儲運過程中氣液混相計量的小波去噪優化研究

鐘卡 張曉莉 慕進良 王韌岫（中石油管道聯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化研究

鐘卡 張曉莉 慕進良 王韌岫（中石油管道聯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，聲波信號不穩定的原因為流速所導致的非穩流的形成，利用小波分析方法對計量重復性和穩定性進行優化。

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、不產生天然氣節流等優勢，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、段塞流及環狀流等6種形態。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，此時液相始終為連續相。由于液相壓力系統的穩定性高于氣相壓力系統，故超聲波流量計測量時聲波信號較為穩定，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，此時液相系統開始出現不連續。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、噪聲數字信號處理。本文提出了利用小波分析去噪的方法，優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組成。超聲波的發射和接收都必須通過超聲波換能器才能實現。超聲波流量計測量順流與逆流的傳播時間，是依據系統自動控制并記錄發生聲波的起始時刻，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化與平滑處理。之前有國內學者提出利用軟閾值啟發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，發現信號的頻率主要集中在10MHz以下，本文選用的發射頻率為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穩定性，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的過程，并結合天然氣在管道中的流動形態分析得出：聲波信號產生噪聲的主要原因為氣相流動的不連續性。由于氣相的不連續導致超聲波流量計的換能器在接受聲波信號是出現“打偏”的現象，造成信號的瞬時不穩，在用線性插值方法計算過零點的過程中出現偏差，從而導致了計量結果的誤差。

（3）根據表1數據，通過對比不同發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的結果。同時還可觀察到，聲波發射頻率越高時，利用小波去噪所達到的降噪效果越理想。

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