摘要：隨著國內外天然氣管道建設的迅速發展，管道的安全運行在當前尤為重要。採用基於Cortex-M3內核的高性能STM32處理器對管線中的聲波進行採集和分析，從而判斷出管道是否洩漏。在檢測到洩漏之後，把洩漏信號遠傳到數據中心，在管道兩端ms級時間同步的情況下能對洩漏點進行精確定位，實現了輸氣管道洩漏快速檢測和報警的功能，以及管網的數位化智能監控。
關鍵詞：次聲波；洩漏檢測；ARM；GPS；GPRS
引言
隨著管道運輸在天然氣集輸系統中所佔的比重日益增大，由於管道佔壓、腐蝕、老化及盜氣引起的管道洩漏情況也嚴重威脅輸氣管道系統的安全正常運行。能及時檢測出管道洩漏情況並對洩漏位置進行及時定位，可以最大限度地減少經濟損失和環境汙染。目前，國內外有很多方法對油氣輸送管道進行洩漏檢測。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，通過觀察洩漏時表露出地表的痕跡和散發出的氣味等進行判斷；間接檢測法就是根據洩漏引起管道內壓力、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，且在北方由於冰雪覆蓋等環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模型法，負壓波法對液體的效果比較明顯，而對氣體洩漏的效果並不明顯。瞬態模型法是基於多數據融合之後進行大量的數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。基於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，大大提高了洩漏檢測的精度及反應速度。
1 檢測原理
當高壓氣體發生洩漏時，由於內外壓差的不同會激發廣譜音頻信號，隨著信號的傳播，頻率較高的音頻信號衰減很快，而頻率低於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洩漏信號，通過GPS模塊對管道兩端的設備進行ms級精確授時，通過GPRS模塊將洩漏信號及時間發送至檢測中心後，很容易對洩漏位置進行準確定位。聲波洩漏檢測原理如圖1所示。
聲波洩漏檢測法定位公式如下：
式中：X為洩漏點到首站的距離；L為兩個傳感器之間的距離；T1、T2分別為首站、末站檢測到洩漏信號的時間；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授時模塊。
次聲波傳感模塊採用次聲波傳感器，能接收0～20kHz的聲波信號。微處理器模塊採用以Cortex-M3為內核的STM32F103RBT6晶片(以下簡稱F103RBT6晶片)，運行速度經過內置鎖相環倍頻後可達72 MHz，且擁有20 KB內置SRAM、64 KB內置Flash，對於一般數據處理算法無論在速度和內存空間上都完全能勝任。GPRS遠傳採用宏電H7710DTU，傳輸速度實測為100 kbps，與處理器的通信埠RS-232接口，傳輸速度為1200～11 5 200 kbps，可軟體設置。GPS授時模塊採用GS-87高靈敏度GPS接收器，輸出NEMA標準報文，PPS秒脈衝可精確在1 ns以內。系統總體框圖如圖2所示。
F103RBT6處理晶片負責對次聲波傳感器接收的信號進行A／D採集、處理、判斷後經GPRS模塊進行數據遠傳，GPS模塊通過對處理晶片發送報文和PPS秒脈衝實現系統的精確授時。GPRS及GPS模塊均通過串口和處理晶片進行數據通信。
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，其內置的ARM7內核保證PPS秒脈衝能夠精確在±1 ns之內。
F103RBT6晶片與GPS授時器的硬體接口如圖3所示。利用F103RBT6晶片的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的外部中斷接收引腳，接收PPS秒脈衝，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進行電平轉換後與主控晶片的串口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 系統軟體設計
系統軟體構架分為4部分：授時程序、數據採集程序、數據處理程序、數據打包發送程序。系統軟體總體框圖如圖5所示。
2．2．1 授時子程序
GPS授時模塊對系統授時採用NEMA報文和PPS秒脈衝結合的方式進行，GPS模塊的串行口與處理晶片的COM2連接以便在串口中斷服務程序中接收並處理GPS接收模塊發送的時間信息。同時，處理晶片的外部中斷口線與接收模塊的PPS秒脈衝相連，以在脈衝跳變觸發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 數據處理程序
由於接收到的信號含有很大成分的高頻背景噪音，所以必須進行濾波後才能進行判斷。常用的數字濾波器可以用下面的差分方程表示：
所以對於濾波器設計，關鍵就是根據現有的條件推導出濾波器的系統函數，然後再變換到時域的差分形式，再轉換到代碼。
在模擬濾波電路中最容易實現的低通濾波電路就是RC濾波，這甲以RC濾波器為原型，將普通硬體RC低通濾波器的微分方程用差分方程來表示，變為可以採用軟體算法來模擬硬體濾波的功能。
RC濾波器的微分表示彤式為：
濾波之後在對數據求導數，當信號的上升或下降斜率到達一定值時認為管道發生洩漏。計算公式如下：
其中，M>K，M-K的大小決定判斷的靈敏度。
3 現場測試
在現場進行測試時，測試環境為：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。現場測試數據如表1所列。
採集信號和處理後的效果如圖6、圖7所示。
現場實驗表明，本系統對於天然氣管道的小量洩漏具有很好的反應速度及靈敏度。
結語
本系統利用STM32F103RBT6作為主控晶片，利用其內置的高精度A／D轉換器對次聲波信號進行實時採集，再對採集到的信號進行快速濾波及判斷。對輸氣管道小洩漏能做到快速檢測，及時報警。對天然氣輸氣管道洩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，為減少經濟損失和環境汙染提高管網的管理自動化水平發揮了重要作用。本系統已經在現場進行測試而且效果良好，具有廣闊的應用前景。