CN111060168A

CN111060168A - 一种流量信号采样方法和装置

Info

Publication number: CN111060168A
Application number: CN201911363057.7A
Authority: CN
Inventors: 刘永才
Original assignee: Shenzhen Jiayuntong Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Jiayuntong Electronics Co Ltd
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-04-24

Abstract

本发明公开了一种流量信号采样方法和装置，用于油田注水井电磁流量计的流量信号采样。该方法包括：步骤S1：获取输入的脉冲信号，该脉冲信号是电磁流量计在测量注水流量过程中生成的；步骤S2：利用低通滤波算法对获取的脉冲信号进行采样，并对采样得到的信号进行低通滤波处理；步骤S3：利用递推数字滤波算法对经步骤S2进行低通滤波处理处理后的信号进行递推求平均值，得到稳定的采样信号；步骤S4：将步骤S3得到的稳定的采用信号作为流量信号输出。该方法由单片机实施，用算法实现，能够代替一部分硬件电路，节省占用空间；可以在井下复杂电磁环境下，减少噪声影响，及时准确地测量出流量信号，并满足测量需求的稳定性和鲁棒性。

Description

一种流量信号采样方法和装置

技术领域

本发明涉及油田注水井计技术领域，具体涉及一种用于油田注水井电磁流量计的流量信号采样方法和装置。

背景技术

油田注水是油田开发过程中向地层补充能量、提高油田采收率的重要手段之一，其作用是弥补原油采出后所造成的地下亏空，保持或提高油层压力，实现油田高产稳产。在实际生产注水过程中，每口注水井都应该连续均衡地完成配注计划，注水不能过多也不能过少，更不能无故停注。因此，需要通过流量计及时准确地了解到当前时刻的注水流量。目前市场上的电磁流量计绝大多数是把检测到的感生电动势直接转化为对应的流量值。

但是，针对油田注水井独特的井下环境，上述方式存在一些不足：

1、井下注水设备有电磁干扰复杂、充满工频噪声等一系列不利于测量流量的因素，会较大影响流量测量值的准确性；

2、电磁流量计电路板本身也具有一定的机械加工糙点，在平常生产环境可能不会有多大影响，但考虑到井下设备无规律抖动、地质震动、注水流体冲击加压等外部应力，可能会造成电路板上测量电极以及其它电子元件抖动，也会造成测量噪声；

3、井下测量环境狭小，各种传感器和测量设备众多，传统电磁流量计电子元件多，占用空间大。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种用于油田注水井电磁流量计的流量信号采样方法，用于减少噪声影响，提高准确度，并有助于减少硬件电路。本发明实施例的目的还在于提供相应的装置。

第一方面，提供一种流量信号采样方法，用于油田注水井电磁流量计的流量信号采样，该方法包括：

步骤S1：获取输入的脉冲信号，该脉冲信号是电磁流量计在测量注水流量过程中生成的；

步骤S2：利用低通滤波算法对获取的脉冲信号进行采样，并对采样得到的信号进行低通滤波处理；

步骤S3：利用递推数字滤波算法对经步骤S2进行低通滤波处理处理后的信号进行递推求平均值，得到稳定的采样信号；

步骤S4：将步骤S3得到的稳定的采用信号作为流量信号输出。

第二方面，提供一种流量信号采样装置，用于油田注水井电磁流量计的流量信号采样，其特征在于，该装置包括：

输入模块，用于获取输入的脉冲信号，该脉冲信号是电磁流量计在测量注水流量过程中生成的；

低通滤波处理模块，用于利用低通滤波算法对获取的脉冲信号进行采样，并对采样得到的信号进行低通滤波处理；

递推数字滤波处理模块，用于利用递推数字滤波算法对经低通滤波处理模块进行低通滤波处理处理后的信号进行递推求平均值，得到稳定的采样信号；

输出模块，用于将递推数字滤波处理模块得到的稳定的采用信号作为流量信号输出。

第三方面，提供一种单片机，包括处理器和存储器，其特征在于，所述存储器中存储有程序，当所述单片机运行时，所述处理器通过执行所述存储器中存储的程序，使所述单片机执行如第一方面所述的流量信号采样方法。

第四方面，提供一种存储介质，存储有程序，当所述程序被单片机执行时，使所述单片机执行如第二方面所述的流量信号采样方法。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明的用于油田注水井电磁流量计的流量信号采样方法，由单片机实施，用算法实现，能够代替一部分硬件电路，节省硬件装置的占用空间；可以在电磁干扰和各种噪声干扰的井下复杂电磁环境下，减少噪声影响，及时准确地测量出流量信号，并满足测量需求的稳定性和鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明一个实施例提供的一种流量信号采样方法的流程示意图；

图2是本发明一个实施例中低通滤波处理的流程示意图；

图3是本发明一个实施例中递推数字滤波处理的流程示意图；

图4是本发明一个实施例提供的一种流量信号采样装置的结构示意图；

图5是本发明一个实施例提供的一种单片机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面通过具体实施例，分别进行详细的说明。

请参考图1，本发明的一个实施例，提供一种流量信号采样方法，用于油田注水井电磁流量计的流量信号采样。

该方法可包括：

步骤S1，信号输入：获取输入的脉冲信号，该脉冲信号是电磁流量计在测量注水流量过程中生成的；

步骤S2，低通滤波处理：利用低通滤波算法对获取的脉冲信号进行采样，并对采样得到的信号进行低通滤波处理；

步骤S3，递推数字滤波处理：利用递推数字滤波算法对经步骤S2进行低通滤波处理处理后的信号进行递推求平均值，得到稳定的采样信号；

步骤S4，信号输出：将步骤S3得到的稳定的采用信号作为流量信号输出。

一些实施例中，该方法可由单片机实施。其中，步骤S1的信号输入，可以是通过单片机从电磁流量计捕获低频的脉冲信号；步骤S2至S3采用的低通滤波算法和递推滤波算法，可以用单片机C语言编程实现；步骤S4的信号输出可以是通过单片机的TX端口和RX端口来输出。

如图2所示，是一些实施例中，低通滤波处理的流程示意图。

步骤S2的低通滤波处理可包括：按照设定的采样频率对脉冲信号采样；采用FIR(Finite Impulse Response，有限长单位冲激响应)滤波函数对采样得到的信号进行移位、加权和卷积运算，实现低通滤波处理，该低通滤波处理操作用于滤除采样信号中的高频噪声，包括电路噪声和工频噪声等，从而在软件层次上即可达到FIR滤波器硬件电路的效果，使得信号采样结果具有良好的鲁棒性。FIR(Finite Impulse Response，有限长单位冲激响应)滤波函数可以是Matlab软件的内建函数。一种可能的实现方式中，具体流程如下。

(1)设定采样频率为300Hz，可定义低频目标脉冲信号x(k)、20Hz电路噪声n1(k)和50Hz工频噪声n2(k)的各个表达公式：x(k)＝1,n1(k)＝sin(2*π*k*20/300)，n2(k)＝sin(2*π*k*50/300)，其中k＝1,2,3,…,1000为采样时刻。

(2)声明一个能容纳1000个char类型数据的采样数组x[k]。

(3)对脉冲信号采样，可将采样信号用数组x[k]表示。

实际的采样信号中包含了电路噪声和工频噪声，按照步骤(1)里的三个公式，对脉冲信号采样相当于分别对1Hz的低频目标脉冲信号、20Hz电路噪声、50Hz工频噪声进行采样和求和，采样得到的信号存进步骤(2)里声明的采样数组x[k]，x[k]的表达式可记为为x[k]＝1+sin(2*π*k*20/300)+sin(2*π*k*50/300)，其中k＝1,2,3,…,1000。

(4)利用Matlab软件的内建滤波函数firl()进行低通滤波。

首先，可利用Matlab软件计算低通滤波的卷积系数h(i)，i＝1,2,…,N。N即为低通滤波阶数，可表示卷积系数h(i)为一个N点的冲激序列。设定低通滤波算法的通带截止频率fp＝50Hz，阻带起始频率fst＝50Hz，抽样频fs＝300Hz，阻带衰减不少于－50dB。将这些初始参数输入Matlab软件自带的内建函数firl()，即可求出低通滤波的卷积系数h(i)。

然后，可利用下述公式求出经过低通滤波处理后的输出脉冲信号y(k)：

该公式中，是先将采样信号x(k)进行移位，即x(k-i)；然后与卷积系数h(i)求积加权，即h(i)*x(k-i)；最后对积求和，进行卷积运算，即算出脉冲信号y(k)。计算得到的脉冲信号y(k)已经滤除了20Hz的电路噪声和50Hz的工频噪声，仅含有低频目标脉冲信号x(k)，这就完成了对采样信号的低通滤波处理。

如图3所示，是一些实施例中，递推数字滤波处理的流程示意图。

步骤S3的递推数字滤波处理可包括：对于经步骤S2进行低通滤波处理处理后的信号，利用单片机中断技术实时更新信号数值，通过依次对M个最新的信号数值求平均值，得到稳定的采样信号。其中，M为正整数，例如M可以等于10。该步骤对信号进行递推求平均值，可使输出结果更加线性稳定，具有良好的稳定性。一种可能的实现方式中，具体流程如下：

(1)声明一个能存放十个char类型数据的递推求平均值数组buf[]；

(2)声明一个用于求和的char类型变量sum，sum表示数组buf[]里十个数的和；

(3)单片机每发生一次中断，就把当前发来的信号的数值存进数组buf[]里；

(4)发生十次中断后，对数组buf[]进行求平均值avg，其公式为avg＝sum/10，将求得的数值输出，如此反复进行，输出稳定的采样信号。

该稳定的采用信号作为流量信号输出，可用于转化为流量值。

以上，本发明实施例公开了一种流量信号采样方法，该方法是一种专门用于油田注水井电磁流量计在井下复杂电磁环境下及时准确测量出流量信号的采样算法。该流量信号采样方法取得了以下技术效果：

(1)该方法的低通滤波处理步骤通过对采样信号进行低通滤波处理，可有效滤除电磁干扰和高频噪声，提高采样结果准确率，保证较好的数据线性相位；

(2)该方法的递推数字滤波处理步骤利用单片机中断技术，可以实时更新采样数据，代替传统的暴力算法，克服单片机存储空间的限制，解放芯片算力；

(3)该方法的递推数字滤波步骤可以去除因电路噪声、水压突变等原因引起的计数漂移，使流量信号的测量值更加线性稳定贴合实际；

(4)该方法仅在软件层次上即可达到低通滤波硬件电路的效果，代替掉相当多的电子元件，大大减小电路板板上面积，使电路整体设计更加符合井下狭小的测量环境，使得流量信号测量过程更加灵活高效，节省生产成本。

请参考图4，本发明的一个实施例，还提供一种流量信号采样装置，用于油田注水井电磁流量计的流量信号采样，该装置包括：

输入模块41，用于获取输入的脉冲信号，该脉冲信号是电磁流量计在测量注水流量过程中生成的；

低通滤波处理模块42，用于利用低通滤波算法对获取的脉冲信号进行采样，并对采样得到的信号进行低通滤波处理；

递推数字滤波处理模块43，用于利用递推数字滤波算法对经低通滤波处理模块进行低通滤波处理处理后的信号进行递推求平均值，得到稳定的采样信号；

输出模块44，用于将递推数字滤波处理模块得到的稳定的采用信号作为流量信号输出。

可选的，所述低通滤波处理模块42，具体用于：按照设定的采样频率对脉冲信号采样；采用FIR滤波函数对采样得到的信号进行移位、加权和卷积运算，实现低通滤波处理，该低通滤波处理操作用于滤除采样信号中的电路噪声和工频噪声。

可选的，所述递推数字滤波处理模块43，具体用于：对于经所述低通滤波处理模块进行低通滤波处理处理后的信号，利用单片机中断技术实时更新信号数值，通过依次对M个最新的信号数值求平均值，得到稳定的采样信号。

请参考图5，本发明的一个实施例，还提供一种单片机50，包括处理器51和存储器52，所述存储器52中存储有程序，当所述单片机50运行时，所述处理器51通过执行所述存储器52中存储的程序，使所述单片机50执行如图1实施例所述的流量信号采样方法。

本发明的一个实施例，还提供一种存储介质，存储有程序，当所述程序被单片机执行时，使所述单片机执行如图1实施例所述的流量信号采样方法。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

上述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种流量信号采样方法，用于油田注水井电磁流量计的流量信号采样，其特征在于，该方法包括：

步骤S4：将步骤S3得到的稳定的采用信号作为流量信号输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：

按照设定的采样频率对脉冲信号采样；

采用FIR滤波函数对采样得到的信号进行移位、加权和卷积运算，实现低通滤波处理，该低通滤波处理操作用于滤除采样信号中的电路噪声和工频噪声。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3包括：

对于经步骤S2进行低通滤波处理处理后的信号，利用单片机中断技术实时更新信号数值，通过依次对M个最新的信号数值求平均值，得到稳定的采样信号。

4.一种流量信号采样装置，用于油田注水井电磁流量计的流量信号采样，其特征在于，该装置包括：

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述低通滤波处理模块，具体用于：按照设定的采样频率对脉冲信号采样；采用FIR滤波函数对采样得到的信号进行移位、加权和卷积运算，实现低通滤波处理，该低通滤波处理操作用于滤除采样信号中的电路噪声和工频噪声。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，

所述递推数字滤波处理模块，具体用于：对于经所述低通滤波处理模块进行低通滤波处理处理后的信号，利用单片机中断技术实时更新信号数值，通过依次对M个最新的信号数值求平均值，得到稳定的采样信号。

7.一种单片机，包括处理器和存储器，其特征在于，所述存储器中存储有程序，当所述单片机运行时，所述处理器通过执行所述存储器中存储的程序，使所述单片机执行如权利要求1至3中任一所述的流量信号采样方法。

8.一种存储介质，存储有程序，当所述程序被单片机执行时，使所述单片机执行如权利要求1至3中任一所述的流量信号采样方法。