Устройство для экологического контроля загрязнений водной среды

 

Изобретение относится к экологии и может быть использовано при проектировании устройств для контроля загрязнений водных бассейнов. Целью изобретения является повышение достоверности результата экологического контроля загрязнений водной среды, достигающегося за счет обеспечения классификации загрязнений путем специальной гпуппировки и обработки информации с датчиков гидрофизических полей по группам основных видов загрязнений. Устройство содержит водозаборную линию с размещенными на ней датчиками различных гидрофизических полей, подключенную к водозаборным входам устройств хемилюминесцентного, хроматографического, ионселективного, спектрального и радиометрического анализа, а также подсоединенную своими электрическими выходами к спектрометру ионизирующих излучений и совокупности логических схем, позволяющих осуществить специальную группировку и обработку информации с последующей передачей ее на устройство документирования. 1 ил.

Изобретение относится к экологии и может быть использовано при проектировании систем для контроля загрязнений водных бассейнов.

Известны системы и устройства для исследования водных сред с целью контроля их загрязнения различными продуктами. В этих устройствах контроль за состоянием исследуемой среды основан на размещении в них датчиков, чувствительных к различным видам гидрофизических полей (ГФП): солености, температуры, электропроводности, скорости звука в воде, а также других параметров, косвенно подтверждающих загрязнение среды. В этих устройствах датчики ГФП располагаются на заглубляемой буксируемой линии (ЗБЛ) корабля. К недостаткам устройств следует отнести отсутствие достоверной регистрации ряда важных с точки зрения экологической обстановки параметров, в частности радиоактивности, содержания органических веществ (органики), тяжелых металлов, кислотности, а также невозможность количественного и качественного анализа и классификации загрязнений водной среды.

Известны комплексы и устройства, обеспечивающие дискретный (периодический) отбор проб воды, например, с помощью батометров для последующего детального анализа воды. К недостаткам этих устройств следует отнести невозможность непрерывного анализа в реальном масштабе времени.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является комплекс "Плессей". Данный комплекс предназначен для регистрации температуры, солености, освещенности, прозрачности водной среды и содержания в ней планктона. Для этого в состав комплекса входят датчики указанных гидрофизических полей, размещаемые на кабель-тросе, по которому информация в двоично-десятичном коде передается на бортовой магнитный регистратор. Недостатки устройства-прототипа такие же, как у комплексов "Нырок" и "Дельфин".

Целью изобретения является повышение достоверности контроля загрязнений водной среды за счет обеспечения классификации загрязнений путем специальной группировки и обработки информации с датчиков ГФП по группам основных видов загрязнений.

Сущность изобретения заключается в непрерывном анализе информации в реальном масштабе времени с датчиков ГФП, размещенных на заглубляемой буксируемой линии с одновременным непрерывным отбором анализируемой воды по водозаборному шлангу (шлангам) буксируемой линии. В отличие от устройства-прототипа в предлагаемой системе производится комплексный анализ водной среды по широкому спектру гидрофизических полей, а именно в ней осуществляется контроль таких ГФП, как электропроводность, температура, рН, радиоактивность, REDOX-потенциал, содержание O₂ и специфических ионов металлов. При этом комплексирование видов загрязнений (предварительный анализ) осуществляется путем группировки их по следующим видам. Выделение загрязнений из группы тяжелых металлов (ТМ) (их присутствие в воде влияет на величину сигналов с датчиков соответствующих ионселективных электродов, электропроводности, а также слив имеет температурный контраст по сравнению с окружающей средой) осуществляется посредством первой схемы ИЛИ, причем дополнительное подтверждение указанного загрязнения осуществляется по сигналу с устройства хемилюминесцентного анализа посредством третьей схемы И. Сигнал с выхода этой схемы свидетельствует о наличии загрязнений из группы тяжелых металлов и включает устройства детального анализа, а именно радиометрического и спектрального анализа, которые выдают данные по количественному составу загрязнения. Выделение загрязнений из группы "органика", учитывая, что присутствие органических загрязнений в воде влияет на величину сигнала с датчика REDOX-потенциала, который одновременно реагирует на изменение рН и O₂ в воде, осуществляется посредством первой и второй схем И и первой и второй схем НЕ, причем дополнительное подтверждение указанного загрязнения осуществляется по сигналу с устройства хемилюминесцентного анализа посредством пятой схемы И. Сигнал с выхода этой схемы свидетельствует о наличии загрязнений из группы "органика" и включает устройство детального анализа, а именно хроматографического анализа, которое выдает данные по количественному составу загрязнения. Выделение загрязнений из группы солей, кислот и щелочей (СКЩ), учитывая, что присутствие их в воде влияет на величину сигналов с датчиков электропроводности и рН, осуществляется посредством второй схемы ИЛИ, причем дополнительное подтверждение указанного загрязнения осуществляется по сигналу с устройства хемилюминесцентного анализа посредством четвертой схемы И. Сигнал с выхода этой схемы свидетельствует о наличии загрязнений из группы СКЩ и включает устройство ионселективного детального анализа, которое выдает данные по количественному составу загрязнения. Сигнал о наличии радиоактивного загрязнения, как экологического загрязнения отдельного класса, передается с датчика РА на блок спектрометра излучений, который выдает данные по качественному и количественному составам загрязнений. Для осуществления этого в предлагаемую систему введены элементы И, ИЛИ, НЕ, сгруппированные по связям между собой, датчиками ГФП, водозаборной линией и устройствами детального анализа. При этом каждый из указанных отличительных признаков необходим, а совокупность их достаточна для достижения более высокой достоверности контроля загрязнений. Одновременно система обладает и более широкими функциональными возможностями, благодаря которым контроль водной среды осуществляется по более широкому спектру видов загрязнений, практически охватывающих все существующие в настоящее время виды.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемой системы.

Система содержит буксируемую водозаборную линию с размещенными на ней датчиками температуры (Т) 1, радиоактивности (РА) 2, электропроводности (ЭП) 4, рН 4, REDOX-потенциал 5, кислорода (O₂) 6, блоком ионселективных электродов (ИС) 7 и водозаборный шланг (шланги) 8, соединенный с водозаборными входами устройств хемилюминесцентного 9, хроматографического 10, ионселективного 11, спектрального 12 и радиометрического 13 анализа, а также устройство 14 документирования информации, блок 15 спектрометра ионизирующих излучений, две схемы ИЛИ 16, 17, пять схем И 18-22, две схемы НЕ 23, 24. В качестве примера реализации датчиков ИС 7, рН 4, REDOX-потенциала 5, O₂ 6, РА 2 и блока 15 можно привести соответственно Крешков А.П. Основы аналитической химии, М. , 1977, т.3, с.55, с.51, и т.2 с.211; Каталог фирмы ORBISFERE Laboratory, Швейцария; Матвеев В.В., Хазанов Б.И. Приборы для измерения ионизирующих излучений, М.: Атомиздат, 1967, с.105, с.679. В качестве примера реализации шланга 8 можно привести патент Франции, кл. B 3 B 21/00, LIP, вып.12, N 9, 1973, с.12, а в качестве примеров реализации устройств 14 и датчиков Т 1 и ЭП 3 можно взять соответствующие блоки устройства-прототипа. В предлагаемой системе датчик РА 2 через блок 15 соединен с первым входом устройства 14, второй, третий и четвертый входы которого подключены к первым входам датчика 6, блока ИС 9 и датчика Т 1, при этом пятый, шестой, седьмой и восьмой входы устройства соединены соответственно с выходами устройства хроматографического 10, ионселективного 11, спектрального 12 и радиометрического 13 анализа. Входы двух последних устройств объединены и подключены к выходу третьей схемы И 20, а входы устройств ионселективного 11 и хроматографического 10 анализа подключены соответственно к выходам четвертой 21 и пятой 22 схем И. При этом вторые входы третьей 20, четвертой 21 и пятой 22 схем И объединены и подключены к выходу устройства 9, причем его первый вход подключен к выходу первой схемы ИЛИ 16 и входу третьей схемы И 20, второй вход подключен к выходу второй схемы ИЛИ 17 и входу четвертой схемы И 21, а третий вход - к выходу второй схемы НЕ 24 и входу пятой схемы И 22. Вторые выходы блока ИС 7 и датчика Т 1 соединены соответственно с третьим и вторым входами первой схемы ИЛИ 16, первый вход которой объединен с первым входом второй схемы ИЛИ 17 и подключен к выходу датчика ЭП 3. Выход датчика 4 подключен одновременно к вторым входам второй схемы ИЛИ 17 и первой схемы И 18. Выход датчика 5 подключен одновременно к первым входам первой 18 и второй 19 схем И и первой схемы НЕ 23. Выход второй схемы И 19, второй вход которой связан с вторым выходом датчика 6, соединен с вторым входом второй схемы НЕ 24, первый вход которой подключен к выходу первой схемы И 18.

Система может быть размещена на исследовательском судне и работает следующим образом.

Забортная вода по водозаборному шлангу (шлангам) 8 буксируемой водозаборной линии непрерывно подается параллельно на устройства хемилюминесцентного 9, хроматографического 10, ионселективного 11, спектрального 12 и радиометрического 13 анализа. Одновременно информация с датчиков 1 и 3 и блока 7 поступает на второй, первый и третий входы первой схемы ИЛИ 16, причем сигнал с выхода схемы поступает одновременно на первый вход третьей схемы И 20 и первый вход устройства хемилюминесцентного анализа 9, сигнал с выхода которого, подтверждающий наличие загрязнения исследуемой воды, поступает на второй вход третьей схемы И 20. Сигнал наличия загрязнения с этой схемы свидетельствует о наличии загрязнения из группы "тяжелых металлов" и поступает на входы установок радиометрического 13 и спектрального 12 анализа, включая их. Информация о детальном составе загрязнений с выходов упомянутых установок поступает на устройство 14. Информация с датчиков 3 и 4 поступает на первый и второй входы второй схемы ИЛИ 17, сигналы с выхода которой одновременно поступают на первый вход четвертой схемы И 21 и второй вход устройства 9, сигнал с выхода которого, подтверждающий наличие загрязнения, поступает на второй вход четвертой схемы И 21. Сигнал с этой схемы свидетельствует о наличии загрязнения из группы "соли, кислоты, щелочи" и поступает на вход устройства 11. Информация о детальном составе загрязнения с выхода установки поступает на устройство 14. Сигналы с датчиков 4 и 6 поступают на вторые входы первой 18 и второй 19 схем И, на первые входы которых, а также на первый вход первой схемы НЕ 23 поступают сигналы с датчика 5 (реагирующего на величины рН, O₂ и органику в исследуемой воде). Сигналы с выхода первой схемы И 18 поступают на второй вход первой схемы НЕ 23, сигнал с выхода которой поступает на первый вход второй схемы НЕ 24, на второй вход которой поступают сигналы с выхода второй схемы И 19. Сигнал с выхода второй схемы НЕ 23 поступает одновременно на первый вход пятой схемы И 22 и третий вход устройства 9, сигнал с выхода которого, подтверждающий наличие загрязнения, поступает на второй вход пятой схемы И 22. Сигнал с выхода этой схемы свидетельствует о наличии загрязнения из группы "органика" и поступает на вход устройства хроматографического анализа 10, включая его. Информация о детальном составе загрязнения передается с выхода указанного устройства на устройство 14. Параллельно описанной работе непосредственно на устройство 14 поступают данные с ионселективных датчиков 7, датчиков 1 и 6 как наиболее важных экологических параметров водной среды. Помимо этого информация с датчика 2 анализируется в блоке 15 и информация о радиоактивном составе аномалии при превышении интенсивности излучения определенного уровня передается на устройство 14.

Преимущества предлагаемой системы по сравнению с прототипом заключаются в повышении достоверности контроля загрязнений, достигаемой за счет расширения функциональных возможностей в виде классификации загрязнений по их основным экологическим группам. При этом в предлагаемой системе обработки информации и предварительный анализ осуществляются в реальном масштабе времени с помощью датчиков ГФП, размещенных на буксируемой линии, с одновременной подачей анализируемой воды к бортовой части системы с одного или нескольких горизонтов линии, а решение об отнесении зарегистрированной аномалии к той или иной группе загрязнений осуществляется специальной группировкой и обработкой сигналов с датчиков ГФП. Классификация загрязнений обеспечивается группировкой сигналов с датчиков с учетом их чувствительности к различным видам ГФП, связанных определенными зависимостями с группами загрязнений. Например, объединяются сигналы с датчиков ЭП и рН, на которые влияют изменения солевого, кислотного, щелочного состава воды.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ВОДНОЙ СРЕДЫ, содержащее первый и второй датчики состояния, подключенные первыми выходами соответственно к первому и второму входам блока документирования, и водозаборный шланг, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности результата экологического контроля загрязнений водной среды, в него введены хемилюминесцентный, хроматографический, ионоселективный, спектральный и радиометрический анализаторы, соединенные с водозаборным шлангом, третий - седьмой датчики состояния, спектрометр ионизирующих излучений, первый элемент ИЛИ, подсоединенный первым и вторым входами к вторым выходам первого и второго датчиков состояния, пять элементов И и три элемента НЕ, причем спектрометр ионизирующих излучений включен между выходом третьего датчика состояния и третьим входом блока документирования, подсоединенного четвертым входом к первому выходу четвертого датчика состояния, второй выход которого подключен к первому входу первого элемента И, соединенного выходом с первым входом первого элемента НЕ, который подключен выходом к первым входам второго элемента И и хемилюминесцентного анализатора и подсоединен вторым входом к выходу второго элемента НЕ, соединенного первым входом с выходом третьего элемента И, а вторым входом - с выходом пятого датчика состояния, подключенному к второму входу первого элемента И и к первому входу третьего элемента И, второй вход которого соединен с выходом шестого датчика состояния, подключенным к первому входу второго элемента ИЛИ, соединенного выходом с первым входом четвертого элемента И и с вторым входом хемилюминесцентного анализатора и подсоединенного вторым входом к выходу седьмого датчика состояния, подключенному к третьему входу первого элемента ИЛИ, вход которого соединен с третьим входом хемилюминесцентного анализатора и с первым входом пятого элемента И, подключенного выходом к входам спектрального и радиометрического анализаторов и подсоединенного вторым входом к выходу хемилюминесцентного анализатора, соединенному с вторыми входами второго элемента И и четвертого элемента И, подключенного выходом к входу ионоселективного анализатора, а выход второго элемента И соединен с входом хроматографического анализатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1