基于FPGA的泥漿電參數測量系統設計

我國地緣遼闊，擁有豐富的自然資源。其中,石油是我國工業的血液，是支撐我國經濟快速發展重要能源，關系到國家能源安全、社會穩定[1]。然而在石油開采過程中充滿著各種挑戰，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[2]，并且將這些電參數傳輸回地面控制臺，從而實時掌握分析地層分布信息。

基于FPGA" target="_blank">FPGA的泥漿電參數測量系統是為了滿足上述工業需求而設計的。為了獲取精確的泥漿電參數，將其注入特定的環行容器內，以泥漿作為該容器的電介質，然后測量該環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。

1測量方法及原理
1.1測量方法
泥漿電參數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形容器的復阻抗來反推泥漿的電參數。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 環形電容等效模型示意圖

那么環形電容的等效阻抗為：

其中：

參數r1和r2分別代表的是環形電容內外半徑，h表示環形容器的高度。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ε為：

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

2系統構成
基于FPGA的泥漿電參數測量系統由FPGA核心控制器模塊、幅度/相位檢測模塊、直接數字頻率合成器模塊（簡稱DDS）、監測模塊、濾波網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經過功放后加載在被測阻抗上，然后經過IV轉換電路將流經被測阻抗的電流轉換為電壓，該電壓信號再經過模擬帶通濾波網絡后傳輸給幅度/相位檢測電路的2通道。