2.5. Аппаратура дистанционного оптического лоцирования водной поверхности для обнаружения пленок нефти и нефтепродуктов и комплект приборов для отбора проб с поверхности воды и измерения толщины пленки.

Дистанционное лоцирование водной поверхности с целью обнаружения и регистрации загрязнения как метод дистанционного контроля экологического состояния водного объекта имеет определенные преимущества перед контактными инструментальными и ручными методами, применяемыми при экологическом контроле и мониторинге.

дистанционных средств в составе СПК наиболее важными являются методы и средства оптического лоцирования, предназначенные для обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности.

Оптические свойства чистой воды существенно отличаются от свойств вод, загрязненных нефтепродуктами. Для чистой воды в океане длина волны максимально рассеянного света в близкой ультрафиолетовой и видимой областях спектра составляет 470 нм, коэффициент преломления n ≈ 1,3, угол Брюстера 53°.

За счет электронных переходов более легкие фракции нефти, присутствующие в нефтяных пленках на поверхности воды, поглощают свет в области вблизи 300 нм и могут при определенных условиях высвечивать в диапазоне 360-460 нм; более тяжелые фракции поглощают в области около 370 нм и могут высвечивать при 520 нм. Коэффициент преломления в ультрафиолетовой и видимой областях спектра нефти равен 1,6, угол Брюстера 58°. Таким образом, нефтяные пленки в рассмотренной области спектра обладают отличающимися от чистой воды спектрами рассеяния (из- за влияния собственных полос поглощения нефти) и отражения, нефть может флюоресцировать, и значения углов Брюстера у воды и нефтяной пленки существенно различны.

В ИК области коэффициент преломления нефти больше, чем чистой воды, что приводит к более высоким коэффициентам отражения от нефтяных пленок; существенно различаются также и поляризационные характеристики.

Перед средствами дистанционного контроля, к которым относится аппаратура оптического лоцирования, обычно ставятся следующие основные задачи:

- обнаружение пленки нефти и нефтепродуктов;

- определение площади загрязнения;

- измерение толщины пленки (непосредственно оптическим методом или с помощью других средств по результатам обнаружения пленки оптическим методом).

В процессе проектирования первого образца СПК нами были проведены натурные испытания нескольких образцов оптических локаторов, функционирующих в различных областях спектра. Предпочтение было отдано локаторам с активным режимом в ИК-диапазоне в силу относительной простоты их конструкции и удобства обслуживания, а также приемлемой, с точки зрения условий эксплуатации на судне, помехо-

, устойчивости работы прибора за счет уменьшения влияния солнечных

бликов, возникающих при наличии волнения на поверхности воды.

Разработанные нами при создании СПК варианты оптических локаторов в ИК-диапазоне (рис. 2.11), проведенные широкомасштабные натурные испытания этих образцов позволили выбрать конструкцию прибора (рис. 4.4), которая в настоящее время наиболее широко используется в составе действующих СПК.

Принцип работы оптического локатора в ИК-диапазоне (длина волны 880 нм) основан на различных значениях коэффициентов отражения светового потока от чистой водной поверхности и водной поверхности с пленкой нефти и нефтепродуктов. Схема прибора приведена на рис. 2.12.

В качестве источника света в приборе используется ИК-светодиод, в качестве свето-приемника - фотодиод. Для фокусирования на фотодиоде отраженного от поверхности воды светового потока используется объектив, на который попадает свет, прошедший через светофильтр с длиной волны пропускания 880 нм.

Выходной сигнал фотодиода усиливается и передается в ПЭВМ для обработки по специальной программе с целью формирования сигнала о

⅛

наличии (или отсутствии) пленки и нефтепродуктов на поверхности воды в поле зрения прибора.

Рис.

Рис. 2.12. Оптическая схема прибора дистанционного лоцирования поверхности воды

Световой поток ИК — излучения, облучающий поверхность воды, модулируется сигналами, поступающими на источник света с модулятора прибора. Частота модуляции светового потока - 100 Гц, длительность светового импульса - 20 мкс.

Аналогично модулируется работа светоприемника и усилителя его выходного сигнала. Наличие модуляции светового потока и тракта формирования выходного сигнала позволяет существенно уменьшить среднюю мощность, потребляемую источником света, при достаточно высокой интенсивности светового потока в импульсе и получить информацию об уровнях выходного сигнала как при облучении прибором водной поверхности, так и при отсутствии такого облучения. Разница в уровнях этих сигналов с достаточно высокой степенью достоверности характеризует световой поток, отраженный от водной поверхности, что позволяет сформировать сигнал о наличии пленки нефти и нефтепродуктов в поле зрения прибора.

Включение прибора осуществляется над чистой водной поверхностью в поле зрения прибора. Уровень отраженного сигнала в момент включения прибора принимается в качестве фонового значения, разница между текущим значением отраженного сигнала и его фоновым значением, превышающая некоторый пороговый уровень, свидетельствует о наличии пленки нефти и нефтепродуктов в поле зрения прибора.

Формирование сигнала о наличии пленки осуществляется в ПЭВМ, при этом программное обеспечение канала лоцирования обеспечивает возможность корректировки некоторых параметров алгоритма обработки информации, поступающей с прибора, с целью адаптации алгоритма обработки информации к конкретным условиям, складывающимся при работе в акватории. Корректировка может быть связана с изменением курса судна, его маневрированием, изменением характера волнения морской поверхности, погодными условиями и другими внешними факторами.

Результаты обработки выходного сигнала прибора отображаются на экране монитора этой ПЭВМ в виде наличия или отсутствия сигнала "Пленка".

С целью обеспечения возможности контроля появления сигнала "Пленка" при нахождении оператора в непосредственной близости от прибора на приборе в его верхней части установлен светодиод, загорающийся по сигналу с ПЭВМ синхронно с появлением сигнала "Пленка" на экране ПЭВМ.

В приборе предусмотрена встроенная система проверки его функционирования, которая включается по команде с ПЭВМ и при правильном функционировании прибора выдает в ПЭВМ стандартный сигнал. Время проверки функционирования прибора с использованием этой системы не более 3 мин, проверка может быть проведена в любой момент после включения прибора.

Конструктивно прибор выполнен в герметичном алюминиевом корпусе, исполнение водозащищенное, обеспечивающее защиту прибора от дождя, струй воды и попадания внутрь воды при заливании волной.

Оптический локатор работает в индикаторном режиме, т.е. не является средством измерения, а лишь регистрирует факт наличия пленки нефти или нефтепродуктов толщиной от 1 мкм на поверхности воды. Для измерения толщины пленки нефти и нефтепродуктов, обнаруженных с помощью оптического локатора, в составе СПК используется комплект специально разработанных устройств и приборов, включающий прибоотборник и измерители толщины пленок.

Пробоотборник, используемый для отбора пробы пленки нефтепродуктов на поверхности воды, имеет специальную конструкцию,

предотвращающую повреждение отбираемой пленки нефтепродукта в процессе отбора, С этой целью внутри цилиндрической емкости установлен цилиндр, не имеющий дна и крышки, верхний срез которого выступает на некоторую величину над срезом емкости. При размещении емкости с установленным в ней цилиндром под поверхностью воды с пленкой и дальнейшем ее подъеме цилиндр вырезает часть пленки, которая остается неповрежденной, т.к.

В комплексе отбор пробы нефтяной пленки производится при установке пробоотборника в специальное устройство, обеспечивающее погружение пробоотборника ниже поверхности воды, перемещение его в невозмущенную судном часть пленки и последующий подъем без опрокидывания на борт судна. Измерение толщины производится на борту судна с помощью приборов ИТ в диапазоне толщин от 0,4 до 160 мкм. При этом измерение в диапазоне от 0,4 до 10 мкм обеспечивается прибором ИТ-1, а в диапазоне от 8 до 160 мкм - прибором ИТ-2 (рис. 2.13).

Принцип действия приборов ИТ-1 и ИТ-2 основан на трансформации объема нефтепродукта, имеющего малую толщину и находящегося на ограниченной фиксированной площадью прибора водной поверхности, в столбик, имеющий значительно меньшую площадь, но значительно большую высоту (толщину) при сохранении неизменным исследуемого объема не фтепродуктов.

Приборы выполнены в виде двух разъемных частей:

Рис. 2.13. Внешний вид и устройство приборов ИТ

1 - воронка; 2 - узел стыковочный; 3 - трубка измерительная; 4 - ручка; 5 - гайка; 6 - клапан

- масштабной воронки с переходным узлом;

- измерительного капилляра с клапаном.

Приборы ИТ-1 и ИТ-2 конструктивно одинаковы, их различие состоит лишь в диаметрах капилляров измерительной трубки.

Каждый из приборов представляет собой конусообразную воронку, соединенную в вершине конуса через капилляр со стеклянной трубкой, имеющей шкалу делений. В процессе измерения широкая часть воронки обращается в сторону исследуемой водной поверхности, на которой имеется пленка нефтепродукта.

В момент перехода всего объема нефтепродукта в измерительную трубку формирование столбика заканчивается, и высота этого столбика пропорциональна толщине исследуемой пленки нефтепродукта с некоторым коэффициентом. Величина коэффициента выбирается таким образом, чтобы удовлетворялось условие преобразования пленки минимальной толщины в величину минимального отсчета на шкале измерительной трубки, и определяется по формуле;

^κ h d² ’

где К - коэффициент пропорциональности;

Н — высота столба нефтепродукта в измерительной трубке; h - толщина исследуемой пленки;

D - внутренний диаметр отсекателя воронки; d - внутренний диаметр измерительной трубки.

Прибор обеспечивает визуализацию и хранение (при необходимости) отобранной пробы нефтепродуктов для дальнейшего детального анализа (идентификации) в лабораторных условиях, в том числе, на борту судна - носителя СПК.

При непосредственном участии автора прибор прошел большой цикл лабораторных [32] и натурных испытаний и проверок, конструктивных доработок и усовершенствований, что позволило на основании положительных результатов метрологических испытаний утвердить тип приборов измерения толщины пленки нефтепродуктов ИТ, модификации ИТ-1, ИТ-2 [131] со следующими основными метрологическими характеристиками, приведенными в таблице 17.

Таблица 17

При размещении в составе СПК на природоохранном судне аппаратура дистанционного оптического лоцирования с комплексом поверхностного отбора проб размещается в носовой части судна на поворотной штанге (рис.

« 2.11). В рабочем положении аппаратура находится впереди носовой

оконечности судна над невозущенной водной поверхностью.

2.6.