БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ КРИОГЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2024 года по МПК B64U101/00 G01C23/00 

Изобретение относится к устройствам дистанционного мониторинга состояния оборудования на опасных производственных объектах и может быть использовано для контроля технического состояния криогенных резервуаров, цистерн, трубопроводов и другого криогенного оборудования с различными типами теплоизоляции.

В процессе бездренажного хранения криогенных продуктов (жидкого азота, жидкого кислорода, сжиженного природного газа и др.) теплопритоки через вакуумную изоляцию приводят к росту давления в резервуаре или цистерне. Во время длительного хранения, когда по разным причинам долгое время отсутствует отбор из сосуда жидкого продукта на потребление, это может привести к потерям из-за автоматического сброса излишков газа через предохранительные устройства. Это, в свою очередь, обуславливает высокий уровень риска возникновения аварийной, в том числе взрывопожароопасной ситуации. При этом уровень потерь напрямую зависит от технического состояния сосуда, главным образом, от уровня вакуума в теплоизоляционной полости резервуара или цистерны.

В том случае, если речь идет о хранении криогенных продуктов при постоянном давлении в крупнотоннажных изотермических резервуарах с перлитной теплоизоляцией, к повышенным потерям могут приводить локальное нарушение теплоизоляции (со временем осыпается перлит). К дополнительным потерям или к нарушению производственных процессов также приводит нарушение целостности вакуумной теплоизоляции криогенных трубопроводов.

При этом проведение соответствующей диагностики теплоизоляции является затруднительным из-за отсутствия в подавляющем большинстве случаев стационарных датчиков давления вакуума. В этих случаях применяется визуальный осмотр наружной поверхности оборудования на наличие обмерзания, а также проведение более точной и эффективной диагностики с помощью тепловизора. Однако проведение диагностики в большинстве случаев крайне затруднительно из-за крупных габаритов резервуаров, а также из-за расположения участков криогенных трубопроводов в труднодоступных для осмотра местах (на эстакадах, на большой высоте, в ограниченном пространстве и пр.). Количество объектов для мониторинга может достигать нескольких десятков в рамках одного предприятия, или нескольких сотен в рамках одного промышленного кластера.

С учетом вышесказанного актуальным является проведение регулярной диагностики технического состояния оборудования при помощи беспилотных летательных аппаратов, благодаря которым появляется возможность проводить дистанционный осмотр участков поверхности оборудования, расположенных в труднодоступных местах.

Из уровня техники известны методы и устройства для контроля состояния емкостей и трубопроводов путем определения утечек при помощи беспилотных летательных аппаратов (наиболее близкий аналог заявляемого изобретения - патент на изобретение US №20210231518 А1). В известных технических решениях беспилотный летательный аппарат (БПЛА) с возможностью вертикального взлета и посадки оборудован несущими винтами (в большинстве случаев используется квадрокоптер, т.е. летательный аппарат (ЛА) с четырьмя несущими винтами), источником питания, оборудованием для телеметрии, а также течеискателем или специальными устройствами для наблюдения (инфракрасной камерой, видеокамерой и др.).

При этом в известных технических устройствах отсутствует возможность их применения для оценки технического состояния вакуумной полости в криогенных системах хранения и трубопроводах. Для корректного распознавания изображений наружного обледенения поверхности оборудования, полученных БПЛА с помощью камеры, необходимы дополнительно контролировать текущие значения температуры и влажности окружающей среды, а также сопоставлять полученные данные с учетом климатических условий, зависящих от текущей даты и текущих значений GPS координат объекта.

Как уже было сказано, отсутствие регулярной диагностики теплоизоляции криогенных систем может привести к повышенным потерям криопродуктов, возникновению взрывопожароопасной ситуации и аварийной остановке производственных процессов.

Технической задачей заявляемого изобретения является проведение мониторинга состояния криогенного оборудования путем автоматического обнаружения и определения точного местонахождения утечек тепла через изоляцию.

Решение технической задачи достигается тем, что беспилотный летательный аппарат мониторинга состояния криогенного оборудования представляет собой беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, реализующий свое функциональное назначение в автоматическом режиме в соответствии с заложенными в него алгоритмом и программами функционирования либо в ручном режиме под дистанционным управлением и контролем человека, причем в корпус беспилотного летательного аппарата встроены связанные с помощью системной шины модуль инерциальной навигации, модуль приема-передачи данных, GPS/ГЛОНАСС ресивер, блок управления и индикации, блок питания, считыватель меток радиочастотной идентификации, блок хранения данных, USB-порт, видеокамера, тепловизор, датчик температуры воздуха, датчик влажности воздуха и микропроцессор, выполненный с возможностью обработки информации, полученной от видеокамеры, тепловизора, датчиков температуры и влажности, модуля инерциальной навигации, GPS/ГЛОНАСС ресивера, считывателя меток радиочастотной идентификации, причем корпус беспилотного летательного аппарата выполнен из негорючего химически инертного материала и оборудован меткой радиочастотной идентификации.

Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявляемого изобретения, заключается в снижении производственных потерь газа за счет превентивного информирования об изменении технического состояния теплоизоляции сосудов, трубопроводов и другого оборудования в процессе эксплуатации. Это позволяет предотвратить утечки газа через предохранительные устройства, не допустить возникновения взрывопожароопасной ситуации, а также предотвратить аварийную остановку производственных процессов из-за снижения эффективности криогенных трубопроводов.

Компоненты заявляемого изобретения известны из уровня техники.

Модуль инерциальной навигации может быть выполнен согласно техническому решению, изложенному в патенте на изобретение RU №2539140С1;

Модуль приема-передачи данных может быть выполнен согласно техническому решению, изложенному в патенте на изобретение WO №2016200978А1;

GPS/ГЛОНАСС ресивер может быть выполнен согласно техническому решению, изложенному в патенте на изобретение US №5923287А;

Считыватель меток радиочастотной идентификации (RFID-меток) может быть выполнен согласно техническому решению, изложенному в патенте на изобретение US №9922306 В1;

Тепловизор и видеокамера могут быть выполнены совместно согласно техническому решению, изложенному в патенте на изобретение CN №Ю5763783А.

Функционирование изобретения поясняется чертежом, на котором обозначены: 1 - системная шина; 2 - модуль инерциальной навигации; 3 - блок управления и индикации; 4 - модуль приема-передачи данных; 5 - GPS/ГЛОНАСС ресивер; 6 - блок питания; 7 - считыватель; 8 - датчик температуры; 9 - датчик влажности; 10 - микропроцессор; 11 - тепловизор; 12 - видеокамера; 13 - блок хранения данных; 14 - USB - порт.

Блок 1 - системная шина выполнена в виде наружных и внутренних проводящих слоев на многослойной печатной плате и соединяет блоки устройства информационными связями через входы-выходы. Также по системной шине организовано питание блоков летательного аппарата от блока питания.

Блок 2 - модуль инерциальной навигации служит для определения положения БПЛА в пространстве при помощи свойств инерции тел. Блок содержит датчики линейного ускорения, угловой скорости, высотомер, компас, термометр, а также контроллер для обработки навигационных данных.

Блок 3 - блок управления и индикации включает в себя микросхему, набор светодиодов и кнопки управления режимами работы.

Блок 4 - модуль приема-передачи данных представляет собой устройство, осуществляющее обмен информацией с сервером мониторинга и управления. Связь может осуществляться по каналам связи 3G, 4G (LTE).

Блок 5 - GPS/ГЛОНАСС ресивер - устройство для приема-передачи данных, объединяющее в себе GPS и ГЛОНАСС ресиверы, принимающее и обрабатывающее сигналы с навигационных спутников.

Блок 6 - блок питания представляет собой адаптер питания от аккумуляторов (как правило, 12 В).

Блок 7 - считыватель представляет собой устройство, осуществляющее чтение информации от RFID-меток.

Блок 8 - датчик температуры воздуха на базе платинового термометра сопротивления.

Блок 9 - датчик влажности воздуха емкостного типа на термореактивном полимере.

Блок 10 - микропроцессор со специальным программным обеспечением предназначен для обработки изображений, поступающих от блоков наблюдения 11, 12, с учетом текущей навигационной информации от блоков 2, 5 и информации от датчиков 7, 8, 9.

Блок 11 - тепловизор - устройство для мониторинга распределения температуры на поверхности сосуда или трубопровода.

Блок 12 - видеокамера - служит для фиксации локального внешнего обмерзания поверхности сосуда или трубопровода.

Блок 13 - блок хранения данных представляет собой микрочип твердотельного накопителя информации, подключенного к системной шине. Позволяет осуществлять запись и резервное хранение обрабатываемой и передаваемой информации.

Блок 14 - USB - порт, служит для подключения съемного носителя и считывания информации с блока 13.

Названные компоненты заявляемого устройства соединены между собой сборочными операциями и находятся в функционально-конструктивном единстве.

Для безопасной эксплуатации беспилотного летательного аппарата его корпус выполняется из негорючего химически инертного материала.

Для упрощения хранения и поиска беспилотного летательного аппарата при приземлении его корпус оборудован меткой радиочастотной идентификации (RFID-меткой).

Функционирование изобретения заключается в следующем.

БПЛА вертикального взлета и посадки включает в себя корпус, посадочную раму, несущие винты (как правило, 4 шт.) с двигателями, аккумулятор, а также приспособление для крепления устройства наблюдения (камеры). БПЛА осуществляет полет по заданному маршруту в автоматическом или полуавтоматическом (корректировка маршрута производится действиями оператора из центра мониторинга и управления) режиме. Загрузка полетного задания осуществляется через модуль приема-передачи данных 4. Информационный обмен между блоками устройства осуществляется посредством системной шины 1. Также через системную шину производится питание всех блоков от адаптера питания 6. Основной задачей датчиков модуля инерциальной навигации 2 является непрерывное получение навигационных данных для проведения математических расчетов контроллером, который устанавливает положение ЛА относительно горизонта, а также обнаруживает изменения углов ориентации, относительно предыдущего положения ЛА в пространстве. Затем данные направляются в электронные регуляторы оборотов двигателей несущих винтов. Данные от контроллера модуля навигации позволяют обеспечивать полет ЛА, управляя газом, углами крена, тангажа и рысканья.

При приближении БПЛА к объекту мониторинга на заданное расстояние производится считывание информации с RFTD-метки, предварительно размещенной на поверхности оборудования, с помощью считывателя 7. Чтение информации от метки производится с целью идентификации конкретной единицы оборудования (сосуда, трубопровода и пр.) и облегчения последующего поиска места тепловой утечки.

После идентификации единицы оборудования производится включение блоков для наблюдения: тепловизора 11 и видеокамеры 12. Далее производится полет по заданному маршруту в области, прилегающей к объекту. В процессе полета в микропроцессор 10 направляется поток изображений от тепловизора и видеокамеры. Также в микропроцессор направляется информация от GPS/ГЛОНАСС ресивера 5 о текущих координатах, информация от модуля навигации о высоте полета, а также данные о текущих окружающих условиях: информация от датчика температуры окружающей среды 8 и датчика влажности наружного воздуха 9.

В микропроцессоре 10 производится обработка информации, поступающей от модулей наблюдения 11 и 12. В процессе распознавания материалов производится отбор изображений, полученных от видеокамеры, на которых обнаружено локальное обледенение поверхности, с последующей записью в блок хранения данных 13. Также производится отбор изображений с распределением температуры поверхности оборудования, полученных от тепловизора, на которых обнаружены участки с температурой ниже минимально допустимой для заданного объекта с учетом мгновенного значения температуры и влажности окружающей среды, текущей даты и текущих GPS координат, определяющих соответствующие климатические условия.

Информация об обнаруженных тепловых утечках направляется в блок хранения данных 13, откуда при необходимости возможно осуществить перезапись на съемный носитель, подключаемый к устройству через USB-порт 14. В случае использования БПЛА в полуавтоматическом режиме информация в режиме реального времени направляется в диспетчерский центр мониторинга и управления посредством модуля приема-передачи данных 4. В блоке управления и индикации 3 также предусмотрена функция управления предварительным просмотром изображений, записанных в блок хранения данных.

Возможное применение устройства не ограничивается областью криогенной техники. Предложенное устройство может быть использовано в любой предметной области, где необходимо обнаружение и определение точного местоположения тепловых утечек, фиксируемых при помощи тепловизора или видеокамеры.

Изобретение относится к устройствам воздушного мониторинга состояния оборудования опасных производственных объектов и может быть использовано для дистанционного контроля состояния криогенных резервуаров, цистерн, трубопроводов и другого криогенного оборудования. В корпус БПЛА встроены связанные с помощью системной шины модуль инерциальной навигации, модуль приема-передачи данных, GPS/ГЛОНАСС ресивер, блок управления и индикации, блок питания, считыватель меток радиочастотной идентификации, блок хранения данных, USB-порт, видеокамера, тепловизор, датчик температуры воздуха, датчик влажности воздуха и микропроцессор, выполненный с возможностью обработки информации, полученной от видеокамеры, тепловизора, датчиков температуры и влажности, модуля инерциальной навигации, GPS/ГЛОНАСС ресивера, считывателя меток радиочастотной идентификации. Корпус выполнен из негорючего химически инертного материала и оборудован меткой радиочастотной идентификации. Снижаются производственные потери газа за счет превентивного информирования об изменении технического состояния оборудования в процессе эксплуатации. 1 ил.

Беспилотный летательный аппарат мониторинга состояния криогенного оборудования, характеризующийся тем, что он представляет собой беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, реализующий свое функциональное назначение в автоматическом режиме в соответствии с заложенными в него алгоритмом и программами функционирования либо в ручном режиме под дистанционным управлением и контролем человека, причем в корпус беспилотного летательного аппарата встроены связанные с помощью системной шины модуль инерциальной навигации, модуль приема-передачи данных, GPS/ГЛОНАСС ресивер, блок управления и индикации, блок питания, считыватель меток радиочастотной идентификации, блок хранения данных, USB-порт, видеокамера, тепловизор, датчик температуры воздуха, датчик влажности воздуха и микропроцессор, выполненный с возможностью обработки информации, полученной от видеокамеры, тепловизора, датчиков температуры и влажности, модуля инерциальной навигации, GPS/ГЛОНАСС ресивера, считывателя меток радиочастотной идентификации, причем корпус беспилотного летательного аппарата выполнен из негорючего химически инертного материала и оборудован меткой радиочастотной идентификации.