Стратификационный батометр высокого разрешения с гидравлическим управлением

Изобретение относится к области гидрологии, гидробиологии, океанологии, гидрохимии, экологии водоемов, водной микробиологии, связанным с необходимостью взятия проб воды с определенных глубин. Устройство для одновременного отбора проб воды, различающихся на малый интервал по глубине, содержит набор горизонтально расположенных на несущей раме цилиндров с поршнями. Хвостовые части всех цилиндров герметично соединены с множителем, соединенным шлангом с насосом. Передние концы всех цилиндров снабжены носиками с входными отверстиями для отбора проб воды. Движение поршней в цилиндрах осуществляется посредством гидравлической тяги. Пространство внутри шланга, множителя и хвостовых частей всех цилиндров до поршней заполнено чистой водой для устранения коррозии. Изобретение повышает надежность и эффективность работы устройства, позволяет отбирать пробы с больших глубин и предотвращает зарастание внутреннего пространства устройства микроводорослями и бактериями, а также предотвращает коррозию металлических частей. 2 ил.

 

Изобретение относится к области гидрологии, гидробиологии, океанологии, гидрохимии, экологии водоемов, водной микробиологии и другим областям, связанным с необходимостью взятия проб воды с определенных глубин. Устройство предназначено для отбора проб воды в стратифицированных водоемах, где в водной толще возникают слои, между которыми химические и микробиологические показатели существенно различаются на расстоянии нескольких сантиметров по глубине.

Существуют конструкции для отбора проб воды, основным элементом которых является ряд горизонтально расположенных цилиндров с расположенными внутри них поршнями, укрепленных один над другим на несущей раме. Управление ходом поршней цилиндров осуществляется либо при помощи механической тяги, осуществляемой пружинами (1), либо пневматически с помощью воздуха, откачиваемого насосом через шланг, ведущий к хвостовым частям цилиндров (2).

Устройство (1) является аналогом заявляемого нами устройства и представляет собой батометр, включающий пробозаборники, выполненные в виде полых пробозаборных цилиндров, укрепленных на штанге, причем каждый пробозаборный цилиндр снабжен подпружиненным штоком с поршнем и установлен с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости, а каждый механизм герметизации выполнен в виде жестко закрепленной на наружной поверхности цилиндра рейки с пазом, ползуна, установленного в пазу с возможностью свободного перемещения, и подпружиненного рычага с крышкой, шарнирно установленного в ползуне, при этом рычаг выполнен с выступом, который может взаимодействовать с торцовой поверхностью рейки (1).

Однако данная конструкция содержит очень большое количество деталей, что увеличивает вероятность сбоев из-за износа пружин, неаккуратного фиксирования, несрабатывания крышек и т.п. Практика работы со спусковыми механизмами показывает, что они срабатывают не всегда и работа с ними требует специального опыта, который приобретается в процессе многократных неудачных попыток отбора проб.

Недостатком данной конструкции является и то, что в момент взятия пробы воды происходит возмущение отбираемой жидкости за счет быстрого перемещения цилиндров по штокам. Это нарушает достоверность проб.

Еще один недостаток данного устройства заключается в том, что цилиндры невозможно расположить вплотную друг к другу из-за наличия на их внешней поверхности деталей механизма герметизации. Поэтому расстояние между пробозаборниками ограничивает разрешающую способность батометра в тех случаях, когда требуется одновременный отбор проб через небольшой интервал (несколько сантиметров) по глубине.

Наиболее близким аналогом заявляемого нами устройства является устройство (2). В нем основным элементом является тоже ряд горизонтально расположенных цилиндров с расположенными внутри них поршнями (“шприцов”), укрепленных один над другим на несущей раме. Хвостовые части всех цилиндров герметично соединены с множителем, соединенным шлангом с насосом, а передние концы всех цилиндров снабжены носиками с входными отверстиями для отбора проб воды. Управление ходом поршней осуществляется при помощи воздуха, откачиваемого насосом через шланг, ведущий к хвостовым частям цилиндров (2).

По нашему мнению, недостатком описанной конструкции с пневматическим управлением является то, что она не будет надежно работать на больших глубинах (более 10 метров) из-за свойства сжимаемости воздуха. Применение несжимаемого, жесткого шланга нежелательно из-за неудобства его расположения на лодке. Кроме того, под давлением воды во время погружения возможно самопроизвольное втягивание поршней цилиндров, и вода в цилиндр начнет поступать раньше, чем пробоотборник будет опущен на заданную глубину. Это будет происходить даже в том случае, когда верхний конец шланга перекрыт (например, клапаном насоса), поскольку воздух в шланге будет сжиматься под давлением поршня. Таким образом, описанная конструкция хорошо работает лишь на небольших глубинах, например при исследованиях поверхностных слоев водной толщи, тогда как для работы в более глубоких слоях водоемов она непригодна.

Техническим результатом заявленного нами устройства является усовершенствование “шприцевой” схемы и снятие недостатков, которые препятствуют взятию проб воды с различных глубин водоемов с интервалом в несколько сантиметров по глубине для последующего анализа тонкослойных неоднородностей химических и микробиологических характеристик в исследуемом водоеме. Технический результат достигается за счет того, что используется устройство, содержащее набор горизонтально расположенных на несущей раме цилиндров с поршнями, движение которых осуществляется посредством гидравлической тяги, объединяющей хвостовые части всех цилиндров; хвостовые части всех цилиндров, герметично соединенных с множителем, соединены шлангом с насосом, передние концы всех цилиндров снабжены носиками с входными отверстиями для отбора проб воды, причем пространство внутри шланга, множителя и хвостовых частей всех цилиндров заполнено чистой водой или спиртовым раствором.

При исследовании водоемов часто требуется исследовать химический состав воды и состав микроорганизмов, населяющих данный водоем. Эти показатели бывают неодинаковы по глубине, и поэтому возникает необходимость брать пробы воды для анализа с различных глубин. Для отбора проб воды с заданной глубины, как правило, используют устройство, называемое батометром. В большинстве водоемов точность отбора проб обыкновенным батометром составляет около 1 метра по глубине и вполне достаточна. Но существуют так называемые стратифицированные озера, в которых в определенное время года (или круглый год), начиная с некоторой глубины, отсутствует вертикальное перемешивание слоев воды, и в водной толще возникают слои, между которыми химические и микробиологические показатели очень сильно отличаются уже на расстоянии нескольких сантиметров по глубине. Для отбора проб из таких стратифицированных озер и разработано наше устройство.

В основе предлагаемого изобретения лежит описанная выше система из ряда цилиндров, укрепленных на несущей раме (фиг.1). Сущность изобретения заключается в том, что для управления ходом поршней используется гидравлическая тяга. Шланг и хвостовые части цилиндров объединены через множитель в единое пространство, заполненное рабочей жидкостью, которая и является основным рабочим телом, двигающим поршни в обоих направлениях. В качестве рабочей жидкости может быть использована чистая водопроводная или дистиллированная вода во избежание коррозии металлических деталей и повышенного износа резиновых прокладок и поршней. Кроме того, в качестве рабочей жидкости можно использовать 40-50%-ный водный раствор этилового спирта, поскольку это позволяет эксплуатировать и хранить устройство в зимнее время при отрицательных температурах и предотвратить зарастание внутреннего пространства цилиндров, множителя и шланга микроводорослями и бактериями. Для откачки рабочей жидкости по шлангу может быть использован любой подходящий насос. Мы с успехом применяли в качестве ручного насоса большой пластиковый медицинский шприц объемом 150 мл (шприц Жанэ).

Описание устройства

Для решения поставленных задач нами было смонтировано следующее устройство, схема которого приведена на фиг.1. Устройство состоит из несущей рамы 1, на которой укреплены горизонтально расположенные один над другим цилиндры 2. Количество цилиндров может быть произвольным по выбору исследователя. Поршни цилиндров 6 имеют укороченные хвостовики 9, служащие только для предотвращения перекоса поршня при движении. Задние концы цилиндров герметично соединены с множителем 3, который в свою очередь герметично соединен со шлангом 4. Пространство внутри шланга, множителя и задних частей всех цилиндров до поршней заполнено рабочей жидкостью 7 и представляет собой единую емкость. Передние концы цилиндров снабжены носиками с входными отверстиями 10, через которые внутрь цилиндров попадают из водоема пробы воды 8.

Перед отбором проб через шланг 4 насосом, присоединенным к свободному концу шланга (не показан), в устройство вкачивают рабочую жидкость 7. При этом поршни за счет гидравлического давления движутся вперед, по направлению к входным отверстиям 10. Когда все поршни доходят до упора, устройство готово к отбору проб воды из водоема.

При помощи троса 5 устройство опускают с судна на нужную глубину. Шланг 4 при этом тянется вдоль троса, его верхний конец присоединен к насосу и находится на судне.

После того как устройство выведено на точку отбора проб, с помощью того же (или другого) насоса рабочую жидкость 7 откачивают по шлангу 4 в отдельную емкость. За счет гидравлического давления поршни начинают двигаться в обратном направлении, при этом через отверстия 10 в емкости цилиндров поступает вода из водоема. После того как все поршни втянутся до упора, отбор проб завершен, устройство поднимают на борт.

После отбора проб проводят необходимую операцию - извлекают отобранные образцы воды из цилиндров. Эту операцию осуществляют в нашей конструкции за счет закачивания рабочей жидкости 7 обратно в гидравлическую систему при помощи того же (или другого) насоса. Следует заметить, что необходимым условием нормальной работы с подобной конструкцией является возможность извлечения пробы из того или иного цилиндра по выбору исследователя, причем так, что другие цилиндры остаются заполненными отобранными образцами. В нашей конструкции это осуществляют следующим образом. После извлечения устройства из воды входные отверстия 10 всех цилиндров закрывают резиновыми пробками (не показаны), тем самым предотвращая газообмен отобранных образцов воды с атмосферой. Для отбора пробы воды из нужного цилиндра открывают пробку на этом цилиндре и вкачивают рабочую жидкость насосом по шлангу, при этом будет двигаться поршень только на нужном цилиндре, а из отверстия будет выливаться проба. Поскольку остальные цилиндры при этом закрыты, их поршни остаются неподвижными. Для извлечения пробы из следующего цилиндра открывают соответствующую пробку. После извлечения всех образцов поршни окажутся в стартовом положении, а гидравлическая система будет заполнена водой до максимального объема, т.е. устройство готово к следующему отбору проб.

Многочисленные испытания показали, что вопреки ожиданиям, усилие для втягивания нескольких поршней (в нашем образце испытывался ряд из 20-ти шприцов, фиг.2) самопроизвольно распределялось таким образом, что одновременно двигалось не более двух поршней, а чаще всего только один. Когда поршень полностью проходил рабочее расстояние, т.е. взята проба с одного горизонта, начинал двигаться следующий и т.д., причем очередность работы цилиндров всегда непредсказуема и определяется существующими небольшими различиями в силе трения, диаметрах гидравлической системы и пр. Очевидно, что это не влияет на качество отбора проб.

Положительным моментом здесь является то, что для втягивания всех цилиндров требуется усилие такое же, как для втягивания одного цилиндра, увеличивается лишь время отбора проб.

Наш вариант конструкции состоял из 20-ти цилиндров объемом по 150 мл каждый (фиг.2), в качестве ручного насоса использовали такой же цилиндр. При этом на отбор проб в полевых условиях требовалось около 10-ти минут.

Изготовленный нами образец с успехом использовался в течение летнего полевого сезона 2002 года при исследованиях озера Шира (Хакасия) (фиг.2), где отбирались пробы с глубин 14-17 м. При этом расстояние между носиками цилиндров, а следовательно, и интервал глубины между пробами составляли 5 см. За все время работы устройства не было зарегистрировано ни одного сбоя.

Данная конструкция обладает несомненными преимуществами по сравнению с существующими образцами. Во-первых, она позволяет отбирать пробы практически с любой глубины, поскольку вода, как любая жидкость, несжимаема. За счет этого вода в шланге не сжимается при откачивании, следовательно, нет необходимости применять жесткий шланг. В погруженном состоянии давление столба воды в шланге всегда равно окружающему давлению воды на соответствующей глубине, поэтому нет опасности самопроизвольного втягивания поршней за счет внешнего давления, как это может происходить в пневматической системе.

Еще одно преимущество гидравлической системы обусловлено тем, что объем воды, откачиваемый из шланга, в точности соответствует объему взятых проб. Эта особенность помогает исследователю на борту судна по количеству откачанной рабочей жидкости определить, все ли цилиндры наполнились образцами воды до максимально возможного объема.

Данная конструкция содержит незначительное количество деталей, что повышает надежность устройства. Использование чистой воды предотвращает коррозию металлических деталей и снижает износ резиновых прокладок и поршней. Кроме того, при использовании в качестве рабочей жидкости 40-50%-ного водного раствора этилового спирта возможно эксплуатировать и хранить устройство в зимнее время при отрицательных температурах. Еще одно преимущество использования спиртового раствора - предотвращается зарастание внутреннего пространства цилиндров, множителя и шланга микроводорослями и бактериями.

Для обозначения подобного устройства в русском языке отсутствует соответствующий термин. Поэтому мы предлагаем название “стратификационный батометр”, поскольку батометром в отечественной гидробиологии называется устройство для отбора проб воды с требуемой глубины, а слово “стратификационный” отражает его основное предназначение. В английском языке уже устоялся термин “thin layer water sampler”.

Литература

1. SU 981854 А, кл. G 01 N 1/10, опублик. 15.12.1982, 4с.

2. Alan L. Baker, Kathleen Kromer Baker and Peter Tyler. (1985) A family of pneumatically-operated thin layer samplers for replicate sampling of heterogeneous water columns. Hydrobiologia, 122: 207-211.

Устройство для одновременного отбора проб воды, различающихся на малый интервал по глубине, содержащее набор горизонтально расположенных на несущей раме цилиндров с поршнями, хвостовые части всех цилиндров герметично соединены с множителем, соединенным шлангом с насосом, а передние концы всех цилиндров снабжены носиками с входными отверстиями для отбора проб воды, отличающееся тем, что движение поршней в цилиндрах осуществляется посредством гидравлической тяги, причем пространство внутри шланга, множителя и хвостовых частей всех цилиндров до поршней в них заполнено чистой водой для устранения коррозии.