基于FPGA的泥漿電參數(shù)測量系統(tǒng)設計

我國地緣遼闊，擁有豐富的自然資源。其中,石油是我國工業(yè)的血液，是支撐我國經(jīng)濟快速發(fā)展重要能源，關系到國家能源安全、社會穩(wěn)定[1]。然而在石油開采過程中充滿著各種挑戰(zhàn)，為了實時掌握鉆頭部位地層圖像信息以及考察泥漿對鉆井的影響，通常需要測量地層電參數(shù)[2]，并且將這些電參數(shù)傳輸回地面控制臺，從而實時掌握分析地層分布信息。

基于FPGA的泥漿電參數(shù)測量系統(tǒng)是為了滿足上述工業(yè)需求而設計的。為了獲取精確的泥漿電參數(shù)，將其注入特定的環(huán)行容器內，以泥漿作為該容器的電介質，然后測量該環(huán)形容器在特定激勵頻率下的復阻抗值來推導泥漿的電參數(shù)。

1測量方法及原理
1.1測量方法
泥漿電參數(shù)測量采用間接測量方法，即通過測量盛有待測泥漿的特制環(huán)形容器的復阻抗來反推泥漿的電參數(shù)。復阻抗Zx的測量是將一個已知電壓激勵Vin加載在被測阻抗上，然后測量流過被測阻抗的電流Iz，從而計算出被測阻抗Zx=Vin/Iz。測量原理如圖1所示，①端輸出為V3=－Iz·Rs，由此可以推出Iz=－V3/Rs，其中Rs為采樣電阻。

圖2 環(huán)形電容等效模型示意圖

那么環(huán)形電容的等效阻抗為：

其中：

參數(shù)r1和r2分別代表的是環(huán)形電容內外半徑，h表示環(huán)形容器的高度。將式（1）簡化，可以求出Zeq的實部和虛部，如下所示：

將式（2）代入式（3）后，進一步推導可以得到介質的電阻率ρ和介電常數(shù)ε為：

從以上推導可以得知，測量泥漿的電參數(shù)可以通過測量環(huán)形容器的等效阻抗間接獲取。

2系統(tǒng)構成
基于FPGA的泥漿電參數(shù)測量系統(tǒng)由FPGA核心控制器模塊、幅度/相位檢測模塊、直接數(shù)字頻率合成器模塊（簡稱DDS）、監(jiān)測模塊、濾波網(wǎng)絡以及兩部分信號調理模塊組成。由FPGA控制DDS模塊產生兩路相同的正弦激勵信號CH0和CH1，其中CH0經(jīng)過信號調理電路1后送給幅度相位檢測電路的參考通道1，CH1經(jīng)過功放后加載在被測阻抗上，然后經(jīng)過IV轉換電路將流經(jīng)被測阻抗的電流轉換為電壓，該電壓信號再經(jīng)過模擬帶通濾波網(wǎng)絡后傳輸給幅度/相位檢測電路的2通道。