CN106247919B - 一种油膜测量方法及油膜测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油膜测量方法以及应用该方法制作而成的一种油膜测量仪，利用油品介电常数与空气有较大差异的特点，以海水为下电极，另外设置一上电极，二者之间形成一可变电容，控制上电极向下运动，当上电极接近或到达油气界面时，距离引起的电容变化曲线斜率有一明显增加，通过判断随上电极的运动电容变化曲线斜率的转折点，可以准确测量此点的电极位置，即可得到油气界面的精确位置；当上电极继续运行到油水界面时，由于海水是良导体，上下电极短路，此时的电极位置即为油水界面的位置，油气界面与油水界面间距离即油膜厚度。本发明以较低成本实现了污染水面油膜厚度的测量，结构较为简单，使用简便，可用于污染现场油污染状态的评估。
Description
技术领域
本发明属于油膜厚度检测技术领域，具体来说涉及一种油膜测量方法以及应用该方法制作而成的一种油膜测量仪。
背景技术
目前，国内对各类油污染的溢油量基本采取人工采样方式，不能做到在线实时监测，对突发事件响应不及时，对油膜厚度则是根据油膜色彩运用经验公式评估，数据可靠性较差。
本发明的基本原理为：海水受到油的污染后，可形成三层不同介质，即空气、油、水。测定油气界面和油水界面之间的距离即为油膜的厚度。由此，若能精确测量上述两个界面的位置，即可得到油膜的准确厚度(具体技术方案及其独到技术将在后面提及)。掌握了油膜厚度，配合航空遥测或其它方式(如雷达)测量污染海域面积便可实时在线掌握溢油量，从而估计溢油的危害程度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种油膜测量方法以及应用该方法制作而成的一种油膜测量仪。
本发明采用以下技术方案来实现：
一种油膜测量方法：利用油品介电常数与空气有较大差异的特点，以海水为下电极，另外设置一上电极，二者之间形成一可变电容，控制上电极向下运动，当上电极接近或到达油气界面时，距离引起的电容变化曲线斜率有一明显增加，通过判断随上电极的运动电容变化曲线斜率的转折点，可以准确测量此点的电极位置，即可得到油气界面的精确位置；当上电极继续运行到油水界面时，由于海水是良导体，上下电极短路，此时的电极位置即为油水界面的位置，油气界面与油水界面间距离即油膜厚度。
一种油膜测量装置，包括上电极和下电极，上电极与下电极为上下安装的结构；上电极固定于电动推杆下端，电动推杆与电机连接，电机驱动电动推杆带动上电极竖直上下位移；下电极为一绝缘敞口容器，固定于底座上，下电极导线由底部海水部分引出，海水上部为欲测量厚度的油膜；上、下电极连接到电极检测电路单元，以判断油气界面和油水界面的位置；上电极还设置有上电极位置检测单元，用以读取上电极的位置信息；所述电极检测电路单元、上电极位置检测单元和电动推杆的电机连接到单片机及外围电路组成的下位机系统，下位机系统连接到通用PC机上位机系统；下位机系统完成电极检测电路单元测量信号采集、上电极位置检测单元位置信息读取、以及上电极的运动控制，上位机系统作为人机交互界面，完成人机交互。
在上述技术方案中，上电极位置检测单元采用直线滑动电阻器，直线滑动电阻器与电动推杆平行设置，直线滑动电阻器的滑动触点与电动推杆固定连接，以使滑动触点与上电极同步运动，直线滑动电阻器上的电压在滑动触点上的分压表示上电极的位置，此电压由单片机通过AD转换器转换为数字量用于计算上电极的精确位置。
在上述技术方案中，电极检测电路单元包括定时器555构成的多谐振荡器、以及跟随电路、滤波电路、放大电路；一方面通过定时器555构成的多谐振荡器将电容信号转换为振荡频率信号输出给单片机(当单片机检测到振荡频率明显变化转折点时，记录此时的上电极的位置，此时位置为油气界面)；另一方面通过跟随电路、滤波电路、放大电路，将上、下电极之间电容上的锯齿波滤波放大后转换成直流电压信号，(当单片机检测到电压值为零时，记录此时的上电极的位置，此时位置为油水界面)。
本发明的优点和有益效果为：
与以往常见的雷达扫描、油膜色彩判断等方法不同，本发明采用一种新的油膜厚度检测方法，其利用油品介电常数与空气油较大差异的特点，以海水为下电极，另外设置一上电极，二者之间形成一可变电容，控制装置控制上电极向下运动，当上电极接近或到达油气界面时，距离引起的电容变化曲线斜率有一明显增加，通过判断随上电极的运动电容变化曲线斜率的转折点，可以准确测量此点的电极位置，即可得到油气界面的精确位置；当上电极继续运行到油水界面时，由于海水是良导体，上下电极短路，此时的电极位置即为油水界面的位置，油气界面与油水界面间距离即油膜厚度。本发明的油膜测量装置以较低成本实现了污染水面油膜厚度的测量，结构较为简单，使用简便，可用于污染现场油污染状态的评估。
附图说明
图1是油膜测量原理示意图。
图2是上下电极间距离与电容值之间关系图。
图3是油膜测量仪的机械结构图。
图4是油膜测量仪的电控原理图。
图5是电极检测电路单元的原理图。
图6是电极检测电路单元的具体电路图。
图7是实施例中的上位机主界面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明的油膜测量原理如下：
常见产生污染的油品，其介电常数为空气的2倍以上，若在污染物上方设一探测电极(上电极1)，以污染物下面的海水为另一电极2，则二电极之间会形成电容。如图1所示。
图1中x0为油水(油膜a和海水b)界面，x1为油气(油膜和空气)界面，x为上电极位置。d1为上电极与油气界面距离(即空气介质的厚度)，d2为油膜介质厚度。
电极之间介质的介电常数、电极之间的距离、电极的面积等因素决定了电容值，二电极之间的电容值为：
其中g为介电常数，S为极板面积，单位m2，d为极板距离，单位m；电容单位法拉。
若电极之间有二层介质(空气介质和油膜介质)，如图1所示，则电容值为
其中：g1为空气介电常数，g2为油膜介电常数；S为极板面积，单位m2；d1为空气介质的厚度，d2为油膜介质厚度，单位m；为简化分析，设g2远大于g1，d1远大于d2，则式1-2简化为：
即当上电极位置x距油水界面x0较远时，满足条件g2远大于g1、d1远大于d2，二电极间电容值基本取决于空气的介电常数g1，电容值可近似按式1-3计算。
由于空气介电常数较小，距离引起的电容变化曲线斜率亦较小，当上电极接近油膜甚至接触到油膜时，由于油膜介电常数较大，电容值突然提高，电容值可近似由式1-2决定。电容的近似折线化曲线见图2，可见当上电极接近或到达油气界面x1时，距离引起的电容变化曲线斜率有一明显增加，通过判断随上电极的运动电容变化曲线斜率的转折点，可以准确测量此点的电极位置，即可得到油气界面x1的精确位置；当上电极继续运行到油水界面x0时，由于海水是良导体，上下电极短路，此时的电极位置即为油水界面x0的位置。油气界面x1与油水界面x0间距离即油膜厚度d2。
参见附图3，是根据上述油膜测量原理设计的一种油膜测量仪，所述油膜测量仪包括上电极1和下电极2，上电极1与下电极2为上下安装的结构；上电极1为一不锈钢扁平圆柱体(其型号为欧姆龙电容式传感器E2K-L13MC1)，固定于电动推杆3下端，电动推杆3与电机5连接，电机5驱动电动推杆3带动上电极1竖直上下位移；下电极2为一绝缘敞口容器，固定于铸铁底座4上，下电极导线由底部海水部分引出，海水上部为欲测量厚度的油膜；上电极1的位置检测采用直线滑动电阻器进行测量，直线滑动电阻器与电动推杆3平行设置，直线滑动电阻器的滑动触点与电动推杆3固定连接，以使滑动触点与上电极1同步运动，直线滑动电阻器上的电压在滑动触点上的分压表示上电极1的位置，此电压由单片机通过AD转换器转换为数字量用于计算上电极1的精确位置。
参见附图4，油膜测量仪的电控部分包括电极检测电路单元、单片机单元和上位机，电极检测电路单元与单片机单元的输入端连接，用于检测上、下电极之间的电容信号；直线滑动电阻器与单片机单元的输入端连接，用于检测上电极的位置；单片机单元通过驱动电路单元连接电机5，用于控制电机5驱动电动推杆3带动上电极1竖直上下位移；单片机单元与上位机连接，与上位机进行数据交互，上位机作为人机交互界面，完成人机交互。
参见附图5和6，电极检测电路单元包括定时器555构成的多谐振荡器、以及由运算放大器U2A、运算放大器U2B与阻容元件构成的跟随电路、滤波电路、放大电路。一方面，通过定时器555构成的多谐振荡器将上、下电极之间电容信号转换为振荡频率信号输出给单片机，决定多谐振荡器振荡频率的阻容元件分别为R1、R2和C，其中C为上、下电极之间的电容值，其振荡频率f＝1.443/[(R1+R2)C]，单位为HZ；由式可见，随电容C的变化，振荡频率f会随之变化；结合上述测量原理可知，当上电极1接近或到达油气界面x1时，电容变化曲线斜率有一明显变化转折点，因此振荡频率f也会有一明显变化转折点，因此，当单片机检测到振荡频率明显变化转折点时，记录此时的上电极的位置，此时位置为油气界面x1。另一方面，通过两个运算放大器U2A、U2B与阻容元件构成的跟随电路、滤波电路、放大电路，将上、下电极之间电容上的锯齿波滤波放大后转换成直流电压信号输出给单片机，当上电极达到油水界面时，由于海水是良导体，上下电极短路，电压为零，因此当单片机检测到电压为零时，记录此时的上电极的位置，此时位置为油水界面x0。
单片机单元以先进的51系列单片机12C5410AD为核心，辅之以外围电路构成，该单片机为国内研发生产，具有高速、宽电压、低功耗特点，且在软硬件方面与国际最流行的51系列单片机兼容，同时该单片机具有可在线编程、8位10路AD转换器、16位计数器、4通道捕获/比较单元、PWM信号输出、2路多模式可选串行通讯等功能，可方便地实现电动推杆控制、上电极位置检测、频率信号检测、直流电压信号检测，数据上传及接收等功能。
参见附图7，打开上位机主界面，点击“开始测量”按钮，计算机即控制上电极向下运动开始测量过程。上电极接触到油气界面时会自动记录器位置且上电极继续向下运动。当上电极运动至油水界面时，记录该位置并控制上电极返回初始位置。如此反复测量20次并取平均值，得到的数据经过数学处理即可获得油膜厚度值。
若欲开始下次测量，点击“复位操作”按钮，然后点击“开始测量”即可。
“保存结果”按钮用于测量后保存本次测量结果。
“数据删除”按钮用于删除本次测量结果。
“打印结果”按钮用于打印测量结果。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种油膜测量方法，其特征在于：利用油品介电常数与空气有较大差异的特点，以海水为下电极，另外设置一上电极，二者之间形成一可变电容，控制上电极向下运动，当上电极接近或到达油气界面时，距离引起的电容变化曲线斜率有一明显增加，通过判断随上电极的运动电容变化曲线斜率的转折点，可以准确测量此点的电极位置，即可得到油气界面的精确位置；当上电极继续运行到油水界面时，由于海水是良导体，上下电极短路，此时的电极位置即为油水界面的位置，油气界面与油水界面间距离即油膜厚度。
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