小波分析在管道泄漏信号识别中的应用.pdf

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1、!""%年第!+卷石油大学学报（自然科学版）;<=,!+><,!第!期?<6@A5=

2、突出小波变换系数的局部极值性。分析表明，检测信号的小波变换系数极值的奇异性准确地反映了管道检测信号的泄漏特征，并且从局部描述了管道泄漏信号的瞬态正则性。对各级尺度系数进行了.形曲线拟合，此曲线能够完整地描述管道泄漏瞬变特征，其拐点区间描述了管道发生泄漏时的瞬变过程。关键词：管道；泄漏；检测信号；小波分析；奇异性；拟合曲线中图分类号：/0!+-文献标识码：1性是小波变换的重要性质［!!-］，具体表现为小波变引言换系数出现极值。因此，管道压力波检测信号小波当管道发生泄漏时，泄漏处立即有流体物质损变换$（"）可以表示成信号!（"）在尺度%下被%!失而引

3、起局部流体密度减小，并产生瞬变压力降和（"）平滑后的一阶导数。如图&所示。#速度差。这个瞬变压力降作为波动源通过管道和流体介质向管道泄漏点的上下游以声速传播。其传播速度随管道输送介质的物理性质不同而变化，在天然气中大约为%""2／3，在液体油中大约为&!""2／3。设置在泄漏点两侧或泵站内的传感器用来采集压力波信号，根据压力波的物理特征和时间差利用信号处理方法可以确定泄漏程度和泄漏位置［&］。经典的傅立叶信号分析方法是从频率的概念出发，分析信号能量在各个频率成分中的分布情况。但是，由于窗口傅立叶变换中的窗口形状是固定不变的，不能反映非平稳信号和一

4、些突变信号的局部特征。笔者利用小波分析方法对管道泄漏的具体特征图!信号的小波变换与信号!（"）对比信号进行研究。由图&可知，小波变换$（"）的极大值点对%!应于!（"）的突变点"，"。因此，选择小波为光滑!小波分析的奇异性特征"!函数的一阶导数，由小波变换$（"）的系数极大%!管道运行的检测信号!（"）在某一局部区间上值点可以检测管道泄漏故障特征的突变点。有泄漏特征信号时，可以等价于某个奇异函数，并且!"管道泄漏的检测结果&"可以被45633函数#（"）789:（(!）所平!!!!"管道泄漏时，管道内产生的负压波向泄漏点的上滑。#（"）的一阶导数

5、为二次样条函数也即本文所下游传播，图!为-个不同位置的传感器采集的压力取的小波母函数#（"）。能够描述函数的局部正则波信号（图中，标号&!-分别是-个传感器采集的信收稿日期：!""!#"$#!%基金项目：北京市自然科学基金资助项目（%"&!""’）；中国石油天然气集团公司创新基金项目作者简介：夏海波（&’$!(），男（汉族），黑龙江讷河人，博士研究生，从事管道泄漏故障诊断方法及装置研究。第".卷第"期夏海波等：小波分析在管道泄漏信号识别中的应用·.2·号。坐标!的参考压力值相当于"#!!$%）。局部研究泄漏信号的奇异性，把图-，.所示的系数特征进

6、一步微分运算，得到图1，2的系数微分特性。图!用于管道检测的压力波信号图#低通滤波特征以"号传感器采集的压力波信号为例研究小波变换奇异性对管道泄漏特征信号的检测。"号压力波信号在时间为""&’(时取得极值，其频谱特征如图)所示。图$低通滤波的频谱特征图"压力波信号频谱特征显然，管道检测信号的奇异性都集中在低频段。对其进行低频滤波可以保留其奇异性，如图&所示。很明显，采样频率为!*!"+,的低通将信号的轮廓特征及其冗余信息完整保存下来，其频谱特征如图#所示。由图)，#可知，信号在低频段包含有较大程度的奇异性。应用小波分析方法分析信号的奇异性得到如图

7、-，.所示的结果。图%小波变换!&尺度系数奇异性由图-，.对比可知，管道泄漏特征信号在"/尺由图1可知，在管道发生泄漏的位置处，一阶微度下的小波变换系数中低频和高频成分的奇异特征分取最大值。而在图2中，微分特性在管道发生泄明显不同。由于管道发生泄漏时产生的负压波是低漏位置的时间区域内无大幅度变化，这表明尺度系频信号，所以在小波变换的精细结构系数中不包含数能够从局部描述管道泄漏信号特征。为了详细研泄漏特征信号的奇异性。因此，只须研究低频的尺究小波变换系数奇异性能够描述管道泄漏特征信号度系数就可以提取管道泄漏特征。在图-中，0形的完整程度，将多尺度下

8、的小波变换系数及其检测拟合曲线准确表达了管道发生泄漏的特征。为了从标准分享网www.bzfxw.com免费下载·%"·石油大学学报（自然