本發(fā)明屬于油膜厚度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)涉及一種油膜測(cè)量方法以及應(yīng)用該方法制作而成的一種油膜測(cè)量?jī)x。

背景技術(shù)：

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)各類油污染的溢油量基本采取人工采樣方式，不能做到在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)突發(fā)事件響應(yīng)不及時(shí)，對(duì)油膜厚度則是根據(jù)油膜色彩運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式評(píng)估，數(shù)據(jù)可靠性較差。

本發(fā)明的基本原理為：海水受到油的污染后，可形成三層不同介質(zhì)，即空氣、油、水。測(cè)定油氣界面和油水界面之間的距離即為油膜的厚度。由此，若能精確測(cè)量上述兩個(gè)界面的位置，即可得到油膜的準(zhǔn)確厚度(具體技術(shù)方案及其獨(dú)到技術(shù)將在后面提及)。掌握了油膜厚度，配合航空遙測(cè)或其它方式(如雷達(dá))測(cè)量污染海域面積便可實(shí)時(shí)在線掌握溢油量，從而估計(jì)溢油的危害程度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種油膜測(cè)量方法以及應(yīng)用該方法制作而成的一種油膜測(cè)量?jī)x。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種油膜測(cè)量方法：利用油品介電常數(shù)與空氣有較大差異的特點(diǎn)，以海水為下電極，另外設(shè)置一上電極，二者之間形成一可變電容，控制上電極向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上電極接近或到達(dá)油氣界面時(shí)，距離引起的電容變化曲線斜率有一明顯增加，通過(guò)判斷隨上電極的運(yùn)動(dòng)電容變化曲線斜率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以準(zhǔn)確測(cè)量此點(diǎn)的電極位置，即可得到油氣界面的精確位置；當(dāng)上電極繼續(xù)運(yùn)行到油水界面時(shí)，由于海水是良導(dǎo)體，上下電極短路，此時(shí)的電極位置即為油水界面的位置，油氣界面與油水界面間距離即油膜厚度。

一種油膜測(cè)量裝置，包括上電極和下電極，上電極與下電極為上下垂直安裝的結(jié)構(gòu)；上電極固定于電動(dòng)推桿下端，電動(dòng)推桿與電機(jī)連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿帶動(dòng)上電極豎直上下位移；下電極為一絕緣敞口容器，固定于底座上，下電極導(dǎo)線由底部海水部分引出，海水上部為欲測(cè)量厚度的油膜；上、下電極連接到電極檢測(cè)電路單元，以判斷油氣界面和油水界面的位置；上電極還設(shè)置有上電極位置檢測(cè)單元，用以讀取上電極的位置信息；所述電極檢測(cè)電路單元、上電極位置檢測(cè)單元和電動(dòng)推桿的電機(jī)連接到單片機(jī)及外圍電路組成的下位機(jī)系統(tǒng)，下位機(jī)系統(tǒng)連接到通用PC機(jī)上位機(jī)系統(tǒng)；下位機(jī)系統(tǒng)完成電極檢測(cè)電路單元測(cè)量信號(hào)采集、上電極位置檢測(cè)單元位置信息讀取、以及上電極的運(yùn)動(dòng)控制，上位機(jī)系統(tǒng)作為人機(jī)交互界面，完成人機(jī)交互。

在上述技術(shù)方案中，上電極位置檢測(cè)單元采用直線滑動(dòng)電阻器，直線滑動(dòng)電阻器與電動(dòng)推桿平行設(shè)置，直線滑動(dòng)電阻器的滑動(dòng)觸點(diǎn)與電動(dòng)推桿固定連接，以使滑動(dòng)觸點(diǎn)與上電極同步運(yùn)動(dòng)，直線滑動(dòng)電阻器上的電壓在滑動(dòng)觸點(diǎn)上的分壓表示上電極的位置，此電壓由單片機(jī)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量用于計(jì)算上電極的精確位置。

在上述技術(shù)方案中，電極檢測(cè)電路單元包括定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器、以及跟隨電路、濾波電路、放大電路；一方面通過(guò)定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為振蕩頻率信號(hào)輸出給單片機(jī)(當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到振蕩頻率明顯變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，記錄此時(shí)的上電極的位置，此時(shí)位置為油氣界面)；另一方面通過(guò)跟隨電路、濾波電路、放大電路，將上、下電極之間電容上的鋸齒波濾波放大后轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)，(當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到電壓值為零時(shí)，記錄此時(shí)的上電極的位置，此時(shí)位置為油水界面)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：

與以往常見(jiàn)的雷達(dá)掃描、油膜色彩判斷等方法不同，本發(fā)明采用一種新的油膜厚度檢測(cè)方法，其利用油品介電常數(shù)與空氣油較大差異的特點(diǎn)，以海水為下電極，另外設(shè)置一上電極，二者之間形成一可變電容，控制裝置控制上電極向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上電極接近或到達(dá)油氣界面時(shí)，距離引起的電容變化曲線斜率有一明顯增加，通過(guò)判斷隨上電極的運(yùn)動(dòng)電容變化曲線斜率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以準(zhǔn)確測(cè)量此點(diǎn)的電極位置，即可得到油氣界面的精確位置；當(dāng)上電極繼續(xù)運(yùn)行到油水界面時(shí)，由于海水是良導(dǎo)體，上下電極短路，此時(shí)的電極位置即為油水界面的位置，油氣界面與油水界面間距離即油膜厚度。本發(fā)明的油膜測(cè)量裝置以較低成本實(shí)現(xiàn)了污染水面油膜厚度的測(cè)量，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，使用簡(jiǎn)便，可用于污染現(xiàn)場(chǎng)油污染狀態(tài)的評(píng)估。

附圖說(shuō)明

圖1是油膜測(cè)量原理示意圖。

圖2是上下電極間距離與電容值之間關(guān)系圖。

圖3是油膜測(cè)量?jī)x的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

圖4是油膜測(cè)量?jī)x的電控原理圖。

圖5是電極檢測(cè)電路單元的原理圖。

圖6是電極檢測(cè)電路單元的具體電路圖。

圖7是實(shí)施例中的上位機(jī)主界面圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。

本發(fā)明的油膜測(cè)量原理如下：

常見(jiàn)產(chǎn)生污染的油品，其介電常數(shù)為空氣的2倍以上，若在污染物上方設(shè)一探測(cè)電極(上電極1)，以污染物下面的海水為另一電極2，則二電極之間會(huì)形成電容。如圖1所示。

圖1中x₀為油水(油膜a和海水b)界面，x₁為油氣(油膜和空氣)界面，x為上電極位置。d₁為上電極與油氣界面距離(即空氣介質(zhì)的厚度)，d₂為油膜介質(zhì)厚度。

電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)、電極之間的距離、電極的面積等因素決定了電容值，二電極之間的電容值為：

$C=\frac{gS}{d}---1-1$

其中g(shù)為介電常數(shù)，S為極板面積，單位m²，d為極板距離，單位m；電容單位法拉。

若電極之間有二層介質(zhì)(空氣介質(zhì)和油膜介質(zhì))，如圖1所示，則電容值為

$C=\frac{g_1{g}_{2}S}{g_1{d}_2+g_2{d}_1}---1-2$

其中：g₁為空氣介電常數(shù)，g₂為油膜介電常數(shù)；S為極板面積，單位m²；d₁為空氣介質(zhì)的厚度，d₂為油膜介質(zhì)厚度，單位m；為簡(jiǎn)化分析，設(shè)g₂遠(yuǎn)大于g₁，d₁遠(yuǎn)大于d₂，則式1-2簡(jiǎn)化為：

$C\≈\frac{g_1{g}_{2}S}{g_2{d}_1}=\frac{g_{1}S}{d_1}---1-3$

即當(dāng)上電極位置x距油水界面x₀較遠(yuǎn)時(shí)，滿足條件g₂遠(yuǎn)大于g₁、d₁遠(yuǎn)大于d₂，二電極間電容值基本取決于空氣的介電常數(shù)g₁，電容值可近似按式1-3計(jì)算。

由于空氣介電常數(shù)較小，距離引起的電容變化曲線斜率亦較小，當(dāng)上電極接近油膜甚至接觸到油膜時(shí)，由于油膜介電常數(shù)較大，電容值突然提高，電容值可近似由式1-2決定。電容的近似折線化曲線見(jiàn)圖2，可見(jiàn)當(dāng)上電極接近或到達(dá)油氣界面x₁時(shí)，距離引起的電容變化曲線斜率有一明顯增加，通過(guò)判斷隨上電極的運(yùn)動(dòng)電容變化曲線斜率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以準(zhǔn)確測(cè)量此點(diǎn)的電極位置，即可得到油氣界面x₁的精確位置；當(dāng)上電極繼續(xù)運(yùn)行到油水界面x₀時(shí)，由于海水是良導(dǎo)體，上下電極短路，此時(shí)的電極位置即為油水界面x₀的位置。油氣界面x₁與油水界面x₀間距離即油膜厚度d₂。

參見(jiàn)附圖3，是根據(jù)上述油膜測(cè)量原理設(shè)計(jì)的一種油膜測(cè)量?jī)x，所述油膜測(cè)量?jī)x包括上電極1和下電極2，上電極1與下電極2為上下垂直安裝的結(jié)構(gòu)；上電極1為一不銹鋼扁平圓柱體(其型號(hào)為歐姆龍電容式傳感器E2K-L13MC1)，固定于電動(dòng)推桿3下端，電動(dòng)推桿3與電機(jī)5連接，電機(jī)5驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿3帶動(dòng)上電極1豎直上下位移；下電極2為一絕緣敞口容器，固定于鑄鐵底座4上，下電極導(dǎo)線由底部海水部分引出，海水上部為欲測(cè)量厚度的油膜；上電極1的位置檢測(cè)采用直線滑動(dòng)電阻器進(jìn)行測(cè)量，直線滑動(dòng)電阻器與電動(dòng)推桿3平行設(shè)置，直線滑動(dòng)電阻器的滑動(dòng)觸點(diǎn)與電動(dòng)推桿3固定連接，以使滑動(dòng)觸點(diǎn)與上電極1同步運(yùn)動(dòng)，直線滑動(dòng)電阻器上的電壓在滑動(dòng)觸點(diǎn)上的分壓表示上電極1的位置，此電壓由單片機(jī)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量用于計(jì)算上電極1的精確位置。

參見(jiàn)附圖4，油膜測(cè)量?jī)x的電控部分包括電極檢測(cè)電路單元、單片機(jī)單元和上位機(jī)，電極檢測(cè)電路單元與單片機(jī)單元的輸入端連接，用于檢測(cè)上、下電極之間的電容信號(hào)；直線滑動(dòng)電阻器與單片機(jī)單元的輸入端連接，用于檢測(cè)上電極的位置；單片機(jī)單元通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路單元連接電機(jī)5，用于控制電機(jī)5驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿3帶動(dòng)上電極1豎直上下位移；單片機(jī)單元與上位機(jī)連接，與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，上位機(jī)作為人機(jī)交互界面，完成人機(jī)交互。

參見(jiàn)附圖5和6，電極檢測(cè)電路單元包括定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器、以及由運(yùn)算放大器U2A、運(yùn)算放大器U2B與阻容元件構(gòu)成的跟隨電路、濾波電路、放大電路。一方面，通過(guò)定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器將上、下電極之間電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為振蕩頻率信號(hào)輸出給單片機(jī)，決定多諧振蕩器振蕩頻率的阻容元件分別為R1、R2和C，其中C為上、下電極之間的電容值，其振蕩頻率f＝1.443/[(R1+R2)C]，單位為HZ；由式可見(jiàn)，隨電容C的變化，振蕩頻率f會(huì)隨之變化；結(jié)合上述測(cè)量原理可知，當(dāng)上電極1接近或到達(dá)油氣界面x₁時(shí)，電容變化曲線斜率有一明顯變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此振蕩頻率f也會(huì)有一明顯變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)，因此，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到振蕩頻率明顯變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，記錄此時(shí)的上電極的位置，此時(shí)位置為油氣界面x₁。另一方面，通過(guò)兩個(gè)運(yùn)算放大器U2A、U2B與阻容元件構(gòu)成的跟隨電路、濾波電路、放大電路，將上、下電極之間電容上的鋸齒波濾波放大后轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)輸出給單片機(jī)，當(dāng)上電極達(dá)到油水界面時(shí)，由于海水是良導(dǎo)體，上下電極短路，電壓為零，因此當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到電壓為零時(shí)，記錄此時(shí)的上電極的位置，此時(shí)位置為油水界面x₀。

單片機(jī)單元以先進(jìn)的51系列單片機(jī)12C5410AD為核心，輔之以外圍電路構(gòu)成，該單片機(jī)為國(guó)內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)，具有高速、寬電壓、低功耗特點(diǎn)，且在軟硬件方面與國(guó)際最流行的51系列單片機(jī)兼容，同時(shí)該單片機(jī)具有可在線編程、8位10路AD轉(zhuǎn)換器、16位計(jì)數(shù)器、4通道捕獲/比較單元、PWM信號(hào)輸出、2路多模式可選串行通訊等功能，可方便地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)推桿控制、上電極位置檢測(cè)、頻率信號(hào)檢測(cè)、直流電壓信號(hào)檢測(cè)，數(shù)據(jù)上傳及接收等功能。

參見(jiàn)附圖7，打開(kāi)上位機(jī)主界面，點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)量”按鈕，計(jì)算機(jī)即控制上電極向下運(yùn)動(dòng)開(kāi)始測(cè)量過(guò)程。上電極接觸到油氣界面時(shí)會(huì)自動(dòng)記錄器位置且上電極繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上電極運(yùn)動(dòng)至油水界面時(shí)，記錄該位置并控制上電極返回初始位置。如此反復(fù)測(cè)量20次并取平均值，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理即可獲得油膜厚度值。

若欲開(kāi)始下次測(cè)量，點(diǎn)擊“復(fù)位操作”按鈕，然后點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)量”即可。

“保存結(jié)果”按鈕用于測(cè)量后保存本次測(cè)量結(jié)果。

“數(shù)據(jù)刪除”按鈕用于刪除本次測(cè)量結(jié)果。

“打印結(jié)果”按鈕用于打印測(cè)量結(jié)果。

以上對(duì)本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說(shuō)明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡(jiǎn)單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。