Cortex-M3的次聲波輸氣管道泄漏檢測系統

摘要：隨著(zhù)國內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內核的高性能STM32處理器對管線(xiàn)中的聲波進(jìn)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據中心，在管道兩端ms級時(shí)間同步的情況下能對泄漏點(diǎn)進(jìn)行精確定位，實(shí)現了輸氣管道泄漏快速檢測和報警的功能，以及管網(wǎng)的數字化智能監控。
關(guān)鍵詞：次聲波；泄漏檢測；ARM；GPS；GPRS

引言
隨著(zhù)管道運輸在天然氣集輸系統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的安全正常運行。能及時(shí)檢測出管道泄漏情況并對泄漏位置進(jìn)行及時(shí)定位，可以最大限度地減少經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。目前，國內外有很多方法對油氣輸送管道進(jìn)行泄漏檢測。根據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(xiàn)，通過(guò)觀(guān)察泄漏時(shí)表露出地表的痕跡和散發(fā)出的氣味等進(jìn)行判斷；間接檢測法就是根據泄漏引起管道內壓力、流量、聲音等的變化進(jìn)行檢測。直接檢測法工人的勞動(dòng)強度過(guò)大，且在北方由于冰雪覆蓋等環(huán)境的原因大大增加巡線(xiàn)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)模型法是基于多數據融合之后進(jìn)行大量的數值計算所得到的結果進(jìn)行判斷的，而目前針對氣體的各類(lèi)傳感器的精度有待提高?；诖?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/聲波">聲波在傳播過(guò)程中衰減小、傳感器靈敏度高、傳感器安裝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，本文將ARM與次聲波檢測技術(shù)進(jìn)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(shí)，由于內外壓差的不同會(huì )激發(fā)廣譜音頻信號，隨著(zhù)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(huì )傳播很遠。通過(guò)安裝在管道兩端的次聲波傳感器進(jìn)行聲波接收，再通過(guò)ARM對接收到的信號進(jìn)行濾波處理能很容易地分辨出泄漏信號，通過(guò)GPS模塊對管道兩端的設備進(jìn)行ms級精確授時(shí)，通過(guò)GPRS模塊將泄漏信號及時(shí)間發(fā)送至檢測中心后，很容易對泄漏位置進(jìn)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(diǎn)到首站的距離；L為兩個(gè)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(shí)間；a為流體音速。

2 系統設計
2．1 整體方案設計
本系統架構分為4部分：次聲波傳感模塊、微處理器模塊、GPRS數據遠傳模塊、GPS授時(shí)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為內核的STM32F103RBT6芯片(以下簡(jiǎn)稱(chēng)F103RBT6芯片)，運行速度經(jīng)過(guò)內置鎖相環(huán)倍頻后可達72 MHz，且擁有20 KB內置SRAM、64 KB內置Flash，對于一般數據處理算法無(wú)論在速度和內存空間上都完全能勝任。GPRS遠傳采用宏電H7710DTU，傳輸速度實(shí)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(shí)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?xún)?。系統總體框圖如圖2所示。

F103RBT6處理芯片負責對次聲波傳感器接收的信號進(jìn)行A／D采集、處理、判斷后經(jīng)GPRS模塊進(jìn)行數據遠傳，GPS模塊通過(guò)對處理芯片發(fā)送報文和PPS秒脈沖實(shí)現系統的精確授時(shí)。GPRS及GPS模塊均通過(guò)串口和處理芯片進(jìn)行數據通信。
2．1．1 GPS授時(shí)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，其內置的ARM7內核保證PPS秒脈沖能夠精確在±1 ns之內。

F103RBT6芯片與GPS授時(shí)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(jìn)行解碼，同時(shí)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(jìn)行ms級的時(shí)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(guò)MAX232進(jìn)行電平轉換后與主控芯片的串口1相連，作為數據遠傳的通信接口。GPRS通信接口電路如圖4所示。

2．2 系統軟件設計
系統軟件構架分為4部分：授時(shí)程序、數據采集程序、數據處理程序、數據打包發(fā)送程序。系統軟件總體框圖如圖5所示。

2．2．1 授時(shí)子程序
GPS授時(shí)模塊對系統授時(shí)采用NEMA報文和PPS秒脈沖結合的方式進(jìn)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(wù)程序中接收并處理GPS接收模塊發(fā)送的時(shí)間信息。同時(shí)，處理芯片的外部中斷口線(xiàn)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(wù)程序中完成ms級校時(shí)。報文接收程序如下：


2．2．2 數據處理程序
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(jìn)行濾波后才能進(jìn)行判斷。常用的數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(guān)鍵就是根據現有的條件推導出濾波器的系統函數，然后再變換到時(shí)域的差分形式，再轉換到代碼。
在模擬濾波電路中最容易實(shí)現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(lái)表示，變?yōu)榭梢圆捎密浖惴▉?lái)模擬硬件濾波的功能。
RC濾波器的微分表示彤式為：

濾波之后在對數據求導數，當信號的上升或下降斜率到達一定值時(shí)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 現場(chǎng)測試
在現場(chǎng)進(jìn)行測試時(shí)，測試環(huán)境為：管道長(cháng)度為3 km，管道壓力0．71 MPa，管直徑為400mm，放氣口直徑為30mm?，F場(chǎng)測試數據如表1所列。

采集信號和處理后的效果如圖6、圖7所示。

現場(chǎng)實(shí)驗表明，本系統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(yǔ)
本系統利用STM32F103RBT6作為主控芯片，利用其內置的高精度A／D轉換器對次聲波信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再對采集到的信號進(jìn)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(shí)報警。對天然氣輸氣管道泄漏檢測僅靠人工巡線(xiàn)、盜氣情況只能靠長(cháng)期觀(guān)測等問(wèn)題提供了一個(gè)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(dòng)化水平發(fā)揮了重要作用。本系統已經(jīng)在現場(chǎng)進(jìn)行測試而且效果良好，具有廣闊的應用前景。