Определение массы взвешенных наносов в пробе воды

Отобранные пробы воды на мутность подвергают обработке, которая заключается в выделении частиц наносов из воды, последующем их высушивании и взвешивании на аналитических весах для определения массы выделенных наносов в граммах.

Отделение наносов от воды производится фильтрованием. Фильтрование заключается в пропуске воды с наносами через фильтр, изготовленный из специальной мелкопористой фильтровальной бумаги с различным размером пор, которая задерживает на поверхности и в порах все частицы наносов. Для фильтрования обычно применяют среднефильтрующие обеззоленные фильтры “Белая лента” и “Желтая лента” (рис. 15). Они представляют собой бумажные среднепористые фильтры универсального использования. Количество взвешенных наносов в пробе воды определяется по разнице результатов взвешивания фильтра до и после выделения на него наносов.

Взвешивание фильтров производится на аналитических весах (рис. 16а) с погрешностью до 0,0001 г. Причем как чистые фильтры, так и фильтры с наносами предварительно тщательно высушивают в электрическом сушильном шкафу (рис. 16б) в течение 2-3 часов при температуре 105-110° до полного удаления из них влаги (до постоянной массы).

Рис. 1 5. Фильтры

Рис. 16. Электронные аналитические весы (а), сушильный шкаф (б)

По конструкции сушильный шкаф представляет собой прибор с электрическим нагревом рабочего пространства внутри и регулятором температуры нагрева. При проведении различных исследований очень часто требуется выдерживать постоянную температуру в течение длительного времени, поэтому каждый сушильный шкаф оснащен регулятором температуры для ее поддержания в определенном диапазоне. В зависимости от модели и назначения сушильный шкаф может иметь разный диапазон температур, для разных целей выпускаются модели с разным объемом.

В сушильный шкаф фильтры помещают уложенными в бюксы. Бюкс – это весовой стаканчик, предназначенный для взвешивания, высушивания и хранения веществ при лабораторных работах (рис. 17).

Рис. 17. Стеклянные бюксы

После высушивания в сушильном шкафу фильтры охлаждают в эксикаторе до комнатной температуры в течение 45 мин.

Эксикатор (рис. 18) представляет собой сосуд, в котором поддерживается определенная влажность воздуха (обычно близкая к нулю), изготовленный из толстого стекла.

Плоскость соединения с крышкой для достижения герметичности смазывается специальной смазкой. Эксикатор имеет особую форму для размещения решетчатого фарфорового поддона на который устанавливаются бюксы. На дно эксикатора помещается гигроскопичная соль для осушения.

Рис. 18. Эксикатор

Взвешенные наносы выделяют из отобранных проб воды следующими способами: автоматическим фильтрованием; фильтрованием с предварительным отстоем наносов; ускоренным фильтрованием под давлением. При наличии в пробе очень мелких наносов перед фильтрованием в нее рекомендуется добавлять хлористый кальций (из расчета 10 мл 20 % раствора хлористого кальция на 1 л пробы), под действием которого мелкие частицы коагулируют (образуют хлопья).

Автоматическое фильтрование выполняется в следующем порядке. На горлышко бутылки с пробой надевается резиновая трубочка соответствующего диаметра. Зажав трубку зажимом, бутылку опрокидывают над воронкой с фильтром, вставленной в емкость для сбора отфильтрованной воды. В таком положении бутылку с пробой обычно укрепляют в специальном гнезде деревянной полки. Ослабляя зажим трубки, заполняют воронку водой настолько, чтобы уровень достиг конца трубки и в то же время располагался ниже края фильтра приблизительно на 1 см. После этого зажим снимается, так как далее в воронке уровень воды будет поддерживаться автоматически до тех пор, пока не профильтруется вся проба. Так обычно фильтруются пробы объемом до 1 л.

Фильтрование после предварительного отстоя наносов применяется при малой мутности и пробах большого объема. Продолжительность предварительного отстоя (с учетом частиц менее 0,001 мм), зависящую от толщины слоя воды в бутылке и температуры воздуха в помещении, в котором отстаивают пробы, определяют по табл. 1.

Таблица 1

Продолжительность отстоя проб

Объем пробы, л	Продолжительность отстоя проб (сут) при температуре воздуха в помещении, °С
От 10 до 15 вкл.	Более 15 до 25 вкл.	Более 25 до 40
1,0
2,0
3,0
10,0

Для ускорения отстоя наносов в пробах применяют предварительную коагуляцию наносов с помощью 20%-го раствора хлористого кальция. Добавление коагулятора уменьшает время отстоя в 2-3 раза.

Ускоренное фильтрование под давлением производится прибором Куприна ГР-60 (рис. 19).

Прибор представляет собой цилиндрическую камеру емкостью 1 л, шарнирно соединенную при помощи зажима с воронкообразным основанием. Сверху воронка прикрыта мелкой сеткой, на которую укладывается фильтр. В верхнюю крышку камеры вмонтирован резиновый шланг, к другому концу которого присоединяется насос. На время заливки пробы в камеру крышка снимается, а потом плотно закрывается. После того как фильтр установлен, а камера наполнена водой, в нее нагнетают насосом воздух, под давлением которого вода фильтруется тем быстрее, чем меньше в ней глинистых и илистых частиц.

Рис. 19. Прибор Куприна ГР-60

Контроль за давлением ведется по манометру. Отфильтрованная вода собирается в стеклянную банку. При заметной на глаз замутненности она подвергается повторному фильтрованию через тот же фильтр.

Мутность проб воды S (г/м³) вычисляют по формуле (где m – масса наносов в пробе, г; A – объем пробы, мл). Результаты вычислений мутности представляют с точностью до двух значащих цифр после запятой.

ЭХОЛОТЫ

Принцип работы эхолота

В настоящее время наиболее совершенными средствами измерения глубин являются эхолоты, которые обеспечивают полную автоматизацию промеров. Определение глубин с помощью эхолотов основано на измерении промежутка времени между моментом посылки ультразвукового сигнала по направлению ко дну и моментом возвращения отраженного от дна эхо-сигнала. По физической природе звук (ультразвук) представляет собой механические колебания частиц упругой среды, источником которых является помещенное в водную среду колеблющееся твердое тело. Колеблясь, источник звука вызывает периодическое сжатие и растяжение прилегающих слоев. Благодаря взаимодействию соседних элементов среды, упругие деформации передаются от одного участка к другому. В результате в водной среде образуются области сгущений и разряжений, которые последовательно удаляются от источника колебаний. Этот процесс называется распространением акустической волны.

Прием и излучение ультразвуковых сигналов у эхолотов производится акустическими антеннами. Основной частью ультразвуковых антенн являются электроакустические преобразователи (вибраторы), в которых происходит преобразование электрической энергии в механическую и наоборот. Поверхность вибратора находится в соприкосновении с водной средой. В режиме излучения сигнала под действием переменного магнитного или электрического поля поверхность вибратора приходит в состояние колебания, передаваемого водной среде. В режиме приема поверхность вибратора под действием отраженной звуковой волны начинает совершать механические колебания, преобразуемые в электрический сигнал. В настоящее время применяются акустические преобразователи, обладающие магнитострикционным или пьезоэлектрическим эффектом.

Явление изменения линейных размеров ферромагнитных тел (железо, никель, кобальт) при изменении напряженности пронизывающего их магнитного поля или изменение магнитного состояния этих тел вследствие их деформации под действием механических сил называется магнитострикцией.

Прямым магнитострикционным эффектом называется явление изменения линейных размеров ферромагнетиков при помещении их в переменное магнитное поле. Прямой эффект используется в передающих антеннах.

Изменение напряженности магнитного поля, создаваемого поляризованным (намагниченным) ферромагнетиком вследствие изменения его линейных размеров под действием внешних сил, называется обратным магнитострикционным эффектом. Обратный эффект используется в приемных антеннах.

Конструктивно магнитострикционный преобразователь представляет собой пакет никелевых пластин, который охватывает катушка (обмотка). В передающих антеннах для создания переменного магнитного поля в пакете пластин через катушку пропускают переменный ток. Находясь в переменном магнитном поле, предварительно намагниченные пластины изменяют свою длину с той же частотой, с которой меняется магнитное поле. Механические колебания вибратора передаются водной среде, что приводит к излучению ультразвукового сигнала.

В приемных антеннах с обмотки снимают электрический сигнал, наводимый переменным магнитным полем, возникающим при деформациях пакета пластин. Отразившийся от дна ультразвуковой сигнал воздействует на предварительно намагниченный пакет никелевых пластин и изменяет его продольные размеры. В результате механических колебаний вибратора возникает магнитное поле, которое наводит электрический импульс в охватывающей пакет обмотке.

Пакет вибратора-излучателя и вибратора-приемника располагают в одном водонепроницаемом корпусе – обтекателе забортного устройства. Забортное устройство снабжено приспособлением для крепления его к борту судна при выполнении промеров глубин. При этом обтекатель забортного устройства устанавливают параллельно поверхности воды. Его нижняя плоскость должна быть заглублена не менее чем на 0,3 м.

Действие пьезоэлектрических преобразователей основано на пьезоэффекте, которым обладают некоторые естественные и искусственные кристаллы. В настоящее время в качестве пьезоэлектрического материала используется керамика титаната бария или цирконата титаната свинца.

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется явление, состоящее в том, что при деформациях сжатия или растяжения поляризованного кристалла, на его поверхности появляются электрические заряды. Этот эффект используется в вибраторах-приемниках.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что кристалл, помещенный в электрическое поле, будет изменять свои линейные размеры с частотой изменения электрического поля. Это свойство используется в излучающих антеннах.

Поскольку пьезоэлектрические преобразователи обычно обладают и прямым и обратным пьезоэффектом, то у многих эхолотов для излучения и приема ультразвука используется одна и та же антенна.

Принцип определения глубины с помощью эхолота заключается в измерении промежутка времени Dt между посылкой ультразвукового импульса и приходом отраженного от дна эхо-сигнала. Считая скорость распространения ультразвука в воде C₀ постоянной, глубина h определится по формуле: . При температуре воды 15°C скорость распространения ультразвука составляет ≈1465 м/с.

Структурная схема эхолота представлена на рис. 20. Блок управления БУ предназначен для включения, настройки, регулировки эхолота и контроля за его работой.

Рис. 20. Структурная схема эхолота

Блок питания БП служит для преобразования постоянного тока источника питания ИП (аккумулятор или судовая сеть) в переменный ток с последующим его выпрямлением в постоянные токи различных напряжений для питания электрических цепей эхолота.

Генератор Г вырабатывает электрические импульсы заданной частоты и подает их на электроакустический преобразователь (вибратор-излучатель ВИ), который излучает ультразвуковой сигнал в водную среду.

Отраженный от дна эхо-сигнал поступает на вибратор-приемник ВП, где преобразуется в электрический сигнал, который после усиления в усилителе У поступает на индикатор И. Индикатор И принимает сигналы, фиксирует их и управляет посылкой следующих импульсов генератором.

По способу определения промежутка времени эхолоты подразделяются на приборы с электромеханической разверткой времени и с электронной разверткой времени. Существуют также комбинированные эхолоты, использующие оба принципа развертки времени.

Электромеханическая развертка времени реализуется в электромеханических самописцах. Электронная – в цифровых указателях глубин, использующих либо цифровой индикатор, либо электронный самописец (жидкокристаллический дисплей) с блоком памяти, либо их комбинацию.