鐘卡 張曉莉 慕進良 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）

儲運過程中氣液混相計量的小波去噪優(yōu)化研究

鐘卡 張曉莉 慕進良 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國際難題。本文首先闡述了超聲波流量計計量氣液混相流過程中，聲波信號不穩(wěn)定的原因為流速所導致的非穩(wěn)流的形成，利用小波分析方法對計量重復性和穩(wěn)定性進行優(yōu)化。

超聲波流量計，小波去噪，信號獲取

1 計量原理、背景及意義

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

在天然氣管流的兩相流動中，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)。當管道內天然氣流量較小、流速較低時，流型處于層流、泡流或波狀流的狀態(tài)，此時液相始終為連續(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)，故超聲波流量計測量時聲波信號較為穩(wěn)定，波動幅度較小。但當流速增加后，流型變化為塞狀流或段塞流，此時液相系統(tǒng)開始出現(xiàn)不連續(xù)。由于超聲波流量計所采用的是聲波時差法進行測量，氣液兩相的不穩(wěn)定管流會造成聲波時差信號的波動，且隨著流量的增大，誤差逐漸增大。

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

2 聲波信號的準確獲取與小波去噪

2.1 線性插入法減小計量誤差

超聲波流量計一般由超聲波換能器、信號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現(xiàn)。超聲波流量計測量順流與逆流的傳播時間，是依據系統(tǒng)自動控制并記錄發(fā)生聲波的起始時刻，再根據另一側換能器的接收時刻來確定聲波信號的傳播時間。依據換能器接收到的聲波信號，讀取每次波形信號與橫軸相交的“過零點”，按時間順序分別排列為：T1、T2、T3...Tn。為了確定最大振幅所在時刻，采用線性插值的方法，見圖1

圖1 線性插值計算過零點

若采樣的間隔設為Tc，則利用插值法所計算的過零點時間ti為：

計算出ti、ts、tn后，再根據管壁上下游兩端換能器所測定的順流傳播時間ts與逆流傳播時間tn后，便可依據超聲波流量計的計算公式算出管內流體瞬時流量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為順流與逆流的時間差。

2.2 超聲波信號獲取及小波分析去噪

在彈性介質中，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，頻率高于20kHz的不可聞聲波稱為超聲波，超聲波頻率可高達1011Hz。超聲波具有頻率高、波長短、方向性好、能量大、穿透力強等特性。管道儲運天然氣過程中，所采用的聲波信號發(fā)射頻率范圍一般為1-10MHz。

由于天然氣聲波信號會受到各種因素的干擾，因此進行小波去噪對聲波信號進行優(yōu)化與平滑處理。之前有國內學者提出利用軟閾值啟發(fā)式算法可以應用在小波分析中對信號進行降噪處理，而本文通過這種方法，對所采集的聲波信號進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)信號的頻率主要集中在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行兩組測試對比實驗，利用小波分解將聲波信號分解為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

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

表1 不同信號處理方法重復性及穩(wěn)定性對比

3 結語

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

（2）通過分析超聲波流量計將聲波信號轉換為瞬時流量參數(shù)的過程，并結合天然氣在管道中的流動形態(tài)分析得出：聲波信號產生噪聲的主要原因為氣相流動的不連續(xù)性。由于氣相的不連續(xù)導致超聲波流量計的換能器在接受聲波信號是出現(xiàn)“打偏”的現(xiàn)象，造成信號的瞬時不穩(wěn)，在用線性插值方法計算過零點的過程中出現(xiàn)偏差，從而導致了計量結果的誤差。

（3）根據表1數(shù)據，通過對比不同發(fā)射頻率下的管塞狀流與段塞流的誤差分析結果來看，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)的結果。同時還可觀察到，聲波發(fā)射頻率越高時，利用小波去噪所達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信號處理方法研究[J].電子測量與儀器學報, 2015,(09):1365-1373.

[2]王新峰,熊顯潮,高敏忠.超聲波流量計測量流體聲速的實驗方法[J].物理學報，2011,(11):400-405.

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

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