基于LABVIEW的海底管道內(nèi)變形檢測儀的設(shè)計

　　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(chǎn)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(nèi)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(nèi)[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(shè)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(shù)的發(fā)展方向。目前,虛擬儀器技術(shù)在國外已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，但是在國內(nèi),虛擬儀器技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)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(jù)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(jù)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(jù)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(chǔ)。

　　1.檢測儀系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　海底管道內(nèi)變形檢測儀包括硬件和軟件2個部分，檢測儀結(jié)構(gòu)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(shè)計的。它是由管道內(nèi)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(zhuǎn)動來記錄行程。計程輪傳感器轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)動圈數(shù)。并利用工控機上的時鐘對采集的數(shù)據(jù)進行的時間標記。將采集的數(shù)據(jù)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(shè)計

　　2.1形變數(shù)據(jù)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(jù)采集卡USB-1208FS是電壓信號輸入，因此可以通過數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(zhuǎn)換為1~5V的電壓信號，從而通過數(shù)據(jù)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(jù)采集卡的電壓輸入范圍是1~5V，得出標度轉(zhuǎn)換公式為：

　　式中：x為數(shù)據(jù)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(yīng)的原始的壓力值[7]。

　　2.3計程輪數(shù)據(jù)的采集

　　計程輪的行程信號數(shù)據(jù)采集是通過將計程輪傳感器安裝在檢測儀的兩側(cè)，其型號為RM221，當檢測儀運動時，計程輪傳感器會產(chǎn)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(zhuǎn)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(shè)計

　　上位機數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)和下位機數(shù)據(jù)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(nèi)設(shè)計數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)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(nèi)形變、壓力和距離數(shù)據(jù)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(jù)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(shè)置權(quán)限。采集數(shù)據(jù)的存儲部分完成對采集的數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)接收模塊，(b)為數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)的分析。

　　2)數(shù)據(jù)存儲。采集的形變、壓力和計程輪數(shù)據(jù)被存儲為文本文件，文本文件由采樣時間、和采樣數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)表，列出每個信號的幅值，以及信號中每個點的時間數(shù)據(jù)。

　　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(jù)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(jù)通道。圖5為讀取采集數(shù)據(jù)模塊，通過此模塊可讀取采集通道的數(shù)據(jù)。圖6是一個模擬通道和一個數(shù)字通道的數(shù)據(jù)采集程序框圖。

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

　　4.結(jié)束語

　　本文設(shè)計的海底管道內(nèi)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(jù)采集卡USB-1208FS實現(xiàn)了對管道形變、壓力和距離數(shù)據(jù)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(chǔ)。海底管道內(nèi)變形檢測儀研制成功后，可推廣應(yīng)用于水下、陸上各類管道的變形檢測,若與相關(guān)檢測維修設(shè)備一起配合應(yīng)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(jié)構(gòu)簡單、操作方便。