Устройство и способ мониторинга давления среды в оборудовании
DEVICE AND METHOD OF MONITORING MEDIUM PRESSURE IN EQUIPMENT

Группа изобретений относится к приборостроению, а именно к устройствам мониторинга давления жидких или газообразных сред, и может быть применена в нефтегазовой, металлургической, химической или пищевой отраслях промышленности.
Известен встроенный датчик давления жидкости, содержащий корпус, преобразователь для обнаружения первичной измеряемой величины давления среды, предназначенный для генерации измерительных сигналов и электронный блок управления, подключенный к преобразователю для обнаружения измерительных сигналов, при этом встроенный датчик обеспечивает обнаружение скачков давления, возникающих в линии подачи жидкости или емкости [US2019195717, дата публикации: 27.06.2019 г., МПК: G01L 19/00].
Известно устройство и способ мониторинга давления среды в линии нефтепереработки, реализуемые посредством вычислительной системы, содержащей датчик давления и блок управления. Блок управления содержит платформу сбора данных и платформу анализа данных, включающую в себя процессор и устройство хранения данных. Информация с датчика при помощи платформы сбора данных передается в процессор платформы анализа данных, который определяет в каком состоянии находится оборудование, после чего информация сохраняется в устройстве хранения данных [US2018283404, дата публикации: 04.10.2018 г., МПК: F04D 27/00].
Общим недостатком известных технических решений является небольшой объем данных, полученных от датчика давления, обусловленный наличием только низкочастотного режима сбора данных блоком управления.
В качестве прототипа выбрано устройство и способ обнаружения аномального давления в оборудовании, при этом устройство содержит датчик давления и блок управления, включающий в себя модули обнаружения аномального давления, модуль усиления сигнала, а также устройство хранения данных и микропроцессор, соединенные с возможностью передачи данных. Датчик давления преобразует давление среды в слабый сигнал напряжения в течение 0,0001 секунды, который поступает в блок управления, где он через модуль усиления сигнала передается в модули обнаружения аномального давления. Если один из модулей обнаружения аномального давления фиксирует недопустимое изменение давления среды, то в течение 0,0001 секунды подается управляющий сигнал на запуск микропроцессора, который в свою очередь начинает непрерывный высокочастотный сбор сигнала давления со скоростью 0,001 секунды и сохраняет его в средство хранения данных [US20130073226, дата публикации: 21.03.2013 г., МПК: G01L 9/00].
Преимуществом прототипа является возможность осуществления блоком управления высокочастотного сбора блока данных в период помпажного состояния оборудования, за счет чего впоследствии обеспечивается возможность анализа наиболее полного пакета данных, характеризующих аварийную ситуацию.
Однако недостатком прототипа является то, что в процессе нормального состояния оборудования записывается малый объем данных, которых недостаточно для выявления причин возникновения помпажного состояния оборудования. Это обусловлено тем, что известное устройство осуществляет высокочастотный сбор данных только в период возникновения критического состояния оборудования, вследствие чего становится невозможным получение большого объема данных, записанных до возникновения критического состояния оборудования. Таким образом снижается вероятность выявления актуальной причины возникновения помпажного состояния оборудования, что повышает риск его повторного возникновения, и, как следствие, увеличивает вероятность выхода оборудования из строя.
Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в повышения эффективности мониторинга давления среды в оборудовании.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в снижении риска повторного возникновения помпажного состояния оборудования.
Дополнительный технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в снижении риска утраты данных, содержащих информацию о состоянии среды перед регистрированием помпажного состояния оборудования.
Дополнительный технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в снижении ресурсоемкости и повышении энергоэффективности устройства мониторинга давления среды.
Сущность первого изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Устройство мониторинга давления среды в оборудовании содержит датчик давления среды и блок управления, соединенные с возможностью передачи данных, при этом блок управления содержит средство хранения данных и выполнен с возможностью регистрации нормального и помпажного состояния оборудования и с возможностью активации низкочастотного сбора данных при нормальном состоянии оборудования и высокочастотного сбора данных при помпажном состоянии оборудования и передачи данных, полученных при помпажном состоянии оборудования, в средство хранения данных. В отличие от прототипа блок управления обеспечивает выполнение цикла высокочастотного сбора блока данных при нормальном состоянии оборудования и временное хранение данных, полученных за этот цикл, и выполнен с возможностью удаления данных, полученных за цикл высокочастотного сбора блока данных, в случае отсутствия регистрации помпажного состояния оборудования или передачи данных, полученных за цикл высокочастотного сбора блока данных, в средство хранения данных в случае регистрации помпажного состояния оборудования.
Сущность второго изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Способ мониторинга давления среды в оборудовании устройством мониторинга давления среды включает получение данных давления среды датчиком давления среды устройства, передачу данных от датчика давления среды в блок управления устройства, регистрацию блоком управления устройства нормального и помпажного состояния оборудования и последующий низкочастотный и высокочастотный сбор данных, при этом низкочастотный сбор данных производится при нормальном состоянии оборудования, а высокочастотный сбор данных производится при помпажном состоянии оборудования, при этом данные, полученные при высокочастотном сборе данных, передаются в средство хранения данных. В отличие от прототипа при нормальном состоянии оборудования производится выполнение цикла высокочастотного сбора блока данных с последующим временным хранением данных, полученных за этот цикл, при этом в случае отсутствия регистрации помпажного состояния оборудования производится удаление данных, полученных за цикл высокочастотного сбора блока данных, а в случае регистрации помпажного состояния оборудования производится передача данных, полученных за цикл высокочастотного сбора блока данных, в средство хранения данных устройства.
Датчик давления среды представляет собой элемент, преобразующий физическую величину давления измеряемой среды в электрический сигнал для блока управления. Датчик давления среды содержит чувствительный элемент, который может быть представлен интегральными чувствительными элементами из монокристаллического кремния, сильфоном или мембраной. В предпочтительном варианте осуществления в устройстве применяется высокочастотный мембранный датчик давления с диапазоном рабочих частот от 0,3 кГц до 50 кГц.
Блок управления обеспечивает преобразование и обработку электрического сигнала, поступающего от датчика давления, с целью определения состояния оборудования. Для этого он содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микроконтроллер, которые соединены общей шиной передачи данных, и/или смонтированы на одной интегральной схеме.
Средство хранения данных обеспечивает возможность записи блоков данных, полученных в процессе обработки блоком управления сигналов от датчика давления и других данных. Средство хранения данных может быть представлено жестким диском, твердотельным накопителем и элементами флэш-памяти.
Блок управления выполнен с возможностью регистрации нормального и помпажного состояния оборудования и с возможностью активации низкочастотного сбора данных при нормальном состоянии оборудования и высокочастотного сбора данных при помпажном состоянии оборудования и передачи данных, полученных при помпажном состоянии оборудования, в средство хранения данных.
Под нормальным состоянием оборудования подразумевается такое состояние оборудования, при котором частота и амплитуда колебаний давления постоянны и находятся в пределах значений, допустимых эксплуатационными характеристиками оборудования для его нормальной работы без повреждений.
Под помпажным состоянием оборудования подразумевается такое состояние оборудования, при котором происходит резкий скачок амплитуды и частоты колебаний давления среды в оборудовании, способный привести к частичному повреждению или полному разрушению этого оборудования.
Нормальное и помпажное состояние оборудования характеризуется данными, полученными от датчика давления, значения которых соответственно либо не превышают, либо превышают предельные допустимые значения давления, которые предусмотрены алгоритмами блока управления. При этом для загрузки алгоритмов или передачи данных к внешним системам устройство может содержать средство передачи данных.
Средство передачи данных может быть подключено к общей шине передачи данных и обеспечивает связь блока управления с внешними системами для обмена данными. Средство передачи данных может быть представлено разъемом для кабельного соединения, Wi-Fi или Bluetooth – модулем.
Цикл высокочастотного сбора блока данных представляет собой процесс сбора данных от датчика давления и осуществляется блоком управления с высокой частотой за определённый промежуток времени. Для этого может быть использован имеющийся в блоке управления микроконтроллер либо блок управления может содержать дополнительный микроконтроллер, обеспечивающий такую возможность.
Частота цикла высокочастотного сбора блока данных зависит от типа применяемого датчика давления среды и, как правило, не превышает 50 кГц. При этом время цикла высокочастотного сбора блока данных может не превышать 5 секунд, вследствие чего ограничивается объем данных, обрабатываемых блоком управления и средством хранения данных в период обнаружения помпажного состояния оборудования, что обеспечивает их снижение ресурсоемкости и повышение энергоэффективности устройства, обусловленные снижением загруженности этих элементов в процессе работы устройства.
Предел частоты цикла высокочастотного сбора блока данных и предел времени цикла обусловлены операционной мощностью блока управления и ресурсоемкостью устройства. В целях снижения загрузки элементов устройства и их ресурсоемкости время цикла высокочастотного сбора блока данных блоком управления не превышает 3 секунд. При этом для дополнительного снижения энергозатрат устройства мониторинга частота цикла высокочастотного сбора блока данных блоком управления может не превышать 1,2 кГц. Уменьшение времени и частоты цикла высокочастотного сбора блока данных приводит к уменьшению объема обрабатываемой информации и уменьшению ресурсоемкости устройства и наоборот. Под временным хранением данных, полученных за цикл высокочастотного сбора блока данных, подразумевается процесс хранения информации, который может обеспечиваться посредством оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), подключенного к общей шине передачи данных. Для обеспечения временного хранения данных в блоке управления ОЗУ может быть представлено в виде энергонезависимой FRAM - памяти, вследствие чего при потере питания в момент помпажа оборудования исключается возможность потери данных, содержащих информацию о давлении в оборудовании непосредственно перед аварийной ситуацией, следовательно появляется возможность определения актуальной причины возникновения аварийной ситуации, за счет может быть составлен оптимальный комплекс мер, предотвращающий помпаж оборудования в будущем, таким образом уменьшается риск повторного возникновения помпажа оборудования.
В случае отсутствия регистрации блоком управления помпажного состояния оборудования производится удаление данных, полученных за цикл высокочастотного сбора блока данных. Причем приоритет удаления выставляется для наиболее поздних данных из блока, вследствие чего блок данных всегда содержит наиболее актуальную информацию, за счет чего в случае помпажа оборудования у оператора появляется возможность на основе самых последних данных составить план действий, необходимый для устранения аварийной ситуации или минимизации последствий после ее возникновения, таким образом уменьшается риск повторного возникновения помпажа оборудования.
В случае регистрации блоком управления помпажного состояния оборудования производится сохранение блока данных, полученного за цикл высокочастотного сбора данных, за счет чего возможен анализ данных с целью выработки мер, препятствующих повторному возникновению помпажного состояния оборудования.
Устройство может содержать корпус из любого известного материла устойчивого к воздействию окружающей среды. Корпус может иметь средство присоединения к оборудованию, которое может быть представлено резьбовой трубкой, штуцером, трубкой с муфтой. В предпочтительном варианте осуществления средство присоединения выполнено в виде штуцера. При этом датчик давления среды может быть расположен в корпусе таким образом, чтобы обеспечивался контакт его чувствительного элемента с рабочей средой. Также датчик давления и блок управления могут быть расположены в разных корпусах и обмениваться данными посредством кабельного соединения, Wi-Fi или Bluetooth-соединения. Устройство мониторинга давления среды может применяться в оборудовании, для которого рабочей средой являются жидкости, пар, газы, парогазовые и газовые смеси. Примерами такого оборудования являются магистральные нефте- или газопроводы, компрессоры, газотурбинные двигатели и др.
Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Группа изобретений обладает ранее неизвестными из уровня техники существенными признаками, заключающимися в том, что блок управления устройства мониторинга состояния среды:
— обеспечивает выполнение цикла высокочастотного сбора блока данных при нормальном состоянии оборудования и временное хранение данных, полученных за этот цикл, за счет чего увеличивается объем обрабатываемых данных, содержащих информацию о состоянии оборудовании, предшествующему помпажу;
— выполнен с возможностью удаления данных, полученных за цикл высокочастотного сбора блока данных, в случае отсутствия регистрации помпажного состояния оборудования, за счет чего уменьшается нагрузка на средство хранения данных.
— выполнен с возможностью передачи данных, полученных за цикл высокочастотного сбора блока данных, в средство хранения данных в случае регистрации помпажного состояния оборудования, благодаря чему обеспечивается возможность сохранения большого объема данных, содержащих информацию о предпомпажном состоянии оборудования.
Существенные отличительные признаки группы изобретений позволяют сохранять большой объем информации о состоянии оборудования, в котором оно находилось до аварийной ситуации, за счет чего возможен дальнейший анализ этой ситуации и выявление причин ее возникновения, вследствие чего может быть определен комплекс мер, который нужно предпринять в дальнейшем во избежание выхода оборудования из строя. За счет этого достигается технический результат, заключающийся в снижении риска повторного возникновения помпажного состояния оборудования, что повышает эффективность способа мониторинга давления в оборудовании.
Существенные отличительные признаки группы изобретений неизвестны из уровня техники, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Из уровня техники известны принципы сбора данных с разной частотой в разных состояниях оборудования. Известен низкочастотный сбор данных в нормальном состоянии оборудования и высокочастотный сбор данных в помпажном состоянии оборудования. Также из уровня техники известен принцип временного хранения данных. Однако совокупное применение существенных признаков в устройстве и способе по группе изобретений позволяют достичь синергетического эффекта и осуществлять сбор необходимого объема данных для анализа возникновения помпажного состояния оборудования без существенного увеличения загруженности и энергоемкости устройства мониторинга. При этом признаки в отдельности друг от друга не обеспечивают достижение такого эффекта, поскольку без их совокупного применения происходит либо только высокочастотный сбор большого объема данных в нормальном состоянии оборудования, что приводит к повышению ресурсоемкости устройства и усложнению временного хранения данных, либо при временном хранении блока данных, собранных в низкочастотном режиме, не обеспечивается необходимый объем и полнота этого блока для анализа возникновения помпажного состояния оборудования. Ввиду этого заявляемая группа изобретений соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Группа изобретений поясняется следующими фигурами.
Фиг.1 – Устройство мониторинга давления среды, общий вид;
Фиг.2 – Устройство мониторинга давления среды, вид в разрезе;
Фиг.3 – График изменения давления во времени, регистрируемого устройством мониторинга давления среды по прототипу;
Фиг.4 – График изменения давления во времени, регистрируемого устройством мониторинга давления среды, по группе изобретений;
Фиг.5 – График изменения давления во времени, регистрируемого устройством мониторинга давления среды, по группе изобретений, этап высокочастотного сбора блока данных при нормальном состоянии оборудования.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Устройство мониторинга давления среды содержит мембранный высокочастотный датчик 1 давления среды, способный производить измерения с частотой 0,6 или 1,2 кГц, соединенный с блоком 2 управления. Блок 2 управления содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микроконтроллер (не указаны на фигурах), средство хранения данных, реализованное посредством энергонезависимой FRAM-памяти (не указана на фигурах). При этом блок 2 управления обеспечивает выполнение цикла высокочастотного сбора блока данных при нормальном состоянии оборудования и временное хранение данных, полученных за этот цикл, посредством энергонезависимой FRAM-памяти и выполнен с возможностью удаления данных, полученных за цикл высокочастотного сбора блока данных, в случае отсутствия регистрации помпажного состояния оборудования или передачи данных, полученных за цикл высокочастотного сбора блока данных, в средство хранения данных в случае регистрации помпажного состояния оборудования.
Мембранный высокочастотный датчик 1 давления, блок 2 управления, контроллер, твердотельный накопитель и FRAM-память соединены при помощи общей шины данных (не показана на фигурах).
Группа изобретений работает следующим образом.
Сигнал с мембранного высокочастотного датчика 1 давления среды по общей шине данных поступает в блок 2 управления на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и преобразуется в цифровую форму. Цифровые сигналы АЦП считываются микроконтроллером, где корректируются с учетом настроечных коэффициентов, устраняющих нелинейности и температурные зависимости. Последовательность полученных значений обрабатывается в зависимости с установленным алгоритмом, в связи с чем микроконтроллер регистрирует нормальное или помпажное состояние оборудования.
Блок 2 управления осуществляет низкочастотный сбор блока 3 данных от мембранного высокочастотного датчика 1 давления среды. Параллельно с этим блок 2 управления осуществляет цикл высокочастотного сбора блока 4 данных длительностью 3 с, с частотой 1,2 кГц, которые записываются во FRAM-памяти для временного хранения. Одновременно с этим информация блока 4’ данных, записанная ранее, удаляется, а новая информация блока 4’’ данных сохраняется во FRAM-памяти блоком 2 управления.
При регистрации микроконтроллером нормального состояния оборудования происходит одновременный параллельный процесс записи и удаления данных во FRAM-памяти, при чем удаление блока данных начинается с данных, записанных в самом начале высокочастотного цикла, и заканчивается данными, записанными в конце цикла. При регистрации микроконтроллером помпажного состояния оборудования блок 2 управления осуществляет высокочастотный сбор блока 5 данных с частотой 1,2 кГц на протяжение всего времени возникновения аномального давления, которые сохраняются во FRAM-памяти. Данные, собранные блоком 2 управления за цикл высокочастотного сбора блока 4 данных в предпомпажном состоянии оборудования, сохраняются во FRAM-памяти без последующего удаления, за счет чего появляется возможность проведения их анализа с целью выявления причин возникновения помпажного состояния, что в свою очередь в дальнейшем поможет снизить риск его повторного возникновения.
Таким образом достигается технический результат, заключающийся в снижении риска повторного возникновения помпажного состояния оборудования, тем самым повышается эффективность способа мониторинга давления в оборудовании.