摘要：針對現(xiàn)實儀器在數(shù)據采集的使用過程中所需成本較貴這一現(xiàn)實問題，本文基于“虛擬儀器”的思想提出了海底管道內變形檢測儀的設計方法，該系統(tǒng)主要包括數(shù)據采集、數(shù)據傳輸和數(shù)據分析3個模塊。其中數(shù)據采集部分基于USB-1208FS采集卡方式進行采集，數(shù)據傳輸部分采用RS-232串口通信進行設計，數(shù)據分析部分利用軟件LabVIEW的強大分析功能進行設計。實驗結果驗證了其可行性和有效性。

　　關鍵詞：虛擬儀器；管道內變形；數(shù)據采集；檢測儀；工控機；位移傳感器

　　中途分類號：TP9                 文獻標識碼：A

      Design of Undersea Pipeline Inside Diameter Deformation Detector Based on LabVIEW

      CAI Da-wei

      ( College of Automatic and electronic engineering Qingdao University of Science&Technology, Qingdao 266042, China) 

      Abstract:In view of problems that price of data acquisition is very high in use of real instrument , the paper put forward a design scheme of undersea pipeline inside diameter deformation detector based on LabVIEW. The system included the three modules such as data acquisition, data transmission and data analysis. Data acquisition was realized by themethod of USB-1208FS data acquisition card. Then it introduced the data transmission based on RS-232 serial port communication and data analysis by software LabVIEW. The experimental results verifies its feasibility and validity.

      Key words:Virtual Instrument;pipeline inside diameter deformation; data acquisition;detector; Industrial Personal Computer;displacement sensor

　　0.引言

　　海上油氣輸送管道投入運行后由于環(huán)境惡劣、壓力高、同時受到水、油、硫化氫等有害氣體侵蝕，部分管段被腐蝕，管壁變薄，強度變低易產生裂紋及管道變形[1]等缺陷。目前，管線缺陷檢測要求管線變形量非常小，在進行管道缺陷檢測之前，如不進行管道內變形檢測，極容易造成管道缺陷檢測儀器卡堵在變形較大的管段內[2]。

　　虛擬儀器的突出特點之一在于在很大程度上用系統(tǒng)軟件的升級替代了儀器設備硬件的更換，這將節(jié)省大量的資金投入，代表了儀器儀表技術的發(fā)展方向。目前,虛擬儀器技術在國外已經得到了長足的發(fā)展，但是在國內,虛擬儀器技術的開發(fā)和應用尚屬于起步階段[3]。

　　本文基于虛擬儀器LabVIEW[4]和美國MCC公司的USB-1208FSP數(shù)據采集卡[5]開發(fā)了一套海底管道形變、壓力和距離的數(shù)據采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對管道形變、壓力和距離參數(shù)的高速數(shù)據采集、存儲、傳輸及分析，為實時判斷海底管道的形變提供了基礎。

　　1.檢測儀系統(tǒng)的總體結構

　　海底管道內變形檢測儀包括硬件和軟件2個部分，檢測儀結構框圖如圖1所示。

　　該檢測儀是基于CS-480DX工控機為核心進行設計的。它是由管道內打入的高壓水流或高壓氣體推動前進的，在行進過程中通過計程輪傳感器的轉動來記錄行程。計程輪傳感器轉動過程中會產生時鐘脈沖，通過記錄脈沖的上升沿或下降沿來得到計程輪轉動圈數(shù)，由此得到計程輪的行程。管道形變量則是通過角位移傳感器確定的，當運行到變形位置時，角位移傳感器會發(fā)生相應的變化，從而得到該變形位置的形變量。檢測儀需要檢測16路管道形變信號、檢測儀前后壓差、檢測計程輪的轉動圈數(shù)。并利用工控機上的時鐘對采集的數(shù)據進行的時間標記。將采集的數(shù)據首先存入工控機的FLASH存儲卡中，然后通過RS-232串口通信傳輸?shù)缴衔粰C[6]。

　　2.系統(tǒng)的硬件設計

　　2.1形變數(shù)據的采集

　　將檢測儀按圓周平分出16個點分別將角位移傳感器安裝在這些點處。角位移傳感器型號為RM22V，輸出信號為0~5V的電壓信號。由于數(shù)據采集卡USB-1208FS是電壓信號輸入，因此可以通過數(shù)據采集卡輸入電壓的大小來確定形變的大小。

　　2.2壓力數(shù)據的采集

　　在檢測儀前后和后面壓分別安裝1個壓力傳感器測量檢測儀的前后壓力，從而判斷檢測儀是否滯留不前。其型號為JYB-K0-HAG，其輸出信號為4~20mA的電壓信號。在數(shù)據采集卡的模擬輸入端并聯(lián)1個250Ω的精密電阻，將電流信號轉換為1~5V的電壓信號，從而通過數(shù)據采集卡輸入電壓的大小來確定壓力的大小。該壓力傳感器是線性輸出，量程為0~0.5MPa，數(shù)據采集卡的電壓輸入范圍是1~5V，得出標度轉換公式為：

　　式中：x為數(shù)據采集卡輸入計算機中的含有被采集壓力信息的壓力信號，y為x對應的原始的壓力值[7]。

　　2.3計程輪數(shù)據的采集

　　計程輪的行程信號數(shù)據采集是通過將計程輪傳感器安裝在檢測儀的兩側，其型號為RM221，當檢測儀運動時，計程輪傳感器會產生脈沖信號，然后通過USB-1208FS的count口記錄脈沖信號的上升沿或者是下降沿，通過下面的轉換公式得到檢測的行程:

　　其中：y1為計程輪的行程距離單位為cm，x1為記錄的脈沖上升沿或者下降沿的個數(shù)。

　　3.系統(tǒng)軟件的設計

　　上位機數(shù)據分析軟件系統(tǒng)和下位機數(shù)據采集系統(tǒng)都是采用LabVIEW軟件進行開發(fā)。LabVIEW是1種圖形化編程語言和開發(fā)環(huán)境，與傳統(tǒng)的文本編程環(huán)境相比，它能幫助用戶在更短的時間內設計數(shù)據采集和數(shù)據處理系統(tǒng)，所有的LabVIEW程序(VI)都包括前面板和程序框圖兩部分[8]。海底管道內形變、壓力和距離數(shù)據采集分析系統(tǒng)也包括前面板和程序框圖兩部分，主要完成對管道形變、壓力和距離參數(shù)的實時采集、波形顯示、分析、報警和實時存儲。

　　3.1系統(tǒng)軟件的前面板

　　上位機系統(tǒng)軟件的前面板包括3個部分：用戶登錄部分、數(shù)據存儲部分和波形顯示部分。用戶登錄界面，通過此畫面為系統(tǒng)設置權限。采集數(shù)據的存儲部分完成對采集的數(shù)據進行存儲；波形顯示部分，顯示16角位移傳感器的參數(shù)、壓力參數(shù)和計程輪參數(shù)的實時曲線圖。下位機系統(tǒng)軟件的前面主要是對數(shù)據進行采集。

　　3.2系統(tǒng)軟件的程序框圖

　　上位機系統(tǒng)軟件部分的程序框圖如圖2所示，（a）為串口數(shù)據接收模塊，（b）為數(shù)據存儲模塊，上位機系統(tǒng)主要由3個主要部分組成：波形顯示、數(shù)據存儲和生成報表。

　　1)波形顯示。16路位移傳感器采用波形圖分開顯示和集中顯示。2通道壓力傳感器進行分開顯示，2通道計程輪傳感器也進行分開顯示。從顯示的圖像中有助于對數(shù)據的分析。

　　2)數(shù)據存儲。采集的形變、壓力和計程輪數(shù)據被存儲為文本文件，文本文件由采樣時間、和采樣數(shù)據組成[9]。

　　3)生成報表。管道變形數(shù)組的存儲通過創(chuàng)建表格.vi實現(xiàn)，圖3所示為該模塊的示意圖。本模塊可將一個或多個信號轉換為數(shù)據表，列出每個信號的幅值，以及信號中每個點的時間數(shù)據。

　　下位機系統(tǒng)軟件中主要是采用MCC公司提供的與USB-1208FS配套的數(shù)據采集模塊。如圖4為創(chuàng)建通道模塊，通過此模塊可以選擇采集卡上的采集數(shù)據通道。圖5為讀取采集數(shù)據模塊，通過此模塊可讀取采集通道的數(shù)據。圖6是一個模擬通道和一個數(shù)字通道的數(shù)據采集程序框圖。

　　數(shù)據采集。MCC提供了USB-1208FS數(shù)據采集卡在LabVIEW中的驅動程序，因此在LabVIEW中可以很方便地利用USB-1208FS進行數(shù)據采集。

　　4.結束語

　　本文設計的海底管道內變形檢測儀系統(tǒng)采用LabVIEW開發(fā),利用美國MCC公司的數(shù)據采集卡USB-1208FS實現(xiàn)了對管道形變、壓力和距離數(shù)據的高速采集、傳輸、顯示存儲和分析，為管道形變的實時檢測提供了良好的基礎。海底管道內變形檢測儀研制成功后，可推廣應用于水下、陸上各類管道的變形檢測,若與相關檢測維修設備一起配合應用，可用于大多數(shù)海底管道的檢測與維修，本系統(tǒng)開發(fā)成本較低、界面友好、結構簡單、操作方便。

參考文獻

[1]     李軍, 王洪彬, 李燕. 影響海底管道壽命的主要因素及防范建議[J]. 石油工程建設, 2007， 33(2): 35-38.

[2]     周以琳, 戰(zhàn)智濤. 新型海底管道內變形檢測儀[J]. 管道技術與設備, 2008，4: 24-26.

[3]     李濤, 雷萬忠. 基于LabVIEW的數(shù)據采集系統(tǒng)研究[J]. 工礦自動化, 2010.11, 11: 121-124.

[4]     李江全. 虛擬儀器設計測控應用典型實例[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2010.8

[5]     美國MCC公司，USB-1208FS安裝使用手冊[R].美國:MCC公司,2007.

[6]     胡瓊, 范世東. 基于虛擬儀器的管道流量和壓力數(shù)據采集系統(tǒng)[J]. 交通信息與安全, 2009， 5(27): 120-123.

[7]     潘　霞. 管道泄漏檢測綜合實驗系統(tǒng)開發(fā)[D].武漢:武漢理工大學,2006.

[8]     Nasser K, Namjin K.Digital signal processing system-level design using LabVIEW [M]. Oxford:Elsevier Inc,2005.

[9]     雷振山,趙晨光.虛擬儀器系統(tǒng)的數(shù)據存儲技術[J].微計算機信息,2006,22(8):117-119