ОПТОВОЛОКОННЫЙ ФЛУОРИМЕТР С ПОГРУЖАЕМОЙ ТЕРМОКАМЕРОЙ Российский патент 2020 года по МПК G01N21/64 C12N1/12 C12Q1/04 

Изобретение относится к системам для insitu исследований и может быть использовано в технологиях исследования окружающей среды, в частности, для экологического контроля и диагностики состояния акваторий, по результатам измерений состава и концентрации фотосинтезирующих микроводорослей фитопланктона.

Известен лазерно-флуоресцентный анализатор (патент РФ №2263897, кл. G01N 21/64, 2005 г. Бюл. №31), состоящий из источника излучения, оптического волокна для ввода излучения в среду и системы детектирования. Для регистрации сигнала включено второе волокно, при этом использован волоконно-оптический зонд, устанавливаемый в протоке исследуемой среды, причем волокна закреплены в одной плоскости так, что их оптические апертуры перекрываются. Анализатор предназначен для дистанционного мониторинга загрязнений водной среды.

Однако устройство не позволяет выполнять измерение концентрации и состава фотосинтезирующих микроводорослей, не дает данных о глубине погружения волоконно-оптического зонда, и температуре среды. Отсутствие устройства для погружения волоконно-оптического зонда затрудняет выполнение продолжительных измерений.

Известен судовой лазерный спектрометр (патент РФ №57009, кл. G01N 21/64, 2006 г. Бюл. №27), состоящий из надводной и погружаемой частей, соединенных друг с другом посредством двух световодов, обеспечивающих прием и передачу излучаемого и принимаемого оптических сигналов. Судовая часть включает источник излучения, в качестве которого установлен двухчастотный лазер, систему согласования излучаемого сигнала со световодом излучаемого сигнала, и систему регистрации и обработки данных. Система включает последовательно соединенные полихроматор, электронно-оптический преобразователь, цифровую видеокамеру и персональный компьютер. Погружаемая часть выполнена в виде кюветы, снабженной кабель-тросом, и состоит из системы формирования излучаемого сигнала, соединенной со световодом излучаемого сигнала, измерительной ячейки и системы согласования со световодом принимаемого сигнала.

Известное устройство позволяет измерять флуоресценцию воды и получать данные о концентрации хлорофилла в составе фотосинтезирующих водорослей, но не позволяет судить о видовом составе микроводорослей. Подсоединение судовой части непосредственно к волокнам, опущенным в воду, не позволяет применять автоматические устройства для спуска кюветы в воду, например, лебедку, что позволило бы снизить трудоемкость и время выполнение измерений.

Известен бортовой измерительный комплекс параметров воды с погружаемым модулем на оптоволоконной связи (патент РФ №75042, кл. G01N 21/01, 2008 г. Бюл. №20), содержащий излучатели и спектрометр с компьютером, выполненные в виде надводной части, а также погружаемый в воду с помощью оптоволоконного кабель-троса модуль, внутри которого размещены оптические датчики флуоресценции, прозрачности, солености, давления, температуры и др. Сигналы датчиков об измеренных ими величинах передаются по оптоволоконному кабелю в блок регистрации и излучения, расположенный внутри катушки с наматываемым на нее оптоволоконным кабелем. Передача данных на компьютер осуществляется через токосъемники.

Известное устройство измеряет спектр флуоресценции воды, но не предоставляет информацию о временных изменениях флуоресцентного излучения. Так же устройство имеет погружаемый модуль, смена воды в котором происходит под действием гидродинамического давления, возникающего при движении судна, поэтому выполнять измерение параметров воды на заданной глубине не возможно.

Известен способ идентификации микроводорослей (патент РФ №2619640, кл. G01N 21/00, 2017. Бюл. №14), который предусматривает измерение спектра флуоресцентного излучения пробы, помещаемой в термокамеру, температура в которой изменяется в диапазоне от 5 С до 80 С, что позволяет определять видовой состав микроводорослей в пробе воды путем сравнения температурной зависимости спектра флуоресценции пробы с температурными зависимостями спектров флуоресценции известных микроводорослей.

Для реализации указанного способа требуется создание специального устройства обеспечивающего нагрев и охлаждение пробы воды, облучение пробы светом и измерение интенсивности флуоресцентного излучения присутствующих в воде микроводорослей.

Известен бортовой измерительный комплекс параметров воды (патент РФ №96662, кл. G01N 21/01, 2010 г. Бюл. №22), состоящий из надводной и погружаемой частей, соединенных друг с другом посредством оптоволоконного кабель-троса, намотанного на барабан лебедки с электромеханическим приводом, и обеспечивающего передачу излучаемых и принимаемых оптических сигналов. Надводная часть включает блок генерации и приема излучения и персональный компьютер. Барабан лебедки содержит токосъемники, предназначенные для передачи электрических сигналов. Погружаемая часть выполнена в виде модуля, содержащего датчики параметров воды и имеющего элементы защиты от фоновой засветки. Кабель-трос помещен в защитную оболочку и содержит часть включает блок генерации и приема излучения и персональный компьютер. Барабан лебедки содержит токосъемники, предназначенные для передачи электрических сигналов. Погружаемая часть выполнена в виде модуля, содержащего датчики параметров воды и имеющего элементы защиты от фоновой засветки. Кабель-трос помещен в защитную оболочку и содержит электрические провода, при этом он разделен как минимум на две части: бортовую и погружаемую. На барабане лебедки дополнительно установлены оптические вращающиеся соединители по числу волокон кабель-троса, передающие излучение из погружаемой части кабель-троса в бортовую часть кабель-троса. Лебедка снабжена устройством для укладки погружаемой части кабель-троса. В надводной части между лебедкой и компьютером дополнительно размещен электронный блок, содержащий источники питания для привода лебедки и электронных датчиков погружаемого модуля, а также преобразователь интерфейсов для связи с погружаемым модулем, который снабжен устройством для прокачивания воды через датчики параметров воды.

Известное устройство не позволяет измерять флуоресценцию воды в требуемом диапазоне температур, необходимом для измерения температурных зависимостей интенсивности флуоресценции и выявления их особенностей, что требуется для определения видового состава микроводорослей.

В основу изобретения положена задача создания оптоволоконного флуориметра для экспресс-исследования экологического состояния акваторий, позволяющего определять видовой состав и концентрацию фотосинтезирующих микро-водорослей (фитопланктона), а также выполнять в реальном времени как непрерывные, так и эпизодические исследования фитопланктона морских и пресноводных водоемов в широком диапазоне глубин без извлечения проб воды на поверхность для последующего исследования.

Технический результат, достигаемый в заявляемом изобретении, заключается в возможности измерения параметров и флуоресценции воды в водоемах как при естественной температуре в точке измерения, так и при температурах, задаваемых путем нагрева или охлаждения воды в измеряемом объеме, что позволяет определить состав и концентрацию отдельных видов микроводорослей и не требует взятия и извлечения проб воды на поверхность для их последующего исследования.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Оптоволоконный флуориметр состоит из надводной и погружаемой частей, соединенных друг с другом кабель-тросом, намотанным на барабан лебедки с электромеханическим приводом. Кабель-трос обеспечивает передачу излучаемых и принимаемых оптических и электрических сигналов.

Надводная часть оптоволоконного флуориметра состоит из лебедки и бортового блока, в состав которого входят персональный компьютер, источник и приемник оптического излучения. Источником излучения может быть твердотельный лазер, лазерный диод или светодиод большой яркости. Приемник излучения выполнен с использованием светочувствительных приборов, например, фотоэлектронного умножителя, p-i-n диодов или приборов с зарядовой связью (ПЗС). Связь между бортовым блоком и лебедкой осуществляется с помощью бортового кабеля.

Погружаемая часть оптоволоконного флуориметра состоит из кабель-троса и погружаемого измерительного модуля, выполненного в виде двух частей:

Одна часть - герметичная, внутри которой установлен интерфейсный блок с подключенными к нему датчиками параметров среды.

Другая часть оптоволоконного флуориметра состоит из проточной термокамеры, обмен воды в которой осуществляется с помощью погружного насоса. Внутри проточной термокамеры расположены датчик температуры и оптоволоконный датчик флуоресценции, а также, дополнительно встроены элементы для нагрева и охлаждения воды. В качестве нагревательных и охлаждающих элементов, например, могут быть использованы элементы на эффекте Пельтье.

Связь между бортовым блоком и интерфейсным блоком, расположенном в погружаемым измерительном модуле, осуществляется по электрическим проводам кабель-троса. Связь датчика флуоресценции с бортовой частью осуществляется с помощью оптических волокон.

Лебедка содержит оптические вращающиеся соединители для стыковки двух оптических волокон бортового кабеля с оптическими волокнами в кабель-тросе, идущими к датчику флуоресценции. Электрическая связь осуществляется с помощью токосъемника, через который осуществляется подача электропитания и интерфейсная связь с погружаемым измерительным модулем.

Оптоволоконный флуориметр с погружаемой проточной термокамерой выполнен в виде мобильной системы и может быть установлен на различных судах, в том числе, не предназначенных для ведения научных исследований: малых катерах и яхтах, судах торгового и рыболовного флота.

Применение такого оптоволоконного флуориметра позволит существенно снизить стоимость обследования водных акваторий за счет сокращения численности состава экспедиций и требуемого времени на сбор и обработку экспериментальных данных.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где:

8 - источник излучения;

9 - компьютер;

10 - приемник излучения;

11 - погружаемый измерительный модуль;

12 - термокамера;

13 - оптический датчик флуоресценции;

14 - нагреватель/охладитель;

15 - датчик температуры в термокамере;

16 - интерфейсный блок;

17 - датчики параметров среды;

18 - датчик натекания;

19 - погружной насос для прокачки воды

Оптоволоконный флуориметр с погружаемой термокамерой состоит из погружаемого модуля 11 и бортовой части, включающей лебедку 2 с электромеханическим приводом 1 и бортовой блок. В состав бортового блока входят источник излучения 8, приемник излучения 10 и персональный компьютер 9.

Бортовой блок соединен с лебедкой 2 с помощью бортового кабеля 7. Погружаемый модуль И соединяется с бортовой частью кабель-тросом 3. К источнику излучения 8 и приемнику излучения 10 подключены оптические волокна, соединяющие их с датчиком флуоресценции 13.

Кабель-трос 3 намотан на барабане лебедки 2, с помощью которой погружаемый измерительный модуль 11 опускается в воду и удерживается на нужной глубине. Кабель-трос 3 содержит оптические волокна и электрический кабель, заключенные в прочную водонепроницаемую оболочку. На оси барабана лебедки 2 с обеих сторон размещены вращающиеся оптические соединители 4 и 6.

Через вращающийся оптический соединитель 4 происходит передача оптического излучения от источника 8 на оптическое волокно кабель-троса 3 к датчику флуоресценции 13, установленному в погружаемом измерительном модуле 11.

Через вращающийся оптический соединитель 6 происходит передача оптического излучения флуоресценции от датчика флуоресценции 13 к приемнику излучения 10. Вращающийся электрический соединитель 5 обеспечивает передачу электроэнергии и сигналов интерфейса. Датчик флуоресценции 13 размещен внутри термокамеры 12. Датчик температуры 15 размещен в термокамере 12 таким образом, чтобы не затенять оптическое излучение из датчика флуоресценции 13. Протекание воды через термокамеру 12

Через вращающийся оптический соединитель 4 происходит передача оптического излучения от источника 8 на оптическое волокно кабель-троса 3 к датчику флуоресценции 13, установленному в погружаемом измерительном модуле 11.

Через вращающийся оптический соединитель 6 происходит передача оптического излучения флуоресценции от датчика флуоресценции 13 к приемнику излучения 10. Вращающийся электрический соединитель 5 обеспечивает передачу электроэнергии и сигналов интерфейса. Датчик флуоресценции 13, элементы нагревателя/охладителя 14 и датчик температуры 15 размещены в проточной термокамере 12. Протекание воды через проточную термокамеру 12 обеспечивается насосом 19. Датчики 15, 17 и 18 соединены с интерфейсным блоком 16. Управление нагревателем/охладителем 14 и насосом 19 осуществляется через интерфейсный блок 16. Управление работой лебедки 2, источником излучения 8, приемником излучения 10 и интерфейсным блоком погружаемого измерительного модуля осуществляется с помощью специальной программы, функционирующей на персональном компьютере 9.

Оптоволоконный флуориметр с погружаемой проточной термокамерой работает следующим образом.

По команде, передаваемой компьютером 9, электромеханический привод лебедки 1 приводит в движение барабан, в результате чего происходит стравливание кабель-троса 3 и спуск погружаемого измерительного модуля 11 на заданную глубину. Контроль глубины погружения выполняется с помощью датчика давления, входящего в состав группы датчиков параметров среды 17. Опрос датчиков 17 осуществляется интерфейсным блоком 16, который передает данные в персональный компьютер 9. При достижении заданной глубины происходит остановка вращения барабана лебедки 2 и удержание погружаемого измерительного модуля 11. При достижении заданной глубины включается погружной насос 19 и в проточной термокамере 12 обновляется вода, затем выполняется цикл измерения флуоресценции пробы воды при температуре окружающей среды, а также и при других заданных температурах, что обеспечивается нагревом или охлаждением пробы в проточной термокамере 12.

Измерение спектра флуоресценции выполняется следующим образом.

По команде компьютера 9 происходит включение источника света 8 и его излучение направляется в оптическое волокно, по которому свет передается через вращающийся оптический соединитель 4 к датчику флуоресценции 13. Одновременно с началом работы источника излучения 8 включается приемник излучения 10. Возбужденное в датчике 13 флуоресцентное излучение улавливается приемным оптическим волокном и передается через вращающийся оптический соединитель 6 в приемник излучения 10, где формируется спектр интенсивности флуоресценции, который передается на компьютер 9 для сохранения и последующей обработки. Параллельно с измерением спектра флуоресценции фитопланктона измеряются и другие параметры окружающей среды: температура, освещенность, соленость, перечень которых определяется составом датчиков 17, установленных на погружаемом измерительном модуле 11.

Для измерения спектра флуоресценции при температурах, отличающихся от температуры среды, включается нагреватель/охладитель 14, управление работой которого осуществляется с компьютера 9 через интерфейсный блок 16. Контроль температуры в проточной термокамере 12 осуществляется датчиком температуры 15.

После завершения цикла измерения происходит спуск или подъем погружаемого измерительного модуля 11 с помощью лебедки 2 и повторение цикла измерения на следующей заданной глубине.

Заявляемое техническое решение, в отличие от прототипа, позволяет:

- выполнять измерения в естественной среде на разных глубинах в реальном времени без предварительного сбора образцов;

- измерять спектры флуоресценции воды не только при температуре окружающей среды, но и при любых заданных температурах, значения которых могут быть как выше, так и ниже температуры окружающей среды;

- строить и сохранять температурные зависимости оптических спектров флуоресценции воды в широком диапазоне температур и глубин;

- использовать температурные спектры флуоресценции для оперативного/быстрого определения видового состава микроводорослей без необходимости взятия и извлечения проб воды на поверхность для их последующего исследования;

- существенно сократить время, необходимое для определения видового состава микроводорослей, измеряя спектры флуоресценции в широком диапазоне температур.

Изобретение относится к системам для in situ исследований и может быть использовано для экологического контроля и диагностики состояния акваторий по измерениям видовой концентрации и состояния фотосинтезирующих микроводорослей типа фитопланктона. Задача изобретения заключается в создании оптоволоконного флуориметра с погружаемым измерительным модулем для экспресс-исследования экологического состояния акваторий, позволяющего определять видовой состав и концентрацию фотосинтезирующих микроводорослей (фитопланктона), а также выполнять в реальном времени как непрерывные, так и эпизодические исследования фитопланктона морских и пресноводных водоемов в широком диапазоне глубин. Поставленная задача достигается тем, что погружаемый измерительный модуль дополнительно снабжен термокамерой, внутри которой расположены оптоволоконный датчик флуоресценции и датчик температуры. Изменение температуры в термокамере осуществляется с помощью управляемых нагревательных и охлаждающих элементов. Технический результат - возможность измерения параметров и флуоресценции воды как при естественной температуре в точке измерения, так и при температурах, задаваемых путем нагрева или охлаждения воды в термокамере, что делает возможным определение состава и концентрации отдельных видов микроводорослей. 1 ил.

Оптоволоконный флуориметр, включающий надводную и погружаемую части, соединенные между собой оптоволоконным кабель-тросом, намотанным на барабан лебедки с электромеханическим приводом, при этом надводная часть включает источник и приемник оптического излучения и персональный компьютер, барабан лебедки содержит вращающиеся оптические и электрические соединители, погружаемая часть выполнена в виде погружаемого измерительного модуля, содержащего датчики параметров воды и устройство для прокачивания воды, отличающийся тем, что погружаемый измерительный модуль содержит проточную термокамеру со встроенными датчиком температуры и оптоволоконным датчиком флуоресценции, дополнительно снабженную элементами для нагрева и охлаждения воды.