新型水上油膜厚度测量系统研制

浮油污染对生态环境造成了严重的影响,各国投入大量资金和人力用于水上浮油的研究。其中,水上油膜厚度的高精度测量对于浮油预防与处理至关重要。以柴油为研究对象,利用傅里叶变换红外光谱仪获取了不同温度下(293/298/303/308/313/318 K)柴油和常温下(298 K)水的吸收光谱,发现柴油和水在近红外区域(6000.0~11000.0 cm^(-1))存在明显吸收,且柴油的吸收光谱不随温度发生偏移。选取了柴油吸收系数最大的波数位置ν_(1)(8381.6 cm^(-1))用于建立单波长水上油膜厚度反演模型。选取了ν_(1)和吸收系数趋于零的波数位置ν_(2)(8918.7 cm^(-1))用于建立双波长水上油膜厚度反演模型。此外,水在这两个波数位置的吸收系数极小,对测量结果几乎没有影响。利用已知油膜厚度(0~1000μm)的标准具对两种反演模型的测量精度进行验证,发现两种模型获得的膜厚值与已知值的平均相对偏差分别为36.4%和2.5%,最大相对偏差分别为44.7%和3.7%,最大标准差分别为7.0和5.6μm。可见,双波长水上油膜厚度反演模型明显优于单波长水上油膜厚度反演模型。在此基础上,研制了一套基于双波长吸收光谱法的新型水上油膜厚度测量系统,该系统的时间分辨率为0.03 s。最后,利用该系统研究水面上逐滴滴入一定体积(1 mL)柴油后的水上油膜厚度变化,并结合超声脉冲反射法进行同步测量对比分析。每滴入一次柴油利用两种方法各重复测量10次,总共测量了20组油膜厚度数据(16~35 mL),将两种方法测量结果的平均值进行对比。结果表明,两种方法测得的油膜厚度平均相对偏差为2.5%,最大相对偏差为3.7%。其中,双波长吸收光谱法10次重复测量获得的油膜厚度的最大标准差为6.4μm。综上所述,所研制的系统可以实现高精度测量水上油膜厚度,具有无干扰、响应快、结构紧凑等优势,且可应用于不同类型的浮油测量,有望为溢油的监控、预防和处理提供新思路和科学指导。