Антенный блок для мобильного комплекса определения уровня и объема донных отложений в резервуарах для нефти

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к способам и устройствам для определения уровня и объема шлама (донных отложений) в резервуарах с подготовленной для транспортировки нефтью.
Заявляемая полезная модель позволяет проводить оценку распределения донных отложений по днищу резервуаров вертикальных стальных (далее - РВС) и резервуаров вертикальных стальных с плавающей крышей (далее - РВСПК), определение их уровня и объема с учетом конструктивных особенностей и характеристик резервуаров (стойки понтонов, стойки плавающей крыши, трубопроводы системы подслойного пожаротушения, устройство размыва донных отложений, приемо-раздаточные устройства, водоспускное устройство, поправляющие стойки, пробоотборники и др.), без вывода резервуара из эксплуатации.
Уровень техники
Известен способ определения объема шламовых отложений в резервуарах с сырой нефтью и устройство для его реализации, в котором описывается изобретение, относящееся к способам и устройствам для определения объема шлама в резервуарах с сырой нефтью (Патент РФ №2524416, опубл. 27.07.2014). Определение объема шламовых отложений в резервуарах с сырой нефтью по приведенному в патенте 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. Недостатком данного устройства является отсутствие взрывозащищенности электротехнических частей устройства для работы во взрывоопасных зонах «0» и ниже, конструктивных разработок для установки устройства на крыше резервуара.
Известен способ и устройство для определения объема слоя осадка на дне нефтяного резервуара с помощью веерообразного распространения акустического луча по слою осадка (Патент US 5953287, опубл. 14.09.1999). Также измеряется скорость звука в нефти, предпочтительно на множестве высот в относительно коротком вертикальном диапазоне для определения градиента скорости, который затем экстраполируется на всю глубину нефти. Способ обеспечивает точное указание распределения и объема осадка на всей нижней части нефтяного резервуара с учетом изменений скорости и ослабления акустической энергии, например, из-за градиента температуры в нефти. Для измерений используется ультразвуковой датчик в виде крестообразной конструкции линейного типа.
Недостатком данного устройства является малая разрешающая способность акустического излучения по углу и дальности, что приводит к возникновению погрешности оценки объема донных отложений при наличии конструктивных элементов в резервуаре.
Сущность полезной модели
Техническая проблема, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в возможности ее функционирования во взрывоопасных зонах «0» и ниже в резервуарах типа РВСПК и РВС, содержащих нефть типа - 0, 1, 2, 3, повышении точности определения объема донных отложений и контроле их уровня по всей площади днища резервуара с целью определения необходимости проведения внеплановых (внеочередных) работ по размыву донных отложений.
Техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемой полезной модели, является повышение точности оценки поверхности и объема донных отложений за счет применения ультразвукового датчика, выполненного в виде матричного двумерного датчика прямоугольной формы и состоящего из N пьезоэлектрических элементов.
Технический результат достигается тем, что антенный блок для мобильного комплекса определения уровня и объема донных отложений в резервуарах для нефти содержит ультразвуковой датчик, выполненный в виде матричного двумерного датчика прямоугольной формы, содержащего корпус и N горизонтальных пьезоэлементов, и блок обработки данных, содержащий микроконтроллер, генератор импульсов, N усилителей мощности, N усилителей входных сигналов, N аналого-цифровых преобразователей и блок приема-передачи сигналов, при этом выход микроконтроллера соединен со входом генератора импульсов, выход которого соединен со входами N усилителей мощности, выходы которых соединены со входом блока приема-передачи сигналов, связанного с N пьезоэлементами ультразвукового датчика с возможностью приема-передачи сигналов, выход блока приема-передачи сигналов соединен со входами N усилителей входных сигналов, выходы которых соединены со входами N аналого-цифровых преобразователей, выходы которых соединены со входом микроконтроллера.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели каждый из N горизонтальных пьезоэлементов выполнен в виде прямоугольной пластины.
Кроме того, в частном случае реализации полезной модели число N выбирают в диапазоне от 18 до 26, предпочтительно, равным 24.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
Реализация заявляемой полезной модели поясняется (фиг. 1) блок-схемой антенного блока для мобильного комплекса определения уровня и объема донных отложений в резервуарах для нефти,
где позиции имеют следующие обозначения:
1 - корпус ультразвукового датчика;
2 - N пьезоэлементов ультразвукового датчика;
3 - блок приема-передачи сигналов;
4 - N усилителей мощности;
5 - генератор сигналов;
6 - микроконтроллер;
7 - N усилителей входных сигналов;
8 - N аналого-цифровых преобразователей.
Антенный блок для мобильного комплекса определения уровня и объема донных отложений в резервуарах для нефти содержит ультразвуковой датчик, выполненный в виде матричного двумерного датчика прямоугольной формы и содержащий корпус ультразвукового датчика 1 и N пьезоэлементов 2 ультразвукового датчика, выполненных в виде N горизонтальных прямоугольных пластин, и блок обработки данных I, содержащий блок приема-передачи 3 сигналов, микроконтроллер 6, генератор сигналов 5, N усилителей мощности 4, N усилителей входных сигналов 7 и N аналого-цифровых преобразователей 8. Выход микроконтроллера 6 соединен со входом генератора сигналов 5, выход которого соединен со входами N усилителей мощности 4, выходы которых соединены со входом блока приема-передачи 3 сигналов, связанного с N пьезоэлементами 2 ультразвукового датчика с возможностью приема-передачи сигналов. Выход блока приема-передачи сигналов 3 соединен со входами N усилителей 7 входных сигналов, выходы которых соединены со входами N аналого-цифровых преобразователей 8, выходы которых соединены со входом микроконтроллера 6. В предпочтительном варианте использования заявляемой полезной модели, число N пьезоэлементов, выполненных в виде горизонтальных пластин, выбирается равным 24.
При выполнении моделирования антенного блока учтены зависимость поглощения сигнала в нефти, фактор качества системы обработки сигналов, размеры элементов антенного блока, требуемые угловые и пространственные величины разрешения с учетом предельных размеров резервуаров с подготовленной для транспортировки нефтью. Исходя из произведенных акустических расчетов с учетом указанных параметров, энергетического баланса системы, требуемой величины линейного разрешения, размеров люков на резервуарах, через которые осуществляют погружение антенного блока для определения уровня и объема шлама (донных отложений), допустимая частота излучения сигналов должна находиться в пределах от 135 кГц до 160 кГц, что соответствует диапазону количества N пьезоэлементов 2 ультразвукового датчика антенного блока от 18 до 26.
Количество N пьезоэлементов 2 ультразвукового датчика меньше 18 приводит к снижению чувствительности всего антенного блока, величины линейного разрешения, определяющей возможность визуализации, и, как следствие, возможность определения уровня и объема шлама (донных отложений) и построения 3D модели поверхности донных отложений.
Количество N пьезоэлементов 2 ультразвукового датчика больше 26 приводит к усложнению обрабатывания получаемых измерений и увеличению размеров ультразвукового датчика. Ультразвуковой датчик должен свободно проходить через выбранные люки на резервуарах, причем таким образом, чтобы избежать повреждений как самого ультразвукового датчика, так и антенного блока в целом. Кроме того, для большего количества N пьезоэлементов 2 ультразвукового датчика не выполняется условие их полуволнового размера, что приводит к появлению в характеристиках направленности дополнительных максимумов и, как следствие, к появлению помех от отраженных сигналов.
По результатам моделирования антенного блока и, исходя из произведенных акустических расчетов, учитывающих зависимость поглощения сигнала в нефти, допустимой мощности теплового рассеяния на элементе антенны от частоты излучения была выбрана оптимальная частота излучения сигналов, равная 150 кГц. Выбранная частота излучения, скорость звука в нефти и требуемое угловое разрешение по горизонтали и вертикали 30-40 экспериментально определили предпочтительное число пьезоэлементов 2 ультразвукового датчика, использующееся в ультразвуковом датчике, как равное N=24.
Количество усилителей мощности 4, усилителей 7 входных сигналов и аналого-цифровых преобразователей 8, выбирается равным количеству N пьезоэлементов 2 ультразвукового датчика. Данное число N является оптимальным и позволяет обеспечивать требуемую точность оценки поверхности и объема донных отложений.
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом.
На микропроцессор 6 поступает команда на излучение сигнала с заданными параметрами. Микропроцессор 6 включает генератор сигналов 5, и сгенерированные сигналы подаются на N усилителей мощности 4 и далее на N пьезоэлементов 2 ультразвукового датчика. Блок приема-передачи сигналов 3 при этом находится в режиме «передача». По окончании длительности сигналов блок приема-передачи сигналов 3 переводится в режим приема, и N пьезоэлементов 2 принимают отраженные эхо-сигналы, которые усиливаются в N усилителях 7 входных сигналов, оцифровываются N аналого-цифровыми преобразователями 8 и поступают в оперативную память микропроцессора 6, который формирует поток данных принятых сигналов. Принятые эхо-сигналы обрабатываются известными математическими способами, и результатом этой обработки является один разрез изображения донных отложений.
Полученные от антенного блока данные обрабатываются в соответствии с разработанными алгоритмами.
Заявляемая полезная модель разработана с учетом допустимости ее работы в зоне взрывобезопасности «0».
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании с использованием современных технологий.