Устройство для дистанционного измерения толщины пленки нефти на поверхности водоемов Советский патент 1983 года по МПК G01N21/55 

ел isP

со

Изобретение относится к техническим средствам экспресса-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 анализатор спектров флкюресценции Cl3.

Это устройство имеет узкий диапазон измеряемых толщин (0,1-10 мкм) так как ультрафиолетовое излучение сильно поглощается нефтью (глубина проникновения УФ-излучения порйдка 10 мкм). Кроме того, устройство имеет большую погрешность из-за поглощения УФ-излучения в парах и брызгах воды на дистанции между источником 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 мрдифицированного 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 пересекаются 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, сравниваемых с длиной волны излучения источника, и большая погрешность измерения толщины пленки вследствие влияния на работу устройства колебаний сигнала, обусловленных интерференцией излучения в пленке.

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

Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерений. I .

Цель достигается тем, 1то в устройство, 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, лежащей на водной поверхности, дополнительно введен второй фотоприемник, подсоединенный к электронному регистрационному блоку, источник 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 н менее 0,2 мкм, первый фотоприемник выполнен с углом зрения в пределах 0,5-1°, второй фотоприемник выполнен с углом зрения в пределах 5-20 и расположен так, что его оптическа ось источника модулированного оптического излучения над поверхностью воды и составляет с ней угол, лежащий в пределах 40-50°.

Иа 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 излучени источника модулированного оптического излучения (проекционной лампы) пунктирная линия фотоприемника (фотосопротивления СФ2-5) - штрихпунктирная линия и суммарная спектральная характеристика пары источ-. ник модулированного оптического излучения --первый фотоприемник (сплоная линия).

Устройство для дистанционного измерения толщины пленки нефти на поверхности водоемов содержит (фиг.1) широкополосный источник 1. модулированного оптического излучения, оптическая ось которого образует малый уголо1(0 of.5) 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 50, с осью истбчника 1 модулированного оптического излучения, а точка пересечения этих осей заглублена в воду 0,5-1 высоты ветровых волн; электроный регистрирующий блок 4 и выносну 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 н чкстую водную поверхность. С помощь первого 2 и второго 3 фотоприемников измеряют соответственно отра|женный и рассеянный сигналы itg и у„ и запоминают их в электронном ре гистрирующем блоке. Затем посылают луч на контролируемую Водную поверх ность. С помощью первого 2 и второго 3 фотоприемников измеряют соответственно сигналы x и Ун Сравнивают сигналы х и Xg а также Ун и Уь.Если сигнал , а УН 8 означает, что на водной поверхности Обнаружена тонкая нефтяная плен ка толщиной менее 10 мкм. По величи не отношения судят о толщине пленки, например, используя для интерпретации данных калибровочную за висимость hjjj-H (хн/хв)/ где ЬОР„ толщина пленки. Если на поверхности водоема обнару) толстая пленка нефти толщиной более 10 мкм. Тонкие нефтяные пленки практически не ослабляют интенсивность рассеянного излучения луча, а Пленки толщиной более 10 мкм заметно ослабляют рассеянный сигнал По величине отношения y.,/yg судят. .о толщине пленки нефти, например, используя калибровочную зависимость АОП (УН/УВ) 2 последнем случае сигнал первого фотоприемника не используется. Калибровку устройства проводят в одной точке -контролируемого нефтяного пятна, сравнивая пок зания фотоприемников с толщиной пленки в данной точке, измеренной каким-либо абсолютным контактным ус ройством. Эксперименты показали, чт для реально вращающихся пятен нефти -зависимости Ьосн f(„/Яр) и - f (УН/УВ можно считать линей ными. Действие устройства основано на следующих физических явлениях. Пусть устройство зондирует водную поверх. ность оптическим лучом. Отраженный сигнал на чистой водной поверхности является случайной величиной, которую можно характеризовать средним значением х за интервал корреляции I . При появлении пленки нефти на воде отраженный сигнал возрастает до среднего значения х благодаря тому, что нефть имеет в видимой и ближней инфракрасной областях спектра коэффициент отражения почти в 2 раза выше, чем вода, а также бла. годаря сглаживанию взволнованной водной поверхности, причем по последней причине рост отраженного сигнала достигает 10-20 раз. Величина отраженного сигнала Хц/Хц растет с ростом толщины тонкой нефтяной пленки, так как успокоение волнения зависит от толщины пленки.нефти. Тонкие нефтяные пленки толщиной порядка 5 мкМ полностью уничтожают рябь на водной поверхности, но почти не успокаивают крупные ветровые волны.. позтому 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 устройствапри измерении тонких нефтяных пленок. Ьд.( тем меньше, чем меньше угол зрения 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 отраженного сигнала, растет мощность источника. Расчеты и эксперименты пока.зывают, что угол зрения первого фотоприемника 2 0,5-1° является оптимальным, так как в этом случае погрешность измерения, обусловленная ограниченным углом зрения, на порядок меньше погрешности, обусловленной неоднородностью реальных плёнок нефти по толщине (в реальных пленках нефти вариации толщины пленки в пятне составляют величины от 0,2 до 10) . . Погрешность устройства существенно зависит от наличия интерференции излучения источника в пленке нефти. Для немонохромат ического 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 4% (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 дяин волн устройства, так как при этом уменьшается погрешность из-за интерференции излучения в пленке. Например, пара проекционная лампа - фотос.опротивление СФ2-5 имеет почти равномерную спектральную характеристику в области длин волн 0,5-0,75 мкм (фиг.З). Первый фотоприемник 2 трудно использовать для измерения рассеянного 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 5-20. При таком угле зрения фотоприемник .видит большую часть светящейся подводной части лучса. Диапазон углов зрения выбран в соответствии с длиной дистанции между стрелой и водной поверхностью, равной для различных судов 3-10 м. Учтено также, что длина наиболее интенсивно светящейся подводной части луча составляет поря ка 1 м. Чтобы повысить оперативность устройства, т.е. уменьшить интервал коррекции, Необходимо, чтобы второй фотоприемник постоянно видел светящуюся подводнзпо часть луча, т.е его оптическая ось должна пересекать оптическую ось источника в точке, заглубленной в воде на глубине порядка высоты ветровой волны на водно 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. .

Угол между оптическими осями дополнительного фотоприемника и источника устанавливают таким, что в дополнительный фотоприемник не попадает сигнал, отраженный от наклон|Ных элементов водной noBepxHOCTHi Минимальный угол выбран, исходя из вида функции распределения уклонов на взволнованной водной поверхности. Увеличение этого угла более 50 не целесообразно, так как растут габариты устройства. Необходимость устранения мешающего действия отраженного сигнала объяс няется 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 плен обеспечивает уменьшение погрешности измерения в несколько раз. В реальных погрешность предложенного устройства составляет OKOJ 30%, что является удовлетворительной для большинства практических задач.

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.

/N

/

/ /

V