基于FPGA的泥浆电参数测量系统设计

我国地缘辽阔，拥有丰富的自然资源。其中,石油是我国工业的血液，是支撑我国经济快速发展重要能源，关系到国家能源安全、社会稳定[1]。然而在石油开采过程中充满着各种挑战，为了实时掌握钻头部位地层图像信息以及考察泥浆对钻井的影响，通常需要测量地层电参数[2]，并且将这些电参数传输回地面控制台，从而实时掌握分析地层分布信息。

基于FPGA的泥浆电参数测量系统是为了满足上述工业需求而设计的。为了获取精确的泥浆电参数，将其注入特定的环行容器内，以泥浆作为该容器的电介质，然后测量该环形容器在特定激励频率下的复阻抗值来推导泥浆的电参数。

1测量方法及原理
1.1测量方法
泥浆电参数测量采用间接测量方法，即通过测量盛有待测泥浆的特制环形容器的复阻抗来反推泥浆的电参数。复阻抗Zx的测量是将一个已知电压激励Vin加载在被测阻抗上，然后测量流过被测阻抗的电流Iz，从而计算出被测阻抗Zx=Vin/Iz。测量原理如图1所示，①端输出为V3=－Iz·Rs，由此可以推出Iz=－V3/Rs，其中Rs为采样电阻。

图2 环形电容等效模型示意图

那么环形电容的等效阻抗为：

其中：

参数r1和r2分别代表的是环形电容内外半径，h表示环形容器的高度。将式（1）简化，可以求出Zeq的实部和虚部，如下所示：

将式（2）代入式（3）后，进一步推导可以得到介质的电阻率ρ和介电常数ε为：

从以上推导可以得知，测量泥浆的电参数可以通过测量环形容器的等效阻抗间接获取。

2系统构成
基于FPGA的泥浆电参数测量系统由FPGA核心控制器模块、幅度/相位检测模块、直接数字频率合成器模块（简称DDS）、监测模块、滤波网络以及两部分信号调理模块组成。由FPGA控制DDS模块产生两路相同的正弦激励信号CH0和CH1，其中CH0经过信号调理电路1后送给幅度相位检测电路的参考通道1，CH1经过功放后加载在被测阻抗上，然后经过IV转换电路将流经被测阻抗的电流转换为电压，该电压信号再经过模拟带通滤波网络后传输给幅度/相位检测电路的2通道。