一种大动态范围砂岩模型电阻率测量装置及测量方法

1.本发明涉及电阻率测量技术领域，具体涉及一种基于改进的扩展卡尔曼滤波的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置及测量方法。


背景技术：

2.在采油工程中，需要长时间(1周到3周)测量多路500欧到5兆欧的大动态范围的电阻率电路的变化值。设计了128路的选通电路和8档自动量程电路，在长时间的测量过程中，不可避免的会出现零点漂移现象。零点漂移现象指的是在放大电路中，输入端口的信号短路的时候，输出端口确能检测到电流。抑制零点漂移的方法主要有两种，一种是利用电容补偿的方法，这种方法是设计了自动校零的电路，利用积分电路中的电容，将零飘电路的电压存储到电容中，再利用实际测得的电压减掉电容的电压。由于电容的老化，无法准确存储电压。第二种是利用卡尔曼滤波，但是卡尔曼滤波只能解决线性问题，并且由于电阻的阻值变化比较大，容易造成滤波发散。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于改进的扩展卡尔曼滤波的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置及测量方法，这是一种基于改进的扩展卡尔曼滤波在测量大动态范围电阻率的应用，根据新息协方差矩阵的范数来抑制滤波发散的扩展卡尔曼滤波，来消除零点漂移的误差的方法，该技术方案可以利用差分放大电路来抑制共模干扰，还可以利用卡尔曼滤波消除零点漂移的误差，有效提高预测精度。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
5.本发明提供了一种大动态范围砂岩模型电阻率测量装置，构建基于改进的扩展卡尔曼滤波的大动态范围砂岩模型测量其内部电阻值，其特征在于，包括设置有128路探针的大型砂岩模型、电路模块和数据采集卡，所述大型砂岩模型连接注水井和出油井，所述电路模块连接大型砂岩模型与数据采集卡，所述数据采集卡连接pc机。
6.优选的是，所述电路模块包括8档自动量程匹配电路和128路选通电路。
7.在上述任一技术方案中优选的是，所述128路选通电路连接大型砂岩模型，其电阻率探针均匀插入到砂岩模型中。
8.在上述任一技术方案中优选的是，所述128路选通电路连接8档自动量程匹配电路，8档自动量程匹配电路连接数据采集卡，128路选通电路采集的电阻值通过数据采集卡传输至pc机。
9.在上述任一技术方案中优选的是，所述电路模块还设置有差分放大电路，用于抑制测量过程中的共模干扰。
10.本发明还提供了一种大动态范围砂岩模型电阻率测量方法，采用如上任一项所述的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置，构建砂岩模型测量其内部电阻值，该方法包括以下步骤：
11.步骤一，利用已经做好的砂岩模型，把128路选通电路的电阻率探针均匀插入到大型砂岩模型中；
12.步骤二，电路模块中设置放大电路，放大电路采用的是差分放大电路，抑制共模干扰；
13.步骤三，通过pc机运行程序，将128的电阻值全部采集出来，并通过数据采集卡传输至pc机；
14.步骤四，利用改进后的卡尔曼滤波算法去除测量电阻时产生的零点漂移产生的误差。
15.在上述任一技术方案中优选的是，根据大动态范围砂岩模型电阻率测量方法的步骤一至四，启动pc机程序，通过数据采集卡将128路采集到的电阻信号，构建卡尔曼滤波模型，去除零点漂移的误差，构建卡尔曼滤波模型具体包括：
16.根据对电阻的测量，建立系统的状态方程
17.x(k)＝f(k,x(k))+v(k)，
18.量测方程为
19.z(k+1)＝h(k，x(k))+w(k)，
20.式中，x(k)是测量电位的状态向量，v(k)是过程噪声，z(k)是k时刻的电位的观测向量，w(k)是量测噪声。
21.在上述任一技术方案中优选的是，根据大动态范围砂岩模型电阻率测量方法的步骤一至四，构建卡尔曼滤波模型，采用扩展卡尔曼滤波过程如下：
22.状态的一步预测方程为
[0023][0024]
协方差的预测方程为
[0025]
p(k+1|k)＝f
x
(k)p(k|k)f
x
′
(k)+q(k)，
[0026]
量测预测方程
[0027][0028]
新息协方差为
[0029]
s(k+1)＝h
x
(k+1)p(k+1|k)h
x
′
(k+1)+r(k+1)，
[0030]
增益为
[0031][0032]
状态更新方程为
[0033][0034]
协方差更新方程为
[0035][0036]
只需要给定状态初始值和滤波估计状态向量的协方差矩阵，算法就能启动并递推
下去；系统达到稳态后，预测协方差、新息和增益均趋于极小值；若此时的电阻进行了突变，预测值不再准确，新息协方差突然变大，但是增益不能改变，造成滤波精度下降；由于增益矩阵k的计算量较大，重新计算增益矩阵k会导致实时性降低，所以修正一步预测值来提高滤波值的精度；
[0037]
在滤波趋于稳态后，新息矩阵趋于极小值，可根据新息矩阵的大小判断是否应该调整预测值
[0038]
||r(k+1)|＜λz
max
||
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)，
[0039]
式中，z
max
为量测误差矩阵的最大值||.||为f—范数，λ的取值范围是[0.3,0.9]；
[0040]
当新息矩阵满足式(14)时，认为滤波正常；当是不成立时，认为电阻发生了较大的变化，此时量测值的可靠性较高，一步预测值的可靠性较低，应修正一步预测值；
[0041]
如果不满足，表明一步预测值x(k+1|k)不准确，x(k+1|k)修改，通过重新计算状态更新方程得到新的x(k+1|k+1)；
[0042]
具体修正方式如下
[0043][0044]
式中，c1是对预测路数的修正；c2是对预测电阻的修正，r
′
(k+1)是k+1时刻新息矩阵的距离分量；c1和c2的取值范围是(0，1)，在这里选取c1为0.5，c2为0.6；过滤后得到精度高的测量数据结果。
[0045]
与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益效果：
[0046]
(1)本发明技术方案利用差分放大电路，可以抑制共模干扰；
[0047]
(2)本发明提出根据新息协方差矩阵的范数来抑制滤波发散的扩展卡尔曼滤波，与扩展卡尔曼滤波相比，可以有效提高预测精度；
[0048]
(3)本发明的基于改进的扩展卡尔曼滤波在大动态范围电阻率的应用，可以用于其他存在零点漂移的现象。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0050]
图1为按照本发明的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置的一优选实施例的结构示意图；
[0051]
图2为按照本发明的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置的一优选实施例的测量原理示意图；
[0052]
图3为按照本发明的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置的一优选实施例的卡尔曼滤波结果示意图。
具体实施方式
[0053]
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，都属于本发明保护的范围。
[0054]
为了克服采油工程中所存在的大动态范围的电阻率电路在长时间的测量过程中出现零点漂移现象等技术问题，本发明实施例提出一种基于改进的扩展卡尔曼滤波的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置及测量方法，这是一种基于改进的扩展卡尔曼滤波在测量大动态范围电阻率的应用，根据新息协方差矩阵的范数来抑制滤波发散的扩展卡尔曼滤波，来消除零点漂移的误差的方法，该技术方案可以利用差分放大电路来抑制共模干扰，还可以利用卡尔曼滤波消除零点漂移的误差，有效提高预测精度。
[0055]
本实施例所述的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置，构建基于改进的扩展卡尔曼滤波的大动态范围砂岩模型测量其内部电阻值，如图1所示，它包括设置有128路探针的大型砂岩模型、电路模块和数据采集卡，大型砂岩模型连接注水井和出油井，电路模块连接大型砂岩模型与数据采集卡，数据采集卡连接pc机。
[0056]
本实施例的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置，电路模块包括8档自动量程匹配电路和128路选通电路。
[0057]
本实施例的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置，128路选通电路连接大型砂岩模型，其电阻率探针均匀插入到砂岩模型中。
[0058]
本实施例的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置，128路选通电路连接8档自动量程匹配电路，8档自动量程匹配电路连接数据采集卡，128路选通电路采集的电阻值通过数据采集卡传输至pc机。
[0059]
本实施例的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置，电路模块还设置有差分放大电路，用于抑制测量过程中的共模干扰。
[0060]
采用如上所述的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置，构建砂岩模型测量其内部电阻值，这种大动态范围砂岩模型电阻率测量方法包括以下步骤：
[0061]
步骤一，利用已经做好的砂岩模型，把128路选通电路的电阻率探针均匀插入到大型砂岩模型中；
[0062]
步骤二，电路模块中设置放大电路，放大电路采用的是差分放大电路，抑制共模干扰；
[0063]
步骤三，通过pc机运行程序，将128的电阻值全部采集出来，并通过数据采集卡传输至pc机；
[0064]
步骤四，利用改进后的卡尔曼滤波算法去除测量电阻时产生的零点漂移产生的误差。
[0065]
按照本实施例所述的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置的测量原理示意图如图2所示。
[0066]
根据大动态范围砂岩模型电阻率测量方法的步骤一至四，启动pc机程序，通过数据采集卡将128路采集到的电阻信号，构建卡尔曼滤波模型，去除零点漂移的误差，构建卡尔曼滤波模型具体包括：
[0067]
根据对电阻的测量，建立系统的状态方程
[0068]
x(k)＝f(k,x(k))+v(k)，
[0069]
量测方程为
[0070]
z(k+1)＝h(k，x(k))+w(k)，
[0071]
式中，x(k)是测量电位的状态向量，v(k)是过程噪声，z(k)是k时刻的电位的观测向量，w(k)是量测噪声。
[0072]
根据大动态范围砂岩模型电阻率测量方法的步骤一至四，构建卡尔曼滤波模型，采用扩展卡尔曼滤波过程如下：
[0073]
状态的一步预测方程为
[0074][0075]
协方差的预测方程为
[0076]
p(k+1|k)＝f
x
(k)p(k|k)f
x
′
(k)+q(k)，
[0077]
量测预测方程
[0078][0079]
新息协方差为
[0080]
s(k+1)＝h
x
(k+1)p(k+1|k)h
x
′
(k+1)+r(k+1)，
[0081]
增益为
[0082][0083]
状态更新方程为
[0084][0085]
协方差更新方程为
[0086][0087]
只需要给定状态初始值和滤波估计状态向量的协方差矩阵，算法就可以启动并递推下去；系统达到稳态后，预测协方差、新息和增益均趋于极小值；若此时的电阻进行了突变，预测值不再准确，新息协方差突然变大，但是增益不能改变，造成滤波精度下降；由于增益矩阵k的计算量较大，重新计算增益矩阵k会导致实时性降低，所以本文修正一步预测值来提高滤波值的精度；
[0088]
在滤波趋于稳态后，新息矩阵趋于极小值，可根据新息矩阵的大小判断是否应该调整预测值
[0089]
||r(k+1)||＜λ||z
max
||
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)，
[0090]
式中，z
max
为量测误差矩阵的最大值||.||为f—范数，λ的取值范围是[0.3,0.9]；
[0091]
当新息矩阵满足式(14)时，认为滤波正常；当是不成立时，认为电阻发生了较大的变化，此时量测值的可靠性较高，一步预测值的可靠性较低，应修正一步预测值；
[0092]
如果不满足，表明一步预测值x(k+1|k)不准确，x(k+1|k)修改，通过重新计算状态更新方程得到新的x(k+1|k+1)；
[0093]
具体修正方式如下
[0094][0095]
式中，c1是对预测路数的修正；c2是对预测电阻的修正，r
′
(k+1)是k+1时刻新息矩阵的距离分量；c1和c2的取值范围是(0，1)，在这里选取c1为0.5，c2为0.6；过滤后得到精度高的测量数据结果。
[0096]
按照本实施例提供的基于改进的扩展卡尔曼滤波的大动态范围砂岩模型电阻率测量装置及测量方法，利用差分放大电路，可以抑制共模干扰；提出根据新息协方差矩阵的范数来抑制滤波发散的扩展卡尔曼滤波，与扩展卡尔曼滤波相比，可以有效提高预测精度；该基于改进的扩展卡尔曼滤波在大动态范围电阻率的应用，可以用于其他存在零点漂移的现象。
[0097]
以上所述仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非是对本发明的范围进行限定；以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围；在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。