CN107515188A - 一种基于labview软件的海底腐蚀检测仪操作系统 - Google Patents

一种基于labview软件的海底腐蚀检测仪操作系统 Download PDF

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国强
付文宇
滕龙
张金程
张天翼
俞华东
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Abstract

本发明提供了一种基于LABVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench)软件开发的海底腐蚀检测仪操作系统，涉及海底腐蚀检测领域；该系统由系统配置模块、数据采集模块、数据分析处理模块、结果显示与存储模块构成；通过系统配置模块处理完成的系统配置信息；其次通过数据采集模块采集海底管道电场电位信号数据；然后通过数据分析处理模块进行数据分析；最后将分析结果在显示与存储模块显示及在储存模块储存；如果检测到腐蚀点则系统报警提示。本发明益处在于以非接触测量原理和虚拟仪器技术为基础，设计了一套具有集数据采集、存储和传输功能于一体的海底管道腐蚀检测系统，实现了海底管道周围环境电场电位信号的实时测量的数据处理和腐蚀点的报警提示。

Description

一种基于LABVIEW软件的海底腐蚀检测仪操作系统
技术领域
本发明涉及海底腐蚀检测领域，具体涉及一种基于LABVIEW软件的海底腐蚀检测仪操作系统。
背景技术
海底油气输送管道是海上油田生产线和运输系统最关键的组成部分，是连续输送大量石油天然气最安全、最有效的运输方式。随着海上油气资源开采量的不断增加，海底油气输送管道已经成为石油工业领域中一种高效运输手段。然而，海洋又是一种具有很强腐蚀性的电解质溶液，各种化学、物理和生物等因素共同作用于油气输送管线，从而使管道产生局部或整体表面变薄、强度降低、穿孔或断裂等现象，腐蚀后果相当严重。2004年，位于南海珠江口盆地的番禹油田4-2和5-1海底管道发生腐蚀泄漏，根据调查分析，天然气中CO2和H2S 含量较高，高含量的CO2和H2S是导致设备和管线腐蚀的主要原因。2006年，美国阿拉斯加北坡普拉德霍湾油田的一条原油输送管道由于腐蚀而造成泄漏，在污染海洋环境的同时，也给国际市场的原油价格带来了非常大的影响。2013年，我国黄岛输油管道由于在与排水暗渠交汇处发生腐蚀而引起爆燃事故，造成的人员伤亡惨重，直接经济损失也达上亿元。由此可见，油气管道运输安全问题形势十分严峻，由诸多因素造成的管道腐蚀不仅会带了巨大的经济损失，破坏水土资源，还对人民的安全构成威胁。随着科学技术的迅猛发展和对海洋资源开发的深入，海底管道的腐蚀检测与防护也越来越受到人们的关注。
在实际的工程应用中，海底管线的外腐蚀检测技术在灵敏度、准确性、客观性、实时性和检测效率等方面还有很大的发展空间。本课题研究的难点之一在于选择合适的腐蚀检测与定位方法。现有的陆上管道外腐蚀检测技术并不能完全适用于复杂的海洋环境；过分依靠检测人员经验的检测技术也影响了海底管道腐蚀检测的成本；由于管道一般深埋在海泥中，信号采集探头无法与管道表面相接触，管道表面的电位难以一一测量，为了避免不必要的开挖以及由此造成的巨额费用，应尽量采用不接触式测量技术；检测装置结构的复杂和体积的庞大亦不利于携带，应尽量避免外加电场或外加磁场；为及时发现腐蚀破损点，保证管线的运输安全，检测系统应具有实时性，在检测到腐蚀破损点时进行报警提示。因此，研制一种适用于海洋环境的不接触式的管道外腐蚀检测系统将具有很大的实用价值，而适用于腐蚀检测系统的操作系统也十分重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于LABVIEW软件的海底腐蚀检测仪操作系统。
本发明的其目的是这样实现的：
一种基于LABVIEW(Laboratory Virtual Instrumentation EngineeringWorkbench，实验室虚拟仪器工程平台)软件设计开发的的海底腐蚀检测仪操作系统，其特征在于，包括：系统配置模块、数据采集模块、数据分析处理模块、结果显示与存储模块；程序开始之后，系统配置模块先确认软件和硬件设备已建立连接，之后向硬件数据采集模块发送系统的配置信息，数据采集模块接收到配置信息后，在指令操作下开始工作，通过I/O接口将数据传送到软件的数据分析处理模块，再将数据传输到结果显示与存储模块，在显示时域和频域波形的同时，也对滤波处理后的数据进行保存；根据电场电位的变化判断是否为腐蚀点，如果未腐蚀点则报警提示；如果为否，则判断停止键按下，如果没有按下停止键，则继续采集数据，当检测到停止按键按下时，停止数据的采集。
所述的系统配置模块，可以控制实时测量软件在硬件中的启动、停止、采样速率等。
所述的数据采集模块，实时测量软件可以将控制指令、配置参数发送到硬件设备中，并接收硬件设备发送至软件的数据，为下一步的分析处理提供数据源。
所述的数据处理模块，包括信号的滤波和谱分析；滤波的作用是对信号进行筛选，将有用信号从噪声信号中提取出来，谱分析的作用是分析信号的时域和频域特征，为腐蚀点的判定提供依据。
所述的结果显示与存储模块，采用波形和数据的显示方式；波形图显示的是信号滤波前后的时域波形和经过快速傅里叶变换后的频域波形，通过调用Waveform Graph.vi来实现；数据显示的是采样点对应的信号电压值，用Real Matrix.vi来实现，并且将实时采集到的电位信息以文本的形式保存到磁盘中，方便后续的研究处理。
所述的VI(Virtual Instruments，虚拟仪器)都是由前面板、流程图、图标和连接器组成的。
本发明的益处在于：一种基于LABVIEW软件设计开发的的海底腐蚀检测仪操作系统，用于海洋环境的不接触式的管道外腐蚀检测，该检测系统具有实时性，实现了海底管道周围环境电场电位信号的实时测量的数据处理和腐蚀点的报警提示。
附图说明
图1是本发明的操作系统整体框图；
图2是本发明的操作系统实时工作流程图；
图3是本发明的系统参数设置界面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所提方法进行进一步详细说明。以下实施例用于说明本申请，但不用来限制本申请的范围。
本软件的设计思想就是将整个功能模块化，减少模块之间的相互影响，使程序结构更加清晰，同时模块之间也可以共享数据，相互调用方便，因此可以灵活地组织各个模块以达到较高的整体效率。如附图1所示为软件结构的整体框图。
附图2所示为实时测量软件的工作流程图，程序开始之后，先确认软件和硬件设备已建立连接，之后向硬件设备发送系统的配置信息，硬件设备接收到配置信息后，在指令操作下开始工作。通过I/O接口将数据传送到软件的数据处理模块，在显示时域和频域波形的同时，也对滤波处理后的数据进行保存。根据电场电位的变化判断是否为腐蚀点，当按下停止按键时，停止数据的采集。
根据所完成功能的不同将各部分安排在主页面上，以便于操作者直观的体验，下面将分别阐述系统配置模块、数据采集模块、数据处理模块和结果显示与存储模块的设计思想与实现方案。
(1)系统配置模块
图3为系统参数设置界面，右半部分为海底管道周围环境电场电位分布测量的原理图，传感器在管道的上方沿管道方向水平移动，通过对管道周围电场电位分布的测量，检测腐蚀点。如果增加了自动控制装置，保证传感器以一定速度匀速水平移动，则可以根据当前时间和传感器检测的起始时间准确地判定腐蚀点发生的位置。根据海洋环境下电化学信号的低频特点，采样率设为1kHz即可保证信号的质量，并且将实时采集到的数据以文本形式保存在电脑磁盘中。
(2)数据采集模块
使用NI-DAQmx驱动程序软件，使数据处理软件与数据采集的硬件装置相匹配，通过DAQ 助手交互式地建立、连接和执行NI-DAQmx虚拟通道和任务。通过对这个物理通道进行定时以及触发信息配置，可以确定数据流从水下电位测量探头中传到数据采集卡硬件缓冲区的数量和速率，同时也可以确定从硬件缓冲区到虚拟仪器软件缓冲区的传输速率，NI-DAQmx中默认的传输方式为DMA(直接内存访问)，传输条件为板载内存非空。
(3)数据处理模块
数据处理模块是海底管线腐蚀检测软件系统的核心单元，检测探头输出的信号中，有的是包含有用信息的信号，有的是应当除掉的噪声。在该模块中，采用的是快速傅里叶变换(FFT) 对信号进行频谱分析，调用MathScript节点对频域信号进行形态学滤波分析。
根据检测信号的特点，我们采用数学形态学滤波方法对其进行处理，利用LABVIEW平台中的MathScript节点，通过这一节点在LABVIEW中使用Matlab强大的数值分析和计算功能，对信号进行滤波处理。在该节点添加到框图程序后，根据Matlab语法编辑M程序。最后，对节点增加输入、输出变量，在程序运行时，起到在LABVIEW与Matlab之间传递参数的作用。
(4)结果显示与存储模块
根据系统要求，结果显示与存储模块须对采集到的管线周围环境电场数据进行实时存储，以供日后进行波形回放、数据分析或生成各种类型的报表。
由于本测量软件采集的是海底管带周围环境电场的电压值，因此数据以一维数据的形式保存。当检测到腐蚀点时，与非腐蚀点相比，1s内的采集到的1000个电压值之间相差在0.02V 之内。当管道外出现破损时，电压差值会骤增，是管道完好情况下的5倍左右。
综上，为完成海底管道周围环境电场电位信号采集系统的设计工作，设计了管道腐蚀检测系统的操作系统。操作系统以LABVIEW软件为开发平台，在分析了整体功能需求的基础上，确定了设计思想以及软件的工作流程，由系统配置模块、数据采集模块、数据处理模块和结果显示与存储模块共同实现了数据的采集、存储与显示、滤波处理和腐蚀点报警等功能，完成了实时测量软件的开发。
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。

Claims (6)

1.一种基于LABVIEW软件设计开发的海底腐蚀检测仪操作系统，其特征在于，包括：系统配置模块、数据采集模块、数据分析处理模块、结果显示与存储模块；程序开始之后，系统配置模块先确认软件和硬件设备已建立连接，之后向硬件数据采集模块发送系统的配置信息，数据采集模块接收到配置信息后，在指令操作下开始工作，通过I/O接口将数据传送到软件的数据分析处理模块，再将数据传输到结果显示与存储模块，在显示时域和频域波形的同时，也对滤波处理后的数据进行保存；根据电场电位的变化判断是否为腐蚀点，如果未腐蚀点则报警提示，如果为否，则判断停止键按下，如果没有按下停止键，则继续采集数据，当检测到停止按键按下时，停止数据的采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于LABVIEW软件设计开发的海底腐蚀检测仪操作系统，其特征在于，所述的系统配置模块，可以控制实时测量软件在硬件中的启动、停止、采样速率等。
3.根据权利要求1所述的一种基于LABVIEW软件设计开发的海底腐蚀检测仪操作系统，其特征在于，所述的数据采集模块，实时测量软件可以将控制指令、配置参数发送到硬件设备中，并接收硬件设备发送至软件的数据，为下一步的分析处理提供数据源。
4.根据权利要求1所述的一种基于LABVIEW软件设计开发的海底腐蚀检测仪操作系统，其特征在于，所述的数据处理模块，包括信号的滤波和谱分析；滤波的作用是对信号进行筛选，将有用信号从噪声信号中提取出来，谱分析的作用是分析信号的时域和频域特征，为腐蚀点的判定提供依据。
5.根据权利要求1所述的一种基于LABVIEW软件设计开发的海底腐蚀检测仪操作系统，其特征在于，所述的结果显示与存储模块，采用波形和数据的显示方式；波形图显示的是信号滤波前后的时域波形和经过快速傅里叶变换后的频域波形，通过调用WaveformGraph.vi来实现；数据显示的是采样点对应的信号电压值，用Real Matrix.vi来实现，并且将实时采集到的电位信息以文本的形式保存到磁盘中，方便后续的研究处理。
6.根据权利要求5所述的一种基于LABVIEW软件设计开发的海底腐蚀检测仪操作系统，其特征在于，所述的VI都是由前面板、流程图、图标和连接器组成的。
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