Устройство для отбора проб текучей среды Российский патент 2023 года по МПК G01N1/10 G01N1/42 

Изобретение относится к средствам и методам обора проб текучей среды, включая жидкие и вязкие текучие среды. Изобретение предназначено, в частности, для исследования процессов седиментации в водных объектах, а также для оценки состояния мест накопления шлама и иных производственных отходов в иловых отложениях.

Известен способ отбора проб текучей среды, в частности воды, описанный в патенте RU 2160891 С1 (дата публикации: 20.12.2000). Для оценки экологического состояния водного объекта проводятся гидрохимические, газохимические и биологические исследования путем отбора проб воды с помощью батометра. Внутреннюю полость батометра предварительно стерилизуют, заполняют стерильной жидкостью и герметизируют. Батометр опускают на заданную глубину, где осуществляют замещение стерильной жидкости пробой исследуемой среды путем прокачки забортной воды через полость пробоотборника. Полученную пробу охлаждают до температур замерзания, производят подъем батометра при температуре хранения пробы и помещают пробу в охлаждаемый контейнер для хранения и проведения последующих исследований.

В патенте US 8726747 В2 (дата публикации: 20.05.2014) представлено описание способа отбора пробы текучей среды и пробоотборник, предназначенный для осуществления способа. Пробоотборник содержит камеру с теплообменным охлаждающим устройством. Поступление отбираемой пробы текучей среды осуществляется через входное отверстие камеры, выполненное в ее торцевой части.

Известно устройство (пробоотборник) для получения керна из гидратосодержащих пород, конструкция которого представлена в описании к патенту RU 2369719 С1 (дата публикации: 10.10.2009). Сохранение естественного состава, строения и свойств отбираемых кернов (проб) обеспечивается за счет охлаждения керна в керноприемнике перед подъемом из скважины. Охлаждение проводят до отрицательных температур, соответствующих проявлению эффектов консервации газогидратных включений, содержащихся в отбираемой пробе (керне). Камера пробоотборника (керноприемника) снабжена системой охлаждения, включающей секцию с баллоном сжиженного газа и дросселирующим устройством и секцию со спирально-трубчатым теплообменником, заполненным охлаждающей жидкостью.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство для отбора иловых отложений со дна водоемов, описанное в патенте RU 2178554 С2 (дата публикации: 20.01.2002). Отбор проб текучей среды осуществляется с помощью известного устройства, обеспечивающего ускоренное намораживание исследуемой пробы на поверхность намораживающей трубы пробоотборника. Устройство содержит спускоподъемный механизм и радиатор, отделенные диафрагмой от намораживающей трубы, заполненной низкозамерзающей жидкостью. В полости намораживающей трубы коаксиально установлена циркуляционная питающая труба. Радиатор (теплообменник) выполнен в виде двух смесителей цилиндрической формы, соединенных между собой вертикальными циркуляционными трубами. За счет конструкции радиатора и интенсивной циркуляции охлаждающей жидкости через теплообменный узел осуществляется ускоренное намораживание исследуемого образца по всей внешней поверхности намораживающей трубы, выполненной в виде колонны труб.

Известное устройство позволяет сократить время отбора пробы и обеспечить отбор проб текучей среды независимо от толщины донных отложений текучей и вязкотекучей консистенции и глубины водоема. Вместе с тем существует ряд технических проблем, возникающих при использовании устройства для отбора проб текучей среды.

При погружении пробоотборника в исследуемую среду в вертикальном направлении возможно смещение слоев исследуемой текучей среды, вследствие этого нарушается структура исследуемой среды в месте отбора.

Намораживание пробы происходит по всей длине намораживающей трубы, включая концевой участок. Вследствие этого, при извлечении пробоотборника из исследуемой вязко-текучей среды, вблизи концевого участка трубы возникает вакуумный эффект, что затрудняет извлечение устройства из исследуемой среды. В этом случае может быть нарушена структура отбираемой пробы на торцевой части пробоотборника.

При подъеме пробоотборника процесс охлаждения в целях сохранения пробы в замороженном состоянии продолжается, однако это приводит к намерзанию на поверхности трубы дополнительного слоя из-за контакта сконденсированного слоя пробы с внешней средой. В результате искажается информация о действительном составе и характере вертикального распределения компонентов исследуемой вязко-текучей среды в определенном месте отбора пробы.

Изобретение направлено на устранение перечисленных выше технических проблем за счет решения задачи, связанной с обеспечением возможности отбора замороженной пробы с сохранением вертикального распределения (по составу и структуре) компонентов исследуемой текучей среды. С помощью изобретения решается задача, связанная с обеспечением возможности исследования различных видов текучих сред, включая вязко-текучие среды, в том числе иловые отложения, жидкие среды, включая жидкости с малой вязкостью, а также возможности исследования текучих сред на границе фазового перехода от донных иловых отложений к жидкой среде.

За счет решения указанных технических задач при использовании изобретения достигаются следующие технические результаты: расширяется диапазон видов отбираемых проб (по составу, свойствам и структуре); обеспечивается соответствие отбираемой пробы естественному состоянию исследуемой среды в месте отбора пробы; упрощается исследование отобранной пробы за счет возможности проведения достоверных приборных исследований без размораживания пробы и перехода исследуемой среды из твердой в жидкую фазу.

Перечисленные выше технические результаты достигаются при использовании для отбора пробы текучей среды устройства, которое содержит пробоотборник, включающий теплопроводящий полый корпус в форме трубки с закрытой торцевой сужающейся частью и контактной боковой поверхностью. Устройство содержит внутренний теплообменный узел с циркуляционным трубопроводом, размещенным в полости корпуса, и теплоизолирующий узел, установленный на торцевой части корпуса со стороны, противоположной закрытой торцевой сужающейся части. Устройство включает в свой состав узел циркуляции охлаждающего теплоносителя с внешним теплообменным узлом и трубопроводами, подключенными к внутреннему теплообменному узлу пробоотборника.

Согласно изобретению, в состав устройства входят по меньшей мере два направляющих элемента, выполненных из теплоизолирующего материала, которые установлены на контактной боковой поверхности корпуса пробоотборника в направлении от теплоизолирующего узла к закрытой сужающейся части корпуса. Устройство содержит защитный чехол, выполненный из эластичного водонепроницаемого материала, по меньшей мере два фиксатора положения чехла, выполненные в виде постоянных магнитов из магнитотвердого материала, каждый из которых установлен на отдельном направляющем элементе с возможностью перемещения вдоль корпуса от теплоизолирующего узла к закрытой торцевой сужающейся части корпуса. Узел фиксации положения чехла установлен со на теплоизолирующем узле с возможностью контакта с фиксаторами положения чехла. Верхняя часть чехла закреплена на теплоизолирующем узле, а противоположная часть чехла соединена с фиксаторами положения чехла с возможностью закрытия чехлом контактной боковой поверхности корпуса при перемещении фиксаторов положения чехла от узла фиксации положения чехла к закрытой торцевой сужающейся части корпуса.

Принцип действия устройства для отбора проб текучей среды основан на фазовом переходе исследуемой текучей среды в твердое состояние при охлаждении ее до температур ниже температуры плавления и адгезии затвердевшей фракции пробы на охлаждаемой поверхности пробоотборника. Вследствие того, что вектор градиента температур направлен от исследуемой текучей среды к охлаждаемой поверхности пробоотборника, характеристики вертикального распределения твердой фазы намораживаемой пробы текучей среды будут отражать вертикальное распределение характеристик исследуемой текучей среды.

Основным элементом устройства является пробоотборник, включающий теплопроводящий полый корпус в форме трубки с закрытой торцевой сужающейся частью и контактной боковой поверхностью. В полости корпуса размещен внутренний теплообменный узел с трубопроводами. В качестве хладагента теплообменника используется охлаждающее вещество, температура кипения которого ниже температуры плавления исследуемой текучей среды в месте отбора пробы.

Отбор пробы осуществляется посредством погружения пробоотборника в следуемую текучую среду и перемещения пробоотборника к месту отбора пробы. После завершения процесса отбора пробы методом намораживания на контактную боковую поверхность производится излечение пробоотборника с одновременной изоляцией намороженной пробы от внешней среды с помощью чехла. Изоляция осуществляется за счет перемещения защитного чехла, выполненного из эластичного водонепроницаемого материала и снабженного фиксаторами положения, вдоль контактной боковой поверхности корпуса в направлении от теплоизолирующего узла к закрытой сужающейся части корпуса с помощью направляющих элементов.

В результате перемещении чехла под действием силы тяжести при извлечении пробоотборника чехол полностью закрывает контактную боковую поверхность корпуса пробоотборника с намороженной пробой исследуемой текучей среды. Вследствие этого исключается влияние внешних факторов, включая тепломассообмен с окружающей средой, за пределами зоны отбора пробы и обеспечивается возможность отбора замороженной пробы с сохранением вертикального распределения (по составу и структуре) компонентов исследуемой текучей среды. Данная возможность позволяет исследовать различные виды текучих сред в широком диапазоне глубин исследуемых водоемов и проводить достоверные приборные исследования отобранной пробы без ее размораживания.

Для контролируемого отбора проб на различных глубинах водоема устройство может включать в свой состав управляемый механизм перемещения пробоотборника (спускоподъемный механизм), выполненный с возможностью погружения и перемещения пробоотборника в исследуемой среде и подъема пробоотборника.

С целью исключения интенсивного теплообмена между исследуемой средой и закрытой торцевой сужающейся частью корпуса пробоотборника данная часть корпуса выполняется из теплоизолирующего материала для выравнивания градиента температур у торцевой части пробоотборника. В этом случае вблизи закрытой торцевой части корпуса не возникает вакуумный эффект, затрудняющий извлечение пробоотборника из исследуемой среды. В качестве теплоизолирующего материала для данной части корпуса может использоваться фторопласт или углепластик.

С целью снижения фронтального сопротивления при перемещении пробоотборника в исследуемой текучей среде контактная боковая поверхность корпуса выполняется в форме лезвия с двумя боковыми кромками, расположенными с противоположных сторон корпуса. При данном выполнении устройства боковые кромки корпуса пробоотборника образованы направляющими элементами, выполненными из теплоизолирующего материала.

Благодаря низкому фронтальному сопротивлению корпуса пробоотборника, выполненного в форме лезвия, предотвращается взаимное смещение вертикальных слоев исследуемой среды при отборе пробы. Кроме того, в случае интенсивного течения исследуемой среды снижается сопротивление потоку текучей среды и, соответственно, снижается турбулентное перемешивание среды в области отбора пробы. При этом плавное перемещение пробоотборника в горизонтальном и/или вращательном направлении в месте отбора пробы исследуемой среды обеспечивает представительность отбираемой пробы в вертикальном распределении характеристик среды.

Для снижения сопротивления текучей среды при погружении пробоотборника в вертикальном направлении корпус пробоотборника выполняется сужающимся в направлении от теплоизолирующего узла к закрытой торцевой сужающейся части корпуса.

В одном из вариантов выполнения устройства узел фиксации положения чехла может быть выполнен в виде по меньшей мере двух электромагнитов. При этом каждый электромагнит устанавливается напротив направляющего элемента с возможностью контакта с соответствующим фиксатором положения чехла. При данном выполнении электромагниты подключаются к управляемому блоку электропитания.

В предпочтительном варианте выполнения устройства узел фиксации положения чехла выполняется в виде по меньшей мере двух постоянных магнитов из магнитотвердого материала. Каждый постоянный магнит устанавливается напротив направляющего элемента с возможностью контакта с соответствующим фиксатором положения чехла.

Для образования надежного контакта (улучшения адгезии) намораживаемого слоя пробы с пробоотборником контактная боковая поверхность корпуса предпочтительно имеет выпукло-вогнутый рельеф, образованный выступами или углублениями, выполненными на контактной боковой поверхности корпуса. Образующие рельеф выступы и углубления могут последовательно чередоваться на контактной боковой поверхности корпуса.

Далее изобретение поясняется описанием примеров осуществления изобретения в форме конкретной конструкции устройства для отбора проб текучей среды.

На прилагаемых поясняющих чертежах изображено следующее:

на фиг. 1 - схематичное изображение устройства для отбора проб текучей среды при открытой контактной боковой поверхности корпуса;

на фиг. 2 - поперечный разрез устройства, изображенного на фиг. 1, по месту размещения узла фиксации положения чехла.

на фиг. 3 - вид на пробоотборник при открытой контактной боковой поверхности корпуса с местным разрезом;

на фиг. 4 - вид на пробоотборник при закрытой чехлом контактной боковой поверхности корпуса;

на фиг. 5 сечение корпуса пробоотборника с рельефом, образованным углублениями, выполненными на контактной боковой поверхности корпуса;

на фиг. 6 - сечение корпуса пробоотборника с рельефом, образованным выступами, выполненными на контактной боковой поверхности корпуса.

В качестве примера осуществления изобретения далее рассматривается устройство для отбора проб текучей среды с корпусом пробоотборника, контактная боковая поверхность которого выполнена в форме лезвия с двумя боковыми кромками, расположенными с противоположных сторон корпуса. Схема устройства изображена на фиг. 1 чертежей.

Устройство содержит пробоотборник, включающий теплопроводящий полый корпус 1 в форме трубки с закрытой торцевой сужающейся частью 2 и контактной боковой поверхностью в форме лезвия (фиг. 2 чертежей). В рассматриваемом примере корпус 1 выполнен сужающимся в направлении к закрытой торцевой сужающейся части 2. Боковые кромки корпуса 1 образованы двумя направляющими элементами 3 и 4, выполненными из теплоизолирующего материала. В рассматриваемом примере в качестве теплоизолирующего материала используется фторопласт. Направляющие элементы 3 и 4 установлены на контактной боковой поверхности корпуса 1 в направлении от теплоизолирующего узла 5 к закрытой торцевой сужающейся части 2. Теплоизолирующий узел 5, выполненный из фторопласта, установлен на торцевой части корпуса 1 со стороны, противоположной закрытой торцевой сужающейся части 2.

На корпусе 1 размещен защитный чехол 6, выполненный из эластичного водонепроницаемого материала, в качестве которого в рассматриваемом примере используется хлорсульфированый полиэтилен (ХСП). В зависимости от размеров и материала эластичного чехла 6 он может быть армирован прочными нитями из синтетического волокна, обеспечивающими полное раскрытие чехла на контактной боковой поверхности корпуса 1 (фиг. 4 чертежей).

Устройство содержит два фиксатора 7 и 8 положения чехла 6, выполненные в виде постоянных магнитов из магнитотвердого материала. Каждый фиксатор 7 и 8 установлен на отдельном направляющем элементе 3 и 4 с возможностью перемещения вдоль контактной боковой поверхности корпуса 1 по направляющим элементам от теплоизолирующего узла 5 к закрытой сужающейся части 2 корпуса 1.

В состав устройства входит узел фиксации положения чехла 6, установленный на теплоизолирующем узле 5. В рассматриваемом примере реализации изобретения узел фиксации положения чехла содержит два магнитных фиксатора 9 и 10, выполненные в виде постоянных магнитов из магнитотвердого материала. Каждый магнитный фиксатор 9 и 10 установлен напротив соответствующего направляющего элемента 3 или 4 с возможностью контакта с соответствующим фиксатором 7 или 8 положения чехла 6.

Верхняя часть чехла 6 закреплена на теплоизолирующем узле 5, а противоположная часть чехла соединена с фиксаторами 7 и 8 с возможностью закрытия чехлом 6 контактной боковой поверхности корпуса 1 при перемещении фиксаторов 7 и 8 под действием силы тяжести вдоль направляющих 3 и 4. Движение фиксаторов 7 и 8 осуществляется в направлении от магнитных фиксаторов 9 и 10, входящих в состав узла фиксации положения чехла, к закрытой торцевой сужающейся части 2.

Устройство содержит внутренний теплообменный узел с циркуляционным трубопроводом 11, размещенным в полости корпуса 1. Теплоизолирующий узел 5 расположен между внутренним и внешним теплообменными узлами. С внешней стороны корпуса 1 расположен узел циркуляции охлаждающего теплоносителя, в качестве которого в рассматриваемом примере используется газообразный диоксид углерода (СО₂) с температурой сублимации - 78,5°С. Узел циркуляции охлаждающего теплоносителя включает внешний теплообменный узел и трубопроводы, подключенные к циркуляционному трубопроводу 11 внутреннего теплообменного узла пробоотборника. С теплоизолирующим узлом 5 контактирует теплоотводящая трубка 12, соединенная с контуром циркуляции охлаждающего теплоносителя.

Узел циркуляции охлаждающего теплоносителя включает в свой состав регулятор 13 давления теплоносителя, компрессор 14, конденсатор-теплообменник 15, ресивер 16, управляемый терморегулирующий клапан 17 и трубопроводы, соединяющие перечисленные выше блоки.

Контактная боковая поверхность корпуса 1 пробоотборника выполнена с рельефом для повышения адгезии намораживаемого слоя пробы текучей среды с контактной боковой поверхностью корпуса 1. Возможны варианты выполнения корпуса 1 с рельефами, изображенными на фиг. 5 и 6 чертежей. Рельеф может быть образован последовательностью углублений 18 на контактной боковой поверхности корпуса 1 (фиг. 5 чертежей) или выступов 19 (фиг. 6 чертежей), Возможен также вариант выполнения рельефа на контактной боковой поверхности корпуса 1 при последовательном чередовании углублений и выступов. Поверхностный рельеф может быть образован путем нанесения насечки на поверхность корпуса 1.

Для погружения устройства в исследуемую текучую среду и подъема пробоотборника с намороженным слоем исследуемой среды устройство включает в свой состав управляемый механизм перемещения пробоотборника (спускоподъемный механизм). Погружение пробоотборника в исследуемую текучую среду и его подъем осуществляется с помощью троса, закрепленного на пробоотборнике, и электромеханического или ручного привода троса, управляемого оператором (не показаны на чертежах).

Работа устройства для отбора проб текучей среды, изображенного на фиг. 1-6 чертежей, осуществляется следующим образом.

С помощью механизма перемещения закрепленный на тросе пробоотборник погружают в исследуемую текучую среду на расчетную глубину. Погружение пробоотборника может осуществляться как в жидкие, так и в вязкие текучие среды. В исходном положении пробоотборника перед погружением контактная боковая поверхность корпуса 1 с направляющими элементами 3 и 4 открыта и контактирует с исследуемой средой. Пробоотборник, включающий внутренний теплообменный узел, погружается в исследуемую среду вместе с узлом циркуляции теплоносителя, который отделен от пробоотборника теплоизолирующим узлом 5.

Защитный чехол 6, выполненный из эластичного материала, при погружении пробоотборника находится в сжатом состоянии и зафиксирован в верхней части корпуса 1 с помощью фиксаторов 7 и 8, выполненных с возможностью перемещения по направляющим элементам 3 и 4. В исходном положении фиксаторы 7 и 8 контактируют с магнитными фиксаторами 9 и 10 узла фиксации положения чехла. В рассматриваемом примере магнитные фиксаторы 9 и 10 выполнены в виде постоянных магнитов из магнитотвердого материала. Возможен также вариант выполнения узла фиксации положения чехла в виде двух электромагнитов, установленных со стороны теплоизолирующего узла аналогично магнитным фиксаторам 9 и 10, изображенным на фиг. 1 чертежей. Каждый электромагнит устанавливается напротив направляющего элемента 3 или 4 с возможностью контакта с соответствующим фиксатором 7 или 8. При данном выполнении электромагниты подключаются к управляемому блоку электропитания (не показаны на чертежах).

После погружения пробоотборника производят его пространственное позиционирование в заданной области отбора пробы исследуемой текучей среды путем поступательного и вращательного перемещения пробоотборника с помощью управляемого привода спускоподъемного механизма (не показан на чертежах). Контроль положения пробоотборника осуществляют при использовании стандартных средств измерения (датчиков положения), включая измерение положения пробоотборника по изменению длины троса, закрепленного на устройстве.

За счет низкого фронтального сопротивления корпуса пробоотборника, контактная боковая поверхность которого выполнена в форме лезвия, снижается взаимное смещение вертикальных слоев исследуемой среды. В случае течения исследуемой среды снижается также турбулентное перемешивание исследуемой среды в месте отбора пробы.

Плавное перемещение пробоотборника в горизонтальном направлении или круговое движение при вращении пробоотборника в месте отбора пробы исследуемой среды обеспечивает представительность отбираемой пробы по вертикальному распределению характеристик исследуемой среды. Снижение сопротивления текучей среды при погружении пробоотборника в вертикальном направлении обеспечивается благодаря сужающейся форме корпуса 1 в направлении от теплоизолирующего узла к закрытой торцевой сужающейся части 2. Следует отметить возможность использования в иных вариантах реализации изобретения корпуса 1 с постоянным поперечным сечением. Например, возможно использование устройства с корпусом цилиндрической формы или корпусом в форме лезвия с постоянным по длине поперечным сечением.

Включение устройства производится путем запуска циркуляции охлаждающего теплоносителя через циркуляционный трубопровод 11 внутреннего теплообменного узла устройства и теплоотводящую трубку 12. Циркуляция теплоносителя осуществляется с помощью внешнего узла циркуляции охлаждающего теплоносителя. Регулирование давления охлаждающего теплоносителя в контуре циркуляции теплоносителя внешнего теплообменного узла производится с помощью регулятора 13 давления теплоносителя, с помощью которого устанавливается рабочее давление теплоносителя на входе в компрессор 14. Теплоноситель при расчетном давлении на выходе из компрессора 14 поступает далее в конденсатор-теплообменник 15.

После охлаждения в конденсаторе-теплообменнике 15 охлаждающий теплоноситель поступает через ресивер 16 охлаждающего контура и управляемый терморегулирующий клапан 17 в циркуляционный трубопровод 11 внутреннего теплообменного узла пробоотборника. Из циркуляционного трубопровода 11 охлаждающий теплоноситель перетекает во внутреннюю полость корпуса 1, охлаждая стенки теплопроводящие корпуса, которые контактируют с внешней стороны с исследуемой текучей средой.

После теплообмена со стенками корпуса 1 теплоноситель направляется в теплоотводящую трубку 12, расположенную в теплоизолирующем узле 5 и являющуюся частью контура узла циркуляции охлаждающего теплоносителя. Далее теплоноситель, поступающий с выходов теплоотводящей трубки 12, направляется в охлаждающий контур узла циркуляции теплоносителя через регулятор 13 давления теплоносителя на вход компрессора 14. С помощью компрессора 14 теплоноситель снова последовательно прокачивается через конденсатор-теплообменник 15, ресивер 16 и управляемый клапан 17. В процессе осуществления указанных действий через циркуляционный трубопровод 11 во внутреннюю полость корпуса 1 поступает охлаждающий теплоноситель при заданной температуре, обеспечивающей охлаждение стенок корпуса 1. В процессе отбора пробы теплоноситель циркулирует в холодильном контуре, образованном элементами внутреннего и внешнего теплообменных узлов.

За счет циркуляции охлаждающего теплоносителя в холодильном контуре происходит постоянное охлаждение контактной боковой поверхности корпуса 1, контактирующей с исследуемой текучей средой. Вследствие этого на поверхности корпуса 1 образуется замороженный слой исследуемой среды (пробы) в твердой фазе. Скорость образования твердой фазы исследуемой среды при заданных характеристиках охлаждающего теплоносителя прямо пропорциональна разности температур между температурой кипения охлаждающего теплоносителя и температурой плавления исследуемой среды и обратно пропорциональна удельной теплоемкости исследуемой среды.

Надежный контакт намораживаемого слоя пробы с пробоотборником обеспечивается за счет использования контактной боковой поверхности корпуса 1 с рельефом, образованным углублениями 18 (фиг. 5 чертежей) или выступами 19 на поверхности корпуса (фиг. 6 чертежей). Выступы и углубления могут последовательно чередоваться на контактной боковой поверхности корпуса. Улучшение адгезии намораживаемого слоя пробы может обеспечиваться также за счет использования поверхностного рельефа, полученного путем нанесения на поверхность насечки различной формы.

На основании предварительной информации о температуре и физико-химическом составе исследуемой среды рассчитывают (оценивают) время экспозиции пробоотборника в месте отбора пробы с учетом достаточности количества твердой фазы пробы для дальнейших исследований.

После истечения времени экспозиции пробоотборник с намороженной пробой извлекают из исследуемой текучей среды с помощью управляемого механизма перемещения пробоотборника. Одновременно с подъемом пробоотборника производят размыкание двух пар фиксаторов 7, 9 и 8, 10 с помощью управляемых электромеханических устройств, выполняющих функцию размыкателей постоянных магнитов (не показаны на чертежах). Данные устройства представляют собой электроприводы с перемещаемыми толкателями (штоками). При перемещении толкателя, контактирующего с подвижным фиксатором 7 или 8, в каждой паре фиксаторов происходит размыкание контактирующих друг с другом фиксаторов, и подвижные фиксаторы 7 и 8 выталкивается из области магнитного взаимодействия соответствующей пары фиксаторов.

В случае использования в составе устройства узла фиксации положения чехла, выполненного в виде двух электромагнитов, подключаемых к управляемому блоку электропитания, размыкание контактирующих друг с другом фиксаторов осуществляется путем отключения электропитания электромагнитов. При данном выполнении устройства электромагниты размещаются напротив перемещаемых магнитных фиксаторов 7 и 8, закрепленных на нижней части защитного чехла 6.

После размыкания подвижные фиксаторы 7 и 8 перемещаются под действием силы тяжести по направляющим элементам 3 и 4 вниз к закрытой торцевой сужающейся части 2. Движение фиксаторов приводит к раскрытию соединенного с ними защитного чехла 6 из эластичного материала. После полного раскрытия защитного чехла 6 на контактной боковой поверхности корпуса 1 подвижные фиксаторы 7 и 8, попадая в область магнитного взаимодействия вблизи закрытой торцевой сужающейся части 2, образуют взаимное контактное сцепление за счет силы магнитного взаимодействия между постоянными магнитами (фиг. 4 чертежей).

В случае возникновения препятствий при раскрытии защитного чехла, обусловленных наличием в исследуемой среде растений, глинистых образований или действием других внешних факторов, возможны варианты использования средств принудительного раскрытия защитного чехла. В частности, возможно применение дополнительных механических средств, например пружинных толкателей, для растяжения защитного чехла вдоль контактной боковой поверхности корпуса 1. Могут также применяться средства принудительного раскрытия защитного чехла с пневматическими или гидравлическими толкателями в виде полых элементов, линейные размеры которых изменяются при нагнетании в их полость рабочей среды. При подаче под давлением рабочего газа или жидкости в такие полые элементы, соединенные с защитным чехлом, происходит их расширение, обеспечивающее принудительное раскрытие защитного чехла по всей контактной боковой поверхности корпуса 1.

Раскрытый защитный чехол изолирует намороженную пробу исследуемой среды от воздействия внешней среды. После извлечения пробоотборника из исследуемой среды защитный чехол снимается с контактной боковой поверхности корпуса 1, исследуемая проба извлекается из пробоотборника и передается для проведения приборных исследований с помощью аналитического оборудования. Проводимые исследования могут, в частности, включать определение вертикального распределения концентраций веществ (радиоактивности) или коэффициента K_d межфазного распределения концентраций веществ. В этом случае пробу, находящуюся в твердом состоянии, разделяют на аликвоты с помощью нагретой тонкой проволоки и перемещают полученные аликвоты в измерительную кювету. Каждая аликвота характеризует исследуемую среду на определенной глубине. Затем проводят измерения для каждой кюветы, при этом аликвота может находиться в кювете как в жидком, так и в твердофазном состоянии в зависимости от методики проведения измерений.

В случае проведения измерений для определения радиоактивного загрязнения исследуемой среды можно первоначально проводить измерение гамма-излучения от пробы при раскрытом защитном чехле 6, изолирующем пробу на контактной боковой поверхности корпуса 1 от внешней среды. Измерения проводятся в этом случае непосредственно на пробоотборнике с помощью гамма-детектора с коллиматором. После первого этапа измерений перемещают защитный чехол 6 в исходное положение и, соответственно, открывают контактную боковую поверхность корпуса 1 с пробой. После этого проводят измерение гамма-излучения от пробы при открытой контактной боковой поверхности корпуса 1, не извлекая пробу из пробоотборника. Измерения спектра альфа-и/или бета-излучения проводят вдоль открытой поверхности пробы в вертикальном направлении с помощью альфа- и/или бета-детекторов. В результате проводимых измерений оценивается характер вертикального загрязнения исследуемой среды радиоактивными веществами.

При использовании устройства для отбора проб текучей среды обеспечивается возможность отбора проб в твердом замороженном состоянии при сохранении вертикального распределения (по составу и структуре) компонентов исследуемой текучей среды. Вместе с тем обеспечивается возможность исследования различных видов текучих сред, включая вязко-текучие среды, в том числе иловые отложения, жидкие среды, включая жидкости с малой вязкостью, а также текучих сред на границе фазового перехода от донных иловых отложений к жидкой среде. За счет указанных возможностей расширяется диапазон (по составу, свойствам и структуре) отбираемых проб и обеспечивается соответствие отбираемой пробы естественному состоянию исследуемой среды в месте отбора пробы. Кроме того, упрощается контроль отобранной пробы за счет возможности проведения приборных исследований пробы без ее размораживания и перехода компонентов пробы из твердой в жидкую фазу.

Линейные размеры пробоотборника зависят от конкретных задач исследований и характеристик исследуемой среды. В частности, кинематическая вязкость исследуемой среды может изменяться в диапазоне от 0,7 до 3000 мм²/с при температурах среды от -4°С до +50°С. Для практических целей протяженность (длина) корпуса пробоотборника может изменяться в диапазоне от 100 до 2000 мм, а его средняя ширина - от 20 до 500 мм.

Приведенный выше пример осуществления изобретения основывается на выборе конкретных элементов конструкции пробоотборника и используемых материалов, однако это не исключает возможности достижения технических результатов в других частных случаях реализации изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения.

На контактной боковой поверхности корпуса пробоотборника может наноситься различный рельеф с целью обеспечения лучшей адгезии намораживаемой пробы для образования надежного контакта намораживаемого слоя пробы с охлаждаемой поверхностью пробоотборника после отбора пробы и подъема пробоотборника. При данном выполнении увеличивается площадь поверхности, контактирующей с намораживаемой пробой.

В зависимости от конкретных задач и условий отбора проб может изменяться форма и размеры погружаемой части пробоотборника. В качестве охлаждающего теплоносителя в охлаждающем контуре пробоотборника могут применяться пары диоксида углерода (СО₂), образующиеся при сублимации твердой фазы «сухого льда», различные виды фреонов (например, R-23, R-13), 1,1,1-трифторэтан (R-143a) и иные известные охлаждающие теплоносителя, применяемые в холодильной технике. Узел циркуляции охлаждающего теплоносителя пробоотборника может содержать вспомогательные элементы (блоки), обеспечивающие дополнительные функции в контуре циркуляции теплоносителя.

Количество направляющих элементов на корпусе пробоотборника и, соответственно, количество перемещаемых по направляющим фиксаторов положения чехла выбирается в зависимости от формы и размеров корпуса. Исходя из размеров и формы пробоотборника, а также на основании внешних условий при погружении и извлечении пробоотборника выбирается материал и размеры защитного чехла.

Узел фиксации положения чехла может быть выполнен в виде двух и более постоянных магнитов или электромагнитов, снабженных блоком управления и электропитания.

В зависимости от внешних условий, в том числе от свойств исследуемой среды, наличия интенсивных течений в месте отбора пробы, корпус пробоотборника может иметь различную форму наряду с формой корпуса согласно описанному выше примеру реализации изобретения. Так, например, корпус пробоотборника может быть выполнен в форме цилиндра. Возможны также и иные формы выполнения корпуса, например с поперечным сечением корпуса в форме эллипса. Корпус может иметь многогранную форму с постоянным поперечным сечением вдоль его длины.

Для контролируемого погружения пробоотборника в исследуемую среду и подъема пробоотборника могут применяться различные управляемые механизмы и электромеханические устройства, обеспечивающие управляемое перемещение пр обо отборника.

Изобретение может применяться для гидрохимических исследований подземных вод и геоэкологического мониторинга донных отложений, включая изучение процессов седиментации в водных объектах, а также при оценке состояния мест накопления производственных отходов в водно-иловых смесях.

Изобретение относится к средствам и методам отбора проб текучей среды. Раскрыто устройство для отбора проб текучей среды, содержащее пробоотборник и управляемое средство перемещения пробоотборника, выполненное с возможностью погружения пробоотборника в текучую среду и подъема пробоотборника, при этом пробоотборник включает в свой состав теплопроводящий полый корпус в форме трубки с закрытой торцевой сужающейся частью и контактной боковой поверхностью, внутренний теплообменный узел с циркуляционным трубопроводом, размещенным в полости корпуса, теплоизолирующий узел, установленный на торцевой части корпуса со стороны, противоположной закрытой торцевой сужающейся части корпуса, и узел циркуляции охлаждающего теплоносителя с внешним теплообменным узлом и трубопроводами, подключенными к внутреннему теплообменному узлу пробоотборника. При этом пробоотборник дополнительно включает в свой состав по меньшей мере два направляющих элемента, которые выполнены из теплоизолирующего материала и установлены на контактной боковой поверхности корпуса в направлении от теплоизолирующего узла к закрытой торцевой сужающейся части корпуса, защитный чехол, выполненный из эластичного водонепроницаемого материала, по меньшей мере два фиксатора положения чехла, выполненные в виде постоянных магнитов из магнитотвердого материала, каждый из которых установлен на отдельном направляющем элементе с возможностью перемещения вдоль контактной боковой поверхности корпуса от теплоизолирующего узла к закрытой торцевой сужающейся части корпуса, и узел фиксации положения чехла, установленный на теплоизолирующем узле с возможностью контакта с фиксаторами положения чехла, при этом верхняя часть чехла закреплена на теплоизолирующем узле, а противоположная часть чехла соединена с фиксаторами положения чехла с возможностью закрытия чехлом контактной боковой поверхности корпуса при перемещении фиксаторов положения чехла от узла фиксации положения чехла к закрытой торцевой сужающейся части корпуса. Изобретение обеспечивает расширение диапазона видов отбираемых проб; обеспечивает соответствие отбираемой пробы естественному состоянию исследуемой среды в месте отбора пробы; упрощает исследование отобранной пробы за счет возможности проведения достоверных приборных исследований без размораживания пробы. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для отбора проб текучей среды, содержащее пробоотборник и управляемое средство перемещения пробоотборника, выполненное с возможностью погружения пробоотборника в текучую среду и подъема пробоотборника, при этом пробоотборник включает в свой состав теплопроводящий полый корпус в форме трубки с закрытой торцевой сужающейся частью и контактной боковой поверхностью, внутренний теплообменный узел с циркуляционным трубопроводом, размещенным в полости корпуса, теплоизолирующий узел, установленный на торцевой части корпуса со стороны, противоположной закрытой торцевой сужающейся части корпуса, и узел циркуляции охлаждающего теплоносителя с внешним теплообменным узлом и трубопроводами, подключенными к внутреннему теплообменному узлу пробоотборника, отличающееся тем, что пробоотборник дополнительно включает в свой состав по меньшей мере два направляющих элемента, которые выполнены из теплоизолирующего материала и установлены на контактной боковой поверхности корпуса в направлении от теплоизолирующего узла к закрытой торцевой сужающейся части корпуса, защитный чехол, выполненный из эластичного водонепроницаемого материала, по меньшей мере два фиксатора положения чехла, выполненные в виде постоянных магнитов из магнитотвердого материала, каждый из которых установлен на отдельном направляющем элементе с возможностью перемещения вдоль контактной боковой поверхности корпуса от теплоизолирующего узла к закрытой торцевой сужающейся части корпуса, и узел фиксации положения чехла, установленный на теплоизолирующем узле с возможностью контакта с фиксаторами положения чехла, при этом верхняя часть чехла закреплена на теплоизолирующем узле, а противоположная часть чехла соединена с фиксаторами положения чехла с возможностью закрытия чехлом контактной боковой поверхности корпуса при перемещении фиксаторов положения чехла от узла фиксации положения чехла к закрытой торцевой сужающейся части корпуса.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что закрытая торцевая сужающаяся часть корпуса выполнена из теплоизолирующего материала.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве теплоизолирующего материала использован фторопласт или углепластик.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что контактная боковая поверхность корпуса выполнена в форме лезвия с двумя боковыми кромками, расположенными на контактной боковой поверхности корпуса с противоположных сторон корпуса, при этом боковые кромки образованы направляющими элементами, выполненными из теплоизолирующего материала.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что корпус выполнен сужающимся в направлении от теплоизолирующего узла к закрытой торцевой сужающейся части корпуса.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел фиксации положения чехла выполнен в виде по меньшей мере двух электромагнитов, при этом каждый электромагнит установлен напротив направляющего элемента с возможностью контакта с фиксатором положения чехла.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел фиксации положения чехла выполнен в виде по меньшей мере двух постоянных магнитов из магнитотвердого материала, при этом каждый постоянный магнит установлен напротив направляющего элемента с возможностью контакта с фиксатором положения чехла.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на контактной боковой поверхности выполнен рельеф, образованный выступами или углублениями.