Пассивный дистанционный способ определения толщины пленки нефтепродукта, разлитой на водной поверхности

 

Изобретение относится к способам определения толщины неметаллических материалов и может быть использовано для определения толщины пленки нефтепродукта, разлитой на водной поверхности. Сущность изобретения: в качестве источника излучения плоской электромагнитной волны используется шумовое (фоновое) неполяризованное излучение неба в миллиметровом диапазоне длин волн, при этом принимают вертикально поляризованную составляющую амплитуды электрического поля под углом Θ, не равным углу Брюстера, по принятой амплитуде рассчитывают по формулам Френеля амплитуды составляющих электрического поля вертикальной поляризации, зеркально отраженного от границы сред "воздух - пленка нефтепродукта" и отраженного от нижнего слоя пленки нефтепродукта на границе ее с водной поверхностью и преломленного на границе "пленка нефтепродукта - воздух" при известных показателях преломления сред, затем под тем же углом Θ, установленным от нормали к поверхности пленки нефтепродукта в направлении на пленку нефтепродукта измеряют сумму амплитуд двух когерентных волн зеркальной и преломленной составляющих электрического поля вертикальной поляризации с учетом их разницы фаз на входе измерителя, и вычисляют толщину пленки нефтепродукта. Технический результат: создание способа для измерений в естественных условиях. 2 ил.

Изобретение относится к дистанционным способам определения толщины пленки нефтепродукта в миллиметровом диапазоне длин волн.

Известен способ определения толщины неметаллов с использованием среднетокового альбедного радиационного способа контроля, основанного на исследовании количественных изменений характеристик фотонного излучения после его взаимодействия с объектом контроля в сравнении с эталоном [1].

К недостаткам способа можно отнести необходимость использования рентгеновского излучения β-изотопа, применение для калибровки эталонных образцов, выполненных с точностью ±0,3 мм. Кроме того, способ применим только в лабораторных условиях.

Наиболее близким по технической сущности аналогом является способ, основанный на отражении и прохождении радиоволн через диэлектрик (оптический метод) [2] в миллиметровом диапазоне волн. При этом измеряют оптическую толщину образца или сдвиг фазы, возникающий при внесении плоскопараллельного образца между приемным и передающим рупорами. Известный способ поясняется блок схемой, показанной на фиг. 1, где обозначено: 1 - образец, 2 - излучающий рупор, 3 - приемный рупор, 4 - детектор, 5 - микрометр, 6 - генератор, 7, 8 - аттенюаторы.

Высокочастотный сигнал от генератора 6 разветвляется на две части, одна из которых излучается передающим рупором 2, а вторая попадает на детектор 4 и служит опорным сигналом. Сигнал, принимаемый приемным рупором 3, поступает на тот же детектор и сравнивается по фазе и по амплитуде с опорным сигналом. Фаза принятого сигнала регулируется положением рупора 3, амплитуда устанавливается аттенюатором 8. Если в отсутствие образца регулировками положения приемного рупора 3 и аттенюатора 8 сигнал индикатора установлен в нулевое значение (при этом принятый и опорный сигналы имеют одинаковые амплитуды и противоположные фазы), то внесение образца нарушает балансировку и для ее восстановления необходимо некоторое смещение рупора 3 на Δx. Если известен показатель преломления образца, то можно определить его толщину (в случае диэлектрика без потерь) из уравнения: , где n - показатель преломления.

В случае достаточно тонкого образца и небольших показателей преломления, когда в толщине образца укладывается меньше одной длины волн для фазового сдвига, имеем и толщина образца определяется из уравнения где λ - длина волны, излучаемая передатчиком.

Недостатками способа, выбранного в качестве прототипа, являются: сложность формирования хорошо сфокусированных пучков электромагнитного излучения, имитирующих плоскую волну, а также невозможность его использования для измерений в реальных условиях.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа для измерения в естественных условиях толщины пленки нефтепродукта, разлитой на водной поверхности.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения толщины пленки нефтепродукта, разлитой на водной поверхности, основанном на измерении отраженных электромагнитных излучений, в качестве источника плоской электромагнитной волны используют шумовое неполяризованное излучение неба в миллиметровом диапазоне длин волн, падающее на пленку нефтепродукта, находящуюся в трехслойной структуре изотропных однородных сред "воздух - пленка нефтепродукта - вода", разделенных плоскими границами [3], при этом принимают вертикально поляризованную составляющую электрического поля под углом Θ, устанавливаемым от направления в зенит и не равным углу Брюстера, по принятой амплитуде электрического поля вертикальной поляризации рассчитывают по формулам Френеля амплитуды электрического поля вертикальной поляризации, зеркально отраженного от границы сред "воздух - пленка нефтепродукта" и отраженного от нижнего слоя пленки нефтепродукта на границе ее с водной поверхностью и преломленного на границе "пленка нефтепродукта - воздух" при известных показателях преломления сред [4], затем под тем же углом Θ, установленным от нормали к поверхности пленки нефтепродукта в направлении на пленку нефтепродукта измеряют сумму амплитуд двух когерентных колебаний зеркальной и преломленной составляющих электрического поля вертикальной поляризации с учетом разницы их фаз на входе измерителя и вычисляют разность фаз ΔΦ между зеркальной E₁ и преломленной Е₅ составляющими на входе измерителя по формуле затем определяют толщину пленки нефтепродукта по формуле , где ΔΦ - разность фаз в градусах; Δφ - разность фаз в радианах; U_изм ² - суммарная амплитуда двух когерентных колебаний;
λ₀ - длина волны в свободном пространстве;
d - толщина пленки нефтепродукта;
ε₂ - действительная часть диэлектрической проницаемости пленки нефтепродукта;
Θ - угол измерения;
ψ - угол преломления на границе сред "воздух - пленка нефтепродукта".

Способ определения толщины пленки нефтепродукта, разлитой на водной поверхности, поясняется фиг. 2,
где обозначено:
Е₀ - падающая вертикально поляризованная составляющая электрического поля (ВПСЭП), излучаемая небом;
Е₁ - зеркальная ВПСЭП;
Е₂ - преломленная ВПСЭП на границе сред "воздух - пленка нефтепродукта";
Е₃ - преломленная ВПСЭП на границе сред "пленка нефтепродукта - вода";
Е₄ - зеркально отраженная ВПСЭП на границе сред "пленка нефтепродукта - вода";
Е₅ - преломленная ВПСЭП, прошедшая границу сред "пленка нефтепродукта - воздух";
И - измеритель излученной небом и преломленной ВПСЭП.

Расчет зеркальной отраженной ВПСЭП - Е₁ и преломленной ВПСЭП - E₅ проводится по формулам Френеля [5] при известных показателях преломления сред n₁ (воздух), n₂ (пленка нефтепродукта), n₃ (вода):


где


При сложении на входе измерителя зеркально отраженной ВПСЭП и преломленной ВПСЭП возникает интерференция принятых волн, амплитуда их как двух когерентных колебаний зависит от разницы путей прохождения в разных средах до измерителя (фиг. 2).

Известно [5], что, если волна проходит путь d₁ в одной среде (n₁) и путь d₂ во второй среде (n₂), то возникшая разность фаз Δψʹ будет равна

Из фиг. 2 следует: разность хода зеркально отраженной E₁ и преломленной Е₅ волн до измерителя составляет

а сдвиг фаз

где Δφ - сдвиг фаз в радианах,
λ₀ - длина волны в свободном пространстве,
f₀ - центральная сторона в полосе приема,
С - скорость света в свободном пространстве,
ε₂ - действительная часть диэлектрической проницаемости пленки нефтепродукта,
Θ - угол измерения,
ψ - угол преломления на границе сред "воздух - пленка нефтепродукта".

Амплитуда суммы двух когерентных колебаний E₁ и E₅ определяется выражением:
U_изм ² = E₁ ² + E₅ ² + 2E₁E₅cosΔΦ,
откуда

где ΔΦ - разность фаз в градусах;
тогда

Литература
1. Приборы и техника эксперимента 2 март-апрель 1987. Капранов Б.И. и др. Прибор АГАТ-1М для радиационного одностороннего контроля толщины неметаллов.

2. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. Государственное издательство физико-математической литературы. М. 1963.

3. Зубкевич С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М. Советское радио. 1968.

4. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. Высшая школа. М. 1978.

5. Ландсберг Г.С. Оптика. Издательство "Наука". Главная редакция физико-математической литературы. M. 1975.

Формула изобретения

Пассивный дистанционный способ определения толщины пленки нефтепродукта, разлитой на водной поверхности, основанный на измерении отраженных электромагнитных излучений, отличающийся тем, что в качестве источника плоской электромагнитной волны используют шумовое неполяризованное излучение неба в миллиметровом диапазоне длин волн, падающее на пленку нефтепродукта, находящейся в трехслойной структуре изотропных однородных сред "воздух - пленка нефтепродукта - вода", разделенных плоскими границами, при этом принимают вертикально поляризованную составляющую электрического поля под углом Θ, устанавливаемым от направления в зенит и не равным углу Брюстера, по принятой амплитуде электрического поля вертикальной поляризации рассчитывают по формулам Френеля амплитуды электрического поля вертикальной поляризации, зеркально отраженного от границы сред "воздух - пленка нефтепродукта" и отраженного от нижнего слоя пленки нефтепродукта на границе ее с водной поверхностью и преломленного на границе "пленка нефтепродукта - воздух" при известных показателях преломления сред, затем под тем же углом Θ, установленным от нормали к поверхности пленки нефтепродукта в направлении на пленку нефтепродукта измеряют сумму амплитуд двух когерентных колебаний зеркальной и преломленной составляющих электрического поля вертикальной поляризации с учетом разницы их фаз на входе измерителя и вычисляют разность фаз ΔΦ между зеркальной Е₁ и преломленной Е₅ составляющими на входе измерителя по формуле

затем определяют толщину пленки нефтепродукта по формуле

где ΔΦ - разность фаз в градусах;
Δ⊘ - разность фаз в радианах;
U_изм ² - суммарная амплитуда двух когерентных колебаний;
λ₀ - длина волны в свободном пространстве;
d - толщина пленки нефтепродукта;
ε₂ - действительная часть диэлектрической проницаемости пленки нефтепродукта;
Θ - угол измерения;
ψ - угол преломления на границе сред "воздух - пленка нефтепродукта".

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2