摘要：針對現(xiàn)實(shí)儀器在數(shù)據(jù)采集的使用過程中所需成本較貴這一現(xiàn)實(shí)問題，本文基于“虛擬儀器”的思想提出了海底管道內(nèi)變形檢測儀的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析3個(gè)模塊。其中數(shù)據(jù)采集部分基于USB-1208FS采集卡方式進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)傳輸部分采用RS-232串口通信進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)分析部分利用軟件LabVIEW的強(qiáng)大分析功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其可行性和有效性。

　　關(guān)鍵詞：虛擬儀器；管道內(nèi)變形；數(shù)據(jù)采集；檢測儀；工控機(jī)；位移傳感器

　　中途分類號(hào)：TP9                 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(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，管線缺陷檢測要求管線變形量非常小，在進(jìn)行管道缺陷檢測之前，如不進(jìn)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(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(shí)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(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(gè)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(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)過程中通過計(jì)程輪傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)來記錄行程。計(jì)程輪傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，通過記錄脈沖的上升沿或下降沿來得到計(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。檢測儀需要檢測16路管道形變信號(hào)、檢測儀前后壓差、檢測計(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(gè)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(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(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)采集是通過將計(jì)程輪傳感器安裝在檢測儀的兩側(cè)，其型號(hào)為RM221，當(dāng)檢測儀運(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USB-1208FS的count口記錄脈沖信號(hào)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(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(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：用戶登錄部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)部分完成對采集的數(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顯示和集中顯示。2通道壓力傳感器進(jìn)行分開顯示，2通道計(jì)程輪傳感器也進(jìn)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(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(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

　　本文設(shè)計(jì)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(shí)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(chǔ)和分析，為管道形變的實(shí)時(shí)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。

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