1、摘要作為五大運輸行業之一的管道運輸系統,他在國民經濟中的地位越來越為重要。實施西部大開發戰略帶來大量的天然氣管道投入建設和運行。管道一旦泄漏會造成巨大的經濟損失以及人身傷害,及時發現泄漏并準確進行泄漏點定位成為發生泄漏后的需要解決的首要問題,這對于減少經濟損失、維護管道安全運行顯得十分重要。 天然氣管道漏點在線實時泄漏監測與定位系統的研究與應用,使得泄漏能夠被及時發現并確定泄漏點的位置,從而降低因天然氣泄漏造成的經濟損失,同時對提高天然氣輸送管線的自動化管理水平有著深遠的意義。通過對國內外各種管道泄漏檢測技術的研究和分析比較,本課題采用聲波檢測方法應用于輸氣管道的泄漏檢測。介紹了輸氣管道泄漏聲

2、波信號的基本特征和聲波泄漏檢測方法的基本原理。根據畢業設計的實際要求,搭建了小巧的管道模型。針對泄漏信號的特征和泄漏監測系統對其性能指標的要求,提出一個有效的泄漏檢測信號處理方法。設計了信號檢測系統的濾波放大電路,輸氣管道泄漏實時監測系統,編寫了數字信號相關等數字信號處理算法,實現對采集到的數據進行存儲管理和對信號波形進行實時顯示功能,實現音波泄漏系統進行泄漏檢測和泄漏點的定位。 輸氣管道泄漏點檢測實驗結果表明,壓力場環境下的聲納傳感器可以應用于輸氣管道泄漏檢測。泄漏檢測系統軟件部分實現了數據通信、音波泄漏信號的數字信號處理方法和界面顯示。通過實驗數據和檢測的波形,驗證了音波檢測方法應用于輸氣

3、管道泄漏檢測的可行性。 關鍵詞：虛擬儀器；LABVIEW；天然氣泄漏檢測；泄漏定位AbstractAs one of the five transportation industry, the position of pipeline transport system in the national economy is becoming more and more prominent. With Chinas western development strategy, a large number of gas pipelines will be put into use and opera

4、tion. Once the pipeline leaks, it would cause huge economic losses and personal injury to find leaks and identify the location of the leak in time becomes the most important issue in reducing losses and maintains the safe operation of pipelines. Research and application of real-time natural gas pipe

5、line leak detection and location system in time can find leaks and identify the location of the leak, reducing economic losses caused by natural gas leak. At the same time, its of great significance to enhancing the natural gas pipeline automation management level .To do analysis research and compar

6、ison of various pipeline leak detection technology at home and abroad , this issue using acoustic detection method to realize gas pipeline leak detection. Describes the gas pipeline leaks and acoustic signals in the basic characteristics of the basic principles of leak detection methods. According t

7、o the actual requirements of graduation design, build the cabinet pipeline model. According to the characteristics and leakage signals to leak monitoring system requirements of the performance index, this paper puts forward an effective leakage detection signal processing method. Design the signal d

8、etection system filter and amplification circuitry, gas pipeline leak real-time monitoring system, write a digital signal digital signal processing algorithm is related to realize the collected data storage management and to signal waveform real-time display function, achieve sonic leakage system of

9、 leak detection and leak positioning. Gas transmission pipeline leak detection experimental results show that under pressure field environment can be applied to the sonar sensors pipeline leak detection. Leak detection system software parts of the data communication, realizing the ultrasound leakage

10、 signals of digital signal processing methods and interface display. Through the experimental data and testing verifies the waveform, ultrasound detection method is applied to the feasibility of gas transmission pipeline leak detection. Keywords:Virtual instrument;LABVIEW；Natural gas leak detection;

11、 Leak positioningII目 錄第一章 緒論11.1前言11.2課題來源和研究意義11.3國內外天然氣管線泄漏與定位系統的研究現狀2第 二 章 虛擬儀器簡介52.1引言52.2虛擬儀器的分類62.3虛擬儀器的發展過程82.4虛擬儀器系統的構成82.4.1虛擬儀器系統的硬件構成92.4.2虛擬儀器系統的軟件構成92.4.2.1儀器面板控制軟件92.4.2.2數據分析處理軟件92.4.2.3儀器驅動軟件102.4.2.4通用I/O 接口軟件102.5虛擬儀器系統軟面板的設計標準102.6虛擬儀器系統的組建方案112.6.1制定所設計儀器的接口形式112.6.2開發硬件采集卡112.6.

12、3確定設計采集卡的設備驅動程序方案112.6.4確定虛擬儀器系統應用程序編程語言122.6.5軟件調試和運行12小 結12第 三 章 系統總體設計133.1天然氣管線泄漏的聲波檢測與定位的原理與設計133.2聲波檢測天然氣泄漏與定位的原理依據133.3管道破壞實驗153.4管線聲波監測與定位系統的設計15小 結16第 四 章 系統硬件設計174.1天然氣管線泄漏的聲波檢測與定位系統的硬件組成174.1.1傳感器概述174.1.2傳感器的選型原則184.1.3所選用傳感器介紹194.1.4直流穩壓電源204.2信號調理電路234.3 PC 機244.4PCI-1710HG數據采集卡254.4.1

13、概述254.4.2 PCI1710的特點27小 結28第 五 章 系統軟件設計295.1軟件開發環境Lab VIEW295.2系統軟件設計30小 結36總結與展望371.總結372.展望37參考文獻39外文原文與譯文：41致 謝65 第一章 緒論1.1前言管道運輸以其獨特的優勢,成為現代五大運輸方式(公路、水路、鐵路、航空、管道)之一。隨著西氣東輸、陜京二線、忠武線三條輸氣干線的形成以及川渝、京津冀魯、中部、中南、長江三角洲五個區域管網并存的輸氣格局的形成，對氣體管道運輸的需求更加迫切。然而隨著管道投入使用的時間增加，管道不可避免的會出現磨損、腐蝕等現象，加之人為破壞等原因，是管道泄漏事故時有

14、發生。不僅造成資源浪費、環境污染、危害工農業生產，還將直接威脅管道設施的安全運行和人民生命財產，進而造成更大的間接損失和惡性事故。因此，及時發現管道泄漏并精確確定泄漏位置，對于減少損失、確保管道去年全運行有著重要的意義。美國、英國、法國等先進國家，自20世紀70年代以來，就在許多油氣管道中安裝了泄漏檢測系統，效果顯著。我國從20世紀80年代以來，數家單位開始展開油氣管道泄漏檢測的研究工作。目前，輸油管道泄漏監測與定位技術已日趨成熟，國內外在此技術的研究上都取得了一定的成果，以應用于輸油管線的泄漏與定位。但對氣體泄漏的監測與定位研究不足。因此，如何利用傳感器技術，自動檢測技術，通訊技術，與計算機

15、技術的發展發展相結合來來研究氣體管線泄漏的檢測與定位具有很重要的價值。本設計通過虛擬儀器對泄漏聲波信號的分析來實現泄漏的監測與定位。1.2課題來源和研究意義課題來源于李建海老師所帶的07級電子專業的畢業設計，為基于Lab VIEW的天然氣管線泄漏聲波監測與定位設計研究。管道作為國民經濟中擔任重要運輸作用的工具，維護管道的安全運行，防止管道生產事故的發生是管道工業生產和管理部門一項很重要的工作。作為管道事故中最經常發生的泄漏事故一旦發生，不僅造成大量物質損失，泄漏的有毒化學物質還帶來環境污染，更為嚴重地是有可能帶來的人身傷亡事故。輸氣管線泄漏檢測與定位系統能夠及時發現泄漏，并確定泄漏的位置，可以

16、及時采取措施，從而達到預防和降低損失的目的，減少人力、物力、財力的浪費，避免環境污染，這對提高氣田輸氣管線的管理，減少企業的經濟損失，提高企業自動化管理水平有重大意義。在我國，盜氣造成的泄漏是管道泄漏的重要原因。現有的管道泄漏檢測與定位系統對于天然氣管線的小泄漏并不敏感，常常漏報，此外，定位精度受諸多因素影響也難以保證，很難有效地對犯罪行為進行有力的打擊。因此，研究開發針對輸氣管道的高精度的、對于聲波泄漏敏感的泄漏檢測與定位系統，具有重要的應用價值。1.3國內外天然氣管線泄漏與定位系統的研究現狀1.3.1國內外研究現狀 對管道泄漏監測方法的研究自上世紀70年代以來已有三十幾年的歷史，嘗試了各種

17、新的方法和手段。從簡單的人工分段沿管線巡視發展到較為復雜的軟硬件相結合的方法，不斷提高管線泄漏檢測的靈敏度和定位準確度。但由于監測的復雜性，如管道輸送介質的多樣性，管道所處環境(地上、管溝、埋地、海底)的多樣性，以及泄漏形式的多樣性(泄漏、穿孔、斷裂等)，使得目前還沒有一種簡單可靠、通用的方法解決管道泄漏監測問題。1.3.2國外研究現狀 國外輸氣管道管理先進的國家，如美國、英國、法國等，自上世紀70年代以來，已經在許多油氣管道系統中安裝了泄漏檢測系統。常見的輸氣管道檢漏方法基本上可以分為兩類，一類是基于硬件的檢測方法，另一類是基于軟件的檢測方法。1基于硬件的方法該方法是指對泄漏物進行直接檢測的

18、方法，有時也稱為直接檢漏法。基于硬件的方法的缺點是成本太高。主要包括：(1)檢漏電纜法。該方法多用于液態烴類燃料的泄漏檢測。電纜與管道平行鋪設，當泄漏的烴類物質滲入電纜后，會引起電纜特性的變化。目前已研制的有以下幾種電纜，油溶性電纜、滲透性電纜和分布式傳感電纜。(2)導電高聚合物檢漏法。探測電纜由兩根常規絕緣導線和兩根探測導線組成，外包特種導電高聚物。這種方法利用探測導線檢測電纜中的水蒸氣并判斷管道絕緣層的浸水點和泄漏點，適用于絕緣管道的檢漏。(3)光纖檢漏法。光纖傳感器是近年來發展的一個熱點，它在實現物理量測量的同時可以實現信號的傳輸，在解決信號衰減和抗干擾方面有著獨特的優越性。用光纖傳感器

19、檢測管道泄漏的方法是根據管道中輸送的熱物質泄漏會引起周圍環境溫度的變化，利用分布式光纖溫度傳感器連續測量沿管道的溫度分布，當沿管道的溫度變化超過一定的范圍，就可以判斷發生了泄漏。此外，隨著各種分布式光纖傳感器的發展，未來可以實現利用一根或幾根光纖對油氣管線內介質的溫度、壓力、流量和管壁應力進行分布式在線測量，這在管道監控系統中將極具應用潛力。(4)紅外線檢漏法。利用機載或星載精密紅外攝像裝置，記錄管道周圍地熱輻射效應或管道上方空氣光譜，利用光譜分析檢測泄漏及其位型。(5)探地雷達法。輸氣管道泄漏，使得周圍地表的電性質會發生變化，探地雷達中的反射信號也會隨之發生變化，通過對反射信號特征的分析判斷

20、管道泄漏。2基于軟件的方法基于軟件的方法又稱為間接檢漏法，是指借助于計算機系統，通過檢測因泄漏造成的影響，如流量、壓力、溫度等物理參數的變化來判斷泄漏是否發生以及時差性。綜述泄漏點的位置。主要包括：(1)質量平衡法。根據流出和流入管道的介質質量體積之間的差值判斷管道泄漏。優點是可靠性高，可以檢測小流量泄漏；缺點是不能對泄漏做出定位，而且及時性型。(2)負壓波檢漏法。管道泄漏會產生沿管道分別向上、下游傳播的瞬態負壓波。在管道兩端分別安裝壓力傳感器，根據傳感器捕捉的負壓波判斷泄漏，并根據負壓波到達管道兩端的時間差定位泄漏。負壓波法因其簡單易行，是目前應用較廣的一種泄漏檢測方法。(3)壓力梯度法。發

21、生泄漏時，管道內的壓力分布發生變化，漏點前的流量增大，壓力梯度變陡；漏點后的流量減小，梯度變平；管道內壓力梯度呈折線狀下降：按照管道入口和出口的壓力梯度作線，交匯點就是泄漏的位置。(4)管內智能爬行機法。爬行機已經廣泛使用在管道工業中，配置各種傳感器的智能爬行機檢測系統可以用來周期性檢測管道因腐蝕或其它原因造成的損傷，評估管道的完整性，發現泄漏和預報泄漏隱患。(5)統計檢漏法。泄漏導致管道內壓力和流速之間的關系發生變化，根據管道兩端的流速和壓力，連續計算發生泄漏的統計概率。根據管道兩端流速和壓力及統計平均值估計泄漏速度，使用最小二乘法對無分支管道泄漏進行定位。優點是無需復雜的管道模型就可以達到

22、較高的檢測性能，計算量小，安裝費用低和便于維護。(6)應力波法。在管道上打孔產生的振動會以應力波的形式沿管道在管壁內傳播。在管道外壁上安裝高靈敏度的應力波傳感器并通過分析應力波信號的功率譜來檢測并定位泄漏和打孔事件，也可以根據應力波到達管道兩端的時間差進行定位。(7)聲學方法。沿管道按照一定間隔離散地安裝大量傳感器，借助對泄漏孔兩側傳感器采集聲音信號進行相關處理來檢測與定位泄漏。隨著光纖傳感技術的發展，出現了連續型分布式光纖傳感器進行泄漏聲音檢測和定位。(8)實時模型法。建立管道實時模型，在一定邊界條件下求解管道內流場，然后將計算值與管道兩端的實測值進行比較。根據實測值與計算值的偏差判斷泄漏，

23、并根據管道內壓力梯度變化確定泄漏點位置。目前，先進國家對管道泄漏監測的研究主要集中在負壓波法、智能爬行機、分布式光纖等幾個方面。1.3.3國內研究現狀 我國管道工業起步較晚，泄漏檢測技術相對落后。近年來，國內不少學者開展了管道泄漏檢測技術方面的研究。天津大學靳世久教授等對負壓波檢漏法進行了實用化研究。浙江大學、西安石油大學、南京航空航天大學等機構對應力波法檢測管道泄漏的方法進行了研究。上海交通大學、上海大學、南京理工大學等高校實驗室正在進行的國內管道超聲波檢測系統研究。與國外管道泄漏監測的發展相比，無論在技術上還是在應用上都還存在一定的差距。1.4本論文研究的任務為了充分利用計算機資源對管道的

24、運行狀態進行監測, 可從聲學角度研究典型管道破壞聲波的識別問題。針對各種破壞方式信號的特點, 采用相關法設計基于虛擬儀器的天然氣管線泄漏聲波監測與定位系統。本設計由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要包括傳感器、信號處理電路和數據采集卡。設計中可采用NI 公司的多功能數據采集卡來完成信號的采集和處理。系統軟件采用模塊化設計，主要包括主控程序軟件；數據采集軟件；信號處理分析軟件；數據顯示和報警軟件。第 二 章 虛擬儀器簡介2.1引言虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將NI Lab VIE

25、W圖形化開發工具用于產品設計周期的各個環節，從而改善了產品質量、縮短了產品投放市場的時間，并提高了產品開發和生產效率。使用集成化的虛擬儀器環境與現實世界的信號相連，分析數據以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內提高生產效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們任何項目需要。20年來，無論是初學乍用的新手還是經驗豐富的程序開發人員，虛擬儀器在各種不同的工程應用和行業的測量及控制的用戶中廣受歡迎，這都歸功于其直觀化的圖形編程語言。虛擬儀 器的圖形化數據流語言和程序框圖能自然地顯示您的數據流，同時地圖化的用戶界面直觀地顯示數據，使我們能夠輕松地查看、修改數據或控制輸入。 美國國家儀器公司NI（

26、NationalInstruments）提出的虛擬測量儀器（VI）概念，引發了傳統儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網絡技術得以長驅直入儀器領域，和儀器技術結合起來，從而開創了“軟件即是儀器”的先河。 “軟件即是儀器”這是NI公司提出的虛擬儀器理念的核心思想。從這一思想出發，基于電腦或工作站、軟件和IO部件來構建虛擬儀器。IO部件可以是獨立儀器、模塊化儀器、數據采集板（DAQ）或傳感器。NI所擁有的虛擬儀器產品包括軟件產品（如Lab VIEW）、GPIB產品、數據采集產品、信號處理產品、圖像采集產品、DSP產品和VXI控制產品等。同其他技術相比，虛擬儀器技術具有四大優勢： 1.性能高虛擬儀器

27、技術是在PC技術的基礎上發展起來的，所以完全繼承 了以現成即用的PC技術為主導的最新商業技術的優點，包括功能超卓的處理器和文件I/O，使您在數據高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發展的因特網和越來越快的計算機網絡使得虛擬儀器技術展現其更強大的優勢。 2.擴展性強NI的軟硬件工具使得我們不再受限于當前的技術中。這得益于NI軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進整個系統。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現有的測量設備，最終以較少的成本加速產品上市的時間。 3.開發時間少在驅動和應用兩個層面上，NI高效的軟件構

28、件能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。NI設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我們輕松地配置、創建、發布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案4.無縫集成虛擬儀器技術從本質上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。NI的虛擬儀器軟件平臺為所有的I/O設備提供了標準的接口，幫助我們輕松地將多個測量設備集成到單個系統，減少了任務的復雜性。2.2虛擬儀器的分類虛擬儀器的發展隨著微機的發展和采用總線方式的不同，可分為五

29、種類型： （1）PC總線插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計算機內的數據采集卡與專用的軟件 圖2.1 ISA總線卡如Lab VIEW相結合（注：美國NI公司的Lab VIEW是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自己組建各種儀器。Lab VIEW/CVI是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言Visual C+,Visual BASIC ,Lab VIEW/CVI構成測試系統，它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內部的噪聲電平較高，插槽數目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經淘汰，

30、PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。 （2）并行口式虛擬儀器最新發展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內。儀器軟件裝在計算機上，通常可以完成各種測量測試儀器的功能，可以組成數字存儲示波器、頻譜分析儀、邏輯分析儀、任意波形發生器、頻率計、數字萬用表、功率計、程控穩壓電源、數據記錄儀、數據采集器。美國LINK公司的DSO-2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業，又可與臺式PC機相連，實現臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發部門和各種教學實驗室應用。 （3）GPIB總線方式的虛擬儀器GPIB技術是I

31、EEE488標準的虛擬儀器早期的發展階段。它的出現使電子 圖2.2 CAN總線控制器測量獨立的單臺手工操作向大規模自動測試系統發展，典型的GPIB系統由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達14臺儀器，電纜長度可達40米。GPIB技術可用計算機實現對儀器的操作和控制，替代傳統的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統。GPIB測量系統的結構和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應用。 （4）VXI總線方式虛擬儀器VXI總線是一種高速計算機總線V

32、ME總線在VI領域的擴展，它具有穩定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標準開放、結構緊湊、數據吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優點，很快得到廣泛的應用。經過多年的發展，VXI系統的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規模自動測量系統以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優勢。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。 （5）PXI總線方式虛擬儀器 PXI總線方式是PCI總線內核技術增加了成熟的技術規范和要求形成的，增加了多板同步觸發總線的技術規范和要求形成的，增加了多板發總線，以使用于相鄰模塊的高

33、速通訊的局總線。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統只有34個擴展槽，通過使用PCIPCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領域的擴展優勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。2.3虛擬儀器的發展過程1、GPIBVSIPXI總線方式（適合大型高精度集成系統）GPIB 于1978年問世，VXI于1987年問世，PXI于1997年問世。 2、PC插卡并口式串口USB方式（適合于普及型的廉價系統，有廣闊的應用發展前景）PC插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口USB方式于1999年問世。 綜上所述，虛擬儀器的發展取決于三個

34、重要因素。計算機是載體,軟件是核心高質量的A/D采集卡及調理放大器是關鍵。2.4虛擬儀器系統的構成虛擬儀器由硬件設備與接口、設備驅動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設備與接口可以是各種以PC為基礎的內置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備，設備驅動軟件是直接控制各種硬件接口的驅動程序，虛擬儀器通過底層設備驅動軟件與真實的儀器系統進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。 2.4.1虛擬儀器系統的硬件構成 虛擬儀器的硬件系統

35、一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬 件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網絡、總線標準等方面的發展，導致了虛擬儀器系統的快速發展。 按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標準體系結構，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數轉換。 2.4.2虛擬儀器系統的軟件構成 測試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調軟件在虛擬儀器

36、中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發軟件。使用者可以根據不同的測試任務，在虛擬儀器開發軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現當代科學技術復雜的測試任務。在虛擬儀器系統中用靈活強大的計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件，特別是系統中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統的軟件主要分為以下四部分。 2.4.2.1儀器面板控制軟件 儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶。利用計算機強大的圖形化編程環境，使用可視化的技術，從控制模塊上選擇你所需要的

37、對象，放在虛擬儀器的前面板上。 2.4.2.2數據分析處理軟件 利用計算機強大的計算能力和虛擬儀器開發軟件功能強大的函數庫可以極大提高虛擬儀器系統的數據分析處理能力，節省開發時間。 2.4.2.3儀器驅動軟件 虛擬儀器驅動程序是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件。儀器驅動器與通信接口及使用開發環境相聯系，它提供一種高級的、抽象的儀器映像，它還能提供特定的使用開發環境信息。儀器驅動器是虛擬儀器的核心，是用戶完成對儀器硬件控制的紐帶和橋梁。虛擬儀器驅動程序的核心是驅動程序函數/VI集，函數/VI是指組成驅動的模塊化子程序。驅動程序一般分為兩層，底層是儀器的基本操作，如初始化儀器配置儀器輸入參數、

38、收發數據、查看儀器狀態等。高層是應用函數/VI層，它根據具體測量要求調用底層的函數/VI。 2.4.2.4通用I/O 接口軟件 在虛擬儀器系統中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統軟件結構中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來越重要。VXI總線即插即用聯盟，為其制定了標準，提出了自底向上的I/O接口軟件模型即VISA。作為通用I/O標準，VISA具有與儀器硬件接口無關性的特點， 即這種軟件結構是面向器件功能而不是面向接口總線的。應用工程師為帶GPIB接口儀器所寫的軟件，也可以于VXI系統或具有RS232接口的設備上，這樣不但大大縮短了應用程序的開發周期，而且徹底改變了測試軟件開發的方式和手段。 2

39、.5虛擬儀器系統軟面板的設計標準虛擬儀器軟面板是用戶用來操作儀器，與儀器進行通信，輸入參數設置，輸出結果顯示的用戶接口。其設計準則是： （1） 按照VPP規范設計軟面板，使面板具有標準化、開放性、可移植性。 （2） 根據測試要求確定儀器功能。根據測試任務確定儀器軟面板具體測試、測量功能，開關、控制等設置要求。 （3） 用面向對象的設計方法設計軟面板。按照面向對象的設計思想，一個虛擬儀器集成系統由多個虛擬儀器組成，每個虛擬儀器均由軟面板控制。軟面板由大量的虛擬控件組成。 2.6虛擬儀器系統的組建方案在虛擬儀器系統的組建方案，主要包括底層硬件、軟硬件接口、應用程序以及驅動程序的設計與開發。 2.6

40、.1制定所設計儀器的接口形式 如果儀器設備具有RS232串行接口，則直接用連線將儀器設備和計算機的RS-232串行口連接即可。如果是GPIB接口，需要額外配備一塊GPIB-488接口板，將接口板插入計算機的ISA插槽，建立起計算機與儀器設備之間的通信橋梁。如果使用計算機來控制VXI總線設備，則需要配置一塊GPIB接口卡，通過GPIB 總線與VXI主機箱零槽模塊通信。零槽模塊的GPIB-VXI翻譯器將GPIB 的命令翻譯成VXI命令并把各模塊返回的數據以一定的格式傳回主控計算機。DAQ數據采集卡是基于計算機標準總線的，因此可以將數據采集卡直接插到計算機的插槽上。 2.6.2開發硬件采集卡 一種典

41、型的數據采集卡組成包括，先用傳感器把非電的物理量轉變成模擬電量，采樣/保持器可以保持信號，實現對瞬時信號進行采集，以便ADC進行數字轉換，提高ADC轉換器的轉換精度。實現在測量中同時對多路模擬信號進行采樣。多路模擬開關可以分時選通多個輸入通道的某一路信號，這樣在多路開關后的單元電路，只需一套即可，也可以采用計算機進行多路選擇控制。當傳感器輸出的信號比較小，可以用放大器放大和緩沖輸入信號，如果采用的是可編程增益放大器就可以通過計算機進行增益選擇控制確定增益倍數。精度及性能是儀器系統的生命，而這完全依賴于提供基礎數據的信號采集控制電路，因此在硬件采集電路的設計時，需根據所設計的虛擬儀器所要達到的性

42、能指標和被測信號的特點，設計合理的系統結構。系統的結構合理與否，對系統的可靠性、性能價格比等有直接影響，在硬件和軟件功能的設計上要盡量使虛擬儀器的結構簡單，可靠性高，成本低廉，選用合適的單元器件，盡可能的提高采集卡采集的精度和速度。 2.6.3確定設計采集卡的設備驅動程序方案 采集卡的設備驅動程序是控制各種硬件采集卡的驅動程序，是連接主控計算機與信號采集調理部件的紐帶。驅動程序的實質是為用戶提供了用于儀器操作的較抽象的操作函數集，它是虛擬儀器核心軟件之一。 2.6.4確定虛擬儀器系統應用程序編程語言 虛擬儀器系統軟件結構的設計在體現整個系統的性能和靈活性方面作用很大，因此在開發虛擬儀器系統的軟

43、件部分時，首先要根據所開發的虛擬儀器功能和性能，確定應用程序和軟面板程序的模塊結構和功能，畫出各部分的流程圖，采用合適的編程語言。在編制虛擬儀器軟件中可采用兩種編程方法。一種是采用面向對象的可視化的高級編程語言，如VC+、VB和Delphi等編寫虛擬儀器的軟件，這種方法實現的系統靈活性高，易于擴充和升級維護。另一種是采用圖形化編程方法，如LabVIEW，HPVEE，采用圖形化編程的優勢是軟件開發周期短、編程較簡單，特別適合工程技術人員使用。總之在編寫程序時，要盡可能的讓每一模塊都有一定的獨立性，模塊之間明確定義接口，模塊之間可以采用數據傳遞的形式進行聯系。 2.6.5軟件調試和運行 程序編寫好

44、以后要對各模塊進行調試和運行，可以通過采集各種標準信號來驗證虛擬儀器系統功能的正確性和性能的優良性。小 結本章從硬件與軟件兩個方面對虛擬儀器進行了簡要的介紹，即虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。同其他技術相比，虛擬儀器技術具有四大優勢： 性能高、擴展性強、開發時間少和無縫集成。虛擬儀器技術將計算機應用于測試儀器之中，利用良好的虛擬儀器軟件平臺，充分發揮計算機強大的數據處理功能和豐富的圖形顯示功能，在屏幕上虛擬出與傳統儀器相似的顯示面板，用戶通過鍵盤和鼠標操縱面板上的虛擬開關、旋鈕、按鍵等，去控制儀器的運行、了解儀器的狀態、讀取并打印測

45、試結果等。另外，虛擬儀器開發周期短、成本低、維護方便，易于應用新理論與和新技術實現儀器的換代升級。第 三 章 系統總體設計3.1天然氣管線泄漏的聲波檢測與定位的原理與設計建立基于Lab VIEW的天然氣管線泄漏的聲波監測與定位系統，應該體現出以下特點：該設計能夠通過對泄漏聲波信號的綜合分析，首先判定管線是否泄漏，如果泄漏，再進行進一步的分析，通過數字濾波、頻譜分析和相關分析等信號處理函數,對泄漏點進行定位。在監測過程中，要實時的更新監測信息。要求系統設計盡量標準化、模塊化，有一定的通用性，不必改動太多就能適應新情況。1.運用測控方面的先進技術，選用價格合理的設備，結合課題應用智能傳感器，嵌入式

46、系統，網絡技術等提高系統性價比，縮短開發周期。同時要求操作和維護方便，人際界面友好。2.要求系統運行穩定可靠，能夠最大程度的精確泄漏與泄漏位置。圖3.1 系統硬件結構框圖3.2聲波檢測天然氣泄漏與定位的原理依據聲波不但能在空氣中傳播, 而且能在液體和固體中傳播。在空氣中傳播其傳播速度僅為340 m /s左右, 在鋼管表面傳播其傳播速度在5 000 m / s左右。 在天然氣管線的運輸過程中，通過安裝在天然氣管線首末兩端的聲波傳感器會接受到管道內的聲波信號。在泄漏處會產生泄漏的聲波信號。其低頻信號能夠遠距離傳輸。這樣，只要在管道首末端安裝能夠檢測到泄漏聲波信號的傳感器并對傳感器信號進行分析，就可

47、以檢測到兩個傳感器之間任一發生泄漏。當管道遭到破壞時, 破壞信號會沿管線上、下游傳送, 根據信號到達管線上兩個傳感器的時間差,可計算出破壞位置 。天然氣管道泄漏點定位原理如圖所示:圖3-2管道泄漏定位示意圖設兩傳感器間距離L為已知條件，X為泄漏點距首端傳感器的距離，對于燃氣輸送管道，設泄漏聲波傳播速度為a，管道內氣體流速為V，一般有a比V大兩個數量級以上，這樣可以認為泄漏聲波從首端傳到末端與末端傳到首端的時間相等。設泄漏點X處產生的泄漏聲波到達首端傳感器和末端傳感器的時間分別為t1，t2，計算公式為： t1=Xa-V （3-1） t2=L-xa+V （3-2）當氣體管道出現泄漏時，根據首末兩個

48、端點聲波傳感器所檢測到的聲波信號的時間差，即可估算聲波泄漏點的位置，如式（3-3） S = t2- t1= L-xa+V - Xa-V （3-3）X = 12aL（a-V）+（V2-a2）S （3-4）式中：L為首末端傳感器距離，單位為m，X為泄漏點到首端傳感器的距離，單位為m，a為管內聲波的傳播速度，單位為ms，V為管內氣體的流速，單位ms，S為首末端泄漏聲波到達的時間差，單位為s，設首端泄漏產生泄漏聲波傳到末端有t1=0，t2=L-xa+V；再設末端泄漏產生泄漏聲波傳到首端，則有t2=0，t1=La2V。兩者時間差的絕對值為t2-t1=2Va2-V2L （3-5）因為，aV100，由此引起

49、的定位誤差在首末端傳感器距離L的0.01以下，因此已經達到相當高的精度,所以計算時忽略V對a的影響，令V=0，公式（3-4）簡化為 X = L-aS2 （3-6） 首末端傳感器距離L 在安裝時已經確定,管道中泄漏聲波傳播速度a近似為音速, 那么泄漏點到首端傳感器的距離X主要取決于首末端泄漏聲波到達的時間差S的確定。3.3管道破壞實驗為了研究管道在遭到破壞時信號的多樣性，在尺寸已經確定的官道上進行各種破壞方式的聲模擬實驗。采集到的典型管道遭到敲擊破壞的波形特點是信號時域信號持續時間較短, 主要能量集中在4-5Khz左右。典型管道遭到切割破壞所采集到的波形的特點是信號的主要能量以3Khz為中心向兩

50、邊緩慢衰減，用工具破壞時, 時域信號是周期性的, 頻譜集中在6Khz以下。 典型管道泄漏所采集到的波形的特點是信號的主要能量集中在低頻區域(20Khz以下)。3.4管線聲波監測與定位系統的設計根據以上各種破壞方式的特征分析, 通過合理的軟件設計, 采用虛擬儀器軟件設計了天然氣管線聲波在線實時監測系統。系統首先讀入緩沖區中的數據進行濾波, 然后對數據進行頻譜分析。當信號中存在過閾值的數據時, 根據信號的頻率特征進行相關分析, 同時報告泄漏位置。作為虛擬儀器開發平臺, 和其他同類產品相比, LABVIEW在數據采集、存儲、顯示、信號處理和數據傳輸等方面顯示了強大的功能 。在這里綜合運用數字濾波、頻

51、譜分析和相關分析等信號處理函數, 使定位精度進一步提高。該系統核心采用對泄漏聲波的互相關分析，求出極大值的算法確定時間, 從而進行泄漏點的定位。小 結 本章綜合講述了天然氣管線泄漏聲波檢測與定位設計的基本理論依據，主要包括天然氣泄漏的原理，管道破壞試驗，及系統總體設計。在天然氣管線泄漏的原理中，重點闡述了如何判斷管線泄漏，通過聲波如何定位泄漏點的原理，列出了具體的運算公式，對于定位至關重要的時間差給出了詳細的運算公式。在管道破壞試驗中，敘述了典型的管道破壞信號的波形及其特點。最后，簡明的概括了系統的設計方案。 第 四 章 系統硬件設計4.1天然氣管線泄漏的聲波檢測與定位系統的硬件組成4.1.1

52、傳感器概述隨著社會的進步，科學技術的發展，特別是近20年來，電子技術日新月異，計算機的普及和應用把人類帶到了信息時代，各種電器設備充滿了人們生產和生活的各個領域，相當大一部分的電器設備都應用到了傳感器件，傳感器技術是現代信息技術中主要技術之一，在國民經濟建設中占據有極其重要的地位。 人是通過視覺、嗅覺、聽覺及觸覺等感官來感知外界的信息，感知的信息輸入大腦進行分析判斷（即人的思維）和處理，再指揮人做出相應的動作，這是人類認識世界和改造世界具有的最基本的本能。但是通過人的五官感知外界的信息非常有限，例如，人總不能利用觸覺來感知超過幾十甚至上千度的溫度吧，而且也不可能辨別溫度的微小變化，這就需要電子

53、設備的幫助。同樣，利用電子儀器特別像計算機控制的自動化裝置來代替人的勞動，那么計算機類似于人的大腦，而僅有大腦而沒有感知外界信息的“五官”顯然是不足夠的，中央處理系統也還需要它們的“五官”即傳感器。 人的五管是功能非常復雜、靈敏的“傳感器”，例如人的觸覺是相當靈敏的，它可以感知外界物體的溫度、硬度、輕重及外力的大小，還可以具有電子設備所不具備的“手感”，例如棉織物的手感，液體的粘稠感等。然而人的五官感覺大多只能對外界的信息作“定性”感知，而不能作定量感知。而且有許多物理量人的五官是感覺不到的，例如對磁性就不能感知。視覺可以感知可見光部分，對于頻域更加寬的非可見光譜則無法感覺得到，像紅外線和紫外

54、線光譜，人類卻是“視而不見”。借助溫度傳感器很容易感知到幾百度到幾千度的溫度，而且要做到1的分辨率輕而易舉。同樣借助紅外和紫外線傳感器，便可感知到這些不可見光，所以人類才制造出了具有廣泛用途的紅外夜視儀和X光診斷設備，這些技術在軍事、國防及醫療衛生領域有著極其重要的作用。 在工農業生產領域，工廠的自動流水生產線，全自動加工設備，許多智能化的檢測儀器設備，都大量地采用了各種各樣的傳感器，它們在合理化地進行生產，減輕人們的勞動強度，避免有害的作業發揮了巨大的作用。在家用電器領域，全自動洗衣機、電飯褒和微波爐都離不開傳感器。醫療衛生領域，電子脈搏儀、體溫計、醫用呼吸機、超聲波診斷儀、斷層掃描（CT）

55、及核磁共振診斷設備，都大量地使用了各種各樣的傳感技術。這些對改善人們的生活水平，提高生活質量和健康水平起到了重要的作用。在軍事國防領域，各種偵測設備，紅外夜視探測，雷達跟蹤、武器的精確制導，沒有傳感器是難以實現的。在航空航天領域，空中管制、導航、飛機的飛行管理和自動駕駛，儀表著陸盲降系統，都需要傳感器。人造衛星的遙感遙測都與傳感器緊密相關。沒有傳感器，要實現這樣的功能那是不可能的。 此外，在礦產資源、海洋開發、生命科學、生物工程等領域傳感器都有著廣泛的用途，傳感器技術已受到各國的高度重視，并已發展成為一種專門的技術學科。 傳感器是攝取信息的關鍵器件，它與通信技術和計算機技術構成了信息技術的三大

56、支柱，是現代信息系統和各種裝備不可缺少的信息采集手段，也是采用微電子技術改造傳統產業的重要方法，對提高經濟效益、科學研究與生產技術的水平有著舉足輕重的作用。傳感器技術水平高低不但直接影響信息技術水平，而且還影響信息技術的發展與應用。目前，傳感器技術已滲透到科學和國民經濟的各個領域，在工農業生產、科學研究及改善人民生活等方面，起著越來越大的作用。許多尖端科學和新興技術更是需要新型傳感器技術來裝備，計算機的推廣應用，離不開傳感器，新型傳感器與計算機相結合，不但使計算機的應用進入了嶄新時代，也為傳感器技術展現了一個更加廣闊的應用領域和發展前景。4.1.2傳感器的選型原則傳感器是一種以一定的精確度把被測量轉換為與之有確定關系的、便于應用的物理量的測量裝置。圖4-1傳感器工作流程圖傳感器的選型主要從測量對象和環境、靈敏度、頻率響應特性、線性范圍、穩定性和經濟性等方面考慮。（1）根據測量對象與測量環境。要進行一個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多