基于恒流源的多通道电位器采集系统设计.pdf

.第1 0 期基于恒流源的多通道电位器采集系统设计于洋李安宗高秀晓桑强魏威林南粤（中国石油集团测井有限公司北京测井技术开发分公司北京）摘要】随着油田推动非导电泥浆的普及使用，常规水基泥浆电成像测井仪在非导电泥浆井眼环境下的使用受限，非导电油基泥浆微电阻率测井仪应运而生。本文针对油基泥浆电成像测井仪的井径测量问题，设计了基于恒流源的多通道电位器采集系统，实时对油基电成像仪器井径臂进行监测，通过仪器的刻度公式计算，获得井径数据，为油基电成像仪器后期数据处理提供重要的参数。关键词 油基泥浆恒流源电位器采集系统引言油基电成像仪器是一种工作在非导电泥浆环境下的电阻率成像类仪器，该仪器主要技术难题是如何穿透油膜获取地层测量信息，目前解决该问题的测量方法主要分为两种，一种是四点测量法，一种是电容耦合法；两种测量方法都需要保证推靠器紧贴井壁,而在裸眼井中，井壁地层受钻井液冲洗、侵泡、和钻头的碰撞使得井径直径与钻头直径往往不同，此外由于地层岩性、物性、机械强度的不同，也会造成井眼直径不同。因此获取精确的推靠臂的电位器参数对油基电成像仪器有着重要的作用。1井径测量原理油基泥浆电成像井径测量原理：将仪器下放到预定深度上，通过电机带动丝杠或者液压的方式将油基电成像八个推靠臂打开，形成了2 组互成90度的4个推靠臂，在弹簧或者液压的作用下向外伸张，极板紧贴井壁。随着仪器向上测量，如图1所示：推靠臂就会由于井径的变化发生张缩，并带动连杆上下运动，每一个连杆与一个电位器的滑动端相连，于是井径的变化便转化为电阻的变化，当该可动电阻的某一固定端与滑动端之间的电位差便会随着其间电阻值的变化而变化，于是测量两者的电位差，便可间接反映井径的大小。2系统设计油基电成像仪器基于恒流源的多通道电位器采集系统主要包括恒流源电路、2 个8 通道信号选择模块、信号调理模块、数模转换模块、FPGA控制模块、通信模块，供电模块。该系统分时为8电位器连杆弹簧裸眼井壁推靠杆极板图1推靠器示意图个电位器提供恒流源，分时对电位器信号进行采集，FPGA将采集的电位器值以及接收到极板数据一起打包发给DSP，由DSP与地面系统进行数据交换。系统总体框图有图2 所示。电位器多路调理电路开关1恒流开关控制采集控制源电数模路FPGA转换多路价开关电位器2调理电路图2基于恒流源的多通道电位器采集系统框图作者简介：于洋（1 9 8 3.6），男，汉族，北京理工大学硕士毕业，现就职于中国石油测井有限公司测井技术研究院，研究方向：测井仪器研发-78-2023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备3硬件设计恒流源的多通道电位器采集系统电路设计核心为多通道恒流源电路设计、下面对恒流源模块、多通道控制模块、采集模块进行进行详细说明。如图3 所示，恒流源模块采用超低噪声、高精度基准电压源ADR4520输出基准电压U伏，利用OP放大器ADA4077,保证T67点的电压与基准电压源的GND相同，这样R214两端的电压就恒定为U伏，稳压管反向漏电流为1 uA,此外流入OP放大器的电流也可忽略不计，因此T67产生电流I=U/R214。T67ADR4520U42VAO6VL11VoutBLMG1KN4T1BHILNCTEMPDNC1DNCOC214C214TRIMNRR214*5VAo.1uFp.1uF3.7uF/35VAGND4.99K/0.5WT68T67.U436C211018ADA4077C.1uFAGNDAGND图3恒流源的电路设计如图4所示，多通道控制模块主要由双电源多路复用器ADG1407组成，ADG1407具有超低的导通电阻以及导通平坦度，是低失真度至关重要的数据采集与增益开关应用的理想解决方案，同时采用ICMOS架构可确保超低功耗，多通道控制模块电路设计其中由FPGA控制多路开关的使能，多路通道选通，分时为推靠器8 个的电位器提供恒流源，同时将电位器产生的电压值，通过多路开关输出给采集电路。AGND+5VA-5VAAGNDGND1uF2U44T69ONO1928S1ADAS2AS3AS4AS5AS6AS7AT70S8AR21110BUS_CAL110S1BDB210BUSCAL21KR211KS28B10BUS.CAL31KS38B108BUS_CAL4S4B718+5VA101BUS_CAL52人6S58EN110BUS_CAL6S68NC210BUS_CAL754S78NC110BUS_CAL8S8BNCR223ADG1407jokQ1T71T72T733FPGA_ADC_ChAddroAGNDFPGA_ADC_ChAddr1FPGA_ADC_ChAddr23FPGA_ADC_ChAddr3图4多通道控制模块电路设计79于洋等基于恒流源的多通道电位器采集系统设计第1 0 期多路开关输出电位器信号后，如图5 所示，信号进入一个跟随电路，通过一个二阶有源滤波器消除高频干扰，信号进入采样芯片AD7980进行数模转换，AD7980是一款1 6 位、逐次逼近型模数转换器，采用单电源供电，它内置一个低功耗、高速、1 6 位采样ADC和一个多功能串行接口，它的采样速率为1 MSPS，满足电位器信号变化速度需求，串行接口兼容SPI与FPGA的IO相连，进行采集控制与数据传输AGND+5VAC224+5VAU46A822nFU46BR23010K3T85R23110KR23210K5C22527ADC_CAL_MUXSIGC22619AD86766AD8676AGND1o00pF22nFAGND5VA-5VAAGND图5采集调理电路模块电路设计4FPGA程序设计整个系统由FPGA进行时序控制，程序主要由2个模块组成，分别为AD7980采集控制模块、以及8 路电位器信号开关控制模块，图6、图7 分别是这两个模块程序流程图，其中由上位机软件提供程序使能，由FPGA控制多路开关依次导通，每一通道导通的时候由多路开关控制模块给AD7980采集控制模块提供一个采集使能信号，于是AD7980开始初始化，等待一定时间后，FPGA向采集芯片输出1 6 MHZ的时钟和CNV使能信号，AD7980通过SDO管脚串行输出模数转化结果，当FPGA接收完某一通道采集结果后，判断是否8 个通道均已完成，如果没有，切换下一个通道进行采集，直到8 个通道完成后，与8 个极板的数据打包发送给DSP，在由DSP通过CAN总线上传上位机软件。采集信号使能是采集芯片初始化等查待1 0 0 0 ns完成是采集芯片开始采集顺序接收15比特采未完成集数据图6FPGA程序采集控制流程程序信号使能初始化完成变量切换通道等待0.5 ms是采集信号未完成使能，等待未完成读取读取数据完成完成8 通道电位信号采集图7FPGA程序电位器多路开关控制流程5测试与验证基于恒流源的多通道电位器采集系统调试主要包括硬件测试与FPGA程序测试，硬件测试主要包括电源模块、采集模块、FPGA检测，并排除加工工艺性错误，检测电源模块供电的输入输出是否正常，高精度基准电压源输出是否正常，FPGA是否能正常工作；硬件测试正常后，就需要如图8所示，将8 通道的恒流源接入电阻板，其中1、2、示：OD、-80-2023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备4、5、6、7、8 通道接2 千欧的电阻，3 通道接入5.1千欧的电阻，通过JTAG读取DSP芯片RAM所存放的8 个通道所采集的电压值。理论公式值：UrefU=RROU为理论计算电位器的电压值；R为电位器的电阻值；R0为图3 中R214电阻值；Uref为基准电压源输出的电压。实际测量电压计算公式为：UrefU=DRODisassemblyOMemory BrowserXData0 x00100800Data:0 x100800-0 x00100800X16-BitHex-TIStyle0 x001008000000540D5401DCD65408540D0 x001008065408540F540900090001FFFF0 x0010080CFFFFFFFFFFF0 x00100812FFFFF0 x001008180 x0010081EFF0 x00100824FFFFFFFFFFFF0 x0010082AFFFFFFFFFFFFFFFF0 x00100830FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF0 x00100836FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF图8 基于恒流源的多通道电位器采集系统测试与结果根据图8 所示，1-8 通道的AD采集值D1-D8分别为0 x540d、0 x 5 40 1、0 x D CD 6、0 x 5 40 8、0 x 5 4)x5408、0 x 5 40 F、0 x 5 40 9,根据理论公式和实际电压计算公式计算电位器的理论值与实际测量值如表1 所表1通道1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道8理论值（伏）0.82080.82082.14310.82080.82080.82080.82080.8208测量值（伏）0.82080.82042.15660.82060.82080.82060.82090.8206表1 理论值与所测结果误差小于0.5%满足油基泥浆电阻率成像仪器井径刻度的设计需求。6结语本文根据油基电成像仪器井径测量需求，设计了一种基于恒流源的多通道电位器采集系统，并对恒流源的电路、多通道控制模块电路、采集调理电路、FPGA采集程序进行了详细的分析，根据实际测量的结果验证了该系统设计，该系统电路设计简单、恒流源输出电流精准、通道测量数量可以灵活由FPGA进行调整，可广泛应用于多通道电位器信号测量。参考文献1王海军，陈川，龙小民.基于AD7980的多路水声信号采集处理系统设计 .电声技术，2 0 0 9，3 3（1)2张庚骥.电法测井 M.北京：石油工业出版社，1 9 8 3收稿日期：2 0 2 3-0 6-0 9 修回日期：2 0 2 3-0 9-0 4