СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ШЛАМОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В РЕЗЕРВУАРАХ С СЫРОЙ НЕФТЬЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
DETERMINATION OF SLUDGE SEDIMENT VOLUME IN TANKS WITH CRUDE OIL AND DEVICE TO THIS END

Область техники
Изобретение относится к способам и устройствам для определения объема шлама и подшламовых структур в резервуарах с сырой нефтью.
Уровень техники
Известны способ и устройство для определения шламовых отложений в резервуаре с сырой нефтью (патент US5953287, дата приоритета 14.09.1999). При реализации данного способа и использовании данного устройства вертикальную и горизонтальную антенны погружают в нефть в резервуаре. Антенны излучают акустические волны в нефть, а отраженные акустические сигналы принимаются ими. Далее происходит обработка принятых акустических сигналов, в результате чего определяется скорость звука и градиент скорости звука. Повторение таких измерений для различных точек расположения антенн позволяет оценить размеры и объемы шлама.
Недостатком известного технического решения является низкая помехозащищенность устройств, вызванная многократными переотражениями звуковых сигналов от внутренних конструкций резервуара, малая точность измерений.
Известна акустическая система и способ для измерения Арктического льда, который может быть использован для измерения объема шламовых отложений в резервуарах с сырой нефтью (патент US 5173882, дата приоритета 22.12. 1992). При реализации данного способа и использовании данного устройства в ледяном покрове выполняется отверстие, через которое в пространство под льдом опускается акустическая антенна, содержащая излучающие и приемные или приемоизлучающие акустические преобразователи. Антенна выполнена с обеспечением возможности направления излучения под разными углами за счет ее поворота вокруг своей оси. Принимаемые акустические сигналы преобразуются в электрические и обрабатываются совместно с индикативным сигналом.
Недостатком известного технического решения является низкая помехозащищенность устройств, вызванная многократными переотражениями звуковых сигналов от внутренних конструкций резервуара, малая точность измерений.
Наиболее близким является способ профилирования дна (патент РФ №60204), заключающийся в размещении в объеме жидкости излучающей и принимающей антенн, генерации акустического импульса заданного спектрального состава генерирующим устройством, излучении указанного сигнала излучающей антенной, отражении данного сигнала от поверхности дна, приеме отраженного сигнала приемной антенной, преобразовании полученного сигнала в электрический, частотно-временной обработке преобразованного сигнала, выделении необходимого сигнала на фоне помех, определение толщины донного слоя, формирование изображения профиля дна.
Недостатками известного технического решения являются является низкая помехозащищенность устройств, вызванная многократными переотражениями звуковых сигналов от внутренних конструкций резервуара, малая точность измерений.
Техническим результатом изобретения является повышение точности устройства.
Поставленная цель достигается за счет того, что способ определения объема шламовых отложений в резервуарах с сырой нефтью заключается в том, что посредством вертикальной акустической антенны излучают под начальным углом вертикального сканирования в сырую нефть импульсный тональный сигнал, принимают отраженные тональные эхо-сигналы горизонтальной акустической антенной, формируют временную последовательность тональных эхо-сигналов, принятых по отдельным горизонтальным направлениям для начального угла вертикального сканирования, детектируют временную последовательность и запоминают результат детектирования, посредством вертикальной акустической антенны излучают под очередным углом вертикального сканирования в сырую нефть импульсный тональный сигнал, принимают отраженные тональные эхо-сигналы горизонтальной акустической антенной, формируют временную последовательность тональных эхо-сигналов, принятых по отдельным горизонтальным направлениям для очередного угла вертикального сканирования, детектируют временную последовательность и запоминают результат детектирования, вычисляют координаты шламовых отложений и объем шламовых отложений, посредством вертикальной акустической антенны излучают под начальным углом вертикального сканирования в сырую нефть сложный импульсный сигнал, принимают отраженные сложные эхо-сигналы горизонтальной акустической антенной, формируют временную последовательность сложных эхо-сигналов, принятых по отдельным горизонтальным направлениям для начального угла вертикального сканирования, вычисляют корреляцию временной последовательности сложных эхо-сигналов и сложного импульсного сигнала и запоминают результат, посредством вертикальной акустической антенны излучают под очередным углом вертикального сканирования в сырую нефть сложный импульсный сигнал, принимают отраженные сложные эхо-сигналы горизонтальной акустической антенной, формируют временную последовательность сложных эхо-сигналов, принятых по отдельным горизонтальным направлениям для очередного угла вертикального сканирования, вычисляют корреляцию временной последовательности сложных эхо-сигналов и сложного акустического сигнала и запоминают результат корреляции, определяют времена сигналов из результатов корреляции, которые более заданной величины, удаляют сигналы из результатов детектирования, которые соответствуют определенным временам сигналов из результатов корреляции, которые более заданной величины, вычисление координаты шламовых отложений и объем шламовых отложений осуществляют по оставшимся сигналам из результатов детектирования. Устройство для реализации данного способа содержит вертикальную акустическую антенну, горизонтальную акустическую антенну, формирователь сканирующей вертикальной характеристики направленности, формирователь характеристик направленности горизонтальных каналов, генератора импульсного сложного сигнала, генератора импульсного тонального сигнала, блок управления, блок отображения, аналогово-цифровой преобразователь, детектор, блок памяти результатов детектирования, временной селектор, коррелятор, блок памяти результатов корреляции, блок определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов, блок вычисления высоты шлама, блок построения поверхности шлама и структур под ним, блок вычисления объема шлама, при этом генератор импульсного тонального сигнала и генератор импульсного сложного сигнала своим выходом соединены с входом формирователя сканирующей вертикальной характеристики направленности, а другой выход генератора импульсного сложного сигнала соединен с одним из входов коррелятора, формирователь сканирующей вертикальной характеристики направленности своим выходом соединен с вертикальной акустической антенной, горизонтальная акустическая антенна своим выходом соединена с формирователем характеристик направленности горизонтальных каналов, один из выходов формирователя характеристик направленности горизонтальных каналов соединен с входом детектора, другой выход формирователя характеристик направленности горизонтальных каналов соединен с другим входом коррелятора, выход детектора соединен с входом блока памяти результатов детектирования, выход коррелятора соединен с входом блока памяти результатов корреляции, выход блока памяти результатов корреляции соединен с входом блока определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов, выход блока памяти результатов детектирования соединен с одним из входов временного селектора, выход блока определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов соединен с другим входом временного селектора, выход временного селектора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом блока вычисления высоты шлама, один выход блока вычисления высоты шлама соединен с входом блока построения поверхности шлама и структур под ним, другой выход блока вычисления высоты шлама соединен с одним из входов блока вычисления объема шлама, один выход блока построения поверхности шлама и структур под ним соединен с другим входом блока вычисления объема шлама, другой выход блока построения поверхности шлама и структур под ним соединен с другим входом блока отображения, выход блока вычисления объема шлама соединен с одним из входов блока отображения, блок управления выполнен с обеспечением возможности передачи сигналов и информации посредством шины данных между блоками, входящими в состав устройства.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами (фиг.1-8), где на фиг.1 показано размещение устройства в резервуаре, а также излученные и принимаемые сигналы, на фиг.2 схематично показано определение высот точек отражения, на фиг.3 показан график интенсивности тональных эхо-сигналов во всех пространственных каналах по углам и дальностям, на фиг.4 показан график распределения корреляционных откликов сигналов при излучении сложного широкополосного сигнала, на фиг.5 показаны сформированные временные стробы, на фиг.6 показана временная селекция мешающих сигналов, на фиг.7 слева показано объемное изображение поверхности шлама, определенное прототипом, на фиг.7 справа показано объемное изображение поверхности шлама, определенное патентуемым способом, на фиг.8 показана блок-схема устройства для реализации данного способа.
Раскрытие изобретения
На фигурах обозначены: боковая стенка 1, резервуар 2, вертикальная акустическая антенна 3, горизонтальная акустическая антенна 4, сканирующий луч 5, приемный луч 6, плавающая крыша 7, элемент углового разрешения 8, дно 9, эхо-сигналы от когерентных отражателей 10, корреляционные отклики от когерентных отражателей 11, пороговый уровень 12, строб 13, участок изъятия сигнала 14, формирователь характеристик направленности горизонтальных каналов 15, детектор 16, блок памяти результатов детектирования 17, временной селектор 18, аналого-цифровой преобразователь 19, блок вычисления высоты шлама 20, блок построения поверхности шлама и структур под ним 21, коррелятор 22, блок памяти результатов корреляции 23, блок определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24, блок вычисления объема шлама 25, блок отображения 26, формирователь сканирующей вертикальной характеристики направленности 27, генератор импульсного сложного сигнала 28, блок управления 29, генератор импульсного тонального сигнала 30.
При определении объема шламовых отложений в резервуарах 2 с сырой нефтью посредством известных систем акустического профилирования дна 9, применимых в океанологии, возникают проблемы, вызванные тем, что пространство резервуара 2 не является однородным с точки зрения распространения в нем акустических волн. Данные проблемы связаны с выполнением резервуара 2 в виде замкнутой стальной цилиндрической емкости с множеством различных механических конструкций, располагающихся в ней. Такими конструкциями являются опоры плавающей крыши 7, нагреватели, боковые миксеры и другие металлические конструкции. Опоры плавающей крыши 7 представляют собой стальные трубы диаметром 100 мм и длиной до 2500 мм, число которых в зависимости от диаметра резервуара 2 может составлять несколько сотен. Нагреватели представляют собой конструкцию из металлических труб, распределенных по объему резервуара 2. Все эти конструкции в совокупности с замкнутым объемом резервуара 2 создают сильнейшую реверберацию в виде многочисленных переотражений звуковых волн, которая маскирует полезные отражения от поверхности шлама и структур под ним. При этом наличие сильных эхо-сигналов от металлических конструкций приводят к завышенному объему шлама при измерениях, что значительно увеличивает предполагаемое время очистки резервуара 2 и предполагаемую стоимость таких работ.
Предлагаемый способ определения объема шламовых отложений в резервуарах 2 с сырой нефтью основан на различиях в характере рассеяния звука от поверхности шлама и его структур от характера отражений от металлических конструкций. Любые металлические конструкции (в определенном диапазоне длин волн) являются, как правило, сосредоточенными когерентными отражателями. Рассеяние от поверхности шлама и его структур, как правило, имеет некогерентный характер, т.е. это, как правило, мелкомасштабное некогерентное рассеяние, характеризующееся широкой индикатрисой рассеяния. Для выделения когерентных и некогерентных сигналов можно воспользоваться излучением двух типов сигналов.
Предположим, что излучается достаточно широкополосный сложный сигнал, например ЛЧМ (сигнал с линейной частотной модуляцией) или ГЧМ (сигнал с гауссовой частотной модуляцией). Взаимная корреляция сложных эхо-сигналов от металлических отражателей с излучаемым широкополосным сложным сигналом будет большой, что позволяет очень точно локализовать точки когерентных отражений. В то же самое время корреляция сложных эхо-сигналов от шлама и его структур с тем же опорным сложным сигналом будет очень мала, практически на уровне шумов, так как эти сигналы будут некогерентными.
Для выделения таких некогерентных сигналов необходимо использовать тональные импульсные посылки, т.е. узкополосные сигналы, причем достаточной длительности. В принятых тональных эхо-сигналах будут присутствовать и сильные тональные эхо-сигналы от металлических конструкций, однако их временное положение будет определяться не очень точно, поскольку разрешающая способность по дальности при излучении тонального сигнала определяется как
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>R</mi><mi>A</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>C</mi><mi>T</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
,
а при излучении широкополосного сигнала (сложного)
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>C</mi><mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>F</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
где C - скорость звука, T - длительность сигнала, ΔF - ширина полосы сигнала.
A
B
Например, при излучении тональной посылки на частоте 100 кГц с длительностью T=0,5 мс и скорости звука C=1500 м/с ΔR - 37,5 см, а при излучении сложного сигнала с шириной полосы 20% разрешение по дальности составляет всего ΔR=3,75 см, т.е. в 10 раз лучше.
Поскольку после излучения сложных сигналов временное и пространственное расположение корреляционных откликов, сформированных сильными отражателями (металлическими конструкциями), будет точно известно, то из набора тональных эхо-сигналов можно исключить (вычесть, отфильтровать) те сигналы, которые по времени прихода совпадают со временами прихода корреляционных откликов и осуществить дальнейшую обработку - построение поверхности шлама и локализацию его структур. В результате такой обработки все сильные реверберационные сигналы будут в значительной мере подавлены.
Способ определения объема шламовых отложений в резервуарах 2 с сырой нефтью включает следующие этапы:
- излучение под начальным углом вертикального сканирования в сырую нефть импульсного тонального сигнала, посредством вертикальной акустической антенны,
- прием отраженных тональных эхо-сигналов горизонтальной акустической антенной,
- формирование временной последовательности тональных эхо-сигналов, принятых по отдельным горизонтальным направлениям для начального угла вертикального сканирования,
- детектирование временной последовательности и запоминание результата детектирования,
- излучение под очередным углом вертикального сканирования в сырую нефть импульсного тонального сигнала, посредством вертикальной акустической антенны,
- прием отраженных тональных эхо-сигналов горизонтальной акустической антенной,
- формирование временной последовательности тональных эхо-сигналов, принятых по отдельным горизонтальным направлениям для очередного угла вертикального сканирования,
- детектирование временной последовательности и запоминание результата детектирования,
- излучение под начальным углом вертикального сканирования в сырую нефть сложного импульсного сигнала, посредством вертикальной акустической антенны,
- прием отраженных сложных эхо-сигналов горизонтальной акустической антенной,
- формирование временной последовательности сложных эхо-сигналов, принятых по отдельным горизонтальным направлениям для начального угла вертикального сканирования,
- вычисление корреляции временной последовательности сложных эхо-сигналов и сложного акустического сигнала и запоминание результата,
- излучение под очередным углом вертикального сканирования в сырую нефть сложного импульсного сигнала, посредством вертикальной акустической антенны,
- прием отраженных сложных эхо-сигналов горизонтальной акустической антенной,
- формирование временной последовательности сложных эхо-сигналов, принятых по отдельным горизонтальным направлениям для очередного угла вертикального сканирования,
- вычисление корреляции временной последовательности сложных эхо-сигналов и сложного акустического сигнала и запоминание результата корреляции,
- определение времени сигналов из результатов корреляции, которые более заданной величины,
- удаление сигналов из результатов детектирования, которые соответствуют определенным временам сигналов из результатов корреляции, которые более заданной величины,
- вычисление координат шламовых отложений для оставшихся сигналов
- вычисление объема шламовых отложений.
Приемоизлучающую антенну погружают в сырую нефть, расположенную в резервуаре 2. Вертикальная акустическая антенна 3 является излучающей и формирует один сканирующий луч 5 - узкий по координате Y и широкий по координате X. На горизонтальной акустической антенне 4 формируется веер приемных лучей 6 - узких по координате X и широких по координате Y. После обработки в результате пересечения двух лучей формируется элемент углового разрешения 8 по двум угловым координатам или декартовым координатам. Приемоизлучающая система наклонена под некоторым углом к вертикали.
1
По команде блока управления 29 запускается генератор импульсных тональных сигналов 30. Импульсный тональный сигнал от генератора импульсных тональных сигналов 30 подается на формирователь сканирующей вертикальной характеристики направленности 27, который формирует тональные сигналы с заданными задержками для начального угла вертикального сканирования β. Эти тональные сигналы подаются на излучающую вертикальную акустическую антенну 3. Вертикальной акустической антенной 3 данные тональные сигналы излучают в сырую нефть в резервуаре 2. При этом сигналы, излучаемые вертикальной акустической антенной 3, соответствуют сигналам, сгенерированным генератором импульсных тональных сигналов 30.
j
j
1
1
Тональные сигналы проходят через объем сырой нефти и отражаются от поверхности шлама и конструкций, размещенных в резервуаре 2. Отраженные тональные эхо-сигналы принимаются приемной горизонтальной акустической антенной 4 и далее поступают на формирователь характеристик направленности горизонтальных каналов 27. На выходе формирователя характеристик направленности горизонтальных каналов 27 формируется временная последовательность тональных эхо-сигналов, принятых по отдельным горизонтальным направлениям S(t,α,α,β) для начального угла сканирования β.
Далее эти принятые тональные эхо-сигналы детектируются посредством детектора 16. Результаты детектирования запоминаются блоком памяти результатов детектирования 17.
2
<mrow><msup><mi>I</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>=</mo><mrow><mo>‖</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>β</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>α</mi><mi>j</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>‖</mo></mrow></mrow>
Затем посредством формирователя сканирующей вертикальной характеристики направленности 27 устанавливается следующий угол вертикального сканирования β и все операции повторяются. В результате после сканирования во всем вертикальном секторе углов образуется матрица интенсивностей тональных эхо-сигналов во всех пространственных каналах по углам и дальностям
, которая запоминается блоком памяти результатов детектирования 17, фиг.3.
На фиг.3 в амплитудах принятых тональных эхо-сигналов присутствуют как слабые сигналы, так и сильные эхо-сигналы от когерентных отражателей, которые вызваны отражениями от каких-то конструкций, но не от шлама. Эхо-сигналы от когерентных отражателей необходимо исключить из дальнейшего анализа, однако их временное положение, или положение на оси дальностей при излучении импульсных тональных сигналов определяется неточно.
Для точного определения временного положения конструкций, дающих сильные тональные эхо-сигналы, далее используется излучение сложного сигнала и его последующая корреляционная обработка.
При следующем цикле работы блока управления 29 запускает генератор импульсных сложных сигналов 28. Сложный сигнал от генератора импульсных сложных сигналов 28 поступает на формирователь сканирующей вертикальной характеристики направленности 27, который формирует тональные сигналы с заданными задержками для начального угла вертикального сканирования. Сложный сигнал после формирователя сканирующей вертикальной характеристики направленности 27 поступает на излучающую вертикальную акустическую антенну 3. Вертикальная акустическая антенна 3 излучает данный сложный сигнал в резервуар 2 с сырой нефтью. При этом сигналы, излучаемые вертикальной акустической антенной 3, соответствуют сигналам, сгенерированным генератором импульсных сложных сигналов 28.
Сложный сигнал отражается от поверхности шлама и конструкций, находящихся в резервуаре 2. Отраженные сложные эхо-сигналы принимаются горизонтальной акустической антенной 4. Принятые сложные эхо-сигналы поступают на формирователь характеристик направленности горизонтальных каналов 15. На выходе формирователя характеристик направленности горизонтальных каналов 15 формируется временная последовательность сложных эхо-сигналов, принятых по отдельным горизонтальным направлениям. Далее сложные эхо-сигналы подаются на коррелятор 22, где вычисляется функция взаимной корреляции принятого сложного эхо-сигнала с излученным сложным сигналом (сигналом генератора импульсных сложных сигналов 28). Результаты корреляционной обработки сохраняют в блоке памяти результатов корреляции 23.
<mrow><msup><mi>I</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>=</mo><mrow><mo>‖</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>B</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>β</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>α</mi><mi>j</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>‖</mo></mrow></mrow>
Все дальнейшие процедуры повторяются аналогично для всех углов вертикального сканирования, и в результате образуется вторая матрица интенсивностей сложных эхо-сигналов
, которая сохраняется в блоке памяти результатов корреляции 23, фиг.4.
Результаты корреляционной обработки из блока памяти результатов корреляции 23 поступают в блок определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24, в котором устанавливается некоторый пороговый уровень Δ 12. Значение порогового уровня Δ 12 может определяться как самим блоком определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24, так и оператором, работающим с данным устройством, таким образом, чтобы оно было меньше высоты пиков эхо-сигналов от когерентных отражателей, но больше высоты пиков шумоподобных эхо-сигналов. Этот пороговый уровень 12 отсекает все корреляционные сигналы, уровни которых меньше этого порогового уровня 12. Из оставшихся сигналов формируются прямоугольные сигналы стробов по временной оси, длительности которых равны ширине корреляционных откликов от когерентных отражателей 11 при выбранном значении порогового уровня 12, фиг.5.
Временные положения этих стробов 13 и их длительность определяют положение максимумов интенсивности и длительности сигналов, которые должны быть
<mrow><msup><mi>I</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>=</mo><mrow><mo>‖</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>β</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>α</mi><mi>j</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>‖</mo></mrow></mrow>
<mrow><msup><mi>I</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo>=</mo><mrow><mo>‖</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>β</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>α</mi><mi>j</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>r</mi><mi>k</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>‖</mo></mrow></mrow>
исключены из матрицы интенсивностей тональных эхо-сигналов
. Для исключения мешающих сигналов, тональные эхо-сигналы
из блока памяти результатов детектирования 17 поступают во временной селектор 18, который устраняет тональные эхо-сигналы в тех местах, в которых расположены стробы 13, фиг.6. Таким образом, на графике тональных эхо-сигналов образуются участки изъятия сигнала 14.
Далее очищенные тональные эхо-сигналы оцифровываются посредством аналого-цифрового преобразователя 19 и подаются в блок вычисления высоты шлама 20. В блоке вычисления высоты шлама 20 определяется высота точек, от которых был
отражен данный тональный эхо-сигнал. По данным блока вычисления высоты шлама 20 блоком построения поверхности шлама и структур под ним 21 происходит построение изображения поверхности шлама, которое отображается блоком отображения 26. Далее посредством блока вычисления объема шлама 25 на основе данных блока вычисления высоты шлама 20 и блока построения поверхности шлама и структур 21 под ним вычисляется объем шлама.
3
3
3
3
На фиг.7 приведено изображение поверхности шлама, слева - без подавления мешающих сигналов реверберации, объем шлама, 3546 м, справа - истинная поверхность шлама, с подавлением реверберации, объем шлама 2764 м. Видно, что при неисключении когерентных отражений высоты построенной поверхности шлама могут доходить до 6 метров, чего практически не бывает. Эти ложные высоты и приводят к завышенному объему шлама. Подавление реверберационных откликов приводит к правильной оценке как формы поверхности, так и величине объема шлама (ср. 3546 м и 2764 м).
Для реализации данного способа может быть применено предлагаемое устройство.
Основными элементами устройства являются вертикальная акустическая антенна (излучающая) 3, горизонтальная акустическая антенна (приемная) 4, формирователь характеристик направленности горизонтальных каналов 15, детектор 16, блок памяти результатов детектирования 17, временной селектор 18, аналого-цифровой преобразователь 19, блок вычисления высоты шлама 20, блок построения поверхности шлама и структур под ним 21, коррелятор 22, блок памяти результатов корреляции 23, блок определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24, блок вычисления объема шлама 25, блок отображения 26, формирователь сканирующей вертикальной характеристики направленности 27, генератор импульсного тонального сигнала 28, блок управления 29, генератор импульсного сложного сигнала 30.
Резервуар 2 представляет собой замкнутую цилиндрическую конструкцию с дном 9 и боковой стенкой 1, диаметр которой может доходить до 120 метров, а высота до 20 метров, примерами резервуаров 2 могут служить нефтяные танки. Резервуар 2 предназначен для хранения и переработки сырой нефти. Сырая нефть в резервуар 2 может поступать от различных поставщиков и резко отличаться по своим параметрам, главными из которых являются плотность и вязкость. Поскольку по мере наполнения резервуара 2 сырая нефть постоянно выкачивается из него для дальнейшей переработки, то она должна быть предварительно перемешана, так как нефть с большой плотностью и вязкостью не сможет перекачиваться с нормальной скоростью. Для целей перемешивания нефти в резервуаре 2 устанавливают боковые миксеры. Помимо нефти на дне 9 резервуара2 может присутствовать шлам - тяжелые отложения из сырой нефти, часть которого также будет перемешиваться с нефтью. В больших резервуарах с диаметром до 100-120 метров объем шлама может достигать 12-13000 тонн. С одной стороны, шлам является ценным продуктом, так как он может содержать до 80-85% нефти, но, с другой стороны, он представляет собой крайне агрессивную среду, которая ускоряет процесс коррозии днища резервуара 2. Для резервуаров 2 с плавающей крышей 7 существует еще одна опасность: при опускании плавающей крыши 7 резервуара 2 она должна опереться на все свои опоры - «ноги». Это означает, что поверхность шлама не должна содержать высот, больших, чем длина «опоры» плавающей крыши 7. В противном случае, плавающая крыша 7 может быть повреждена.
Приемоизлучающая антенна выполнена в виде крестообразной или Т-образной антенны, состоящей из вертикальной акустической антенны 3, выполняющей роль излучающей, и горизонтальной акустической антенны 4, выполняющей роль приемной. При этом вертикальная акустическая антенна 3 и горизонтальная акустическая антенна 4 представляют собой фазированные акустические антенные решетки, состоящие из множества отдельных элементов, каждый из которых осуществляет когерентно по отношению к остальным излучение или прием акустических сигналов. Вертикальная акустическая антенна 3 выполнена с обеспечением возможности излучения акустических сигналов. Горизонтальная акустическая антенна 4 выполнена с обеспечением возможности приема акустических волн. Горизонтальная акустическая антенна 4 и вертикальная акустическая антенна 3 установлены в резервуаре 2 с обеспечением возможности излучения сканирующего луча 5 (акустических сигналов) в сырую нефть, расположенную в резервуаре 2, и приема приемного луча 6 (акустических сигналов), отраженных от поверхностей различных конструкций и шлама, расположенного в объеме сырой нефти.
Формирователь характеристик направленности горизонтальных каналов 15 представляет собой устройство, выполненное с обеспечением возможности формирования временной последовательности тональных эхо-сигналов, принятых по отдельным горизонтальным направлениям. Формирователь характеристик направленности горизонтальных каналов 15 своим входом соединен с горизонтальной акустической антенной 4 с обеспечением возможности получения от нее принятых ей акустических сигналов. Формирователь характеристик направленности горизонтальных каналов 15 одним из своих выходов соединен с детектором 16, а другим выходом с коррелятором 22.
Детектор 16 представляет собой устройство, выполненное с обеспечением возможности детектирования принятого тонального эхо-сигнала. В частном случае в устройстве использован квадратичный детектор 16 (определение термина детектирование приведено, например, в Большой Советской Энциклопедии на сайте http://slovari.yandex.ru/~%D0%BA%D0%BD%D0%B8%D0%B3%D0%B8/%D0%91%D0%Al%D0%AD/%D0%94%D0%B5%D1%82%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D 1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5/ (дата обращения 17.07.2012)). Детектор 16 своим выходом соединен с блоком памяти результатов детектирования 17.
Блок памяти результатов детектирования 17 представляет собой, например, карту памяти, выполненную с обеспечением возможности запоминания результатов детектирования. В частном случае блок памяти результатов детектирования 17 выполнен с обеспечением возможности запоминания и выдачи результатов детектирования в определенной последовательности, например в виде математической матрицы. Блок памяти результатов детектирования 17 своим выходом соединен с одним из входов временного селектора 18.
Временной селектор 18 представляет собой устройство, выполненное с обеспечением возможности устранения тональных эхо-сигналов по временной оси в тех местах, в которых расположены стробы 13 на временной оси, с образованием участков изъятия сигнала 14. Временной селектор 18 одним из входов соединен с блоком памяти результатов детектирования 17, а другим входом соединен с блоком определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24. Выход временного селектора 18 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 19.
Аналого-цифровой преобразователь 19 представляет собой устройство, выполненное с обеспечением возможности преобразования сигналов в аналоговой форме в сигналы в цифровой форме. Аналого-цифровой преобразователь 19 своим выходом соединен с блоком вычисления высоты шлама 20.
Блок вычисления высоты шлама 20 представляет собой устройство или устройство с программным обеспечением, выполненное с обеспечением возможности определения (вычисления) высоты (наименьшего расстояния от дна) точки поверхности шлама, от которой был отражен данный сигнал, а также координат расположения данной точки в плоскости дна резервуара 2. Определение высоты расположения данной отражающей или рассеивающей точки поверхности H можно осуществить на основе информации о наклонной дальности и углах вертикального и горизонтального сканирования, фиг.2. Блок вычисления высоты шлама 20 соединен своими выходами с блок построения поверхности шлама и структур под ним 21 и блоком вычисления объема шлама 25.
Блок построения поверхности шлама и структур под ним 21 представляет собой устройство или устройство с программным обеспечением, выполненное с обеспечением возможности построения изображения поверхности шлама и структур под ним на основе данных о высоте шлама и координатах расположения данной точки. При этом блок построения поверхности шлама и структур под ним 21 выполнен с обеспечением возможности построения поверхности шлама как в какой-либо вертикальной плоскости, так и объемного изображения поверхности шлама (фиг.7).
Коррелятор 22 представляет собой специализированное устройство для автоматического вычисления взаимных корреляционных функций (определение коррелятора приведено, например, в Википедии на сайте hnp://m.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%80%D1%80%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D1%82%D0%BE%D1%80 (дата обращения 17.07.2012)). Коррелятор 22 вычисляет взаимную корреляцию каждого из принятых сложных эхо-сигналов с соответствующим излученным сложным сигналом. Коррелятор 22 своими входами соединен с формирователем характеристик направленности горизонтальных каналов 15 и генератором импульсного сложного сигнала 28. Выход коррелятора 22 соединен с блоком памяти результатов корреляции 23.
Блок памяти результатов корреляции 23 представляет собой карту памяти, выполненную с обеспечением возможности запоминания результатов корреляции, полученных коррелятором 22. В частном случае блок памяти результатов корреляции 23 выполнен с обеспечением возможности запоминания и выдачи результатов корреляции в определенной последовательности, например в виде математической матрицы. Выход блока памяти результатов корреляции 23 соединен с блоком определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24.
Блок определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24 представляет собой устройство или программное обеспечение, выполненное с обеспечением возможности установления некоторого порогового уровня Δ12, отсекания всех корреляционных сигналов, уровни которых меньше этого порогового уровня 12. Блок определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24 выполнен с обеспечением формирования из оставшихся сигналов прямоугольных сигналов стробов по временной оси, длительности которых равны ширине корреляционных откликов от когерентных отражателей 11 при выбранном значении порогового уровня 12, фиг.5. Блок определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24 своим выходом соединен с временным селектором 18.
Блок вычисления объема шлама 25 представляет собой устройство или устройство с программным обеспечением, выполненное с обеспечением возможности расчета объема шлама по данным полученным от блока вычисления высоты шлама 20 и блока построения поверхности шлама и структур под ним 21.
Блок отображения 26 представляет собой выходное электронное устройство, предназначенной для отображения информации, например монитор. Блок отображения 26 своим входом соединен с выходом блока построения поверхности шлама и структур под ним 21 и выходом блока вычисления объема шлама 25.
Формирователь сканирующей вертикальной характеристики направленности 27 представляет собой устройство, выполненное с обеспечением возможности формирования сигналов с заданными задержками для заданного угла вертикального сканирования в режиме излучения. Формирователь сканирующей вертикальной характеристики направленности 27 одним из своих входов соединен с генератором импульсного сложного сигнала 28, а другим входом - с генератором импульсного тонального сигнала 30. Выход формирователя сканирующей вертикальной характеристики направленности 27 соединен с вертикальной акустической антенной 3.
Генератор импульсного тонального сигнала 30 представляет собой устройство, генерирующее акустические сигналы в узкой полосе частот. Генератор импульсного тонального сигнала 30 своим входом соединен с блоком управления 29. Генератор импульсного тонального сигнала 30 своим выходом соединен с формирователем сканирующей вертикальной характеристики направленности 27.
Блок управления 29 представляет собой устройство или устройство с программным обеспечением, выполненное с обеспечением возможности запуска в необходимые моменты времени генератора импульсного тонального сигнала 30 или генератора импульсного сложного сигнала 28, а также синхронизации работы генератора импульсного тонального сигнала 30 и генератора импульсного сложного сигнала 28 с заданными интервалами между их запусками. Блок управления 29 выполнен с обеспечением возможности передачи посредством шины данных информации между блоками, входящими в состав данного устройства.
Генератор импульсного сложного сигнала 28 представляет собой устройство, генерирующее акустические сигналы в широкой полосе частот, т.е. сложные сигналы, например ЛЧМ или ГЧМ. Генератор импульсного сложного сигнала 28 своим входом соединен с блоком управления 29. Генератор импульсного сложного сигнала 28 своими выходами соединен с формирователем сканирующей вертикальной характеристики направленности 27 и коррелятором 22.
Устройство для реализации способа определения объема шламовых отложений в резервуарах 2 с сырой нефтью реализуется следующим образом. Изготавливают вертикальную акустическую антенну (излучающую) 3, горизонтальную акустическую антенну (приемную) 4, формирователь характеристик направленности горизонтальных каналов 15, детектор 16, блок памяти результатов детектирования 17, временной селектор 18, аналого-цифровой преобразователь 19, блок вычисления высоты шлама 20, блок построения поверхности шлама и структур под ним 21, коррелятор 22, блок памяти результатов корреляции 23, блок определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24, блок вычисления объема шлама 25, блок отображения 26, формирователь сканирующей вертикальной характеристики направленности 27, генератор импульсного тонального сигнала 30, блок управления 29, генератор импульсного сложного сигнала 28. Вертикалью акустическую антенну 3 и горизонтальную акустическую антенну 4 соединяют в виде Т-образной приемоизлучающей антенны. Блок управления 29 выходами подсоединяют к входам генератора импульсного тонального сигнала 30 и генератора импульсного сложного сигнала 28, выходы которых подсоединяют к входу формирователя сканирующей вертикальной характеристики направленности 27. При этом другой выход генератора импульсного сложного сигнала 28 подсоединяют к одному из входов коррелятора 22. Выход формирователя сканирующей вертикальной характеристики направленности 27 подсоединяют к вертикальной акустической антенне 3. К горизонтальной акустической антенне 4 подсоединяют вход формирователя характеристик направленности горизонтальных каналов 27, выходы которого подсоединяют к входу детектора 16 и другому входу коррелятора 22. Выход детектора 16 подсоединяют к входу блока памяти результатов детектирования 17, выход которого подсоединяют к одному из входов временного селектора 18. Выход коррелятора 22 подсоединяют к входу блока памяти результатов корреляции 23, выход которого подсоединяют к входу блока определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24. Выход блока определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24 подсоединяют к другому входу временного селектора 18. Выход временного селектора 18 подсоединяют к входу аналого-цифрового преобразователя 19, выход которого подсоединяют к входу блока вычисления высоты шлама 20. Выходы блока вычисления высоты шлама 20 подсоединяют к входам блока построения поверхности шлама и структур под ним 21 и блока вычисления объема шлама 25. Выходы блока построения поверхности шлама и структур под ним 21 подсоединяют к входам блока вычисления объема шлама 25 и блока отображения 26. Выход блока вычисления объема шлама 25 подсоединяют к другому входу блока отображения 26. При этом под соединением блоков друг с другом понимается соединение, необходимое для передачи данных и сигналов между этими блоками, например посредством системной шины и/или проводников и/или выделенной радиолинии и/или любым другим известным способом, применимым для данной области.
1
2
Приемоизлучающую антенну помещают в резервуаре 2 с обеспечением возможности излучения акустических сигналов в сырую нефть, находящуюся в резервуаре 2. Посредством блока управления 29 запускают генератор импульсных тональных сигналов 30. Сигнал, сгенерированный генератором импульсных тональных сигналов 30, подается на формирователь сканирующей вертикальной характеристики направленности 27, где происходит формирование сигналов с заданными задержками для начального угла вертикального сканирования β в режиме излучения. Эти сигналы подают на вертикальную акустическую антенну 3, которая излучает их в сырую нефть. Горизонтальная акустическая антенна 4 принимает тональные эхо-сигналы, отраженные от поверхности шламам и конструкций, расположенных в резервуаре 2. Принятые тональные эхо-сигналы поступают от горизонтальной акустической антенны 4 на формирователь характеристик направленности горизонтальных каналов 15, где формируется временная последовательность тональных эхо-сигналов. Тональные эхо-сигналы от формирователя характеристик направленности горизонтальных каналов 15 поступают в детектор 16, где происходит их детектирование. Тональные эхо-сигналы от детектора 16 поступают в блок памяти результатов детектирования 17, где запоминаются в определенной последовательности. Посредством формирователя сканирующей вертикальной характеристики направленности 27 устанавливается следующий угол вертикального сканирования β и все вышеописанные операции повторяются.
1
Посредством блока управления 29 запускают генератор импульсных сложных сигналов 28. Сигнал, сгенерированный генератором импульсных сложных сигналов 28, подается на формирователь сканирующей вертикальной характеристики направленности 27, где происходит формирование сигналов с заданными задержками для начального угла вертикального сканирования β в режиме излучения и в коррелятор 22. Эти сигналы подают на вертикальную акустическую антенну 3, которая излучает их в сырую нефть. Горизонтальная акустическая антенна 4 принимает тональные эхо-сигналы, отраженные от поверхности шламам и конструкций, расположенных в резервуаре 2. Принятые сложные эхо-сигналы поступают от горизонтальной акустической антенны 4 на формирователь характеристик направленности горизонтальных каналов 15, где формируется временная последовательность тональных эхо-сигналов. Сложные эхо-сигналы от формирователя характеристик направленности горизонтальных каналов 15 поступают в коррелятор 22, где происходит вычисление корреляционной функции этих сигналов с соответствующими сложными сигналами, полученными от генератора импульсных сложных сигналов 28. Результаты корреляционной обработки от коррелятора 22 поступают в блок памяти результатов корреляции 23, где запоминаются в определенной последовательности. Посредством формирователя сканирующей вертикальной характеристики направленности 27 устанавливается следующий угол вертикального сканирования р2 и все вышеописанные операции повторяются. Из блока памяти результатов корреляции 23 результаты корреляционной обработки поступают в блок определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24, в котором устанавливается некоторый пороговый уровень Δ12. В блоке определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов происходит отсечение корреляционных сигналов, уровни которых менее установленного порогового уровня 12. По корреляционным сигналам, уровни которых более установленного порогового уровня 12, происходит формирование стробов 13 в виде прямоугольных сигналов, длительность которых равна ширине корреляционных откликов от когерентных отражателей 11.
Во временной селектор 18 поступают данные из блока памяти результатов детектирования 17 и блока определения времен, соответствующих доминирующим сигналам, и формирования временных стробов 24. Временным селектором 18 производится изъятие тональных эхо-сигналов совпадающих по времени и длительности со временем прихода и длительностью стробирующих импульсов, т.е. с местом расположения и шириной стробов 13 по временной оси.
Далее очищенные тональные эхо-сигналы оцифровываются посредством аналого-цифрового преобразователя 19 и подаются в блок вычисления высоты шлама 20. В блоке вычисления высоты шлама 20 определяется высота точек, от которых был отражен данный тональный эхо-сигнал. По данным блока вычисления высоты шлама 20 блоком построения поверхности шлама и структур под ним 21 происходит построение изображения поверхности шлама, которое отображается блоком отображения 26. Далее посредством блока вычисления объема шлама 25 на основе данных блока вычисления высоты шлама 20 и блока построения поверхности шлама и структур под ним 21 вычисляется объем шлама. Результаты вычисления также отображаются блоком отображения 26.
Таким образом, определения объема шламовых отложений в резервуарах с сырой нефтью по описанному выше способу обеспечивает повышение точности за счет излучения сложного импульсного сигнала, приема отраженных сложных эхо-сигналов, их последующей корреляционной обработки с излученным сложным импульсным сигналом, формирования стробов, соответствующих временному положению когерентных отражателей и исключения из набора тональных эхо-сигналов сигналов, временное положение и протяженность которых совпадает со временным положением и протяженностью стробов.