Cortex-M3的次聲波輸氣管道泄漏檢測系統(tǒng)

摘要：隨著國內(nèi)外天然氣管道建設的迅速發(fā)展，管道的安全運行在當前尤為重要。采用基于Cortex-M3內(nèi)核的高性能STM32處理器對管線中的聲波進行采集和分析，從而判斷出管道是否泄漏。在檢測到泄漏之后，把泄漏信號遠傳到數(shù)據(jù)中心，在管道兩端ms級時間同步的情況下能對泄漏點進行精確定位，實現(xiàn)了輸氣管道泄漏快速檢測和報警的功能，以及管網(wǎng)的數(shù)字化智能監(jiān)控。
關鍵詞：次聲波；泄漏檢測；ARM；GPS；GPRS

引言
隨著管道運輸在天然氣集輸系統(tǒng)中所占的比重日益增大，由于管道占壓、腐蝕、老化及盜氣引起的管道泄漏情況也嚴重威脅輸氣管道系統(tǒng)的安全正常運行。能及時檢測出管道泄漏情況并對泄漏位置進行及時定位，可以最大限度地減少經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。目前，國內(nèi)外有很多方法對油氣輸送管道進行泄漏檢測。根據(jù)檢測媒介的不同可分為直接檢測法和間接檢測法。直接檢測法主要靠人工巡線，通過觀察泄漏時表露出地表的痕跡和散發(fā)出的氣味等進行判斷；間接檢測法就是根據(jù)泄漏引起管道內(nèi)壓力、流量、聲音等的變化進行檢測。直接檢測法工人的勞動強度過大，且在北方由于冰雪覆蓋等環(huán)境的原因大大增加巡線的難度。間接檢測法最常用的是負壓波法和瞬態(tài)模型法，負壓波法對液體的效果比較明顯，而對氣體泄漏的效果并不明顯。瞬態(tài)模型法是基于多數(shù)據(jù)融合之后進行大量的數(shù)值計算所得到的結果進行判斷的，而目前針對氣體的各類傳感器的精度有待提高。基于次聲波在傳播過程中衰減小、傳感器靈敏度高、傳感器安裝簡單等特點，本文將ARM與次聲波檢測技術進行結合，大大提高了泄漏檢測的精度及反應速度。

1 檢測原理
當高壓氣體發(fā)生泄漏時，由于內(nèi)外壓差的不同會激發(fā)廣譜音頻信號，隨著信號的傳播，頻率較高的音頻信號衰減很快，而頻率低于20 Hz的次聲波信號會傳播很遠。通過安裝在管道兩端的次聲波傳感器進行聲波接收，再通過ARM對接收到的信號進行濾波處理能很容易地分辨出泄漏信號，通過GPS模塊對管道兩端的設備進行ms級精確授時，通過GPRS模塊將泄漏信號及時間發(fā)送至檢測中心后，很容易對泄漏位置進行準確定位。聲波泄漏檢測原理如圖1所示。

聲波泄漏檢測法定位公式如下：

式中：X為泄漏點到首站的距離；L為兩個傳感器之間的距離；T1、T2分別為首站、末站檢測到泄漏信號的時間；a為流體音速。

2 系統(tǒng)設計
2．1 整體方案設計
本系統(tǒng)架構分為4部分：次聲波傳感模塊、微處理器模塊、GPRS數(shù)據(jù)遠傳模塊、GPS授時模塊。
次聲波傳感模塊采用次聲波傳感器，能接收0～20kHz的聲波信號。微處理器模塊采用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103RBT6芯片(以下簡稱F103RBT6芯片)，運行速度經(jīng)過內(nèi)置鎖相環(huán)倍頻后可達72 MHz，且擁有20 KB內(nèi)置SRAM、64 KB內(nèi)置Flash，對于一般數(shù)據(jù)處理算法無論在速度和內(nèi)存空間上都完全能勝任。GPRS遠傳采用宏電H7710DTU，傳輸速度實測為100 kbps，與處理器的通信端口RS-232接口，傳輸速度為1200～11 5 200 kbps，可軟件設置。GPS授時模塊采用GS-87高靈敏度GPS接收器，輸出NEMA標準報文，PPS秒脈沖可精確在1 ns以內(nèi)。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

F103RBT6處理芯片負責對次聲波傳感器接收的信號進行A／D采集、處理、判斷后經(jīng)GPRS模塊進行數(shù)據(jù)遠傳，GPS模塊通過對處理芯片發(fā)送報文和PPS秒脈沖實現(xiàn)系統(tǒng)的精確授時。GPRS及GPS模塊均通過串口和處理芯片進行數(shù)據(jù)通信。
2．1．1 GPS授時電路
GS-87是一款低功耗、小尺寸、高靈敏度的GPS接收模塊，可南串口輸出2．2版本NMEA 0183報文，波特率默認為4 800 bps，其內(nèi)置的ARM7內(nèi)核保證PPS秒脈沖能夠精確在±1 ns之內(nèi)。

F103RBT6芯片與GPS授時器的硬件接口如圖3所示。利用F103RBT6芯片的UART2口接收NEMA報文進行解碼，同時將RB15引腳配置成上升沿觸發(fā)的外部中斷接收引腳，接收PPS秒脈沖，進行ms級的時鐘同步。
2．1．2 GPRS通信接口電路
GPRS模塊的通信接口為標準RS-232接口，通過MAX232進行電平轉(zhuǎn)換后與主控芯片的串口1相連，作為數(shù)據(jù)遠傳的通信接口。GPRS通信接口電路如圖4所示。

2．2 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件構架分為4部分：授時程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、數(shù)據(jù)打包發(fā)送程序。系統(tǒng)軟件總體框圖如圖5所示。

2．2．1 授時子程序
GPS授時模塊對系統(tǒng)授時采用NEMA報文和PPS秒脈沖結合的方式進行，GPS模塊的串行口與處理芯片的COM2連接以便在串口中斷服務程序中接收并處理GPS接收模塊發(fā)送的時間信息。同時，處理芯片的外部中斷口線與接收模塊的PPS秒脈沖相連，以在脈沖跳變觸發(fā)外部中斷服務程序中完成ms級校時。報文接收程序如下：


2．2．2 數(shù)據(jù)處理程序
由于接收到的信號含有很大成分的高頻背景噪音，所以必須進行濾波后才能進行判斷。常用的數(shù)字濾波器可以用下面的差分方程表示：

所以對于濾波器設計，關鍵就是根據(jù)現(xiàn)有的條件推導出濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，然后再變換到時域的差分形式，再轉(zhuǎn)換到代碼。
在模擬濾波電路中最容易實現(xiàn)的低通濾波電路就是RC濾波，這甲以RC濾波器為原型，將普通硬件RC低通濾波器的微分方程用差分方程來表示，變?yōu)榭梢圆捎密浖惴▉砟M硬件濾波的功能。
RC濾波器的微分表示彤式為：

濾波之后在對數(shù)據(jù)求導數(shù)，當信號的上升或下降斜率到達一定值時認為管道發(fā)生泄漏。計算公式如下：

其中，M>K，M-K的大小決定判斷的靈敏度。

3 現(xiàn)場測試
在現(xiàn)場進行測試時，測試環(huán)境為：管道長度為3 km，管道壓力0．71 MPa，管直徑為400mm，放氣口直徑為30mm?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)如表1所列。

采集信號和處理后的效果如圖6、圖7所示。

現(xiàn)場實驗表明，本系統(tǒng)對于天然氣管道的小量泄漏具有很好的反應速度及靈敏度。

結語
本系統(tǒng)利用STM32F103RBT6作為主控芯片，利用其內(nèi)置的高精度A／D轉(zhuǎn)換器對次聲波信號進行實時采集，再對采集到的信號進行快速濾波及判斷。對輸氣管道小泄漏能做到快速檢測，及時報警。對天然氣輸氣管道泄漏檢測僅靠人工巡線、盜氣情況只能靠長期觀測等問題提供了一個全新的解決方法，為減少經(jīng)濟損失和環(huán)境污染提高管網(wǎng)的管理自動化水平發(fā)揮了重要作用。本系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場進行測試而且效果良好，具有廣闊的應用前景。