Устройство для дистанционного измерения толщины пленки нефти на поверхности водоемов

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЩИНЫ ПЛЕНКИ НЕФТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДОЕМОВ,, содержащее источник модулированного оптического излучения и фотоприемник, соединенный с электронным регистрирующим блоком, расположенные так, что их оптические оси лежат в одной плоскости с нормалью к водной поверхности и пересекаются в точке, лежа|щей на водной поверхности, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, в него дополнительно, введен второй фотоприемник , подсоединенный к электронному регистрирующему блоку, источник модулированного оптического излучения и первый%отоприемник выполнены широкополосными по спектру длин волн излучения с суммарной спект- . ральной характеристикой пары источник модулированного оптического иэ:лучения - первый фотоприемник, равномерной в интервале длин волн не менее 0,2 мкм, первый фотоприемник выполнен с углом зрения в пределах 0,5-1°, второй фотоприемник выполнен (Л с углом зрения в пределах 5-20 и расположен так., что его оптическая ось пересекает оптическую ось источника модулированного оптического излучения под поверхностью воды и. составляет с ней угол, лежащий в пределах 40-50.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

: 3(S1) G 0l N 21 55

ГО(УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 332 54 5 5/18-2 5 (22) 18.05.81 (46) 07.04.83. . Бюл. 9 13 (72) Т.Ю.Шевелева и Н.Б.Леус (7l) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (53) 535.24(088.8) (56) 1. Cross H., Davis A., drums.

Remote эепз1пд of oil on the water

using Разег гейисей f0uoresceuse.

Al AA Paper, 1971, Р 1076, р.l-б.

2. Крылова Г.Н. Интерференционные покрытия. Л.„ Машиностроение, 1973, с.192-.193 (прототип) ° (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОН.НОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНКИ НЕФТИ

HA ПОВЕРХНОСТИ ВОДОЕМОВ, содержащее источник модулированного оптического излучения и фотоприемник, соединенный с электронным регистрирукщим блоком, расположенные так, что их оптические оси лежат в одной плос кости с нормалью к водной поверх" ности и пересекаются в точке, лежа.ю

„„я()„„1010523 А щей на водной поверхности, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, в него дополнительно. введен второй фотоприемник, подсоединенный к электрон- . ному регистрирующему блоку, источник модулированного оптического излучения и первыйофотоприемник выполне-ны широкополосными по спектру длин волн излучения с суммарной спектральной характеристикой пары источник модулированного оптического излучения — первый фотоприемник, равномерной в интервале длин волн не менее 0,2 мкм, первый фотоприемник выполнен с углом зрения в пределах З

0,5-1, второй фотоприемник выполнен о с углом зрения в пределах 5-20 и расположен так, что его оптическая уию ось пересекает оптическую ось источника модулированного оптическо.го излучения под поверхностью воды и составляет с ней угол, лежащий в пределах 40-50 .

1010523

Изобретение относится к техническим средствам экспресс-контроля количества пролитой нефти и может быть использовано с борта судна, на буйках и с эстакады.

Известно устройство для дистанционного измерения толщины пленки нефти, основанное на регистрации флюоресценции нефти, содержащее лазерный источник ультрафиолетового излучения, фотоприемник и анализа- 10 тор спектров флюоресценции Pl j.

Это устройство имеет узкий диапазон измеряемых толщин (0,1-10 мкм), так как ультрафиолетовое излучение сильно поглощается нефтью (глуби- 15 на проникновения УФ-излучения порядка 10 мкм). Кроме того, устройство имеет большую погрешность из-за поглощения УФ-излучения в парах и брызгах воды на дистанции между ис- gp точником и фотоприемником по ходу оптического излучения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для дистанционного измерения толщины пленки нефти на поверхности водоемов, содержащее источник модифицированного оптического излучения и фотоприемник, соединенный с электронным регистрирующим блоком, расположенные так, что их оптические оси лежат в одной плоскости с нормалью к входной поверхности и пересе. каются в точке, лежащей на водной поверхности.

Недостатками известного устройства является малый диапазон измеряемых толщин (0,1-3 мкм), поскольку отражательная способность водной поверхности зависит от толщины пленки нефти только при толщинах, сравнива- 40 емых с длиной волны излучения источника, и большая погрешность измерения толщины пленки вследствие влияния на работу устройства колебаний сигнала, обусловленных интерференци- 45 ей излучения в пленке.

Кроме того, в известном устройстве не учтено успокаивающее действие пленки нефти на волнение водной поверхности. 50

Цель изобретения - повышенне точности и расширение диапазона измерений.

Цель достигается тем, Йто в устройство, содержащее источник модули- 55 рованного оптического излучения и фотоприемник, соединенный с электронным регистрирующим блоком, расположенные так, что их оптические оси лежат в одиной плоскости с нормалью 60 к водной поверхности и пересекаются. в точке, лежащей на водной поверхности, дополнительно введен второй фотоприемник, подсоединенный к электронному регистрационному блоку, ис- 65 точник модулированного оптического излучения и первый фотоприемник выполнены широкополосными по спектру длин волн излучения с суммарной спектральной характеристикой пары источник модулированного оптического излучения — первый фотоприемник, равномерной в интервале длин волн не менее 0,2 мкм, первый фотоприемник выполнен с углом зрения в пределах

0,5-1о, второй фотоприемник выполнен с углом зрения в пределах 5-20 и расположен так, что его оптическая ось источника модулированного оптического излучения над поверхностью воды и составляет с ней угол, лежащий в пределах 40-50

На фиг.1 приведена схема устройства для дистанционного измерения толщины пленки нефти на поверхности водоемов; на фиг.2 — графики зависимости коэффициентов отражения пленки нефти в зависимости от длины волны оптического излучения для белого света (сплошная линия соответствует толщине пленки 0,2 мкм, пунктирная — 0,5 мкм, точечная

1 мкм); на фиг.3 — спектры излучения источника модулированного оптического излучения (проекционной лампы) пунктирная линия, фотоприемника (фотосопротивления СФ2-5) — штрихпунктирная линия и суммарная спектральная характеристика пары источник модулированного оптического излучения — первый фотоприемник (сплошная линия).

Устройство для дистанционного измерения толщины пленки нефти на поверхности водоемов содержит (фиг.1) широкополосный источник 1 модулированного оптического излучения, оптическая ось которого о6разует малый угол cL(0 (oL(5o) с нормалью к водной поверхности; первый фотоприемник 2, оптическая ось которого пересекает оптическую ось источника модулированного оптического излучения в точке, -лежащей на поверхности воды; второй фотоприемник 3, оптическая ось которого образует угол Р =40О- 50О, с осью истбчника 1 модулированного оптического излучения, а точка пересечения этих осей заглублена в воду

0,5-1 высоты ветровых волну электронный регистрирующий блок 4 и выносную стрелу 5, на которой закреплены источник 1 модулированного оптического излучения, первый и второй фотоприемники, и которая расположена в носовой части судна над невозмущенной судном водой поверхностью.

Устройство работает следующим образом.

Свет от источника модулированного оптического излучения посылают на

1010523 чистую водную поверхность. С помощью первого 2 и второго 3 фотоприемников измеряют соответственно отра женный и рассеянный сигналы хь и у и запоминают их в электронйом реВ гистрирующем блоке. Затем посылают луч на контролируемую водную поверхность. С помощью первого 2 и второго 3 фотоприемников измеряют соответственно сигналы хн и ун. Сравнивают сигналы х> и х> а также ун и 10 у> Если сигнал хн)хВ а ун = ув это означает, что на водной поверхности обнаружена тонкая нефтяная пленка толщиной менее 10 мкм. По величине отношения хн/х> судят о толщине 15 пленки, например, используя для интерпретации данных калибровочную зависимость hocH f(õH/õrr), где hocH толщина плейкй. Если у><у<, на поверхности водоема обнаружена тол- 20 стая пленка нефти толщиной более

10 мкм. Тонкие нефтяные пленки практически не ослабляют интенсив ность рассеянного излучения луча, а пленки толщиной более 10 мкм за- .. 75 метно ослабляют рассеянный сигнал.

По величине отношения у /уВ судят.

Н . о толщине пленки нефти, например, используя калибровочную зависимость

Ьдоп = й(Уи/Ув) ° B последнем слУ 30 чае сигнал первого фотоприемника не используется. Калибровку устройства проводят в одной точке контролируемого нефтяного пятна, сравнивая показания -Фотоприемников с толщиной пленки в данной точке, измеренной

35 каким-либо абсолютным контактным устройством. Эксперименты показали, что для реально вращающихся пятен нефти

-зависимости ho — — f (õ„/õ ) и

-hAorr = й(Ун/УВ) можно считать линей- 40 ными.

Действие устройства основано на следующих физических явлениях. Пусть устройство зондирует водную повеРх- 45 ность оптическим лучом. Отраженный сигнал на чистой водной поверхности является случайной величиной, которую можно характеризовать средним значением х за интервал корреляции ьо. При появлении пленки нефти на воде отраженный сигнал возрастает до среднего значения хн благодаря тому, что нефть имеет в видимой и ближней инфракрасной областях спектра коэффициент отражения почти в 55

2 раза выше, чем вода, а также благодаря сглаживанию взволнованной водной поверхности, причем по последней причине рост отраженного сигнала достигает 10-20 раз. Величи- 60 на отраженного сигнала х„/хб растет с ростом толщины тонкой нефтяной пленки, так как успокоение волнения зависит от толщины пленки. нефти. Тонкие нефтяные пленки толщиной I порядка 5 мкм уже полностью уничтожают рябь на водной поверхности, но почти не успокаивают крупные ветровые волны, поэтому при дальнейшем увеличении толщины пленки более

5 мкм рост отраженного сигнала практически прекращается. Этот эффект ограничивает верхний диапазон толщин пленок, измеряемых с помощью первого фотоприемника 2. Погрешность устройства при измерении тонких нефтяных пленок, h „ тем меньше, чем меньше угол зреййя первого фотоприемника, так как в этом случае устройство более чувствительно к Форме функции распределения уклонов на взволнованной водной поверхности. Однако брать очень малый (менее 0,5 ) угол зрения не целе.сообразно, так как при этом существенно уменьшается величина отражен ного сигнала, растет мощность источника. Расчеты и эксперименты пока.зывают, что угол зрения первого фотоприемника 2 0,5-1О является оптимальным, так как в этом случае погрешнос.ть измерения, обусловленная ограниченным углом зрения, на порядок меньше погрешности, обусловленной неоднородностью реальных пленок нефти по толщине (в реальных пленках нефти вариации толщины пленки в пятне составляют величины от 0,2 до 10) .

Погрешность устройства существен- но зависит от наличия интерференции излучения источника в пленке нефти.

Для немонохрома1ического луча с . широким спектром излучения максимумы и минимумы отраженного сигнала наблюдаются в пленке заданной толщины на разных длинах волн (фиг..2), а в достаточно широком спектральном диапазоне длин волн чувствительности фотоприемника усредненное значение коэффициента отражения близко к 4Ъ (коэффициент отражения нефти) ° В диапазоне толщин пленок 0,1-10 мкм минимально допустимый интервал волн для усреднения коэффициента отражения пленки нефти, при котором ошибка измерения, обусловленная интерференцией; пренебрежимо мала, составляет 0,2 мкм. При выборе пары источник-фотоприемник желательно обеспечить возможно более равномерную рабочую область дхсин волн устройства, так как при этом уменьшается погрешность иэ-эа интерференции излучения в пленке. Например, пара проекционная лампа — фотосопротивление СФ2-5 имеет почти равномерную спектральную характеристику в области длин волн 0,5-0,75 мкм (фиг.3).

Первый фотоприемник 2 трудно использовать для измерения рассеянно1010523 го сигнала, так как его параметры для этого режима работы не оптимальны, в частности этот приемник имеет низкую чувствительность, низкую оперативность при измерении толщины толстых нефтяных пленок. Для повышения чувствительности второй фотоприемник 3 выполнен широкоугольным и имеет угол зрения 5-20 . При таком угле зрения фотоприемник . видит большую часть светящейся подводной части луча. Диапазон углов зрения выбран в соответствии с длиной дистанции между стрелой и водной поверхностью, равной для различных судов 3-10 м. Учтено также, что 35 длина наиболее интенсивно светящейся, подводной части луча составляет поряд ка 1 м. Чтобы повысить оперативность устройства, т.е. уменьшить интервал коррекции, необходимо, чтобы второй р0 фотоприемник постоянно видел светящуюся подводную часть луча, т.е. его оптическая ось должна пересекать оптическую ось источника в точке, заглубленной в воде на глубине порядка высоты ветровой волны на водной поверхности. Если бы оптическая ось дополнительного фотоприемника пересекала оптическую ось источника на поверхности спокойной воды, светящаяся подводная часть луча исчезала бы из поля зрения фотоприемника во время впадин волн, увеличивая дисперсию рассеянного сигнала, т.е. снижая точность измерения., О

Угол между оптическими осями до-. полнительного фотоприемника и источника устанавливают таким, что в дополнительный фотоприемник не попадает сигнал, отраженный от наклон ных элементов водной поверхности.

Минимальный угол @= 40 выбран, исходя из вида функции распределения уклонов на взволнованной водной поверхности. Увеличение этого угла более 50 не целесообразно, о так как растут габариты устройства.

Необходимость устранения мешающего действия отраженного сигнала объясняется тем,,что величина отраженного сигнала в 10-100 раз может превышать величину рассеянного сигнала.

По сравнению с известными предложенное устройство позволяет на несколько порядков расширить диапазон измеряемых толщин нефтяных пленою обеспечивает уменьшение погрешности измерения в несколько раз. В реальных условиях погрешность предложенног устройства составляет около

30%, что является удовлетворительной для большинства практических за-. дач.

1010523

2

0 2

ОЮ

Фиг.г

Ф )

Ъ

Я с

Д ф

0$ 0

1М

Заказ 2479/33 Тираж 871

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель С.Бочинский

Редактор Г.Безвершенко Техред М.Коштура Корректор М Демчик