CN112525058A

CN112525058A - 一种海上溢油油膜厚度测量新技术与装置

Info

Publication number: CN112525058A
Application number: CN202011275132.7A
Authority: CN
Inventors: 孟雄飞; 神辉; 李富强; 宋健辉; 关子磊; 马克萍; 朱兆晨; 张菲; 李九龙; 刘昭含
Original assignee: Shandong Jiaotong University
Current assignee: Shandong Jiaotong University
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2021-03-19

Abstract

本发明属于海上溢油油膜厚度检测技术领域，具体涉及一种基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置。该装置的信号采集单元根据静电感应原理，感应相应的电荷，放大滤波单元的电信号，发送给数据处理单元并实现准确定位。本产品采用三角形架固定检测电极，并设置套筒减小检测电极周围液面的波动情况,降低了海况对检测的影响。本产品可长时间自动工作，价格低廉，使用方便,可在溢油区域多处抛置。

Description

一种海上溢油油膜厚度测量新技术与装置

技术领域

本发明涉及基于静电感应原理以及北斗定位+5G网络传输的浮标式的海上溢油油膜厚度测量技术，特别是关于基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置。

背景技术

随着现代航运业和海洋石油开采业的高速发展，海上溢油事故也是频频发生，海上溢油对海洋生物的危害也越来越严重。海上溢油污染已成为海洋主要污染源，溢油量是海上溢油事故评估的关键参数,而油膜厚度是估算溢油量的必需参数之一,油膜厚度的准确测量可为溢油治理提供合理有效的指导,也可为油层扩展动力学及海洋环境科学技术提供技术基础，对海洋环境监测和修复具有重要意义。

目前，海面溢油污染的检测已经取得了一些成就，但对于实现海上溢油油膜厚度的实时、动态、快速的测量和传输，到现在为止还没有一个有效的方法。在过去30多年中人们提出一些水溶液表面的测量方法，如:利用白光扫描干涉方法测量透明薄膜厚度方法；白光干涉法；激光三角法，微波辐射计法；超声波测量法；但由于受到海上恶劣环境的影响，如:海风、海浪、海流，这些方法还没有在海上实现溢油油膜厚度的测量。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要提供一种基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置。

为了实现上述目的，本发明的技术发案如下：基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置，其特征在于：它包括溢油油膜厚度采集单元和溢油油膜厚度数据处理、传输、显示单元。电路按照系统方案原理图设计好后进行测试，首先是单片机上电初始化，检测电极放入实验环境，稳定后观察数码管显示数据。当铜电极接触到油水界面时，根据静电感应原理，电极会感应出相应的电荷，感应电流经过电阻后，在电阻两端产生一定的电势。该电势信号首先进入信号差分放大电路，信号经过减噪和放大处理后，由NI数据采集仪以合适的采集频率进行数据采集，最终在计算机上显示和储存。

所述数据采集单元包括测量浮子、锌检测电极和电阻；所述测量浮子采用三角形结构浮子,该三角形结构浮子采用在三脚架的三个角上各自对应设置一球形泡沫浮子；该三角架的中间设置一套筒,并在该套筒内水平间隔相对设置两个凸台，一凸台上连接所述钳检测电极的一端,另一凸台上连接所述锌检测电极的一端；位于所述测量浮子同侧的所述钳检测电极的另一端通过柔性导线连接所述电阻的一端，所述锌检测电极的另一端通过柔性导线连接所述电阻的另一端。

所述数据处理单元包括差分放大器、滤波电路、微处理器、微型信号发射器、处理浮子和密封保护壳；所述差分放大器的输入端连接所述电阻的两端，输出端连接所述滤波电路，所述滤波电路电连接所述微处理器；所述微处理器输出端连接所述微型信号发射器的输入端；所述电阻、所述差分放大器、所述滤波电路、所述微处理器和所述微型信号发射器设置在所述处理浮子同一面的所述密封保护壳内。

系统方案：CDMA又称码分多址，是无线通信的一种方式。随着CDMA技术的发展及应用，近年来以CDMA网络作为无线数据传输的平台，也被应用到了海洋资料浮标上。本产品将CDMA数据终端和数据接收中心接入CDMA网络平台中来实现浮标数据的传输。

产品结构图如图1所示。

系统采用点对点数据传输方式，CDMA DTU开机之后自动连接到CDMA网络中，并与数据中心建立通信链路。CDMA DTU通过串口将数据从数据采集处理系统读入，然后对数据打包，使用AT指令以文形式通过网络发送到具有固定公网IP的数据中心。数据接收中心通过网络接收到数据后，然后对数据解析。数据解析后，显示数据并存储数据。

基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置的操作方法，包括以下步骤：

1将现场实时测量海上油膜厚度装置抛入存在溢油的海水中,测量浮子和处理浮子会使其漂浮在油膜上表面；测量浮子上穿设的铂检测电极和锌检测电极穿过油膜进入海水中,铂检测电极和锌检测电极两电极之间产生电势差,使电子流动产生电流。

2回路中的电流经电阻后其两端电压信号输入差分放大器中,经差分放大器放大后传送给微处理器。

3微处理器对输入的放大信号进行处理得到油膜厚度数据,并将油膜厚度数据发送个微型信号发射器。

4微型信号发射器将实时测量的油膜厚度数据发射到附近港口或工作船舶上的接收装置,以实现远距离实时测量油膜厚度数据。

与现有技术相比,本产品具有以下优势:

1、本产品基于静电感应原理,,可长时间自动工作,使用简单,无需专业人员操作，不受个人经验问题的影响，设计合适尺寸的检测电极，可适用于各种厚度范围的油膜测量。

2、本产品使用了随波性好的三角形结构浮子，使用三个球形泡沫浮子和三角形架固定检测电极，并设置套简减小检测电极周围液面的波动情况,降低了海况对检测的影响。

3、本产品由于是一种现场的实时测量装置,不利用光线，受天气影响较小。

4、本产品结构简单，价格低廉，使用方便,可在溢油区域多处抛置,提高其测量精确度，使用了差分放大电路和单片机相连的系统，并自带滤波,可以过滤掉波动产生的虚假信息。

5、本产品无需使用特殊的配套设备，一般计算机即可对信号进行分析处理。鉴于以上理由，本产品可以广泛应用与各类水面溢油事件中油膜厚度的测量以及海上溢油事件发生的实时监测等领域。

附图说明

本发明共有附图5张。

图1为浮标结构图；

图2为系统框架图；

图3为检测与传输装置；

图4为检测装置元件图；

图5为传输装置元件图。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，一种现场实时测量海上油膜厚度装置,它包括数据采集单元1和数据处理单元2其中，数据采集单元1用于采集油膜厚度的电信号，并将其传送给数据处理单元2；数据处理单元2用于将该电信号放大、滤波，且转化成相应的油膜厚度，并传送给远程的附近陆地或者工作船舶，以实现远距离现场实时测量海面溢油的油膜厚度。

数据采集单元1包括测量浮子、锌检测电极和电阻。测量浮子采用随波性好的三角形结构浮子，该三角形结构浮子采用在三脚架的三个角上各对应设置一球形泡沫浮子，三角架的中间设置一套筒，并在套筒内水平间隔相对设置两个凸台，一凸台上连接钳检测电极的一端，另一凸台上连接锌检测电极的一端，以减小两个检测电极周围液面的波动情况。锌检测电极的另一端通过柔性导线连接电阻的另一端,且电阻两端的柔性导线连接在测量浮子的同一面。数据处理单元2包括差分放大器、滤波电路、微处理器、微型信号发射器、处理浮子和密封保护壳。

差分放大器的输入端连接电阻的两端，输出端连接滤波电路,滤波电路连接微处理器。微处理器内置电信号大小与油膜厚度的转换数据，其输出端连接微型信号发射器的输入端。电阻、差分放大器、滤波电路、微处理器和微型信号发射器设置在处理浮子同一面的密封保护壳内，以防本发明应用时进入海水或其他杂物。

上述实施例中，差分放大器可以采用AD621型号的差分放大器。上述实施例中，微处理器采用型号为80C51的单片机。上述实施例中，处理浮子是本领域常用的用于漂浮的器件,故不再详述。采用本发明装置的测量油膜海上油膜厚度方法，包括以下步骤：将本发明装置抛入存在溢油的海水中，由于浮子作用，测量浮子和处理浮子会使其漂浮在油膜上表面；测量浮子上设置的锌检测电极穿过油膜进入海水中，从而使电子流动产生电流。由于测量浮子漂浮在油膜上表面,油膜厚度不同将会改变锌检测电极与海水的接触面积。如图3所示的油膜厚度差与电流变化关系图中,横坐标H为油膜厚度的变化值,纵坐标I为相应的电流变化值，而锌检测电极和海水接触的面积同电流大小呈正比,进而随着油膜厚度的改变影响回路中电流的大小；回路中的电流经电阻后其两端电压信号(电压信号可以表述如下：V＝I*R*K；其中，V为采集的电压信号，I为回路中电流，R为电阻,K为差分放大电路调节的放大系数)输入差分放大器中，经差分放大器放大后传送给微处理器；微处理器对输入的放大信号进行处理得到油膜厚度数据，并将油膜厚度数据发送给微型信号发射器；微型信号发射器将实时测量的油膜厚度数据发射到附近港口或工作船舶上的接收装置，以实现远距离实时测量油膜厚度数据。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置，其特征在于包括溢油油膜厚度采集单元和溢油油膜厚度数据处理、传输、显示单元；

溢油油膜厚度采集单元用于检测溢油油膜厚度，当锌电极接触到油水界面时，根据静电感应原理，电极会感应出相应的电荷，感应电流经过电阻后，在电阻两端产生一定的电势，采集单元用于采集信号放大滤波单元的电信号，发送给数据处理单元；

数据处理单元用于对信号采集单元输出的电信号进行数据处理。

传输单元用于用于显示油膜厚度测量的实时情况，通过5G网络传输到显示计算机上，通过数据处理，显示溢油油膜发展的趋势情况。

显示单元用于在岸基计算机上显示实时的信号图。

2.根据权利要求1所述的基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置，其特征在于，所述数据采集单元包括测量浮子、锌检测电极和电阻；所述测量浮子采用三角形结构浮子,该三角形结构浮子采用在三脚架的三个角上各自对应设置一球形泡沫浮子；该三角架的中间设置一套筒,位于所述测量浮子同侧的锌检测电极通过柔性导线连接所述电阻。

3.根据权利要求2所述的基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置，其特征在于，数据处理单元包括差分放大器、滤波电路、微处理器、微型信号发射器、处理浮子和密封保护壳；所述差分放大器的输入端连接所述电阻的两端，输出端连接所述滤波电路，所述滤波电路电连接所述微处理器；所述微处理器输出端连接所述微型信号发射器的输入端；所述电阻、所述差分放大器、所述滤波电路、所述微处理器和所述微型信号发射器设置在所述处理浮子同一面的所述密封保护壳内。

4.根据权利要求3所述的基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置，其特征在于，所述的差分放大器为AD620，其增益可控、低功耗、低输入失调电压、低输入失调漂流、低输入偏置电流，极佳的共模抑制比、以及低输入电压噪声和低峰值噪声、出色的交流特性等，为本装置提供了一种更精确的信号放大方法来消除外部噪声和偏置电流。

5.根据权利要求4所述的基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置，其特征在于，本产品将CDMA数据终端和数据接收中心接入CDMA网络平台中来实现浮标数据的传输。

6.根据权利要求5所述的基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置，其特征在于，显示单元系统采用点对点数据传输方式，CDMA DTU开机之后自动连接到CDMA网络中，并与数据中心建立通信链路。CDMA DTU通过串口将数据从数据采集处理系统读入，然后对数据打包，使用AT指令以文形式通过网络发送到具有固定公网IP的数据中心。数据接收中心通过网络接收到数据后，然后对数据解析。数据解析后，显示数据并存储数据。

7.基于静电感应原理测量以及北斗定位+5G网络传输的浮标式海上溢油油膜厚度测量新技术与装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据胶体理论，油/水两相接触后，OH^－以及水相中的其他带负电离子会吸附在油水界面处，从而使两相界面处带有一定数量的电荷，并且这些表面电荷会通过吸附异号离子、排斥同号离子而在界面形成双电层。

(2)金属探测电极接触到油水两相界面时，在界面电势变化量感应下，形成的感应电流。

(3)根据信号显示装置中信号出现的时刻，结合上式即可判断出油水混合物中油/水界面的位置，即测量出油膜厚度。

(4)产品将CDMA数据终端和数据接收中心接入CDMA网络平台中来实现浮标数据的传输。

(5)浮标数据接收中心安装在具有固定公网IP的电脑上，本系统采用专线。若中心电脑是通过路由器上网，在路由器上要设置数据转发。数据接收中心包括三个方面:数据通信、数据处理及系统配置。上位机软件采用VisualC++进行编程。程序采用了UML建模思想。一是根据采集的参数设计各个参数组件，如气温、气压等控件。在主程序中调用参数组件显示接收到的数据。二是状态机的设计。根据接收情况设计不同处理方式。CDMA接收程序中，读取DTU发送的数据包有三种方式:阻塞、非阻塞及消息模式。文中采用消息模式。消息模式基于windows的消息机制，启动服务的时候需要传输一个窗口句柄、一个消息类型给开发包，同时窗口实现一个消息处理函数来处理该消息类型。开发包在收到数据的时候，将触发消息函数，通过消息函数自动完成数据的读取、处理。

(6)检测结束后，停止检测程序，并断开电源单元，对检测结果进行保存。