RU2650699C1

RU2650699C1 - Способ измерения толщины слоя нефти (нефтепродуктов), разлитой на водной поверхности

Info

Publication number: RU2650699C1
Application number: RU2016150968A
Authority: RU
Inventors: Игорь Владимирович Ракуть
Priority date: 2016-12-26
Filing date: 2016-12-26
Publication date: 2018-04-17

Abstract

Изобретение относится к радиометрии. Способ основан на измерениях радиотепловых излучений от разлива нефти на воде и от атмосферы на вертикальной и горизонтальной поляризациях двухканальным радиометром на двух частотах и двух углах места при подвешивании радиометра на опоре на двух высотах. Находят измеренные отношения разностей измеренных величин излучений от разлива нефти на воде и атмосферы в числителе на вертикальной, а в знаменателе на горизонтальной поляризации отдельно для двух частот и двух углов места. Вычисляют в диапазоне толщин от 0 до 12 мм теоретические отношения единицы минус коэффициент отражения слоя нефти на воде для излучения в числителе для вертикальной, а в знаменателе для горизонтальной поляризации отдельно для двух частот и двух углов места. Определяют четыре набора толщин, в которых теоретическое отношение равно измеренному отношению, соответствующему по углу и частоте. Выбирают из наборов по одному значению наиболее близких друг к другу в пределах заданной погрешности толщин и их среднее принимают за измеряемую толщину разлива нефти. Технический результат заключается в увеличении точности измерения толщины нефти, разлитой на водной поверхности, при увеличении диапазона измерений толщины до 12 мм. 4 ил.

Description

Изобретение относится к радиометрическим способам и может быть использовано для измерения толщины слоя нефти на водной поверхности.

Известен бесконтактный способ измерения толщины нефтяной пленки на поверхности водоемов (RU 1059419), заключающийся в том, что перед направлением на поверхность водоема оптический луч разделяют на два луча, причем первый луч направляют на поверхность водоема под фиксированным углом падения, второй луч сканируют в плоскости, перпендикулярной направлению движения ветровых волн в водоеме, определяют значение предельного угла падения второго луча, при котором интенсивность отраженного луча составляет 0,1-0,01 от его максимальной интенсивности, находят ряд значений толщины пленки как функции значений предельного угла падения второго луча в моменты экстремумов отражения первого луча и определяют по этому ряду значений среднее значение толщины пленки.

Недостатком известного изобретения является ограниченность диапазона измеряемых толщин пленок нефти областью 0,1-2 мкм.

Известен метод для пассивного измерения жидкостных пленок или слоев пены на воде (DE 3710789), основанный на измерении температуры излучения посредством, по крайней мере, одного радиометра, в котором для определения однозначных значений, касающихся типа и толщины нефтяной пленки, выполняют измерения по двум углам зрения.

К основным недостаткам этого метода относится существенная погрешность оценки температуры излучения атмосферы при неблагоприятных погодных условиях, таких как облачность и осадки в момент проведения измерений.

Известен радиометр толщины слоя нефти, разлитой на водной поверхности (RU 2227897), который содержит два радиометрических канала, в каждом из которых последовательно включены коническая рупорная антенна, переключатель поляризации и радиометрический приемник. Выходы радиометрических каналов соединены с вычислителем, который соединен с управляющими входами переключателей поляризации и имеет разъем для подключения приемника GPS. Датчики угла крена и угла места имеют жесткую связь с базовой несущей конструкцией, так же как и один из радиометрических каналов. Второй радиометрический канал устанавливается относительно первого канала с помощью устройства выбора угла наклона таким образом, чтобы при размещении прибора в рабочем положении на определенной высоте, например на плече оператора, центры диаграмм направленности антенн совпадали на исследуемой поверхности при ориентации одного из радиометрических каналов, совмещенного с базовой несущей конструкцией прибора, под определенным углом места относительно горизонта в соответствии с заданным алгоритмом обработки и 0º по крену.

Работа измерителя основана на измерении поляризационно-разностных радиояркостных контрастов радиотеплового излучения слоя нефти на водной поверхности в миллиметровом диапазоне длин волн при размещении измерителя в рабочем положении на определенной высоте, например на плече оператора или установки на турели автомобиля, при котором центры диаграмм направленности антенн совпадали на исследуемой поверхности при ориентации одного из радиометрических каналов, совмещенного с базовой несущей конструкцией прибора, под определенным углом места относительно горизонта в соответствии с заданным алгоритмом обработки и 0º по крену. Радиотепловое излучение неба, отраженное от границ раздела воздух - нефть и нефть - вода, принимают с помощью рупорных конических антенн при ориентации измерителя относительно горизонта под углом места 35 º относительно горизонта, при котором значения коэффициента отражения волн вертикальной поляризации для водной и нефтяной поверхностей равны (Ron Goodman, Hugh Brown, Jason Bittner. The measurement of the thickness of oil on water. Proceedings of the Fourth International Conference on Remote Sensing for Marine and Coastal Environments. Orlando, Florida, 17-19 March 1997, vol. I, p. 1-31 - 1-40), что используется в алгоритме и 0º по крену, определяемым с помощью соответствующих датчиков углов. В зависимости от положения управляемого вычислителем переключателя поляризации в каждом радиометрическом канале излучение вертикальной или горизонтальной поляризации поступает на соответствующий радиометрический приемник, с помощью которого производят выделение полезного сигнала.

Сигналы от радиометрических приемников поступают на вычислитель, где они подвергаются обработке по заданному алгоритму. Алгоритм обработки радиометрической информации основан на известном (Громов Н.Н., Писарев О.В., Шавин П.Б. Дистанционный контроль загрязнений водоемов при разливах нефтепродуктов. Газовая промышленность, №13, 62-64, 2000] графоаналитическом способе определения толщины слоя нефти на водной поверхности при априорных сведениях о типе нефтепродукта и физической температуре воды, по которым в вычислителе производят теоретический расчет коэффициентов отражения от измеряемого слоя во всем диапазоне измеряемых толщин на обеих поляризациях с последующим определением отношения излучательных способностей во всем диапазоне измерений. По измеренным сигналам находится отношение излучательных способностей слоя нефти на обеих поляризациях, которое сравнивают с теоретическими значениями на расчетной кривой. При совпадении результатов в пределах погрешностей измерителя принимают решение о толщине слоя.

Недостатками устройства является недостаточная точность измерений, особенно при толщинах пленок нефти больше 5 мм.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение точности измерения толщины нефти, разлитой на водной поверхности при увеличении диапазона измерений толщины до 12 мм.

Способ измерения толщины слоя нефти (нефтепродуктов), разлитой на водной поверхности, основан на сравнении данных, измеренных с помощью радиометра, имеющего два радиометрических канала с некратными частотами, с данными, полученными расчетным путем при априорных сведениях о типе нефти (нефтепродукта) и физической температуре воды.

Для этого радиометр устанавливают на опорном устройстве на высоте h_1O так, чтобы ось антенны низкочастотного канала (НЧ) имела угол θ₁ (35°) со своей проекцией на водную поверхность, на которой разлита нефтяная пленка, и чтобы оси антенн каналов приемника пересекались на исследуемой поверхности,

принимают радиотепловое излучение от нефтяной пленки на поверхности воды сначала на вертикальной поляризации: A₁ на частоте f₁ в полосе приема первого канала радиометра и B₁ на частоте f₂ в полосе приема второго канала, затем меняют поляризацию на горизонтальную и принимают соответственноC₁ на частоте f₁ и D₁ на частоте f₂,

меняют угол наклона антенны радиометра так, чтобы антенны направлялись в атмосферу, а ось антенны низкочастотного канала имела угол θ₁ (35°) со своей проекцией на водную поверхность, на которой разлита нефтяная пленка,

принимают радиотепловое излучение от атмосферы сначала на вертикальной поляризации: E₁ на частоте f₁ и F₁ на частоте f₂, затем на горизонтальной поляризации: G₁ на частоте f₁ и H₁ на частоте f₂,

уменьшают угол наклона антенны радиометра так, чтобы антенна продолжала быть направлена в атмосферу, но ось антенны низкочастотного канала имела угол θ₂ (30°) со своей проекцией на водную поверхность, на которой разлита нефтяная пленка,

принимают радиотепловое излучение атмосферы на вертикальной поляризации: Е₂ на частоте f₁ и F₂ на частоте f₂ и затем на горизонтальной поляризации: G₂ на частоте f₁ и Н₂ на частоте f₂,

уменьшают высоту положения радиометра на опорном устройстве до высоты h_2O такой, чтобы ось антенны низкочастотного канала имела угол θ₂ (30°) со своей проекцией на водную поверхность и пересекала исследуемый участок нефтяной пленки в той же точке, что и при измерениях на угле θ₁ (35°),

принимают радиотепловое излучение от нефтяной пленки на водной поверхности сначала на вертикальной поляризации: А₂ на частоте f₁ в полосе приема первого канала радиометра и В₂ на частоте f₂ в полосе приема второго канала, затем на горизонтальной поляризации: С₂ на частоте f₁ и D₂ на частоте f₂,

находят разности между измеренными величинами радиотеплового излучения от нефтяной пленки на водной поверхности и атмосферы отдельно для каждой поляризации, на каждой из двух частот, на каждом из двух углов оси антенны НЧ канала и ее проекции на водную поверхность:

A₁ - E₁ - (вертикальная поляризация), C₁ - G₁ - (горизонтальная поляризация) на частоте f₁, B₁ - F₁ - (вертикальная поляризация), D₁ - Н₁ - (горизонтальная поляризация) на частоте f₂ при угле измерения θ₁;

А₂ - Е₂ - (вертикальная поляризация), С₂ - G₂ - (горизонтальная поляризация) на частоте f₁, B₂ - F₂ - (вертикальная поляризация), D₂ - H₂ - (горизонтальная поляризация) на частоте f₂ при угле измерения θ₂;

находят измеренные отношения, у которых числитель равен разности между величинами радиотеплового излучения от нефтяной пленки на водной поверхности и атмосферы на вертикальной поляризации, а знаменатель равен разности между величинами радиотеплового излучения от нефтяной пленки и атмосферы на горизонтальной поляризации:

- для угла θ₁: K_1изм=(A₁-E₁)/(C₁-G₁) на частоте f₁,

К_2изм=(B₁ - F₁)/(D₁- H₁) на частоте f₂;

- для угла θ₂: К_3изм=(A₂ - E₂) / (C₂ - G₂) на частоте f₁,

К_4изм=(B₂ - F₂) / (D₂ - H₂) на частоте f₂,

Вычисляют при разных значениях толщин d в диапазоне от 0 до 12 мм теоретические отношения K_т1 (θ₁,f₁,d), К_т2 (θ₁,f₂,d), К_т3 (θ₂,f₁,d), К_т4 (θ₂,f₂,d) для соответствующих углов наблюдения θ₁ и θ₂, частот каналов f₁ и f₂ радиометра по формуле:

где R₁₂₃ ^верт(θ,d,ƒ) и R₁₂₃ ^гор(θ,d,ƒ) - коэффициент отражения нефтяной пленки толщиной d на поверхности воды на вертикальной и горизонтальной поляризацииях на частоте f под углом θ между направлением распространения электромагнитной волны частотой f и поверхностью пленки, которая разлита на поверхности воды при априорных сведениях о диэлектрических свойствах нефти (нефтепродукта) и физической температуре воды для каждой из двух частот каналов радиометра и для каждого из двух углов направления оси антенны низкочастотного канала радиометра при измерении пленки нефти на водной поверхности.

Вывод формул для коэффициентов отражения R₁₂₃ ^верт(θ,d,ƒ) и R₁₂₃ ^гор(θ,d,ƒ) производится в соответствии с известной литературой [см. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. – 502 с., Сивухин, Д.В. Оптика: Уч. пособие. 2-е изд., испр. / Д.В. Сивухин. М: Наука, 1985. 752 с.; Башаринов Е.А., Тучков Л.Т., Поляков В.М., Ананов Н.И. Измерение радиотепловых и плазменных излучений в СВЧ диапазоне. М.: Сов. радио, 1968. 390 - с.; Богородский В.В., Козлов А.И., Тучков Л.Т. Радиотепловое излучение земных покровов. Л.: Гидрометиздат, 1985. - 272 с.], а расчет диэлектрической постоянной воды производится в соответствии с [см. Klein L.A., Swift С.Т. An improved Model for dielectric constant of sea water at microwave frequencies // IEEE Trans. Anten. Propag. 1977. V. 25, No. 1. Р. 104-111].

Перебирают теоретические значения Kт₁ (θ₁,f₁,d), К_т2 (θ₁,f₂,d), K_т3 (θ₂,f₁,d), K_т4 (θ₂,f₂,d) при изменении толщины от 0 до 12 мм и сравнивают их с соответствующими по углу и частоте значениями измеренных отношений, чтобы определить наборы значений толщин, при которых теоретическое К_тn равно измеренному К_иn, при этом n=1, 2, 3, 4. Выбирают из каждого набора по одному значению наиболее близких друг к другу в пределах заданной погрешности толщин. Находят среднее из определенных четырех значений толщины и принимают его за определяемую величину толщины исследуемой нефтяной пленки разлитой на водной поверхности.

Для подтверждения осуществления изобретения был использован радиометр, состоящий из двух радиометрических каналов, в каждый из которых входит антенна и радиометрический приемник с включенными между ними переключателями поляризации, а также датчики угла крена и угла места. Вес прибора без аккумуляторов - 11 кг. Габариты прибора - 580*196*248 мм. Углы диаграмм направленности антенн обоих каналов: Для частоты f₁=34 ГГц: вертикальная поляризация 9.9 градуса, горизонтальная поляризация 9.45 градуса; Для частоты f₂=12.2 ГГц: вертикальная поляризация 11.68 градуса, горизонтальная поляризация 10.73 градуса. Угол между осями антенн радиометров α ~ 2.5 градуса. Оси антенн радиометров при угле крена, равном нулю, расположены в вертикальной плоскости.

Для проведения измерений применялось опорное устройство, изображенное на фиг. 1, где 1 - радиометр, 2 - верхняя ручка радиометра, 3 - отверстие в креплении, 4, 4 - крепление, 5 - г-образная ось, 6 - торцевая защелка, 7 - верхняя защелка, 8 - верхняя трубка, 9 - верхний упор, 10 - проходная защелка, 11 - нижняя трубка, 12 - нижний упор, 13 - острие, 14 - ограничительное кольцо.

Перед проведением измерений на радиометре 1 на верхней ручке 2 в отверстие 3, установленного на верхней ручке 2 крепления 4 вставлялся с определенной стороны горизонтальный конец г-образной оси 5 и фиксировался с другой стороны крепления 4 торцевой защелкой 6 так, чтобы г-образная ось 5 не могла неконтролируемо разъединиться с креплением 4 во время измерений, но при этом могла свободно вращаться в отверстии 3 крепления 4, обеспечивая возможность в ходе измерений поворачивать радиометр 1 в вертикальной плоскости в заданном секторе углов наблюдения из фиксированной точки местности. Другой конец г-образной оси 5, загнутый относительно первого на 90 градусов, вставлялся в верхнюю защелку 7 верхней трубки 8 до верхнего упора 9 и автоматически защелкивался защелкой 7 в этом положении, позволяя г-образной оси 5 вращаться в верхней трубке 8, но не давая ей неконтролируемо разъединиться с верхней трубкой 8. Верхняя трубка 8, вставленная через проходную защелку 10 внутрь нижней трубки 11, может находиться в двух положениях внутри нижней трубки 11.

На расстоянии L₁=45.3 см от верхней кромки нижней трубки 11 находилась верхняя кромка нижнего упора 12, который обеспечивал второе положение верхней трубки 8 внутри нижней трубки 11.

На нижнем конце нижней трубки 11 имелось острие 13, которое позволяло углубить опору в грунт до ограничительного кольца 14, относительно которого и определялись две высоты подвеса радиометра 1 в цикле проведения измерений толщины пленки на поверхности воды. При этом расстояние от точки установки опоры до центра измеряемого участка нефтяной пленки на воде было порядка 2 м. Опора выполнена из трубок разного диаметра так, чтобы верхняя трубка 8 длиной L₂=92.4 см свободно перемещалась в нижней трубке 11 длиной L₃=92.2 см. Диаметры трубок 8 и 11, соответственно, внешние - 14 мм и 18 мм, а внутренние - 11 мм и 14.5 мм. Диаметр ограничительного кольца 14-10 см. Поскольку опорное устройство имеет малый поперечный размер, то в вертикальном положении будет иметь и малую площадь опоры на поверхность земли, поэтому в процессе цикла измерений оператор должен постоянно придерживать опору в положении, близком к вертикальному. Этому способствуют вестибулярный аппарат оператора и вес прибора, передаваемый через г-образную ось 5 и тело опоры в землю.

Для проведения процесса измерений толщины нефтяной пленки, разлитой на водной поверхности, опора устанавливалась на твердую поверхность около водоема с нефтяной пленкой, для чего острие 13 опоры позволяло углубить опору в грунт до ограничительного кольца 14, относительно которого и определялись две высоты подвеса радиометра 1.

В водоем помещалась плавающая рамка с вертикальной стенкой 50 мм, сделанная из дюралевой полосы толщиной 1 мм и шириной 50 мм, согнутой в квадрат так, чтобы внутренний периметр равнялся 150 на 150 см. Для обеспечения плавучести к внешней стороне рамки крепились пенопластовые полосы такие, чтобы глубина погружения стенки дюралевой рамки была 25 мм. Площадь водной поверхности внутри рамки равнялась S=22500 см². На эту поверхность наливалось 1485 см³ нефти, поэтому после выравнивания нефти по поверхности воды внутри рамки образовывалась пленка толщиной 0.66 мм.

Диэлектрические характеристики нефти были априорно известны, например измерены заранее каким-то способом, (например, с помощью самого радиометра на поверочном стенде) и внесены в память вычислителя, встроенного в радиометр. При данных измерениях диэлектрическая проницаемость нефти (ДПН) составляла ε*=2.05+i0.01.

Температура воды измерялась непосредственно перед проведением измерений толщины пленки нефти, разлитой на воде контактным ртутным термометром, и вводилась в вычислитель радиометра в цикле измерения толщины нефтяной пленки на водной поверхности. При данных измерениях температура воды составляла Т_воды=20°С.

Диапазон измеряемых толщин пленки нефти выбирался от 0,2 до 12 мм.

Первое положение радиометра 1 обеспечивалось попаданием пружинного зацепа проходной защелки 10 в паз верхней трубки 8. При этом верхняя трубка 8 фиксировалась внутри нижней трубки 11, а длина опоры становится максимальной, равной h_1О=168.7 см, определяя первую высоту подвеса радиометра 1 на г-образной оси 5 опоры для проведения цикла измерений.

В рабочем положении радиометр 1 подвешивался на вертикально установленной опоре с помощью специального крепления 4, позволяющего оператору поворачивать радиометр вокруг горизонтального участка г-образной оси 5 опоры в вертикальной плоскости и вокруг вертикальной участка г-образной оси 5 опоры в горизонтальной плоскости.

При этом оператор, стоя на двух ногах на ширине плеч на земле и держась за корпус радиометра 1, подвешенный на опоре, удерживал воткнутую в землю на некотором расстоянии от его стоп в вертикальном положении опору, создавая систему с тремя точками опоры на поверхности земли. Это обеспечивало повышение устойчивости как самому оператору, так и положению радиометра 1 на опоре. При этом, благодаря действию Земной гравитации, конструкции крепления 4 к радиометру 1 и подвеса радиометра к опоре, без особых усилий оператора радиометр автоматически принимал такое положение, что ось антенны НЧ канала (с частотой 12,2 ГГц) принимала угол наклона θ₁=35° со своей проекцией на водную поверхность и угол крена равнялся нулю, поэтому при установлении первой высоты h₁=126.5 см центра апертуры антенны НЧ канала (при этом высота оси подвеса радиометра в его креплении к опоре равнялась h_1O=168.7 см) обеспечивалось пересечение центральных осей обеих антенн на пленке нефти, разлитой на водной поверхности под углом α ~ 2.5 градуса (Фиг. 1).

Поскольку в методике измерений наиболее значимой величиной является радиотепловое излучение, исходящее от пленки нефти, разлитой на воде, то условие, чтобы цикл измерений начинался с наблюдения нефтяной пленки на водной поверхности под оптимальным углом θ₁=35° и автоматичность удержания углов визирования оси НЧ антенны в секторе θ₁=35°±0.5° относительно горизонтальной плоскости и крена в секторе 0°±0.5°, являлось наиболее важным, т.к. при этом имелось время для обеспечения фиксирования прибора и успокоения датчиков измерения углов в устойчивом положении, возможность последующие измерения провести за минимально возможное время, т.к. радиотепловое излучения на разных поляризациях на одном объекте, на каждой поляризации для разных объектов (пленка и атмосфера) и между излучениями этих объектов при измерениях на разных углах измеряются последовательно, поэтому увеличение общего времени измерения при неустойчивости погоды могут привести к накоплению нестабильных данных, что увеличит ошибку конечной величины.

Далее два частотных канала радиометра сначала на вертикальной поляризации принимали радиотепловое излучение от нефтяной пленки на воде, а после набора по 100 значений в каждом канале переключали поляризацию на горизонтальную и принимали радиотепловое излучение, набирая по 100 значений в каждом канале с горизонтальной поляризацией.

Далее оператор поворачивал радиометр 1 в креплении 3, меняя угол наклона антенн радиометра так, чтобы антенны смотрели в атмосферу, а ось антенны НЧ канала имела угол θ₁ (35°±0.5°) со своей проекцией на поверхность измеряемого участка нефтяной пленки, разлитой на воде. Для этого оператор, придерживая радиометр 1 снизу левой рукой ближе к его антенне и правой рукой противоположный конец корпуса радиометра 1, поднимал левой рукой антенну радиометра 1 (т.е. поворачивал радиометр 1 относительно отверстия 3 крепления 4 и горизонтального участка г-образной оси 5 опоры) пока угол наклона в атмосферу сравнялся с заданным углом θ₁ (35°±0.5°) и ЭВМ радиометра 1 выдала команду на удержание угла, оператор остановил поворот радиометра и удерживал это положение несколько секунд, пока ЭВМ набирала измеряемые радиометром данные.

Два частотных канала радиометра 1 сначала на вертикальной поляризации принимали радиотепловое излучение от атмосферы при угле θ₁, а после набора по 100 значений в каждом канале переключали поляризацию на горизонтальную и принимали радиотепловое излучение, набирая по 100 значений в каждом канале с горизонтальной поляризацией.

Далее оператор поворачивал радиометр 1 в креплении 4, меняя угол наклона антенн радиометра так, чтобы антенны смотрели в атмосферу, а ось антенны НЧ канала имела угол θ₂ (30°±0.5°) со своей проекцией на поверхность измеряемого участка нефтяной пленки, разлитой на воде.

Два частотных канала радиометра 1 сначала на вертикальной поляризации принимали радиотепловое излучение от атмосферы при угле θ₂, а после набора по 100 значений в каждом канале переключали поляризацию на горизонтальную и принимали радиотепловое излучение, набирая по 100 значений в каждом канале с горизонтальной поляризацией.

Вторая высота расположения радиометра 1 на опоре реализовалась, когда оператор нажимал на рычаг проходной защелки 10, чтобы разблокировать ее зацеп с верхней трубкой 8, которая в результате этого проходила под действием веса радиометра, поддерживаемого оператором, глубже вовнутрь нижней трубки 11 и достигала своим нижним концом нижнего упора 12. При этом длина опоры становилась минимальной, равной h_2О=168.7-26.3=142.4 см, определяя вторую высоту подвеса радиометра 1 для проведения цикла измерений при угле θ₂=30°±0.5° и угле крена 0°±0.5°. При этом высота расположения центра апертуры антенны НЧ канала равнялась h₂=102.3 см и ось этой антенны пересекала исследуемый участок нефти в той же точке, что и при измерении на угле θ₁=35°±0.5°. Сам оператор находился на расстоянии длины предплечья от опоры, его левая рука была ближе к антенне НЧ канала радиометра 1, а правая рука ближе к задней части корпуса радиометра.

Два частотных канала радиометра 1 сначала на вертикальной поляризации принимали радиотепловое излучение от нефтяной пленки на водной поверхности при угле θ₂=30° оси антенны НЧ канала со своей проекцией на поверхность измеряемого участка, а после набора по 100 значений в каждом канале переключали поляризацию на горизонтальную и принимали радиотепловое излучение, набирая по 100 значений в каждом канале с горизонтальной поляризацией.

При любом измерении: угле θ₁ или θ₂, частоте f₁или f₂, пленки или атмосферы необходимо было набрать по 100 значений, а затем каждый из 16 наборов усреднить для получения А₁, В₁, С₁, D₁, Е₁, F₁, G₁, Н₁, А₂, В₂, С₂, D₂, Е₂, F₂.

Для измерений на угле θ₁=35° были получены K_1изм=1.84 на частоте f₁=34 ГГц и К_2изм=2.28 на частоте f₂=12.2 ГГц.

При измерениях на угле θ₂=30° были получены для частоты f₁=34 ГГц К_3изм=2.11, для частоты f₂=12.2 ГГц К_4изм=2.78.

По формуле

где R₁₂₃ ^верт(θ,d,ƒ) и R₁₂₃ ^гор(θ,d,ƒ) - коэффициент отражения нефтяной пленки толщиной d на поверхности воды на вертикальной и горизонтальной поляризации на частоте f под углом θ между направлением распространения электромагнитной волны частотой f и поверхностью пленки, которая разлита на поверхности воды, для нефти с диэлектрической проницаемостью (ДПН) составляла ε*=2.05+i0.01 и температурой воды с нефтью Т_воды=20°С были рассчитаны теоретические зависимости коэффициента К_Т (θ,d,ƒ) от толщины пленки нефти на воде d.

На Фиг. 2 представлены теоретические зависимости К_т1 (d) при угле измерения θ₁=35° для частоты f₁=34 ГГц (канал 8.8 мм) - кривая 15 и К_т2 (d) для f₂=12.2 ГГц (канал 24.6 мм) - кривая 16. Для поиска толщин, для которых теоретические зависимости равны измеренной величине, проводим прямые, параллельные оси толщин с соответствующей величиной К_1изм=1.84 находим пересечение с кривой К_т1 (d), а для величины К_2изм=2.25 находим пересечение с кривой К_т2 (d). Получаем два набора толщин точек: по К_1изм=1.84 в канале с длиной волны 8.8 мм определилось семь значений толщин: S2, S6, S7, S8, S9, S4, S10, соответственно, 0.66, 2.95, 4.44, 6.78, 8.2, 10.63, 11.97 мм. По К_2изм=2.25 в канале с длиной волны 24.6 мм определилось три толщины: S1, S5, S3, соответственно, 0.66, 10.08, 10.63 мм.

На Фиг. 3 представлены теоретические зависимости К_т3 (d) при угле измерения θ₂=30° для частоты f₁=34 ГГц (канал 8.8 мм) - кривая 17 и К_т4 (d) для f₂=12.2 ГГц (канал 24.6 мм) - кривая 18. Для поиска толщин, для которых теоретические зависимости равны измеренной величине, проводим прямые, параллельные оси толщин с соответствующей величиной К_3изм=2.11 находим пересечение с кривой К_т3 (d), а для величины К_4изм=2.78 находим пересечение с кривой К_т4 (d).

Получаем еще два набора толщин:

По К_3изм=2.11 в канале с длиной волны 8.8 мм (частотой 34 Ггц) на зависимости К_т3 (d) определилось шесть значений толщин: W2, W6, W7, W8, W9, W4, соответственно, 0.68, 3.05, 4.55, 6.5, 8.5, 10.94;

По К_4изм=2.78 в канале с длиной волны 24.6 мм (частотой 12.2 ГГц) на зависимости К_т4 (d) определилось три значения толщины: W1, W5, W3, соответственно, 0.68, 10.35, 10.94.

Сравнивая полученные наборы значений толщин, было установлено, что при измерении на двух углах с разностью в 5° из представленных 4-х наборов значений толщин определяются 4 наиболее близкие толщины: 0.66, 0.66, 0.68, 0.68. Их среднее дает величину 0,67 мм. Т.о. измерение дает конечную величину толщины пленки нефти на воде 0,67 мм, которая по сравнению с реальной, предварительно установленной, 0,66 мм, дает ошибку определения, равную 0,01 мм.

Далее был проведен второй цикл измерений для слоя нефти толщиной 10.63 мм. Для этого в плавающую рамку к уже налитому объему 1485 см³ долили 22432 см³ той же нефти с ДПН - ε*=2.05+i0.01 при Тв_оды=20°С, которая не успела измениться. Таким образом, при выравнивании налитого объема нефти по поверхности воды внутри рамки образовался слой нефти толщиной 10.63 мм.

После проведенного цикла измерений для нефтяного слоя с 10.63 мм по описанному выше циклу измерений на угле θ₂=30° получены величины К_5изм=1-62 Для частоты f₁=34 ГГц (канал 8.8 мм), К_6изм=2.79 для частоты f₂=12.2 ГГц (канал 24.6 мм). На Фиг. 4 для указанных параметров представлены теоретические зависимости К_Т5 (d) для частоты f₁=34 ГГц (канал 8.8 мм) - кривая 19 и К_Т6 (d) для частоты f₂=12.2 ГГц (канал 24.6 мм) - кривая 20. Для поиска толщин, для которых теоретические зависимости равны измеренной величине, проводили прямые параллельные оси толщин с соответствующей величиной К_5изм=1.62 и находили пересечение с кривой К_т5 (d), а для величины К_6изм=2.79 находили пересечение с кривой К_т6 (d). Получили два набора толщин неоднозначности первого рода (ТНПР):

По К_5изм=1.62 в канале с длиной волны 8.8 мм определилось шесть значений толщин: V2, V5, V6, V7, V8, V4, соответственно, 0.95, 2.76, 4.83, 6.8, 8.72, 10.63;

По К_6изм=2.79 в канале с длиной волны 24.6 мм определилось всего два значения толщины: V1, V3, соответственно, 0.63, 10.63.

Поскольку параметры нефти и воды не изменились, то для первого угла измерения θ₁=35°, не только теоретические зависимости остались теми же, что и в первом измерении, но и результаты измерений: К_7изм=К_1изм=1.84 для частоты f₁=34 ГГц (канал 8.8 мм), К_8изм=К_2изм=2.28 для частоты f₂=12.2 ГГц (канал 24.6 мм). Поскольку К_7изм=К_1изм и К_8изм=К_2изм, то используем результаты на Фиг. 2.

Таким образом, при измерении на угле θ₂=30° ближайшая точка к 0.66 мм в канале 24.6 мм - это точка 0.63 мм с разницей в 0.03 мм. Однако в канале 8.8 мм - ближайшая точка к 0.66 мм точка 0.95 мм с разницей в 0.29 мм, при этом разница между самими ближайшими точками 0.95-0.63=0.32 еще больше. Обе разницы выходят за предел заданной погрешности, равный 0.2 мм. Однако при этом на всех 4-х кривых определяется еще точка 10.63 мм с разбросом 0 мм. Таким образом, толщина 0.66 мм не могла быть определена как измеряемая, поскольку отклонение значений ближайших к ней найденных величин в 4-х наборах значений толщин составила погрешность 0.29 мм. Таким образом, наиболее очевидной толщиной, которую в пределах заданной погрешности меньше 0.2 мм выбрал вычислитель радиометра, была толщина 10.63 мм. Именно эту толщину мы и наливали в организованный для второго измерения разлив. Таким образом, измерение на двух углах позволяет однозначно определить толщину даже при наличии двойной неоднозначности в диапазоне измеряемых толщин нефти от 0.2 до 12 мм.

Claims

Способ измерения толщины слоя нефти (нефтепродуктов), разлитой на водной поверхности, основанный на сравнении данных, измеренных с помощью радиометра, имеющего два радиометрических канала с некратными частотами, с данными, полученными расчетным путем при априорных сведениях о типе нефти и физической температуре воды, отличающийся тем, что радиометр устанавливают на опорном устройстве на первой высоте так, чтобы ось антенны низкочастотного канала имела первый угол со своей проекцией на поверхность нефтяной пленки, разлитой на воде, и оси обоих антенн каналов радиометра пересекались на исследуемой поверхности, принимают радиотепловое излучение от нефтяной пленки на поверхности воды на частотах первого и второго каналов радиометра на вертикальной и горизонтальной поляризациях, направляют антенны радиометра в атмосферу так, чтобы ось антенны низкочастотного канала имела первый угол со своей проекцией на поверхность измеряемой нефтяной пленки, разлитой на воде, принимают радиотепловое излучение от атмосферы на частотах первого и второго каналов радиометра на вертикальной и горизонтальной поляризациях, уменьшают угол наклона оси антенны низкочастотного канала радиометра до второго угла со своей проекцией на поверхности нефтяной пленки, разлитой на воде, продолжая направлять антенны радиометра в атмосферу, принимают радиотепловое излучение атмосферы на частотах первого и второго каналов радиометра на вертикальной и горизонтальной поляризациях, перемещают радиометр на опорном устройстве вниз до второй высоты, такой, чтобы ось антенны низкочастотного канала имела второй угол со своей проекцией на исследуемый участок нефтяной пленки, пересекаясь с ним в той же точке, что и при измерениях на первом угле, принимают радиотепловое излучение от нефтяной пленки на водной поверхности на частотах первого и второго каналов радиометра на вертикальной и горизонтальной поляризациях, находят разность между измеренными величинами радиотеплового излучения от нефтяной пленки на водной поверхности и атмосферы, отдельно для каждой поляризации, на каждой из двух частот радиометра, на каждом из двух углов оси низкочастотной антенны радиометра и ее проекции на водную поверхность, находят измеренные отношения, числители которых равны разности между измеренными величинами радиотеплового излучения от нефтяной пленки на водной поверхности и атмосферы на вертикальной поляризации, а знаменатели равны разностям между величинами радиотеплового излучения от нефтяной пленки и атмосферы на горизонтальной поляризации, отдельно для частот первого и второго каналов радиометра, для первого и второго углов измерения нефтяной пленки на водной поверхности и атмосферы, вычисляют для диапазона толщин нефтяной пленки, разлитой на водной поверхности, при априорных сведениях о диэлектрических свойствах нефти и физической температуре воды, теоретические отношения, числители которых равны единица минус коэффициент отражения нефтяной пленки на водной поверхности для радиотеплового излучения с вертикальной поляризацией, а знаменатели равны единица минус коэффициент отражения нефтяной пленки на водной поверхности для радиотеплового излучения с горизонтальной поляризацией, отдельно для частот первого и второго каналов радиометра, для первого и второго углов измерения нефтяной пленки на водной поверхности, определяют набор значений толщин, для которых теоретическое отношение равно соответствующему ему по углу и частоте измеренному отношению, выбирают из каждого набора по одному значению наиболее близких друг к другу в пределах заданной погрешности толщин, принимают их среднее значение за величину толщины исследуемой нефтяной пленки, разлитой на водной поверхности.