ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 2, с. 135-143
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 621.383
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ВОДЫ С ПОГРУЖАЕМЫМ МОДУЛЕМ © 2012 г. Е. Л. Гамаюнов, С. С. Вознесенский, А. А. Коротенко, А. Ю. Попик
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН Россия, 690041, Владивосток, ул. Радио, 5 Поступила в редакцию 14.07.2011 г.
Система мониторинга воды с погружаемым модулем предназначена для выполнения непрерывных измерений концентрации хлорофилла "А" и растворенных органических веществ на различных глубинах методом лазерно-индуцированной флуоресценции. Особенностью системы является использование в погружаемом модуле оптоволоконного датчика флуоресценции, который позволяет выполнять измерения в широком диапазоне длин волн. В статье приведены описание основных узлов системы и алгоритм ее функционирования. Изложена методика обработки сигнала флуоресценции. Результаты измерений, выполненные с использованием системы мониторинга, сравниваются с результатами, полученными с помощью узкополосных флуорометрических датчиков ^ТЬаЪ8 (США).
ВВЕДЕНИЕ
Жизнь на Земле в значительной степени зависит от состояния мирового океана. Благополучие больших и малых водоемов определяется в первую очередь "здоровьем" присутствующих в воде разнообразных одноклеточных фотосинте-зирующих микроводорослей, получивших общее название фитопланктон, который является основным источником кислорода и первичным звеном в пищевой цепочке океана. Состояние фитопланктона зависит от изменений таких параметров среды обитания, как температура, освещенность, состав и концентрация растворенных в воде неорганических и органических веществ. Техногенные катастрофы и природные катаклизмы серьезно сказываются на состоянии клеток фитопланктона и протекающих в них физиологических процессах. В результате это приводит к изменению местоположения и эффективности воспроизводства морских биоресурсов, являющихся объектами промысла человека.
Оперативно определять наличие и концентрацию фитопланктона в воде позволяют методы спутникового зондирования поверхности океана, основанные на измерениях оптических спектров отраженного солнечного света от воды. Погрешность таких измерений мала для чистых океанических вод и становится недопустимо большой для прибрежных вод, в которых присутствуют выносы ила и растворенных органических веществ (р.о.в.) с водами рек. Особенно актуальной является проблема измерения концентрации фитопланктона на разных глубинах и в широком диапазоне концентраций органических и неорганических веществ разного состава естественного и техногенного происхождения.
Средства измерения концентрации фитопланктона, как правило, основаны на использовании явления флуоресценции, поскольку молекулы хлорофилла, входящие в состав живой клетки микроводорослей, флуоресцируют на характерной длине волны света в диапазоне 680—690 нм. Имеющиеся на рынке приборы для измерения концентрации хлорофилла "А" позволяют выполнять измерения в широком диапазоне глубин (от единиц до нескольких тысяч метров). Считается, что концентрация фитопланктона пропорциональна концентрации хлорофилла "А". При этом не учитывается видовой состав и биологическое состояние клеток микроводорослей, флуоресценция р.о.в. и присутствие в воде взвешенных частиц, которые рассеивают и поглощают световую энергию. В результате измерение концентрации хлорофилла указанными приборами выполняется с большой погрешностью.
Проведенные ранее исследования [1] показали, что существенно уменьшить погрешность измерения концентрации хлорофилла можно, оценив вклад флуоресценции р.о.в. в диапазоне 680— 690 нм. Для этого необходимо исследовать флуоресцентный отклик среды в широком диапазоне длин волн, от 550 до 750 нм [2, 3]. Однако создание малогабаритных погружаемых измерителей на основе широкополосных спектрометров является сложной технической задачей. Необходимость защиты прецизионного оптического оборудования от повреждений, обеспечение его электроэнергией, средствами связи, а также спуска и подъема существенно увеличивают стоимость и повышают требования к надежности измерительных систем такого типа. В работах [4—7] было показано, что многие недостатки погружаемых широкополосных измерительных систем,
Рис. 1. Структурная схема системы мониторинга. 1 — персональный компьютер, 2 — спектрометр, 3 — лазер, 4 — электронный блок, 5 — контроллер электродвигателя лебедки, 6 — волоконно-оптический датчик флуоресценции, 7 — модуль управления насосом, 8 — прокачивающий насос, 9 — модуль сбора информации, 10 — датчик давления, 11 — датчик температуры, 12 — датчик герметичности погружаемого модуля.
основанных на принципе флуоресценции, могут быть устранены или уменьшены, если использовать новые оптоволоконные датчики, которые не требуют питания и дополнительных средств связи.
Опыт разработки и эксплуатации экспериментального образца оптоволоконного флуориметра с погружаемым модулем [4] показал перспективность использования систем с внешним оптоволоконным датчиком для выполнения оперативных флуорометрических исследований акваторий с маломерных судов.
Цель настоящих исследований — разработка системы мониторинга прибрежных морских акваторий, основанной на использовании оптоволоконного датчика, установленного в погружаемом модуле. Система предназначена для проведения как непрерывных, так и периодических измерений концентрации хлорофилла "А" и р.о.в. методом индуцированной флуоресценции на разных глубинах в режиме реального времени.
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ
Система мониторинга, структурная схема которой изображена на рис. 1, разделена на две части: бортовую и погружаемую. Бортовая часть состоит из бортового модуля и лебедки, соединенных бортовым кабелем. Бортовой модуль размещается в каюте исследовательского судна. Лебедка уста-
навливается вплотную к борту судна. Бортовой кабель обеспечивает передачу оптических сигналов, подачу питания на лебедку и связь по интерфейсу RS-485. Погружаемая часть включает в себя погружаемый модуль и кабель-трос. Внутри бортового кабеля и кабель-троса находятся оптические волокна и электрические провода. Кварцевые оптические волокна обеспечивают передачу импульсного лазерного излучения в погружаемый модуль в область возбуждения флуоресценции и флуоресцентного свечения, зарегистрированного датчиком флуоресценции, в расположенный на борту спектрометр. Погружаемая часть выполнена в виде прочного цилиндрического корпуса с размещенными внутри датчиками и устройством для сбора и передачи данных в бортовой модуль. Информационная связь между частями системы осуществляется по интерфейсу RS-485, позволяющему организовать шинную структуру измерительной системы.
Бортовой модуль содержит источник излучения, приемник излучения и электронный блок. В качестве источника излучения используется YAG:Nd-лазер Ultra CFR компании Big Sky Laser Technologies (США). Лазер излучает свет на длине волны 532 нм, частота импульсов 20 Гц, длительность импульса 6 нс. Энергия лазерного импульса составляет 2 мДж. Лазер подключен к компьютеру через интерфейс RS-232.
Приемником оптического излучения служит широкополосный спектрометр [5], в состав которого входят усилитель яркости марки ЭПМ-47Г (коэффициент усиления 2 • 104) и п.з.с.-камера PixelFly немецкой фирмы PCO AG GmbH с разрешением п.з.с.-матрицы 640 х 480 пикселов. Сбор данных осуществляется в режиме накопления, продолжительность которого регулируется от 1 до 10 с. Для устранения засветки усилителя яркости и п.з.с.-матрицы лазерным излучением, проникающим через приемный канал датчика флуоресценции, на входе спектрометра установлен светофильтр с полосой пропускания 540—2700 нм. Эффективный спектральный диапазон измерений спектрометра составляет 540—770 нм, спектральное разрешение — 5 нм. Спектрометр подключен к персональному компьютеру с помощью специальной интерфейсной PCI-платы.
Электронный блок бортового модуля содержит преобразователь интерфейса RS-485 для организации многоканальной связи с погружаемым модулем и лебедкой, а также блоки питания с напряжением: 24 В — для питания двигателя лебедки и 12 В — для остальных электронных модулей.
Лебедка предназначена для спуска погружаемого модуля на заданную глубину и содержит барабан, на который намотан кабель-трос, слип, электропривод и контроллер управления. Правильность намотки кабель-троса на барабан обеспечивается тросоукладчиком, а сход кабеля с бара-
подвижный соединитель о.в., 4 — пружина.
бана (с достаточным выносом за борт) — с помощью специальной изогнутой пластины — слипа. Слип обеспечивает допустимый радиус изгиба кабель-троса при спуске и подъеме погружаемого модуля. Сигналы интерфейса Я8-485 и электрическое питание с бортового модуля передаются на вращающийся вместе с барабаном кабель-трос через скользящие контакты токосъемника. Передача оптических сигналов осуществляется через вращающиеся оптоволоконные сочленения, установленные в торцах осей с двух сторон барабана лебедки. Эскиз конструкции вращающегося оптоволоконного сочленения приведен на рис. 2.
Барабан лебедки приводится в движение коллекторным электродвигателем, управление которым осуществляется компьютером по интерфейсу Я8-485 через контроллер электродвигателя. При необходимости лебедка может быть переведена в режим ручного управления.
Барабан лебедки имеет люк со съемной крышкой, через который выполняется монтаж кабель-троса и размещение оптических волокон. Габариты лебедки с установленным погружаемым модулем составляют 1.6 х 1.2 х 1.3 м. Внутри барабана оптическое волокно (о.в.) сформировано в виде конусной спирали. Шаг спирали был определен при проектировании барабана лебедки и принят равным допустимому радиусу изгиба применяемых волокон (Я > 300 мм).
Радиус изгиба о.в. выбирали, исходя из результатов анализа потерь флуоресцентного излучения в зависимости от радиуса изгиба и длины волокна. Для оценки этих потерь необходимо рассмотреть процесс распространения флуоресцентного излучения по о.в., намотанному на барабан лебедки. При анализе потерь в изогнутом о.в. был использован асимптотический подход, кратко изложен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.