李杏華，趙 禹，西 萌

（天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

基于電磁能量吸收機(jī)理的海洋溢油厚度傳感技術(shù)研究

李杏華，趙 禹，西 萌

（天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

在石油生產(chǎn)與運(yùn)輸過程中，溢油事故經(jīng)常發(fā)生，往往對海洋環(huán)境和經(jīng)濟(jì)造成十分惡劣的影響.通過對油污厚度實(shí)時監(jiān)測可及時發(fā)現(xiàn)溢油并定位溢油來源.基于電磁能量吸收機(jī)理，推導(dǎo)了油污厚度與電磁能量吸收率之間的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了傳感器結(jié)構(gòu)，搭建了油污厚度檢測的實(shí)驗(yàn)平臺.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接收到的電磁能量功率與油污厚度間存在線性關(guān)系，傳感器的檢測分辨率可達(dá)0.07,mm，持續(xù)工作情況下測量時會產(chǎn)生最大0.57,mm的誤差，相當(dāng)于滿量程的1.4%，為海洋油污檢測傳感器的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)參考.

電磁波；能量吸收；油污；厚度；檢測

海上發(fā)生溢油事故后對海面油污的持續(xù)實(shí)時監(jiān)測是目前的一個難題，也是海洋環(huán)境污染監(jiān)控研究的重要課題之一.針對此難題葛寶臻等［1-3］提出使用激光三角法對溢油進(jìn)行檢測；Casanella等［4］和Lu等［5］利用電極陣列對水油界面與溢油厚度進(jìn)行了檢測，激光超聲遙感進(jìn)行油污厚度檢測也被廣泛研究［6］.但是此類設(shè)備體積較大，工作時，能量消耗較高，無法長期持續(xù)工作.為此，筆者提出了一種基于電磁能量吸收機(jī)理對海面油污厚度進(jìn)行持續(xù)實(shí)時監(jiān)測的方法，以實(shí)現(xiàn)使用小型傳感器在海面環(huán)境下對油污厚度的持續(xù)高精度測量.

海水是一種導(dǎo)電介質(zhì)，電磁波在其中傳播時，電磁能量會發(fā)生損耗.在原油中電磁傳播產(chǎn)生的能量損耗極小.本文所述方案主要利用海水、原油、空氣3層介質(zhì)對高頻電磁波能量的吸收率不同來對原油厚度進(jìn)行檢測.

1　海洋溢油厚度檢測原理

電磁（EM）波在介質(zhì)中的傳播遵循Maxwell理論.以垂直向下發(fā)射的電磁波為例，海水中電磁波的電場分量和磁場分量變化分別遵循以下規(guī)律：

式中：z為接收天線上各點(diǎn)距海平面的平均距離；γ為傳播常數(shù).γ可由介電常數(shù)ε、磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ［7-8］表示為

其中

相比于介質(zhì)帶來的損耗，自由空間損耗相對較小.在之前的研究中，電磁波在海水中的自由空間損耗很少被關(guān)注.但為了提升設(shè)備精度，必須研究自由空間損耗對整個設(shè)備的影響.發(fā)射天線在水面發(fā)射時，自由空間損耗可寫為

式中λ為電磁波在介質(zhì)中的波長.由于自由空間損耗與介質(zhì)損耗相比較小，為便于計算，不計兩天線間介質(zhì)變化帶來的影響，將海水中電磁波波長λS作為電磁波在水油混合介質(zhì)中的波長.則自由空間損耗僅與天線間距相關(guān).本方案中發(fā)射與接收天線間距離不變，根據(jù)式（6），兩天線間自由空間損耗也不變.電磁波在傳播過程中總的衰減［10］可表示為

當(dāng)兩天線間有油污存在時，根據(jù)式（7），可得到油污厚度與衰減強(qiáng)度關(guān)系，如圖1所示.

圖1　油污厚度與衰減強(qiáng)度關(guān)系（100,MHz）Fig.1Attenuation of different oil thicknessesin seawater at 100,MHz

由于發(fā)射和接收天線已固定在傳感器浮子上，可以通過對浮子配重，保證在無油的海面時，發(fā)射天線恰巧在液面之上.當(dāng)有油污存在時，由于油污的密度低于海水的密度，浮子相對于液面會下降，其過程如圖2所示.

圖2　浮子溢油監(jiān)測示意Fig.2 Schematic of float monitoring the oil spill

當(dāng)有油污存在時，由于原油密度ρ0要小于海水密度ρS，浮子因受到的浮力減小而下沉，發(fā)射天線的一部分（Δh）會浸入油污中，Δh與油污厚度d間的關(guān)系為

此時天線可視為兩段天線分別在空氣與油污兩種介質(zhì)中發(fā)射.視天線電阻由輻射電阻Rr和損耗電阻RL兩部分構(gòu)成，即

對于天線浸入油污中的情況，所設(shè)計的環(huán)形天線阻抗變化為

式中：N與 X分別為天線總匝數(shù)和浸沒于原油中的天線匝數(shù)；λA與λO分別為電磁波在空氣與原油中的波長；a為環(huán)形天線半徑；b為天線導(dǎo)體的線半徑；RS為導(dǎo)體表面電阻；RP為臨近效應(yīng)產(chǎn)生的歐姆電阻；RO為單位長度集膚效應(yīng)電阻.由于發(fā)射源提供的功率Pe穩(wěn)定，天線導(dǎo)體上的電流變化為

電流變化導(dǎo)致其輻射的能量發(fā)生變化［11］，該變化規(guī)律遵循

式中：S為接收天線處的功率密度；A為發(fā)射環(huán)形天線的面積.不計電磁波在傳播過程中介質(zhì)損耗［12］，接收天線處接收到的功率可表示為

式中：AR為接收天線的有效口徑；D為接收天線方向性；λS為電磁波在海水中波長.將式（10）～式（12）、式（14）代入式（13）可得到發(fā)射天線浸沒入油污中的天線匝數(shù)與接收天線功率的關(guān)系，如圖3所示.

圖3　浸沒入油污中的天線匝數(shù)與接收天線功率的關(guān)系Fig.3 Relationship between the power of receiving antenna and the turns immersed in the oil of transmitting antenna

比較圖1與圖3，發(fā)射天線浸沒入油中產(chǎn)生的影響最大可達(dá)2,dBm，油污厚度變化帶來的衰減產(chǎn)生的影響最大可達(dá)到30,dBm.根據(jù)上述理論，當(dāng)油污厚度增大時，沒入油污中的天線匝數(shù)增加，發(fā)射源功率增大.同時，電磁波在水油兩介質(zhì)中傳播的衰減降低，接收天線接收到的總功率PR為接收到的功率P與總衰減LT之差，即

發(fā)射天線相鄰兩匝間距為1.4,mm，用浮子下沉的距離Δh來表示發(fā)射天線浸沒入油中的匝數(shù)X，根據(jù)式（8）將X與接收天線接收功率關(guān)系轉(zhuǎn)化為油污厚度與接收天線接收功率的關(guān)系，從而得到圖4所示的天線接收總功率與油污厚度間的關(guān)系（ρS= 1.025,g/cm3，ρ0=0.85,g/cm3）.

圖4　油污厚度與天線接收總功率的關(guān)系Fig.4Relationship between the total power of receiving antenna and oil thicknesses in seawater

2　實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計與系統(tǒng)構(gòu)建

偶極子天線、環(huán)形天線、折疊天線在其表面覆蓋一層絕緣層后均可用于水下電磁波傳播［7,13-14］.在此將接收天線設(shè)計為環(huán)形天線，與之匹配的發(fā)射天線也設(shè)計為環(huán)形天線.由于發(fā)射天線的工作環(huán)境有可能在空氣或海面油污中，需針對電磁波在空氣與原油中的波長來綜合設(shè)計發(fā)射天線的尺寸，根據(jù)海水中電磁波波長設(shè)計接收天線.發(fā)射天線直徑122,mm，接收天線直徑35.6,mm.使用聚氨酯涂料作為天線表面的絕緣層，以達(dá)到絕緣和抵抗海水油污侵蝕的效果，并根據(jù)天線尺寸設(shè)計浮子.圖5即為所設(shè)計的浮子，發(fā)射天線與接收天線固定于其上，兩天線間距為40,mm（即為油污厚度的檢測量程）.

圖5　實(shí)驗(yàn)浮子裝置Fig.5 Experimental float

根據(jù)天津市近海情況［15］，該浮子設(shè)計為隨波型浮子，可以隨著海面的波浪而傾斜，以保證發(fā)射與接收天線相對于海面平行.

本文通過建立一個實(shí)驗(yàn)平臺來對理論進(jìn)行驗(yàn)證.將傳感器發(fā)射端連接DDS正弦波發(fā)生模塊，通過發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射，接收端使用安捷倫公司的N9320B頻譜分析儀對信號功率進(jìn)行監(jiān)測，其分辨率可達(dá)0.01,dBm.傳感器測試工作在一個1.45,m× 1.45,m×1.20,m的水箱中進(jìn)行，工作情況見圖6.

圖6　傳感器海水環(huán)境工作測試Fig.6 Sensor work test in the seawater

在油污厚度測量實(shí)驗(yàn)中，為了使得測量的結(jié)果更準(zhǔn)確，在更小型的玻璃容器（0.50,m×0.50,m× 0.45,m）中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用米銥公司的optoNCDT-1401激光三角反射式位移傳感器對油污厚度進(jìn)行檢測，其動態(tài)分辨率可達(dá)5,μm，測量產(chǎn)生的絕對誤差小于18,μm.實(shí)驗(yàn)環(huán)境下液面是平靜的，將位移傳感器安置在容器邊緣，所測得的液面高度即為浮子處液面高度.

3　實(shí)驗(yàn)研究與分析

本實(shí)驗(yàn)通過optoNCDT-1401對油污厚度進(jìn)行標(biāo)定，檢測結(jié)果表明靜止的油面存在一定的波動，該波動幅值小于0.02,mm.將靜止液面單點(diǎn)波動視為±0.02,mm，由于傳感器直徑為122,mm，可認(rèn)為傳感器檢測范圍內(nèi)的液面是完全水平的.油污厚度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)情況如圖7所示.

圖7　油污厚度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)Fig.7 Calibration experiment of oil thickness

選擇100,MHz 為發(fā)射模塊發(fā)射頻率，該頻率下發(fā)射模塊功率為-13,dBm.實(shí)驗(yàn)中使用航空煤油來代替原油，配置海水的電導(dǎo)率σ=3.1,S/m.每次將250,mL油污加入容器內(nèi)，液面上升1,mm，待液面完全靜止，記錄1組數(shù)據(jù).

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.圖8為理論計算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比.

表1　油污厚度測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of oil thickness detection

圖8　理論計算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比Fig.8Comparison between theoretical calculation and experimental results

油污厚度測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在空氣油污海水分層的情況下，油污厚度增加導(dǎo)致接收天線接收到的能量提高.圖8中實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計算結(jié)果有差距，其主要原因是實(shí)驗(yàn)所使用的航空煤油與原油之間物理性質(zhì)（密度、電導(dǎo)率）存在差異，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測得的變化不如理論計算明顯.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合的曲線表達(dá)式為

為了驗(yàn)證傳感器可持續(xù)穩(wěn)定地測量油污厚度，對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，浮子持續(xù)漂浮在液面之上，油污厚度為9,mm，海水界面與油污層無波動.浮子持續(xù)工作15,min后開始記錄數(shù)據(jù)，每隔5,min記錄1次數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)中使用航空煤油，所配制的海水電導(dǎo)率σ=3.25S/m ，故接收天線在9,mm處的接收功率降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.

圖9　持續(xù)測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.9 Experimental results of continuous measurement

根據(jù)圖9，不同時間接收功率的極大值與極小值間相差0.3,dBm.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知發(fā)射模塊發(fā)射功率隨時間而減小，如針對擬合曲線進(jìn)行補(bǔ)償，可以減小絕對誤差至0.08,dBm，相當(dāng)于將油污厚度檢測的絕對誤差降至0.57,mm.,此誤差相當(dāng)于滿量程的1.4%.

4　結(jié)　語

本文嘗試提出一種基于電磁能量吸收機(jī)理對海面油污進(jìn)行監(jiān)測的方案.分析并建立了油污厚度與電磁能量吸收率的數(shù)學(xué)模型.搭建了油污測量的實(shí)驗(yàn)平臺.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文研制的基于電磁能量吸收機(jī)理的海洋油污傳感器分辨率為0.07,mm，但持續(xù)工作會帶來最高0.57,mm的誤差.傳感器實(shí)際工作的環(huán)境往往是有波浪的海面，根據(jù)式（7）、式（10）可知電磁能量衰減與傳感器天線范圍內(nèi)介質(zhì)的平均厚度有關(guān)，傳感器的傾斜不影響衰減，只會因發(fā)射天線浸沒于油污中對發(fā)射能量造成影響，而衰減產(chǎn)生的能量變化要比后者大一個數(shù)量級.故波浪不會使傳感器不能工作.所設(shè)計的隨波型浮子定傾中心高于浮子重心，定傾半徑為19.8,mm，可以有效地隨著波面傾斜而傾斜.實(shí)際的應(yīng)用中，應(yīng)使用大型浮標(biāo)搭載該傳感器.該浮標(biāo)結(jié)構(gòu)中包含一個封閉的采樣池，油污與海水可以通過海平面位置的采樣口進(jìn)入或流出采樣池，傳感器工作于采樣池相對穩(wěn)定的環(huán)境中，可進(jìn)一步減小海水波浪的影響，防止定傾重心過高導(dǎo)致的浮子傾覆.

該傳感器用于海上全天候?qū)崟r油污厚度監(jiān)測，可增強(qiáng)我國對海上溢油的持續(xù)監(jiān)測與應(yīng)急能力.未來的研究應(yīng)著重于提升傳感器穩(wěn)定性、減小誤差.

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（責(zé)任編輯：趙艷靜）

Oil Spill Thickness Sensing Technology Based on Electromagnetic Energy Absorption

Li Xinghua，Zhao Yu，Xi Meng
（State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Oil spill occurs frequently in the oil production and transportation process. Marine oil pollution often has a very bad impact on the marine environment and economy. Real-time monitoring the thickness of oil can detect and locate the source of oil spill. Based on electromagnetic energy absorption mechanism，the mathematical model ofthe relationship between oil thickness and electromagnetic energy absorption rate was established in this paper. Then the sensor structure we designed，and an experimental platform for detecting the thickness of the oil were built. Experimental results show that reception power has a linear relationship with oil thickness，and that detection resolutionof the sensor is up to 0.07,mm. Continuous work will produce a maximal measuring error of 0.57,mm，which represents 1.4%FS（full scale）. The study in this paper provides a theoretical basis and experimental reference for the designof marine oil pollution detection sensor.

electromagnetic waves；energy absorption；oil；thickness；detection

TP212.1

A

0493-2137（2016）05-0548-06

10.11784/tdxbz201407008

2014-07-03；

2014-11-03.

李杏華（1976—），男，博士，副教授.

李杏華，li.xinghua@126.com.

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-12-05. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20141205.0903.001.html.