基于LabVIEW的天然氣水合物電-聲聯合探測實驗裝置測控軟件開發

朱 泰1，邢蘭昌1，祁 雨1，劉昌嶺，孟慶國，劉樂樂

(1.中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院，山東 青島 266580；2.青島海洋地質研究所自然資源部天然氣水合物重點實驗室，山東 青島 266071；3.青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266071)

0 引言

圖1 電-聲聯合探測實驗裝置硬件結構組成圖

天然氣水合物是氣體分子與水在低溫、高壓條件下形成的類冰狀的非化學計量的籠形結晶水合物[1]。自然界中的水合物大多賦存于海底沉積物中，形成的天然氣水合物以甲烷水合物為主，作為一種儲量巨大的、潔凈的新型替代能源，天然氣水合物的勘探與開發受到了世界各國的普遍關注[2]。由于天然氣水合物所處的地質條件有差異，其分布和形成機制也不相同，開發天然氣水合物之前首先要對儲層中水合物的分布特征和儲層的物性特征進行準確評估，其中含水合物飽和度是是儲層評價的重要目標參數。由于含水合物沉積層比普通圍巖層具有更高的縱波速度和電阻率，且地層中水合物的含量與縱波速度和電阻率密切相關，聲波測井和電阻率測井成為定量評價水合物儲層的有效手段。為了滿足開展天然氣水合物模擬實驗、測試沉積物電學和聲學特性參數以及建立特性參數與含水合物飽和度之間定量關系的需求，前期開發了一套電-聲響應特性聯合探測實驗裝置[3]，該實驗裝置具有測試參數眾多、測試過程復雜等特點，因此急需開發一套測控軟件以滿足實驗裝置對自動化操作的高要求。

虛擬儀器技術提供了一種靈活、高效的測試系統實現方案，使原本松散組合且不兼容的測量系統發展成為緊密融合的虛擬測量系統，其主要思想是利用計算機來管理儀器、組織儀器系統，將傳統儀器中部分硬件電路用軟件來實現[4]。基于對天然氣水合物電-聲聯合探測實驗裝置的需求分析以及虛擬儀器技術優點的認識，本文在現有實驗裝置硬件的基礎上，運用軟件工程中的模塊化、功能化的設計思想，以LabVIEW為平臺開發了一套電-聲響應特性聯合探測實驗裝置的測控軟件。該軟件包括實現測控軟件的啟動和用戶登錄功能的“啟動和登錄模塊”、實現測試參數設置功能的“參數設置模塊”、實現對電聲復合傳感器進行有效激勵的“信號發生模塊”、實現電聲復合傳感器與激勵模塊以及傳感器與數據采集模塊之間分時連通功能的“多路切換模塊”、實現數據采集和預處理功能的“數據采集及處理模塊”、實現數據的數值和曲線顯示及數據保存的“數據顯示及保存模塊”、協助用戶實際操作與排查故障的“錯誤處理和幫助信息模塊”。所開發的測控軟件擴展性和可維護性強，人機交互界面簡潔直觀，自動化程度高，避免了人力耗費過大和人工參與過多對測試結果的不良影響，保證了測試結果的準確性和可靠性，提高了模擬實驗測試的工作效率。

1 實驗裝置硬件與軟件需求分析

1.1 實驗裝置硬件組成

天然氣水合物電-聲響應特性聯合探測實驗裝置包括兩個功能單元，即環境模擬單元和參數測試單元。環境模擬單元主要包括低溫恒溫箱、反應釜、增容氣罐和高壓氣瓶；參數測試單元主要包括電聲復合傳感器、溫度壓力傳感器、信號切換模塊、信號調理模塊、信號發生模塊和數據采集模塊。電-聲聯合探測實驗裝置硬件結構組成示于圖1所示。

電聲復合傳感器主要由電極、超聲晶片、外殼、引線和接頭構成[3]。反應釜為不銹鋼圓柱形筒體，反應釜共安裝16個電聲復合傳感器，分為上下兩層等間隔布置于反應釜側面(如圖1所示)。溫度傳感器為雙感溫PT100，將9支溫度傳感器自反應釜底部插入釜內，每支溫度傳感器有2個溫度敏感元件，采用3支壓力傳感器分別測量沉積物的軸向壓力、孔隙壓力和增容氣罐內氣體壓力。

信號切換模塊采用低壓切換開關(PXI-632)和高壓切換開關(PXI-331)分別實現電學和聲學信號的切換，完成電聲復合傳感器與激勵模塊、傳感器與數據采集模塊之間的分時連通。信號調理模塊包括電流/電壓轉換電路、超聲波接收信號的前置放大電路、測試被測介質阻抗參數的阻抗測量電路。信號發生模塊包括低壓激勵源和高壓激勵源，低壓激勵源(采用函數發生器板卡PXI-5402)為電學測試提供低壓掃頻信號，高壓激勵源(采用任意波形發生器ARB1410)為聲學測試提供高壓脈沖信號。數據采集模塊采用高速同步數據采集卡PCIE-1840和低速異步數據采集卡PCI-1713，分別與多路切換開關連接用以實現對電學、聲學、溫度和壓力數據的采集。

1.2 測控軟件功能需求分析

1)啟動與登錄:為了啟動測試軟件和保護系統開發者以及使用者的權限和數據安全，測控軟件應具有軟件啟動和用戶登錄功能。

2)參數設置:該軟件能夠完成對電學激勵信號參數、聲學激勵信號參數、采樣參數和工作周期、保存路徑等參數進行設置。

3)激勵信號產生:為了產生激勵電聲復合傳感器的信號，需要對函數發生器板卡PXI-5402和任意波形發生器ARB1410進行配置以實現對激勵源輸出信號的調節。

4)多路切換:為了避免電學和聲學傳感器同時工作而可能引起的相互干擾以及節約激勵信號源和高速數據采集卡資源，利用多路切換開關輔助實現陣列式傳感器的分時輪流工作模式。測控軟件需要按照所設計的分時輪流工作模式對多路切換開關進行控制以實現電聲復合傳感器與激勵模塊、傳感器與數據采集模塊之間的分時連通。

5)數據采集與分析處理:數據采集部分需要采集2路電學測試信號和1路聲學信號、17路溫度信號和3路壓力信號。對于電學測試信號，由于測試過程中采用不同頻率的激勵信號對電學傳感器進行激勵，軟件則需要根據激勵信號的實際頻率對采樣頻率、采樣點數和采樣等待時間等參數進行自動實時調整。對于聲學測試信號，激勵信號的頻率固定不變，軟件只需設置固定的或者手動可調的采樣頻率和采樣點數、采樣等待時間等參數。為了降低噪聲的干擾、提高測試的準確性，需要對采集到的電學信號、聲學信號、溫度和壓力信號進行濾波處理，在此基礎上進一步對濾波后的信號進行分析處理，獲得能夠反映被測介質狀態的特征參數，如阻抗模值和相角、超聲波信號的主頻和幅值等。

6)數據顯示與保存:為了能直觀的觀察反應釜中沉積物被測介質的狀態參數，需要對預處理獲得的電學阻抗模值，超聲傳播時間、超聲波信號幅值、溫度和壓力值進行實時數值和波形顯示。針對大量的測試數據，為了便于后期的數據管理和分析，需要首先對數據進行分類繼而分別保存于各類文件夾中。需要保存的數據包括原始采集數據和預處理后的數據。

7)錯誤處理與幫助:為了便于用戶掌握軟件操作方法、自行排查使用過程中的問題，測控軟件應包括錯誤處理模塊和幫助模塊。

2 測控軟件設計

依據上述功能需求對測控軟件的功能進行模塊化分解，設計了啟動和登錄模塊、參數設置模塊、多路切換模塊、數據采集與處理模塊、數據顯示與保存模塊、錯誤處理模塊和幫助信息模塊。圖2所示為測控軟件運行時的工作流程圖，以下進行具體解釋：

圖2 測控軟件工作流程圖

1)軟件啟動后，進入用戶登錄界面，登錄成功后則進入自動測試用戶界面，在此界面實施參數初始化操作以初步完成對系統參數的設置，從而完成“開始測試”前的準備工作；

2)通過程序控制高低壓多路切換開關，依照電聲復合傳感器陣列的工作模式依次實現所需通道的導通，然后控制信號發生模塊產生激勵信號，同時控制數據采集與模塊對各路信號進行采集并進行實時處理；

3)數據顯示與保存模塊對上述處理結果進行實時波形和數值顯示，并同時進行保存操作；

4)在用戶發出停止測試指令之前，軟件不斷重復上述自動測試過程，實驗完成后用戶發出指令則退出測控軟件。

3 測控軟件開發

3.1 啟動與登錄模塊

啟動與用戶登錄模塊的程序如圖3所示。在啟動模塊中，加載軟件顯示加載進度并將文件加載結果顯示在啟動界面，加載成功后啟動界面自動關閉。

圖3 啟動與用戶登錄模塊部分程序框圖

軟件調用登錄界面子vi進入用戶登錄模界面，其主要功能為識別合法用戶。程序首先從讀取的數據庫信息中獲取列索引的一維數組(該數組存儲了有效用戶名信息)，然后調用搜索一維數組函數對用戶名進行搜索和判斷，在判斷用戶名有效之后則進行密碼匹配。

3.2 參數設置模塊

參數設置模塊主要包括電學測試參數、聲學測試參數、采樣參數和工作周期等的設置。根據參數類型的不同，參數設置分別采用數值輸入控件和字符串輸入控件。對于包含多個不同數值類型的輸入，如控制電學激勵信號所需設置的頻率掃描范圍、掃頻方式、掃描點數等，則采用簇數組將不同類型的輸入進行整合。

軟件通過參數初始化功能對所需配置的參數進行默認值設置。在while循環中定義一個事件結構，即事件驅動方式[5]，當“參數初始化”驅動事件發生時，則執行對各參數的默認值設置。

3.3 多路切換模塊

電聲復合傳感器陣列的工作模式如圖4所示。S1～S8代表8個電聲復合傳感器，S1-E和S1-U分別表示復合傳感器S1的電學傳感器和聲學傳感器部分。參照圖7所示的傳感器工作模式，圖中傳感器之間的連線表示兩個傳感器構成一對工作的傳感器。

圖4 電聲復合傳感器陣列的工作模式

1)以電極S1-E為發射端，分別以電極S5-E、S6-E、S7-E、S8-E為接收端，通過控制低壓切換開關，按順序測量上述4個電極對之間，在1Hz～10MHz頻率范圍內22個頻率點的阻抗譜；

2)以S1-U為超聲波發射探頭，分別以S5-U、S6-U、S7-U、S8-U為超聲波接收探頭組成超聲波探頭對，通過高壓切換開關，依次完成發射接收并采集超聲波信號；

3)依次把S2-E、S2-U、S3-E、S3-U、S4-E、S4-U作為發射端，S5-E、S6-E、S7-E、S8-E/S5-U、S6-U、S7-U、S8-U作為接收端，重復(1)、(2)，完成上層傳感器測試；

4)針對下層電聲復合傳感器陣列，重復上述1)～3)步驟，完成對下層電聲傳感器的測試。

對每個被測試點均采用上述4個步驟，間隔40 min重復以上步驟。

在多路切換模塊中，程序首先調用Open Specified card.vi設置總線和擴展插槽，然后調用Op Bit.vi確定輸出子單元和比特數，依據工作模式的需要閉合相應的開關，最后在測試完成后調用Close Specified Card.vi斷開對應的開關。多路開關切換模塊部分程序如圖5所示。

圖5 多路切換模塊部分程序框圖

3.4 激勵信號產生模塊

激勵信號產生模塊包含高壓聲學激勵信號產生部分和低壓電學激勵信號產生部分。

聲學激勵信號產生部分的程序采用順序結構(如圖6所示)。首先調用AM control.vi對激勵信號類型(正弦波、方波、三角波、鋸齒波)、頻率、每次發出信號周期數等參數進行設置，然后調用Signal control.vi對激勵信號的幅值、延遲時間、濾波器頻率、偏移量等參數進行設置，最后調用Trigger control.vi和High vlotage.vi完成對激勵信號的模式、重復頻率、觸發輸出模式等參數的設置，進而實現高壓聲學激勵信號的產生。

圖6 聲學激勵信號產生模塊程序框圖

電學激勵信號產生部分的程序與聲學部分類似，同樣采用順序結構。首先調用Initialize.vi對函數發生器進行初始化，然后依次調用Configure Channel.vi、Configure Output Mode.vi、Configure Standard Waveform.vi、Configure Channel.vi完成信號源名稱、信號通道、輸出模式、信號頻率、幅值、偏移量、初始相位等參數設置，此后利用Initial Generation.vi和Abort Generation.vi來啟動激勵信號產生和終止信號產生，最后調用Close.vi關閉函數發生器來清除已設定的參數并釋放所有的內存資源。掃頻方式分為線性掃描和對數掃描，也可以根據需要由用戶輸入掃描的頻率點，程序采用For循環依次調用包含所設定頻率值的數組，完成對激勵信號頻率的設定。

3.5 數據采集與處理模塊

數據采集部分利用板卡驅動程序中DAQNavi Polymorphic.vi函數庫來實現對數據采集卡PCIE-1840和PCI-1713的配置，分別用于采集聲學、電學、溫度和壓力信號。程序首先調用DAQNavi Create Channel.vi創建虛擬通道，指定I/O通道類型、通道數量和設備號來執行數據采集任務，然后調用DAQNavi Timing.vi實現對采樣點和采樣頻率的設置，之后調用DAQNavi Read.vi從緩存中讀取數據，并通過添加While循環實現數據的連續讀取，在循環讀取數據結束后，調用DAQNavi Clear Task.vi停止數據采集任務并進行清除緩存和所占用內存等操作，釋放數據采集所占用的資源[6]。

聲學信號采集采用外部觸發方式，即ARB-1410發出高壓脈沖的同時產生一個同步信號至PCIE-1840觸發端口，繼而觸發PCIE-1840對聲學信號進行采集，實現聲學激勵信號產生和聲學信號采集的時間同步。電學信號采集采用軟件觸發方式，即電學信號激勵時同時采集兩路阻抗測量信號，采集完成后終止電學激勵信號的產生。電學信號采集程序根據激勵信號頻率的不同自動調整采樣頻率、采樣長度和采樣等待時間等參數，此類參數設置的程序框圖如圖7所示。

圖7 電學信號采集部分程序框圖

對于聲學測試信號，首先通過局部置零的方式消除超聲波激勵脈沖信號產生時對接收端干擾導致的虛假幅值波動，然后再利用帶通濾波器濾除45 kHz附近之外的其他頻率的干擾信號。對濾波后的信號進行傅里葉變換以獲取主頻信息，利用波峰檢測方法獲得信號峰值。溫度和壓力測試單元采集20路電壓信號，對每次采樣得到的各路信號求平均值，經過標度變換后將平均壓力和溫度值送入數據顯示與保存模塊。

對于電學測試信號，根據阻抗測量原理由式(1)來計算被測介質的阻抗模值，V1和V2分別為采集到的兩路正弦電壓信號的幅值[7]。

(1)

電學測試數據預處理部分的程序框圖如圖11所示。首先利用具有線性相位的FIR濾波器對同步采集的V1和V2進行數字濾波[8]，然后利用FFT譜分析法對V1和V2進行頻譜分析分別得到兩個信號的相位[9-10]，被測介質阻抗的相角由式(2)計算。

φz=φv1-φv2

(2)

式中,φv1為信號V1的相位，φv2為信號V2的相位。

3.6 數據顯示與保存模塊

數據顯示模塊采用數值顯示控件、圖形顯示控件(波形圖、波形圖表、Express XY圖)等實現顯示功能，依據測控軟件對聲學、電學以及溫度和壓力特征參數實時顯示功能的要求，選擇基本的數值顯示控件來顯示，對于波形顯示，選用波形圖表控件來完成數據的實時顯示。

首先利用File Path.vi設定保存路徑，然后打開創建文件輸入文件名，通過Dynamic Data Conversion.vi把數組轉換為字符串，調用Array To Spreadsheet String.vi將數組轉化成電子表格字符串，再調用Write To Text File.vi將字符串寫入指定文件中，最后調用Close File.vi實現數據的保存。在設置保存路徑、文件名、保存格式之后，軟件運行時即可自動將原始數據、處理后數據和測量結果保存到分類后的指定文件夾中。

3.7 錯誤處理模塊

錯誤處理模塊既能為用戶提示操作錯誤，也能監測軟件的基本故障。一旦發生錯誤或故障，錯誤代碼則傳遞到前面板錯誤提示框中，以便用戶及時分析和查看錯誤或故障產生的原因。錯誤處理模塊部分框圖如圖8所示。當“error in”不包含錯誤時，將執行條件框“無錯誤”內的代碼(圖8a)，如果“error in”包含錯誤時，將執行條件框“錯誤”內的代碼(圖8b)，錯誤代碼將被傳遞到“error out”，將各個錯誤狀態通過隊列傳輸到錯誤模塊內，繼而將提示信息顯示在前面板錯誤提示框中[11]。

圖8 錯誤處理模塊部分程序框圖

3.8 幫助信息模塊

幫助信息模塊包括兩部分：軟件功能介紹和軟件使用手冊。程序首先調用Build Path.vi創建路徑，然后調用Path To Array of Strings.vi將路徑進行字符串數組轉換，再調用Concatenate Strings.vi連接字符串數組，最后調用System Exec.vi執行命令行應用程序實現對PDF說明文件的調用和顯示[12]。

3.9 圖形用戶界面

圖形用戶界面是用戶和測控軟件交互的接口，通過接收用戶的操作指令調用各個功能模塊，控制實驗裝置的運行狀態，最終完成相應的測試任務、顯示和保存測試結果。

啟動界面是用戶交互界面中的第一個界面[13]，本著簡潔、明了的原則，其內容包含軟件的版本號、軟件開發單位等信息。用戶登錄界面包含用戶名和密碼輸入框、用戶登錄、用戶管理、修改密碼和退出系統。

用戶登錄成功后則進入自動測試用戶界面，如圖9所示。自動測試用戶界面包含三個部分：電學參數設置及顯示、聲學參數設置及顯示、溫度壓力參數設置及顯示。在前面板上顯示傳感器的實際排布方式，利用指示燈的形式模擬電聲復合傳感器的工作模式，以指示燈的明暗來表示傳感器是否處于工作狀態。界面最右側一欄設有初始化、開始測試、開始保存、停止測試和退出系統等五個功能按鈕，分別進行參數初始化、測試開始，數據開始保存、測試停止、退出系統功能等操作。

圖9 電-聲響應特性聯合探測測控軟件界面

4 軟件測試與應用

為測試該軟件的性能，在實驗室環境下測試了含水合物多孔介質生成過程中的電聲聯合響應特性。實驗中采用的甲烷氣體的純度為99.99%，孔隙水濃度為3.5wt%，沉積物是粒徑為0.18～0.25 mm、孔隙度為38.4%的天然海沙。

用戶成功登錄軟件后，首先利用初始化功能對測試參數進行默認設置。電學激勵信號幅值為1 V，掃描方式為手動輸入頻率掃描，數據采集范圍為±5 V；聲學激勵信號為正弦波，信號幅值為150 V，信號頻率為45 kHz，數據采集范圍為±10 V，采樣頻率為5 MHz，采樣點數為4 096；溫度壓力數據采集間隔時間為15 s，工作周期為40 min。

圖10所示為實驗過程中含水合物飽和度和超聲波接收信號的波動幅度平均值的變化曲線。在t<20 h階段，水合物具有較高的生成速率，此后水合物生成速率有所降低；超聲波信號波動幅度值受到有效壓力和含水合物飽和度的共同影響。圖11所示為實驗過程中含水合物飽和度和100 kHz阻抗模值平均值的變化曲線。水合物生成初期水合物生成初期，含水合物飽和度較低，水合物生成產生的排鹽效應，導致孔隙水濃度增加，則阻抗模值逐漸降低；隨著水合物生成量的增加，水合物逐漸堵塞多孔介質的孔隙致使阻抗模值隨之升高。

圖10 超聲接收信號的波動幅度平均值、有效壓力和含水飽和度隨時間變化的曲線

圖11 下層各傳感器100 kHz阻抗模值平均值和含水合物飽和度隨時間變化曲線

軟件測試與應用結果表明了所開發的軟件各模塊功能運行良好，其可靠性、穩定性、實時性均滿足設計的需求。測控軟件根據開發者所設計的陣列式傳感器工作模式控制多路切換開關的閉合與斷開，實現電聲復合傳感器與激勵模塊、傳感器與數據采集模塊之間的分時連通，最終實現激勵信號的產生、多路開關的切換以及數據的采集等任務。采集到的各路信號首先經過數據預處理，然后在測控軟件前面板上進行數值或者波形圖顯示，軟件同時將原始數據以及處理后的數據實時保存于硬盤。通過對實驗結果進行分析可知，實驗過程中溫度、壓力、超聲波接收信號的波動幅度值、阻抗模值等特征參數的變化均能夠合理地反映甲烷水合物在多孔介質中的生成過程。

5 結束語

開發天然氣水合物模擬實驗系統是開展室內水合物實驗研究的前提工作。水合物模擬實驗系統普遍具有測試參數眾多、測試過程復雜等特點，因此需要開發功能完善的測控軟件以滿足實驗系統對自動化操作的高要求。在分析軟件功能需求的基礎上，運用軟件工程中的模塊化、功能化的設計思想，以LabVIEW為平臺開發了一套電-聲聯合探測實驗裝置的測控軟件，避免了人力耗費過大和人工參與過多對測試結果的不良影響，提高了測試結果的準確性和可靠性以及模擬實驗測試的工作效率。滿足了天然氣水合物生成分解過程中的測試要求，為研究含水合物多孔介質的電聲聯合特性提供了技術手段。

虛擬儀器技術提供了一種靈活、高效的測試系統實現方案，基于LabVIEW所開發的測控軟件具有自動化程度高、界面友好、擴展性強的特點，符合模塊化、功能化、通用化的軟件工程設計思想，開發周期短且便于維護。所開發的天然氣水合物電-聲聯合探測實驗裝置測控軟件可為其它多參數聯合測試裝置的軟件開發提供有益的借鑒。