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[摘 要]针对信号采集系统和抽油机采油过程中噪声的特性，本文提出一种使用巴特沃斯滤波器的智能滤波器的优化设计方案，建立实物仿真模型，并给出滤波器的推导和RC值计算过程。在油田现场实践证明，该方案可以有效提高系统的信噪比，对外干扰信号具有很强的抑制能力，对检测输入信号激励的被控制输出信号有较小的畸变等优点。
[关键词]智能滤波器；巴特沃斯；FFT；滤波器
中图分类号：TM623.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0141-01
1 引言
油田生成过程中存在大量的噪声信号，其主要是高频噪声。该噪声严重干扰信号采集系统，对抽油机采油过程控制产生危害。为了降低信号噪声，信号采集系统工程设计时常采用一阶、二阶阻容式滤波器或阻尼器，但是这类滤波器的信噪比较低，且对被测信号存在某种程度的衰减，并不是很理想[1-2]。巴特沃斯滤波器具有很好的低通滤波器特性和过程控制系统所要求的响应性能， 因此目前开始应用于油田环境滤波器设计中。
2 巴特沃斯滤波器
巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而逐步減少，趋向负无穷大。
模拟滤波器设计就是将一组规定的设计要求，转化为相应的模拟系统函数，使其逼近某个理想滤波器的特性。
巴特沃斯低通滤波器的幅度平方函数定义为
其中C为一常数参数，N为滤波器阶数，为归一化低通截止频率，，式中N为整数，是滤波器的阶次[4]。
巴特沃斯低通滤波器的振幅特性如图1所示。
常用设计巴特沃斯低通滤波器指标：
2.1 滤波器参数设计
PROFIBUS-DP 智能滤波器主要应用于油田现场。油田现场存在大量的噪声信号，其主要是高频噪声构成，一般在5000Hz以上，因此设计巴特沃斯低通滤波器时，要求截止频率，通带最大衰减，阻带起始频率，阻带最小衰减。
2.2滤波器结构设计
5阶巴特沃斯低通滤波器结构如图3所示，巴特沃斯LPF的归一化表，5阶f1= f2= f3=1.0；Q1=0.5，Q2=0.618034，Q3=1.618034。按照标准E12系列取C11 = C21 =C31 = 2.2nF。低噪声电路设计时，电阻值应当选择小一些。在要求消耗电流低的场合，为了减轻负载应选用较大的电阻值。
使用计算后的RC值5阶巴特沃斯低通滤波器的幅频特性，通带截止频率为，衰减3dB，阻带起始频率，衰减30dB。
实验过程中，根据计算参数，建立如图4所示的实物仿真模型，实现巴特沃斯滤波器，对输入和输出信号用示波器进行采集分析信号FFT特性。如图5所示采用普通1阶RC滤波，无法有效抑制高频成分的噪声干扰，信噪比降低。图6所示，采用5阶巴特沃斯滤波后，能够有效的抑制高频信号，且对检测输入信号激励的被控制输出信号有较小的畸变。
3 现场应用
在确保安全生产的同时，该区突出重点工作，大力加强科研攻关、精细管理，助推原油上产。通过区域、油井的分析对比，预实施“四个进一步”，即进一步加大锦91火驱先导试验转线性井网力度，进一步完善锦94扩大试验区井网，在区块中已经寻找出6口待措施井，目前锦45-28-261换井底措施已确定；进一步优选可行性工艺类措施增产增效，通过堵水、压裂等方法，来解决部分油井出水、低产低液、油稠等问题，预计增油3100吨。此外，作业区通过稠油老井法、综合递减法、产量回归法、单井平均日产油法“四法”，对老区产能进行科学预测，进一步细化油井日常挖潜，采取地质队论证挖潜和班站自主挖潜相结合方式，大力开展群众性挖潜工作，力争增油1000吨以上。
2017年“开源节流、降本增效”仍然是作业区成本挖潜的重头戏，该区进一步围绕生产经营中的难点、重点，实施“立项”管理。针对作业区班站与人员实际情况，开展“挖潜创效”工程—精准油井ABC分类，加强重点井的掺油水、参数匹配、洗井周期及间开制定等管理工作，为油井挖潜提供可靠依据；恢复检泵井分析会，对周期内的倒井逐一论证，提高措施效率；推行“并站直输、降压运行”的调改理念，集中优化，降低系统回压，提高油井生产时效。开展“两驱精细化”工程—锦94蒸汽驱扩大试验区及锦91块火驱是生产管理的首要工作，切实做到“三个加强”，即加强硫化氢及尾气管理监督、加强先导驱与扩大区的管理经验交流、加强外来施工的监督管理，为两驱的上产保驾护航。
4 结论
本文针对信号采集系统和油田采油过程噪声的高频特性，高于5kHz以上的噪声信号进行多阶巴特沃斯滤波进行滤波，给出了滤波器的推导和RC值得计算过程，实践证明采用高阶巴特沃斯低通滤波器，在油田现场多噪声环境下，该方案可以有效提高系统的信噪比，对外干扰信号有很强的抑制能力，对检测输入信号激励的被控制输出信号有较小的畸变等优点。
参考文献
[1] Wang yonChu. Buttworth filter Application in process control.Industrial Instrumentation & Automation，1994（6）：13～15
[2] Robertson D G E DOWLING J J. Design and responses of Butterworth and critically damped digital filters，Journal of Electromyography and Kinesiology，2003（13）
[关键词]智能滤波器；巴特沃斯；FFT；滤波器
中图分类号：TM623.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0141-01
1 引言
油田生成过程中存在大量的噪声信号，其主要是高频噪声。该噪声严重干扰信号采集系统，对抽油机采油过程控制产生危害。为了降低信号噪声，信号采集系统工程设计时常采用一阶、二阶阻容式滤波器或阻尼器，但是这类滤波器的信噪比较低，且对被测信号存在某种程度的衰减，并不是很理想[1-2]。巴特沃斯滤波器具有很好的低通滤波器特性和过程控制系统所要求的响应性能， 因此目前开始应用于油田环境滤波器设计中。
2 巴特沃斯滤波器
巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。在振幅的对数对角频率的波特图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而逐步減少，趋向负无穷大。
模拟滤波器设计就是将一组规定的设计要求，转化为相应的模拟系统函数，使其逼近某个理想滤波器的特性。
巴特沃斯低通滤波器的幅度平方函数定义为
其中C为一常数参数，N为滤波器阶数，为归一化低通截止频率，，式中N为整数，是滤波器的阶次[4]。
巴特沃斯低通滤波器的振幅特性如图1所示。
常用设计巴特沃斯低通滤波器指标：
2.1 滤波器参数设计
PROFIBUS-DP 智能滤波器主要应用于油田现场。油田现场存在大量的噪声信号，其主要是高频噪声构成，一般在5000Hz以上，因此设计巴特沃斯低通滤波器时，要求截止频率，通带最大衰减，阻带起始频率，阻带最小衰减。
2.2滤波器结构设计
5阶巴特沃斯低通滤波器结构如图3所示，巴特沃斯LPF的归一化表，5阶f1= f2= f3=1.0；Q1=0.5，Q2=0.618034，Q3=1.618034。按照标准E12系列取C11 = C21 =C31 = 2.2nF。低噪声电路设计时，电阻值应当选择小一些。在要求消耗电流低的场合，为了减轻负载应选用较大的电阻值。
使用计算后的RC值5阶巴特沃斯低通滤波器的幅频特性，通带截止频率为，衰减3dB，阻带起始频率，衰减30dB。
实验过程中，根据计算参数，建立如图4所示的实物仿真模型，实现巴特沃斯滤波器，对输入和输出信号用示波器进行采集分析信号FFT特性。如图5所示采用普通1阶RC滤波，无法有效抑制高频成分的噪声干扰，信噪比降低。图6所示，采用5阶巴特沃斯滤波后，能够有效的抑制高频信号，且对检测输入信号激励的被控制输出信号有较小的畸变。
3 现场应用
在确保安全生产的同时，该区突出重点工作，大力加强科研攻关、精细管理，助推原油上产。通过区域、油井的分析对比，预实施“四个进一步”，即进一步加大锦91火驱先导试验转线性井网力度，进一步完善锦94扩大试验区井网，在区块中已经寻找出6口待措施井，目前锦45-28-261换井底措施已确定；进一步优选可行性工艺类措施增产增效，通过堵水、压裂等方法，来解决部分油井出水、低产低液、油稠等问题，预计增油3100吨。此外，作业区通过稠油老井法、综合递减法、产量回归法、单井平均日产油法“四法”，对老区产能进行科学预测，进一步细化油井日常挖潜，采取地质队论证挖潜和班站自主挖潜相结合方式，大力开展群众性挖潜工作，力争增油1000吨以上。
2017年“开源节流、降本增效”仍然是作业区成本挖潜的重头戏，该区进一步围绕生产经营中的难点、重点，实施“立项”管理。针对作业区班站与人员实际情况，开展“挖潜创效”工程—精准油井ABC分类，加强重点井的掺油水、参数匹配、洗井周期及间开制定等管理工作，为油井挖潜提供可靠依据；恢复检泵井分析会，对周期内的倒井逐一论证，提高措施效率；推行“并站直输、降压运行”的调改理念，集中优化，降低系统回压，提高油井生产时效。开展“两驱精细化”工程—锦94蒸汽驱扩大试验区及锦91块火驱是生产管理的首要工作，切实做到“三个加强”，即加强硫化氢及尾气管理监督、加强先导驱与扩大区的管理经验交流、加强外来施工的监督管理，为两驱的上产保驾护航。
4 结论
本文针对信号采集系统和油田采油过程噪声的高频特性，高于5kHz以上的噪声信号进行多阶巴特沃斯滤波进行滤波，给出了滤波器的推导和RC值得计算过程，实践证明采用高阶巴特沃斯低通滤波器，在油田现场多噪声环境下，该方案可以有效提高系统的信噪比，对外干扰信号有很强的抑制能力，对检测输入信号激励的被控制输出信号有较小的畸变等优点。
参考文献
[1] Wang yonChu. Buttworth filter Application in process control.Industrial Instrumentation & Automation，1994（6）：13～15
[2] Robertson D G E DOWLING J J. Design and responses of Butterworth and critically damped digital filters，Journal of Electromyography and Kinesiology，2003（13）