RU192949U1

RU192949U1 - Antenna unit for a mobile complex for determining the level and volume of bottom sediments in oil tanks

Info

Publication number: RU192949U1
Application number: RU2018143852U
Authority: RU
Inventors: Павел Александрович Ревель-Муроз; Александр Геннадьевич Воронов; Сергей Николаевич Чужинов; Дмитрий Александрович Неганов; Евгений Григорьевич Ильин; Михаил Владимирович Лиховцев; Владимир Георгиевич Лакеев; Игорь Викторович Захарченко; Виктор Дарьевич Свет; Ян Юрьевич Жигалов; Сергей Алексеевич Цысарь; Дмитрий Вячеславович Федоров; Алексей Евгеньевич Лукьянов
Original assignee: Публичное акционерное общество "Транснефть" (ПАО "Транснефть"); Акционерное общество "Транснефть - Приволга" (АО "Транснефть - Приволга")
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2018-12-11
Publication date: 2019-10-08

Abstract

Полезная модель относится к измерительным устройствам и предназначена для определения уровня и объема шлама (донных отложений) в резервуарах с подготовленной для транспортировки нефтью. Технический эффект, заключающийся в повышении точности оценки поверхности и объёма донных отложений, достигается за счёт того, что антенный блок содержит ультразвуковой датчик, выполненный в виде матричного двумерного датчика прямоугольной формы, содержащего корпус и N горизонтальных пьезоэлементов, выполненных в виде прямоугольной пластины, а также 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, при этом число N выбирают в диапазоне от 18 до 26, предпочтительно, равным 24. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.The utility model relates to measuring devices and is intended to determine the level and volume of sludge (bottom sediments) in tanks with oil prepared for transportation. The technical effect of increasing the accuracy of estimating the surface and volume of bottom sediments is achieved due to the fact that the antenna unit contains an ultrasonic sensor made in the form of a two-dimensional matrix sensor of a rectangular shape containing a housing and N horizontal piezoelectric elements made in the form of a rectangular plate, as well as a data processing unit comprising a microcontroller, a pulse generator, N power amplifiers, N input signal amplifiers, N analog-to-digital converters and a signal reception-transmission unit alov, while the output of the microcontroller is connected to the input of the pulse generator, the output of which is connected to the inputs of N power amplifiers, the outputs of which are connected to the input of the signal receiving and transmitting unit, connected with N piezoelectric elements of the ultrasonic sensor with the possibility of receiving and transmitting signals, the output of the transmit-receive unit signal is connected to the inputs of N amplifiers of input signals, the outputs of which are connected to the inputs of N analog-to-digital converters, the outputs of which are connected to the input of the microcontroller, while the number N is selected in the range from 18 to 26, preferably equal to 24. 3 z.p. f-ly, 1 ill.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельThe technical field to which the utility model relates.

Полезная модель относится к способам и устройствам для определения уровня и объема шлама (донных отложений) в резервуарах с подготовленной для транспортировки нефтью.The utility model relates to methods and devices for determining the level and volume of sludge (bottom sediments) in tanks with oil prepared for transportation.

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.The inventive utility model allows to evaluate the distribution of bottom sediments on the bottom of vertical steel tanks (hereinafter - RVS) and vertical steel tanks with a floating roof (hereinafter - RVSPK), determining their level and volume, taking into account the design features and characteristics of the tanks (rack pontoons, rack floating roofs, pipelines of the sub-layer fire extinguishing system, bottom sediment erosion device, receiving and distributing devices, drainage device, correcting racks, samplers, etc.), without tank decommissioning.

Уровень техникиState of the art

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.A known method for determining the volume of sludge deposits in tanks with crude oil and a device for its implementation, which describes the invention relating to methods and devices for determining the volume of sludge in tanks with crude oil (RF Patent No. 2524416, publ. 07.27.2014). The determination of the volume of sludge deposits in crude oil tanks using the method described in the patent provides an increase in accuracy due to the emission of a complex pulse signal, the reception of reflected complex echo signals, their subsequent correlation processing with the emitted complex pulse signal, the formation of gates corresponding to the temporal position of coherent reflectors and exceptions from the set of tonal echo signals of signals whose temporal position and length coincides with the temporal position and length Strongly gates. The disadvantage of this device is the lack of explosion protection of the electrical parts of the device for operation in hazardous areas "0" and below, design developments for installing the device on the roof of the tank.

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.A known method and device for determining the volume of the sediment layer at the bottom of the oil tank using a fan-shaped propagation of an acoustic beam through the sediment layer (Patent US 5953287, publ. 09/14/1999). The speed of sound in oil is also measured, preferably at a variety of heights, in a relatively short vertical range to determine the velocity gradient, which is then extrapolated to the entire depth of the oil. The method provides an accurate indication of the distribution and volume of sediment on the entire lower part of the oil tank, taking into account changes in speed and attenuation of acoustic energy, for example, due to the temperature gradient in the oil. For measurements, an ultrasonic sensor in the form of a cross-shaped design of a linear type is used.

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.The disadvantage of this device is the low resolution of acoustic radiation in angle and distance, which leads to an error in estimating the volume of bottom sediments in the presence of structural elements in the tank.

Сущность полезной моделиUtility Model Essence

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.The technical problem to which the claimed utility model is directed is the possibility of its functioning in explosive zones “0” and lower in reservoirs of the type RVSPK and RVS containing oil of type 0, 1, 2, 3, increasing the accuracy of determining the volume of bottom sediments and monitoring their level over the entire area of the bottom of the tank in order to determine the need for unscheduled (extraordinary) work on erosion of bottom sediments.

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.The technical result achieved by the implementation of the claimed utility model is to increase the accuracy of assessing the surface and volume of bottom sediments through the use of an ultrasonic sensor made in the form of a matrix two-dimensional sensor of a rectangular shape and consisting of N piezoelectric elements.

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.The technical result is achieved by the fact that the antenna unit for a mobile complex for determining the level and volume of bottom sediments in oil tanks contains an ultrasonic sensor made in the form of a matrix two-dimensional rectangular sensor containing a housing and N horizontal piezoelectric elements, and a data processing unit containing a microcontroller, a generator pulses, N power amplifiers, N input signal amplifiers, N analog-to-digital converters and a signal receiving-transmitting unit, while the output of the microcontroller is soy inen with the input of the pulse generator, the output of which is connected to the inputs of N power amplifiers, the outputs of which are connected to the input of the signal receiving and transmitting unit, connected to the N piezoelectric elements of the ultrasonic sensor with the possibility of receiving and transmitting signals, the output of the signal receiving and transmitting unit is connected to the inputs of N amplifiers input signals, the outputs of which are connected to the inputs of N analog-to-digital converters, the outputs of which are connected to the input of the microcontroller.

Кроме того, в частном случае реализации полезной модели каждый из N горизонтальных пьезоэлементов выполнен в виде прямоугольной пластины.In addition, in the particular case of the implementation of the utility model, each of the N horizontal piezoelectric elements is made in the form of a rectangular plate.

Кроме того, в частном случае реализации полезной модели число N выбирают в диапазоне от 18 до 26, предпочтительно, равным 24.In addition, in the particular case of the implementation of the utility model, the number N is selected in the range from 18 to 26, preferably equal to 24.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной моделиInformation confirming the feasibility of implementing a utility model

Реализация заявляемой полезной модели поясняется (фиг. 1) блок-схемой антенного блока для мобильного комплекса определения уровня и объема донных отложений в резервуарах для нефти,The implementation of the claimed utility model is illustrated (Fig. 1) by a block diagram of an antenna unit for a mobile complex for determining the level and volume of bottom sediments in oil tanks,

где позиции имеют следующие обозначения:where the positions have the following notation:

1 - корпус ультразвукового датчика;1 - body of the ultrasonic sensor;

2 - N пьезоэлементов ультразвукового датчика;2 - N piezoelectric elements of the ultrasonic sensor;

3 - блок приема-передачи сигналов;3 - block transmit-receive signals;

4 - N усилителей мощности;4 - N power amplifiers;

5 - генератор сигналов;5 - signal generator;

6 - микроконтроллер;6 - microcontroller;

7 - N усилителей входных сигналов;7 - N input signal amplifiers;

8 - N аналого-цифровых преобразователей.8 - N analog-to-digital converters.

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.The antenna unit for a mobile complex for determining the level and volume of bottom sediments in oil tanks contains an ultrasonic sensor made in the form of a matrix two-dimensional sensor of rectangular shape and comprising a body of an ultrasonic sensor 1 and N piezoelectric elements 2 of an ultrasonic sensor made in the form of N horizontal rectangular plates, and a block data processing I, containing a block of reception and transmission of 3 signals, a microcontroller 6, a signal generator 5, N power amplifiers 4, N input signal amplifiers 7 and N analog-digital of the transducers 8. The output of the microcontroller 6 is connected to the input of the signal generator 5, the output of which is connected to the inputs of N power amplifiers 4, the outputs of which are connected to the input of the transmit-receive unit 3 of the signals associated with the N piezoelectric elements 2 of the ultrasonic sensor with the possibility of receiving and transmitting signals. The output of the signal receiving and transmitting unit 3 is connected to the inputs of N amplifiers 7 of the input signals, the outputs of which are connected to the inputs of N analog-to-digital converters 8, the outputs of which are connected to the input of the microcontroller 6. In a preferred embodiment of the claimed utility model, the number N of piezoelectric elements made in horizontal plates, selected equal to 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.When modeling the antenna unit, the dependence of signal absorption in oil, the quality factor of the signal processing system, the dimensions of the elements of the antenna unit, the required angular and spatial resolution values taking into account the maximum dimensions of the tanks with oil prepared for transportation are taken into account. Based on the performed acoustic calculations taking into account the indicated parameters, the energy balance of the system, the required linear resolution, the size of the hatches on the tanks through which the antenna unit is immersed to determine the level and volume of sludge (bottom sediments), the permissible signal emission frequency should be in the range 135 kHz to 160 kHz, which corresponds to the range of the number N of piezoelectric elements 2 of the ultrasonic sensor of the antenna unit from 18 to 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.The number N of piezoelectric elements 2 of an ultrasonic sensor is less than 18, which reduces the sensitivity of the entire antenna unit, the linear resolution that determines the possibility of visualization, and, as a result, the ability to determine the level and volume of sludge (bottom sediments) and build a 3D model of the surface of bottom sediments.

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.The number N of piezoelectric elements 2 of the ultrasonic sensor is greater than 26, which complicates the processing of the obtained measurements and increases the size of the ultrasonic sensor. The ultrasonic sensor must freely pass through the selected hatches on the tanks, and in such a way as to avoid damage to both the ultrasonic sensor itself and the antenna unit as a whole. In addition, for a larger number N of piezoelectric elements 2 of the ultrasonic sensor, the condition for their half-wave size is not fulfilled, which leads to the appearance of additional maxima in the directivity characteristics and, as a consequence, to the appearance of interference from reflected signals.

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.Based on the results of modeling the antenna unit and, based on the performed acoustic calculations, taking into account the dependence of the signal absorption in oil and the allowable thermal dissipation power on the antenna element on the radiation frequency, the optimal signal emission frequency of 150 kHz was chosen. The selected radiation frequency, the speed of sound in oil and the required horizontal and vertical angular resolution of 30-40 experimentally determined the preferred number of piezoelectric elements 2 of the ultrasonic sensor, used in the ultrasonic sensor, as equal to 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.The number of power amplifiers 4, amplifiers 7 of the input signals and analog-to-digital converters 8, is chosen equal to the number N of piezoelectric elements 2 of the ultrasonic sensor. This number N is optimal and allows you to provide the required accuracy in estimating the surface and volume of bottom sediments.

Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом.The operation of the claimed utility model is as follows.

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.The microprocessor 6 receives a command to emit a signal with the given parameters. The microprocessor 6 includes a signal generator 5, and the generated signals are fed to N power amplifiers 4 and then to N piezoelectric elements 2 of the ultrasonic sensor. The signal reception-transmission unit 3 is in the “transmission” mode. At the end of the duration of the signals, the signal receiving-transmitting unit 3 is put into the receiving mode, and N piezoelectric elements 2 receive reflected echo signals, which are amplified in N input signal amplifiers 7, digitized by N analog-to-digital converters 8 and transferred to the microprocessor 6 RAM, which generates a data stream of received signals. Received echoes are processed by known mathematical methods, and the result of this processing is one section of the image of the bottom sediments.

Полученные от антенного блока данные обрабатываются в соответствии с разработанными алгоритмами.The data received from the antenna unit is processed in accordance with the developed algorithms.

Заявляемая полезная модель разработана с учетом допустимости ее работы в зоне взрывобезопасности «0».The inventive utility model is developed taking into account the admissibility of its work in the explosion safety zone "0".

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании с использованием современных технологий.The claimed technical solution meets the requirement of industrial applicability and is possible for implementation on standard technological equipment using modern technologies.

Claims

1. Antenna block for a mobile complex for determining the level and volume of bottom sediments in oil tanks, containing an ultrasonic sensor made in the form of a rectangular matrix two-dimensional sensor containing a housing and N horizontal piezoelectric elements, and a data processing unit containing a microcontroller, a pulse generator, N power amplifiers, N input signal amplifiers, N analog-to-digital converters and a signal receiving-transmitting unit, while the output of the microcontroller is connected to the input of the pulse generator, the path of which is connected to the inputs of N power amplifiers, the outputs of which are connected to the input of the signal receiving and transmitting unit, connected to the N piezoelectric elements of the ultrasonic sensor with the possibility of receiving and transmitting signals, the output of the signal receiving and transmitting unit is connected to the inputs of N amplifiers of the input signals, the outputs of which are connected with inputs of N analog-to-digital converters, the outputs of which are connected to the input of the microcontroller.

2. The antenna unit according to claim 1, characterized in that each of the N horizontal piezoelectric elements is made in the form of a rectangular plate.

3. The antenna unit according to claim 1, characterized in that the number N is selected in the range from 18 to 26.

4. The antenna unit according to claim 3, characterized in that the number N is preferably selected equal to 24.