基于LABVIEW的海底管道內(nèi)變形檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

　　0.引言

　　海上油氣輸送管道投入運(yùn)行后由于環(huán)境惡劣、壓力高、同時(shí)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(qiáng)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(cè)要求管線變形量非常小，在進(jìn)行管道缺陷檢測(cè)之前，如不進(jìn)行管道內(nèi)變形檢測(cè)，極容易造成管道缺陷檢測(cè)儀器卡堵在變形較大的管段內(nèi)[2]。

　　虛擬儀器的突出特點(diǎn)之一在于在很大程度上用系統(tǒng)軟件的升級(jí)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(guó)外已經(jīng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是在國(guó)內(nèi),虛擬儀器技術(shù)的開(kāi)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(guó)MCC公司的USB-1208FSP數(shù)據(jù)采集卡[5]開(kāi)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(shí)現(xiàn)了對(duì)管道形變、壓力和距離參數(shù)的高速數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳輸及分析，為實(shí)時(shí)判斷海底管道的形變提供了基礎(chǔ)。

　　1.檢測(cè)儀系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　海底管道內(nèi)變形檢測(cè)儀包括硬件和軟件2個(gè)部分，檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　該檢測(cè)儀是基于CS-480DX工控機(jī)為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)的。它是由管道內(nèi)打入的高壓水流或高壓氣體推動(dòng)前進(jìn)的，在行進(jìn)過(guò)程中通過(guò)計(jì)程輪傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)記錄行程。計(jì)程輪傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，通過(guò)記錄脈沖的上升沿或下降沿來(lái)得到計(jì)程輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，由此得到計(jì)程輪的行程。管道形變量則是通過(guò)角位移傳感器確定的，當(dāng)運(yùn)行到變形位置時(shí)，角位移傳感器會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而得到該變形位置的形變量。檢測(cè)儀需要檢測(cè)16路管道形變信號(hào)、檢測(cè)儀前后壓差、檢測(cè)計(jì)程輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。并利用工控機(jī)上的時(shí)鐘對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行的時(shí)間標(biāo)記。將采集的數(shù)據(jù)首先存入工控機(jī)的FLASH存儲(chǔ)卡中，然后通過(guò)RS-232串口通信傳輸?shù)缴衔粰C(jī)[6]。

　　2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1形變數(shù)據(jù)的采集

　　將檢測(cè)儀按圓周平分出16個(gè)點(diǎn)分別將角位移傳感器安裝在這些點(diǎn)處。角位移傳感器型號(hào)為RM22V，輸出信號(hào)為0~5V的電壓信號(hào)。由于數(shù)據(jù)采集卡USB-1208FS是電壓信號(hào)輸入，因此可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入電壓的大小來(lái)確定形變的大小。

　　2.2壓力數(shù)據(jù)的采集

　　在檢測(cè)儀前后和后面壓分別安裝1個(gè)壓力傳感器測(cè)量檢測(cè)儀的前后壓力，從而判斷檢測(cè)儀是否滯留不前。其型號(hào)為JYB-K0-HAG，其輸出信號(hào)為4~20mA的電壓信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端并聯(lián)1個(gè)250Ω的精密電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為1~5V的電壓信號(hào)，從而通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸入電壓的大小來(lái)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(biāo)度轉(zhuǎn)換公式為：

　　式中：x為數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)中的含有被采集壓力信息的壓力信號(hào)，y為x對(duì)應(yīng)的原始的壓力值[7]。

　　2.3計(jì)程輪數(shù)據(jù)的采集

　　計(jì)程輪的行程信號(hào)數(shù)據(jù)采集是通過(guò)將計(jì)程輪傳感器安裝在檢測(cè)儀的兩側(cè)，其型號(hào)為RM221，當(dāng)檢測(cè)儀運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)程輪傳感器會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，然后通過(guò)USB-1208FS的count口記錄脈沖信號(hào)的上升沿或者是下降沿，通過(guò)下面的轉(zhuǎn)換公式得到檢測(cè)的行程:

　　其中：y1為計(jì)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(gè)數(shù)。

　　3.系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)和下位機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都是采用LabVIEW軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。LabVIEW是1種圖形化編程語(yǔ)言和開(kāi)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(hù)在更短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)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(duì)管道形變、壓力和距離參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、波形顯示、分析、報(bào)警和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

　　3.1系統(tǒng)軟件的前面板

　　上位機(jī)系統(tǒng)軟件的前面板包括3個(gè)部分：用戶(hù)登錄部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分和波形顯示部分。用戶(hù)登錄界面，通過(guò)此畫(huà)面為系統(tǒng)設(shè)置權(quán)限。采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)部分完成對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ);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(jì)程輪參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線圖。下位機(jī)系統(tǒng)軟件的前面主要是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

　　3.2系統(tǒng)軟件的程序框圖

　　上位機(jī)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(chǔ)模塊，上位機(jī)系統(tǒng)主要由3個(gè)主要部分組成：波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和生成報(bào)表。

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

　　2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采集的形變、壓力和計(jì)程輪數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)為文本文件，文本文件由采樣時(shí)間、和采樣數(shù)據(jù)組成[9]。

　　3)生成報(bào)表。管道變形數(shù)組的存儲(chǔ)通過(guò)創(chuàng)建表格.vi實(shí)現(xiàn)，圖3所示為該模塊的示意圖。本模塊可將一個(gè)或多個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)表，列出每個(gè)信號(hào)的幅值，以及信號(hào)中每個(gè)點(diǎn)的時(shí)間數(shù)據(jù)。

　　下位機(jī)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(guò)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(guò)此模塊可讀取采集通道的數(shù)據(jù)。圖6是一個(gè)模擬通道和一個(gè)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(dòng)程序，因此在LabVIEW中可以很方便地利用USB-1208FS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

　　4.結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的海底管道內(nèi)變形檢測(cè)儀系統(tǒng)采用LabVIEW開(kāi)發(fā),利用美國(guó)MCC公司的數(shù)據(jù)采集卡USB-1208FS實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道形變、壓力和距離數(shù)據(jù)的高速采集、傳輸、顯示存儲(chǔ)和分析，為管道形變的實(shí)時(shí)檢測(cè)提供了良好的基礎(chǔ)。海底管道內(nèi)變形檢測(cè)儀研制成功后，可推廣應(yīng)用于水下、陸上各類(lèi)管道的變形檢測(cè),若與相關(guān)檢測(cè)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(cè)與維修，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本較低、界面友好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。