СКРЫТНО УСТАНАВЛИВАЕМОЕ СТАЦИОНАРНОЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БОРЬБЫ С ЦИАНОБАКТЕРИАЛЬНЫМ ЦВЕТЕНИЕМ МАЛЫХ ВОДОЁМОВ Российский патент 2024 года по МПК C02F1/36 

Изобретение относится к устройствам подавления роста и развития цианобактерий всех видов с помощью ультразвука в малых водоемах естественного и искусственного происхождения.

Цианобактерий относятся к одним из древнейших микроорганизмов на Земле. За время эволюции они научились приспосабливаться к самым разнообразным условиям окружающей среды, поэтому борьба с негативными проявлениями их жизнедеятельности требует особой конструкции аппаратуры.

Известно, что цианобактерий развиваются циклами, переходя из активной фазы жизнедеятельности в пассивную, опускаясь на дно в виде окинет и цист.При воздействии на них ультразвуком в активной фазе, их естественный жизненный цикл нарушается, защитная реакция переводит их в пассивное состояние, вследствие чего прекращается процесс накопления ими токсинов, что способствует очищению водоемов. Нахождение в пассивном состоянии истощает цианобактерий, поэтому через некоторое время они возвращаются в активную фазу, где снова подвергаются воздействию ультразвука, и процесс повторяется.

Успешное подавление цианобактерий в водоемах представляет собой непрерывный процесс, занимающий от одной до трех недель, в течение которых удается воздействовать на несколько «поколений» бактерий, пребывающих в разных фазах своего жизненного цикла. По этой причине ультразвуковое устройство должно быть стационарным и находиться в водоеме в течение всего их вегетационного периода.

При стационарной установке генератор и излучатель ультразвука должны располагаться в водоеме, большинство из которых являются открытыми и неохраняемыми. Для защиты устройства от кражи, повреждения, нарушения режимов его работы оно должно устанавливаться в водоем скрытно, чтоб не привлекать внимание посторонних. Этого можно достичь с помощью установки прибора под водой на глубине 1-1.5 метра. По этой причине ультразвуковое устройство должно быть герметичным.

Длительный период воздействия и высокая мощность ультразвукового излучения делает практически невозможным применение аккумуляторов для питания генераторов ультразвука. Актуальным способом является питание устройства с берега от промышленной сети. Для открытых водоемов кабель питания должен быть электробезопасным, что ограничивает питание напряжением порядка 10-25 В. По этой причине ультразвуковое устройство должно питаться постоянным током напряжением 12-24 В. При таких низких напряжениях ток в кабеле питания может достигать 10 А и более, что делает существенными потери на кабеле питания. Увеличение поперечного сечения жил кабеля существенно увеличивает конечную стоимость конструкции и снижает коэффициент его полезного действия. По этой причине устройство должно поддерживать импульсный режим работы, обеспечивая низкий средний ток и высокую импульсную мощность. Для высокой импульсной мощности устройство должно содержать повышающий источник напряжения.

Известны устройства для стерилизации воды в кавитационном режиме при интенсивности 0,5 Вт/см³ на частотах 20 кГц и выше. При высоких интенсивностях акустического сигнала эффект воздействия на клетки создает кавитация, которая разрушает клетки микроорганизмов механическим путем. Этот способ не подходит для водоемов, поскольку излучение такой мощности опасно для прочих обитающих в нем живых организмов. Кроме того, излучение быстро затухает в воде, поэтому воздействию такого устройства будет подвержена лишь небольшая часть объема водоема, что не повлияет на все находящиеся в нем цианобактерий.

Известно устройство для ультразвуковой обработки жидкости (патент на изобретение RU №2132820) которое содержит корпус, излучатель ультразвука, расположенный в нижней части корпуса, труб для подвода и для отвода обрабатываемой жидкости в озвучиваемое пространство. Под действием ультразвука производится диспергирование жидкости, при этом подавляется жизнедеятельность микроорганизмов, причем акустическое воздействие производится на одной частоте. Этот способ не подходит для водоемов, поскольку не охватывает весь объем водоема, а конструкция требует прокачивания жидкости через активную зону излучателя.

Известно устройство для очистки воды от химических и микробиологических загрязнений с помощью ультразвука (RU №2464233) содержащее пьезоэлектрический преобразователь, генератор сигналов, вырабатывающий электрический сигнал, изменяющийся по частоте в диапазоне 25-55 кГц и усилитель мощности. Эффективность излучения в этом устройстве происходит на одной резонансной частоте, что сужает спектр подавляемых микроорганизмов. Этот способ предназначен для дезинфекции воды в объеме тары для приготовления пищи, не подходит для водоемов, поскольку содержит генератор на основе микросхемы К176ЛА7, дающий излечение малой мощности на единственной частоте.

Из патента US 10399867 ([0030]-[0048]) известно ультразвуковое устройство для очистки водоемов от цианобактерий, содержащее повышающий блок питания генератора, емкостной накопитель, генератор электрических колебаний, блок излучателей на основе пьезоэлектрических преобразователей, блок управления на основе микроконтроллера, подводный электрический кабель и береговой блок питания постоянного тока с напряжением 24 В. Генератор электрических колебаний под управлением микроконтроллера программно настраивается на работу на различных частотах в диапазоне 22-220 кГц, как и в заявленном устройстве, в том числе возможно установление резонансных частот пьезоэлектрических преобразователей в блоке излучателей ([0046]-[0048]). Это устройство имеет следующие недостатки, устраненные в заявляемом техническом решении:

- в устройстве, являющемся аналогом, управление передается в кабеле по отдельному каналу связи, который требует дополнительные проводники (по крайней мере, так изображено на фигурах, содержащихся в описании патента). Поэтому для управления требуется как минимум четырехпроводный кабель: для передачи мощности нужны толстые жилы, а для передачи информации достаточно тонких жил. Однако подавляющее число кабелей имеет постоянную толщину жил, в итоге четырехпроводный кабель получается громоздкий и дорогой, особенно с учетом подводного исполнения. В заявляемом техническом решении управление передается вместе с питанием по одним проводам с помощью модема - это позволяет ограничиться двужильным кабелем, что дешевле и проще в исполнении;

- питание устройства, являющегося аналогом, с берега осуществляется по длинному кабелю от источника низкого постоянного напряжения, которое безопасно для человека в случае нарушения изоляции кабеля. При значительной мощности излучения ток в кабеле становится большим, и это создает большие потери в кабеле, уменьшая входное напряжение питания на блоке преобразователя. Преобразователь, входящий в состав заявляемого устройства, имеет блок питания, который компенсирует потери в кабеле и гарантирует постоянное рабочее напряжение системы, в том числе для длинных кабелей, брошенных с берега;

- устройство, являющееся аналогом, содержит программируемый блок, при этом указано, что частоты можно настраивать программно, однако ничего не сказано про резонанс самого пьезоэлемента и его эффективность на вывод мощности в воду на произвольной частоте. В заявляемом техническом решении модули излучателей подбираются с собственными резонансами вблизи частот подавления водорослей;

- погружная часть устройства, являющегося аналогом, содержит много датчиков, которые осуществляют пробы воды на наличие водорослей и т.п.Это удорожает устройство и обусловливает риски некорректных измерений, что может привести к остановке излучения. При этом контрольная точка находится всегда в зоне размещения излучателя, и это не самое лучшее место для контрольных измерений. В заявляемом техническом решении конструкция проще и дешевле, настраивается на излучение на заданных частотах. Контроль за составом водорослей делается отдельно на удалении от эпицентра излучения;

- в устройстве, являющимся аналогом, преобразователи работают со скважностью порядка 1:15 (0.4 с к периоду 6 с, см. колонку 6, строку 47), в то время как в заявляемом техническом решении преобразователь может работать постоянно;

- блок питания устройства, являющегося аналогом, выдает напряжение на преобразователи 40 В, аналогичный блок заявляемого технического решения может вырабатывать 100 В, что позволяет применять примерно в 6 раз более мощные излучатели или модули из 6 излучателей, распределенные в водоеме. С учетом затухания энергии волн обратно пропорционально квадрату расстояния, это дает значительно большее покрытие внутри водоема с мощностью звука выше порогового значения;

- в качестве интерфейса управления устройства, являющегося аналогом, в кабеле указан UART (или обобщенно - блок коммуникации), который требует минимум двух дополнительных проводников в кабеле, а также упомянут другой вариант, где сигналы UART передают силовые провода, однако не указано, как именно это делается и на какое расстояние это возможно (при какой длине кабеля). Вероятно, это решение не получило детальной проработки - видимо для передачи информации по проводам питания устройство содержит специальный модем. В заявляемом техническом решении устройство содержит модем для связи подводного блока с наземным, и эта связь используется для получения обратной связи о состоянии устройства под водой;

- в устройстве, являющимся аналогом, декларируется сборка из двух преобразователей, оси которых перпендикулярны. В заявляемом техническом решении излучающий модуль может иметь любую желаемую заказчиком диаграмму направленности;

- в устройстве, являющимся аналогом, излучатель представляет собой сосредоточенную сборку двух излучающих преобразователей. В заявляемом техническом решении модуль излучателей конструктивно позволяет соединять несколько одинаковых модулей в каскад, подключенный к общему генератору, чтобы минимизировать кабельные соединения между генератором колебаний и модулями антенн, учитывая, что кабель питания от берегового источника питания может быть очень длинным (~100-200 м), а кабели от генератора до излучателей (~2-8 м);

- в устройстве, являющимся аналогом, пьезоэлементы соединяются с источником накачки посредством электропроводящего клея. В заявляемом техническом решении используются паяные соединения с герметичными IP67 разъемами для подключения к блоку накачки посредством кабеля (с каскадным включением нескольких излучающих модулей);

- в отличие от устройства, являющегося аналогом, в заявляемом техническом решении используются типовые пьезоэлементы, работающие на собственных частотах, которые выбираются по наиболее выраженному влиянию на определенный вид водорослей: для них не имеет большого смысла возбуждение вне зоны собственного резонанса.

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является ультразвуковое устройство для очистки водоемов (патент на полезную модель RU №130602) содержащее генератор электрического сигнала с автоматической перестройкой частоты, а ультразвуковой излучатель выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя, снабженного согласующей и отражающей накладками, причем внешняя сторона отражающей накладки имеет осесимметричную ступенчатую форму, толщина которой увеличивается к краям. В случае выполнения накладки в виде трех ступеней, толщины которых подобраны так, что резонансные частоты составляют 22 кГц, 44кГц и 88кГц, что позволяет воздействовать на больший спектр микроорганизмов. Недостатком этого устройства является то, что оно имеет узкую диаграмму направленности и не обеспечивает полного покрытия водоемов при размещении вдали от берега, в результате чего невозможно воздействовать ультразвуком на все цианобактерий. Аналогичная проблема возникает в случае водоема изогнутой формы - обязательно остаются «мертвые» зоны.

Технической задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройств подавления роста и развития цианобактерий всех видов с помощью ультразвука в малых водоемах естественного и искусственного происхождения.

Решение технической задачи обеспечивается за счет того, что ультразвуковое устройство для очистки водоемов от цианобактерий содержит соединенные сборочными операциями повышающий блок питания генератора, емкостной накопитель, генератор электрических колебаний, блок излучателей на основе пьезоэлектрических преобразователей, блок управления на основе микроконтроллера, подводный электрический кабель и береговой блок питания постоянного тока с напряжением от 12 до 24 В. Причем генератор электрических колебаний под управлением микроконтроллера программно настраивается на работу на резонансных частотах пьезоэлектрических преобразователей в блоке излучателей.

Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявленного изобретения, заключается в увеличении площади ультразвукового воздействия на цианобактерий в водоеме.

Схема предлагаемого устройства иллюстрируется на фигуре 1, где приведена его структурная схема, показывающая соединение его компонентов с помощью сборочных операций.

Устройство содержит пьезоэлектрические преобразователи (1), выполненные в виде колец прямоугольного сечения, генератор электрического сигнала (2), блок управления генератором (3), емкостной накопитель (4), повышающий преобразователь (5), подводный кабель (9) и блок питания постоянного тока напряжением от 12 до 24 В (8).

Излучение ультразвука пьезоэлектрическими преобразователями наиболее эффективно на резонансных частотах. Для подавления цианобактерий желательно воздействие в широком спектре ультразвука в полосе от 30 до 220 кГц, что может быть достигнуто за счет многомодовых пьезоэлектрических преобразователей.

Резонансная частота Fрез основной моды пьезоэлектрической пластины связана с ее толщиной h отношением

где С_звука- скорость звука в материале пластины.

В случае выполнения пьезоэлектрического преобразователя в виде кольца прямоугольного сечения возникает три основных моды колебаний, частоты которых определяются тремя размерами кольца: Н - толщиной кольца, R - наружным радиусом и r - внутренним радиусом. Эти размеры формируют три характерные резонансные частоты:

Блок излучателей с пьезоэлектрическими преобразователями в виде колец позволяет генерировать ультразвук сразу на всех частотах подавления размножения цианобактерий.

При работе устройства блок управления последовательно устанавливает три запрограммированные частоты работы генератора в соответствии с резонансными частотами пьезоэлектрических преобразователей блока излучателей. Время воздействия зависит от видового состава цианобактерий, объема водоема, и составляет обычно от одной до трех недель.

Установка устройства в водоеме проиллюстрирована фигурой 2.

Блок питания (8) размещается в помещении на берегу, где обеспечивает преобразование сетевого напряжения 220 В 50 Гц в постоянное напряжение питания генератора в диапазоне 12-24 В. Питание на блок генератора накачки подается по кабелю (9), который от помещения с блоком питания скрытно укладывается до берега, а затем укладывается на дно водоема от берега до точки установки блока излучателей (10). Кабель укладывается на дно водоема путем сброса его в воду с бухты, установленной на лодке. Когда бухта полностью размотана и лодка находится в центре водоема, к кабелю пристыковывается блок накачки (12). Далее, рабочие в лодке производят измерение глубины водоема (14) в точке установки. По результатам измерений рассчитывается длина троса между блоком накачки (12) и якорным грузом (13) так, чтобы блок излучателей (11) оказался погруженным в воду на глубину 1-1.5 метра. Груз привязывается к блоку накачки, затем к нему подключается кабелем (15) блок излучателей (11), и вся конструкция сбрасывается за борт. Блок излучателей (11) оснащен пенопластовым поплавком, который тянет излучатель к поверхности водоема, обеспечивая вертикальное натяжение кабелей и размещение излучателя в толще воды.

После установки устройства кабель на берегу подсоединяется к блоку питания, блок питания подсоединяется к сети, далее в блоке питания включается дифференциальный автомат, подающий сетевое напряжение на выпрямитель. Встроенный в блок питания (8) вольтметр показывает текущее напряжение на выходе блока питания, а встроенный амперметр показывает ток генератора. При запуске операторы производят регулировку напряжения на выходе блока питания таким образом, чтобы компенсировать омические потери на кабеле питания. Сопротивление кабеля, предварительно измеренное на берегу, умножается на рабочий ток потребления излучателя, и полученная добавка прибавляется к номинальному напряжению генератора 12 В. Например, при токе генератора 5 А и сопротивлении кабеля 1 Ом добавка составляет 5 В, то есть, на выходе источника питания должно быть 17 В.

Такая скрытная установка ультразвукового устройства обеспечивает его безопасность, антивандальность и позволяет воздействовать на клетки цианобактерий во всем объеме водоема в течение всего их вегетационного периода.

В заявляемом техническом решении управление передается вместе с питанием по одним проводам с помощью модема: это позволяет ограничиться двужильным кабелем, что дешевле и проще в исполнении.

Преобразователь, входящий в состав заявляемого устройства, имеет блок питания, который компенсирует потери в кабеле и гарантирует постоянное рабочее напряжение системы, в том числе для длинных кабелей, брошенных с берега; причем преобразователь может работать постоянно.

Модули излучателей подбираются с собственными резонансами вблизи частот подавления водорослей.

Блок питания может вырабатывать напряжение до 100 В, что, с учетом затухания энергии волн обратно пропорционально квадрату расстояния, позволяет увеличить площадь покрытия внутри водоема с мощностью звука выше порогового значения.

Устройство (блок) управления содержит модем для связи подводного блока c наземным, и эта связь используется для получения обратной связи о состоянии устройства под водой, а излучающий модуль может иметь любую желаемую заказчиком диаграмму направленности.

Модуль (блок) излучателей конструктивно позволяет соединять несколько одинаковых модулей в каскад, подключенный к общему генератору, чтобы минимизировать кабельные соединения между генератором колебаний и модулями антенн, учитывая, что кабель питания от берегового источника питания может быть очень длинным (-100-200 м), а кабели от генератора до излучателей (~2-8 м).

Для подключения к блоку накачки посредством кабеля используются паяные соединения с герметичными разъемами IP67. Также используются типовые пьезоэлементы (пьезоэлектрические преобразователи), работающие на собственных частотах, которые выбираются по наиболее выраженному влиянию на определенный вид водорослей: для них не имеет большого значения возбуждение вне зоны собственного резонанса.

Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявленного изобретения, заключается в увеличении площади ультразвукового воздействия на цианобактерий в водоеме и достигается за счет того, что генератор электрических колебаний под управлением микроконтроллера программно настраивается на работу на резонансных частотах пьезоэлектрических преобразователей в блоке излучателей, а блок питания вырабатывает напряжение до 100 В.

Изобретение относится к устройствам подавления роста и развития цианобактерий всех видов с помощью ультразвука в малых водоемах естественного и искусственного происхождения. Устройство содержит соединенные сборочными операциями повышающий блок питания генератора, емкостной накопитель, генератор электрических колебаний, блок излучателей на основе пьезоэлектрических преобразователей, блок управления на основе микроконтроллера, подводный электрический кабель и береговой блок питания постоянного тока с напряжением от 12 до 24 В. Генератор электрических колебаний выполнен с возможностью программной настройки на работу на резонансных частотах пьезоэлектрических преобразователей в блоке излучателей. Береговой блок питания выполнен с преобразователем, компенсирующим потери в кабеле и гарантирующим постоянное рабочее напряжение, выполнен с возможностью работы в постоянном режиме. Излучатели блока излучателей выполнены с возможностью подбора собственных резонансных частот вблизи частот подавления водорослей. Блок питания выполнен с возможностью выработки напряжения до 100 В. Блок управления содержит модем для связи подводного блока с наземным. Блок излучателей выполнен с возможностью формирования любой желаемой диаграммы направленности. Блок излучателей выполнен с обеспечением возможности конструктивного соединения нескольких одинаковых модулей в каскад, подключенный к общему генератору. Пьезоэлектрические преобразователи блока излучателей выполнены в виде колец с возможностью работы на собственных частотах, выбираемых по наиболее выраженному влиянию на определенный вид водорослей. Блок излучателей оснащен пенопластовым поплавком, обеспечивающим вертикальное натяжение кабелей и размещение излучателя в толще воды. Технический результат: увеличение площади ультразвукового воздействия на цианобактерии в водоеме. 2 ил.

Ультразвуковое устройство для очистки водоемов от цианобактерий, содержащее соединенные сборочными операциями:

повышающий блок питания генератора,

емкостной накопитель,

генератор электрических колебаний,

блок излучателей на основе пьезоэлектрических преобразователей,

блок управления на основе микроконтроллера,

подводный электрический кабель

и береговой блок питания постоянного тока с напряжением от 12 до 24 В, причем

генератор электрических колебаний выполнен с возможностью программной, под управлением микроконтроллера, настройки на работу на резонансных частотах пьезоэлектрических преобразователей в блоке излучателей,

береговой блок питания выполнен с преобразователем, компенсирующим потери в кабеле и гарантирующим постоянное рабочее напряжение, выполнен с возможностью работы в постоянном режиме,

излучатели, объединенные в блок излучателей, выполнены с возможностью подбора собственных резонансных частот вблизи частот подавления водорослей,

блок питания выполнен с возможностью выработки напряжения до 100 В,

блок управления содержит модем для связи подводного блока с наземным,

блок излучателей выполнен с возможностью формирования любой желаемой диаграммы направленности,

блок излучателей выполнен с обеспечением возможности конструктивного соединения нескольких одинаковых модулей в каскад, подключенный к общему генератору,

пьезоэлектрические преобразователи блока излучателей выполнены в виде колец с возможностью работы на собственных частотах, выбираемых по наиболее выраженному влиянию на определенный вид водорослей,

блок излучателей оснащен пенопластовым поплавком, обеспечивающим вертикальное натяжение кабелей и размещение излучателя в толще воды.