УСТРОЙСТВО СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИРОДНЫХ ВОД Российский патент 2010 года по МПК G01N21/27 

Вводная часть

Как известно, ПДК промышленных выбросов в окружающую природную среду по своим численным значениям находятся на границе или даже ниже порогов чувствительности методов современного химического анализа. Указанное замечание относится прежде всего к высокотоксичным веществам, например ионам тяжелых металлов (Hg, Pb, Zn и др.), содержащихся в стоках и выбросах многих, преимущественно химических промышленных, предприятий. Поэтому на практике оценку загрязнения среды осуществляют по анализу конечных звеньев трофических цепей экосистем. Так как заключительным звеном в этих цепях является человек, то данное обстоятельство предопределило распространение на практике способов оценки загрязнения окружающей природной среды по анализам мочи, крови, волос и др. Ясно, что подобный контроль загрязнения окружающей природной среды значительно снижает его оперативность и информативность, как это описано в литературе, например:

1. Буштуева К.С. и Слученко И.С. Методы и критерии оценки состояния здоровья населения в связи с загрязнением окружающей среды. М., 1979, стр.37 и др.

Широкое распространение в современной практике для определения концентрации примесей в растворах получили фотоэлектроколориметры и спектрофотометры, описанные в литературе, например:

2. Крешков А.П. Основы аналитической химии. Физико-химические (инструментальные) методы анализа. М., «Химия», 1970, стр.244, 255 и др.

3. Спектрофотометр СФ-46. Техническое описание и инструкция по работе. Издание завода-изготовителя ЛОМО, Ленинград, 1991, стр.10 и др.

Как указано в литературе, работа известных фотоэлектроколориметров и спектрофотометров основана на принципе измерения отношения двух световых потоков, прошедших через различные участки среды, одним из которых используется исследуемый раствор в прозрачной кювете, а вторым участком служит контрольный образец. Как отмечается в литературе по п.1 и др., непосредственный фотоэлектроколориметрический или спектрофотометрический анализ природных вод не позволяет обнаружить концентрации тяжелых металлов и их соединений на уровне ПДК. Кроме того, применение известных фотоэлектроколориметров и спектрофотометров связано с необходимостью забора проб растворов для их исследования в стационарных лабораторных условиях, что значительно снижает оперативность мониторинга окружающей среды.

4. Прототипом заявленного устройства является устройство для определения содержания жира в молоке по а.с. СССР №10694195 G01N 33/04, опубл. в БИ №48, 1983, стр.166. Устройство по прототипу содержит источник и датчик светового излучения, между которыми размещена кювета с исследуемой пробой, причем датчик светового излучения подключен к входу блока преобразователя сигнала, оснащенного регистратором. Так как устройство по прототипу не имеет конструктивных признаков по возбуждению исследуемой пробы и может применяться в стационарных лабораторных условиях, то эти обстоятельства не позволяют устройство по прототипу использовать для непрерывного контроля водной среды в естественных условиях.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение оперативности и информативности мониторинга окружающей среды, которая может быть решена путем повышения спектров поглощения водных растворов тяжелых металлов и их соединений, позволяя спектрофотометрическим способам их регистрацию при низких концентрациях.

Осуществить возбуждение атомов металлов и их соединений в водных растворах возможно путем электролиза водной среды, индуцируя в ней вторичные электрические токи с помощью индукторов, описанных в литературе, например:

5. Вертинский А.П. Многофазный индукционный электрокоагулятор. Патент №2077954 РФ, В03С 5/00, С02F 1/46, БИ №12/97.

С целью повышения оперативности и информативности непрерывного мониторинга водной среды природных бассейнов датчик спектрофотометра выполнен в виде выносного индуктора с проточным каналом, по сторонам которого фотоисточник и фотоприемник, соединенные с электросхемой спектроэлектрофотометра.

Так как датчик спектрофотометра по заявленному изобретению снабжен проточным каналом, то данный конструктивный признак позволяет использовать его для осуществления мониторинга водной среды природных бассейнов с помощью транспортных средств, например, речных судов в любом месте и на любой глубине.

Так как индуктор переменного тока возбуждает вблизи обмотки на стенках проточного канала вторичные электрические токи, осуществляя электролиз водной среды, то данное обстоятельство приводит все примеси в водной среде в возбужденное состояние, повышая интенсивность спектров поглощения всех компонент, обеспечивая возможность спектрофотометру их регистрацию при низких концентрациях.

Перечень чертежей

Фиг.1. Общий вид устройства - выносного индукционного датчика спектрофотометра.

Фиг.2. Сечение устройства - выносного индукционного датчика спектрофотометра вертикальной плоскостью по оптической оси фотоисточника и фотоприемника.

Фиг.3. Сечение устройства - выносного индукционного датчика спектрофотометра горизонтальной плоскостью по оптической оси фотоисточника и фотоприемника.

Фиг.4. Принципиальная электросхема устройства - выносного индукционного датчика спектрофотометра

Фиг.5. Пример схемы работы устройства спектрофотометрического мониторинга природных вод.

Детальное описание изобретения

Устройство - выносной индукционный датчик спектрофотометра - состоит из магнитного сердечника 1 с проточным каналом 2 по вертикальной оси сердечника 1. На внутренней поверхности канала 2 прямоугольного профиля выполнены пазы 3 для цилиндрической прямоугольного профиля обмотки индуктора. Перпендикулярно оси канала 2 с его противоположных сторон выполнены сверление 4 с фотоприемником 5, снабженном выводами 6 в изолирующей оболочке 7 к электросхеме; и сверление 8 с оптической системой 9 и фотоисточником 10, снабженном выводами 11 в изолирующей оболочке 12 к электросхеме. Обмотка индуктора в пазах 3 выполнена из электроизолированного провода и снабжена выводами в изолирующей оболочке 13 к электросхеме. Все выводы от выносного индукционного датчика соединены с жилами многожильного электрокабеля 14, прикрепленного к несущему тросу 15, закрепленному к кронштейнам-проушинам 16 на сердечнике 1.

Принципиальная электросхема выносного индукционного датчика спектрофотометра включает в себя применяемые по своему прямому назначению блоки спектрофотометра по прототипу: преобразователь электрических сигналов 17, индикатор электрических сигналов 18, блок электропитания 19, размещенные на борту транспортного средства, к которым присоединены жилы многожильного кабеля 14 выводами 6 от фотоприемника 5 к входу преобразователя электрических сигналов 17, выводами 11 от фотоисточника 10 и выводами 20 от обмотки индуктора в пазах 3 к блоку электропитания спектрофотометра по прототипу. Выносной индукционный датчик спектрофотометра 1 на несущем тросе 15 с многожильным кабелем 14 вынесен за борт, например, речного судна 21, в каюте-лаборатории 22 которого установлены спектрофотометр по прототипу и бортовая энергоустановка 23. Сердечник 1 выносного индукционного датчика спектрофотометра выполнен из стали электротехнической, например, марки Э-330 и др., обмотки индуктора и все выводы и соединительные электропровода выполнены из медного провода, например, марки ПЭВ, многожильный кабель 14 может быть марки КРПГ и др. В качестве фотоприемника 5 может быть использован типовой фотоэлемент, а в качестве фотоисточника 10 - типовой фотодиод с характеристиками по конкретным условиям эксплуатации.

Работа устройства спектрофотометрического мониторинга природных вод

Для работы выносного индукционного датчика спектрофотометра его выносят за борт, например, речного судна 21, в каюте-лаборатории 22 которого установлены спектрофотометр по прототипу и бортовая энергоустановка 23. Датчик в сборе с помощью кронштейнов-проушин 16 и троса 15 с кабелем 14 спускается за борт судна 21 на заданную глубину в заданном месте водоема.

При включении электропитания 19 (БП) фотоисточник 10 с помощью оптической системы 9 создает поток света через проточный канал 2, заполненный водной средой на заданной глубине в заданном месте водоема. Так как блок электропитания 19 одновременно осуществляет и электропитание переменным током обмотки индуктора в пазах 3 сердечника 1, то в водной среде внутри канала 2 индуцируются вторичные короткозамкнутые электротоки, осуществляя электролиз всей водной среды в канале 2. При прохождении фотопотока от фотоисточника 10 к фотоприемнику 5 через электризованную водную среду в канале 2 в среде осуществляется процесс интенсивного поглощения света на частотах компонент примесей, обеспечивая соответственно концентрации интенсивные линии спектра поглощения содержащихся в водной среде компонент. В результате фотоприемник 5 посылает в преобразователь 17 соответственно интенсивные импульсы, которые после преобразования отображаются индикатором 18 в виде цифровой информации, отклонения стрелки прибора или графика на ленте самописца по конкретному исполнению. При этом показания индикатора могут быть предварительно проградуированы по эталонным составам и снабжены соответствующими градуировочными картами индикации заданных примесей в широких пределах в окрестностях ПДК. Данное обстоятельство позволяет непрерывно снимать с индикатора оперативную документированную информацию по ходу судна 21 и динамике глубины нахождения выносного индукционного датчика спектрофотометра по описанному.

Эффективность предлагаемого устройства спектрофотометрического мониторинга природных вод определяется конкретным исполнением выносного индукционного датчика спектрофотометра по заданным условиям эксплуатации и может обеспечить оперативный контроль водной среды в любых природно-климатических зонах.

Изобретение относится к мониторингу природных вод. Датчик спектрофотометра выполнен в виде выносного индуктора с проточным каналом, по сторонам которого установлены фотоисточник и фотоприемник, соединенные с электросхемой спектроэлектрофотометра. Снабжение датчика проточным каналом позволяет использовать его для осуществления мониторинга водной среды природных бассейнов с помощью речных судов в любом месте и на любой глубине. Так как индуктор переменного тока возбуждает в воде вторичные электрические токи, осуществляя электролиз водной среды, что приводит все примеси в водной среде в возбужденное состояние, повышая интенсивность спектров поглощения всех компонент, обеспечивается возможность их регистрации при низких концентрациях. Для работы выносного индукционного датчика спектрофотометра его выносят за борт речного судна, в каюте-лаборатории которого установлены спектрофотометр и бортовая энергоустановка. 5 ил.

Устройство спектрофотометрического мониторинга природных вод, содержащее фотоисточник и фотоприемник с противоположных сторон кюветы с исследуемой пробой воды, электрически соединенные с блоком электропитания, преобразователем и индикатором сигнала, отличающееся тем, что кювета выполнена в виде магнитного сердечника с проточным каналом прямоугольного профиля по вертикальной оси сердечника, на внутренней поверхности выполнены пазы с цилиндрической прямоугольного профиля обмоткой индуктора, соединенного с источником переменного тока, перпендикулярно оси канала с его противоположных сторон выполнены сверление с фотоприемником, снабженным выводами к электросхеме, и сверление с оптической системой и фотоисточником, снабженным выводами к электросхеме.