儲(chǔ)運(yùn)過程中氣液混相計(jì)量的小波去噪優(yōu)化研究

鐘卡 張曉莉 慕進(jìn)良 王韌岫（中石油管道聯(lián)合有限公司西部塔里木輸油氣分公司，新疆庫爾勒 841000）

儲(chǔ)運(yùn)過程中氣液混相計(jì)量的小波去噪優(yōu)化研究

鐘卡 張曉莉 慕進(jìn)良 王韌岫（中石油管道聯(lián)合有限公司西部塔里木輸油氣分公司，新疆庫爾勒 841000）

氣液混相測量方法一直是一個(gè)國際難題。本文首先闡述了超聲波流量計(jì)計(jì)量氣液混相流過程中，聲波信號(hào)不穩(wěn)定的原因?yàn)榱魉偎鶎?dǎo)致的非穩(wěn)流的形成，利用小波分析方法對(duì)計(jì)量重復(fù)性和穩(wěn)定性進(jìn)行優(yōu)化。

超聲波流量計(jì)，小波去噪，信號(hào)獲取

1 計(jì)量原理、背景及意義

天然氣在地面管道的儲(chǔ)運(yùn)過程中常受壓降的影響重質(zhì)烴組分凝析，在管道內(nèi)形成一定含量的液相組分，氣液混相測量方法一直是一個(gè)國際難題。與孔板、渦輪流量計(jì)相比，超聲流量計(jì)具有計(jì)量精度高、受氣質(zhì)條件影響小、量程比大、不產(chǎn)生天然氣節(jié)流等優(yōu)勢(shì)，適于含液量低于10%的氣液混相天然氣計(jì)量。

在天然氣管流的兩相流動(dòng)中，流型可分為層流、泡流、塞狀流、波狀流、段塞流及環(huán)狀流等6種形態(tài)。當(dāng)管道內(nèi)天然氣流量較小、流速較低時(shí)，流型處于層流、泡流或波狀流的狀態(tài)，此時(shí)液相始終為連續(xù)相。由于液相壓力系統(tǒng)的穩(wěn)定性高于氣相壓力系統(tǒng)，故超聲波流量計(jì)測量時(shí)聲波信號(hào)較為穩(wěn)定，波動(dòng)幅度較小。但當(dāng)流速增加后，流型變化為塞狀流或段塞流，此時(shí)液相系統(tǒng)開始出現(xiàn)不連續(xù)。由于超聲波流量計(jì)所采用的是聲波時(shí)差法進(jìn)行測量，氣液兩相的不穩(wěn)定管流會(huì)造成聲波時(shí)差信號(hào)的波動(dòng)，且隨著流量的增大，誤差逐漸增大。

超聲波流量計(jì)主要從三個(gè)方面對(duì)噪聲進(jìn)行控制：控制噪聲源、切斷噪聲傳播途徑、噪聲數(shù)字信號(hào)處理。本文提出了利用小波分析去噪的方法，優(yōu)化超聲波流量計(jì)計(jì)量過程中的聲波信號(hào)，將聲波信號(hào)分解為5層小波，將高頻子波，即噪聲剔除，并重新疊加組合，改善信號(hào)失真，提高測量結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

2 聲波信號(hào)的準(zhǔn)確獲取與小波去噪

2.1 線性插入法減小計(jì)量誤差

超聲波流量計(jì)一般由超聲波換能器、信號(hào)處理電路及流量顯示系統(tǒng)組成。超聲波的發(fā)射和接收都必須通過超聲波換能器才能實(shí)現(xiàn)。超聲波流量計(jì)測量順流與逆流的傳播時(shí)間，是依據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)控制并記錄發(fā)生聲波的起始時(shí)刻，再根據(jù)另一側(cè)換能器的接收時(shí)刻來確定聲波信號(hào)的傳播時(shí)間。依據(jù)換能器接收到的聲波信號(hào)，讀取每次波形信號(hào)與橫軸相交的“過零點(diǎn)”，按時(shí)間順序分別排列為：T1、T2、T3...Tn。為了確定最大振幅所在時(shí)刻，采用線性插值的方法，見圖1

圖1 線性插值計(jì)算過零點(diǎn)

若采樣的間隔設(shè)為Tc，則利用插值法所計(jì)算的過零點(diǎn)時(shí)間ti為：

計(jì)算出ti、ts、tn后，再根據(jù)管壁上下游兩端換能器所測定的順流傳播時(shí)間ts與逆流傳播時(shí)間tn后，便可依據(jù)超聲波流量計(jì)的計(jì)算公式算出管內(nèi)流體瞬時(shí)流量Q為：

其中，D為管道直徑，θ為聲道角的角度，L為聲道長度，Δt為順流與逆流的時(shí)間差。

2.2 超聲波信號(hào)獲取及小波分析去噪

在彈性介質(zhì)中，若波源所激起的頻率在20Hz到20kHz之間，就能引起人的聽覺。超聲波是以人耳能聽到的聲波頻率為基準(zhǔn)，頻率高于20kHz的不可聞聲波稱為超聲波，超聲波頻率可高達(dá)1011Hz。超聲波具有頻率高、波長短、方向性好、能量大、穿透力強(qiáng)等特性。管道儲(chǔ)運(yùn)天然氣過程中，所采用的聲波信號(hào)發(fā)射頻率范圍一般為1-10MHz。

由于天然氣聲波信號(hào)會(huì)受到各種因素的干擾，因此進(jìn)行小波去噪對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化與平滑處理。之前有國內(nèi)學(xué)者提出利用軟閾值啟發(fā)式算法可以應(yīng)用在小波分析中對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，而本文通過這種方法，對(duì)所采集的聲波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)信號(hào)的頻率主要集中在10MHz以下，本文選用的發(fā)射頻率為5MHz和10MHz，在塞狀流和段塞流的流型下分別進(jìn)行兩組測試對(duì)比實(shí)驗(yàn)，利用小波分解將聲波信號(hào)分解為5層小波，將高頻子波剔除，并觀察規(guī)律，見圖2。

圖2 小波頻譜分析

對(duì)比原始信號(hào)、小波分析去噪處理后的測量誤差數(shù)據(jù)，其誤差結(jié)果如表1所示。

表1 不同信號(hào)處理方法重復(fù)性及穩(wěn)定性對(duì)比

3 結(jié)語

（1）本文將小波方法引入到對(duì)超聲波流量計(jì)的信號(hào)處理中，利用小波多尺度分析的功能，利用自動(dòng)啟發(fā)式算法識(shí)別噪聲，濾除噪音，改善信號(hào)失真，提高測量結(jié)果的重復(fù)性和系統(tǒng)穩(wěn)定性，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

（2）通過分析超聲波流量計(jì)將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)流量參數(shù)的過程，并結(jié)合天然氣在管道中的流動(dòng)形態(tài)分析得出：聲波信號(hào)產(chǎn)生噪聲的主要原因?yàn)闅庀嗔鲃?dòng)的不連續(xù)性。由于氣相的不連續(xù)導(dǎo)致超聲波流量計(jì)的換能器在接受聲波信號(hào)是出現(xiàn)“打偏”的現(xiàn)象，造成信號(hào)的瞬時(shí)不穩(wěn)，在用線性插值方法計(jì)算過零點(diǎn)的過程中出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致了計(jì)量結(jié)果的誤差。

（3）根據(jù)表1數(shù)據(jù)，通過對(duì)比不同發(fā)射頻率下的管塞狀流與段塞流的誤差分析結(jié)果來看，塞狀流的測量誤差比段塞流要低，這是由于段塞流的氣相更加不連續(xù)的結(jié)果。同時(shí)還可觀察到，聲波發(fā)射頻率越高時(shí)，利用小波去噪所達(dá)到的降噪效果越理想。

[1]汪偉,徐科軍,方敏,朱文姣,沈子文,王剛,王波.一種氣體超聲波流量計(jì)信號(hào)處理方法研究[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào), 2015,(09):1365-1373.

[2]王新峰,熊顯潮,高敏忠.超聲波流量計(jì)測量流體聲速的實(shí)驗(yàn)方法[J].物理學(xué)報(bào)，2011,(11):400-405.

[3]林春麗,丁然,王克成.小波分析在超聲波流量計(jì)中的應(yīng)用[J].無損檢測,2003,(09):462-464.

[4]李廣峰,劉昉,高勇.超聲波流量計(jì)的高精度測量技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2001,(06):644-647.