基于DSP動(dòng)液面深度測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

動(dòng)液面深度是油機(jī)井的井口到井下油層表面的距離，是抽油機(jī)井定期測試中的一個(gè)重要參數(shù)。由動(dòng)液面深度還可計(jì)算出井管內(nèi)的平均聲速。動(dòng)液面深度、井管內(nèi)的平均聲速與其它測試項(xiàng)目的結(jié)果相結(jié)合可以充分反映抽油機(jī)井的工作狀態(tài)和產(chǎn)量情況，為油井的診斷和維護(hù)提供依據(jù)。

2 動(dòng)液面深度測試原理

動(dòng)液面深度測試儀器通過采集由安裝在井口的炮槍發(fā)出并經(jīng)過井管接頭反射的節(jié)箍波信號和經(jīng)過油層表面反射的液面波信號（如圖1所示），找出井口位置、動(dòng)液面位置及基準(zhǔn)節(jié)箍波，用公式（1）來計(jì)算動(dòng)液面深度。


圖1節(jié)箍波和液面波波形示意圖


(1)
公式（1）中A、B、C、D分別代表井口位置、液面位置、參考節(jié)箍波起點(diǎn)和參考節(jié)箍波終點(diǎn)，L為單節(jié)井管的長度，N為介于C、D之間的參考節(jié)箍波的個(gè)數(shù)。由于每個(gè)節(jié)箍波對應(yīng)一節(jié)井管，因此N就是C、D之間的井管個(gè)數(shù)。

由于傳感器本身的噪聲、環(huán)境噪聲等多種噪聲源的存在，所采集到的波形并非都能如圖1那樣很容易地找出上述的各特征點(diǎn)，尤其是參考節(jié)箍波，這就給準(zhǔn)確計(jì)算動(dòng)液面深度帶來困難，有時(shí)甚至根本無法計(jì)算。因此對傳感器輸出信號的濾波處理成為準(zhǔn)確計(jì)算動(dòng)液面深度的關(guān)鍵。

3 傳統(tǒng)的動(dòng)液面深度測試儀結(jié)構(gòu)

目前普遍采用的動(dòng)液面深度測試儀有如圖2所示的基于模擬電路的結(jié)構(gòu)和如圖3所示的基于微控制器的結(jié)構(gòu)。


圖2基于模擬電路的動(dòng)液面深度測試儀原理框圖


圖3基于微控制器的動(dòng)液面深度測試儀原理框圖

在圖2的結(jié)構(gòu)中，微音器撿拾由炮槍發(fā)出并經(jīng)過井管接頭和油層表面反射后返回到井口的低頻聲波信號，該信號經(jīng)放大器放大后進(jìn)入兩個(gè)窄帶濾波器：帶通濾波器 BPF和低通濾波器LPF。帶通濾波器的輸出即為節(jié)箍波信號，低通濾波器的輸出為液面波信號。數(shù)據(jù)采集由驅(qū)動(dòng)電路控制繪圖筆在紙帶上繪制節(jié)箍波和液面波曲線來完成。井口位置、液面位置、參考節(jié)箍波起點(diǎn)、參考節(jié)箍波終點(diǎn)等特征位置的提取及動(dòng)液面深度與井管內(nèi)平均聲速的計(jì)算完全由技術(shù)人員手工完成。

在圖3的結(jié)構(gòu)中，模擬信號的撿拾、放大和濾波部分與圖2所示的結(jié)構(gòu)完全相同，但數(shù)據(jù)采集部分由微控制器系統(tǒng)完成。微控制器系統(tǒng)由微控制器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器及顯示和打印接口組成。在該結(jié)構(gòu)中只要找出各特征位置，則動(dòng)液面深度與聲速的計(jì)算可由微控制器自動(dòng)完成。在采集到的波形較理想的情況下，特征位置的提取可以在數(shù)據(jù)采集結(jié)束后由微控制器自動(dòng)完成，但多數(shù)情況下由于濾波效果不好，使得自動(dòng)提取的特征位置不準(zhǔn)確，需要技術(shù)人員手工干預(yù)。

這兩種結(jié)構(gòu)雖然在數(shù)據(jù)采集方式上有較大不同，但所采集到的波形的好壞均取決于信號處理通道中兩個(gè)模擬濾波器的頻率響應(yīng)特性。由于這兩路信號的頻帶都很窄，這就導(dǎo)致了兩個(gè)濾波器在實(shí)現(xiàn)上需要較高的階數(shù)，又由于高階濾波器對器件參數(shù)的變化較敏感，因而給其設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來較大困難。

4 基于數(shù)字信號處理器的動(dòng)液面深度測試儀結(jié)構(gòu)

基于數(shù)字信號處理器的動(dòng)液面深度測試儀結(jié)構(gòu)如圖4所示。微音器輸出信號經(jīng)過前置放大器和防混疊濾波器后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果送入數(shù)字信號處理器進(jìn)行數(shù)字濾波處理和采樣頻率變換，然后存入非易失性存儲(chǔ)器，以便進(jìn)行特征位置提取、動(dòng)液面深度計(jì)算、井管內(nèi)聲速計(jì)算、波形顯示和打印及其它事后處理。


圖4基于數(shù)字信號處理器的動(dòng)液面深度測試儀原理框圖

在該結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)模擬濾波器的功能由用數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器來完成，采用的是過采樣數(shù)字信號處理技術(shù)。系統(tǒng)以很高的采樣率對輸入信號進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過由數(shù)字信號處理器實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)窄帶數(shù)字濾波器，即節(jié)箍波帶通濾波器BPF和液面波低通濾波器LPF，濾波后的兩路采樣數(shù)據(jù)分別進(jìn)入兩個(gè)采樣率壓縮器。

設(shè)系統(tǒng)的輸出采樣頻率為fs，輸入采樣頻率為Mfs，節(jié)箍波濾波器BPF的沖擊響應(yīng)為hB(k)，液面波濾波器LPF的沖擊響應(yīng)為hL(k)，輸入采樣數(shù)據(jù)為x(n)，輸出節(jié)箍波采樣數(shù)據(jù)為yB(n)，輸出液面波采樣數(shù)據(jù)為yL(n)，則數(shù)字信號處理器中數(shù)字濾波及采樣率變換部分的數(shù)據(jù)流圖如圖5所示。

圖5DSP中的信號處理流圖

該系統(tǒng)在時(shí)域里的輸入—輸出關(guān)系為：

yB(m)=wB(mM)=∑hB(k)x(mM-k)
wB(n)=∑hB(k)x(n-k)
yL(m)=wL(mM)=∑hL(k)x(mM-k)
wL(n)=∑hL(k)x(n-k)

由于數(shù)字信號處理器是針對數(shù)字信號處理算法而設(shè)計(jì)的處理器，有著很高的MAC（乘和累加）運(yùn)算速度，因此很容易實(shí)時(shí)完成這兩路高階窄帶數(shù)字濾波器的運(yùn)算。由于本系統(tǒng)的輸出采樣頻率不高，因此過采樣的M值可以很大，這樣防混疊濾波器可以用簡單的二階有源模擬低通濾波器來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)可以在通帶上留較寬的裕度，即使防混疊濾波器中模擬元件的參數(shù)隨時(shí)間或溫度發(fā)生漂移，也不會(huì)影響整個(gè)信號處理系統(tǒng)的性能。由于信號處理的主要過程都采用了數(shù)字處理，使得系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、可靠，克服了圖2和圖3所示兩種結(jié)構(gòu)所固有的因?yàn)V波器元件參數(shù)漂移或不一致而帶來的系統(tǒng)工作不穩(wěn)定或設(shè)計(jì)、調(diào)試的困難。

該結(jié)構(gòu)由數(shù)字信號處理器取代了傳統(tǒng)的模擬濾波器和微控制器，并且只使用一路模數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于濾波效果好，使自動(dòng)提取特征位置的成功率較基于微控制器的結(jié)構(gòu)有較大提高，提高了工作效率。

5 結(jié)束語
文中介紹的基于數(shù)字信號處理器的動(dòng)液面深度測試儀采用了數(shù)字信號處理技術(shù)，克服了傳統(tǒng)儀器固有的缺點(diǎn)，為抽油機(jī)井的動(dòng)液面深度測試提供了可靠、準(zhǔn)確、自動(dòng)化程度高的測試手段。