Бесконтактный способ измерения толщины нефтяной пленки на поверхности воды Советский патент 1992 года по МПК G01B11/06 

теля, определением среднего значения по небольшому числу значений, полученных в различные моменты времени, в течение которых происходит изменение толщины пленки волнением водной поверхности.

Наиболее существенным недостатком способа является узкий интервал контролируемых толщин, который всего в несколько раз превосходит длину волны зондирующего излучения. Кроме того, способ позволяет определять только среднюю толщину пленки нефти и не позволяет определять такие важные параметры, как функцию распределения толщины и объем пролитой нефти

Целью изобретения является повышение точности измерения, расширение информативности способа и диапазона измеряемых толщин,

Поставленная цель достигав гея тем, что формируют частотно-модулированный пучок, делят его на два пучка, один из пучков расширяют и направляют на анализируемую поверхность воды, второй пучок направляют в сравнительный канал, формирующий два опорных с заданной временной задержкой друг относительно друга, регистрируют в плоскости изображения поверхности воды излучение, отраженное обеими поверхностями нефтяной пленки, одновременно с этим регистрируют излучение двух пространственно-совмещенных опорных пучков в другой части плоскости регистрации, не совпадающей с изображением поверхности воды, фиксируют временное изменение интенсивности регистрируемого излучения, по спектру которого судят о средней толщине пленки нефти, функции распределения ее толщины, объеме пролитой нефти.

Повышение точности измерений обусловлено отсутствием влияния водной поверхности, качки носителя, неоднородностей нефтяной пленки и др. на информативный параметр - частоту биений интенсивности в плоскости регистрации, обусловленной сложением разночастотных сигналов, отраженных верхней и нижней поверхностями пленки в каждой точке водной поверхности в отдельности, а также наличием сравнительного канала.

Расширение диапазона измеряемых толщин обусловлено тем, что известными способами можно регистрировать частоты биений от доль герца до мегагерц, что соответствует измеряемым толщинам or сотен ангстрем до десятков метров, а совокупность действий, составляющих сущность способа, позволяет дополнительно определять функцию распределения толщины и объем пролитой нефти

Теоретические основы способа. Пусть частотно-модулированное лазерное излучение, например, по пилообразному закону (фиг.1) попадает на пленку под

углом ег(фиг.2). В точке А происходит амплитудное деление луча на два, один из кото- рых отражается (луч 1), а второй

преломляется, отражается от нижней грани пленки, вторично преломляется на верхней

грани и распространяется в направлении, параллельном лучу 1 (луч 2). В связи с тем, что лучи проходят разные расстояния соответственно AD и АВ + В С с разной скоростью (луч 1 в среде с показателем

преломления щ, а луч 2 в среде с показателем преломления П2), за счет временной задержки At между ними возникает частотный сдвиг, который можно экспериментально измерить. Найдем взаимосвязь

величины частотного сдвига Avc параметрами пленки (толщиной h и показателем преломления П2).

Временной сдвиг между лучами 1 и 2 (фиг.2) дается выражением

At - па(АВ + ВС) - ni AD

С

30

2h

ni - n sfn2 a

(D

где ni и HZ - показатели преломления среды и пленки соответственно; а- угол падения излучения на пленку; с - скорость света в вакууме.

Частота биений отраженного от поверхности пленки излучения A v связана с временным сдвигом At (фиг,1) соотношением

40 Av At-tg/.

(2)

Параметр (3 можно исключить из уравнений, если воспользоваться опорным каналом, в котором часть частотно-мо- дулированного излучения отражается пленкой известной толщины Ьи, и показателем преломления пи. В этом случае выполняется соотношение

50

Av/At An/AtH

(3)

Таким образом для толщины искомой пленки найдем

55

. Av . т, . h Zfifc пЈ Ьи

(4)

В уравнении (4) h - искомая толщина пленки Av/AvM - отношение частотных

сдвигов в измерительном и опорном каналах, равное отношению частотных биений сигнала, регистрируемого в измерительном и опорном каналах; Пи/П2 - отношение показателей преломления вещества пленки в измерительном и опорном каналах; Ни - толщина пленки в опорном канале.

Пусть на взволнованную поверхность падает излучение с модулированной частотой по пилообразному закону (фиг.1). Тогда отраженное назад излучение зеркальными площадками поверхности, покрытой пленкой нейти, будет промодулировано по интенсивности в результате разночастотной интерференции (биения), частота биений будет пропорциональна толщине пленки нефти

. , Ппл Ппл h w-6wn

(5)

где пп,1 ппл - оптическая толщина пленки опорного (сравнительного) канала; (Dnn частота биений излучения, прошедшего через сравнительный канал; пн показатель преломления нефти для зондирующего излучения.

Если облучение проводить сферической полной, а отраженное излучение рассматривать в плоскости изображения, то участки поверхности с зеркальными площадками будут сосредоточены 0 замкнутой области изображения вблизи ортогонального направления (при условии нормального облучения поверхности). По расположению этих участков в изображении можно определить эффективную область анализа S0. Размеры участка анализа зависят от высоты датчика, т.е. расстояния от датчика до поверхности, характера структуры взволнованной поверхности и бальности моря. Отраженное излучение от различных участков поверхности дает суммарный спектр f(o ), примерная форма которого изобрах ена на фиг.З (с учетом опорного канала).

На фиг.З использованы обозначения: Umin частота биений, соответствующая наименьшей толщине пленки нефти в анализируемой области; Одпах - частота биений, соответствующая наибольшей толщине пленки нефти в анализируемой области.

Интегральные соотношения для определения искомых величин имеют следующий вид:

функция распределения толщины пленки по анализируемой области нефтяного пятна

/(

hnH Ппл Ппл

Wh/l) (6)

объем нефти в анализируемой области V So Ппл Ьпл ft,.f7)cb (7)

МллПн Оо J«mm J

средняя толщина пленки нефти

h V Ппл-h .jOfaaxp.dQ, (8) So УплПн Ob rnln v

где

°ь3СГ -fHd,

Отметим, что соотношения (6) - (8) точно описывают искомые величины в случае мгновенного обеспечения большого числа зеркальных точек в области анализа, достаточного для полной характеристики статического ансамбля, т.е. стабилизации зависимости f( u). Если же количество зеркальных точек в области анализа в момент регистрации отраженного сигнала мало (обедненная выборка из статистического

ансамбля), то необходимо проводить усреднение во времени значений f(w) одной реализации до тех пор, пока не буд«т обеспечено достаточное количество зеркальных точек, т.е. сформирован полный

статистический ансамбль.

Предлагаемый способ поясняется блок- схемой на фиг.4. Она содержит следующие блоки-операторы, размещенные в функциональной последовательности: блок 1 - источник частотно- модулированного лазерного излучения, оптически связанный по ходу падающего излучения через дели- тельно-смесительный блок2 с блоком 3 фор-мирования опорных лучей сравнительного канала и оптическим блочком-расширителем 4, первый блок 5 регистрации оптически связан по ходу отраженного излучения через делительно-смесительный блок 2 с блоком 3 формирования опорных лучей сравнительного канала и оптическим блоком-расширителем 4, плоскость 6 регистрации которого совпадает с изображением анализируемой поверхности воды, покрытой пленкой нефти, второй блок 7 регистрации оптически связан по ходу отраженного луча через делительный блок 8 и делительно-смесительный блок 2 с оптическим блоком-расширителем 4, вход блока 9

спектрального анализа электрически связан с выходом блока 5, а выход блока 9 электрически связан с блоком 10 анализа, анализируемая водная поверхность, покрытая пленкой нефти 11, оптически связана по

ходу падающего излучения с оптическим блоком-расширителем 4.

На фиг,5 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ,

Устройство работает следующим образом.

Пучок частотно-модулированного излучения с линейной зависимостью частоты от времени от лазерного источника 1 попадает на делительно-смесительное полупрозрачное зеркало 2, делится на два пучка, один из которых попадает на плоскопараллельную пленку известной толщины и показателя преломления, представляющую собой блок формирования опорных пучков сравнительного канала 3. В этом канале пучок отражается от передней и задней поверхностей пленки, т.е. формируются два отраженных пучка с заданной временной задержкой, обусловленной оптической разностью хода, следовательно, заданным частотным сдвигом, которые интерферируют и формируют суммарное поле, интенсивность которого изменяется во времени с частотой, пропорциональной разности частот обоих опорных пучков. Второй пучок оптической системой 4 расширяется и направляется на анализируемую водную поверхность, покрытую нефтяной пленкой 11. Отраженное поле от каждой зеркальной точки водной поверхности, покрытой нефтяной пленкой, формирует поле, частота биений интенсивности которого пропорциональна оптической разности хода лучей, отраженных верхней и нижней измеряемой нефтяной пленки пог верхностями. Оптическая система 4 через полупрозрачное зеркало 2 формирует в плоскости 6 регистрации, с помощью делительного зеркала 8 в плоскости регистрации блока 7 изображение анализируемой поверхности 11. а также направляется в плоскость 6 регистрации излучение двух пространственно совмещенных пучков из сравнительного канала 3 через полупрозрачное зеркало 2 без перекрытия с областью формирования изобрах ения анализируемой поверхности. Регистрация интенсивности в плоскости изображения позволяет избежать возникновения шумовых биений интенсивности, обусловленных сложением лучей от различных зеркальных точек.

Таким образом спектр суммарного регистрируемого сигнала является результатом аддитивного сложения спектров сигналов от каждой зеркальной точки в отдельности, а также от опорного канала.

Геометрические размеры изображения в плоскости регистрации блока 7 позволяют определить размер эффективной площади

анализируемой поверхности с использованием заданных параметров оптической системы 4 и расстояния от оптической системы 4 до водной поверхности 11. Отметим, что

эффективная площадь определяется площадью фигуры, на которую проектируются изображения всех зеркальных точек поверхности 11 за время проведения усредненного анализа всех искомых параметров. Блок

5, представляющий собой фотоприемник, регистрирует изменение во времени интенсивности суммарного поля в плоскости б регистрации. Анализатор 9 спектра позволяет получить спектр f(o)) в результате обработки выходного электрического сигнала фотоприемника 5, а также значение щ.

Блок 10 анализа по известным параметрам пленки в сравнительном канале: пл, Ьпл, эффективной площади анализа водной

поверхности, покрытой измеряемой нефтяной лленкой So, а также полученным с помощью анализатора спектра величинам f( ш) и о определяет искомые величины; функцию распределения толщины пленки

по формуле (6), объем пролитой нефти по формуле (7), среднюю толщину пленки нефти по формуле (8).

Таким образом предлагаемый способ является эффективным интегральным способом, устойчивым к некотролируемым факторам, обеспечивающим измерение средней толщины пленки нефти, ее функции распределения по толщинам и объема пролитой нефти в диапазоне толщин, согласно

теоретическим оценкам, от сотен ангстрем до десятков метров.

Формула изобретения Бесконтактный способ измерения толщины нефтяной пленки на поверхности воды, заключающийся в том, что оптическое излучение делят на два пучка, направляют на поверхность воды, регистрируют отраженное излучение, определяют среднюю толщину нефтяной пленки, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения, расширения информативности способа и диапазона измеряемых толщин, используют частотно-модулированное лазерное излучение с линейной зависимостью частоты от времени, после деления его на два пучка один пучок расширяют и направляют на нефтяную пленку на поверхности воды, а другой пучок направляют в сравнительный канал, предназначенный

для формирования двух опорных пучков с заданной временной задержкой относительно друг друга, регистрируют в плоскости изображения поверхности воды излучение, отраженное поверхностями нефтяной пленки, одновременно регистрируютют временное изменение интенсивности

в плоскости, не совпадающей с изображе-регистрируемых излучений, по спектру конием поверхности воды, излучение двухторого судят о средней толщине нефтяной

пространственно совмещенных опорныхпленки, функции распределения ее толщипучков из сравнительного канала и фиксиру-5 ны и объеме ,

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в самолетных системах контроля загрязнения нефтью морской поверхности и в очистных сооружениях портов и промышленных предприятий. Цель изобретения - повышение точности измерения, расширение информативности способа и диапазона измеряемых толщин за счет формирования опорного канала и устранения влияния неконтролируемых факторов на информативный параметр - изменение интенсивности во времени в плоскости регистрации за счет Способ дистанционного измерения толщины нефтяной пленки на поверхности воды относится к измерительной технике и может быть использован в самолетных системах контроля загрязнения нефтью морской поверхности и в очистных сооружениях портов и промышленных предприятий В качестве прототипа выбран способ измерения толщины нефтяной пленки на поверхности водоемов Здесь оптический луч делят на два луча направляют на поверхность водоема, регистрируют отраженное возможности измерения толщин от сотен ангстрем до десятков метров, а также за счет увеличения числа измеряемых параметров- помимо средней толщины пленки нефти, еще и функции распределения ее толщины и объема пролитой нефти Формируют частотно-модулированный пучок, делят его на два пучка. Один из пучков расширяют и направляют на анализируемую поверхность воды, покрытой нефтяной пленкой. Второй пучок направляют в сравнительный канал, формирующий два опорных пучка с заданной временной задержкой друг относительно друга. Регистрируют в плоскости изображения поверхности воды излучение, отраженное обеими поверхностями нефтяной пленки, одновременно с этим регистрируют излучение двух пространственно-совмещенных опорных пучков в другой части плоскости регистрации, не совпадающей с изображением поверхности воды. Фиксируют временное изменение интенсивности регистрируемого излучения, по спектру которого судят о средней толщине пленки нефти, функции распределения ее толщины, объеме пролитой нефти 5 ил. излучение, по которому судят о средней толщине пленки 1 Недостатком прототипа является низкая точность измерений среднего значения толщины пленки нефти, обусловленная рядом причин- необходимостью использования заранее известной зависимости #пред f(h), которая зависит от типа бассейна, значительной погрешностью измерения предельного угла 30 процентов существенным влиянием на результаты измерения волнения водной поверхности и качки носи(Я С 3 ю :ю

Фиг,. I

uW u)m

Фиг. 3

Фяг. 4

uXtjox

/в

VutJ