СИСТЕМА И СПОСОБ МОНИТОРИНГА ТЕМПЕРАТУР ПРОТЯЖЕННЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2012 года по МПК E21B47/12 G01K7/14 

Изобретение относится к системам и способам мониторинга температур протяженных объектов, в частности в различных скважинах в грунте, в том числе в мерзлых, промерзающих и протаивающих грунтах, в строительстве, на любых сложных нелинейных объектах, а также в резервуарах для неагрессивных жидкостей.

Известна система централизованного мониторинга и управления оборудованием удаленных объектов [1], содержащая датчики состояния объектов, приемно-контрольные приборы, пульт контроля управления и отображения информации на объекте, исполнительные устройства, пульт централизованного мониторинга, содержащего компьютер опроса, сбора и обработки информации, а также устройства приема и передачи сообщений на пульт централизованного мониторинга, содержащие информационную сеть. Приемно-контрольные приборы в ней выполнены в виде контроллеров опроса датчиков, устройства приема и передачи сообщений на пульт централизованного мониторинга содержат преобразователи интерфейсов, один из которых установлен на каждом объекте и связан с пультом контроля управления и отображения информации этого объекта, а другой преобразователь установлен на пульте централизованного мониторинга и связан непосредственно с компьютером опроса, сбора и обработки информации, снабженным устройством отображения и управления объектами.

Недостатками известной системы мониторинга являются ее усложненность, дороговизна и небольшая надежность.

Известно устройство для мониторинга температур в протяженном объекте [2], содержащее термоподвеску, состоящую из последовательно расположенных датчиков температуры, размещенных в защитном кожухе небольшого диаметра, управляющий микроконтроллер, преобразователь сигналов, предназначенный для преобразования сигналов с упомянутых датчиков температуры в форму, удобную для работы управляющего микроконтроллера, энергонезависимое запоминающее устройство, часы реального времени, решающее устройство, осуществляющее анализ полученных данных и выявление опасных температурных полей протяженного объекта, блок задания начальных параметров, встроенный источник питания, обеспечивающий работу устройства в автономном режиме при температуре окружающего воздуха от -50 до +70°C, и интерфейс передачи данных.

Недостатками известного устройства мониторинга температур являются:

- большое время термической реакции из-за наличия полимерной толстостенной оболочки, в которой расположена термоподвеска;

- узкая область применения;

- низкая герметичность термоподвески;

- сложность устройства мониторинга температур;

- низкая надежность.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому изобретению является система централизованного мониторинга и управления инженерным оборудованием удаленных объектов [3], содержащая датчики состояния объектов, приемно-контрольные приборы и пульт контроля управления и отображения информации на объекте, пульт централизованного мониторинга, содержащего компьютер опроса, сбора и обработки информации, а также устройства приема и передачи сообщений на пульт централизованного мониторинга, содержащие информационную сеть.

Недостатком его является ненадежность и сбои при наличии нескольких объектов, значительное время срабатывания и выполнения управляющих сигналов, сложность устройства.

Наиболее близким к предлагаемому способу мониторинга температур протяженных объектов является способ мониторинга объектов теплоснабжения [4], заключающийся в установке телеметрических температурных датчиков в выбранных точках объекта, измерении изменения температур порождающего и производных процессов в течение представительного периода времени, обработке и объективизации записанной информации с помощью компьютера. В качестве телеметрических температурных датчиков используют электронные термохронные датчики-накопители, программируют их на синхронный старт, записывают температурно-временные зависимости, с помощью быстрого преобразования Фурье представляют указанные температурно-временные зависимости как функции частоты, оценивают отношения спектральных мощностей порождающего и производных температурных процессов, об эффективности температурных процессов судят по величине отношений интегральных мощностей колебаний температур в спектрах двух попарно выбранных связанных температурных процессов.

Недостатком способа-прототипа является сложность действий, отсутствие оперативности, надежности и достоверности определения температур.

Задача изобретения - повышение точности измерения и надежности, упрощение предлагаемой системы мониторинга температур протяженных объектов, расширение области ее применения.

Поставленная задача достигается тем, что в системе мониторинга температур протяженных объектов, содержащей температурные датчики, средство сбора данных, поступающих от протяженного объекта, средство передачи данных, компьютер оценки и сбора информации, расположенный дистанционно относительно протяженного объекта и предназначенный для приема и оценки данных, согласно изобретению в систему мониторинга температур протяженных объектов дополнительно введены сети Ethernet и Internet, сетевой концентратор, температурные датчики, каждый из которых размещен в отдельном защитном корпусе и снабжен интегрированным в него интерфейсом, соединены между собой гибким кабелем и образуют m термокос с n_m количеством температурных датчиков в каждой, средство сбора данных выполнено в виде контроллера температурных датчиков, выполняющего функции контроля управления и отображения информации, напрямую поддерживающего среду Ethernet и Internet и состоящего из микроконтроллера, модуля управления питанием, часов реального времени, индикатора, модуля подключения к сети Ethernet, энергонезависимой памяти, разъемов для термокос и для сети Ethernet, причем каждая из термокос снабжена контроллером температурных датчиков, средство передачи данных выполнено в виде сетевого концентратора и приемо-передающего устройства, при этом выходы каждой термокосы соединены с разъемом для термокосы контроллера, разъем для сети Ethernet каждого контроллера соединен через сеть Ethernet со входом сетевого концентратора, выход которого соединен с помощью сетевого кабеля или приемо-передающего устройства через сеть Internet с компьютером оценки и сбора информации.

Поставленная задача достигается также тем, что в способе мониторинга температур протяженных объектов, заключающемся в установке запрограммированных температурных датчиков в протяженных объектах, измерении изменения температур, приема и оценки данных с помощью компьютера, оценки и сбора информации, согласно изобретению с помощью контроллера калибруют температурные датчики, размещенные последовательно и образующие термокосы, записывают в них калибровочные коэффициенты, прошивают их индивидуальные обозначения, с помощью температурных датчиков преобразуют электрические аналоговые сигналы, полученные от чувствительных элементов, в цифровые сигналы, с помощью интегрированного в температурные датчики интерфейса передают сигналы в контроллеры, осуществляющие функции управления, отображения информации, передачу цифровых сигналов по сети Ethernet в сетевой концентратор, объединяющий контроллеры, а также с помощью сетевого концентратора осуществляют передачу цифровых сигналов по сети Internet или по беспроводному каналу с помощью приемо-передающего устройства в компьютер оценки и сбора информации.

На фиг.1 представлена схема предлагаемой системы мониторинга температур протяженных объектов, содержащая температурные датчики 1, образующие термокосы 2 и соединенные с контроллерами 3, которые по сети Ethernet соединены с сетевым концентратором 4, который соединен с помощью сетевого кабеля или приемо-передающего устройства 5 через сеть Internet с компьютером оценки и сбора информации 6. На фиг.2 представлена конструкция контроллера 3, содержащая разъем 7 для термокосы 2, разъем 8 для сети Ethernet, модуль подключения 9 к сети Ethernet, индикатор 10, кнопки управления 11, микроконтроллер 12, энергонезависимую память 13, часы реального времени 14, модуль управления питанием 15, аккумулятор 16. Модуль управления питанием 15 преобразует напряжение аккумулятора 16 в стабилизированное напряжение 5 B для питания всех узлов контроллера 3, а также подключаемой термокосы 2. Основной задачей микроконтроллера 12 является обмен данными с температурными датчиками 1 термокосы 2. В микроконтроллере 12 программно реализован цифровой протокол передачи данных по однопроводной линии связи 1-Wire. Также микроконтроллер 12 периодически сканирует термокосу 2 с целью измерения ее электрической емкости для корректировки задержек и размывания фронтов цифровых сигналов, возникающих в длинных линиях. За счет этого удается увеличить максимально допустимую длину линии связи (термокосы) до 100-150 м. Микроконтроллер 12 управляет остальными узлами контроллера 3. На индикатор 10 выводится следующая информация:

- серийный номер термокосы 2;

- количество температурных датчиков 1 в термокосе 2 и расстояния до них;

- значение температуры каждого температурного датчика 1;

- напряжение аккумулятора 16;

- параметры и настройки контроллера 3;

- текущее время.

С помощью кнопок управления 11 осуществляется включение, выключение контроллера 3, просмотр показаний температурных датчиков 1 термокосы 2, изменение настроек контроллера 3. Кнопка «память» (на чертеже не показана) служит для сохранения текущих результатов измерений со всех температурных датчиков 1 термокосы 2 в энергонезависимую память 13. Энергонезависимая память 13 может хранить до 16000 результатов измерений. Просмотр содержимого в энергонезависимой памяти 13 можно осуществить как на индикаторе 10 контроллера 3, так и на компьютере оценки и сбора информации 6 в виде таблицы или графика. С помощью часов реального времени 14 определяется время записи результатов измерений в энергонезависимую память 13. Модуль подключения 9 к сети Ethernet осуществляет преобразование данных от микроконтроллера 12 в формат Ethernet для последующей передачи данных по сетям, поддерживающим протокол Ethernet.

Предложенная система мониторинга температур протяженных объектов работает следующим образом. Заявленная система мониторинга температур осуществляет в автоматическом режиме измерение температуры протяженных объектов на разных глубинах с определенным шагом при помощи опущенных в них термокос 2, а также анализ температурного распределения вдоль объекта, который выполняется контроллером 3 с целью выявления аварийных для объекта ситуаций. В качестве протяженных объектов могут быть любые скважины в различных грунтах, в том числе мерзлых, промерзающих и протаивающих, в строительстве, на любых сложных нелинейных объектах, а также в резервуарах для неагрессивных жидкостей.

Температурные датчики 1 производят замеры температуры, перевод аналогового сигнала в цифровой сигнал и с помощью интегрированного в температурные датчики 1 интерфейса 1-Wire передают результаты измерений в контроллер 3. С помощью контроллера 3 производится начальное программирование температурных датчиков 1 и запись в них калибровочных коэффициентов, которые позволяют повысить точность измерений. С помощью контроллера 3 производится также питание термокос 2. Контроллер 3 может осуществлять следующие процедуры с температурными датчиками 1 термокосы 2:

1. Калибровка температурных датчиков 1 термокосы 2.

При калибровке определяются калибровочные коэффициенты к показаниям температурных датчиков 1 термокосы 2. Затем контроллер 3 записывает калибровочные коэффициенты непосредственно в каждый температурный датчик 1 термокосы 2.

2. Прошивка индивидуального обозначения каждого температурного датчика 1 термокосы 2.

С помощью контроллера 3 присваивают каждому температурному датчику 1 термокосы 2 индивидуальное обозначение. Это обозначение в дальнейшем считывается с температурного датчика 1 и индицируется вместе с результатами измерения этого датчика.

Контроллер 3 запрограммирован таким образом, что не требует преобразователя интерфейсов, так как он напрямую поддерживает среду Ethernet и Internet. Каждый контроллер 3 по сети Ethernet подключается к сетевому концентратору 4, который объединяет контроллеры 3 температурных датчиков 1 в единую сеть и делает возможным передачу данных в сеть Internet. В случае, если прокладка кабеля затруднена, предусмотрен вариант передачи данных от сетевого концентратора 4 с помощью приемо-передающего устройства 5, обеспечивающего беспроводную точку доступа в сеть Internet, позволяющего передавать данные на расстояние. Беспроводная точка доступа может быть реализована несколькими способами, например, с помощью сетевых операторов, с помощью стандартных беспроводных интерфейсов, с помощью спутниковой связи.

Наличие приемо-передающего устройства 4 позволяет иметь такие преимущества как:

- отсутствие длинных линий связи для передачи данных на дальние расстояния;

- автономность работы системы мониторинга.

Преимущества предлагаемой системы мониторинга температур протяженных объектов заключаются в том, что:

- все температурные датчики 1 подключаются параллельно к одному кабелю, и таким образом, не требуется подводить индивидуальный кабель к каждому температурному датчику 1;

- контроллеры 3 температурных датчиков 1 могут напрямую поддерживать среду Ethernet и Internet;

- в состав системы мониторинга температур протяженных объектов входит программное обеспечение для компьютера оценки и сбора информации 6;

- предлагаемая система мониторинга температур протяженных объектов значительно компактнее и проще известных систем;

- для создания системы мониторинга температур протяженных объектов требуется только стандартное сетевое оборудование, а также не требуется специально обученный персонал для подключения к сети Internet.

Источники информации

1. Патент №82361, G08B 25/01, опубл. 2008 г.

2. Патент №75692, G01K 7/14, опубл. 2008 г.

3. Патент №2263971, G08B 25/01, опубл. 2003 г.

4. Патент №2232352, F24D 19/10, опубл. 2004 г.

Изобретение относится к системам и способам мониторинга температур протяженных объектов, в частности в различных скважинах в грунте, в том числе в мерзлых, промерзающих и протаивающих грунтах, в строительстве, на любых сложных нелинейных объектах, а также в резервуарах для неагрессивных жидкостей. Система мониторинга температур протяженных объектов содержит температурные датчики, средство сбора данных, поступающих от протяженного объекта, средство передачи данных, компьютер оценки и сбора информации, расположенный дистанционно относительно протяженного объекта и предназначенный для приема и оценки данных. Согласно изобретению в систему мониторинга температур протяженных объектов дополнительно введены сети Ethernet и Internet, сетевой концентратор, температурные датчики, каждый из которых размещен в отдельном защитном корпусе и снабжен интегрированным в него интерфейсом, соединены между собой гибким кабелем и образуют m термокос с n_m количеством температурных датчиков в каждой. Технический результат - повышение точности измерения и надежности, упрощение предлагаемой системы мониторинга температур протяженных объектов, расширение области ее применения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система мониторинга температур протяженных объектов, содержащая температурные датчики, средство сбора данных, поступающих от протяженного объекта, средство передачи данных, компьютер оценки и сбора информации, расположенный дистанционно относительно протяженного объекта и предназначенный для приема и оценки данных, отличающаяся тем, что в систему мониторинга температур протяженных объектов дополнительно введены сети Ethernet и Internet, сетевой концентратор, температурные датчики, каждый из которых размещен в отдельном защитном корпусе и снабжен интегрированным в него интерфейсом, соединены между собой гибким кабелем и образуют m термокос с n_m количеством температурных датчиков в каждой, средство сбора данных выполнено в виде контроллера температурных датчиков, выполняющего функции контроля управления и отображения информации, напрямую поддерживающего среду Ethernet и Internet, и состоящего из микроконтроллера, модуля управления питанием, часов реального времени, индикатора, модуля подключения к сети Ethernet, энергонезависимой памяти, разъемов для термокос и для сети Ethernet, причем каждая из термокос снабжена контроллером температурных датчиков, средство передачи данных выполнено в виде сетевого концентратора и приемо-передающего устройства, при этом выходы каждой термокосы соединены с разъемом для термокосы контроллера, разъем для сети Ethernet каждого контроллера соединен через сеть Ethernet со входом сетевого концентратора, выход которого соединен с помощью сетевого кабеля или приемо-передающего устройства через сеть Internet с компьютером оценки и сбора информации.

2. Способ мониторинга температур протяженных объектов, заключающийся в установке запрограммированных температурных датчиков в протяженных объектах, измерении изменения температур, приема и оценки данных с помощью компьютера, оценки и сбора информации, отличающийся тем, что с помощью контроллера калибруют температурные датчики, размещенные последовательно и образующие термокосы, записывают в них калибровочные коэффициенты, прошивают их индивидуальные обозначения, с помощью температурных датчиков преобразуют электрические аналоговые сигналы, полученные от чувствительных элементов, в цифровые сигналы, с помощью интегрированного в температурные датчики интерфейса передают сигналы в контроллеры, осуществляющие функции управления, отображения информации, передачу цифровых сигналов по сети Ethernet в сетевой концентратор, объединяющий контроллеры, а также с помощью сетевого концентратора осуществляют передачу цифровых сигналов по сети Internet или по беспроводному каналу с помощью приемо-передающего устройства в компьютер оценки и сбора информации.