Оптоволоконный флуориметр с погружаемой термокамерой



G01N2021/6417 - Исследование или анализ материалов путем определения их химических или физических свойств (разделение материалов вообще B01D,B01J,B03,B07; аппараты, полностью охватываемые каким-либо подклассом, см. в соответствующем подклассе, например B01L; измерение или испытание с помощью ферментов или микроорганизмов C12M,C12Q; исследование грунта основания на стройплощадке E02D 1/00;мониторинговые или диагностические устройства для оборудования для обработки выхлопных газов F01N 11/00; определение изменений влажности при компенсационных измерениях других переменных величин или для коррекции показаний приборов при изменении влажности, см. G01D или соответствующий подкласс, относящийся к измеряемой величине; испытание

Владельцы патента RU 2739968:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) (RU)

Изобретение относится к системам для in situ исследований и может быть использовано для экологического контроля и диагностики состояния акваторий по измерениям видовой концентрации и состояния фотосинтезирующих микроводорослей типа фитопланктона. Задача изобретения заключается в создании оптоволоконного флуориметра с погружаемым измерительным модулем для экспресс-исследования экологического состояния акваторий, позволяющего определять видовой состав и концентрацию фотосинтезирующих микроводорослей (фитопланктона), а также выполнять в реальном времени как непрерывные, так и эпизодические исследования фитопланктона морских и пресноводных водоемов в широком диапазоне глубин. Поставленная задача достигается тем, что погружаемый измерительный модуль дополнительно снабжен термокамерой, внутри которой расположены оптоволоконный датчик флуоресценции и датчик температуры. Изменение температуры в термокамере осуществляется с помощью управляемых нагревательных и охлаждающих элементов. Технический результат - возможность измерения параметров и флуоресценции воды как при естественной температуре в точке измерения, так и при температурах, задаваемых путем нагрева или охлаждения воды в термокамере, что делает возможным определение состава и концентрации отдельных видов микроводорослей. 1 ил.

 

Изобретение относится к системам для insitu исследований и может быть использовано в технологиях исследования окружающей среды, в частности, для экологического контроля и диагностики состояния акваторий, по результатам измерений состава и концентрации фотосинтезирующих микроводорослей фитопланктона.

Известен лазерно-флуоресцентный анализатор (патент РФ №2263897, кл. G01N 21/64, 2005 г. Бюл. №31), состоящий из источника излучения, оптического волокна для ввода излучения в среду и системы детектирования. Для регистрации сигнала включено второе волокно, при этом использован волоконно-оптический зонд, устанавливаемый в протоке исследуемой среды, причем волокна закреплены в одной плоскости так, что их оптические апертуры перекрываются. Анализатор предназначен для дистанционного мониторинга загрязнений водной среды.

Однако устройство не позволяет выполнять измерение концентрации и состава фотосинтезирующих микроводорослей, не дает данных о глубине погружения волоконно-оптического зонда, и температуре среды. Отсутствие устройства для погружения волоконно-оптического зонда затрудняет выполнение продолжительных измерений.

Известен судовой лазерный спектрометр (патент РФ №57009, кл. G01N 21/64, 2006 г. Бюл. №27), состоящий из надводной и погружаемой частей, соединенных друг с другом посредством двух световодов, обеспечивающих прием и передачу излучаемого и принимаемого оптических сигналов. Судовая часть включает источник излучения, в качестве которого установлен двухчастотный лазер, систему согласования излучаемого сигнала со световодом излучаемого сигнала, и систему регистрации и обработки данных. Система включает последовательно соединенные полихроматор, электронно-оптический преобразователь, цифровую видеокамеру и персональный компьютер. Погружаемая часть выполнена в виде кюветы, снабженной кабель-тросом, и состоит из системы формирования излучаемого сигнала, соединенной со световодом излучаемого сигнала, измерительной ячейки и системы согласования со световодом принимаемого сигнала.

Известное устройство позволяет измерять флуоресценцию воды и получать данные о концентрации хлорофилла в составе фотосинтезирующих водорослей, но не позволяет судить о видовом составе микроводорослей. Подсоединение судовой части непосредственно к волокнам, опущенным в воду, не позволяет применять автоматические устройства для спуска кюветы в воду, например, лебедку, что позволило бы снизить трудоемкость и время выполнение измерений.

Известен бортовой измерительный комплекс параметров воды с погружаемым модулем на оптоволоконной связи (патент РФ №75042, кл. G01N 21/01, 2008 г. Бюл. №20), содержащий излучатели и спектрометр с компьютером, выполненные в виде надводной части, а также погружаемый в воду с помощью оптоволоконного кабель-троса модуль, внутри которого размещены оптические датчики флуоресценции, прозрачности, солености, давления, температуры и др. Сигналы датчиков об измеренных ими величинах передаются по оптоволоконному кабелю в блок регистрации и излучения, расположенный внутри катушки с наматываемым на нее оптоволоконным кабелем. Передача данных на компьютер осуществляется через токосъемники.

Известное устройство измеряет спектр флуоресценции воды, но не предоставляет информацию о временных изменениях флуоресцентного излучения. Так же устройство имеет погружаемый модуль, смена воды в котором происходит под действием гидродинамического давления, возникающего при движении судна, поэтому выполнять измерение параметров воды на заданной глубине не возможно.

Известен способ идентификации микроводорослей (патент РФ №2619640, кл. G01N 21/00, 2017. Бюл. №14), который предусматривает измерение спектра флуоресцентного излучения пробы, помещаемой в термокамеру, температура в которой изменяется в диапазоне от 5 С до 80 С, что позволяет определять видовой состав микроводорослей в пробе воды путем сравнения температурной зависимости спектра флуоресценции пробы с температурными зависимостями спектров флуоресценции известных микроводорослей.

Для реализации указанного способа требуется создание специального устройства обеспечивающего нагрев и охлаждение пробы воды, облучение пробы светом и измерение интенсивности флуоресцентного излучения присутствующих в воде микроводорослей.

Известен бортовой измерительный комплекс параметров воды (патент РФ №96662, кл. G01N 21/01, 2010 г. Бюл. №22), состоящий из надводной и погружаемой частей, соединенных друг с другом посредством оптоволоконного кабель-троса, намотанного на барабан лебедки с электромеханическим приводом, и обеспечивающего передачу излучаемых и принимаемых оптических сигналов. Надводная часть включает блок генерации и приема излучения и персональный компьютер. Барабан лебедки содержит токосъемники, предназначенные для передачи электрических сигналов. Погружаемая часть выполнена в виде модуля, содержащего датчики параметров воды и имеющего элементы защиты от фоновой засветки. Кабель-трос помещен в защитную оболочку и содержит часть включает блок генерации и приема излучения и персональный компьютер. Барабан лебедки содержит токосъемники, предназначенные для передачи электрических сигналов. Погружаемая часть выполнена в виде модуля, содержащего датчики параметров воды и имеющего элементы защиты от фоновой засветки. Кабель-трос помещен в защитную оболочку и содержит электрические провода, при этом он разделен как минимум на две части: бортовую и погружаемую. На барабане лебедки дополнительно установлены оптические вращающиеся соединители по числу волокон кабель-троса, передающие излучение из погружаемой части кабель-троса в бортовую часть кабель-троса. Лебедка снабжена устройством для укладки погружаемой части кабель-троса. В надводной части между лебедкой и компьютером дополнительно размещен электронный блок, содержащий источники питания для привода лебедки и электронных датчиков погружаемого модуля, а также преобразователь интерфейсов для связи с погружаемым модулем, который снабжен устройством для прокачивания воды через датчики параметров воды.

Известное устройство не позволяет измерять флуоресценцию воды в требуемом диапазоне температур, необходимом для измерения температурных зависимостей интенсивности флуоресценции и выявления их особенностей, что требуется для определения видового состава микроводорослей.

В основу изобретения положена задача создания оптоволоконного флуориметра для экспресс-исследования экологического состояния акваторий, позволяющего определять видовой состав и концентрацию фотосинтезирующих микро-водорослей (фитопланктона), а также выполнять в реальном времени как непрерывные, так и эпизодические исследования фитопланктона морских и пресноводных водоемов в широком диапазоне глубин без извлечения проб воды на поверхность для последующего исследования.

Технический результат, достигаемый в заявляемом изобретении, заключается в возможности измерения параметров и флуоресценции воды в водоемах как при естественной температуре в точке измерения, так и при температурах, задаваемых путем нагрева или охлаждения воды в измеряемом объеме, что позволяет определить состав и концентрацию отдельных видов микроводорослей и не требует взятия и извлечения проб воды на поверхность для их последующего исследования.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Оптоволоконный флуориметр состоит из надводной и погружаемой частей, соединенных друг с другом кабель-тросом, намотанным на барабан лебедки с электромеханическим приводом. Кабель-трос обеспечивает передачу излучаемых и принимаемых оптических и электрических сигналов.

Надводная часть оптоволоконного флуориметра состоит из лебедки и бортового блока, в состав которого входят персональный компьютер, источник и приемник оптического излучения. Источником излучения может быть твердотельный лазер, лазерный диод или светодиод большой яркости. Приемник излучения выполнен с использованием светочувствительных приборов, например, фотоэлектронного умножителя, p-i-n диодов или приборов с зарядовой связью (ПЗС). Связь между бортовым блоком и лебедкой осуществляется с помощью бортового кабеля.

Погружаемая часть оптоволоконного флуориметра состоит из кабель-троса и погружаемого измерительного модуля, выполненного в виде двух частей:

Одна часть - герметичная, внутри которой установлен интерфейсный блок с подключенными к нему датчиками параметров среды.

Другая часть оптоволоконного флуориметра состоит из проточной термокамеры, обмен воды в которой осуществляется с помощью погружного насоса. Внутри проточной термокамеры расположены датчик температуры и оптоволоконный датчик флуоресценции, а также, дополнительно встроены элементы для нагрева и охлаждения воды. В качестве нагревательных и охлаждающих элементов, например, могут быть использованы элементы на эффекте Пельтье.

Связь между бортовым блоком и интерфейсным блоком, расположенном в погружаемым измерительном модуле, осуществляется по электрическим проводам кабель-троса. Связь датчика флуоресценции с бортовой частью осуществляется с помощью оптических волокон.

Лебедка содержит оптические вращающиеся соединители для стыковки двух оптических волокон бортового кабеля с оптическими волокнами в кабель-тросе, идущими к датчику флуоресценции. Электрическая связь осуществляется с помощью токосъемника, через который осуществляется подача электропитания и интерфейсная связь с погружаемым измерительным модулем.

Оптоволоконный флуориметр с погружаемой проточной термокамерой выполнен в виде мобильной системы и может быть установлен на различных судах, в том числе, не предназначенных для ведения научных исследований: малых катерах и яхтах, судах торгового и рыболовного флота.

Применение такого оптоволоконного флуориметра позволит существенно снизить стоимость обследования водных акваторий за счет сокращения численности состава экспедиций и требуемого времени на сбор и обработку экспериментальных данных.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где:

8 - источник излучения;

9 - компьютер;

10 - приемник излучения;

11 - погружаемый измерительный модуль;

12 - термокамера;

13 - оптический датчик флуоресценции;

14 - нагреватель/охладитель;

15 - датчик температуры в термокамере;

16 - интерфейсный блок;

17 - датчики параметров среды;

18 - датчик натекания;

19 - погружной насос для прокачки воды

Оптоволоконный флуориметр с погружаемой термокамерой состоит из погружаемого модуля 11 и бортовой части, включающей лебедку 2 с электромеханическим приводом 1 и бортовой блок. В состав бортового блока входят источник излучения 8, приемник излучения 10 и персональный компьютер 9.

Бортовой блок соединен с лебедкой 2 с помощью бортового кабеля 7. Погружаемый модуль И соединяется с бортовой частью кабель-тросом 3. К источнику излучения 8 и приемнику излучения 10 подключены оптические волокна, соединяющие их с датчиком флуоресценции 13.

Кабель-трос 3 намотан на барабане лебедки 2, с помощью которой погружаемый измерительный модуль 11 опускается в воду и удерживается на нужной глубине. Кабель-трос 3 содержит оптические волокна и электрический кабель, заключенные в прочную водонепроницаемую оболочку. На оси барабана лебедки 2 с обеих сторон размещены вращающиеся оптические соединители 4 и 6.

Через вращающийся оптический соединитель 4 происходит передача оптического излучения от источника 8 на оптическое волокно кабель-троса 3 к датчику флуоресценции 13, установленному в погружаемом измерительном модуле 11.

Через вращающийся оптический соединитель 6 происходит передача оптического излучения флуоресценции от датчика флуоресценции 13 к приемнику излучения 10. Вращающийся электрический соединитель 5 обеспечивает передачу электроэнергии и сигналов интерфейса. Датчик флуоресценции 13 размещен внутри термокамеры 12. Датчик температуры 15 размещен в термокамере 12 таким образом, чтобы не затенять оптическое излучение из датчика флуоресценции 13. Протекание воды через термокамеру 12

Через вращающийся оптический соединитель 4 происходит передача оптического излучения от источника 8 на оптическое волокно кабель-троса 3 к датчику флуоресценции 13, установленному в погружаемом измерительном модуле 11.

Через вращающийся оптический соединитель 6 происходит передача оптического излучения флуоресценции от датчика флуоресценции 13 к приемнику излучения 10. Вращающийся электрический соединитель 5 обеспечивает передачу электроэнергии и сигналов интерфейса. Датчик флуоресценции 13, элементы нагревателя/охладителя 14 и датчик температуры 15 размещены в проточной термокамере 12. Протекание воды через проточную термокамеру 12 обеспечивается насосом 19. Датчики 15, 17 и 18 соединены с интерфейсным блоком 16. Управление нагревателем/охладителем 14 и насосом 19 осуществляется через интерфейсный блок 16. Управление работой лебедки 2, источником излучения 8, приемником излучения 10 и интерфейсным блоком погружаемого измерительного модуля осуществляется с помощью специальной программы, функционирующей на персональном компьютере 9.

Оптоволоконный флуориметр с погружаемой проточной термокамерой работает следующим образом.

По команде, передаваемой компьютером 9, электромеханический привод лебедки 1 приводит в движение барабан, в результате чего происходит стравливание кабель-троса 3 и спуск погружаемого измерительного модуля 11 на заданную глубину. Контроль глубины погружения выполняется с помощью датчика давления, входящего в состав группы датчиков параметров среды 17. Опрос датчиков 17 осуществляется интерфейсным блоком 16, который передает данные в персональный компьютер 9. При достижении заданной глубины происходит остановка вращения барабана лебедки 2 и удержание погружаемого измерительного модуля 11. При достижении заданной глубины включается погружной насос 19 и в проточной термокамере 12 обновляется вода, затем выполняется цикл измерения флуоресценции пробы воды при температуре окружающей среды, а также и при других заданных температурах, что обеспечивается нагревом или охлаждением пробы в проточной термокамере 12.

Измерение спектра флуоресценции выполняется следующим образом.

По команде компьютера 9 происходит включение источника света 8 и его излучение направляется в оптическое волокно, по которому свет передается через вращающийся оптический соединитель 4 к датчику флуоресценции 13. Одновременно с началом работы источника излучения 8 включается приемник излучения 10. Возбужденное в датчике 13 флуоресцентное излучение улавливается приемным оптическим волокном и передается через вращающийся оптический соединитель 6 в приемник излучения 10, где формируется спектр интенсивности флуоресценции, который передается на компьютер 9 для сохранения и последующей обработки. Параллельно с измерением спектра флуоресценции фитопланктона измеряются и другие параметры окружающей среды: температура, освещенность, соленость, перечень которых определяется составом датчиков 17, установленных на погружаемом измерительном модуле 11.

Для измерения спектра флуоресценции при температурах, отличающихся от температуры среды, включается нагреватель/охладитель 14, управление работой которого осуществляется с компьютера 9 через интерфейсный блок 16. Контроль температуры в проточной термокамере 12 осуществляется датчиком температуры 15.

После завершения цикла измерения происходит спуск или подъем погружаемого измерительного модуля 11 с помощью лебедки 2 и повторение цикла измерения на следующей заданной глубине.

Заявляемое техническое решение, в отличие от прототипа, позволяет:

- выполнять измерения в естественной среде на разных глубинах в реальном времени без предварительного сбора образцов;

- измерять спектры флуоресценции воды не только при температуре окружающей среды, но и при любых заданных температурах, значения которых могут быть как выше, так и ниже температуры окружающей среды;

- строить и сохранять температурные зависимости оптических спектров флуоресценции воды в широком диапазоне температур и глубин;

- использовать температурные спектры флуоресценции для оперативного/быстрого определения видового состава микроводорослей без необходимости взятия и извлечения проб воды на поверхность для их последующего исследования;

- существенно сократить время, необходимое для определения видового состава микроводорослей, измеряя спектры флуоресценции в широком диапазоне температур.

Оптоволоконный флуориметр, включающий надводную и погружаемую части, соединенные между собой оптоволоконным кабель-тросом, намотанным на барабан лебедки с электромеханическим приводом, при этом надводная часть включает источник и приемник оптического излучения и персональный компьютер, барабан лебедки содержит вращающиеся оптические и электрические соединители, погружаемая часть выполнена в виде погружаемого измерительного модуля, содержащего датчики параметров воды и устройство для прокачивания воды, отличающийся тем, что погружаемый измерительный модуль содержит проточную термокамеру со встроенными датчиком температуры и оптоволоконным датчиком флуоресценции, дополнительно снабженную элементами для нагрева и охлаждения воды.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложен способ секвенирования полинуклеотидов и система визуализации для осуществления указанного способа.

Изобретение может быть использовано в биосенсорных системах. Сенсорная система распознавания включает в себя структуру датчика изображения и проточную ячейку.

Настоящее изобретение раскрывает систему формирования изображения с помощью структурированного освещения, в которой используется датчик изображения (например, активный пиксельный датчик) в активной плоскости структурированного образца для увеличения разрешения изображения.

Группа изобретений относится к спектроскопическому исследованию сырого картофеля. Способ обнаружения предшественников акриламида в сыром картофеле включает освещение поверхности сырого картофеля лучом света, измерение интенсивности внутренне рассеянного картофелем света, измерение интенсивности зеркально отраженного от поверхности картофеля света, генерирование сигнала обнаружения на основе отношения измеренной интенсивности внутренне рассеянного света и измеренной интенсивности зеркально отраженного света.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается неразрушающего способа оценки состояния компонента турбины. Способ включает в себя генерирование лазером световых импульсов для нагрева компонента турбины, захват инфракрасных изображений и анализ характеристики компонента турбины на полученных изображениях.

Группа изобретений относится к детектированию флуоресценции. Детектор содержит структуру, образующую детекторную поверхность, выполненную с возможностью поддержания биологических или химических проб, набор фотоприемников, содержащий фотоприемники и схему для передачи сигналов, обусловленных фотонами, зарегистрированными фотоприемниками, и набор световодов.
Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в ортопедической стоматологии. Раскрыт способ диагностики предраковых заболеваний слизистой оболочки полости рта, включающий исследование образца ротовой жидкости с помощью инструментальных методов исследования.

Изобретение относится к системе и способу лазерного детектирования, например к системе и способу для анализа газов на основе лазерной абсорбционной спектроскопии.

Система освещения и визуализации образца содержит линзу объектива, первый источник света для подачи первого света освещения через линзу объектива в проточную ячейку с помощью первой решетки на проточной ячейке, первый датчик изображения для захвата света визуализации с помощью линзы объектива, причем первая решетка расположена вне поля зрения первого датчика изображения; и второй датчик изображения, выполненный с возможностью захвата изображения по меньшей мере первой решетки и планарного волновода в проточной ячейке, причем система выполнена с возможностью оценки изображения путем оценки выравнивания света освещения относительно проточной ячейки.

Аппарат (100) для обработки банкнот содержит корпус (102); модуль (104) приема банкнот; модуль (108) вывода банкнот; транспортное устройство (112) для транспортировки банкноты (105) из входного положения (106) в выходное положение (110); модуль (114) проверки банкнот, расположенный внутри корпуса (102), выполненный с возможностью распознавания характеристики банкноты (105) при нахождении банкноты (105) во входном (106), выходном (110) или в промежуточном положении между ними.

Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложен способ секвенирования полинуклеотидов и система визуализации для осуществления указанного способа.
Наверх