Пробоотборник донных отложений

(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Комиссаров Феликс Давидович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси(57) Пробоотборник донных отложений, включающий корпус в виде цилиндрического стакана с ограничительным кольцом, наконечник, поршень с полым штоком и обратным клапаном внутри штока, опору в виде горизонтального кольца с выступами на нижней ее 8541 1 2006.10.30 поверхности с отверстием под цилиндрический стакан, подпружиненную пластину, установленную на поверхности опоры с возможностью фиксации положения стакана, стойки с перекладинами, серьги, фиксирующий механизм штока, гильзу и запорный механизм перекрытия входного отверстия цилиндрического стакана, отличающийся тем, что на нижней части запорного механизма, содержащего пластины прямоугольной формы,выполненные с заостренными режущими кромками, установлены створки квадратной формы, две противолежащие из которых неподвижные, и две подвижные на осях, край которых в верхней части выступает за пределы периметра запорного механизма, содержит затвор, включающий ограничитель движения запорного механизма, установленный жестко на стакане, горизонтальное кольцо имеет два выступа на своей нижней части, причем внешний выступ имеет кольцевую форму, а внутренний выступ изготовлен в виде квадрата и выполняет роль затворного механизма для перекрытия входного отверстия цилиндрического стакана, обеспечивающего контакт подвижных створок с внутренней поверхностью квадратного выступа в исходном положении пробоотборника, и с нижним краем квадратного выступа в положении после отбора пробы при фиксации положения подвижных створок при перекрытии входного отверстия стакана, причем запирающий механизм расположен ниже горизонтального кольца в пределах объема, ограниченного ее выступами и наружной поверхностью цилиндрического стакана, а подпружиненная пластина установлена с возможностью входить в контакт с кольцевой проточкой, выполненной выше запорного механизма. Изобретение относится к устройствам для отбора проб донных отложений, в частности для отбора проб слабых водонасыщенных грунтов или ила в водоемах, загрязненных химическими или радиоактивными веществами. Известен пробоотборник донных отложений под названием Прибор для взятия проб грунта со дна водоема, состоящий из внутреннего и наружного пустотелых цилиндров,присоединенных через штангу к подъемному тросу, и разъемной гильзы, расположенной во внутреннем цилиндре, подпружиненной крышки, прикрепленной к наружному цилиндру, обеспечивающей сохранность отобранной пробы при подъеме прибора через толщу водоема, защелку, фиксируемую крышку от закрывания в положении внедрения прибора в грунт, а после его извлечения из грунта освобождающую крышку от фиксации 1. Прибор работает следующим образом. Прибор с открытым входным отверстием, с зафиксированной при помощи защелки крышкой на тросу опускают в водоем, где внутренний цилиндр с гильзой под тяжестью прибора внедряется в грунт. При натяжении подъемного троса внутренний цилиндр входит в наружный, нажимает на защелку, защелка освобождает крышку, которая, под действием пружины, закрывает нижние отверстия цилиндров с находящимся в них образцом грунта, удерживая его от выпадения. К недостаткам конструкции прибора следует отнести 1) необеспечение возможности отрыва грунта от основы, так как прибор не имеет приспособления для отрыва керна 2) перекрывание входного отверстия только после того, как внутренний цилиндр поднят из скважины, что может привести к потере части керна, особенно если грунт слабый и водонасыщенный 3) опускание прибора до внедрения в грунт с открытым входным отверстием не способствует отбору представительной пробы, особенно если имеет место отбор проб донных отложений из водоемов, загрязненных высокотоксичными или радиоактивными веществами, которые в больших количествах находятся в воде. Наиболее близким по своей технической сущности является пробоотборник, предназначенный для отбора проб донных отложений или ила, включающий корпус в виде цилиндрического стакана с ограничительным кольцом, наконечник с наружной кольцевой проточкой и с осевым каналом, помещенный в нижней части стакана, поршень с полым штоком и обратным клапаном внутри, опору в виде горизонтального кольца с выступами 2 8541 1 2006.10.30 на нижней ее поверхности и с отверстием под цилиндрический стакан с подпружиненной пластиной, стойки с перекладинами, две серьги для троса подъема и опускания пробоотборника, серьгу с тросом для извлечения его из грунта и фиксирующий механизм штока 2. Устройство работает следующим образом. Корпусу и штоку пробоотборника придают исходное положение, устанавливая корпус до взаимодействия кольцевой проточки наконечника с пластиной подпружиненного элемента, погружение в воду осуществляют при помощи троса, прикрепленного к серьгам стоек, и далее под действием собственного веса до грунта. При контакте опорного кольца с плотным грунтом из-за резкого торможения подпружиненная пластина выходит из кольцевой проточки наконечника и корпус под действием инерции внедряется в грунт до упора ограничительного кольца в опорное кольцо. Поршень при этом неподвижен, корпус перемещается вниз относительно поршня,а воздух из надпоршневого пространства через канальные отверстия в полом штоке, полость штока и обратный клапан стравливается во внешнюю среду. При упоре ограничительного кольца корпуса в опорное кольцо, из-за торможения и за счет отдачи, корпус резко устремляется вверх и в этот момент происходит отрыв керна от основания. Подъем пробоотборника осуществляется тросом, прикрепленным к серьге штока, при этом раскрывается запорный механизм штока и шток перемещается вверх до упора поршня в дно стакана. При перемещении поршня вверх воздух из подпоршневого пространства корпуса через отверстия в полом штоке, полость штока и обратный клапан стравливается в воду. Под давлением внешней среды в камере создается разряжение, за счет чего проба удерживается в подпоршневом пространстве корпуса и перемещается вместе с корпусом вверх. При достижении поршнем дна стакана корпуса последний продолжает двигаться до упора в перекладину, при этом наконечник поднимается выше опорного кольца и пластина под действием пружины перекрывает отверстие наконечника, предотвращая выпадение пробы из корпуса. К недостаткам конструкции устройства следует отнести использование подпружиненной пластины, размещенной на опоре для перекрытия входного отверстия стакана и для фиксации пробоотборника в исходном положении. Так как перекрытие входного отверстия пробоотборника происходит только при подъеме наконечника выше опорного кольца. Что не обеспечивает полный отбор пробы в случае большой толщины водонасыщенного слоя грунта, когда наконечник не доходит до плотных слоев грунта и проба частично может выпасть из стакана, и только когда пробоотборник внедряется в плотный грунт, происходит заклинивание плотного грунта во входном отверстии стакана, и отобранная проба полностью извлекается из скважины. А только тогда, когда наконечник пробоотборника выходит из скважины выше опорного кольца, происходит перекрытие входного отверстия. Задачей настоящего изобретения является создание пробоотборника, позволяющего производить отбор проб донных отложений без нарушения их естественной структуры при разной плотности грунтов, включая рыхлые и водонасыщенные слои и взвеси. Поставленная задача решается тем, что пробоотборник донных отложений, включающий корпус в виде цилиндрического стакана с ограничительным кольцом, наконечник,поршень с полым штоком и обратным клапаном внутри штока, опору в виде горизонтального кольца с выступами на нижней ее поверхности и с отверстием под цилиндрический стакан, подпружиненную пластину, установленную на поверхности опоры с возможностью фиксировать положение стакана, стойки с перекладинами, серьги, фиксирующий механизм штока, гильзу и запорный механизм перекрытия входного отверстия цилиндрического стакана. Отличительной особенностью устройства является то, что на нижней части запорного механизма, содержащего пластины прямоугольной формы, выполненные с заостренными режущими кромками, установлены створки квадратной формы, две противолежащие из которых неподвижные и две подвижные на осях, край которых в верхней части выступает 3 8541 1 2006.10.30 за пределы периметра запорного механизма, содержит затвор, включающий ограничитель движения запорного механизма, установленный жестко на стакане, горизонтальное кольцо имеет два выступа на своей нижней части, причем внешний выступ имеет кольцевую форму, а внутренний выступ изготовлен в виде квадрата и выполняет роль затворного механизма для перекрытия входного отверстия цилиндрического стакана, обеспечивающего контакт подвижных створок с внутренней поверхностью квадратного выступа в исходном положении пробоотборника, и с нижним краем квадратного выступа, в положении после отбора пробы, при фиксации положения подвижных створок при перекрытии входного отверстия стакана, причем запирающий механизм расположен ниже горизонтального кольца в пределах объема, ограниченного ее выступами, и наружной поверхности цилиндрического стакана, а подпружиненная пластина установлена с возможностью входить в контакт с кольцевой проточкой, выполненной выше запорного механизма. На фиг. 1 изображено устройство в исходном положении продольный разрез. На фиг. 2 изображено то же устройство в позиции после отбора пробы, при перекрытом входном отверстии. Пробоотборник содержит корпус в виде цилиндрического стакана 1, ограничительное кольцо 2, наконечник 3, поршень 4 с полым штоком 5, обратный клапан 6, опору 7 с выступами 8 и отверстием 9 опоры, подпружиненную пластину 10, стойки 11 с перекладинами 12, серьги 13, фиксирующий механизм штока 14, гильзу 15, отверстие 16 стакана,пластины 17, режущую кромку 18, подвижные створки 19, неподвижные створки 20,оси 21, верхний край 22 створок, затвор 23, ограничитель 24 движения запорного механизма, проточку 25, направляющую планку 26. На фиг. 1 изображено устройство в исходном положении, продольный разрез. Пробоотборник показан в исходном положении в готовности к отбору пробы. Пробоотборник установлен на опоре 7, которая выполнена в виде горизонтального кольца с круговым отверстием 9 в центральной ее части для прохода цилиндрического стакана 1. На нижней поверхности опоры 7 имеются два выступа 8. Внешний выступ 8 выполнен в виде кольца, а внутренний выступ 8 имеет форму квадрата, выполняющего функцию фиксатора положения подвижных створок 19 при внедрении отборника в донные отложения и перекрытия входного отверстия цилиндрического стакана 1 в положении после отбора пробы. На боковой поверхности стакана жестко прикреплена направляющая планка 26, обеспечивающая вертикальное движение стакана 1 при его внедрении в грунт,и вертикальный его подъем из скважины, что является необходимым условием, исключающим перекос и заклинивание механизма перекрытия входного отверстия 16 стакана 1. Поршень 4 находится в исходном положении на уровне средней части наконечника, что обеспечивает возможность отбора необходимой части взвесей, а наконечник 3 находится в средней части створок 19, что необходимо для исключения перекрытия входного отверстия 16 стакана 1 до его контакта с грунтом. Кроме того, подвижные створки 19 зафиксированы затвором 23 в вертикальном положении, а сам стакан 1 зафиксирован в исходном положении пластиной 10. Полый шток 15 зафиксирован фиксирующим механизмом 14 в положении, подготовленном к отбору пробы донных отложений в виде водонасыщенных и плотных грунтов. На фиг. 2 изображен тот же пробоотборник, что и на фиг. 1 в позиции после отбора пробы, при перекрытом входном отверстии 16 стакана 1. Поршень 4 поднят в верхнее положение в гильзе 15, подвижные створки 19 перекрыли входное отверстие 16 стакана 1, и их край 22 зафиксировал створки 19 в горизонтальном положении, упершись в нижние края выступов 8 квадратной формы. Что произошло в результате действия сопротивления грунта на края 22 створок 19, которые уже в скважине после отрыва колонки от основы грунта перекрыли входное отверстие 16 стакана 1 и при извлечении пробоотборника из скважины прижались к нижним краям внутреннего выступа 8. Затвор 23 в результате его контакта с опорой 7 опустился, и нижние пружины увеличились в размере. В этом поло 4 8541 1 2006.10.30 жении затвор 23 зафиксировал жестко подвижные створки 19, своими выступами упершись во внутренние края 22 створок 19, а сам стакан 1 неподвижно зафиксирован подпружиненной пластиной 10, которая при этом вошла в проточку 25 стакана 1. Пробоотборник работает следующим образом. Пробоотборник, перед погружением в водоем, приводят в исходное положение, при котором подвижные створки 19 устанавливают в вертикальном положении и, поднимая корпус 1 пробоотборника вверх, добиваются его фиксации в этом положении относительно опоры 7. При этом подпружиненная пластина 10 входит в проточку 25 стакана 1, а подвижные створки 19 в вертикальном положении размещаются во внутреннем объеме,образованном внутренним выступом 8, квадратной формы, горизонтального кольца опоры 7 и стаканом 1 пробоотборника. Погружение пробоотборника осуществляется тросом, прикрепленным к серьгам 13 стоек. При контакте опорной плиты 7 с грунтом, из-за резкого торможения, подпружиненная пластина 10 выходит из кольцевой проточки 25 в цилиндрическом стакане 1 пробоотборника, и он, под действием кинетической энергии падения, врезается в грунт. При этом поршень 4 неподвижен за счет фиксации штока 5 фиксирующим механизмом 14. Глубина погружения корпуса в грунт на заданную глубину устанавливается при помощи ограничительного кольца 2. При достижении стаканом 1 заданной глубины отбора пробы происходит его резкое торможение и, за счет отдачи, стакан 1 резко устремляется вверх, и в этот момент происходит обрыв керна от основания грунта, а выступающие верхние края 22 подвижных створок 19, по причине сопротивления грунта, тормозят движение стакана 1, и подвижные створки 19 поворачиваются на своих осях 21 и перекрывают входное отверстие 16 стакана 1 корпуса. За счет сопротивления грунта, действующего на край 22 створок 19, происходит их удержание в этом положении до контакта створок 19 с квадратным выступом 8 опоры 7, и при этом цилиндрический стакан 1 продолжает свое движение вверх до того положения, когда подпружиненная пластина 10 не войдет в проточку 25 стакана 1. Подъем пробоотборника осуществляется тросом, прикрепленным к серьге 13 штока 5 поршня 4, при этом рычажки фиксирующего механизма 14 штока 5 выходят из зацепления с фиксаторами, и шток 5 поршня 4 поднимает поршень 4. При движении поршня 4 вверх,воздух, находящийся над поршнем 4, через обратный клапан 6 выдавливается из корпуса,а под поршнем образуется разряженное пространство и, за счет разряжения, проба удерживается в стакане 1 и поднимается вместе с корпусом, не оказывая давления на подвижные створки 19. Извлечение пробы из стакана 1 корпуса пробоотборника осуществляется следующим образом. Пробоотборник ложат в горизонтальное положение, отводят подпружиненную пластину 10 и выталкивают цилиндрический стакан 1 из опоры 7 и, действуя на затвор 23 в направлении ко дну стакана 1, открывают подвижные створки 19, фиксируя положение створок 19 вдоль стакана 1, отпустив затвор 23, нижние выступы которого входят в соприкосновение с краями 22 створок 19 при их расположении вертикально. Затем отвинчивают кольцевой наконечник 3 и вынимают из стакана 1 гильзу 15 вместе с отобранной пробой, и направляют ее на исследование. По сравнению с прототипом конструкция предложенного пробоотборника имеет следующие преимущества 1) выполнение запорного механизма перекрытия входного отверстия цилиндрического стакана в виде короба из прямоугольных пластин, где две противоположные из них имеют квадратной формы створки на их нижней части с заостренными нижними режущими кромками, имеющими в своей верхней части выступающий за пределы периметра затворного механизма верхний край створок, и крепление каждой из подвижных створок на горизонтальной оси позволяет, при внедрении пробоотборника в донные отложения со слабыми водонасыщенными грунтами или илом, при их большой толщине производить отбор этих отложений непосредственно на глубине скважины и там же перекрывать входное отверстие стакана непосредственно в скважине подпружиненным 5 8541 1 2006.10.30 затвором, что и обеспечивает отбор представительной пробы при любой водонасыщенности грунта 2) выполнение опоры с наружным выступом кольцевой формы и внутренним выступом в форме квадрата обеспечивает возможность надежного перекрытия входного отверстия стакана пробоотборника при его извлечении из грунта, после отбора пробы, путем упора верхнего края створок в выступы квадратной формы, а после вхождения подпружиненной пластины в кольцевую проточку стакана пробоотборника жестко застопорить стакан,чем и обеспечивается надежное перекрытие входного отверстия стакана. Таким образом,предложенное изобретение позволяет производить отбор проб любой водонасыщенности. А запорное устройство надежно перекрывает входное отверстие стакана пробоотборника уже в глубине скважины. Выполнение запорного механизма перекрытия входного отверстия 16 цилиндрического стакана 1 из прямоугольных пластин 17 с квадратной формы створками 19 на нижней его части с заостренными нижними режущими кромками 18 и крепление каждой из подвижных створок 19 на горизонтальной оси 21, установленной ниже верхнего выступающего края 22 створок 19 с внутренней стороны запорного механизма, обеспечивает возможность свободного поворота подвижных створок 19 на оси 21 внутрь пространства, образованного створками 19, что обеспечивает перекрытие входного отверстия 16 стакана 1. Выполнение фиксирующего механизма штока 14 в виде двух рычажков с осью вращения и закрепление их с помощью хомута на штоке 5, а фиксаторов их положения на пластинах стабилизатора обеспечивает жесткую фиксацию штока 5 и неподвижность поршня 4 при вхождении цилиндрического стакана 1 в грунт, и образование разряжения под поршнем 4, когда устройство поднимают из скважины, за счет чего происходит отрыв керна,отобранной пробы, от основания грунта и освобождение рычажков от фиксации при подъеме пробоотборника из грунта тросом, прикрепленным к серьге 13 штока 5, за счет чего поршень 4 свободно поднимается вверх до упора в дно стакана 1, и далее сам стакан 1 поднимается до положения, когда происходит его фиксация в проточке 25 подпружиненной пластиной 10 опоры 7. Закрепление подвижных створок 19 на горизонтальной оси 21 таким образом, чтобы их верхний выступающий край 22 выступал за пределы поверхности запирающего механизма, а сама ось 21 укреплена на боковых неподвижных пластинах 17, дает возможность производить перекрытие входного отверстия 16 стакана 1 за счет использования сил сопротивления грунта, которые возникают при подъеме устройства из скважины и действуют на край 22 подвижных створок 19, и заставляют подвижные створки 19 поворачиваться на горизонтальной оси 21 до их упора друг в друга. А затвор 23 фиксирует их в близком к горизонтальному положению относительно стакана 1 пробоотборника, которые, в свою очередь, смещаются со своего устойчивого положения под действием сил сопротивления грунта при извлечении пробоотборника из грунта. Размещение внизу цилиндрического стакана 1, на его боковой поверхности запорного механизма, который выполнен в виде четырехугольной коробки из четырех противоположных неподвижных пластин, две из которых имеют длину вместе со створками 19, равную длине прилегающим к ним неподвижным пластинам 17, и выполнение на двух неподвижных противоположных пластинах сквозных прорезей с размещением в них ограничителей 24 движения запорного механизма и пружин, размещенных вертикально снизу и сверху ограничителей, которые жестко прикреплены внизу на поверхности цилиндрического стакана 1, обеспечивает постоянное положение запорного механизма на нижнем конце цилиндрического стакана 1 с некоторым люфтом, который необходим для устойчивого расположения осей 21 подвижных створок 19 против нижнего края наконечника 3 при подъеме пробоотборника из грунта, что является необходимым условием свободного поворота створок 19 на осях 21 для надежного перекрытия входного отверстия 16 цилиндрического стакана 1 пробоотборника, при его извлечении из грунта. А при внедрении пробоотборника в грунт, при движении стакана 1 вниз, наконечник 3 опускается между створками 19 и препятствует им произвести перекрытие входного отверстия 16 стакана 1. 6 8541 1 2006.10.30 Выполнение на нижней внешней поверхности неподвижных 17 и подвижных пластин 19 режущей кромки 18 обеспечивает легкое погружение пробоотборника в донные отложения без нарушения структуры слоев отложений в отбираемой пробе. Выполнение на наружной поверхности стакана 1 выше наконечника 3 кольцевой проточки 25, входящей в контакт с подпружиненной пластиной 10, расположенной на поверхности опоры 7, обеспечивает фиксацию стакана 1 пробоотборника в исходном положении перед отбором пробы и после ее отбора, при извлечении пробоотборника на поверхность. Введение в устройство ограничительного кольца 2 обеспечивает возможность отбора пробы донных отложений из заданной глубины грунта. Выполнение корпуса пробоотборника в виде цилиндрического стакана 1 с гильзой 15,в дне которого имеется отверстие с уплотнителем-сальником для прохода полого штока 5,на нижний конец которого насажен поршень 4, обеспечивает отбор представительной пробы с сохранением целостности и ненарушенной структуры отложений за счет образования разряженного пространства под поршнем 4 и, при отрыве керна от основания,удержание пробы в гильзе 15. Использование в пробоотборнике гильзы 15 для размещения в ней отобранной пробы,обеспечивает сохранность пробы при ее перемещении на место испытаний, а выполнение гильзы 15 из пластических материалов обеспечивает возможность производить гаммаспектрометрический анализ распределения радионуклидов по профилю почвы в пробе непосредственно в гильзе без нарушения структуры слоев пробы. Оснащение опоры 7 ограничительными выступами 8 обеспечивает отбор пробы донных отложений со взвесями и текучими и слабыми водонасыщенными грунтами и не позволяет текучим грунтам выходить из под опорной плиты при ее контакте с грунтом, и обеспечивает представительный отбор пробы со взвесями и текучими и слабыми водонасыщенными грунтами при вхождении стакана 1 пробоотборника в грунт и при условии нахождения поршня 4 в положении выше края наконечника 3. Выполнение штока 5 поршня 4 полым, имеющим в нижней части отверстие для обеспечения выхода воздуха при погружении пробоотборника в грунт и при движениии поршня вверх, а в верхней части имеющим обратный клапан 6 в виде подпружиненного шарикового клапана 6, не дает возможность воде проникнуть в надпоршневое пространство. Выполнение опоры 7 в виде горизонтального кольца с круговым отверстием 9 в центральной части для прохода корпуса 1 и с двумя выступами 8 на его нижней поверхности таким образом, что внешний выступ выполнен цилиндрическим, а внутренний выступ выполнен в виде квадрата, позволяет использовать квадратной формы выступ как затвор для перекрытия входного отверстия 16 цилиндрического стакана корпуса 1 при движении стакана 1 вверх и контакте с ним краев 22 подвижных створок 19. При извлечении пробоотборника из скважины с отобранной пробой за счет того, что при этом движении корпуса 1 подвижные створки 19 запорного механизма под действием сил сопротивления грунта поворачиваются внутрь и перекрывают входное отверстие 16 стакана корпуса 1, и выступающие края 22 подвижных створок 19 упираются в выступы 8 квадратной формы, а в этот же момент подпружиненная пластина 10 входит в кольцевую проточку 25 корпуса 1 и стопорит его. Таким образом надежно запирается входное отверстие 16 стакана корпуса 1 при подъеме пробоотборника на поверхность. Закрепление на боковой поверхности цилиндрического стакана 1 направляющей планки 26 обеспечивает строго вертикальное направление перемещения цилиндрического стакана через отверстие 9 в опоре 7 и размещение подвижных створок 19 напротив боковой стороны внутреннего квадратного выступа 8 опоры 7, и строгую фиксацию створок 19 в горизонтальном положении при контакте края 22 створок 19 со сторонами квадратного выступа 8, и надежное перекрытие отверстия 16 цилиндрического стакана корпуса 1. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8