Способ дистанционного измерения толщины пленки нефти на водной поверхности бассейнов

 

(iii960551

Союз Советскик

Социапистическин

Республик

ОП ИСАНИ Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51) M. Кл. (22)Заявлено 06.03.81 (21) 3261652/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет

G 01 J 5/08

9кударсжнный комитет

ССфР

1 ио делом изобретений и открытий

Опубликован 23. 09. 82. Бюллетень № 35

Дата опубликования описания 25.09.82 (53) УДК 535.214, . 4(088. 8) (72) А вторы изобретения

Т.Ю. Вевелева, М.А. Раков, В.Т. Петренко

Ленинградский ордена Ленина злектротехнич им., В.И. Ульянова (Ленина) " с с у (7l ) Заявитель

Г1ИЫ1 .О ГЕКА (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ

ПЛЕНКИ НЕФТИ HA ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

БАССЕЙНОВ

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к методам измерения толщины пленок, и может быть использовано, например, при создании устройств, предназначенных для измерения объема пролитой в водоеме нефти с борта судна, вертолета, самолета.

Известен способ дистанционного измерения толщины пленки нефти на вод- „, ной .поверхности бассейна путем измерения температуры покрытой нефтью водной поверхности (1 3.

Недостатком известного способа является невысокая точность из-за влияния15 изменения гидрометеорологических условий.

Наиболее близким к изобретению является способ дистанционного измерения толщины пленки нефти на водной психо верхности бассейнов путем облучения загрязненной нефтью водной поверхности излучением источника длиной волны .0,3-1 мкм известной интенсивности, из2 мерения радиационной температуры чистой и покрытой пленкой нефти водных поверхностей после облучения и нахождение толщины пленки по разности радиационных температур загрязненной нефтью и чистой поверхностей в стационарном режиме (2 1.

Недостатком известного способа является низкое быстродействие в облачную погоду и ночью и невысокая надежность при большой протяженности нефтяных разливов °

Необходимость проведения измерений в таких условиях существует, так как аварийные разливы нефти наиболее вероятны в штормовую, облачную погоду.

Низкая oflepATHBHocTb 3 e THoio clio соба в облачную погоду и ночью имеет место из.-за больших затрат времени на поиски чистой водной поверхности, радиационную температуру которой необходимо измерить в процессе измерения толщины пленки, а также из-эа затрат времени (до 5 мин на каждое измерение) 20

96055 на ожидание установившегося теплового режима. Надежность известного способа снижается вплоть до появления сбоев при большой протяженности нефтяных разливов.иэ-эа наличия горизонтальной неоднородности температуры воды и горизонтальной и временной неоднородности пропускания атмосферы для излучения источника и теплового излучения пленки, так как точки водной 10 поверхности, соответствующие чистой воде и центру нефтяного пятна могут быть разнесены в пространстве на не; сколько десятков километров и во вре мени на несколько часов. 15

Цель изобретенйя - повышение быст. родействия 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 месм известной интенсив,ности и измерения радиационной температуры пленки нефти, после облучения, одновременно с измерением радиационной температуры облученного участка пленки измеряют радиационную температуру необлученного участка 30 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

35 формуле " О-Н

h = д- = где Т - разность радиационных темпеО-Н 40 ратур между облученным и необлученным участками пленки Кь интенсивность облучения, Втlм .; время облучения, с;

К - коэффициент пропорциональности, Сущность изобретения заключается в следующем„

При облучении покрытой пленкой нефти водной поверхности мощным источником света (луч прожектора, луч лазера) уже через несколько секунд или даже долей секунды после включения облучения возникает разность радиаци- 55 онных температур между соседними участками пленки, один из которых облучен, а другой не облучен. Разность радиа1 4 ционных температур однозначно связана с толщиной пленки нефти, если время облучения и интенсивность облучения фиксированы ° Математически эта связь описана выражением (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

P=>, (<-e )(-Ю,() где P - мощность источника излучения; к - коэффициент отражения пленки.; ХЛ- показатель поглощения нефти на длине волны Л ; Ь - толщина пленки. Иэ выражения (2) видно, что тепловой эффект зависит от диапазона измеряемых толщин и спектрального остава излучения источника. Во-вто-, ых, радиационная температура облуценной 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 .нефтяной 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/м К, эффективная теплопроводность воды более 0,6 Вт/м К). Отсутствие конвекции в пленке нефти позволяет использовать теорию теплопроводности, разработанную для твердых тел. Эксперименты показывают, что при интенсивностях облучения более

1000 Вт/м через время, меньшее 10 с, после включения облучения появляется разность радиационных температур между облученным и необлученным участками пленки, которая превышает 0,2 К при толщине пленки более 10 мкм и может быть измерена современными ИК-радиометрами .

На чертеже изображено предлагаемое устройство, реализующее способ. .Устройство содержит источник 1 излучения, выполненный на основе прожектора видимого света, инфракрасные ра- .

5 960551 6 иометры 2 и 3, включенные по диффе- ченнын при калибровке, при скоросдиометры и, вкл тях вет а более 10 м/с. Поэтому в проренциальной схеме, измеряющие разность тях ветра олее м с. ессе измерения, учитывая формулу (1) радиационных температур .между облу- цессе иэмер, у и ованной интенсивности обченным 4 и необлученным 5 участками при Фиксированно" л чения время облучения выбирают тапленки 6-борт носителя (вертолета, з лучени, р

t чтобы в измеряемом диапазоне судна), 7 - направление движения но- ким, чтобы в из р толщин пленок нефти выполнялось соотУстройство работает следующим об- ношение 0,2 К g i5 предел температур ограничен чувствиразом.

Источник 1 излучения и инфракрас- тельностью радиометра) . В процессе измерения время действия облучения ные радиометры 2 и 3 располагают на поддерживают постоянным либо путем борт носителя 6 над водной поверхносборту н д д задания постоянной скорости движения тью. Источником.излучения в течение носителя, на борту которого установфиксированного времени (порядка нелено устройство, либо путем включения скольких секунд) облучают участок 1s источника на фиксированное время, водной поверхности ° покрытой пленкой ист ч которое контролируется с помощью ренефти. Радиометры устанавливают так, гистрирующего устройства, В первом что один радиометр принимает излучеслучае измерения производятся с борта ние (собственное, тепловое излучение движущегося носителя, причем источ" объекта} от облученного участка плен- 20 ник излучения посылает луч вперед по ки 4 а другой - от необлученного

Э курсу носителя, так, чтобы радиометр участка 5. С помощью дифференциальнопринял излучение от облученного включенных радиометров измеряют разучастка пленки через несколько секунд ность радиационных температур между уч с действия облучения. о втором случае б Во тором случае обл ченным и необлученным участками 25 облу е измерения производят при остановке пленки и по формуле (1) находят толносителя. щину пленки. Предварительно устройПример реализации спосо а.

П р за ии способа ство калибруют, т.е. определяют веВ качестве источника излучения исличин коэффициента пропорциональносличину коэфф ц пользуется прожектор видимого света, ти зависящего от теплофизических зф создающий с борта судна на поверхности водного бассейна облучение интенсвойств нефтяной пленки, диапазона измеряемых толщин и спектрального сивностью 2000 Вт/м . Пусть диапазон состава источника излучения. измеряемых толщин пленок, " мм. выполняют так.

На поверхности воды создают пленку

Источником излучения фиксированмаксимальнои толщины, т.е. мм, и е 2 мм и обной интенсивности облучают пленку нефлучают ее. Измеряют в каждый момент времени разность радиационных температур между облученным и необлученным облученным и необлученным участками участками пленки с помощью двух дифе енциально включенных ра иометров чение коэффициента пропорциональности

Определяют, что через 5 с после включеК. Т1ри калибровке устройства толщина пленки может быть задана путем разли ва в лабораторном танке дозированног соотношение (3), вы ирают время о луколичества нефти, либо путем взятия чения 4 с. аносят на поверхность пРобы водь1 из бассейна и последУющего водного бассейна пленку известной тол определения толщины пленки весовым, щ ны, соответствующей примерно серехимическим или каким-либо другим кон дине диапазона измеряемых толщин, натактным методом анализа. Велич на эффициента пРОПОРциональност. Р Ю течение 4 с. По результатам измерения тически не зависит от гидрометеоролонаходят величину коэффициента пропорационных температур между облученными

= 2000 В /11 Т = 4 Ъ= 0 5 мм не превышает 5 K. При То„„5 K noesis. ется зависимость теплоотдачи в атмос- К = = 0Ä 55. 10

0,5 000. 4 феру от скорости ветра и величина множителя К может измениться на 10- Таким об азом, для диапазона толТак м р, д д

204 по сравнению со значением, полу- щин пленок ин пленок от 0,1 до 2 мм для свеже960551

7 разлитой нефти и лампы накаливания в качестве источника излучения расчетная формула принимает вид:

-10 (4 ) После выполнения указанных действий устройство откалибровано и готово для измерения толщины нефтяной пленки с борта носителя. В процессе измерений устанавливают устройство на бор- 10 ту судна над водной поверхностью и об" лучают участок водной поверхности.

Пусть интенсивность облучения равна

2200 Вт/м, время облучения = 4 с.

По результатам измерений получено, is что разность радиационных температур между облученным и необлученным участками пленки равна 3 К. По формуле (4 ) определвно

0 55-2200.2

По сравнению с известными способами дистанционного контроля за загрязнением водных бассейнов предложенный способ позволяет повысить быстродействие в ночное время и в облачную погоду более, чем на порядок, так как исключается необходимость поиска чистой водной поверхности и сокращается время проведения одного измерения. ®

Предложенный способ позволяет повысить надежность измерения толщины пленки, так как íà его точность практически не влияют протяженность нефтяного пятна и гидрометеорологические 35 условия.

Применение предложенного способа позволит существенно повысить".эффективность 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 конт- 4>

8 роля. эа 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, о т л ич а ю шийся 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 форм ле

У

О-Н

11 =

КЭБОТ где дТ> - разность радиационных темН ператур между облученным и необлученным участками пленки, К; 3 - интенсивность облучения Вт/м ", Т - 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

N 854131, кл. G Ol J 5/50, 1980 (прототип).

960551

Составитель Н. Ананьева

Редактор А. Козориз Техред M. Надь Корректор В, Бутяга

Заказ 72 9/4 Тираж 7 Подписное

ВНИИПИ ГосударствеНного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Иосква Ж-)5 Раушская наб. д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,