения створок с помощью приемника оптического излучения, установленного с возможностью оптического контакта с выходным торцом оптического волокна линии передачи, и определяют количество моллюсков, закрывших створки раковин, по количеству цифровых кодов, не превысивших пороговое значение.

При этом пропускают оптическое излучение по оптическому волокну линии передачи, один из участков которого выполнен в виде петли с минимальным радиусом кривизны ее формы R=(0,5-1,5)Ltgα_max из оптического волокна диаметром d=(0,005-0,015)R, где L - расстояние от лигамента раковины моллюска до точки механического взаимодействия петли с элементом воздействия на чувствительный элемент; α_max - максимальный угол раскрытия створок раковины живого моллюска.

В качестве источника оптического излучения используют полупроводниковый лазер или светодиод.

В качестве приемника оптического излучения используют фотодиод.

Основание датчика и элемент воздействия на чувствительный элемент датчика закрепляют на створках раковины моллюска с помощью клея.

Использование в настоящем способе для формирования электрического сигнала положения створок каждого моллюска формирования оптического излучения, пропускания его по оптическому волокну линии передачи, один из участков которого выполнен в виде петли оптического волокна и установлен на закрепленном на одной створке раковины моллюска основании датчика с упором одной стороной петли оптического волокна в дно паза, выполненного в основании датчика, с возможностью механического взаимодействия другой стороны петли оптического волокна с элементом воздействия на чувствительный элемент, установленным на другой створке раковины моллюска, и с возможностью деформации формы петли оптического волокна в ее плоскости в результате механического взаимодействия петли оптического волокна с элементом воздействия на чувствительный элемент и дном паза основания датчика, преобразования оптического излучения, прошедшего по оптическому волокну линии передачи, в электрический сигнал положения створок с помощью приемника оптического излучения, установленного с возможностью оптического контакта с выходным торцом оптического волокна линии передачи, определения количества моллюсков, закрывших створки раковин, по количеству цифровых кодов, не превысивших пороговое значение, обеспечивает повышение достоверности контроля состояния водной среды, упрощение и снижение стоимости эксплуатации аппаратуры, позволяющей осуществить этот способ, а также уменьшение массы и габаритов датчика положения створок раковины моллюска, используемого при осуществлении способа. Данное утверждение подтверждается следующими соображениями.

Во-первых, использование при осуществлении настоящего способа чувствительного элемента датчика положения створок моллюска в виде петли оптического волокна, являющегося также и линией передачи полезного сигнала, обеспечивает возможность формирования оптического сигнала положения створок раковины за счет деформации формы петли оптического волокна, что предотвращает искажение полезного сигнала на стадии его формирования под действием внешних электромагнитных помех и приводит к повышению достоверности контроля водной среды.

Во-вторых, использование в настоящем способе линии передачи полезного сигнала в виде оптического волокна, а не радиоканала, как это предусмотрено при осуществлении способа, являющегося ближайшим аналогом, с одной стороны, обеспечивает упрощение конструкции и снижение стоимости аппаратуры для его осуществления. С другой стороны, линия передачи в виде оптического волокна не подвержена воздействию внешних электромагнитных помех, что предотвращает искажение ими полезного сигнала и также обеспечивает повышение достоверности контроля водной среды.

В-третьих, использование при осуществлении настоящего способа в качестве чувствительного элемента датчика положения створок раковины моллюска петли, выполненной из достаточно тонкого и гибкого оптического волокна, установленной на основании датчика и находящейся во взаимодействии с элементом воздействия на чувствительный элемент, обеспечивает по сравнению с ближайшим аналогом существенное снижение габаритов и массы основных узлов датчика, прежде всего, узлов, устанавливаемых на створках раковины моллюска. Так, например, по мнению авторов настоящего изобретения, суммарная масса узлов датчика положения створок раковины моллюска, устанавливаемых на створках раковины, может не превышать 5-10 г. Выполнение петли из достаточно тонкого и гибкого оптического волокна приводит к тому, что сила упругости, которая возникает при деформации петли оптического волокна вследствие естественного движения створок раковины моллюска, практически не оказывает противодействия этому движению створок. Эти же причины позволяют выполнить основание датчика с возможностью установки на одной створке раковины моллюска, а элемент воздействия на чувствительный элемент выполнить с возможностью установки на другой створке раковины и установить его с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна линии передачи сигнала. В результате этого при осуществлении способа не возникает необходимости какого-либо принудительного закрепления моллюска, который, несмотря на установленные на сворках его раковины узлы датчика, может самостоятельно выбирать положение и совершать движения, соответствующие естественным условиям его обитания. Поэтому, с одной стороны, снижается вероятность возникновения у тестируемого моллюска состояния стресса, который не связан с изменением качества контролируемой водной среды, что повышает достоверность ее контроля. С другой стороны, снижается вероятность возникновения заболевания или гибели тестируемого моллюска вследствие размещения на его раковине датчика, что приводит к снижению стоимости и упрощению эксплуатации аппаратуры, реализующей данный способ, поскольку замена тестируемых моллюсков по причине их заболевания или гибели оказывается необходимой менее часто.

Поставленные задачи решаются согласно настоящему изобретению, во-вторых, также тем, что система биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, датчики положения створок раковины моллюска, включающие основание, установленный на основании чувствительный элемент, линию передачи сигнала и элемент воздействия на чувствительный элемент, выполненный и установленный с возможностью взаимодействия с чувствительным элементом, усилители, каждый из которых подключен к выходу соответствующего датчика положения створок раковины моллюска, аналого-цифровые преобразователи, каждый из которых подключен к выходу соответствующего усилителя, и компьютер, подключенный к выходам аналого-цифровых преобразователей, отличается от ближайшего аналога тем, что каждый ее датчик положения створок раковины моллюска снабжен источником оптического излучения и приемником оптического излучения, линия передачи сигнала датчика положения створок раковины моллюска выполнена в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, основание датчика положения створок раковины моллюска выполнено с возможностью установки на одной створке раковины моллюска и снабжено пазом, чувствительный элемент датчика положения створок раковины моллюска выполнен в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала, установленной на основании датчика с упором одной стороной петли в дно паза основания, элемент воздействия на чувствительный элемент датчика положения створок раковины моллюска выполнен с возможностью установки на другой створке раковины моллюска и установлен с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна и с возможностью деформации в результате упомянутого взаимодействия формы петли оптического волокна в ее плоскости, а вход каждого усилителя подключен к соответствующему приемнику оптического излучения.

При этом чувствительный элемент датчика положения створок раковины моллюска выполнен в виде петли оптического волокна с минимальным радиусом кривизны ее формы R=(0,5-1,5)Ltgα_max из оптического волокна диаметром d=(0,005-0,015)R, где L - расстояние от лигамента раковины моллюска до точки механического взаимодействия петли с элементом воздействия на чувствительный элемент; α_max - максимальный угол раскрытия створок раковины живого моллюска.

В качестве источника оптического излучения ее датчика положения створок раковины моллюска использован полупроводниковый лазер или светодиод.

В качестве приемника оптического излучения ее датчика положения створок раковины моллюска использован фотодиод.

Основание датчика положения створок раковины моллюска и элемент воздействия на чувствительный элемент датчика положения створок раковины моллюска выполнены с возможностью установки на створках раковины моллюска с помощью клея.

Снабжение каждого датчика положения створок раковины моллюска системы биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков источником оптического излучения и приемником оптического излучения, выполнение линии передачи сигнала датчика положения створок раковины моллюска в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, выполнение основания датчика положения створок раковины моллюска с возможностью установки на одной створке раковины моллюска и снабжение пазом, выполнение чувствительного элемента датчика положения створок раковины моллюска в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала, установленной на основании датчика с упором одной стороной петли в дно паза основания, выполнение элемента воздействия на чувствительный элемент датчика положения створок раковины моллюска с возможностью установки на другой створке раковины моллюска и установка его с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна и с возможностью деформации в результате упомянутого взаимодействия формы петли оптического волокна в ее плоскости, а также подключение входа каждого усилителя к соответствующему приемнику оптического излучения обеспечивают повышение достоверности контроля состояния водной среды, упрощение и снижение стоимости эксплуатации системы, а также уменьшение массы и габаритов датчика положения створок раковины моллюска, используемого в системе. Данное утверждение подтверждается следующими соображениями.

Во-первых, выполнение чувствительного элемента датчика в виде петли оптического волокна, являющегося также и линией передачи полезного сигнала, обеспечивает возможность формирования оптического сигнала положения створок раковины за счет деформации формы петли оптического волокна, возникающей при ее взаимодействии с дном паза основания датчика и элементом воздействия на чувствительный элемент и приводящей к изменению минимального радиуса кривизны формы петли. Уменьшение минимального радиуса кривизны формы петли вызывает нарушение условий полного внутреннего отражения, свойственного недеформированным оптическим волокнам, что приводит к потерям светового потока при прохождении оптического излучения через петлю и его модуляции, обеспечивая зависимость светового потока, прошедшего по оптическому волокну, от относительного положения створок раковины моллюска. Такой принцип формирования оптического полезного сигнала положения створок раковины моллюска и использование линии передачи в виде оптического волокна предотвращает искажение полезного сигнала на стадии его формирования под действием внешних электромагнитных помех и приводит к повышению достоверности контроля водной среды. При этом снабжение основания датчика пазом, в котором установлена петля с упором одной своей стороной в дно упомянутого паза, при взаимодействии петли с элементом воздействия на чувствительный элемент обеспечивает сохранение плоской формы петли и ее деформацию только в плоскости ее расположения. Последнее обстоятельство обеспечивает получение статической характеристики датчика положения створок раковины моллюска, близкой к линейной.

Во-вторых, использование в настоящей системе линии передачи полезного сигнала в виде оптического волокна, а не радиоканала, как это предусмотрено в ближайшем аналоге, с одной стороны, обеспечивает упрощение конструкции и снижение стоимости системы. С другой стороны, линия передачи в виде оптического волокна не подвержена воздействию внешних электромагнитных помех, что предотвращает искажение ими полезного сигнала и также обеспечивает повышение достоверности контроля водной среды.

В-третьих, использование в настоящей системе в качестве чувствительного элемента датчика положения створок раковины моллюска петли, выполненной из достаточно тонкого и гибкого оптического волокна, установленной на основании датчика и находящейся во взаимодействии с элементом воздействия на чувствительный элемент, обеспечивает по сравнению с ближайшим аналогом существенное снижение габаритов и массы основных узлов датчика, прежде всего, узлов, устанавливаемых на створках раковины моллюска. Так, например, по мнению авторов настоящего изобретения, суммарная масса узлов датчика положения створок раковины моллюска, устанавливаемых на створках раковины, может не превышать 5-10 г. Выполнение петли из достаточно тонкого и гибкого оптического волокна приводит к тому, что сила упругости, которая возникает при деформации петли оптического волокна вследствие естественного движения створок раковины моллюска, практически не оказывает противодействия этому движению створок. Эти же причины позволяют выполнить основание датчика с возможностью установки на одной створке раковины моллюска, а элемент воздействия на чувствительный элемент выполнить с возможностью установки на другой створке раковины и установить его с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна линии передачи сигнала. В результате этого не возникает необходимости какого-либо принудительного закрепления моллюска, который при функционировании системы, несмотря на установленные на сворках его раковины узлы датчика, может самостоятельно занимать положение и совершать движения, соответствующие естественным условиям его обитания. Поэтому, с одной стороны, снижается вероятность возникновения у тестируемого моллюска состояния стресса, который не связан с изменением качества контролируемой водной среды, а вызван наличием на нем узлов датчика, что повышает достоверность контроля водной среды. С другой стороны, снижается вероятность возникновения заболевания или гибели тестируемого моллюска вследствие размещения на его раковине датчика, что приводит к снижению стоимости и упрощению эксплуатации системы, поскольку замена тестируемых моллюсков по причине их заболевания или гибели оказывается необходимой менее часто.

Отмеченное свидетельствует о решении декларированных выше задач настоящего изобретения, благодаря наличию у способа биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков и системы для его осуществления перечисленных выше отличительных признаков.

На фиг.1 показаны структурная электрическая схема системы биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков с датчиками положения створок раковины моллюска, установленными на створках раковин двухстворчатых моллюсков, где 1 - компьютер, 2 - источник питания источников оптического излучения, 3₁-3_N - источник оптического излучения, 4₁-4_N - приемник оптического излучения, 5₁-5_N - усилитель,

6₁-6_N - аналого-цифровой преобразователь, 7₁-7_N - оптическое волокно, 8₁-8_N - входной торец оптического волокна, 9₁-9_N - выходной торец оптического волокна, 10₁-10_N - основание датчика, 11₁-11_N - петля оптического волокна, 12₁-12_N - элемент воздействия на чувствительный элемент, 13₁-13_N - первая створка раковины, 14₁-14_N - вторая створка раковины, 15₁-15_N - лигамент раковины моллюска, L - расстояние от лигамента 15₁-15_N раковины моллюска до точки механического взаимодействия петли 11₁-11_N оптического волокна с элементом 12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент и α - угол раскрытия створок раковины моллюска.

На фиг.2 показан разрез основания 10₁-10_N датчика в плоскости расположения петли 11₁-11_N оптического волокна, где 16₁-16_N - паз основания, 17₁-17_N - дно паза, 18₁-18_N - элемент фиксации и R - минимальный радиус кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна.

На фиг.3 показан вид справа основания 10₁-10_N датчика с петлей 11₁-11_N оптического волокна, показанного на фиг.2.

На фиг.4 показан возможный вариант размещения системы биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков в случае использования ее для мониторинга водной среды водоема, где 19 - помост, 20 - контейнер для аппаратуры, 21 - клетка для животных, 22 - щель для оптических волокон, 23 - жгут оптических волокон и 24 - тестируемый моллюск.

На фиг.5 показан возможный вариант размещения системы биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков в случае использования ее для контроля качества воды на водозаборных станциях водоподготовки, где 25 - аквариум для животных, 26 - входной патрубок и 27 - выходной патрубок.

Система биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков, позволяющая осуществить способ биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков, содержит (см. фиг.1) компьютер 1, источник 2 питания источников оптического излучения, подключенный к выходу компьютера 1, N датчиков положения створок раковины моллюска (по числу N используемых тестируемых моллюсков) и N цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные усилитель 5₁-5_N и аналого-цифровой преобразователь 6₁-6_N, причем выход каждого аналого-цифрового преобразователя 6₁-6_N подключен к входам компьютера 1. В качестве компьютера 1 может быть использован персональный компьютер.

Каждый датчик положения створок раковины моллюска (на фигурах не обозначены) содержит (см. фиг.1) оптическое волокно 7₁-7_N, источник 3₁-3_N оптического излучения и приемник 4₁-4_N оптического излучения, установленные с возможностью оптического контакта соответственно с входным торцом 8₁-8_N оптического волокна и выходным торцом 9₁-9_N оптического волокна с помощью не показанных на фигурах волоконно-оптических коннекторов, например, марки ST или FC. В качестве источника 3₁-3_N оптического излучения может быть использован светодиод или полупроводниковый лазер, например, марки ИЛПН-109М, испускающий оптическое излучение с длиной волны 0,8-0,86 мкм, а в качестве приемника 4₁-4_N оптического излучения может быть использован фотодиод, например, марки ФД-290, чувствительный к оптическому излучению данного диапазона длин волн.

Датчик также содержит основание 10₁-10_N датчика, которое выполнено из полимерного материала (см. фиг.1, 2 и 3) с возможностью установки на наружной поверхности первой створки 13₁-13_N раковины тестируемого моллюска 24, например, с помощью эпоксидного клея, а также элемент 12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент, который выполнен, например, из полимерного материала с возможностью установки на наружной поверхности второй створки 14₁-14_N раковины тестируемого моллюска 24, например, с помощью эпоксидного клея. Оптическое волокно 7₁-7_N согнуто с образованием петли 11₁-11_N оптического волокна. Петля 11₁-11_N оптического волокна (см. фиг.2 и 3) пропущена в отверстие основания 10₁-10_N датчика, установлена в пазу 16₁-16_N основания с упором одной своей стороной в дно 17₁-17_N паза и закреплена в отверстии основания 10₁-10_N датчика элементом

18₁-18_N фиксации петли, выполненным, например, из отвердевшего эпоксидного клея. При закреплении петли 11₁-11_N оптического волокна в отверстии основания 10₁-10_N датчика длину участка оптического волокна, образующего ее, выбирают такой, чтобы другая сторона петли 11₁-11_N оптического волокна (верхняя по расположению на фиг.2 и 3) выступала из паза 16₁-16_N основания не менее, чем на величину, равную

Ltgα_max, а минимальный радиус кривизны формы петли 11₁-1_N оптического волокна (см. фиг.2) выбирают в пределах R=(0,5-1,5)Ltgα_max, где L - расстояние от лигамента 15₁-15_N раковины моллюска до точки механического взаимодействия петли 11₁-11_N оптического волокна с элементом 12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент;

α_max - максимальный угол раскрытия створок раковины живого моллюска. Взаимное расположение основания 10₁-10_N датчика и элемента 12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент, установленных соответственно на первой створке 13₁-13_N раковины и на второй створке 14₁-14_N раковины тестируемого моллюска 24, обеспечивают таким, чтобы при значении угла α раскрытия створок раковины моллюска, равном максимальному углу α_max раскрытия створок раковины живого моллюска, обеспечивалось касание элементом 12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент выступающей из паза 16₁-16_N основания стороны (верхней по расположению на фиг.2 и 3) петли 11₁-11_N оптического волокна. При этом петля 11₁-11_N оптического волокна должна быть выполнена из оптического волокна диаметром d=(0,005-0,015)R.

Указанные соотношения для минимального радиуса R кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна и диаметра d оптического волокна получены авторами настоящего изобретения опытным путем. Необходимое значение минимального радиуса R кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна зависит от максимального значения линейного перемещения элемента 12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент при движении створок раковины тестируемого моллюска 24, равного, как видно из фиг.1, значению Ltgα_max и определяемого размерами тестируемого моллюска 24. При значении минимального радиуса R кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна, большем 1,5Ltgα_max, на участке минимальной кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна в недостаточной степени будет изменяться условие полного внутреннего отражения оптического излучения в оптическом волокне, что не позволит обеспечить глубину модуляции светового потока, необходимую для последующей регистрации электрического сигнала. При значении минимального радиуса R кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна, меньшем 0,5Ltgα_max, возможно повреждение внутренней структуры оптического волокна вследствие деформации формы петли 11₁-11_N оптического волокна. Поэтому при выборе значения минимального радиуса R кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна за пределами указанного диапазона не удается получить технический результат, заключающийся в повышении достоверности контроля водной среды. По мнению авторов настоящего изобретения, наилучшая достоверность контроля водной среды обеспечивается при выборе значения минимального радиуса R кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна, равного Ltgα_max.

Использование оптического волокна с диаметром d, выбранным за пределами диапазона (0,005-0,015)R, не позволяет обеспечить повышение достоверности контроля водной среды. При выборе значения диаметра d оптического волокна, меньшего 0,005R, на участке минимальной кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна в недостаточной степени будет изменяться условие полного внутреннего отражения оптического излучения в оптическом волокне, что не позволит обеспечить глубину модуляции светового потока, необходимую для последующей регистрации электрического сигнала. Кроме того, из-за недостаточной площади поперечного сечения оптического волокна величина светового потока оптического излучения, проходящего через оптическое волокно, окажется недостаточной для формирования электрического сигнала необходимой амплитуды. При выборе же значения диаметра d оптического волокна, большего 0,015R, также возможно повреждение внутренней структуры оптического волокна вследствие деформации формы петли 11₁-11_N оптического волокна. Поэтому на практике при наилучшем, по мнению авторов, осуществлении настоящего изобретения и при использовании, например, мидий в качестве тестируемых моллюсков 24 значение минимального радиуса R кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна выбирают в пределах 5-8 мм и используют оптическое волокно диаметром d от 50 до 80 мкм.

Перед использованием системы биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков основание 10₁-10_N датчика устанавливают, например, с помощью эпоксидного клея на наружной поверхности первой створки 13₁-13_N раковины, а элемент 12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент - на наружной поверхности второй створки 14₁-14_N раковины.

Электронную аппаратуру системы биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков в случае использования ее для контроля водной среды водоема (см. фиг.4) размещают, например, в контейнере 20 для аппаратуры на помосте 19, площадка которого расположена выше уровня контролируемой воды, а опоры установлены на суше или в акватории, на дне контролируемого водоема. В этом случае в качестве тестируемых моллюсков 24 используют, например, устриц или мидий. Для размещения тестируемых моллюсков 24 используют клетку 21 для животных, которая может быть выполнена из металлической или полимерной сетки, снабжена щелью 22 для оптических волокон, в которую пропущен жгут 23 оптических волокон, и установлена на дне контролируемого водоема.

В случае использования системы биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков для контроля качества воды на водозаборных станциях водоподготовки тестируемых моллюсков 24 размещают (см. фиг.5) в проточном аквариуме 25 для животных, который может быть выполнен из стекла и снабжен выходным патрубком 27 и входным патрубком 26, подсоединенным к не показанному на фигурах водяному насосу, нагнетающему воду из источника водоснабжения. В этом случае в качестве тестируемых моллюсков 24 также используют, например, устриц или мидий.

В соответствии с настоящим изобретением способ биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков осуществляют следующим образом:

- закрепляют на створках раковины каждого тестируемого моллюска 24 датчик положения створок путем установки с помощью эпоксидного клея основания 10₁-10_N датчика на наружной поверхности первой створки 13₁-13_N раковины, а элемента

12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент - на наружной поверхности второй створки 14₁-14_N раковины;

- размещают тестируемых моллюсков 24 с установленными на них датчиками положения створок в контролируемой воде в клетке 21 для животных (см. фиг.4) или в проточном аквариуме 25 для животных (см. фиг.5);

- формируют оптическое излучение источниками 3₁-3_N оптического излучения и пропускают его по оптическим волокнам 7₁-7_N линий передачи, один из участков каждого из которых выполнен в виде петли 11₁-11_N оптического волокна и установлен на закрепленном на первой створке 13₁-13_N раковины моллюска основании 10₁-10_N датчика с упором одной стороной петли 11₁-11_N оптического волокна в дно 17₁-17_N паза 16₁-16_N, выполненного в основании 10₁-10_N датчика, с возможностью механического взаимодействия другой стороны петли 11₁-11_N оптического волокна с элементом 12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент, установленным на второй створке 14₁-14_N раковины моллюска, и с возможностью деформации формы петли 11₁-11_N оптического волокна в ее плоскости в результате механического взаимодействия петли 11₁-11_N оптического волокна с элементом 12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент и дном 17₁-17_N паза 16₁-16_N основания 10₁-10_N датчика;

- преобразуют оптическое излучение, прошедшее по оптическим волокнам 7₁-7_N линии передачи, в электрические сигналы положения створок с помощью приемников

4₁-4_N оптического излучения, установленных с возможностью оптического контакта с выходными торцами 9₁-9_N оптических волокон 7₁-7_N линии передачи;

- усиливают полученные электрические сигналы с помощью усилителей 5₁-5_N, преобразуют их в цифровые коды аналого-цифровыми преобразователями 6₁-6_N и вводят полученные цифровые коды в компьютер 1;

- сравнивают с помощью компьютера 1 введенные цифровые коды с пороговым значением, соответствующим значению электрического сигнала при закрытых створках раковины моллюска;

- определяют с помощью компьютера 1 количество моллюсков, закрывших створки раковин, по количеству цифровых кодов, не превысивших пороговое значение;

- принимают с помощью компьютера 1 решение о загрязнении контролируемой воды при превышении количеством моллюсков, закрывших створки раковин, порогового значения.

Система биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков, позволяющая осуществить способ биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков, работает следующим образом.

Оператор системы биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков включает питание электронной аппаратуры, входящей в состав данной системы, в том числе, компьютер 1, по сигналу с которого включается источник 2 питания источников оптического излучения. Источник 2 питания источников оптического излучения подает напряжение на источники 3₁-3_N оптического излучения, которые начинает испускать оптическое излучение. Оптическое излучение от источников 3₁-3_N оптического излучения попадает в соответствующие входные торцы 8₁-8_N оптических волокон, распространяется по оптическим волокнам 7₁-7_N к выходным торцам 9₁-9_N оптических волокон, проходя при этом через петли 11₁-11_N оптических волокон, и через выходные торцы 9₁-9_N оптических волокон падает на чувствительные поверхности приемников 4₁-4_N оптического излучения, которые преобразуют падающее оптическое излучение в электрический сигнал с амплитудой, пропорциональной падающему световому потоку. Сформированные приемниками

4₁-4_N оптического излучения электрические сигналы после усиления по мощности усилителями 5₁-5_N преобразуются аналого-цифровыми преобразователями 6₁-6_N в цифровые коды, поступающие в компьютер 1. Каждый поступивший цифровой код компьютер 1 запоминает и сравнивает с пороговым значением, соответствующим значению электрического сигнала при закрытых створках раковины моллюска.

При высоком качестве контролируемой воды створки раковин тестируемых моллюсков 24 приоткрыты, что необходимо для протекания в их организме всех жизненно важных физиологических процессов. Поэтому элемент 12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент не вступает в механическое взаимодействие со стороной (верхней по расположению на фиг.2 и 3) петли 11₁-11_N оптического волокна и не вызывает ее деформацию. В результате этого не происходит нарушения условий полного внутреннего отражения оптического излучения в петле 11₁-11_N оптического волокна и на чувствительные поверхности приемников 4₁-4_N оптического излучения падают неизменяющиеся световые потоки, которые имеют максимальное значение. В этом случае при сравнении компьютером 1 поступивших цифровых кодов с пороговым значением, которое соответствует значению электрического сигнала при закрытых створках раковины моллюска, имеющему, как будет пояснено ниже, меньшее значение, цифровые коды превысят пороговое значение. Если из N поступивших цифровых кодов более заданного количества (порогового значения для количества моллюсков) цифровых кодов превысят пороговое значение, соответствующее значению электрического сигнала при закрытых створках раковины моллюска, компьютер 1 сигнала об экологической опасности в результате загрязнения контролируемой воды не формирует, так как это означает, что у большинства тестируемых моллюсков 24 створки раковин открыты.

При возникновении загрязнения контролируемой воды в организме двухстворчатых раковинных моллюсков происходит стресс, который внешне проявляется в закрытии створок их раковин. В этом случае в результате относительном движении первой створки 13₁-13_N раковины и второй створки 14₁-14_N раковины тестируемого моллюска 24 элемент 12₁-12_N воздействия на чувствительный элемент механически взаимодействует с одной стороной (верхней по расположению на фиг.2 и 3) петли 11₁-11_N оптического волокна. Поскольку петля 11₁-11_N оптического волокна своей другой стороной (нижней по расположению на фиг.2 и 3) упирается в дно 17₁-17_N паза 16₁-16_N основания, происходит деформация формы петли 11₁-11_N оптического волокна, причем вследствие ее расположения в пазу 16₁-16_N основания указанная деформация происходит только в плоскости расположения самой петли 11₁-11_N оптического волокна, не вызывая ее скручивания. Из-за указанной деформации уменьшается минимальный радиус R кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна. В результате такого уменьшения минимального радиуса R кривизны формы петли 11₁-11_N оптического волокна нарушаются условия полного внутреннего отражения, свойственного недеформированному оптическому волокну, что вызывает потери светового потока при прохождении оптического излучения через петлю 11₁-11_N оптического волокна, приводящие к модуляции светового потока в соответствии с величиной деформации. В результате этого световой поток, достигающий чувствительной поверхности приемника 4₁-4_N оптического излучения, оказывается меньшим по значению. Поэтому при сравнении компьютером 1 поступивших цифровых кодов с пороговым значением, соответствующим значению электрического сигнала при закрытых створках раковины моллюска, цифровые коды, которые получены в результате аналого-цифрового преобразования сигналов с датчиков, установленных на закрывших створки раковин тестируемых моллюсках 24, окажутся меньше указанного порогового значения. Компьютер 1 определяет количество цифровых кодов, меньших этого порогового значения, которое равно количеству тестируемых моллюсков 24, закрывших створки своих раковин. Затем компьютер 1 сравнивает полученное количество тестируемых моллюсков 24, закрывших створки своих раковин, с пороговым значением для количества из N моллюсков, меньшим N, и в случае превышения указанного порогового значения формирует сигнал экологической опасности, свидетельствующий о загрязнении воды и индицируемый оператору системы, например, на мониторе компьютера 1. Формирование компьютером 1 такого сигнала означает, что большинство тестируемых моллюсков 24, количество которых превышает пороговое значение для количества моллюсков, закрыло створки своих раковин, вероятнее всего, вследствие загрязнения контролируемой воды. Кроме того, оповещение персонала о загрязнении может осуществляться сигнализатором экологической опасности, который подключен к компьютеру 1, но на фигурах не показан.

Использование нескольких тестируемых моллюсков 24 связано, прежде всего, с необходимостью предотвращения пропуска факта загрязнения контролируемой воды, поскольку при гибели двухстворчатых раковинных моллюсков створки их раковин максимально открываются.

В случае формирования системой биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков сигнала экологической опасности осуществляют отбор пробы контролируемой воды для ее последующего химического анализа.

Авторами настоящего изобретения был разработан опытный образец системы биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков и в августе 2007 года испытан в лабораторных и натурных условиях для целей контроля водной среды с использованием мидий в качестве тестируемых животных. Испытания показали достаточно высокую эффективность использования системы биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков для контроля качества водной среды.

Таким образом, способ биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков и система для его осуществления обеспечивают повышение достоверности контроля окружающей среды, упрощение и снижение стоимости эксплуатации системы контроля водной среды, а также уменьшение массы и габаритов датчика положения створок раковины моллюска, используемого в данной системе.

Группа изобретений относится к области охраны окружающей среды, в частности к методам и средствам экологического мониторинга водной среды с помощью неинвазивного контроля функционального состояния аборигенных животных. Способ включает закрепление на створках раковины моллюсков датчика положения створок, размещение моллюсков с датчиками в контролируемой воде, формирование и пропускание оптического излучения по оптическим волокнам линии передачи, один из участков каждого из которых выполнен в виде петли и установлен на закрепленном на одной створке раковины основании датчика с упором одной стороной петли в дно паза, выполненного в основании датчика, с возможностью механического взаимодействия другой стороны петли с элементом воздействия на чувствительный элемент, установленным на другой створке раковины, и с возможностью деформации формы петли в ее плоскости в результате механического взаимодействия петли с элементом воздействия на чувствительный элемент и дном паза основания датчика. Далее способ предусматривает преобразование оптического излучения, прошедшего по оптическим волокнам, в электрические сигналы приемниками оптического излучения, установленными с возможностью оптического контакта с выходными торцами оптических волокон, преобразование их в цифровые коды, ввод цифровых кодов в компьютер, сравнение компьютером цифровых кодов с пороговым значением, соответствующим значению электрического сигнала при закрытых створках раковины, определение количества моллюсков, закрывших створки раковин, по количеству цифровых кодов, не превысивших пороговое значение, и принятие решения о загрязнении контролируемой воды при превышении количеством моллюсков, закрывших створки раковин, порогового значения. Система содержит датчики положения створок раковины моллюска, усилители, аналого-цифровые преобразователи и компьютер. Каждый датчик положения створок раковины моллюска содержит источник оптического излучения, приемник оптического излучения, линию передачи сигнала в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, основание датчика, которое выполнено с возможностью установки на одной створке раковины и снабжено пазом, чувствительный элемент датчика, который выполнен в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала, установленной на основании датчика с упором одной стороной петли в дно паза основания, и элемент воздействия на чувствительный элемент датчика, который выполнен с возможностью установки на другой створке раковины и установлен с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна и с возможностью деформации в результате упомянутого взаимодействия формы петли оптического волокна в ее плоскости. Достигается повышение достоверности контроля окружающей среды, упрощение и снижение стоимости эксплуатации системы контроля водной среды, а также уменьшение массы и габаритов датчика положения створок раковины моллюска, используемого в данной системе. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков, включающий закрепление на створках раковины каждого моллюска датчика положения створок, размещение моллюсков с датчиками положения створок в контролируемой воде, формирование датчиками электрических сигналов положения створок, преобразование их в цифровые коды, ввод цифровых кодов в компьютер, сравнение компьютером введенных цифровых кодов с пороговым значением, соответствующим значению электрического сигнала при закрытых створках раковины моллюска, определение количества моллюсков, закрывших створки раковин, по результатам сравнения цифровых кодов с пороговым значением и принятие решения о загрязнении контролируемой воды при превышении количеством моллюсков, закрывших створки раковин, порогового значения, отличающийся тем, что для формирования электрического сигнала положения створок каждого моллюска формируют оптическое излучение, пропускают его по оптическому волокну линии передачи, один из участков которого выполнен в виде петли оптического волокна и установлен на закрепленном на одной створке раковины моллюска основании датчика с упором одной стороной петли оптического волокна в дно паза, выполненного в основании датчика, с возможностью механического взаимодействия другой стороны петли оптического волокна с элементом воздействия на чувствительный элемент, установленным на другой створке раковины моллюска, и с возможностью деформации формы петли оптического волокна в ее плоскости в результате механического взаимодействия петли оптического волокна с элементом воздействия на чувствительный элемент и дном паза основания датчика, преобразуют оптическое излучение, прошедшее по оптическому волокну линии передачи, в электрический сигнал положения створок с помощью приемника оптического излучения, установленного с возможностью оптического контакта с выходным торцом оптического волокна линии передачи, и определяют количество моллюсков, закрывших створки раковин, по количеству цифровых кодов, не превысивших пороговое значение.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пропускают оптическое излучение по оптическому волокну линии передачи, один из участков которого выполнен в виде петли с минимальным радиусом кривизны ее формы R=(0,5-1,5)Ltgα_max из оптического волокна диаметром d=(0,005-0,015)R, где L - расстояние от лигамента раковины моллюска до точки механического взаимодействия петли с элементом воздействия на чувствительный элемент; α_max - максимальный угол раскрытия створок раковины живого моллюска.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения используют полупроводниковый лазер.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения используют светодиод.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве приемника оптического излучения используют фотодиод.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что основание датчика и элемент воздействия на чувствительный элемент датчика закрепляют на створках раковины моллюска с помощью клея.

7. Система биологического мониторинга водной среды на основе регистрации положения створок раковин двухстворчатых раковинных моллюсков, содержащая датчики положения створок раковины моллюска, включающие основание, установленный на основании чувствительный элемент, линию передачи сигнала и элемент воздействия на чувствительный элемент, выполненный и установленный с возможностью взаимодействия с чувствительным элементом, усилители, каждый из которых подключен к выходу соответствующего датчика положения створок раковины моллюска, аналого-цифровые преобразователи, каждый из которых подключен к выходу соответствующего усилителя, и компьютер, подключенный к выходам аналого-цифровых преобразователей, отличающаяся тем, что каждый ее датчик положения створок раковины моллюска снабжен источником оптического излучения и приемником оптического излучения, линия передачи сигнала датчика положения створок раковины моллюска выполнена в виде оптического волокна, входной и выходной торцы которого установлены с возможностью оптического контакта соответственно с источником оптического излучения и приемником оптического излучения, основание датчика положения створок раковины моллюска выполнено с возможностью установки на одной створке раковины моллюска и снабжено пазом, чувствительный элемент датчика положения створок раковины моллюска выполнен в виде петли оптического волокна линии передачи сигнала, установленной на основании датчика с упором одной стороной петли в дно паза основания, элемент воздействия на чувствительный элемент датчика положения створок раковины моллюска выполнен с возможностью установки на другой створке раковины моллюска и установлен с возможностью механического взаимодействия с петлей оптического волокна и с возможностью деформации в результате упомянутого взаимодействия формы петли оптического волокна в ее плоскости, а вход каждого усилителя подключен к соответствующему приемнику оптического излучения.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что чувствительный элемент датчика положения створок раковины моллюска выполнен в виде петли оптического волокна с минимальным радиусом кривизны ее формы R=(0,5-1,5)Ltgα_max из оптического волокна диаметром d=(0,005-0,015)R, где L - расстояние от лигамента раковины моллюска до точки механического взаимодействия петли с элементом воздействия на чувствительный элемент; α_max - максимальный угол раскрытия створок раковины живого моллюска.

9. Система по п.7, отличающаяся тем, что в качестве источника оптического излучения ее датчика положения створок раковины моллюска использован полупроводниковый лазер.

10. Система по п.7, отличающаяся тем, что в качестве источника оптического излучения ее датчика положения створок раковины моллюска использован светодиод.

11. Система по п.7, отличающаяся тем, что в качестве приемника оптического излучения ее датчика положения створок раковины моллюска использован фотодиод.

12. Система по п.7, отличающаяся тем, что основание датчика положения створок раковины моллюска и элемент воздействия на чувствительный элемент датчика положения створок раковины моллюска выполнены с возможностью установки на створках раковины моллюска с помощью клея.