RU2207500C2 - Passive method for remote determination of thickness of oil product film spread on water surface - Google Patents

Passive method for remote determination of thickness of oil product film spread on water surface Download PDF

Info

Publication number
RU2207500C2
RU2207500C2 RU2001112036A RU2001112036A RU2207500C2 RU 2207500 C2 RU2207500 C2 RU 2207500C2 RU 2001112036 A RU2001112036 A RU 2001112036A RU 2001112036 A RU2001112036 A RU 2001112036A RU 2207500 C2 RU2207500 C2 RU 2207500C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
oil product
film
product film
thickness
oil
Prior art date
Application number
RU2001112036A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2001112036A (en
Inventor
В.В. Чирков
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-производственное предприятие "Полет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-производственное предприятие "Полет" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-производственное предприятие "Полет"
Priority to RU2001112036A priority Critical patent/RU2207500C2/en
Publication of RU2001112036A publication Critical patent/RU2001112036A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2207500C2 publication Critical patent/RU2207500C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: methods for determining thickness of non-metallic materials, possibly determining thickness of oil product film spread on water surface. SUBSTANCE: method comprises steps of using background non-polarized sky irradiation in millimeter range of wave lengths as irradiation source of plane electromagnetic wave; receiving vertically polarized component of amplitude of electric field by angle θ, non-equal to Brewster angle; according to received amplitude calculating with use of Fresnel's formula amplitudes of vertically polarized components of electric field mirror-imaged from boundary "air-oil product film" and reflected from lower layer of oil product film at its boundary with water surface and refracted at boundary " oil product film - air" at known refractive index values of media; then measuring sum of amplitudes of two coherent waves of mirror-image and refracted vertically polarized components of electric field by the same angle θ, set from normal line to surface of oil product film in direction to oil product film while taking into account their phase difference at inlet of measuring device; calculating thickness of film of oil product. EFFECT: possibility for measuring oil product film thickness in natural condition. 2 dwg

Description

Изобретение относится к дистанционным способам определения толщины пленки нефтепродукта в миллиметровом диапазоне длин волн. The invention relates to remote methods for determining the film thickness of an oil product in the millimeter wavelength range.

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]. A known method for determining the thickness of non-metals using a medium current albedo radiation control method based on the study of quantitative changes in the characteristics of photon radiation after its interaction with the object of control in comparison with the standard [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. The disadvantages of the method include the need to use x-ray β-isotope, the use for calibration of reference samples made with an accuracy of ± 0.3 mm. In addition, the method is applicable only in laboratory conditions.

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. The closest in technical essence analogue is a method based on the reflection and transmission of radio waves through a dielectric (optical method) [2] in the millimeter wavelength range. In this case, the optical thickness of the sample or the phase shift that occurs when a plane-parallel sample is inserted between the receiving and transmitting horns is measured. The known method is illustrated in the block diagram shown in FIG. 1, where it is indicated: 1 - sample, 2 - radiating horn, 3 - receiving horn, 4 - detector, 5 - micrometer, 6 - generator, 7, 8 - attenuators.

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:

Figure 00000002
,
где n - показатель преломления.The high-frequency signal from the generator 6 branches into two parts, one of which is emitted by the transmitting speaker 2, and the second enters the detector 4 and serves as a reference signal. The signal received by the receiving speaker 3, is fed to the same detector and is compared in phase and amplitude with the reference signal. The phase of the received signal is regulated by the position of the horn 3, the amplitude is set by the attenuator 8. If, in the absence of a sample, the position of the receiving horn 3 and attenuator 8 is set to zero (the received and reference signals have the same amplitudes and opposite phases), then the sample violates balancing and to restore it requires some displacement of the speaker 3 by Δx. If the refractive index of the sample is known, then its thickness (in the case of a lossless dielectric) can be determined from the equation:
Figure 00000002
,
where n is the refractive index.

В случае достаточно тонкого образца и небольших показателей преломления, когда в толщине образца укладывается меньше одной длины волн для фазового сдвига, имеем

Figure 00000003

и толщина образца определяется из уравнения
Figure 00000004

где λ - длина волны, излучаемая передатчиком.In the case of a sufficiently thin sample and small refractive indices, when less than one wavelength for phase shift is stacked in the thickness of the sample, we have
Figure 00000003

and the thickness of the sample is determined from the equation
Figure 00000004

where λ is the wavelength emitted by the transmitter.

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. The disadvantages of the method selected as a prototype are: the complexity of the formation of well-focused beams of electromagnetic radiation that simulate a plane wave, as well as the inability to use it for measurements in real conditions.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание способа для измерения в естественных условиях толщины пленки нефтепродукта, разлитой на водной поверхности. The main task to be solved by the claimed invention is directed is the creation of a method for measuring in vivo the thickness of a film of an oil product spilled on a water surface.

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

Figure 00000005

затем определяют толщину пленки нефтепродукта по формуле
Figure 00000006
,
где ΔΦ - разность фаз в градусах;
Δφ - разность фаз в радианах;
Uизм 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".The specified technical result is achieved by the fact that in the method for determining the thickness of a film of an oil product spilled on a water surface, based on the measurement of reflected electromagnetic radiation, noiseless non-polarized sky radiation in the millimeter wavelength range incident on the oil film located in the oil product is used as a plane electromagnetic wave source. a three-layer structure of isotropic homogeneous media "air - oil film - water", separated by flat boundaries [3], while taking a vertical The polarized component of the electric field at an angle θ, set from the zenith direction and not equal to the Brewster angle, is calculated from the accepted amplitude of the vertical polarization electric field using the Fresnel formulas of the amplitude of the vertical polarized electric field, which is specularly reflected from the air - film of the oil product medium and reflected from the lower layer of the oil product film at its interface with the water surface and refracted at the interface "oil product film - air" at known refractive indices medium [4], then at the same angle θ established from the normal to the surface of the oil product film in the direction of the oil product film, the sum of the amplitudes of two coherent oscillations of the mirror and refracted components of the vertical polarization electric field is measured taking into account the phase difference at the meter input and the difference is calculated phase ΔΦ between the mirror E 1 and the refracted E 5 components at the input of the meter according to the formula
Figure 00000005

then determine the thickness of the film of oil by the formula
Figure 00000006
,
where ΔΦ is the phase difference in degrees;
Δφ is the phase difference in radians;
U ISM 2 - the total amplitude of two coherent oscillations;
λ 0 - wavelength in free space;
d is the film thickness of the oil product;
ε 2 - the real part of the dielectric constant of the film of oil;
θ is the angle of measurement;
ψ is the angle of refraction at the interface between the air-film of the oil product.

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.A method for determining a film thickness of an oil product spilled on a water surface is illustrated in FIG. 2
where indicated:
E 0 - incident vertically polarized component of the electric field (VPSEP) emitted by the sky;
E 1 - mirror VPSEP;
E 2 - refracted VPSEP at the boundary of the media "air - film of oil";
E 3 - refracted VPSEP at the boundary of the media "oil product film - water";
E 4 - mirrored VPSEP on the border of the media "oil product film - water";
E 5 - refracted VPSEP, past the boundary of the media "oil product film - air";
And - a meter radiated by the sky and refracted by VPSEP.

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):

Figure 00000007

Figure 00000008

где
Figure 00000009

Figure 00000010

Figure 00000011

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).The calculation of the specular reflected VPSEP - E 1 and refracted VPSEP - E 5 is carried out according to the Fresnel formulas [5] for known refractive indices of media n 1 (air), n 2 (film of oil product), n 3 (water):
Figure 00000007

Figure 00000008

Where
Figure 00000009

Figure 00000010

Figure 00000011

When a mirrored VPSEP and a refracted VPSEP are added at the input of the meter, interference of the received waves occurs, their amplitude as two coherent oscillations depends on the difference in the paths in different media to the meter (Fig. 2).

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

Figure 00000012

Из фиг. 2 следует: разность хода зеркально отраженной E1 и преломленной Е5 волн до измерителя составляет
Figure 00000013

а сдвиг фаз
Figure 00000014

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".It is known [5] that if a wave passes the path d 1 in one medium (n 1 ) and the path d 2 in the second medium (n 2 ), then the resulting phase difference Δψ ′ will be equal to
Figure 00000012

From FIG. 2 follows: the path difference of the specularly reflected E 1 and refracted E 5 waves to the meter is
Figure 00000013

and phase shift
Figure 00000014

where Δφ is the phase shift in radians,
λ 0 - wavelength in free space,
f 0 is the central side in the reception band,
C is the speed of light in free space,
ε 2 - the real part of the dielectric constant of the film of oil,
θ is the angle of measurement,
ψ is the angle of refraction at the interface between the air - oil product film.

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

Figure 00000015

где ΔΦ - разность фаз в градусах;
тогда
Figure 00000016

Литература
1. Приборы и техника эксперимента 2 март-апрель 1987. Капранов Б.И. и др. Прибор АГАТ-1М для радиационного одностороннего контроля толщины неметаллов.The amplitude of the sum of two coherent oscillations E 1 and E 5 is determined by the expression:
U meas 2 = E 1 2 + E 5 2 + 2E 1 E 5 cosΔΦ,
where from
Figure 00000015

where ΔΦ is the phase difference in degrees;
then
Figure 00000016

Literature
1. Instruments and experimental equipment March 2-April 1987. Kapranov B.I. etc. The device AGAT-1M for radiation one-sided control of the thickness of non-metals.

2. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. Государственное издательство физико-математической литературы. М. 1963. 2. Brandt A.A. The study of dielectrics at microwave frequencies. State publishing house of physical and mathematical literature. M. 1963.

3. Зубкевич С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М. Советское радио. 1968. 3. Zubkevich S.G. Statistical characteristics of radio signals reflected from the earth's surface. M. Soviet radio. 1968.

4. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. Высшая школа. М. 1978. 4. Kaliteevsky N.I. Wave optics. Graduate School. M. 1978.

5. Ландсберг Г.С. Оптика. Издательство "Наука". Главная редакция физико-математической литературы. M. 1975. 5. Landsberg G.S. Optics. Publishing House "Science". The main edition of the physical and mathematical literature. M. 1975.

Claims (1)

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
Figure 00000017

затем определяют толщину пленки нефтепродукта по формуле
Figure 00000018

где ΔΦ - разность фаз в градусах;
Δ⌀ - разность фаз в радианах;
Uизм 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".A passive remote method for determining the thickness of a film of an oil product spilled on a water surface, based on the measurement of reflected electromagnetic radiation, characterized in that noiseless non-polarized sky radiation in the millimeter wavelength range, incident on the oil film in a three-layer structure, is used as a source of a plane electromagnetic wave isotropic homogeneous media "air - oil film - water", separated by flat boundaries, while taking vertically polar the component of the electric field at an angle θ, set from the direction to the zenith and not equal to the Brewster angle, calculated from the accepted amplitude of the electric field of vertical polarization is calculated using the Fresnel formulas of the amplitude of the electric field of vertical polarization, which is specularly reflected from the boundary between the air-film of the oil product and reflected from the lower layer of the oil product film at its interface with the water surface and refracted at the interface "oil product film - air" at known refractive indices of the media, so, at the same angle θ established from the normal to the surface of the oil product film in the direction of the oil product film, the sum of the amplitudes of two coherent oscillations of the mirror and refracted components of the vertical polarization electric field is measured taking into account the phase difference at the meter input and the phase difference ΔΦ between the mirror E 1 is calculated and refracted E 5 components at the input of the meter according to the formula
Figure 00000017

then determine the thickness of the film of oil by the formula
Figure 00000018

where ΔΦ is the phase difference in degrees;
Δ⌀ is the phase difference in radians;
U ISM 2 - the total amplitude of two coherent oscillations;
λ 0 - wavelength in free space;
d is the film thickness of the oil product;
ε 2 - the real part of the dielectric constant of the film of oil;
θ is the angle of measurement;
ψ is the angle of refraction at the interface between the air - oil product film.
RU2001112036A 2001-05-03 2001-05-03 Passive method for remote determination of thickness of oil product film spread on water surface RU2207500C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001112036A RU2207500C2 (en) 2001-05-03 2001-05-03 Passive method for remote determination of thickness of oil product film spread on water surface

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2001112036A RU2207500C2 (en) 2001-05-03 2001-05-03 Passive method for remote determination of thickness of oil product film spread on water surface

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2001112036A RU2001112036A (en) 2003-06-10
RU2207500C2 true RU2207500C2 (en) 2003-06-27

Family

ID=29209577

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001112036A RU2207500C2 (en) 2001-05-03 2001-05-03 Passive method for remote determination of thickness of oil product film spread on water surface

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2207500C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114486097A (en) * 2022-04-15 2022-05-13 湖北工业大学 Accident oil pool monitoring device and method for magnetic coupling resonance wireless power transmission efficiency

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
R. Goodman, H.Broun. J.Bitner. The measurement of the thickness of oil on water: Conference "Remote sensing for marine and coastal environments", V.1, USA, Orlando, Fliorida, pp.1-31-1-40. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114486097A (en) * 2022-04-15 2022-05-13 湖北工业大学 Accident oil pool monitoring device and method for magnetic coupling resonance wireless power transmission efficiency

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6556306B2 (en) Differential time domain spectroscopy method for measuring thin film dielectric properties
Jaggard et al. Scattering from fractally corrugated surfaces
US7733267B2 (en) Method for analysing a substance in a container
RU2331894C1 (en) Method of dielectric properties measurement for material bodies and device for its implementation
US6057928A (en) Free-space time-domain method for measuring thin film dielectric properties
Katsnelson et al. Whispering gallery waves localized near circular isobaths in shallow water
Krishnamurthy et al. Characterization of thin polymer films using terahertz time-domain interferometry
WO2016167761A1 (en) Parallel optical measurement system with broadband angle selective filters
Zhang et al. High sensitivity refractive index sensor based on frequency selective surfaces absorber
CN106842227A (en) Precision optics distance-finding method based on zero refractive index Meta Materials
Li et al. Picosecond ultrasonic measurements using an optical cavity
RU2207500C2 (en) Passive method for remote determination of thickness of oil product film spread on water surface
CN109211843A (en) A kind of THz wave reflectometric systems incidence angle determines method and device
Pinel et al. Asymptotic modeling of coherent scattering from random rough layers: Application to road survey by GPR at nadir
US20070146725A1 (en) Method of and device for thickness measurements of thin films
US20060221327A1 (en) Tilt meter based on the field transmission through a resonator
RU2721156C1 (en) Method of determining electrophysical parameters of metamaterials
Sotsky et al. Sensitivity of reflecting terahertz sensors of aqueous solutions
Lengyel A Michelson-type interferometer for microwave measurements
RU2202779C2 (en) Passive method for remote detection of actual dielectric constant portion of oil film spilled over water surface
RU2039352C1 (en) Method of measuring dielectric permeabilities and thicknesses of layers of multilayer medium
JP6989911B2 (en) Spectroscopic elements, measuring methods, and measuring devices
Fry et al. Measurement of the absorption coefficient of ocean water using isotropic illumination
SU1758530A1 (en) Method of measuring dielectric penetration of materials
RU2790085C1 (en) Method for remote measurement of complex dielectric permittivacy of plane layered dielectrics of natural origin

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110504