Cortex-M3的次声波输气管道泄漏检测系统

摘要：随着国内外天然气管道建设的迅速发展，管道的安全运行在当前尤为重要。采用基于Cortex-M3内核的高性能STM32处理器对管线中的声波进行采集和分析，从而判断出管道是否泄漏。在检测到泄漏之后，把泄漏信号远传到数据中心，在管道两端ms级时间同步的情况下能对泄漏点进行精确定位，实现了输气管道泄漏快速检测和报警的功能，以及管网的数字化智能监控。
关键词：次声波；泄漏检测；ARM；GPS；GPRS

引言
    随着管道运输在天然气集输系统中所占的比重日益增大，由于管道占压、腐蚀、老化及盗气引起的管道泄漏情况也严重威胁输气管道系统的安全正常运行。能及时检测出管道泄漏情况并对泄漏位置进行及时定位，可以最大限度地减少经济损失和环境污染。目前，国内外有很多方法对油气输送管道进行泄漏检测。根据检测媒介的不同可分为直接检测法和间接检测法。直接检测法主要靠人工巡线，通过观察泄漏时表露出地表的痕迹和散发出的气味等进行判断；间接检测法就是根据泄漏引起管道内压力、流量、声音等的变化进行检测。直接检测法工人的劳动强度过大，且在北方由于冰雪覆盖等环境的原因大大增加巡线的难度。间接检测法最常用的是负压波法和瞬态模型法，负压波法对液体的效果比较明显，而对气体泄漏的效果并不明显。瞬态模型法是基于多数据融合之后进行大量的数值计算所得到的结果进行判断的，而目前针对气体的各类传感器的精度有待提高。基于次声波在传播过程中衰减小、传感器灵敏度高、传感器安装简单等特点，本文将ARM与次声波检测技术进行结合，大大提高了泄漏检测的精度及反应速度。

1 检测原理
    当高压气体发生泄漏时，由于内外压差的不同会激发广谱音频信号，随着信号的传播，频率较高的音频信号衰减很快，而频率低于20 Hz的次声波信号会传播很远。通过安装在管道两端的次声波传感器进行声波接收，再通过ARM对接收到的信号进行滤波处理能很容易地分辨出泄漏信号，通过GPS模块对管道两端的设备进行ms级精确授时，通过GPRS模块将泄漏信号及时间发送至检测中心后，很容易对泄漏位置进行准确定位。声波泄漏检测原理如图1所示。

    声波泄漏检测法定位公式如下：
    
    式中：X为泄漏点到首站的距离；L为两个传感器之间的距离；T1、T2分别为首站、末站检测到泄漏信号的时间；a为流体音速。

2 系统设计
2．1 整体方案设计
    本系统架构分为4部分：次声波传感模块、微处理器模块、GPRS数据远传模块、GPS授时模块。
    次声波传感模块采用次声波传感器，能接收0～20kHz的声波信号。微处理器模块采用以Cortex-M3为内核的STM32F103RBT6芯片(以下简称F103RBT6芯片)，运行速度经过内置锁相环倍频后可达72 MHz，且拥有20 KB内置SRAM、64 KB内置Flash，对于一般数据处理算法无论在速度和内存空间上都完全能胜任。GPRS远传采用宏电H7710DTU，传输速度实测为100 kbps，与处理器的通信端口RS-232接口，传输速度为1200～11 5 200 kbps，可软件设置。GPS授时模块采用GS-87高灵敏度GPS接收器，输出NEMA标准报文，PPS秒脉冲可精确在1 ns以内。系统总体框图如图2所示。

    F103RBT6处理芯片负责对次声波传感器接收的信号进行A／D采集、处理、判断后经GPRS模块进行数据远传，GPS模块通过对处理芯片发送报文和PPS秒脉冲实现系统的精确授时。GPRS及GPS模块均通过串口和处理芯片进行数据通信。
2．1．1 GPS授时电路
    GS-87是一款低功耗、小尺寸、高灵敏度的GPS接收模块，可南串口输出2．2版本NMEA 0183报文，波特率默认为4 800 bps，其内置的ARM7内核保证PPS秒脉冲能够精确在±1 ns之内。

    F103RBT6芯片与GPS授时器的硬件接口如图3所示。利用F103RBT6芯片的UART2口接收NEMA报文进行解码，同时将RB15引脚配置成上升沿触发的外部中断接收引脚，接收PPS秒脉冲，进行ms级的时钟同步。
2．1．2 GPRS通信接口电路
    GPRS模块的通信接口为标准RS-232接口，通过MAX232进行电平转换后与主控芯片的串口1相连，作为数据远传的通信接口。GPRS通信接口电路如图4所示。

2．2 系统软件设计
    系统软件构架分为4部分：授时程序、数据采集程序、数据处理程序、数据打包发送程序。系统软件总体框图如图5所示。

2．2．1 授时子程序
    GPS授时模块对系统授时采用NEMA报文和PPS秒脉冲结合的方式进行，GPS模块的串行口与处理芯片的COM2连接以便在串口中断服务程序中接收并处理GPS接收模块发送的时间信息。同时，处理芯片的外部中断口线与接收模块的PPS秒脉冲相连，以在脉冲跳变触发外部中断服务程序中完成ms级校时。报文接收程序如下：
    
     
2．2．2 数据处理程序
    由于接收到的信号含有很大成分的高频背景噪音，所以必须进行滤波后才能进行判断。常用的数字滤波器可以用下面的差分方程表示：
    
    所以对于滤波器设计，关键就是根据现有的条件推导出滤波器的系统函数，然后再变换到时域的差分形式，再转换到代码。
    在模拟滤波电路中最容易实现的低通滤波电路就是RC滤波，这甲以RC滤波器为原型，将普通硬件RC低通滤波器的微分方程用差分方程来表示，变为可以采用软件算法来模拟硬件滤波的功能。
    RC滤波器的微分表示彤式为：

    滤波之后在对数据求导数，当信号的上升或下降斜率到达一定值时认为管道发生泄漏。计算公式如下：
    
    其中，M>K，M-K的大小决定判断的灵敏度。

3 现场测试
    在现场进行测试时，测试环境为：管道长度为3 km，管道压力0．71 MPa，管直径为400mm，放气口直径为30mm。现场测试数据如表1所列。

    采集信号和处理后的效果如图6、图7所示。

    现场实验表明，本系统对于天然气管道的小量泄漏具有很好的反应速度及灵敏度。

结语
    本系统利用STM32F103RBT6作为主控芯片，利用其内置的高精度A／D转换器对次声波信号进行实时采集，再对采集到的信号进行快速滤波及判断。对输气管道小泄漏能做到快速检测，及时报警。对天然气输气管道泄漏检测仅靠人工巡线、盗气情况只能靠长期观测等问题提供了一个全新的解决方法，为减少经济损失和环境污染提高管网的管理自动化水平发挥了重要作用。本系统已经在现场进行测试而且效果良好，具有广阔的应用前景。