Способ дистанционного измерения толщины пленки нефти на водной поверхности бассейнов Советский патент 1982 года по МПК G01J5/08 

3 .96 на ожидание установившегося теплового режима. Надежность известного способа снижается вплоть до появления сбоев При большой протяженности нефтяных разливовиз-за наличия горизонтальной неоднородности температуры воды и горизонтальной и временной неоднородности пропускания атмосферы для излучения источника и теплового излучения пленки, так как точки водной поверхности, соответствующие чистой воде и центру нефтяного пятна могут быть разнесены в пространстве на не,сколько десятков километров и во времени на несколько часов. Цель изобретения - повышение быст одействия и надежности. Это достигается тем, что согласно способу дистанционного измерения толщины пленки нефти на водной поверхности бассейнов путем облучения :загрязненной нефтью водной поверхности излучением источника длиной волны 0,3-1 известной интенсив,ности и измерениярадиационной температуры пленки нефти,после облучения, одновременно с измерением радиационной температуры облученного участка пленки измеряют радиационную температуру необлученного участка пленки, в каждый момент времени для каждой точки пленки находят разность радиационных температур между облученным и необлученным участками пленки, фиксируют время облучения пленки. и вычисляют толщину пленки нефти по формуле h Тр-н / .где разность радиационных температур между облученным и необлученным участками пленки. К; О - интенсивность облучения, Вт/м ; Т - время облучения, с; К - коэффициент пропорциональности. Сущность изобретения заключается в следующем, При облучении покрытой пленкой нефти водной поверхности мощным источ ником света (луч прожектора, луч лазера) уже через несколько секунд или даже долей секунды после включения облучения возникает разность радиационных температур между соседними учас ками пленки, один из которых облу.чен, а другой не облучен. Разность радиа14ционных температур однозначно связана с толщиной пленки нефти, если время облучения и, интенсивность облучения фиксированы. Математически эта связь описана выраже|:(ием (1). Физическая сущность формулы (1) следующая. Радиационная температура облученного участка повышается вследствие, во-первых, поглощения энергии излучения источника в пленке. Доля поглощенной энергии -зависит от толщины пленки по закону: Л )() Д) где Р - мощность источника и.злучения; R - коэффициент отражения пленки; показатель поглощения нефти на длине волны Л ; h - толщина пленки. Из выражения (2) видно, что тепловой эффект зависит от диапазона измеряемых толщин и спектрального состава излучения источника. Во-вто-. jsbix, радиационная температура облученной пленки растет с увеличением ее толщины из-за роста теплового сопротивления при передаче тепла от наиболее нагретого поверхностного слоя пленки вглубь бассейна. Этот эффект возникает вследствие того, что при. толщине пленки менее 10 мм и перепаде температур по толщине пленки менее 10 К в 41ефтяной пленке отсутствует конвективный перенос тепла (критерий Релея менее критического значения возникновения конвекции) и ее теплопроводность значительно меньше эффективной теплопроводности турбулизированной воды (теплопроводность нефти равна 0,15 Вт/мК, эффективная теплопроводность воды более 0,6 Вт/м-К). 0тсутствие конвекции в пленке нефти позволяет использовать теорию теплопроводности, разработанную для твердых уел. Эксперименты показывают, что при интенсивностях облучения более 1000 Вт/м -через время, меньшее Ю с, после включения облучения появляется разность радиационных температур между облученным и необлученным участками пленки, которая превышает 0,2 К толщине пленки более 10 мкм и мо«ет быть измерена современными ИК-радиометрами. На чертеже изображено предлагаемое устройство, реализующее способ, .Устройство содержит источник 1 излучения, выполненный на основе прожекippa видимого света, инфракрасные ра596диометры 2 и 3, включенные по дифференциальной схеме, измер йющие разност радиационных температур .между облученным 4 и необлученным 5 участками пленки, 6-борт носителя (вертолета, судна), 7 - направление движения носителя . Устройство работает следующим образом. Источник 1 излучения и инфракрасные радиометры 2 и 3 располагают на борту носителя 6 над водной поверхнос тью. Источником излучения в течение фиксированного времени (порядка нескольких секунд) облучают участок водной поверхности, покрытой пленкой нефти. Радиометры устанавливают так, что один радиометр принимает излучение (собственное, тепловое излучение объекта) от облученного участка пленки it, а другой - от необлученного участка 5. С помощью дифференциальновключенных радиометров измеряют разность радиационных температур между облученным и необлученным участками пленки и по формуле (1) находят толщину пленки. Предварительно устройство калибруют, т.е. определяют величину коэффициента пропорциональнос ти К, зависящего от теплофизических свойств нефтяной пленки, диапазона измеряемых толщин и спектрального состава источника излучения. Калибровку выполняют так. Источником излучения фиксированной интенсивности облучают пленку неф ти известной толщины и измеряют разность радиационных темп1ератур между облученным и необлученным участками пленки. По формуле (1) находят значение коэффициента пропорциональности К. Лри калибровке устройства толщина пленки может быть задана путем разлива в лабораторном танке дозированного количества нефти, либо путем взятия пробы воды из бассейна и последующего определения толщины пленки весовым, химическим или каким-либо другим контактным методом анализа. Величина коэффициента пропорциональности К прак -г..,.,..,. и. ...-г -г ,-ь..oт«,. тически не зависит от гидрометеороло гических условий, если разность радиационных температур между облученными и необлученными участками пленки лТ не превышает 5 К. При К появл ется зависимость теплоотдачи в атмосферу от скорости ветра и величина множителя К может измениться на 1020 по сравнению со значением, полу6ченныгд при калибровке, при скоростях ветра более 10 м/с. Поэтому в процессе измерения., учитывая формулу (1) при фиксированной интенсивности облучения, время облучений выбирают таким, чтобы в измеряемом диапазоне толщин пленок нефти выполнялось соотношение 0,2 К То. К (3) (нижний предел температур ограничен чувствительностью радиометра). В процессе измерения время действия облучения поддерживают постоянным либо путем задания постоянной скорости движения носителя, на борту которого установлено устройство, либо путем включения источника на фиксированное время, которое контролируется с помоц ью регистрирующего устройства, В первом случае измерения производятся с борта движущегося носителя, причем источ к излучения посылает луч вперед по курсу носителя, так, чтобы радиометр принял излучение от облученного участка пленки через несколько секунд действия облучения. Во втором случае измерения производят при остановке носителя. Пример реализации способа. В качестве источника излучения используется прожектор видимого света, создающий с борта судна на поверхности водного бассейна облучение интенсивностью 2000 Вт/м , Пусть диапазон измеряемых толщин пленок 0,1-2 мм. На поверхности воды создают пленку максимальной толщины, т.е. 2 мм, и облучают ее. Измеряют в каждый момент времени разность радиационных температур между облученным и необлученным участками пленки с помощью двух дифференциально включенных радиометров. Определяют, что через 5 с после включения облучения разность радиационных температур достигает 5.3 К. Учитывая соотношение (З)i выбирают время облучения Ц с. Наносят на поверхность водного бассейна пленку известной толщины, соответствующей примерно середине диапазона измеряемых толщин, например О 5 мм и облучают пленку в течение С. По результвтам измере измерения получена ДТ, 1,1 К. По формуле (1) находят величину коэффициента пропор-циональности К, учитывая, что3 2000 Вт/м, U с, 1i 0,5 мм 1,1 --0,5510 0,5-1000. ТЧ Таким образом, для диапазона толщин пленок от 0,1 до 2 мм для свеже9605518

разлитой нефти и лампы накаливания в качестве источника излучения расчетная формула принимает вид: дТо-н 0,553Т После выполнения указанных действий устройство откалибровано и готово для измерения толщины нефтяной пленки с борта носителя. В процессе измерений устанавливают устройство на борту судна над водной поверхностью и об лучают участок водной поверхности. Пусть интенсивность облучения равна 2200 Вт/м, время облучения 1 с. По результатам измерений получено, что разность радиационных температур между облученным и необлучениым участ ками пленки равна 3 К. По формуле (kJ определено 1,2 мм 0,5522002 По сравнению с известными способами дистанционного контроля за загрязнением водных бассейнов предложенный бпособ позволяет повысить быстродействие в ночное время и в облачную погоду более, чем на порядок, так как исключается необходимость поиска чистой подной поверхности и сокращается время проведения одного измерения. Предложенный способ позволяет повысить надежность измерения толщины пленки, так как на его точность практически не влияют протяженность нефтя ного пятна и гидрометеорологические условия. Применение предложенного способа позволит существенно повысить эффек(гивность мер по охране чистоты водных бассейнов. Способ может быть-использован при создании устройств, установленных на борту судна, вертолета или самолета и особенно эффективен в облачную погоду и ночью при аварийных разливах нефти, а также для контроля за объемом нефти в местах ее сбора, например, за боковыми заграждениями вблизи стоков промышленных вод. Формула изобретения Способ дистацинционного измерения толщины пленки нефти на водной поверхности бассейнов путем облучения загрязнеНной нефтью водной поверхности излучением источника длиной волны 0,3-1 мкм известной интенсивности и измерения радиационной температуры пленки нефти после облучения.отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и надежности, одновременно с измерением радиационной температуры облученного участка пленки измеряют радиационную температуру необлученного участка пленки, в каждый момент времени для каждой, точки пленки находят разность радиационных температур между облученным и необлученным участками пленки, фиксируют время облучения пленки и вычисляют толщину пленки нефти по формулегде разность радиационных температур между облученным и необлученным участками пленки. К; J - интенсивность облучения Вт/м , время облучения, с; - коэффициент пропорциональности. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Радиолокационные методы исследования Земли. Под ред. Ю.А. Мельника, Советское радио, 1980, с. 158-159. 2.Авторское свидетельство СССР № 8Й131, кл. G 01 J 5/50, 1980 (прототип).