CC BY
0УДК 62-529
ОТБОРНИК ПРОБ ВОДЫ
DOI: 10.24412/CL-35807-2024-1-28-31
Шпилевой А. Д., инженер Нейрометрики, студент ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», e-mail: graduentsky@gmail.com Карманов С. А., глава отдела электроники УМНЦ Гидронавтика МГТУ им. Баумана, e-mail: semekarm@gmail.com Куликов И. В., главный конструктор УМНЦ Гидронавтика МГТУ им. Баумана, e-mail: i89213662231@gmail.com Червяков К. И., инженер ЛОТОС-ТМ, e-mail: kir.chvkir@mail.ru
WATER SAMPLER Shpilevoj A. D., engineer Neurometric, student
Moscow Aviation Institute (National Research University), e-mail: graduentsky@gmail.com Karmanov S. A., chief electronics engineer Hydronautics Bauman Moscow State Technical University, e-mail: semekarm@gmail.com Kulikov I. V., chief mechanical engineer Hydronautics Bauman Moscow State Technical University, e-mail: i89213662231@gmail.com Chervyakov K. I., engineer LOTOS-TM, e-mail: kir.chvkir@mail.ru
Аннотация. В работе рассматриваются беспилотные отборники проб воды, упрощающие мониторинг состояния водоемов. Предлагаемые устройства должны сократить затраты человеко-часов на отбор проб и замеры — заменить традиционный метод исследований с лодкой, веревками и батометрами. Также предлагаемые решения повысят точность отбора проб и замеров за счет исключения человеческого фактора. Устройства проектировались с учетом требований ГОСТ и рекомендаций профильных НИИ.
В статье приводится описание конструкции отборников, их основные характеристики и алгоритмы работы.
Annotation. The work discusses unmanned water samplers that simplify monitoring of water reservoirs. The proposed devices should reduce the cost of man-hours for sampling and measurements and replace the traditional method of research with a boat, ropes and bottles. Also, the proposed solutions will increase the accuracy of sampling and measurements by eliminating the human factor. The devices were designed taking into account the requirements of GOST and the recommendations of specialized research institutes.
The article describes the design of samplers, their main characteristics and operating algorithms.
Ключевые слова: отборник проб, пробы воды, рыбоводство, пробоотборник, исследование водоемов, мониторинг состояния воды.
Keywords: sampler, water samples, fish farming, sampler, exploration of reservoirs, monitoring of water
Введение
Для того чтобы отобрать пробы и/или провести замеры в водоеме глубиной более 2,5 м и площадью более 20,000 м2 необходима лодка, батометры, веревка, несколько человек. Количество точек отбора зависит от морфологии, флоры водоема. Отбор и замеры обплыть водоем, забрать пробы с разных глубин, выяснить, есть ли термоклин (слой скачка температуры в водоеме, определить его глубину). Это нужно, потому что со скачком температуры резко меняются и химические показатели воды [1, с. 7].
На каждой точке отбора необходимо руками разматывать веревку, чтобы погрузить батометр на нужную глубину. Человек, забирающий пробы, может рухнуть в воду или ошибиться и выбрать пробу с другой глубины. В рыбхозах с за-морными водоемами замеры на растворенный кислород нужно проводить раз в 1—3 дня в 3—4 часа утра, что требует платить сотруднику-отборщику повышенную ставку. Экологические л аборатории, Росприроднадзор и НИИ для выезда на достаточно большой водоем должны везти с собой моторную лодку.
В России около 800 частных и государственных экологических лабораторий, проводящих отбор воды и до 80 НИИ, занимающихся исследованиями водоемов. Для этих организаций приоритетнее забирать пробы для дальнейшего анализа в лабораториях. Также в РФ до 300 крупных озерных/прудовых рыбхозов [2, с. 24], в которых есть нужда регулярно проводить замеры, а не отбирать пробы.
Состав отборника проб и принцип его работы
Есть два варианта исполнения отборника проб. Первый — компактное (460 х 220 х 160) и погружающееся на глубину до 10 метров устройство. Устройство спроектировано для закрытых водоемов без обильной растительности. В прототипе используется АКБ, обеспечивавший час работы. Но у устройства большой запас плавучести, то есть возможно установить более емкие АКБ.
Устройство состоит из герметичного корпуса, в котором находятся: шаговый двигатель с редуктором, микроконтроллеры управления отбором и движением лодки, модуль телеметрии, плата питания и АКБ, емкость водоизмещающего агрегата.
Вне корпуса установлены: антенны GPS и телеметрии, пробоотборники, состоящие из емкостей, жгутов, блоков, ЭМ-клапанов, винтомоторные агрегаты.
Отборник передвигается в горизонтальной плоскости с помощью винтомоторов. Устройство тонет и всплывает по принципу, близкому к подводной лодке, для этого используется водоизме-щающий агрегат. Мы предпочли водоизмещаю-щий агрегат винтомоторам для погружения из-за того, что последние подмешивают воду с других слоев, а также могут быть выведены из строя подводной растительностью. Так же винтомото-ры имеют более значительное энергопотребление, чем использующийся шаговый двигатель.
За отбор проб отвечает полуавтоматическая пневмогидравлическая система. Работа пробоот-
борника основана на разнице давлений в отборнике и за его пределами. Пробоотборники полуавтоматические, перед началом работы на суше оператор должен взвести их — при открытом клапане довести поршень отборника до упора. После клапан закрывается, резиновый жгут оттягивает поршень от крайнего упорного положения, однако д авление за поршнем будет м еньше, чем во вне, а значит и сам поршень отойдет от крайнего положения на ± 13 мм. В нужной точке ЭМ клапан откроется, исчезнет разность давлений, резиновый жгут начнет перемещать поршень, вода заполнит емкость отборника. Такая конструкция минимизирует контакт отбираемой пробы с воздухом, что важно при отборе проб на растворенный кислород, биологическое потребление кислорода.
Емкость пробоотборника может исполняться из разных материалов для разных целей отбора. Уплотнительный материал поршня не может быть резиной, если проводится отбор на нефтепродукты. Запрещены смазки, поэтому разумно использовать устойчивые фторопласты для поршня.
Второй вариант устройства более габаритный в разобранном (500 х 300 х 200) и рабочем состоянии (1200 х 500 х 300) и представляет собой катамаран с погружным модулем на л ебедке, на котором установлены непосредственно отборники воды и датчики. В приведенной ниже модели изображены проточные отборники. Для повышения проходимости для передвижения по горизонтальной плоскости используются не погружные
Торцевое уплотнение
Цилиндр системы изменения плавучести
Концевой микропереключатель
Винтомоторный агрегат
Поршень пробоотборщика Емкость для пробы Крышка
Клапан
Неподвижный блок
Редуктор 5 к 1 Шаговый двигатель
Винтовая передача, скрытая кожухом
Трансивер (резервный канал управления)
Модуль телеметрии
Микроконтроллер и драйвер шагового двигателя Микроконтроллер системы управления движения лодки
Герметичная антенна GPS
Антенна телеметрии
Аккумулятор Плата питания
Неподвижный блок
4 Резиновый жгут Крепление резинового жгута
Рис. 1. Конструкция пробоотборника
\
Рис. 2. Концепция второй версии отборника
винтомоторы. Ясно, что такая конструкция более громоздкая, но более надежная, так как в отличие от первой не может утонуть.
Отборник может управляться в ручном или автономном режимах. В ручном режиме оператору необходимо задавать рысканье и тягу винтомоторной группы в каждый момент времени, в то время как в автономном режиме нужно всего лишь указать координаты для работы, по которым устройство поплывет автономно по GPS.
Прибыв на точку, отборник начинает погружение на заданную глубину для отбора заданного
количества проб или по более универсальному алгоритму — до д на, попутно снимая температурные показания для поиска термоклина, далее, в зависимости от глубины в точке и глубины термоклина забирает придонную пробу, пробу в термоклине — если он есть, и в приповерхностном (не менее 30 см глубины) слое.
Применяемое программное обеспечение
За передвижение устройства отвечает комплекс программ с открытым исходным кодом — АгёирПо1 для ЛУЯ-контроллера на борту устрой-
ства и MissionPlaner для смартфонов/компьютеров/ноутбуков. Ardupilot работает с GPS сигналом для ориентирования и управляет винтомото-рами с учетом воздействия внешней среды. Для отбора проб используется разрабатываемая авторами программа, интегрируемая в Ardupilot с помощью протокола MAVLink. Она отвечает за погружение/всплытие, определение температуры, глубины, показателей воды.
Перспективы развития
Буйки для мониторинга состояния водной среды — известное в уровне техники решение для рыбоводств. Проведенные нами интервью с рыбо-водствами показывают, что рыбхозам интересны
даа-три показателя — растворенный кислород, температура, рН. Это жизненно важные показатели, но для более продуктивного рыбоводства необходимо больше показателей [3, с. 332]. Интерпретировать показания — сложнейшая многопараметрическая задача, индивидуальная для каждого водоема.
Проведенные нами интервью с рыбхозами также показали, что не в каждом рыбхозе есть специалист-ихтиолог. Предлагается использовать математические модели для обработки данных, которые бы давали рекомендации рыбоводам и предупреждали о заморах рыбы. Программно-аппаратный комплекс из отборника проб, буя для мониторинга и рекомендательной модели мог бы повысить выход рыбы.
Список литературы
1. Р 52.24.353—2012 Рекомендации. Отбор проб поверхностных вод суши и очищенных сточных вод. — Введ. 2012-04-02. Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет). — Ростов-на-Дону, 2012. — 39 с.
2. Обзор рынка аквакультуры государств — членов Евразийского экономического союза. 2019. [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.eurasiancommission.org/ru/act/prom_i_agroprom/dep_agroprom/agroprom/ Documents/ (дата обращения: 14.12.2023).
3. Мухачев И. С. Озерное товарное рыбоводство: Учебник. — СПб.: Издательство «Лань», 2013. — 400 с.: ил. — (Учебники для вузов. Специальная литература).
