小波分析在管道泄漏信號識別中的應(yīng)用.pdf

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1、!""%年第!+卷石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）;<=,!+><,!第!期?<6@A5=

2、突出小波變換系數(shù)的局部極值性。分析表明，檢測信號的小波變換系數(shù)極值的奇異性準(zhǔn)確地反映了管道檢測信號的泄漏特征，并且從局部描述了管道泄漏信號的瞬態(tài)正則性。對各級尺度系數(shù)進(jìn)行了.形曲線擬合，此曲線能夠完整地描述管道泄漏瞬變特征，其拐點(diǎn)區(qū)間描述了管道發(fā)生泄漏時(shí)的瞬變過程。關(guān)鍵詞：管道；泄漏；檢測信號；小波分析；奇異性；擬合曲線中圖分類號：/0!+-文獻(xiàn)標(biāo)識碼：1性是小波變換的重要性質(zhì)［!!-］，具體表現(xiàn)為小波變引言換系數(shù)出現(xiàn)極值。因此，管道壓力波檢測信號小波當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏處立即有流體物質(zhì)損變換$（"）可以表示成信號!（"）在尺度%下被%!失而引

3、起局部流體密度減小，并產(chǎn)生瞬變壓力降和（"）平滑后的一階導(dǎo)數(shù)。如圖&所示。#速度差。這個瞬變壓力降作為波動源通過管道和流體介質(zhì)向管道泄漏點(diǎn)的上下游以聲速傳播。其傳播速度隨管道輸送介質(zhì)的物理性質(zhì)不同而變化，在天然氣中大約為%""2／3，在液體油中大約為&!""2／3。設(shè)置在泄漏點(diǎn)兩側(cè)或泵站內(nèi)的傳感器用來采集壓力波信號，根據(jù)壓力波的物理特征和時(shí)間差利用信號處理方法可以確定泄漏程度和泄漏位置［&］。經(jīng)典的傅立葉信號分析方法是從頻率的概念出發(fā)，分析信號能量在各個頻率成分中的分布情況。但是，由于窗口傅立葉變換中的窗口形狀是固定不變的，不能反映非平穩(wěn)信號和一

4、些突變信號的局部特征。筆者利用小波分析方法對管道泄漏的具體特征圖!信號的小波變換與信號!（"）對比信號進(jìn)行研究。由圖&可知，小波變換$（"）的極大值點(diǎn)對%!應(yīng)于!（"）的突變點(diǎn)"，"。因此，選擇小波為光滑!小波分析的奇異性特征"!函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)，由小波變換$（"）的系數(shù)極大%!管道運(yùn)行的檢測信號!（"）在某一局部區(qū)間上值點(diǎn)可以檢測管道泄漏故障特征的突變點(diǎn)。有泄漏特征信號時(shí)，可以等價(jià)于某個奇異函數(shù)，并且!"管道泄漏的檢測結(jié)果&"可以被45633函數(shù)#（"）789:（(!）所平!!!!"管道泄漏時(shí)，管道內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓波向泄漏點(diǎn)的上滑。#（"）的一階導(dǎo)數(shù)

5、為二次樣條函數(shù)也即本文所下游傳播，圖!為-個不同位置的傳感器采集的壓力取的小波母函數(shù)#（"）。能夠描述函數(shù)的局部正則波信號（圖中，標(biāo)號&!-分別是-個傳感器采集的信收稿日期：!""!#"$#!%基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（%"&!""’）；中國石油天然氣集團(tuán)公司創(chuàng)新基金項(xiàng)目作者簡介：夏海波（&’$!(），男（漢族），黑龍江訥河人，博士研究生，從事管道泄漏故障診斷方法及裝置研究。第".卷第"期夏海波等：小波分析在管道泄漏信號識別中的應(yīng)用·.2·號。坐標(biāo)!的參考壓力值相當(dāng)于"#!!$%）。局部研究泄漏信號的奇異性，把圖-，.所示的系數(shù)特征進(jìn)

6、一步微分運(yùn)算，得到圖1，2的系數(shù)微分特性。圖!用于管道檢測的壓力波信號圖#低通濾波特征以"號傳感器采集的壓力波信號為例研究小波變換奇異性對管道泄漏特征信號的檢測。"號壓力波信號在時(shí)間為""&’(時(shí)取得極值，其頻譜特征如圖)所示。圖$低通濾波的頻譜特征圖"壓力波信號頻譜特征顯然，管道檢測信號的奇異性都集中在低頻段。對其進(jìn)行低頻濾波可以保留其奇異性，如圖&所示。很明顯，采樣頻率為!*!"+,的低通將信號的輪廓特征及其冗余信息完整保存下來，其頻譜特征如圖#所示。由圖)，#可知，信號在低頻段包含有較大程度的奇異性。應(yīng)用小波分析方法分析信號的奇異性得到如圖

7、-，.所示的結(jié)果。圖%小波變換!&尺度系數(shù)奇異性由圖-，.對比可知，管道泄漏特征信號在"/尺由圖1可知，在管道發(fā)生泄漏的位置處，一階微度下的小波變換系數(shù)中低頻和高頻成分的奇異特征分取最大值。而在圖2中，微分特性在管道發(fā)生泄明顯不同。由于管道發(fā)生泄漏時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓波是低漏位置的時(shí)間區(qū)域內(nèi)無大幅度變化，這表明尺度系頻信號，所以在小波變換的精細(xì)結(jié)構(gòu)系數(shù)中不包含數(shù)能夠從局部描述管道泄漏信號特征。為了詳細(xì)研泄漏特征信號的奇異性。因此，只須研究低頻的尺究小波變換系數(shù)奇異性能夠描述管道泄漏特征信號度系數(shù)就可以提取管道泄漏特征。在圖-中，0形的完整程度，將多尺度下

8、的小波變換系數(shù)及其檢測擬合曲線準(zhǔn)確表達(dá)了管道發(fā)生泄漏的特征。為了從標(biāo)準(zhǔn)分享網(wǎng)www.bzfxw.com免費(fèi)下載·%"·石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然