СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ КРИОГЕННЫХ СОСУДОВ
SYSTEM FOR REMOTE MONITORING OF CRYOGENIC VESSELS STATE

Заявленное изобретение относится к техническим средствам для автоматизированного измерения и контроля показателей состояния криогенных сосудов (сосудов для хранения сжиженных криогенных газов).
Наиболее близкими аналогами заявляемого изобретения являются способ определения в режиме реального времени уровня жидкости в криогенном сосуде (патент на изобретение ЕР №2205899), а также система для индикации уровня жидкости в криогенном сосуде (патент на изобретение US №20040236536), использующие пересчет уровня жидкости на основе измерения разности давлений в газовой и жидкостной фазах резервуара, с учетом поправки на изменение плотности, рассчитанной по показаниям датчика давления с возможностью как местной индикации (в непосредственной близости от криогенного сосуда) значения уровня жидкости, так и передачи данных на удаленное устройство для контроля процессов хранения, что позволяет службам логистики планировать доставку жидких продуктов без привлечения дополнительных ресурсов со стороны персонала, осуществляющего эксплуатацию криогенных сосудов. Недостатком этих технических решений является невозможность расчета и удаленного получения информации о прогнозируемом времени хранения криопродукта с учетом состояния емкости, условий окружающей среды и режимов эксплуатации.
Технической задачей заявленного изобретения является обеспечение удаленного мониторинга состояния криогенных сосудов, в том числе, с возможностью, на основе полученных данных, определять (вычислять) резервное (до момента срабатывания предохранительных устройств) время хранения криогенной жидкости.
Решение технической задачи обеспечивается тем, что каждый криогенный сосуд оборудуется датчиком дифференциального давления газовой и жидкостной фазы, датчиком давления газовой фазы, датчиком давления в теплоизоляционном пространстве и датчиком температуры окружающей среды, подключаемыми к модулю беспроводной передачи данных, причем модули беспроводной передачи данных всех криогенных сосудов, состояние которых мониторируется, осуществляют передачу информации в модуль определения времени безопасного хранения криогенной жидкости, к входу которого подключен блок хранения характеристик теплофизических свойств жидкости и газа, а к выходу подключен приемо-передающий блок.
Для мониторинга состояния криогенных сосудов в процессе транспортировки по меньшей мере один из транспортируемых криогенных сосудов оборудуется датчиком механических колебаний.
Для индикации состояния криогенного сосуда непосредственно у места его расположения вместо передачи данных в приемо-передающий блок может быть осуществлен вывод информации в систему индикации параметров хранения криогенных жидкостей.
Для удобства организации информационного обмена подключение датчиков к модулю беспроводной передачи данных может осуществляться по проводному интерфейсу (при условии размещения модуля беспроводной передачи данных в непосредственной близости от криогенного сосуда).
Для удобства организации информационного обмена подключение датчиков к модулю беспроводной передачи данных может осуществляться по беспроводному интерфейсу (при условии размещения модуля беспроводной передачи данных вдали от криогенного сосуда).
Для удобства организации информационного обмена подключение блока хранения характеристик теплофизических свойств жидкости и газа к модулю определения времени безопасного хранения может осуществляться по проводному интерфейсу.
Для удобства организации информационного обмена подключение блока хранения характеристик теплофизических свойств жидкости и газа к модулю определения времени безопасного хранения может осуществляться по беспроводному интерфейсу.
Технический результат, достигаемый заявленной совокупностью признаков, заключается в повышении безопасности эксплуатации криогенных сосудов за счет обеспечения возможности расчета значения резервного времени хранения криогенной жидкости в режиме реального времени как в стационарных условиях, так и при транспортировке. Это, в свою очередь, позволяет получать информацию для превентивного (упреждающего) принятия мер по предотвращению возможного сброса дорогостоящего криогенного продукта через предохранительные устройства, в том числе, по предотвращению возможного сброса в атмосферу горючих газов, образующих взрывоопасные смеси с воздухом. Компоненты заявленной системы известны на момент подачи заявки: датчик дифференциального давления газовой и жидкостной фазы может быть выполнен заодно с датчиком давления газовой фазы в рамках комплексного технического решения (URL:http://izmerkon.ru/userfiles/products/Pressure/Transmitters/PRD-33X/PRD33X_rus.pdf, дата обращения 04.06.2019);
датчик давления вакуума в теплоизоляционной полости может быть выполнен на базе микромеханического преобразователя (Ковыркин П.Б. Беспроводной микромеханический датчик для измерения давления в вакуумном диапазоне. Материалы научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика - 2017». Сборник статей. 2017. С. 72-79);
датчик температуры окружающей среды может быть выполнен в виде платинового термометра сопротивления Pt100 (ГОСТ 6651-2009);
датчик механических колебаний может быть выполнен по техническому решению, изложенному в патенте на изобретение RU №2383025;
приемо-передающий блок может быть выполнен по техническому решению, изложенному в патенте на изобретение RU №2562440.
Функционирование заявленной системы иллюстрируется фигурой, на которой обозначены:
1 - датчик дифференциального давления;
2 - датчик давления газовой фазы;
3 - датчик давления вакуума в теплоизоляционной полости;
4 - датчик температуры окружающей среды;
5 - датчик механических колебаний (опция для транспортных сосудов);
6 - модуль беспроводной передачи данных;
7 - модуль определения времени безопасного хранения криогенной жидкости;
8 - блок хранения характеристик теплофизических свойств жидкости и газа;
9 - приемо-передающий блок.
Функционирование системы состоит в следующем:
1) Каждый стационарный или транспортный криогенный сосуд, состояние которого мониторируется, оборудуется:
датчиком дифференциального давления газовой и жидкостной фаз, к которому подводятся две импульсные линии, выведенные, соответственно, из верхней и нижней частей сосуда,
датчиком давления газовой фазы, к которому подводится импульсная линия, выведенная из верхней части сосуда,
датчиком давления в теплоизоляционной полости, размещаемым на конце импульсной линии, выведенной из вакуумированного пространства между наружным и внутренним сосудом,
датчиком механических колебаний, размещаемым на внешней поверхности сосуда.
2) Информация от датчиков поступает в модуль беспроводной передачи данных. За счет наличия у каждого из криогенных сосудов, состояние которых мониторируется, индивидуального модуля беспроводной передачи данных, в систему мониторинга могут быть включены различные сосуды, вне зависимости от их удаленности друг от друга.
В качестве возможного варианта, при использовании идентичных криогенных сосудов и идентичных условий их размещения, хранения и транспортировки, возможно оборудование датчиками хотя бы одного из нескольких криогенных сосудов.
3) Из модуля беспроводной передачи данных осуществляется передача информации в модуль определения времени безопасного хранения криогенной жидкости.
4) Модуль определения времени безопасного хранения криогенной жидкости на основании данных о перепаде давления между газовой и жидкостной фазой хранимого продукта (криогенной жидкости) обеспечивает расчет уровня жидкости и прогнозируемого резервного времени хранения на основе информации из блока хранения характеристик теплофизических свойств жидкости и газа, рассчитанных на основе данных о температурной стратификации, полученных при компьютерном моделировании процессов нестационарного тепломассообмена. Пересчет времени хранения производится в зависимости от текущей информации о давлении и уровне жидкости, а также с учетом необходимых поправок:
на основании информации о температуре окружающей среды производится поправка на значение теплового потока из окружающей среды через изоляцию;
при транспортировке криогенных жидкостей за счет информации с датчика механических колебаний о направлении, амплитуде и частоте колебаний учитывается поправка на увеличение теплового потока за счет диссипативных явлений при разрушении поверхности жидкости и усиленном каплеобразовании;
наличие информации от датчика давления вакуума в теплоизоляционной полости обеспечивает возможность вычисления поправки на значение теплового потока к криогенному продукту и уточнения расчета резервного времени хранения жидкости вплоть до аварийных случаев, связанных с потерей вакуума.
5) Модуль определения времени безопасного хранения криогенной жидкости генерирует сообщения о состоянии системы хранения криогенных жидкостей, которые поступают в приемо-передающий блок, откуда направляются персоналу, ответственному за дистанционный контроль состояния криогенных сосудов.
Своевременное объективное информирование персонала, ответственного за дистанционный контроль состояния криогенных сосудов, о состоянии этих сосудов обеспечивает достижение технического результата - повышение безопасности эксплуатации криогенных сосудов.