基于LABVIEW的海底管道内变形检测仪的设计

　　0.引言

　　海上油气输送管道投入运行后由于环境恶劣、压力高、同时受到水、油、硫化氢等有害气体侵蚀，部分管段被腐蚀，管壁变薄，强度变低易产生裂纹及管道变形[1]等缺陷。目前，管线缺陷检测要求管线变形量非常小，在进行管道缺陷检测之前，如不进行管道内变形检测，极容易造成管道缺陷检测仪器卡堵在变形较大的管段内[2]。

　　虚拟仪器的突出特点之一在于在很大程度上用系统软件的升级替代了仪器设备硬件的更换，这将节省大量的资金投入，代表了仪器仪表技术的发展方向。目前,虚拟仪器技术在国外已经得到了长足的发展，但是在国内,虚拟仪器技术的开发和应用尚属于起步阶段[3]。

　　本文基于虚拟仪器LabVIEW[4]和美国MCC公司的USB-1208FSP数据采集卡[5]开发了一套海底管道形变、压力和距离的数据采集系统，实现了对管道形变、压力和距离参数的高速数据采集、存储、传输及分析，为实时判断海底管道的形变提供了基础。

　　1.检测仪系统的总体结构

　　海底管道内变形检测仪包括硬件和软件2个部分，检测仪结构框图如图1所示。

　　该检测仪是基于CS-480DX工控机为核心进行设计的。它是由管道内打入的高压水流或高压气体推动前进的，在行进过程中通过计程轮传感器的转动来记录行程。计程轮传感器转动过程中会产生时钟脉冲，通过记录脉冲的上升沿或下降沿来得到计程轮转动圈数，由此得到计程轮的行程。管道形变量则是通过角位移传感器确定的，当运行到变形位置时，角位移传感器会发生相应的变化，从而得到该变形位置的形变量。检测仪需要检测16路管道形变信号、检测仪前后压差、检测计程轮的转动圈数。并利用工控机上的时钟对采集的数据进行的时间标记。将采集的数据首先存入工控机的FLASH存储卡中，然后通过RS-232串口通信传输到上位机[6]。

　　2.系统的硬件设计

　　2.1形变数据的采集

　　将检测仪按圆周平分出16个点分别将角位移传感器安装在这些点处。角位移传感器型号为RM22V，输出信号为0~5V的电压信号。由于数据采集卡USB-1208FS是电压信号输入，因此可以通过数据采集卡输入电压的大小来确定形变的大小。

　　2.2压力数据的采集

　　在检测仪前后和后面压分别安装1个压力传感器测量检测仪的前后压力，从而判断检测仪是否滞留不前。其型号为JYB-K0-HAG，其输出信号为4~20mA的电压信号。在数据采集卡的模拟输入端并联1个250Ω的精密电阻，将电流信号转换为1~5V的电压信号，从而通过数据采集卡输入电压的大小来确定压力的大小。该压力传感器是线性输出，量程为0~0.5MPa，数据采集卡的电压输入范围是1~5V，得出标度转换公式为：

　　式中：x为数据采集卡输入计算机中的含有被采集压力信息的压力信号，y为x对应的原始的压力值[7]。

　　2.3计程轮数据的采集

　　计程轮的行程信号数据采集是通过将计程轮传感器安装在检测仪的两侧，其型号为RM221，当检测仪运动时，计程轮传感器会产生脉冲信号，然后通过USB-1208FS的count口记录脉冲信号的上升沿或者是下降沿，通过下面的转换公式得到检测的行程:

　　其中：y1为计程轮的行程距离单位为cm，x1为记录的脉冲上升沿或者下降沿的个数。

　　3.系统软件的设计

　　上位机数据分析软件系统和下位机数据采集系统都是采用LabVIEW软件进行开发。LabVIEW是1种图形化编程语言和开发环境，与传统的文本编程环境相比，它能帮助用户在更短的时间内设计数据采集和数据处理系统，所有的LabVIEW程序(VI)都包括前面板和程序框图两部分[8]。海底管道内形变、压力和距离数据采集分析系统也包括前面板和程序框图两部分，主要完成对管道形变、压力和距离参数的实时采集、波形显示、分析、报警和实时存储。

　　3.1系统软件的前面板

　　上位机系统软件的前面板包括3个部分：用户登录部分、数据存储部分和波形显示部分。用户登录界面，通过此画面为系统设置权限。采集数据的存储部分完成对采集的数据进行存储;波形显示部分，显示16角位移传感器的参数、压力参数和计程轮参数的实时曲线图。下位机系统软件的前面主要是对数据进行采集。

　　3.2系统软件的程序框图

　　上位机系统软件部分的程序框图如图2所示，(a)为串口数据接收模块，(b)为数据存储模块，上位机系统主要由3个主要部分组成：波形显示、数据存储和生成报表。

　　1)波形显示。16路位移传感器采用波形图分开显示和集中显示。2通道压力传感器进行分开显示，2通道计程轮传感器也进行分开显示。从显示的图像中有助于对数据的分析。

　　2)数据存储。采集的形变、压力和计程轮数据被存储为文本文件，文本文件由采样时间、和采样数据组成[9]。

　　3)生成报表。管道变形数组的存储通过创建表格.vi实现，图3所示为该模块的示意图。本模块可将一个或多个信号转换为数据表，列出每个信号的幅值，以及信号中每个点的时间数据。

　　下位机系统软件中主要是采用MCC公司提供的与USB-1208FS配套的数据采集模块。如图4为创建通道模块，通过此模块可以选择采集卡上的采集数据通道。图5为读取采集数据模块，通过此模块可读取采集通道的数据。图6是一个模拟通道和一个数字通道的数据采集程序框图。

　　数据采集。MCC提供了USB-1208FS数据采集卡在LabVIEW中的驱动程序，因此在LabVIEW中可以很方便地利用USB-1208FS进行数据采集。

　　4.结束语

　　本文设计的海底管道内变形检测仪系统采用LabVIEW开发,利用美国MCC公司的数据采集卡USB-1208FS实现了对管道形变、压力和距离数据的高速采集、传输、显示存储和分析，为管道形变的实时检测提供了良好的基础。海底管道内变形检测仪研制成功后，可推广应用于水下、陆上各类管道的变形检测,若与相关检测维修设备一起配合应用，可用于大多数海底管道的检测与维修，本系统开发成本较低、界面友好、结构简单、操作方便。