ОДНОКАНАЛЬНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ НЕФТИ, РАЗЛИТОЙ НА ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, УСТРАНЯЮЩИЙ НЕОДНОЗНАЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01B15/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании переносного (носимого) бесконтактного измерителя толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности, с устранением неоднозначности измерения.

В настоящее время для определения толщин нефтяного слоя на водной поверхности используется способ контактного измерения с помощью акустических измерителей. В частности, известен акустический зонд для определения местоположения границ раздела жидких слоев [1]. Однако указанный способ и приборы для его реализации имеют ряд недостатков:

- использование активного радиолокационного метода измерения;

- измерение проводится контактным способом;

- ограничена возможность измерения тонких слоев нефти.

Авторам неизвестны бесконтактные одноканальные измерители толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности, с устранением неоднозначности измерений.

Задачей изобретения является создание прибора, позволяющего решить эту проблему.

Указанный технический результат достигается тем, что одноканальный бесконтактный измеритель толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности, устраняющий неоднозначность измерений, содержит рупорную антенну, жестко связанную с волноводным входом радиометрического приемника, первый инклинометр (датчик крена), по показаниям которого устанавливается нулевое значение угла крена измерителя по отношению к горизонту, второй инклинометр (датчик угла места) для установки измерителя по показаниям датчика поочередно под заданными углами измерения относительно зенита и нормали к поверхности слоя нефти, а именно ϕ _б, равного значению угла Брюстера, определяемого диэлектрической проницаемостью ε _н измеряемого слоя нефти, а также ϕ ₁ и ϕ ₂, не равными углу Брюстера, причем ϕ ₁&λτ;_{ϕ 2, вычислитель для определения действительной части диэлектрической проницаемости слоя нефти ε н, толщины слоя нефти с устранением неоднозначности на основе измеренных параметров на двух разных углах ϕ 1 и ϕ 2 и определения при измерении выхода за пределы диапазона измерений толщины слоя нефти, дисплей для отображения измеренных значений диэлектрической проницаемости ε н и толщины слоя нефти. Управление работой измерителя осуществляется набором команд с клавиатуры. При этом все функциональные узлы измерителя размещены на общей конструктивной базе и объединены в одном общем корпусе.}

На фиг.1 представлена структурная схема измерителя, состоящего из рупорной антенны 1, радиометрического приемника 2, инклинометра 3 для установки нулевого положения измерителя по отношению к горизонту, вычислителя 4, инклинометра 5 для установки углов измерения, причем выходы инклинометров соединены с вычислителем, обеспечивающим отображение данных об углах ϕ ₁ и ϕ ₂ на дисплее, дисплея 6, клавиатуры 7.

В основу работы измерителя положены известные способы измерения различных параметров нефтяной пленки в естественных условиях [2], [3], [4].

Измеритель работает следующим образом.

Перед измерением толщины слоя нефти определяют в реальном времени действительную часть диэлектрической проницаемости разлитой нефти ε _н [2] (фиг.2).

Для этого направляют измеритель под углом Брюстера относительно направления в зенит и принимают вертикально поляризованную [5] составляющую электрического поля из шумового неполяризованного излучения неба.

Значение угла Брюстера вычисляется по формуле

где ε _н - одно из предварительно заданных из пределов 1,8-3,0 возможных значений действительной части диэлектрической проницаемости слоя нефти. По принятой амплитуде электрического поля вертикальной поляризации излучения неба Е₀, которая является при измерениях опорной величиной излучения, рассчитывается в вычислителе по формулам Френеля амплитуда Е₅ переотраженного электрического поля вертикальной поляризации от нижнего слоя нефти на границе ее с водной поверхностью с учетом диэлектрической проницаемости воздуха ε ₀ и действительной части диэлектрической проницаемости воды ε _в по формуле:

где

Затем измеритель направляют под тем же углом Брюстера ϕ _б, устанавливаемым относительно нормали к поверхности слоя нефти в направлении на слой нефти, и измеряют амплитуду Е_5измер переотраженного электрического поля вертикальной поляризации от нижнего слоя нефти на границе ее с водной поверхностью, в вычислителе сравнивается измеренное значение амплитуды Е_5измер электрического поля вертикальной поляризации с рассчитанным ее значением Е_5расч, и, если разница между измеренным и рассчитанным значениями превышает заданный уровень точности, на дисплее измерителя высвечивается надпись “значение ε _н не определено”. Измерения повторяют, изменяя первоначально выбранное значение ε _н c шагом через 0,1 в заданных пределах, и добиваются совпадения рассчитанного и измеренного значений с заданной точностью.

Е_5расч=Е_5измер.

При этом на дисплее измерителя высвечивается надпись “значение ε _н определено”, а по желанию пользователя может быть вызвано с помощью клавиатуры на экран дисплея значение определенной таким образом ε _н.

Полученное значение ε _н используется в последующей процедуре определения толщины слоя нефти.

Затем проводят измерение толщины слоя нефти согласно [4], под двумя углами ϕ ₁ и ϕ ₂, не равными углу Брюстера, причем ϕ ₁&λτ;_{ϕ 2 (фиг.3).}

Измерения выполняются поочередно на углах ϕ ₁ и ϕ ₂, отсчитываемых от направления в зенит, под которыми первоначально устанавливают измеритель, и измеряют вертикально поляризованные составляющие электрического поля в шумовом неполяризованном излучении неба Е_i0, где i=1, 2 соответствуют углам ϕ ₁ и ϕ ₂.

По принятым значениям электрического поля на обоих углах измерения в вычислителе рассчитываются по формулам Френеля амплитуды электрического поля вертикальной поляризации зеркально отраженного от границы сред “воздух - пленка нефти” Е_i1 и отраженного от нижнего слоя пленки нефти на границе ее с водной поверхностью и преломленного на границе “пленка нефти - воздух” Е_i5, при известных показателях преломления сред - воздуха, воды, и действительной части диэлектрической проницаемости слоя нефти, которые записываются выражениями [3], [4]

- зеркальная составляющая электрического поля,

- преломленная составляющая электрического поля, прошедшая границу “слой нефти - воздух”,

- преломленная составляющая электрического поля на границе “воздух - слой нефти”,

- угол преломления на границе сред “воздух - слой нефти”,

- угол преломления на границе сред “слой нефти - вода”.

Далее измеритель направляют поочередно под углами ϕ ₁ и ϕ ₂, устанавливаемыми относительно нормали к поверхности слоя нефти в направлении на слой нефти, и измеряют поочередно на каждом угле сумму когерентных волн U2изм

- измеренное значение сумм когерентных волн на соответствующих углах измерения ϕ ₁ и ϕ ₂,

где - сдвиг фаз на каждом угле измерения.

- сдвиг фаз в радианах на каждом угле измерения,

где - волновое число для каждого угла измерения в данной структуре сред,

- толщина слоя нефти на каждом угле измерения.

При сдвиге фаз между зеркальными и переотраженными составляющими Δ ϕ ≤ π на каждом угле измерения выполняется равенство d₁=d₂, определяющее однозначное значение измеряемой толщины слоя нефти с заданным допуском, например, не хуже ± 3,0%.

Если сдвиг фаз Δ ϕ &γτ; π , появляется неоднозначность в определении толщины слоя нефти [4].

Критерием перехода к неоднозначности определения толщины слоя нефти служит расхождение измеренных значений толщины пленки на углах ϕ ₁ и ϕ ₂, то есть d₁≠_d2.

Проведение измерений на двух углах ϕ ₁ и ϕ ₂ не равных углу Брюстера, позволяет устранить неоднозначность измерений и тем самым расширить диапазон измерения толщин слоя нефти, причем при измерении принимается неравенство ϕ ₁&λτ;_{ϕ 2. При измерении, если в вычислителе определено, что d2&γτ;d1, то фактическое значение толщины слоя нефти определяется для каждого угла после уточнения сдвига фаз между зеркальной составляющей E1 и преломленной составляющей E5 следующим образом:}

а толщина слоя нефти:

при этом должно выполняться с заданным допуском равенство толщин на углах ϕ ₁ и ϕ ₂

d′ _фак.1=d′ _фак.2.

Если в вычислителе определено, что d₁&γτ;_{d2, тo фактическое значение толщины слоя нефти определяется после уточнения сдвига фаз между зеркальной составляющей Е1 и преломленной составляющей Е5 следующим образом:}

а толщина слоя нефти:

при этом выполняется равенство толщин слоя нефти с заданным допуском на ϕ ₁ и ϕ ₂

d″ _фак.1=d″ _фак.2,

где К - волновое число для каждого угла измерения в данной структуре сред,

Δ ϕ ′ _фак. и Δ ϕ ″ _фак. - уточненный сдвиг фаз для каждого угла измерения [4].

Измеренное значение толщины слоя нефти отображается на экране дисплея.

Если для случая, когда d₁&γτ;_{d2, при вычислении по соответствующим формулам не выполняется совпадение полученных значений d″ 1фак. и d″ 2фак., то это определяет выход за предел диапазона измеряемой толщины в частотном диапазоне используемого радиометрического измерителя. В этом случае на экране дисплея отображается надпись “выход за пределы измерения”.}

Реализация изобретения может быть осуществлена на серийно выпускаемых изделиях:

- рупорная антенна - типовое изделие используемого диапазона длин волн,

- радиометрический приемник может быть построен по схеме модуляционного одноканального приемника [6], например на базе серийно выпускаемых ЗАО “НПП “Салют-27” (г.Нижний Новгород) радиометрических приемников,

- в качестве вычислителя может использоваться микроконтроллер Octagon 6040 фирмы Octagon Systems с сопрягаемыми с ним дисплеем и клавиатурой,

- в качестве датчиков углов могут использоваться инклинометры типа ДК-1, выпускаемые ООО “микропроцессорные технологии” (г.Москва).

Литература

1. Патент РФ №2159412 на изобретение “Акустический зонд для определения местоположения границ раздела жидких слоев”.

2. Патент РФ №2202779 на изобретение “Пассивный дистанционный способ определения действительной части диэлектрической проницаемости пленки нефти, разлитой на водной поверхности”.

3. Патент РФ №2207500 на изобретение “Пассивный дистанционный способ определения толщины пленки нефтепродукта, разлитой на водной поверхности”.

4. Патент РФ №2207502 на изобретение “Способ устранения неоднозначности при измерении толщины пленки нефтепродукта, разлитого на водной поверхности”.

5. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. Высшая школа, М., 1978 г.

6. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Перийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. Под редакцией Королькова Д.В. Изд-во “Наука”, Главная редакция Физико-математической литературы, Москва, 1973 г.

Использование: для измерения толщины слоя нефти. Сущность: заключается в том, что одноканальный бесконтактный измеритель толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности, устраняющий неоднозначность измерений, позволяет определять диэлектрическую проницаемость и толщину слоя нефти в широком диапазоне толщин при измерении на двух углах, не равных углу Брюстера. Расширение диапазона измеряемых толщин слоя нефти достигается уточнением фазовых набегов на каждом угле измерения. Технический результат: упрощение конструкции, расширение диапазона толщин измеряемых слоев нефти, повышение точности измерений бесконтактным способом. 3 ил.

Одноканальный бесконтактный измеритель толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности, устраняющий неоднозначность измерений, содержащий рупорную антенну, жестко связанную с волноводным входом радиометрического приемника, измеряющего амплитуды электрического поля вертикальной поляризации излучения неба, первый инклинометр (датчик крена), по показаниям которого устанавливается нулевое значение угла крена измерителя по отношению к горизонту, второй инклинометр (датчик угла места) для установки измерителя по показаниям датчика поочередно под заданными углами измерения относительно зенита и нормали к поверхности слоя нефти, а именно, ϕ_б, равного значению угла Брюстера, определяемого диэлектрической проницаемостью ε_н измеряемого слоя нефти, а также ϕ₁ и ϕ_2, не равными углу Брюстера, причем ϕ₁<ϕ₂, вычислитель с сопрягаемыми с ним дисплеем и клавиатурой, соединенный с выходами инклинометров, служащий для определения, по принятой амплитуде электрического поля вертикальной поляризации излучения неба, действительной части диэлектрической проницаемости слоя нефти ε_н, толщины слоя с устранением неоднозначности на основе измеренных параметров на двух разных углах ϕ₁ и ϕ₂ и определения выхода за пределы диапазона измерений толщины слоя нефти, дисплей для отображения результатов измерений, клавиатуру для набора команд, управляющих работой измерителя, при этом все функциональные узлы измерителя размещены на общей конструктивной базе и объединены в одном общем корпусе.