土壤表面油類污染物激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

吳國忠，李宏佳，齊晗兵＊，李棟

（1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 欽州學(xué)院 石油化工分院，廣西 欽州 535000）

土壤表面油類污染物激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

吳國忠1,2，李宏佳1，齊晗兵1＊，李棟1

（1. 東北石油大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2. 欽州學(xué)院 石油化工分院，廣西 欽州 535000）

激光技術(shù)在輸油管道泄漏檢測(cè)方面具有很好的應(yīng)用前景，而激光檢測(cè)過程中受多種因素的影響。本文搭建了激光檢測(cè)油類污染物的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從激光入射角度以及發(fā)射距離兩種情況入手，對(duì)比分析了含油污染土壤和無油污染土壤中探測(cè)器接收的漫反射光的功率值大小，并對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了相對(duì)不確定度的計(jì)算與分析。研究結(jié)果表明：隨著激光入射角度增大，探測(cè)器接收兩類介質(zhì)的漫反射光的光強(qiáng)均呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢(shì)，且其接收漫射光的光強(qiáng)隨激光發(fā)射距離增大而減??；對(duì)于含油污染土壤，探測(cè)器接收漫射光的光強(qiáng)均小于無污染土壤情況；激光入射角度為40°、發(fā)射距離為15 cm時(shí)，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)不確定值為最小，即可信度最高。該研究結(jié)果可為進(jìn)一步研究激光檢測(cè)油類污染物實(shí)驗(yàn)提供一定參考。

輸油管道；泄漏；含油土壤；激光檢測(cè)

Abstract:The laser technology has a good application prospect in oil pipeline leak detection. The laser detection process is affected by many factors. In this paper, an experimental platform for laser detection of oil pollutants was constructed. Starting from angles of laser incidence and launching distance, the power values of diffuse reflected light received by detectors in oily contaminated soil and uncontaminated soil were compared and analyzed. The relative uncertainty of the measurement results was calculated and analyzed. The results showed that, with the increase of laser incidence angle, the intensity of diffuse reflected light of the two kinds of media showed the trend of decreasing first,then increasing and then decreasing. The intensity of the received diffuse light decreased with increase of the laser emission distance. For oily contaminated soil, the intensity of the diffuse reflected light received by the detector was less than that of the uncontaminated soil. When the angle of incidence of laser was 40° and the transmitting distance was 15 cm, the relative uncertainty of the measurement results was the minimum, and the reliability was the highest.The research results can provide reference for further research on the detection of oil pollutants by laser.

Key words:Petroleum pipeline; Leak; Oily soil; Laser detection

近年來，我國經(jīng)濟(jì)有著較好的發(fā)展，石油作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中重要的能源物質(zhì)被大量需求，輸送石油的載體有很多，在眾多輸油設(shè)備中，管道具有安全性高、輸送成本低、方便快捷、等優(yōu)點(diǎn)已大量的被鋪設(shè)[1]。然而，輸油管道受土壤腐蝕以及人為迫害等因素影響造成了大量油品泄漏。從而給我國經(jīng)濟(jì)帶來損失和漏油管道周圍環(huán)境的污染。因此，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸油管道泄漏位置，檢測(cè)技術(shù)的利用成為了必要手段。其中，紅外激光檢測(cè)技術(shù)作為一種非接觸測(cè)量方式，具有測(cè)量范圍大、精度高、檢測(cè)時(shí)間短、有較高的分辨率等優(yōu)點(diǎn)，其具有很好的應(yīng)用前景[2,3]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)激光檢測(cè)技術(shù)在漏油檢測(cè)的應(yīng)用方面已做出了大量工作。其中，加拿大某單位研制了SLEAF系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)海面溢油區(qū)域[4,5]。法國研究人員應(yīng)用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)在本國沿海進(jìn)行了溢油監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到了良好的監(jiān)測(cè)效果[6]。李曉龍等[7]搭建了激光監(jiān)測(cè)海洋溢油的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用波長為 355 nm的激光源進(jìn)行探測(cè)海面溢油情況，分別獲取了白天和夜晚兩種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的特征光譜。林彬等[8]在激光熒光遙感技術(shù)的基礎(chǔ)上，引入了SOM模型，從而對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在模型識(shí)別和分類方面有了很大的改善，也對(duì)溢油檢測(cè)提供較為理想的方法。官晟等[9]利用激光雷達(dá)系統(tǒng)，結(jié)合激光熒

珺光原理，對(duì)海面溢油的油熒光進(jìn)行了測(cè)量。齊敏等[10]研發(fā)一種檢測(cè)油類污染物的激光熒光雷達(dá)系統(tǒng)，在檢測(cè)過程中，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定。韓曉爽等[11]將SVM模型與激光誘導(dǎo)熒光的方法相結(jié)合，考慮了時(shí)間和波長兩種因素，并優(yōu)化選出較為理想的時(shí)間和波長范圍，進(jìn)而能夠準(zhǔn)確的識(shí)別油類的品種。李一博等[12]給出了測(cè)量溢油油膜厚度的方法，利用該方法得出的溢油油膜厚度與直尺測(cè)量的結(jié)果較為一致。王春誼等[13]基于激光三角法，并搭建了光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)石油和柴油兩種樣品進(jìn)行了油膜厚度的測(cè)量。沈書乾等[14]應(yīng)用CFD仿真模擬軟件建立了天然氣管道泄漏擴(kuò)散模型，得出了擴(kuò)散特征以及擴(kuò)散光譜檢測(cè)值，并分別從激光檢測(cè)高度、風(fēng)速大小以及泄漏口大小三種因素的影響模擬計(jì)算了天然氣擴(kuò)散光譜特征。

以上激光檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展大部分是針對(duì)海面溢油情況，但目前激光檢測(cè)技術(shù)同樣適用于陸地情況，也是比較有效的檢測(cè)手段[15]。因此，本文開展了激光檢測(cè)含油土壤的實(shí)驗(yàn)研究，搭建了激光檢測(cè)油類污染物的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中，待測(cè)樣品分為含油污染土壤和無油污染土壤，同時(shí)激光檢測(cè)過程中，考慮了激光入射角度及發(fā)射距離兩種影響因素。針對(duì)以上不同情況，可得出含油土壤對(duì)激光檢測(cè)帶來的一些影響，為實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)激光檢測(cè)土壤表面溢油情況提供一定參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為油類污染物激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置。其中，樣品池可準(zhǔn)備2套，一套內(nèi)裝有壓實(shí)的無油類污染土壤，另一套為油品與土壤攪拌均勻的含油污染土壤并做壓實(shí)處理，實(shí)驗(yàn)中，可將樣品池固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。本實(shí)驗(yàn)的激光器采用型號(hào)為 HY-LD-1650～225，波長選擇為1 650 nm，工作方式為CW，平均功率范圍是0～225 MW，制冷方式為TEC。探測(cè)器采用的型號(hào)為LP-3A，三位半數(shù)顯0.2～11μm，0～2 W功率可測(cè)。

激光器與探測(cè)器在測(cè)量樣品池中待測(cè)樣品時(shí)，激光的入射角度與距離可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)解，探測(cè)器可隨時(shí)接受不同情況下的漫射光功率。為了更好的使探測(cè)器接收漫射光，本實(shí)驗(yàn)中添置了聚光片，聚光片與探測(cè)器之間距離可在1～10 cm范圍內(nèi)調(diào)解。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

①打開激光器電源進(jìn)行預(yù)熱 10～15 min，將探測(cè)器中信號(hào)值調(diào)節(jié)為 0，同時(shí)將探測(cè)器與計(jì)算機(jī)相連接，以便接收記錄數(shù)據(jù)值，最終將無污染土壤的樣品池垂直放置于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之上。

圖1 油類污染物激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device for laser detection of oil pollutants

②首先將激光器入射角度調(diào)至為20°，調(diào)整好聚光片與探測(cè)器的角度并保持固定，通過改變激光器的入射距離來分別探測(cè)漫射光的功率值，激光器發(fā)射距離分別調(diào)節(jié)為 15、30、45、60、75 cm，為了減少儀器系統(tǒng)以及人為操作帶來的誤差，針對(duì)以上每種情況對(duì)探測(cè)器接收的功率值進(jìn)行了3次重復(fù)測(cè)量。

③關(guān)于激光入射角度實(shí)驗(yàn)，首先將激光器入射距離調(diào)至為10 cm，保持探測(cè)器和聚光器的位置和角度，調(diào)整本次實(shí)驗(yàn)所需要 20°、30°、40°、50°、60° 5種激光入射角度，最終記錄探測(cè)器接收的數(shù)據(jù)值。同樣對(duì)以上每種情況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均進(jìn)行了重復(fù)3次測(cè)量。

④以上實(shí)驗(yàn)步驟②和③都是針對(duì)無油污染土壤實(shí)驗(yàn)情況，對(duì)于有油品污染的土壤實(shí)驗(yàn)，將油品（柴油）與土壤攪拌均勻并壓實(shí)于樣品池中，同樣從激光的發(fā)射距離和入射角度兩種情況進(jìn)行含有油類污染土壤的激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并最終記錄探測(cè)器接收的數(shù)據(jù)值。

⑤實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉并整理儀器，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)值進(jìn)行處理分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及不確定度分析

本次實(shí)驗(yàn)分別獲取了激光測(cè)量距離一定不同入射角度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果以及激光入射角度一定不同探測(cè)距離的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果如表1和表2所示。并對(duì)無污染土壤和含油污染土壤的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相對(duì)不確定度的計(jì)算及分析，不同激光測(cè)量距離下相對(duì)不確定度以及不同激光入射角度下相對(duì)不確定度的曲線趨勢(shì)分別如圖2和圖3所示。相對(duì)不確定度的數(shù)學(xué)模型的理論推導(dǎo)如下：

單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差為：

則重復(fù)性測(cè)量的不確定度為：

其結(jié)果的相對(duì)不確定度為：

表1 測(cè)量距離一定不同激光入射角度的測(cè)量結(jié)果Table 1 The measurement results of different laser angles of arrival under constant measurement distance mW

圖2 不同入射角度下相對(duì)不確定度Fig.2 Relative uncertainty at different incidence angles

如表1為激光測(cè)量距離定為15 cm，不同激光入射角的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。從以上數(shù)據(jù)表中可以得出一定規(guī)律，無油污染土壤和含油土壤中，探測(cè)器接收漫射光功率隨著激光入射角度的增大同時(shí)出現(xiàn)先減小后增加再減小的趨勢(shì)，可以得出激光入射角度對(duì)探測(cè)器接收的漫射光光強(qiáng)帶來了一定影響。同時(shí)可以看出，在激光入射角度為40°時(shí)，對(duì)于兩種被測(cè)目標(biāo)對(duì)象，探測(cè)器接收的漫射光光強(qiáng)在均達(dá)到了最大值。從無污染土壤和含油土壤探測(cè)器接收功率相互對(duì)比可以得出，當(dāng)激光入射角度為固定值時(shí)，探測(cè)器在含油土壤中接收功率均略小于無污染土壤情況，說明了含油土壤對(duì)入射的激光吸收能力更強(qiáng)，進(jìn)而被反射到探測(cè)器中的激光光強(qiáng)度變?nèi)酢Ｈ鐖D 2為不同測(cè)量角度下相對(duì)不確定度曲線走勢(shì)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，無油污染土壤和含油污染土壤得出的相對(duì)不確定度值隨著測(cè)量角度的不斷增加，其值變化情況為先增大隨后減小至低谷再增加至最大值。其中，在測(cè)量角度為40°時(shí)，相對(duì)不確定值為最小，因此可得出探測(cè)器接收漫射光強(qiáng)在該激光入射角度的效果最佳。對(duì)比兩種被測(cè)介質(zhì)可以發(fā)現(xiàn)，含油污染土壤的相對(duì)不確定度值均大于無油污染土壤的情況。

表2 入射角度一定不同激光探測(cè)距離的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果Table 2 Experimental results of different laser detection distances under constant incident angle mW

圖3 不同測(cè)量距離下相對(duì)不確定度Fig.3 Relative uncertainty at different measuring distances

如表2為入射角度定為20°不同激光探測(cè)距離的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，得到的規(guī)律如下：隨著激光發(fā)射距離的變大，無污染土壤和含油土壤接收漫射光功率均減小，從而說明激光發(fā)射距離是影響探測(cè)器接收漫射光功率大小的因素之一。通過比較兩類介質(zhì)的漫射光功率可以看出，含有油品的土壤依然是影響著探測(cè)器接收漫射光功率，即略微的減弱。如圖3不同測(cè)量距離下相對(duì)不確定度的曲線趨勢(shì)可以看出，隨著激光入射距離的增大，無污染土壤和有污染土壤對(duì)應(yīng)的相對(duì)不確定度值均隨之變大，說明距離是影響探測(cè)器接收漫射光強(qiáng)的一個(gè)極大的影響因素，其中，在激光測(cè)量距離為15 cm時(shí)，兩類介質(zhì)測(cè)得結(jié)果的可信度均比較可靠。

3 結(jié) 論

本文通過激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別對(duì)含油污染土壤和無油污染土壤進(jìn)行了激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，考慮了激光入射角以及發(fā)射距離兩種影響因素，通過探測(cè)器接收漫射光的功率來比較分析兩類被測(cè)目標(biāo)介質(zhì)的差異，并結(jié)合計(jì)算得出的相對(duì)不確定度來觀察兩類介質(zhì)測(cè)得結(jié)果的可信度，主要結(jié)論如下：

（1）探測(cè)器接收無污染土壤和含油土壤漫射光的光強(qiáng)與激光入射角度和發(fā)射距離有關(guān)，隨著激光入射角度增大，其接收的漫射光的光強(qiáng)先減小后增大再減?。患す獍l(fā)射距離增大，探測(cè)器接收兩類介質(zhì)的漫射光的光強(qiáng)逐漸變?nèi)酢?/p>

（2）在激光發(fā)射距離和入射角度一定時(shí)，探測(cè)器接收的無污染土壤和含油土壤漫射光光強(qiáng)具有明顯差異，含油土壤的漫射光強(qiáng)小于無污染土壤情況，說明含油土壤對(duì)于漫射光的光強(qiáng)具有明顯減弱的效果。

（3）不同測(cè)量距離得出的相對(duì)不確定度要明顯大于測(cè)量角度的情況，在小范圍測(cè)試距離及角度時(shí)，其相對(duì)不確定度值較小，說明人為操作及儀器系統(tǒng)帶來的誤差給本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果造成一定影響。

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中國科大非常規(guī)合成偕二硼化合物

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室教授傅堯和副教授肖斌課題組在偕二硼化合物的非常規(guī)合成領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究人員報(bào)道了一種金屬鎳催化末端烯烴合成偕二硼化合物的新反應(yīng)，相關(guān)成果于8月24日發(fā)表在《自然-通訊》上。

有機(jī)含硼化合物是重要的有機(jī)合成砌塊和藥物化學(xué)原料，它對(duì)水和空氣不敏感，相比于其他有機(jī)金屬試劑，有機(jī)含硼化合物參與的反應(yīng)具有更好的官能團(tuán)兼容性。此外，利用碳硼鍵獨(dú)特的反應(yīng)活性，有機(jī)含硼化合物可以進(jìn)行更多類型的轉(zhuǎn)化。因此，有機(jī)含硼化合物的高效合成顯得尤為重要。相比于單硼化合物，偕二硼化合物作為不可或缺的有機(jī)合成子，有著更為獨(dú)特的合成價(jià)值，可連續(xù)進(jìn)行官能團(tuán)轉(zhuǎn)化或者交叉偶聯(lián)反應(yīng)，為復(fù)雜和精細(xì)分子結(jié)構(gòu)的獲取提供了綠色高效的合成手段。

傅堯領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)針對(duì)偕二硼化合物的高效合成，發(fā)展了一種鎳催化末端烯烴的雙硼化新反應(yīng)。該反應(yīng)以廉價(jià)易得的烯烴為原料，經(jīng)連續(xù)的選擇性硼化和氫硼化過程即可高效地制備偕二硼化合物。研究發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)具有較高的化學(xué)選擇性和區(qū)域選擇性，以及較好的官能團(tuán)兼容性，能夠用于復(fù)雜分子的修飾合成。例如，可以用于含氟液晶材料分子合成及D-葡萄糖衍生物的側(cè)鏈修飾等。此外，該反應(yīng)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)低碳烯烴進(jìn)行雙硼衍生化反應(yīng)，例如常壓下可順利實(shí)現(xiàn)乙烯、丙烯的雙硼衍生化。

該工作展示了一種偕二硼合成的新方法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)烯烴的雙硼化反應(yīng)的選擇性控制，為烯烴的直接利用提供了新途徑。博士生李磊是論文的第一作者，傅堯和肖斌是共同的通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院 B類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的資助。

Laser Detection of Oil Pollutants on Soil Surface

WU Guo-zhong1,2,LI Hong-jia1,QI Han-bing1*,LI Dong1

（1. School of Architecture and Civil Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China;2. Qinzhou University, Guangxi Qinzhou 535000, China）

TN248

A

1671-0460（2017）09-1837-04

黑龍江省自然基金面上項(xiàng)目（E2016010）

2017-09-02

吳國忠（1961-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：輻射測(cè)量技術(shù)。

齊晗兵，E-mail：lidonglvyan@126.com。