<<
>>

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.

Эти преимущества связаны с отсутствием необходимости ручного или автоматического отбора проб, практической безинерционностью, возможностью работать на значительных скоростях движения носителя аппаратуры и т.д. [129, 130, 165-175, 180]. В основе методов дистанционной регистрации загрязнений лежит регистрация или измерение электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн — от радиодиапазона (сантиметровые длины волн) до гамма-излучения (10'11 см). Дистанционность измерения зависит, в первую очередь, от выбора диапазона и рабочих характеристик аппаратуры. С точки зрения использования

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

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

Рис.

2.11. Аппаратура дистанционного лоцирования водной поверхности

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".

Появление сигнала "Пленка" фиксируется во времени, а при установке прибора на судне, оснащенном системой спутниковой навигации, привязывается к координатам места нахождения судна в момент появления сигнала, а также архивируется.

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.

уровень воды в цилиндре понижается до уровня ее емкости без переливания через край, что могло бы привести к выливанию всей пленки или ее части. Выбор материала для изготовления цилиндра (нержавеющая сталь) и специальные меры по подготовке пробоотборника к работе препятствуют осаждению пленки на стенках цилиндра, сохраняя тем самым ее толщину.

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.

При погружении в воду края воронки вырезают пленку фиксированной площади, погружение воронки ниже поверхности воды заставляет трансформированный объем зайти в измерительную трубку.

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

Измеряемая

величина

Диапазон измерений, мкм Цена

деления,

мкм

Пределы

допускаемой

относительной

погрешности,

%

Модифи­

кация

Толщина

пленки

нефтепро­

дукта

от 0,4 до 1,0

ев. 1,0 до 10,0

0,2 ± 50

±30

Прибор

ИТ-1

от 8 до 12

св. 12 до 160

4 ±50

±20

Прибор

ИТ-2

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.

<< | >>
Источник: Гуральник Дмитрии Леонтьевич. Создание и Внедрение В практику экологического контроля и мониторинга судовых природоохранных комплексов [Электронный ресурс]: Дис. ... д-ра техн. наук : 03.00.16, 05.11.13 .-М.: РГБ, 2005. 2005

Скачать оригинал источника

Еще по теме 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.:

  1. 3.2. Задачи и основы организации федеральной медицинской службы гражданской обороны
  2. 3.1. Виды медицинского имущества
  3. Точение и полирование выпуклой поверхности
  4. Методы контроля геометрических и оптических параметров контактных линз
  5. Измерение радиусов поверхностей жестких линз
  6. ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ГЛАЗА
  7. Оглавление
  8. 2.1. Концепция (методология) оперативного контроля экологического состояния водных объектов на основе судовых природоохранных комплексов (СПК).
  9. 2.2. Обоснование требований и разработка предложений по техническому облику и структуре принципиально нового средства автоматизированного оперативного экологического контроля - СПК. Базовый состав СПК.
  10. 2.4. Специализированный комплекс средств, обеспечивающий заглубление ибуксировку измерителей и непрерывный пробоотбор.
  11. 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.
  12. Аппаратура ультразвукового зондирования толщи воды.
  13. 3.1. Обобщенная схема обработки информации в СПК.
  14. Алгоритмы обработки информации канала ультразвукового зондирования толщи воды (УЗК) и оптического локатора поверхности воды.
  15. 4.1, Методы использования СПК и их отличительных особенностей при решении природоохранных задач.
  16. 4.2.1, Экологический мониторинг в районе подъема судна с радиоактивными отходами на Ладожском озере.
  17. 4.4. Экологический мониторинг внутренних и морских водных объектов с применением СПК.
  18. ЛИТЕРАТУРА
  19. Внутрибрюшная гипертнзия и синдром абдоминальной компрессии
- Акушерство и гинекология - Анатомия - Андрология - Биология - Болезни уха, горла и носа - Валеология - Ветеринария - Внутренние болезни - Военно-полевая медицина - Восстановительная медицина - Гастроэнтерология и гепатология - Гематология - Геронтология, гериатрия - Гигиена и санэпидконтроль - Дерматология - Диетология - Здравоохранение - Иммунология и аллергология - Интенсивная терапия, анестезиология и реанимация - Инфекционные заболевания - Информационные технологии в медицине - История медицины - Кардиология - Клинические методы диагностики - Кожные и венерические болезни - Комплементарная медицина - Лучевая диагностика, лучевая терапия - Маммология - Медицина катастроф - Медицинская паразитология - Медицинская этика - Медицинские приборы - Медицинское право - Наследственные болезни - Неврология и нейрохирургия - Нефрология - Онкология - Организация системы здравоохранения - Оториноларингология - Офтальмология - Патофизиология - Педиатрия - Приборы медицинского назначения - Психиатрия - Психология - Пульмонология - Стоматология - Судебная медицина - Токсикология - Травматология - Фармакология и фармацевтика - Физиология - Фтизиатрия - Хирургия - Эмбриология и гистология - Эпидемиология -