徐正海　左信　吳露　陳亞男　岳元龍

摘 要 針對(duì)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)溫度測(cè)量系統(tǒng)中單個(gè)傳感器易受水下復(fù)雜環(huán)境影響，出現(xiàn)溫漂、測(cè)量精度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種雙冗余溫度測(cè)量傳感器（采用兩個(gè)熱敏元件進(jìn)行溫度測(cè)量）。利用基于有偏卡爾曼的擴(kuò)維融合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高傳感器融合測(cè)量精度。定義一個(gè)相似矩陣，用于在融合之前剔除故障傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高測(cè)量結(jié)果的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：雙冗余溫度測(cè)量傳感器具有精度高、抗干擾性能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 溫度測(cè)量 雙冗余 傳感器 有偏卡爾曼 數(shù)據(jù)融合 擴(kuò)維

中圖分類號(hào) TH811? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 1000?3932（2023）02?0188?06

在深海油氣田以及邊際油田的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)占據(jù)著十分重要的地位［1～3］。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)主要通過(guò)監(jiān)測(cè)海洋油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的儀表參數(shù)控制閥門的開(kāi)啟和關(guān)閉，以及為油氣開(kāi)發(fā)提供動(dòng)力和通信設(shè)備。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)和控制兩個(gè)主要功能，其中儀表參數(shù)的監(jiān)測(cè)是閥門控制調(diào)節(jié)的重要依據(jù)。溫度數(shù)據(jù)就是儀表重要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之一［4］，操作人員根據(jù)溫度判斷水下生產(chǎn)狀況，發(fā)出控制指令，確保油氣生產(chǎn)的正常進(jìn)行，避免事故發(fā)生或在事故發(fā)生時(shí)能夠及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而減少損失、降低事故影響。

傳統(tǒng)水下控制系統(tǒng)中的溫度傳感器中只設(shè)有一個(gè)熱敏元件，測(cè)量系統(tǒng)基本都不具備冗余測(cè)量功能，在海底復(fù)雜環(huán)境下易受環(huán)境影響出現(xiàn)溫漂等問(wèn)題，無(wú)法保證測(cè)量過(guò)程的可靠性。而溫度測(cè)量系統(tǒng)作用于整個(gè)油氣開(kāi)采過(guò)程，使用周期較長(zhǎng)、不易維修，這就需要它具備較高的可靠性。在此背景下，本團(tuán)隊(duì)提出并設(shè)計(jì)一種雙冗余熱敏電阻溫度傳感器，相比于單熱敏元件傳感器，可以具有更高的測(cè)量可靠性和準(zhǔn)確性。

在雙冗余熱電阻溫度傳感器中，多個(gè)熱敏元件測(cè)量數(shù)據(jù)的處理就顯得尤為關(guān)鍵。目前，處理測(cè)量數(shù)據(jù)使用較多的方法是平均值法［5］、加權(quán)平均值法［6］和卡爾曼濾波法［7］，這些方法本質(zhì)上和最小二乘估計(jì)［8］特例是等價(jià)的，只能在無(wú)偏情況下取得最小均方誤差。但是，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定時(shí)，利用這些數(shù)據(jù)處理方法得到的測(cè)量結(jié)果的均方誤差將大幅增加。

有偏卡爾曼濾波（Biased Kalman Filter，BKF）能進(jìn)一步降低融合測(cè)量的均方誤差，提高融合測(cè)量結(jié)果的精度［9］。此外，當(dāng)其中一個(gè)傳感器出現(xiàn)故障或者受環(huán)境影響，測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致最終的融合測(cè)量結(jié)果的均方誤差較大，在將兩個(gè)熱敏元件的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合之前，需要判斷測(cè)量數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)較大波動(dòng)，從而將波動(dòng)較大的測(cè)量數(shù)據(jù)剔除。為此，筆者提出一種基于相似矩陣的判別方法，對(duì)測(cè)量預(yù)測(cè)和兩個(gè)傳感器的相似度分別進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果作為判斷是否剔除某個(gè)熱敏元件測(cè)量數(shù)據(jù)的依據(jù)，從而提高最終融合測(cè)量結(jié)果的精度。

1 雙冗余溫度傳感器的設(shè)計(jì)

雙冗余溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)的儀表，其內(nèi)部含有兩個(gè)熱敏電阻Pt1000［10］、電源電路、硬件處理電路和通信電路，如圖1所示。

在傳感器的前端開(kāi)有一個(gè)測(cè)溫孔，便于敏感元件鉑熱電阻接觸液體測(cè)量溫度。兩個(gè)熱敏電阻Pt1000隨著溫度的變化產(chǎn)生兩個(gè)電信號(hào)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)SPI協(xié)議將數(shù)字信號(hào)傳給融合中心。融合中心采用BKF的擴(kuò)維融合數(shù)據(jù)處理算法，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。在融合中心，首先根據(jù)定義的相似矩陣對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷剔除，再利用BKF進(jìn)行擴(kuò)維融合處理。通信電路是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾ǖ?，采用RS485將處理后的輸出信號(hào)傳輸給SCM中SEM的I/O板卡。

2 溫度傳感器測(cè)量模型

傳感器采用兩個(gè)Pt1000熱敏電阻，雙冗余熱敏電阻測(cè)溫屬于同質(zhì)溫度傳感器測(cè)量范圍，系統(tǒng)模型描述如下：

從圖5可以看出，對(duì)于均方誤差，BKF擴(kuò)維融合優(yōu)于KF擴(kuò)維融合，進(jìn)一步說(shuō)明了BKF擴(kuò)維融合的精度高于KF擴(kuò)維融合。

第2種情況，用BKF進(jìn)行擴(kuò)維融合，在50２_ｋ=9。對(duì)故障熱敏電阻測(cè)量數(shù)據(jù)剔除融合和無(wú)剔除融合進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖6、7所示。

從圖6、7可以看出，當(dāng)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，如果不進(jìn)行故障傳感器的剔除，融合結(jié)果的均方誤差會(huì)迅速變大，與無(wú)剔除的融合結(jié)果相比，本課題提出的有剔除融合算法能夠進(jìn)一步抑制均方誤差變大，也即比無(wú)剔除故障傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)直接進(jìn)行融合的結(jié)果更精確。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的雙冗余溫度傳感器，利用基于有偏卡爾曼的數(shù)據(jù)融合方法，進(jìn)一步降低了融合測(cè)量結(jié)果的均方誤差，有效提高了融合測(cè)量結(jié)果的精度。并且當(dāng)傳感器內(nèi)部某個(gè)熱敏元件出現(xiàn)故障或者受環(huán)境影響較大時(shí)，利用相似矩陣將其剔除，具有一定的抗干擾性能。對(duì)于實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取水下生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵部位的溫度，保障水下采油系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-07-25）

Data Filtering Method of Double Redundant Heat ResistanceBased on Biased Kalman Filter

XU Zheng?hai1， ZUO Xin2， WU Lu1， CHEN Ya?nan2， YUE Yuan?long2

（1. CNOOC Research Institute Co.， Ltd.；2. College of Information Science and Engineering，China University of Petroleum （Beijing））

Abstract? ?Considering the single sensors temperature drift and low accuracy caused by the underwater complex environment where the underwater production control system works， a dual redundant temperature sensor（ with two thermosensitive elements） was designed. Through making use of biased Kalman?based extended dimension fusion method， the data processing was carried out to improve accuracy of sensor fusion measurement. In addition， a similarity matrix was defined to eliminate measurement data of faulty sensors before the fusion and to further improve reliability of the measurement results. Experimental results show that， this sensor has high accuracy and strong anti?interference performance for temperature measurement.

Key words? ?temperature measurement， double redundant， sensor， biased Kalman， data fusion， extended dimension

作者簡(jiǎn)介：徐正海（1967-），教授級(jí)高級(jí)工程師，從事海洋石油天然氣開(kāi)發(fā)工程研發(fā)與設(shè)計(jì)工作。

通訊作者：岳元龍（1984-），副教授，高級(jí)工程師，從事數(shù)據(jù)融合、控制系統(tǒng)可靠性理論研究，yueyuanlong@cup.edu.cn。

引用本文：徐正海，左信，吳露，等.基于有偏卡爾曼的雙冗余熱電阻數(shù)據(jù)濾波方法［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2023，50（2）：188-193.