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1、基于虚拟仪器的压力监测系统1第第 1 1 章章 绪论绪论1.1 论文背景随着天然气使用的普及，越来越多的天然气开始被应用于居民的生活以及各行各业的工作中。随之而来的就是更多的天然气管道被铺设在城市以及工业现场。天然气开始担任更多的关键角色，比如医院，工厂，学校的供暖设施，居民的日常生活等。这就对供气站的供气质量提出了更高的要求。当供气站的供气压力由于阀门堵塞而变的很小时，经过管道的运输减压，到达使用端时供气压力已经不能使天然气被正常使用了。或则当高压段的阀门没有很好的减压，而使天然气在管道中以很高的压力来传输时，就有可能使管道爆破，而天然气又属于易燃易爆的气体，这样就会带来安全事故。所以对供气
2、站供气压力的检测是非常重要的。天然气中转站图1-1一般分为高压中转站和中压中转站。其中高压中转站一般设立在天然气被开采的那一端，它主要负责将天然气运输到各个城市。中压中转站一般设立在大型医院，工厂或则居民区里，它主要负责将天然气运输到各个使用端口。而压力记录仪一般就使用在天然气中转站中。用来实时的监测管道的压力。图1-1天然气中转站示意图一般我们是在供气站阀门的两侧来采集压力值，根据两侧的压力值来判断出当前阀门是否正常工作，再分别根据两侧的压力值来判断压力是否超出了标准范围，从而采取相应的措施。所以为了保证天然气的供气质量，对压力的监测是非常重要的。当供气压力不正常的时候，现场工人就能够及时的
3、去调整减压阀门或则检查运输管道。如上图所示，由高压侧运输过来的天然气首先经过中压进气阀门的调节，然后由过滤器过滤，由于运输过来的天然气里可能含有杂质，所以必须要经过过滤器来过滤杂质，否则，运输时间长了以后就有可能堵塞阀门或则管道，从而造成通气不基于虚拟仪器的压力监测系统2畅。在经过过滤器之后，就要由我们的压力检测设备来检测主调压阀之前的压力值了，进口的压力范围一般在0.020.8MPa，所以，在高压侧我们要采用一个量程大的压力记录仪P1，在经过主调压器之后，管道气体的压力范围一般在1.5440KPa 之间，所以我们采用一个量程小的压力记录仪P2 来测量压力就行了。当中压出气处的压力过大时，安全
4、阀门就会打开，从而主阀门关闭。测控技术在现代科学技术、工业生产和国防科技等诸多领域中应用十分广泛，它的现代化已被认为是科学技术、国防现代化的重要条件和明显标志。20 世纪 70年代以来，计算机、微电子等技术迅猛发展，在其推动下，测控仪器与技术不断进步，相继诞生了智能仪器、PC 仪器、VXI 仪器、虚拟仪器及互换性虚拟仪器等微机化仪器及其自动测控系统，计算机与现代化仪器设备间的界限日渐模糊，测控领域和范围不断拓宽 。电子测量技术作为测控技术的一部分，其发展总是与自然科学，特别是电子技术的最新发展紧密相连。从传统的电测量指示仪表、数字化仪表到智能仪器，再到虚拟仪器，电子测量技术发生了革命性变化。虚
5、拟仪器改变了传统测量仪器的概念、模式和结构，用户完全可以自己定义一起的功能和参数，即“软件即是仪器” ，虚拟仪器以其特有的优势显示了强大的生命力。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程技术，代表了测量仪器与自动测试系统的未来发展方向。采用虚拟仪器构建测试仪器，开发效率高，可维护性强，测试精度、稳定性和可靠性能够得到充分的保证，具有很高的性能价格比，节省投资，便于设备的更新和功能的转换与补充。因此，虚拟仪器在产品性能测试、设备故障诊断、生产过程控制中得到普遍应用。1.2 国内外研究进展对于天然气管道压力检测设备的研究，到目前为止在国外的文献上还查不到太多电子式
6、的压力记录设备，大多还是采用机械式的压力监测设备。从很早就开始了研究。根据我国的天然地理位置，天然气主要集中在四川省。我国建成的第一条天然气运输线是巴渝输送管道，当时还是采用机械式的压力表来监控的配气站压力。然而随着电子技术的发展，最近我国国内涌现出了一批制造电子式压力记录仪的公司，比如：（1）北京中西远大科技有限公司。他们生产的DruckTest2000，主要用于天然气管道的压力检测。屏幕上可以同时显示历史最大和最小压力值，以及当前压力值。测量范围020MPa 以及20200MPa，测量精度能够达到0.5%。（2）宝鸡恒通电子有限公司。他们生产的平膜型NP93420-II 压力记录仪，也主要
7、是应用于天然气管道的压力测量，测量范围07MPa，最小量程为5KPa，测量精基于虚拟仪器的压力监测系统3度能够达到0.1%。（3）广州骏凯电子科技有限公司。他们生产的便携式数字微压记录仪JKDP2000，主要应用于各种管道，烟道内较小静压，全压，动压的测量。它具有体积小，重量轻，现场测试准确，简便，快速等特点。它的测量范围是01999Pa，分辨率能够达到1Pa 左右。1.3 论文主要任务本论文的主要任务有：（1）研究目前天然气管道压力的监测方法。（2）学习虚拟仪器Labview并利用其进行图形化编成；（3）调试程序并实现对天然气管道气体压力的虚拟监控；1.4 课题的实现对于本课题，有很多的实现
8、方法，然而由于资金与实验条件的多种限制，我只能用虚拟仪器的方式来简单地模拟天然气管道压力监测。而如今的科技发展离不开计算机，而作为 PC 机应用程序的 Labview 作为一种图形化编程的语言,使用方便而且满足功能因此被我选择使用设计并实现此课题。Labview 是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于 C 和 BASIC 开发环境，但是 Labview 与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而 Labview 使用的是图形化编辑语言 G编写程序，产生的程序是框图的形式。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的
9、研究中涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言是美国 NI 公司的 Labview。图形化的程序语言，又称为“G”语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，Labview 是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。基于虚拟仪器的压力监测系统4第第 2 2 章章 压力监测系统总体设计压力监测系统总体设计2.
10、1 设计思路本设计为天然气管道气压监测系统，并通过 Labview 进行图形化编程。整体设计思路如下：利用压力传感器监测压力信号此信号为模拟信号，并由数据采集系统进行A/D 信号转换将模拟信号转换成数字信号送入 PC 机。进入 PC 机的数字信号由 Labview软件采集，通过设计图形化的界面实现对天然气管道气体压力的动态数据（波形）显示并实现简单的报警和控制。在采集信号的同时可设定信号上限，超出的信号不能显示出来并使路灯闪亮(报警)。对于虚拟仪器 LABVIEW，软件才是它的核心。在规划、设计整个系统软件时应坚持以下几个原则：操作界面友好，使用方便。以方便习惯使用现有测量仪的人员的使用；另一
11、方面也是让工作人员更容易接受这套系统。labview 软件设计动态特性测试系统，实现数据采集、波形显示、静态特性分析、数据保存及回放等功能。这些功能主要通过 Labview 软件实现的。本实验的软件部分主要设计四个部分：信号的采集、数据的写入、数据的读出、数据的拟合。最后在软件的前面板显示出动态特性测试结果。图2-1 为系统总体设计框图。信号输入 输出信号输出信号数据采集PC 机LABVIEW图 2-1 系统总体设计框图利用压力传感器，传感器输出的信号送入电路转换为电压信号，再送入数据采集卡将模拟量到数字量的转换，并输入到 PC 机中，然后利用 PC 机中的 LABVIEW 图形化编程软件将输
12、入的电压信号处理输出并且显示，并对信号进行分析对超限信号起到报警功能和简单的控制功能。图 2-2 为系统的总细节框图。基于虚拟仪器的压力监测系统5报警LABVIEW数据 处理压力传感 器接受压 力信号数据采集卡 接受模拟信 号进行 A/D 转换成数字 信号压力信号存储显示压力数据的 曲线和数字实时显示数据 接收控制图 2-2 系统总体细节框图 基于虚拟仪器的压力监测系统6第第 3 3 章章 压力压力传感器传感器3.1 压力传感器定义压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、
13、管道等众多行业，面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。3.2 压力传感器分类1.应变片压力传感器电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件 。2.陶瓷压力传感器 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变 。3.扩散硅压力传感器工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。4.蓝宝石压力传感器 利用应变电阻式工作原理，采用硅 - 蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计 量
14、特性。 5压电压力传感器压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失。3.3 传感器的使用原则现代传感器在 原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作，首先要考虑采
15、用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测基于虚拟仪器的压力监测系统7量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。2灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较
16、大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3.频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有 定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点 (稳态、瞬态、随机等 )响应特性，以免产生过火的误差。4.线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，
