СПОСОБ ОТБОРА ПРОБ ВОДЫ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДОЁМА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА (БПЛА) ВЕРТОЛЕТНОГО ТИПА Российский патент 2024 года по МПК G01N1/10 B64C39/02 

ВВЕДЕНИЕ

Способ отбора проб воды с поверхности водоема, с использованием БПЛА вертолетного типа, предназначен для оперативного отбора проб в морских и пресноводных водоемах. Отбор может производиться с использованием БПЛА, когда пробоотборник, закрепленный на конце троса, опускается на поверхность водоема за счет снижения БПЛА, и поднимается с поверхности после заполнения пробоотборника.

Способ отбора обладает рядом достоинств, в частности:

- обеспечивается отбор пробы только с поверхности водоема;

- применяется разовый пробоотборник;

- используется автоматизированный способ заполнения пробоотборника.

Способ приобретает особую актуальность при отборе проб в удаленных от дорог водоемах, труднодоступных частях акватории, искусственных бассейнах, куда сливаются отходы химического предприятия или отстойниках воды из системы охлаждения АЭС. Такой способ отбора проб крайне востребован при авариях и катастрофах техногенного характера, например, при утечке и разливе нефтепродуктов. Применение настоящего изобретения снижает риски для операторов, которые при обычных обстоятельствах, должны были бы находиться на поверхности водоема для проведения отбора проб, например, в лодке или катере. В этом случае могут потребоваться индивидуальные средства защиты - фильтрующие или изолирующие противогазы, специальная защитная одежда. Причем, существуют высокие риски в виде угрозы жизни и здоровью операторов при возможном возгорании нефтепродуктов.

Изобретение значительно повышает скорость отбора, позволяет производить отбор с поверхности воды, использовать разовые пробоотборники, автоматизировать процесс отбора и выполнять последовательность действий без участия оператора, фиксировать локацию точек акватории, где проводился отбор, снижает затраты на процесс отбора проб.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Предлагаемое техническое решение относится к области морской техники, а именно к гидрологическим способам отбора проб воды в морских и пресноводных водоемах с использованием беспилотных летательных аппаратов, с вертикальным взлетом и посадкой вертолетного типа, например, квадрокоптеров. БПЛА управляется дистанционно по беспроводной связи, также может функционировать автономно, по заранее определенному алгоритму, после записи информации в накопитель бортового устройства управления БПЛА.. Такая технология позволяет отслеживать экологическую ситуацию в труднодоступных, удаленных водоемах, особенно в случаях техногенных катастроф, следствием которых стала, например, утечка и разлив токсичных веществ или нефтепродуктов. В условиях катастрофы особенно важна скорость отбора проб во многих точках акватории, что может быть обеспечено только за счет перемещения по воздуху.

Способы, обеспечивающие отбор проб воды в водоемах - широко применяемые технологии. Подобные способы востребованы в различных отраслях, например, для взятия проб жидкости при исследовании физических, химических и биологических процессов, происходящих в водоемах.

Основные задачи, решаемые при использовании предлагаемого способа отбора проб с использованием БПЛА:

1. Отбор проб с поверхности водоема.

2. Использование разовых пробоотборников;

3. Автоматизация процесса отбора.

Для отбора проб воды при разливе, например, нефтепродуктов необходима проба с поверхности водоема, т.к. из-за меньшей плотности нефтепродукты растекаются по поверхности воды и проба с глубины даже 1 метр интереса не представляет. Использование известных способов не позволяет выполнить эту задачу. Проба с поверхности позволяет получить данные о конкретной марке нефтепродукта (сырая нефть, мазут, дизельное топливо и т.д.) и концентрации нефтепродукта в пробе. Определяя концентрацию нефтепродукта в одной и той же точке в определенный момент времени (взятии серии проб с временным интервалом) можно сделать вывод о прекращении поступления нефтепродуктов - при уменьшении концентрации, продолжении поступления - при увеличении концентрации. Также способ позволяет определить границы загрязненной акватории, отбирая пробы в разных точках.

В процессе отбора проб, особенно важно получать объективные результаты, т.е. пробы, незагрязненные остатками предыдущих отборов. Этого легко достичь путем использованя разовых пробоотборников, в то время как подвергать чистке и дезактивации пробоотборник после каждой операции отбора затруднительно, особенно в полевых условиях или в аварийной ситуации, когда ощущается острый дефицит времени.

При отборе проб обеспечивается автоматизация процесса отбора, что позволяет освободить оператора от рутинной работы. Автоматизация заключается в объективном определении момента касания пробоотборником поверхности воды, передаче сигнала об этом на бортовую систему управления БПЛА, отсчете времени нахождения пробоотборника на поверхности, последующем взлете. Алгоритм может быть записан внакопитель (запоминающее устройство) БПЛА, с уточнением емкости пробоотборника, времени проведения отбора, локаций точек отбора, и поэтому процесс может происходить без участия оператора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ пробоотбора, приведенный в описании к патенту (US 4593570; МПК G01N 1/12; "Устройство для отбора проб воды", 1986), который заключается в последовательности операций: размещении пробоотборника на тросе в самолете, перемещение самолета в район отбора, сбрасывании пробоотборника, отбор пробы, перемещение с помощью троса пробоотборника в самолет. Устройство для отбора проб воды, используемое для вышеописанной цели, содержит емкость, которая сбрасывается с самолета, летящего над морем, и которое прикреплено к самолету с помощью троса. После погружения пробоотборника в воду, отобранная проба воды закрывается заслонкой. Для перемещения заслонки используется кинетическая энергия двигающегося пробоотборника с находящейся в нем пробой воды.

Однако этот способ имеет недостатки, заключающиеся в том, что для получения 5-литровой пробы требуется пробоотборник емкостью 10 литров, поскольку примерно 50% пробы разливается и теряется в процессе отбора. Учитывая перемещение самолета, даже за короткий промежуток времени, отбор пробы воды производится не из конкретной точки акватории, а с полосы воды в десятки метров.

Известен способ отбора воды, с использованием летящего над морем самолета, и изложенного в описании патента (US 4744256 A; МПК G01N 1/12; "Устройство для отбора проб воды с самолета", 1988), который позволяет отбирать пробы с поверхности моря в пробоотборник, использующий энергию движения, для закрытия крышек и отсечения пробы от воздействия окружающей среды. При реализации способа для отбора проб воды ссамолета, используется цилиндрическая емкость с шаровыми кранами на обоих концах, трос, соединяющий самолет и емкость. Рывок троса, после заполнения емкости водой, используется для перемещения шаровых кранов в закрытое положение, после чего канат выбирается и емкость размещается в самолете.

Однако этот способ отбора имеет недостатки. Проба отбирается не с конкретной точки акватории, а учитывая перемещение самолета, с полосы воды длиной в десятки метров. Использование способа надежно изолирует отобранную пробу, но для его применения, в виде закрытия шаровых кранов, необходимо усилие сопротивления, которое создает пробоотборник уже заполненный водой, при большой скорости перемещения.

Известен способ отбора проб воды, используемого с БПЛА, изложенный в описании к патенту (US 20170328814 А1; МПК G01N 1/12; B24D 1/22; G01N 33/18; "Устройство, соединяющее бутыль, с пробой воды, с беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) для сбора проб воды из-под поверхности водного объекта", 2017).

При реализации способа отбора пробоотборник закрепляют на тросе, трос соединяют с БПЛА, с размещенным в нижней части БПЛА специальным устройством, которое по команде оператора, после отбора пробы, инициирует освобождение посыльного груза от удерживающего шнурка и вызывает начало перемещения посыльного груза по тросу. Срабатывание спускового механизма пробоотборника известной конструкции происходит от толчка посыльного груза.

Однако этот способ отбора проб имеют ряд недостатков.

Наряду с упрощением срабатывания спускового устройства, которое производится по команде оператора, не рассматривается вопрос глубины погружения батометра, в частности, отбора пробы с поверхности. Использование способа увеличивает дополнительную нагрузку, переносимую БПЛА, появляются дополнительные элементы: посыльный груз, шнур для его удержания, управляющее устройство для срабатыванияпосыльного груза. Для выполнения отбора необходимо постоянное участие оператора БПЛА.

Известна система экологического контроля, (RU 39319 U1; МПК В63В 35/00; “Система экологического контроля”; 2004) содержащая связанные каналом связи БПЛА и передвижной пункт управления. БПЛА содержит бортовую систему управления полетом, навигационную систему, бортовую цифровую вычислительную машину, бортовой приемопередатчик, запоминающее устройство, комплекс обзора поверхности. Передвижной пульт управления содержит наземный приемопередатчик, дистанционный пульт управления БПЛА, устройство отображения информации, при этом выход навигационной системы соединен со входами бортовой системы управления полетом, бортовой цифровой вычислительной машины, бортового приемопередатчика, бортовая система управления полетом соединена с бортовой цифровой вычислительной машиной, комплекс обзора поверхности снабжен лазерным локатором, причем БПЛА содержит подключенную к бортовой цифровой вычислительной машине систему отбора проб воды.

В известной системе экологического контроля определяются возможности БПЛА, описываются функциональные части систем управления, навигации, связи, хранения информации, аппаратуру измерения расстояния до поверхности воды, система отбора проб воды и рассматривается работа систем во взаимосвязи. Тем не менее, давая представление о возможностях оснащения, описание носит декларативный характер и не позволяет определить конкретный способ отбора проб, т.е. последовательность действий по заполнению пробоотборника.

Известен способ отбора проб батометром (RU 2756332 C1; МПК G01N 1/10; “Способ отбора проб воды батометром с использованием беспилотного летательного аппарата вертолетного типа” 2021). В аспекте предлагаемого изобретения это техническое решение рассматривается как прототип.

К лебедочной системе БПЛА крепится трос с кольцом, на кольце закрепляется батометр. БПЛА управляется с помощью пульта управления и после перемещения в зону отбора проб зависает на заданной высоте. По команде оператора включается лебедочная система, батометр спускается на поверхность воды, после чего опрокидывается на бок при помощи балласта. Вода поступает внутрь корпуса через водозаборные отверстия крышки, при этом стержень с диском транспортного клапана опускаются внутрь корпуса. Продолжительность отбора пробы воды определяется оператором с использованием видеокамеры, расположенной на БПЛА. Отобрав пробу, БПЛА поднимает батометр за трос, вследствие чего диск транспортного клапана, упираясь в грань, перекрывает доступ воды в корпус батометра, и за счет крепления клапана к тросу, при взлете БПЛА, происходит подъем батометра из водоема для его транспортирования к месту нахождения оператора. При этом обеспечивается отбор пробы воды, в определенной локации по дистанционным командам оператора на большом расстоянии.

Однако способ имеет ряд недостатков.

При отборе пробы не контролируется глубина погружения устройства. Батометр может быть не заполнен полностью, но погрузиться на глубину 1-3 метра. Фактически в этом способе происходит отбор пробы с нескольких слоев водоема. Например, на демонстрационной фигуре 5, приведенной в описании реализации способа, показан батометр, лежащий на дне водоема, что позволяет оценить способ, как отбор воды при естественном погружении батометра под собственным весом, по мере заполнения водой из всех слоев водоема.

При разливе, например, нефтепродуктов интерес представляет только поверхностный слой, где за счет меньшей плотности нефтепродуктов находится пленка. Даже на незначительной глубине, (0,5 метра и более) загрязнение либо отсутствует, либо имеет малую концентрацию, вследствие чего проба, взятая с таких глубин, ценности не представляет. Проба именно с поверхности водоема важна, т.к. позволяет получить данные о конкретноймарке нефтепродукта (мазут, дизельное топливо и т.д.) и концентрации нефтепродукта в пробе. Определяя концентрацию нефтепродукта в конкретной точке в разные моменты времени можно сделать вывод о прекращении поступления нефтепродуктов (при уменьшении концентрации) или о продолжении поступления (при увеличении концентрации). Определить границы загрязненной части акватории можно путем отбора проб в разных точках.

Известное устройство для реализации способа рассчитано на длительную эксплуатацию, то есть многократный отбор проб, в том числе за время одной аварии. Однако применить известный способ для отбора проб с поверхности, при, например, утечке нефтепродуктов невозможно. После каждого отбора пробы, пробоотборник потребуется тщательно очищать от загрязнений, оставленных предыдущими пробоотборами. Производить очистку будет затруднительно, особенно внутреннюю часть, перемещающуюся деталь, отверстия в крышке, что критично в условиях кризисной ситуации, когда необходима быстрота получения проб для определения марки загрязняющего вещества, а также размеров пятна и концентрации в каждой точке отбора, что требует отбора десятков проб в течение короткого времени.

При реализации известного способа требуется постоянное участие оператора, с осуществлением контроля выполнения операций. Однако оператор часто контролирует работу нескольких БПЛА и нецелесообразно его привлекать к ручному управлению.

В предлагаемом способе пробоотборник находится на поверхности за счет наличия поплавка, а сигнал о касании поверхности воды поступает на бортовое устройство управления автоматически. Время размещения пробоотборника на поверхности контролируется бортовым устройством управления, и БПЛА осуществляет подъем пробоотборника, после заполнения.

РЕШАЕМЫЕ ЗАДАЧИ

При реализации способа решаются задачи:

- обеспечение отбора пробы непосредственно с поверхности водоема;

- обеспечение отбора проб в разовые пробоотборники, которые после выполнения анализов проб утилизируются;

- автоматизация заполнения пробоотборника без участия оператора.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В предлагаемом техническом решении сформулированы основные отличительные признаки изобретения.

Способ отбора проб воды с поверхности водоема с использованием БПЛА вертолетного типа, заключающийся, в комплектации аппарата бортовым устройством управления и навигационной системой, фиксирующей локации точек отбора проб и записывающей данные в накопитель (запоминающее устройство); управлении БПЛА оператором с базовой станции, посредством беспроводной связи; оснащении БПЛА тросом и закреплении на конце троса пробоотборника; транспортировании пробоотборника в точку отбора; размещении и выдержке пробоотборника на поверхности воды, за счет снижения БПЛА, до заполнения пробой; взлете и перемещении в требуемую точку, посадке, изъятии пробы.

Пробоотборник в виде сменной емкости размещают в держателе, который закрепляют на тросе. С торцов держателя размещают поплавки, имеющие положительную плавучесть и способные удерживать на поверхности водоема пробоотборник, до его заполнения пробой.

На держателе размещают датчик касания воды в герметичном корпусе, снабженный источником питания и радиочастотным модулем, и взаимодействующий с бортовой системой управления БПЛА по беспроводной связи.

Признак “пробоотборник в виде сменной емкости размещают в держателе, который закрепляют на тросе”, позволяет для каждого отбора пробы использовать разовую емкость, заменяемую на новую для следующей пробы, что обеспечивает чистоту каждой пробы, за счет исключения попадания в пробу загрязнений от предыдущего отбора.

Признак “с торцов держателя размещают поплавки, имеющие положительную плавучесть и способные удерживать на поверхности водоема пробоотборник, до его заполнения пробой”, позволяет удерживать пробоотборник на поверхности в течение всей операции и выполнять отбор только требуемого слоя жидкости с поверхности водоема.

Признак “на держателе размещен датчик касания воды в герметичном корпусе, снабженный источником питания и радиочастотным модулем, и взаимодействующий с бортовым устройством управления по беспроводной связи”, позволяет бортовой системе управления, при снижении в точке забора пробы, получить сигнал о касании пробоотборником поверхности водоема и удерживать пробоотборник на поверхности до заполнения. При этом учитывается емкость и требуемое время заполнения пробоотборника, что, в совокупности, позволяет автоматизировать процесс отбора.

Реализация способа отбора позволяет получить требуемый технический результат, а именно:

- обеспечить удержание пробоотборника на поверхности в процессе отбора пробы;

- обеспечить возможность использования сменных пробоотборников;

- автоматически определять оператору, находящемуся на значительном удалении, момент касания пробоотборником поверхности воды.

Алгоритм может быть записан в накопитель (запоминающее устройство) БПЛА, с учетом емкости пробоотборника и уточненного времени проведения отбора, локаций точек отбора, и поэтому процесс может происходить без участия оператора.

Таким образом, у способа отбора проб с использованием БПЛА появляются новые свойства, заключающиеся в удержания пробоотборника на поверхности, в процессе отбора пробы, что позволяет производить отбор проб непосредственно на поверхности водоема. Поочередное использование сменных пробоотборников, закрепляемых в держателе, позволяет исключить загрязнение проб образцами предыдущих отборов и сократить время на подготовку БПЛА к очередному пробоотбору. Использование способа размещения на держателе датчика касания воды в герметичном корпусе, снабженного источником питания и радиочастотным модулем, и взаимодействующего с устройством управления БПЛА по беспроводной связи, позволяет автоматизировать процесс отбора за счет объективного определения момента касания пробоотборником поверхности воды. Способ позволяет проводить отбор проб в автоматическом режиме без привлечения оператора к процессу управления.

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 4), где:

Фигура 1 - отображает расположение держателя с пробоотборником на БПЛА в полете.

Фигура 2 - отображает расположение держателя с пробоотборником на поверхности водоема при проведении отбора пробы.

Фигура 3 - отображает держатель, с установленным пробоотборником.

Фигура 4 - отображает размещение датчика касания воды, радиочастотного модуля и элементов питания в корпусе.

1. Держатель.

2. Пробоотборник.

3. Выступ основания.

4. Упор.

5. Гайка барашковая.

6. Поплавок.

7. Винт опорный.

8. БПЛА.

9. Трос.

10. Карабин.

11. Корпус датчика.

12. Датчик уровня.

13. Радиочастотный модуль.

14. Элементы питания.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ отбора проб, проиллюстрированный изображениями (Фигура 1-Фигура 4), реализуется следующим образом.

В держатель 1, устанавливается пробоотборник 2, при этом совмещается выступ основания 3 с углублением в дне пробоотборника. Пробоотборник 2 закрепляют упором 4, при помощи гаек барашковых 5. На держателе 1 закрепляют корпус датчика 11, снаряженный датчиком касания воды 12, радио модулем 13, элементами питания 14, например, при помощиклея. На торцевых поверхностях держателя 1 размещают поплавки 6, которые закрепляют при помощи клея.

Оператор подключает к бортовой системе управления БПЛА флэш-накопитель USB, с программой, содержащей данные о локации точек отбора, и продолжительности отбора, в зависимости от объема установленного пробоотборника. На винт опорный 7 устанавливается карабин 10, с тросом 9, закрепленным на БПЛА 8. Аппарат запускается и взлетает по команде с базовой станции, и дальнейшие операции выполняет в соответствии с установленной программой. БПЛА, используя навигационную систему, перемещается в точку отбора, снижается до размещения пробоотборника на поверхности воды. Конструкция держателя с пробоотборником и поплавками, допускают только два варианта размещения на поверхности. В обоих вариантах датчик контактирует с водой, и начало отсчета начинается с замыкания контактов датчика, т.е. с начала заполнения пробоотборника. При этом бортовая система управления аппарата получает сигнал с датчика 12, с помощью радиочастотного модуля 13, о касании поверхности водоема и выдерживает БПЛА 8 в этом положении, в течение времени, необходимого для забора пробы с поверхности водоема. При этом поплавки 6 удерживают держатель 1, с пробоотборником 2, на поверхности и не требуется точный контроль, за снижением БПЛА, чтобы удерживать пробоотборник на поверхности, поэтому возможный спуск БПЛА на "лишний" метр не является критичным событием и не помешает отбору пробы с поверхности. При рывке пробоотборника, вызванного взлетом аппарата, пробоотборник 2 зачерпывает дополнительное количество пробы, при этом в итоге заполнение составляет 80-^85% всего объема пробоотборника, что является удовлетворительным результатом, при возможной оценке заполнения: удовлетворительно или неудовлетворительно. Перемещаясь по воздуху, БПЛА 8 доставляет пробоотборник 2 в точку назначения, снижается, выполняет посадку на оборудованную площадку, где размыкается карабин 10, и отсоединяется пробоотборник 2 с держателем 1 от троса 9. Отвинчиваются барашковые гайки 5, и изымается пробоотборник 2 с пробой. В держатель 1 устанавливается новый пробоотборник 2, который закрепляется в держателе 1, и после команды с базовой станции, БПЛА осуществляет перелет в требуемую точку отбора, согласно алгоритму выполнения задачи. После слива пробы в лабораторную емкость, пробоотборник 2 утилизируется.

Таким образом, выполняются поставленные задачи:

- проба отбирается непосредственно с поверхности водоема;

- отбор проб производится в разовые пробоотборники, с последующей утилизацией использованных;

- процесс отбора проб автоматизирован, что позволяет бортовой системе управлять процессом отбора без участия оператора.

Приведенная, для описания реализации способа, конструкция держателя с пробоотборником может быть выполнена с другими связями и элементами, и для осуществления способа могут быть использованы существующие ручные пробоотборники, адаптированные для использования разработанной технологии.

Изобретение относится к морской технике. Раскрыт способ отбора проб воды с поверхности водоема с использованием беспилотного летательного аппарата (БПЛА) вертолетного типа, заключающийся в комплектации аппарата бортовым устройством управления и навигационной системой, фиксирующей локации точек отбора проб и записывающей данные в накопитель (запоминающее устройство); управлении БПЛА оператором с базовой станции посредством беспроводной связи; оснащении БПЛА тросом и закреплении на конце троса пробоотборника; транспортировании пробоотборника в точку отбора; размещении и выдержке пробоотборника на поверхности воды за счет снижения БПЛА до заполнения пробой; взлете и перемещении в требуемую точку, посадке и изъятии пробы. При этом пробоотборник в виде сменной емкости размещают в держателе, который закрепляют на тросе, причем с торцов держателя размещают поплавки, имеющие положительную плавучесть и способные удерживать на поверхности водоема пробоотборник до его заполнения пробой, а на держателе размещают датчик касания воды в герметичном корпусе, снабженный источником питания и радиочастотным модулем, взаимодействующим с бортовым устройством управления БПЛА по беспроводной связи. Изобретение обеспечивает удержание пробоотборника на поверхности в процессе отбора пробы, возможность использования сменных пробоотборников и возможность автоматического определения оператором, находящемся на значительном удалении, момент касания пробоотборника поверхности воды. 4 ил.

Способ отбора проб воды с поверхности водоема с использованием беспилотного летательного аппарата (БПЛА) вертолетного типа, заключающийся в комплектации аппарата бортовым устройством управления и навигационной системой, фиксирующей локации точек отбора проб и записывающей данные в накопитель (запоминающее устройство); управлении БПЛА оператором с базовой станции, посредством беспроводной связи; оснащении БПЛА тросом и закреплении на конце троса пробоотборника; транспортировании пробоотборника в точку отбора; размещении и выдержке пробоотборника на поверхности воды, за счет снижения БПЛА до заполнения пробой; взлете и перемещении в требуемую точку, посадке, изъятии пробы, отличающийся тем, что пробоотборник в виде сменной емкости размещают в держателе, который закрепляют на тросе, причем с торцов держателя размещают поплавки, имеющие положительную плавучесть и способные удерживать на поверхности водоема пробоотборник до его заполнения пробой, а на держателе размещают датчик касания воды в герметичном корпусе, снабженный источником питания и радиочастотным модулем, взаимодействующим с бортовым устройством управления БПЛА по беспроводной связи.