БАТОМЕТР ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ ВОДЫ Российский патент 2023 года по МПК G01N1/10 

Батометр предназначен для обеспечения отбора проб, с различных уровней глубины в морских и пресноводных водоемах. Устройство может входить в состав океанографической исследовательской аппаратуры, такой как погружные зонды, телеуправляемые или автономные необитаемые подводные аппараты.

Изобретение может быть использовано для отбора проб морской или пресной воды, с последующей их доставкой на борт судна, с целью последующего анализа. Подобная задача возникает, например, при изучении гидрохимических и биохимических показателей, используемых для оценки экологического состояния морских и внутренних водных объектов.

Изобретение позволяет улучшить изоляцию пробы от воздействия внешней среды и, таким образом, повысить чистоту отбираемой пробы.

Преимущества достигаются за счет размещения упругого жгута с внешней стороны батометра и выполнения внутренней части крышек в виде не усеченного конуса, а шарового слоя. Крышки батометра герметично закрываются за счет сокращения растянутого упругого шнура. При этом проба воды, находящаяся в данный момент в полости батометра, отсекается от внешнего пространства. Растянутый упругий жгут, обеспечивающий захлопывание крышек, находится вне корпуса батометра и не контактирует с пробой воды. Внутренние поверхности крышек имеют форму шарового слоя, благодаря чему при взаимодействии с уплотнительными кольцами батометра, обеспечивается надежная герметизация пробы в полости батометра.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области морской техники, а именно к гидрологическим приборам для взятия проб воды с различных глубин морских и пресноводных водоемов. Для многократного отбора проб воды батометры могут быть объединены в кассету, интегрированную в судовой природоохранный комплекс, используемый в океанографических, лимнологических и гидробиологических экспедициях. Возможные сферы применения подобной аппаратуры - экологический мониторинг, научные исследования, морская геологоразведка, проектно-изыскательские работы и пр.

Батометры, обеспечивающие отбор проб воды с заданной глубины -широко применяемая техника. Подобные устройства востребованы в различных отраслях, например, для взятия проб жидкости при исследовании физических, химических и биологических процессов, происходящих в водоемах, резервуарах и трубопроводах.

Основной технической задачей, решаемой при взятии проб воды в батометры, является отбор представительной, незагрязненной пробы с заданной глубины, и последующая доставка пробы на судно для исследования. При этом должно соблюдаться условие отсутствие контакта взятой пробы с окружающей средой.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известна конструкция универсального пробоотборника воды (полезная модель RU №73480), предназначенного для проведения отбора проб в водоемах. Устройство содержит емкость, груз, резиновую пробку и ремни, что позволяет опускать емкость на требуемую глубину, где производится выдергивание пробки с помощью веревки, происходит набор воды в емкость, после чего, с использованием ремня, выполняется выемка пробоотборника из воды и упаковка пробы.

Существенные недостатки этого устройства заключаются в незначительной глубине погружения и невозможности закрытия емкости после взятия пробы, вследствие чего при подъеме происходит смешивание пробы с жидкостью из других слоев.

Известна конструкция пробоотборника воды (полезная модель RU №123156), предназначенная для получения пробы воды из различных водоемов. Устройство содержит емкость с тросами, имеющую вид полого цилиндра, дно которого оборудовано клапаном с крышкой. Последняя снабжена резиновой прокладкой и пружиной, с фиксирующим подвижным зубом.

Работа устройства сводится к тому, что после погружения на заданную глубину, по размеченному тросу, путем взаимодействия троса и клапана, крышка устройства захлопывается, отсекая пробу воды. Полученная проба при помощи троса поднимается на поверхность, для анализа.

Устройство имеет ряд недостатков.

При подъеме на поверхность, объем взятой пробы увеличивается из-за снижения внешнего гидростатического давления и повышения температуры, что вызывает разгерметизацию батометра и фильтрацию пробы. Это приводит к изменению ее исходного состава и, как следствие, искажает ее нативные (естественные, природные) свойства. Забор и подъем пробы осуществляется при постоянном контакте воды пробы с резиновой прокладкой. Устройство позволяет получать пробы для несложных исследований, например, для изучения взвесей в воде водоема и непригодно для точных и многокомпонентных исследований.

Известен опрокидывающийся батометр для точечного отбора проб воды в неглубоких водоемах (полезная модель RU №170154), содержащий в конструкции два отверстия для поступления воды, снабженных съемными кольцами; уплотнительные резиновые прокладки; внутреннюю решетчатую перегородку; два шара, расположенных внутри корпуса и предназначенных для закрытия отверстий для поступления воды. Один из шаров является утяжеленным, а другой имеет положительную плавучесть. После отбора пробы воды шары закрывают отверстия в корпусе. Утяжеленный шар изготовлен из свинца и покрыт мягкой резиной. Он закрывает нижнее отверстие в корпусе. Второй шар изготовлен из легкого материала, например, из синтактика, газонаполненного пластика, и закрывает верхнее отверстие.

Недостаток устройства заключается в постоянном контакте воды пробы во время забора и транспортировки с материалами шаров - мягкой резиной и пластиком. Из-за этого описываемое устройство не позволяет выполнять отбор особо чистых проб, необходимых при выполнении сложных многокомпонентных исследований.

Известно устройство для отбора проб воды, получившее название батометр конструкции Шейла Нискина. Работа этого батометра подробно описана в издании: "Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях", Государственный океанографический институт имени Н.Н. Зубова; Глава 7., Взятие проб воды с разных глубин, п. 7.2. "Батометры Нискина и розетты"; издание третье, М., 2016 год.

Ввиду простоты и надежности конструкции, батометр Нискина в настоящее время является наиболее часто используемым гидрологическим прибором, предназначенным для отбора проб воды. Для более эффективного использования в современных образцах закрытие батометров, размещенных на подводном аппарате, производится с использованием электромеханических устройств исполнительного механизма, под управлением электронного блока, отслеживающего показания датчика давления.

Наиболее полное описание отбора пробы с использованием батометра Нискина приведено в статье: Степочкин И.Е.; Автоматический пробоотборник морской воды с заданной глубины; Подводные исследования и робототехника, 2022, №1 (39); с 80-85. В аспекте создаваемого технического решения батометр конструкции Нискина рассматривается как прототип.

Батометр Нискина представляет собой пластиковый сосуд цилиндрической формы с двумя крышками, сверху и снизу, а также краном для слива отобранной воды. Крышки прибора, до взятия пробы, находятся в открытом состоянии, свободно пропуская поток воды через внутреннюю часть батометра, по мере погружения сосуда на глубину. Для надежного и герметичного закрытия, открытые крышки батометра изнутри корпуса стянуты друг с другом латексным жгутом, с большим запасом упругости. Крышки фиксируются в открытом состоянии при помощи лесок, петли которых закреплены на исполнительном механизме подводного аппарата. Для закрытия крышек на нужной глубине, могут применяться различные способы.

Первый, когда по тросу спускается груз, который своим ударом приводит в действие спусковой механизм (как правило, состоящий из скобы, прижимаемой пружиной).

Второй, когда при размещении батометра на подводном аппарате или погружаемом зонде, используются различные электромеханические устройства исполнительного механизма. В результате срабатывания, происходит освобождение зацепления крышек от удерживающих лесок и сокращение растянутого внутри корпуса батометра упругого жгута, закрытие крышек и отсечение пробы воды от окружающей среды. Герметизация и защита пробы от контакта с внешней средой осуществляется при закрытии крышек, за счет совмещение их внутренней конусной поверхности с уплотнительными кольцами корпуса.

Известное решение, имеет ряд существенных недостатков: Основной недостаток - это длительный контакт материала упругого жгута с отобранной пробой. Подводный аппарат или зонд может иметь в своем составе большое число батометров (известны устройства, включающие до 24 штук). Поэтому процесс забора проб во все батометры с разных глубин занимает большое время. Затем происходит подъем аппарата на судно, извлечение батометров, слив проб воды из каждого батометра в специальные емкости для проведения исследований. Перечисленные процессы происходят при постоянном и непосредственном контакте материала жгута с пробой. Длительный контакт резины с морской водой (агрессивной жидкостью) негативно сказывается на чистоте пробы, происходит миграция частиц резины в воду, в результате чего не сохраняется нативность пробы для высокоточного и многокомпонентного исследования. Причем сам характер работы резинового жгута - растяжение - способствует появлению микроскопических трещин на поверхности резины, что увеличивает, особенно при длительном контакте с морской водой, миграцию частиц резины в пробу.

Еще один недостаток данного устройства связан с возможностью просачивания воды из внешней среды в отобранную пробу. Внутренняя сторона крышек имеет форму усеченного конуса. При закрытии крышек часто происходит небольшое угловое смещение, что вызвано неоднородным сопротивлением воды при закрытии крышки. В результате, наблюдается неравномерное, неплотное прилегание крышек к уплотнительным кольцам на корпусе батометра. Следствием этого может стать неравномерное поджатие крышек по периметру уплотнительных колец и просачивание воды в полость батометра из внешней среды, что критично для последующего высокоточного и многокомпонентного анализа.

РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ

Задача, решаемая при реализации предлагаемого технического решения, состоит в получении представительных проб за счет сохранения их нативных свойств, для возможности осуществления высокоточного и многокомпонентного исследования.

Решение указанной задачи достигается:

- за счет размещения упругого жгута снаружи корпуса батометра, что исключает контакт резины с водой пробы;

- изготовлением внутренних поверхностей крышек батометров, в виде шарового слоя, благодаря чему происходит плотное прилегание поверхностей к уплотнительным кольцам даже при небольшом смещении крышек при их захлопывании.

- размещением с каждой из сторон корпуса батометра упругих жгутов в количестве более одного.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В предлагаемом техническом решении сформулированы основные отличительные признаки устройства батометра.

Батометр для отбора проб воды содержит цилиндрический корпус и крышки, расположенные с торцов корпуса и оснащенные наружными цилиндрическими выступами. В местах контакта крышек с корпусом имеются уплотнительные кольца, обеспечивающие герметизацию полости батометра при захлопывании крышек. Усилие, направленное на захлопывание крышек, создается посредством эластичных жгутов, натянутых между крышками и прикрепленных к ним с помощью гибких струн. Эластичные жгуты имеют достаточный запас упругости. Удержание крышек в исходном (открытом) состоянии обеспечивается при помощи лесок, закрепленных с одной стороны на цилиндрических выступах крышек и оснащенных петлями на концах с другой стороны, для фиксации на исполнительном механизме подводного аппарата. Корпус батометра оборудован кранами для слива воды и впуска воздуха, а также держателями, закрепленными на корпусе хомутами.

Упругие жгуты размещены симметрично с обеих сторон снаружи корпуса, приведены в растянутое состояние за счет лесок, зафиксированных на крышках батометров, и проходящих через отверстия в держателях и в цилиндрических выступах крышек, причем внутренняя часть крышек, соприкасающаяся с уплотнительными кольцами, имеет форму шарового слоя. Количество упругих жгутов с каждой стороны корпуса может быть более одного.

Признак: "упругие жгуты размещены симметрично с обеих сторон снаружи корпуса, приведены в растянутое состояние за счет лесок, зафиксированных на крышках батометров, и проходящих через отверстия в держателях и в цилиндрических выступах крышек", позволяет растянутый упругий жгут разместить вне корпуса батометра, и не допустить постоянного контакта материала жгута с пробой воды.

Признак: "внутренняя часть крышек, соприкасающаяся с уплотнительными кольцами, имеет форму шарового слоя", позволяет обеспечить совмещение поверхности крышек при взаимодействии с уплотнительными кольцами батометра, осуществить надежную герметизацию пробы в корпусе батометра, не допуская контакта пробы воды с окружающей средой.

Признак: "количество упругих жгутов с каждой стороны корпуса более одного", позволяет, при необходимости, увеличить усилие поджатая крышек.

Реализация изобретения позволяет получить представительные пробы повышенной чистоты, за счет сохранения их нативных свойств, для возможности осуществления высокоточного и многокомпонентного исследования.

Предлагаемое техническое решение дает возможность, при необходимости, увеличить усилие поджатая крышек, исключив при этом длительный контакт резины с водой пробы. Обеспечивается надежное взаимодействие внутренней части крышек с уплотнительными кольцами корпуса, исключив при этом просачивание и контакт воды пробы с окружающей средой.

Таким образом, батометр для отбора проб получает новое качество - отобранная проба обладает повышенной чистотой (нативностью), что особенно важно при многокомпонентных и высокоточных исследованиях, когда наличие даже мельчайших, посторонних частиц способно изменить ход исследования. Поэтому изменения конструкции батометра не вытекают для специалиста явным образом из известного уровня техники и не основываются на изменении, например, количественных признаков.

У предлагаемого технического решения появляются новые свойства: - исключение постоянного контакта упругого жгута с водой отобранной пробы;

- исключение просачивания и смешивания окружающей среды с водой отобранной пробы;

- возможность, при необходимости, увеличить усилие поджатая крышек.

Учитывая изложенное, можно сделать вывод, что заявленное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предложенное техническое решение имеет отличительные признаки от прототипа, новое конструктивное выполнение элементов и новые связи между элементами, и поэтому соответствует критерию "новизна".

Приведенные свойства не совпадают со свойствами, являющимися отличительными признаками в известных решениях, и не являются суммой этих свойств, что позволяет считать заявляемое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение иллюстрируется чертежами, Фигура 1 - Фигура 5, где:

Фигура 1 - отображает батометр для отбора проб с закрытыми крышками.

Фигура 2 - отображает размещение крышки в корпусе и взаимодействие внутренней поверхности крышки, выполненной в форме шарового слоя, с уплотнительным кольцом корпуса.

Фигура 3 - отображает батометр для отбора проб в 3D изображении, с закрытыми крышками.

Фигура 4 - отображает батометр для отбора проб в 3D изображении, с открытыми крышками.

Фигура 5 - отображает батометр для отбора проб, с увеличенным усилием поджатая крышек (с числом упругих жгутов на каждой стороне корпуса более одного).

1. Корпус;

2. Наружный цилиндрический выступ крышки;

3. Крышка;

4. Крепежная струна;

5. Упругий жгут;

6. Фиксирующая леска;

7. Держатели с хомутами;

8. Петля фиксирующей лески;

9. Кран для слива воды;

10. Уплотнительное кольцо;

11. Кран для впуска воздуха.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Батометр для отбора проб воды, (Фигуры: 1 и 2), содержит: цилиндрический герметичный корпус 1, размещенные на его торцах крышки 3 с цилиндрическими выступами 2, крепежные струны 4 для соединения упругого жгута 5 с крышками 3, фиксирующие лески 6, держатели 7, размещенные при помощи хомутов на батометре. Петли 8 фиксирующих лесок 6 предназначены для закрепления на крюках исполнительного механизма, обеспечивающего в нужный момент их освобождение. Кран 9 для слива воды, уплотнительные кольца 10, кран для впуска воздуха 11.

Внутренние части крышек 3 имеют форму шарового слоя, поэтому даже при угловом смещении (перекосе) крышек 3 при поджатии, контакт уплотнительного кольца 10 со сферической поверхностью крышки происходит по всей окружности.

Открывание крышек 3, производится вручную, при размещении батометра на подводном аппарате. Лески 6 закреплены в отверстиях, в наружной части цилиндрических выступов крышек 2, при этом концы лесок оснащены петлями 8, которые удерживаются элементами (крюками) электромеханического устройства подводного аппарата (например, с электромагнитным размыкателем).

Причем лески 6, за счет размещения петель 8 на крючках электромагнитного размыкателя, фиксируют крышки 3 в открытом состоянии.

При этом усилие, направленное на закрытие крышек, возникает за счет дополнительного растяжения упругих резиновых жгутов 5.

На Фигуре 2 показано взаимодействие внутренней поверхности крышки, выполненной в виде шарового слоя, с уплотнительным кольцом 10.

На Фигуре 3 показан батометр для отбора проб в 3D изображении, после закрытия крышек 3, когда отбор пробы выполнен.

На Фигуре 4 показан батометр для отбора проб в 3D изображении, с открытыми крышками (в исходном состоянии).

На Фигуре 5 показан батометр в 3D изображении, для отбора проб, с увеличенным усилием поджатая крышек (с числом упругих жгутов на каждом плече более одного).

Устройство работает следующим образом.

Батометры размещаются на подводном аппарате. В настоящее время существуют аппараты, позволяющие разместить на них до 24 батометров. Крышки батометров 3 открываются, при этом резиновые жгуты 5 получают дополнительное натяжение, за счет натяжения лесок 6 и фиксации петель 8 в приспособлениях электромагнитных размыкателей подводного аппарата.

Подводный аппарат с батометрами перемещается с палубы за борт судна, после чего, в результате травления троса начинает погружение. При этом вода свободно протекает через полости батометров, меняясь в зависимости от глубины погружения.

При достижении требуемой глубины, устройство управления подводного аппарата подает команду на исполнительный механизм, который освобождает петли 8 фиксирующих лесок. Крышки 3, под действием стягивающего усилия растянутых упругих шнуров 5, закрываются на корпусе батометра 1, герметично изолируя пробу от окружающей среды. Надежная изоляция обеспечивается за счет взаимодействия внутренних сферических поверхностей крышек 3, выполненных в виде шарового слоя, с уплотнительными кольцами 10.

Для увеличения усилия поджатая крышек 3, количество упругих жгутов 5, на каждой из сторон батометра, может быть больше одного, что позволяет регулировать усилие поджатая крышек.

Процесс отбора проб может продолжаться до заполнения пробами всех батометров, размещенных в подводном аппарате.

После взятия пробы воды в последний батометр, аппарат поднимается на судно, размещается на палубе, где происходит слив проб из батометров и последующее изучение результатов.

Изобретение относится к области морской техники. Раскрыт батометр для отбора проб воды, содержащий цилиндрический корпус, крышки, расположенные с торцов корпуса и оснащенные наружными цилиндрическими выступами; уплотнительные кольца, в местах контакта крышек с корпусом; упругого жгута с запасом упругости; лесок, закрепленных одним концом на цилиндрических выступах крышек и оснащенных на другом конце петлями для фиксации на исполнительном механизме подводного аппарата; кранов, для слива воды и впуска воздуха; держателей, закрепленных хомутами на корпусе. При этом упругие жгуты размещены симметрично с двух сторон снаружи корпуса, соединены с крышками с помощью гибких крепежных струн, приведены в растянутое состояние за счет лесок, проходящих через отверстия в держателях и в цилиндрических выступах крышек, причем внутренняя часть крышек, соприкасающаяся с уплотнительными кольцами, имеет форму шарового слоя. Изобретение позволяет повысить чистоту проб воды в батометрах и улучшить герметизацию пробы от внешней среды. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Батометр для отбора проб воды, содержащий цилиндрический корпус, крышки, расположенные с торцов корпуса и оснащенные наружными цилиндрическими выступами; уплотнительные кольца, в местах контакта крышек с корпусом; упругого жгута с запасом упругости; лесок, закрепленных одним концом на цилиндрических выступах крышек и оснащенных на другом конце петлями для фиксации на исполнительном механизме подводного аппарата; кранов, для слива воды и впуска воздуха; держателей, закрепленных хомутами на корпусе; отличающийся тем, что упругие жгуты размещены симметрично с двух сторон снаружи корпуса, соединены с крышками с помощью гибких крепежных струн, приведены в растянутое состояние за счет лесок, проходящих через отверстия в держателях и в цилиндрических выступах крышек, причем внутренняя часть крышек, соприкасающаяся с уплотнительными кольцами, имеет форму шарового слоя.

2. Батометр по п. 1, отличающийся тем, что количество упругих жгутов на каждой стороне корпуса более одного.