RU2823253C1 - Secretly installed stationary ultrasonic device for controlling cyanobacterial bloom of small water bodies - Google Patents
Secretly installed stationary ultrasonic device for controlling cyanobacterial bloom of small water bodies Download PDFInfo
- Publication number
- RU2823253C1 RU2823253C1 RU2023113949A RU2023113949A RU2823253C1 RU 2823253 C1 RU2823253 C1 RU 2823253C1 RU 2023113949 A RU2023113949 A RU 2023113949A RU 2023113949 A RU2023113949 A RU 2023113949A RU 2823253 C1 RU2823253 C1 RU 2823253C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- power supply
- emitter
- generator
- cable
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 24
- 241000192700 Cyanobacteria Species 0.000 claims abstract description 19
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 claims abstract description 10
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 10
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 4
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 abstract description 14
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 208000031513 cyst Diseases 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000002900 effect on cell Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 230000002906 microbiologic effect Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 description 1
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 1
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 1
- 239000003053 toxin Substances 0.000 description 1
- 231100000765 toxin Toxicity 0.000 description 1
- 108700012359 toxins Proteins 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам подавления роста и развития цианобактерий всех видов с помощью ультразвука в малых водоемах естественного и искусственного происхождения.The invention relates to devices for suppressing the growth and development of cyanobacteria of all types using ultrasound in small reservoirs of natural and artificial origin.
Цианобактерий относятся к одним из древнейших микроорганизмов на Земле. За время эволюции они научились приспосабливаться к самым разнообразным условиям окружающей среды, поэтому борьба с негативными проявлениями их жизнедеятельности требует особой конструкции аппаратуры.Cyanobacteria are one of the oldest microorganisms on Earth. During their evolution, they have learned to adapt to a wide variety of environmental conditions, so the fight against the negative manifestations of their life requires a special design of equipment.
Известно, что цианобактерий развиваются циклами, переходя из активной фазы жизнедеятельности в пассивную, опускаясь на дно в виде окинет и цист.При воздействии на них ультразвуком в активной фазе, их естественный жизненный цикл нарушается, защитная реакция переводит их в пассивное состояние, вследствие чего прекращается процесс накопления ими токсинов, что способствует очищению водоемов. Нахождение в пассивном состоянии истощает цианобактерий, поэтому через некоторое время они возвращаются в активную фазу, где снова подвергаются воздействию ультразвука, и процесс повторяется.It is known that cyanobacteria develop in cycles, moving from the active phase of life to the passive, sinking to the bottom in the form of okinetes and cysts. When they are exposed to ultrasound in the active phase, their natural life cycle is disrupted, the protective reaction transfers them to a passive state, as a result of which it stops the process of their accumulation of toxins, which helps cleanse water bodies. Being in a passive state exhausts the cyanobacteria, so after a while they return to the active phase, where they are again exposed to ultrasound, and the process repeats.
Успешное подавление цианобактерий в водоемах представляет собой непрерывный процесс, занимающий от одной до трех недель, в течение которых удается воздействовать на несколько «поколений» бактерий, пребывающих в разных фазах своего жизненного цикла. По этой причине ультразвуковое устройство должно быть стационарным и находиться в водоеме в течение всего их вегетационного периода.Successful suppression of cyanobacteria in water bodies is a continuous process, taking from one to three weeks, during which it is possible to influence several “generations” of bacteria in different phases of their life cycle. For this reason, the ultrasonic device must be stationary and remain in the pond throughout their entire growing season.
При стационарной установке генератор и излучатель ультразвука должны располагаться в водоеме, большинство из которых являются открытыми и неохраняемыми. Для защиты устройства от кражи, повреждения, нарушения режимов его работы оно должно устанавливаться в водоем скрытно, чтоб не привлекать внимание посторонних. Этого можно достичь с помощью установки прибора под водой на глубине 1-1.5 метра. По этой причине ультразвуковое устройство должно быть герметичным.For a permanent installation, the generator and ultrasound emitter must be located in a body of water, most of which are open and unguarded. To protect the device from theft, damage, and disruption of its operating modes, it must be installed secretly in a pond so as not to attract the attention of strangers. This can be achieved by installing the device under water at a depth of 1-1.5 meters. For this reason, the ultrasonic device must be sealed.
Длительный период воздействия и высокая мощность ультразвукового излучения делает практически невозможным применение аккумуляторов для питания генераторов ультразвука. Актуальным способом является питание устройства с берега от промышленной сети. Для открытых водоемов кабель питания должен быть электробезопасным, что ограничивает питание напряжением порядка 10-25 В. По этой причине ультразвуковое устройство должно питаться постоянным током напряжением 12-24 В. При таких низких напряжениях ток в кабеле питания может достигать 10 А и более, что делает существенными потери на кабеле питания. Увеличение поперечного сечения жил кабеля существенно увеличивает конечную стоимость конструкции и снижает коэффициент его полезного действия. По этой причине устройство должно поддерживать импульсный режим работы, обеспечивая низкий средний ток и высокую импульсную мощность. Для высокой импульсной мощности устройство должно содержать повышающий источник напряжения.The long period of exposure and high power of ultrasonic radiation makes it almost impossible to use batteries to power ultrasound generators. The current method is to power the device from the shore from an industrial network. For open reservoirs, the power cable must be electrically safe, which limits power supply to a voltage of about 10-25 V. For this reason, the ultrasonic device must be powered by a direct current voltage of 12-24 V. At such low voltages, the current in the power cable can reach 10 A or more, which makes losses on the power cable significant. Increasing the cross-section of the cable cores significantly increases the final cost of the structure and reduces its efficiency. For this reason, the device must support pulsed operation, providing low average current and high pulsed power. For high pulse power, the device must contain a boost voltage source.
Известны устройства для стерилизации воды в кавитационном режиме при интенсивности 0,5 Вт/см3 на частотах 20 кГц и выше. При высоких интенсивностях акустического сигнала эффект воздействия на клетки создает кавитация, которая разрушает клетки микроорганизмов механическим путем. Этот способ не подходит для водоемов, поскольку излучение такой мощности опасно для прочих обитающих в нем живых организмов. Кроме того, излучение быстро затухает в воде, поэтому воздействию такого устройства будет подвержена лишь небольшая часть объема водоема, что не повлияет на все находящиеся в нем цианобактерий.There are known devices for sterilizing water in cavitation mode at an intensity of 0.5 W/cm 3 at frequencies of 20 kHz and higher. At high intensities of the acoustic signal, the effect on cells is created by cavitation, which destroys microbial cells mechanically. This method is not suitable for reservoirs, since radiation of such power is dangerous for other living organisms living in it. In addition, the radiation quickly attenuates in water, so only a small part of the volume of the reservoir will be exposed to such a device, which will not affect all the cyanobacteria in it.
Известно устройство для ультразвуковой обработки жидкости (патент на изобретение RU №2132820) которое содержит корпус, излучатель ультразвука, расположенный в нижней части корпуса, труб для подвода и для отвода обрабатываемой жидкости в озвучиваемое пространство. Под действием ультразвука производится диспергирование жидкости, при этом подавляется жизнедеятельность микроорганизмов, причем акустическое воздействие производится на одной частоте. Этот способ не подходит для водоемов, поскольку не охватывает весь объем водоема, а конструкция требует прокачивания жидкости через активную зону излучателя.A device for ultrasonic treatment of liquid is known (patent for invention RU No. 2132820) which contains a housing, an ultrasound emitter located in the lower part of the housing, pipes for supplying and discharging the treated liquid into the sounded space. Under the influence of ultrasound, the liquid is dispersed, while the vital activity of microorganisms is suppressed, and the acoustic effect is produced at one frequency. This method is not suitable for reservoirs, since it does not cover the entire volume of the reservoir, and the design requires pumping liquid through the active zone of the emitter.
Известно устройство для очистки воды от химических и микробиологических загрязнений с помощью ультразвука (RU №2464233) содержащее пьезоэлектрический преобразователь, генератор сигналов, вырабатывающий электрический сигнал, изменяющийся по частоте в диапазоне 25-55 кГц и усилитель мощности. Эффективность излучения в этом устройстве происходит на одной резонансной частоте, что сужает спектр подавляемых микроорганизмов. Этот способ предназначен для дезинфекции воды в объеме тары для приготовления пищи, не подходит для водоемов, поскольку содержит генератор на основе микросхемы К176ЛА7, дающий излечение малой мощности на единственной частоте.A device is known for purifying water from chemical and microbiological contaminants using ultrasound (RU No. 2464233) containing a piezoelectric transducer, a signal generator that produces an electrical signal varying in frequency in the range of 25-55 kHz and a power amplifier. The radiation efficiency in this device occurs at one resonant frequency, which narrows the spectrum of suppressed microorganisms. This method is intended for disinfection of water in food preparation containers; it is not suitable for reservoirs, since it contains a generator based on the K176LA7 microcircuit, which provides low-power treatment at a single frequency.
Из патента US 10399867 ([0030]-[0048]) известно ультразвуковое устройство для очистки водоемов от цианобактерий, содержащее повышающий блок питания генератора, емкостной накопитель, генератор электрических колебаний, блок излучателей на основе пьезоэлектрических преобразователей, блок управления на основе микроконтроллера, подводный электрический кабель и береговой блок питания постоянного тока с напряжением 24 В. Генератор электрических колебаний под управлением микроконтроллера программно настраивается на работу на различных частотах в диапазоне 22-220 кГц, как и в заявленном устройстве, в том числе возможно установление резонансных частот пьезоэлектрических преобразователей в блоке излучателей ([0046]-[0048]). Это устройство имеет следующие недостатки, устраненные в заявляемом техническом решении:From US patent 10399867 ([0030]-[0048]) an ultrasonic device for cleaning water bodies from cyanobacteria is known, containing a boost generator power supply, a capacitive storage unit, an electrical oscillation generator, a unit of emitters based on piezoelectric transducers, a control unit based on a microcontroller, an underwater electric cable and onshore DC power supply with a voltage of 24 V. The electrical oscillation generator controlled by a microcontroller is programmatically configured to operate at various frequencies in the range of 22-220 kHz, as in the claimed device, including the possibility of setting the resonant frequencies of piezoelectric transducers in the emitter unit ([0046]-[0048]). This device has the following disadvantages, which are eliminated in the claimed technical solution:
- в устройстве, являющемся аналогом, управление передается в кабеле по отдельному каналу связи, который требует дополнительные проводники (по крайней мере, так изображено на фигурах, содержащихся в описании патента). Поэтому для управления требуется как минимум четырехпроводный кабель: для передачи мощности нужны толстые жилы, а для передачи информации достаточно тонких жил. Однако подавляющее число кабелей имеет постоянную толщину жил, в итоге четырехпроводный кабель получается громоздкий и дорогой, особенно с учетом подводного исполнения. В заявляемом техническом решении управление передается вместе с питанием по одним проводам с помощью модема - это позволяет ограничиться двужильным кабелем, что дешевле и проще в исполнении;- in a device that is analog, control is transmitted in a cable via a separate communication channel, which requires additional conductors (at least as shown in the figures contained in the patent description). Therefore, control requires at least a four-wire cable: thick wires are needed to transmit power, and thin wires are sufficient to transmit information. However, the overwhelming majority of cables have a constant thickness of cores; as a result, a four-wire cable turns out to be bulky and expensive, especially taking into account the underwater version. In the proposed technical solution, control is transmitted along with power over one wire using a modem - this allows you to limit yourself to a two-core cable, which is cheaper and easier to implement;
- питание устройства, являющегося аналогом, с берега осуществляется по длинному кабелю от источника низкого постоянного напряжения, которое безопасно для человека в случае нарушения изоляции кабеля. При значительной мощности излучения ток в кабеле становится большим, и это создает большие потери в кабеле, уменьшая входное напряжение питания на блоке преобразователя. Преобразователь, входящий в состав заявляемого устройства, имеет блок питания, который компенсирует потери в кабеле и гарантирует постоянное рабочее напряжение системы, в том числе для длинных кабелей, брошенных с берега;- the device, which is an analogue, is powered from shore via a long cable from a low DC voltage source, which is safe for humans in case of cable insulation failure. When the radiation power is significant, the current in the cable becomes large, and this creates large losses in the cable, reducing the input supply voltage to the converter unit. The converter included in the claimed device has a power supply that compensates for losses in the cable and guarantees a constant operating voltage of the system, including for long cables thrown from the shore;
- устройство, являющееся аналогом, содержит программируемый блок, при этом указано, что частоты можно настраивать программно, однако ничего не сказано про резонанс самого пьезоэлемента и его эффективность на вывод мощности в воду на произвольной частоте. В заявляемом техническом решении модули излучателей подбираются с собственными резонансами вблизи частот подавления водорослей;- the device, which is an analogue, contains a programmable block, and it is indicated that the frequencies can be adjusted programmatically, but nothing is said about the resonance of the piezoelectric element itself and its effectiveness in outputting power to water at an arbitrary frequency. In the claimed technical solution, emitter modules are selected with their own resonances near algae suppression frequencies;
- погружная часть устройства, являющегося аналогом, содержит много датчиков, которые осуществляют пробы воды на наличие водорослей и т.п.Это удорожает устройство и обусловливает риски некорректных измерений, что может привести к остановке излучения. При этом контрольная точка находится всегда в зоне размещения излучателя, и это не самое лучшее место для контрольных измерений. В заявляемом техническом решении конструкция проще и дешевле, настраивается на излучение на заданных частотах. Контроль за составом водорослей делается отдельно на удалении от эпицентра излучения;- the submersible part of the device, which is an analogue, contains many sensors that carry out water samples for the presence of algae, etc. This increases the cost of the device and creates the risk of incorrect measurements, which can lead to stopping the radiation. In this case, the control point is always located in the area where the emitter is located, and this is not the best place for control measurements. In the proposed technical solution, the design is simpler and cheaper, and is tuned to radiation at given frequencies. Control of the composition of algae is done separately at a distance from the epicenter of radiation;
- в устройстве, являющимся аналогом, преобразователи работают со скважностью порядка 1:15 (0.4 с к периоду 6 с, см. колонку 6, строку 47), в то время как в заявляемом техническом решении преобразователь может работать постоянно;- in an analogue device, the converters operate with a duty cycle of about 1:15 (0.4 s to a period of 6 s, see column 6, line 47), while in the claimed technical solution the converter can operate continuously;
- блок питания устройства, являющегося аналогом, выдает напряжение на преобразователи 40 В, аналогичный блок заявляемого технического решения может вырабатывать 100 В, что позволяет применять примерно в 6 раз более мощные излучатели или модули из 6 излучателей, распределенные в водоеме. С учетом затухания энергии волн обратно пропорционально квадрату расстояния, это дает значительно большее покрытие внутри водоема с мощностью звука выше порогового значения;- the power supply unit of the device, which is an analogue, supplies a voltage to the converters of 40 V, a similar unit of the proposed technical solution can produce 100 V, which allows the use of approximately 6 times more powerful emitters or modules of 6 emitters distributed in a reservoir. Taking into account the attenuation of wave energy as inversely proportional to the square of the distance, this gives significantly greater coverage within a body of water with sound power above a threshold value;
- в качестве интерфейса управления устройства, являющегося аналогом, в кабеле указан UART (или обобщенно - блок коммуникации), который требует минимум двух дополнительных проводников в кабеле, а также упомянут другой вариант, где сигналы UART передают силовые провода, однако не указано, как именно это делается и на какое расстояние это возможно (при какой длине кабеля). Вероятно, это решение не получило детальной проработки - видимо для передачи информации по проводам питания устройство содержит специальный модем. В заявляемом техническом решении устройство содержит модем для связи подводного блока с наземным, и эта связь используется для получения обратной связи о состоянии устройства под водой;- as the control interface of a device that is analog, a UART (or, in general, a communication unit) is indicated in the cable, which requires at least two additional conductors in the cable, and another option is also mentioned, where UART signals transmit power wires, but it is not indicated how exactly this is done and over what distance this is possible (at what cable length). Probably, this solution has not received detailed elaboration - apparently the device contains a special modem to transmit information via power wires. In the claimed technical solution, the device contains a modem for connecting the underwater unit with the ground one, and this connection is used to receive feedback about the state of the device under water;
- в устройстве, являющимся аналогом, декларируется сборка из двух преобразователей, оси которых перпендикулярны. В заявляемом техническом решении излучающий модуль может иметь любую желаемую заказчиком диаграмму направленности;- in a device that is an analogue, an assembly of two transducers is declared, the axes of which are perpendicular. In the claimed technical solution, the radiating module can have any directional pattern desired by the customer;
- в устройстве, являющимся аналогом, излучатель представляет собой сосредоточенную сборку двух излучающих преобразователей. В заявляемом техническом решении модуль излучателей конструктивно позволяет соединять несколько одинаковых модулей в каскад, подключенный к общему генератору, чтобы минимизировать кабельные соединения между генератором колебаний и модулями антенн, учитывая, что кабель питания от берегового источника питания может быть очень длинным (~100-200 м), а кабели от генератора до излучателей (~2-8 м);- in a device that is an analogue, the emitter is a concentrated assembly of two emitting converters. In the claimed technical solution, the emitter module structurally makes it possible to connect several identical modules in a cascade connected to a common generator in order to minimize cable connections between the oscillator and antenna modules, taking into account that the power cable from the shore power source can be very long (~100-200 m ), and cables from the generator to the emitters (~2-8 m);
- в устройстве, являющимся аналогом, пьезоэлементы соединяются с источником накачки посредством электропроводящего клея. В заявляемом техническом решении используются паяные соединения с герметичными IP67 разъемами для подключения к блоку накачки посредством кабеля (с каскадным включением нескольких излучающих модулей);- in a similar device, the piezoelements are connected to the pumping source using electrically conductive glue. The claimed technical solution uses solder connections with sealed IP67 connectors for connection to the pumping unit via a cable (with cascaded connection of several emitting modules);
- в отличие от устройства, являющегося аналогом, в заявляемом техническом решении используются типовые пьезоэлементы, работающие на собственных частотах, которые выбираются по наиболее выраженному влиянию на определенный вид водорослей: для них не имеет большого смысла возбуждение вне зоны собственного резонанса.- unlike the device, which is an analogue, the claimed technical solution uses standard piezoelectric elements operating at natural frequencies, which are selected according to the most pronounced effect on a certain type of algae: for them, excitation outside the zone of their own resonance does not make much sense.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является ультразвуковое устройство для очистки водоемов (патент на полезную модель RU №130602) содержащее генератор электрического сигнала с автоматической перестройкой частоты, а ультразвуковой излучатель выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя, снабженного согласующей и отражающей накладками, причем внешняя сторона отражающей накладки имеет осесимметричную ступенчатую форму, толщина которой увеличивается к краям. В случае выполнения накладки в виде трех ступеней, толщины которых подобраны так, что резонансные частоты составляют 22 кГц, 44кГц и 88кГц, что позволяет воздействовать на больший спектр микроорганизмов. Недостатком этого устройства является то, что оно имеет узкую диаграмму направленности и не обеспечивает полного покрытия водоемов при размещении вдали от берега, в результате чего невозможно воздействовать ультразвуком на все цианобактерий. Аналогичная проблема возникает в случае водоема изогнутой формы - обязательно остаются «мертвые» зоны.The closest analogue of the claimed device is an ultrasonic device for cleaning reservoirs (utility model patent RU No. 130602) containing an electrical signal generator with automatic frequency tuning, and the ultrasonic emitter is made in the form of a piezoelectric transducer equipped with matching and reflective pads, and the outer side of the reflective pad has axisymmetric stepped shape, the thickness of which increases towards the edges. If the overlay is made in the form of three stages, the thickness of which is selected so that the resonant frequencies are 22 kHz, 44 kHz and 88 kHz, which makes it possible to influence a wider range of microorganisms. The disadvantage of this device is that it has a narrow radiation pattern and does not provide complete coverage of water bodies when placed far from the shore, as a result of which it is impossible to influence all cyanobacteria with ultrasound. A similar problem arises in the case of a curved reservoir - there are always “dead” zones.
Технической задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройств подавления роста и развития цианобактерий всех видов с помощью ультразвука в малых водоемах естественного и искусственного происхождения.The technical objective of the claimed invention is to expand the functionality of devices for suppressing the growth and development of cyanobacteria of all types using ultrasound in small reservoirs of natural and artificial origin.
Решение технической задачи обеспечивается за счет того, что ультразвуковое устройство для очистки водоемов от цианобактерий содержит соединенные сборочными операциями повышающий блок питания генератора, емкостной накопитель, генератор электрических колебаний, блок излучателей на основе пьезоэлектрических преобразователей, блок управления на основе микроконтроллера, подводный электрический кабель и береговой блок питания постоянного тока с напряжением от 12 до 24 В. Причем генератор электрических колебаний под управлением микроконтроллера программно настраивается на работу на резонансных частотах пьезоэлектрических преобразователей в блоке излучателей.The solution to the technical problem is ensured due to the fact that the ultrasonic device for cleaning reservoirs from cyanobacteria contains, connected by assembly operations, a step-up generator power supply unit, a capacitive storage unit, an electrical oscillation generator, a unit of emitters based on piezoelectric transducers, a control unit based on a microcontroller, an underwater electrical cable and a shore DC power supply with voltage from 12 to 24 V. Moreover, the electrical oscillation generator under the control of a microcontroller is programmatically configured to operate at the resonant frequencies of piezoelectric transducers in the emitter unit.
Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявленного изобретения, заключается в увеличении площади ультразвукового воздействия на цианобактерий в водоеме.The technical result achieved by the combination of features of the claimed invention is to increase the area of ultrasonic influence on cyanobacteria in a reservoir.
Схема предлагаемого устройства иллюстрируется на фигуре 1, где приведена его структурная схема, показывающая соединение его компонентов с помощью сборочных операций.The diagram of the proposed device is illustrated in Figure 1, which shows its block diagram showing the connection of its components using assembly operations.
Устройство содержит пьезоэлектрические преобразователи (1), выполненные в виде колец прямоугольного сечения, генератор электрического сигнала (2), блок управления генератором (3), емкостной накопитель (4), повышающий преобразователь (5), подводный кабель (9) и блок питания постоянного тока напряжением от 12 до 24 В (8).The device contains piezoelectric transducers (1) made in the form of rectangular rings, an electrical signal generator (2), a generator control unit (3), a capacitive storage device (4), a boost converter (5), an underwater cable (9) and a DC power supply. current voltage from 12 to 24 V (8).
Излучение ультразвука пьезоэлектрическими преобразователями наиболее эффективно на резонансных частотах. Для подавления цианобактерий желательно воздействие в широком спектре ультразвука в полосе от 30 до 220 кГц, что может быть достигнуто за счет многомодовых пьезоэлектрических преобразователей.Ultrasound emission by piezoelectric transducers is most effective at resonant frequencies. To suppress cyanobacteria, exposure to a wide spectrum of ultrasound in the band from 30 to 220 kHz is desirable, which can be achieved using multimode piezoelectric transducers.
Резонансная частота Fрез основной моды пьезоэлектрической пластины связана с ее толщиной h отношениемThe resonant frequency Fres of the fundamental mode of the piezoelectric plate is related to its thickness h by the ratio
где Сзвука- скорость звука в материале пластины.where C sound is the speed of sound in the plate material.
В случае выполнения пьезоэлектрического преобразователя в виде кольца прямоугольного сечения возникает три основных моды колебаний, частоты которых определяются тремя размерами кольца: Н - толщиной кольца, R - наружным радиусом и r - внутренним радиусом. Эти размеры формируют три характерные резонансные частоты:If the piezoelectric transducer is made in the form of a ring of rectangular cross-section, three main vibration modes arise, the frequencies of which are determined by the three dimensions of the ring: H - ring thickness, R - outer radius and r - inner radius. These dimensions form three characteristic resonant frequencies:
Блок излучателей с пьезоэлектрическими преобразователями в виде колец позволяет генерировать ультразвук сразу на всех частотах подавления размножения цианобактерий.A block of emitters with piezoelectric transducers in the form of rings makes it possible to generate ultrasound at once at all frequencies to suppress the proliferation of cyanobacteria.
При работе устройства блок управления последовательно устанавливает три запрограммированные частоты работы генератора в соответствии с резонансными частотами пьезоэлектрических преобразователей блока излучателей. Время воздействия зависит от видового состава цианобактерий, объема водоема, и составляет обычно от одной до трех недель.When the device is operating, the control unit sequentially sets three programmed frequencies of the generator in accordance with the resonant frequencies of the piezoelectric transducers of the emitter block. The exposure time depends on the species composition of cyanobacteria, the volume of the reservoir, and usually ranges from one to three weeks.
Установка устройства в водоеме проиллюстрирована фигурой 2.The installation of the device in a reservoir is illustrated in Figure 2.
Блок питания (8) размещается в помещении на берегу, где обеспечивает преобразование сетевого напряжения 220 В 50 Гц в постоянное напряжение питания генератора в диапазоне 12-24 В. Питание на блок генератора накачки подается по кабелю (9), который от помещения с блоком питания скрытно укладывается до берега, а затем укладывается на дно водоема от берега до точки установки блока излучателей (10). Кабель укладывается на дно водоема путем сброса его в воду с бухты, установленной на лодке. Когда бухта полностью размотана и лодка находится в центре водоема, к кабелю пристыковывается блок накачки (12). Далее, рабочие в лодке производят измерение глубины водоема (14) в точке установки. По результатам измерений рассчитывается длина троса между блоком накачки (12) и якорным грузом (13) так, чтобы блок излучателей (11) оказался погруженным в воду на глубину 1-1.5 метра. Груз привязывается к блоку накачки, затем к нему подключается кабелем (15) блок излучателей (11), и вся конструкция сбрасывается за борт. Блок излучателей (11) оснащен пенопластовым поплавком, который тянет излучатель к поверхности водоема, обеспечивая вертикальное натяжение кабелей и размещение излучателя в толще воды.The power supply (8) is located in a room on shore, where it converts the mains voltage 220 V 50 Hz into a constant supply voltage for the generator in the range of 12-24 V. Power is supplied to the pump generator unit via a cable (9), which is from the room with the power supply secretly laid to the shore, and then laid on the bottom of the reservoir from the shore to the point of installation of the emitter block (10). The cable is laid on the bottom of the reservoir by dropping it into the water from a bay installed on a boat. When the coil is completely unwound and the boat is in the center of the reservoir, the pumping unit (12) is attached to the cable. Next, workers in the boat measure the depth of the reservoir (14) at the installation point. Based on the measurement results, the length of the cable between the pumping block (12) and the anchor weight (13) is calculated so that the emitter block (11) is immersed in water to a depth of 1-1.5 meters. The weight is tied to the pumping block, then the emitter block (11) is connected to it with a cable (15), and the entire structure is thrown overboard. The emitter block (11) is equipped with a foam float, which pulls the emitter to the surface of the reservoir, ensuring vertical tension of the cables and placing the emitter in the water column.
После установки устройства кабель на берегу подсоединяется к блоку питания, блок питания подсоединяется к сети, далее в блоке питания включается дифференциальный автомат, подающий сетевое напряжение на выпрямитель. Встроенный в блок питания (8) вольтметр показывает текущее напряжение на выходе блока питания, а встроенный амперметр показывает ток генератора. При запуске операторы производят регулировку напряжения на выходе блока питания таким образом, чтобы компенсировать омические потери на кабеле питания. Сопротивление кабеля, предварительно измеренное на берегу, умножается на рабочий ток потребления излучателя, и полученная добавка прибавляется к номинальному напряжению генератора 12 В. Например, при токе генератора 5 А и сопротивлении кабеля 1 Ом добавка составляет 5 В, то есть, на выходе источника питания должно быть 17 В.After installing the device, the cable on shore is connected to the power supply, the power supply is connected to the network, then a differential circuit breaker is switched on in the power supply, supplying mains voltage to the rectifier. The voltmeter built into the power supply (8) shows the current voltage at the output of the power supply, and the built-in ammeter shows the generator current. At startup, operators adjust the voltage at the power supply output to compensate for ohmic losses on the power cable. The cable resistance, previously measured on shore, is multiplied by the operating current consumption of the emitter, and the resulting additive is added to the rated voltage of the generator 12 V. For example, with a generator current of 5 A and a cable resistance of 1 Ohm, the additive is 5 V, that is, at the output of the power source should be 17 V.
Такая скрытная установка ультразвукового устройства обеспечивает его безопасность, антивандальность и позволяет воздействовать на клетки цианобактерий во всем объеме водоема в течение всего их вегетационного периода.Such a secret installation of the ultrasonic device ensures its safety, vandal resistance and allows it to influence cyanobacteria cells throughout the entire volume of the reservoir throughout their growing season.
В заявляемом техническом решении управление передается вместе с питанием по одним проводам с помощью модема: это позволяет ограничиться двужильным кабелем, что дешевле и проще в исполнении.In the proposed technical solution, control is transmitted along with power over one wire using a modem: this allows you to use a two-core cable, which is cheaper and easier to implement.
Преобразователь, входящий в состав заявляемого устройства, имеет блок питания, который компенсирует потери в кабеле и гарантирует постоянное рабочее напряжение системы, в том числе для длинных кабелей, брошенных с берега; причем преобразователь может работать постоянно.The converter included in the claimed device has a power supply that compensates for losses in the cable and guarantees a constant operating voltage of the system, including for long cables thrown from the shore; Moreover, the converter can operate continuously.
Модули излучателей подбираются с собственными резонансами вблизи частот подавления водорослей.Emitter modules are selected with their own resonances near algae suppression frequencies.
Блок питания может вырабатывать напряжение до 100 В, что, с учетом затухания энергии волн обратно пропорционально квадрату расстояния, позволяет увеличить площадь покрытия внутри водоема с мощностью звука выше порогового значения.The power supply can produce voltages up to 100 V, which, taking into account the attenuation of wave energy in inverse proportion to the square of the distance, allows you to increase the coverage area inside the reservoir with sound power above the threshold value.
Устройство (блок) управления содержит модем для связи подводного блока c наземным, и эта связь используется для получения обратной связи о состоянии устройства под водой, а излучающий модуль может иметь любую желаемую заказчиком диаграмму направленности.The control device (unit) contains a modem for communication between the underwater unit and the ground unit, and this connection is used to receive feedback about the state of the device under water, and the emitting module can have any directional pattern desired by the customer.
Модуль (блок) излучателей конструктивно позволяет соединять несколько одинаковых модулей в каскад, подключенный к общему генератору, чтобы минимизировать кабельные соединения между генератором колебаний и модулями антенн, учитывая, что кабель питания от берегового источника питания может быть очень длинным (-100-200 м), а кабели от генератора до излучателей (~2-8 м).The emitter module (block) structurally allows you to connect several identical modules in a cascade connected to a common generator in order to minimize cable connections between the oscillator and antenna modules, taking into account that the power cable from the shore power source can be very long (-100-200 m) , and cables from the generator to the emitters (~2-8 m).
Для подключения к блоку накачки посредством кабеля используются паяные соединения с герметичными разъемами IP67. Также используются типовые пьезоэлементы (пьезоэлектрические преобразователи), работающие на собственных частотах, которые выбираются по наиболее выраженному влиянию на определенный вид водорослей: для них не имеет большого значения возбуждение вне зоны собственного резонанса.To connect to the pumping unit via cable, solder connections with sealed IP67 connectors are used. Standard piezoelements (piezoelectric transducers) are also used, operating at natural frequencies, which are selected according to the most pronounced effect on a certain type of algae: for them, excitation outside the zone of their own resonance is not of great importance.
Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявленного изобретения, заключается в увеличении площади ультразвукового воздействия на цианобактерий в водоеме и достигается за счет того, что генератор электрических колебаний под управлением микроконтроллера программно настраивается на работу на резонансных частотах пьезоэлектрических преобразователей в блоке излучателей, а блок питания вырабатывает напряжение до 100 В.The technical result achieved by the combination of features of the claimed invention is to increase the area of ultrasonic influence on cyanobacteria in a reservoir and is achieved due to the fact that the electrical oscillation generator under the control of a microcontroller is programmatically configured to operate at the resonant frequencies of piezoelectric transducers in the emitter unit, and the power supply generates voltage up to 100 V.
Claims (17)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2823253C1 true RU2823253C1 (en) | 2024-07-22 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030097042A (en) * | 2002-06-18 | 2003-12-31 | 한국생명공학연구원 | Ultrasonic method and apparatus suppressing algal growth |
| CN101780997A (en) * | 2010-04-01 | 2010-07-21 | 哈尔滨工业大学 | Equipment for inhibiting alga growth by utilizing ultrasonic wave |
| KR20100107132A (en) * | 2009-03-25 | 2010-10-05 | 주식회사 링콘테크놀로지 | Floating and circling type algae remover |
| RU117746U1 (en) * | 2012-02-07 | 2012-06-27 | Хорьяков Владимир Владимирович | LOW VOLTAGE DC POWER SUPPLY |
| RU130602U1 (en) * | 2013-03-06 | 2013-07-27 | Закрытое акционерное общество "Ультразвуковая техника-ИНЛАБ" | ULTRASONIC DEVICE FOR CLEANING RESERVOIRS |
| RU181669U1 (en) * | 2017-08-14 | 2018-07-26 | Алена Александровна Вьюгинова | Ultrasonic device for cleaning water bodies from microbiological contaminants |
| US10399867B2 (en) * | 2016-05-03 | 2019-09-03 | Antonio Trigiani | Ultrasonic algae control |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030097042A (en) * | 2002-06-18 | 2003-12-31 | 한국생명공학연구원 | Ultrasonic method and apparatus suppressing algal growth |
| KR20100107132A (en) * | 2009-03-25 | 2010-10-05 | 주식회사 링콘테크놀로지 | Floating and circling type algae remover |
| CN101780997A (en) * | 2010-04-01 | 2010-07-21 | 哈尔滨工业大学 | Equipment for inhibiting alga growth by utilizing ultrasonic wave |
| RU117746U1 (en) * | 2012-02-07 | 2012-06-27 | Хорьяков Владимир Владимирович | LOW VOLTAGE DC POWER SUPPLY |
| RU130602U1 (en) * | 2013-03-06 | 2013-07-27 | Закрытое акционерное общество "Ультразвуковая техника-ИНЛАБ" | ULTRASONIC DEVICE FOR CLEANING RESERVOIRS |
| US10399867B2 (en) * | 2016-05-03 | 2019-09-03 | Antonio Trigiani | Ultrasonic algae control |
| RU181669U1 (en) * | 2017-08-14 | 2018-07-26 | Алена Александровна Вьюгинова | Ultrasonic device for cleaning water bodies from microbiological contaminants |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.А. ВЬЮГИНОВА. Ультразвуковой комплекс для борьбы с водорослевой флорой в открытых водоемах, Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ", N4, 2018, с. 81-85. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10399867B2 (en) | Ultrasonic algae control | |
| NL2007561C2 (en) | A system and method for predicting, monitoring, preventing and controlling algae in open water. | |
| US10524395B2 (en) | Artificial reef datacenter | |
| KR200458032Y1 (en) | Rotating Bird Repellent Using Solar Cell | |
| TWI821402B (en) | Antifouling system with inductive power transfer for use in protecting a surface against biofouling | |
| WO2009150436A2 (en) | An anti-fouling device | |
| US5432756A (en) | Zebra mussel (Dreissena polymorpha) and other aquatic organism control | |
| DE502004012070D1 (en) | CONSTRUCTION OF AN ELECTRODYNAMIC FRACTION SYSTEM | |
| RU2823253C1 (en) | Secretly installed stationary ultrasonic device for controlling cyanobacterial bloom of small water bodies | |
| WO2009020392A2 (en) | Watertight ultrasonic transducer | |
| EP2890606A1 (en) | System and method for prevention of adhesion of organisms in water to a substrate in contact with water | |
| JP2004081119A (en) | Method for carrying out removal and antisticking of aquatic organism | |
| US20100126942A1 (en) | Multi-frequency ultrasonic apparatus and process with exposed transmitting head | |
| US11390961B2 (en) | System and method for prevention of adhesion of marine organisms to a substrate contacting with seawater | |
| US5152637A (en) | Device for eliminating marine life from water intake covers | |
| CN112584701A (en) | Mosquito killer | |
| US11299406B2 (en) | Algae and biofilm control by mimicking turbulence | |
| US20220242755A1 (en) | Enhanced algae control system transducer | |
| US20240124332A1 (en) | Local algae control for submerged equipment | |
| CN209367860U (en) | A kind of control device for bacterium, algae | |
| CN112606987A (en) | Ultrasonic system for protecting subsea valve box | |
| EP4382492A1 (en) | Ultrasonic wave antennas for the elimination of algae and microorganisms | |
| KR102384602B1 (en) | Load arrangement to power a load in a liquid | |
| JPH06113694A (en) | Ultrasonic oscillator for growing fish and shellfish | |
| JP2607089B2 (en) | Ultrasonic fish net |