多频阵列感应测井仪数据采集系统设计与实现

黄家亮

(中国石化集团石油工程西南有限公司测井分公司 四川成都)

多频阵列感应测井仪数据采集系统设计与实现

黄家亮

(中国石化集团石油工程西南有限公司测井分公司 四川成都)

文章采用DSP实现了多频阵感应测井仪数据采集系统。该采集系统使用主从处理器方式保证了系统的实时性要求,采用差分低噪声前置放大电路有效抑制了共模干扰提高了系统信噪比,应用高精度Δ-ΣADC及成熟的相敏检波技术保证了检测精度,经测试系统性能良好。该系统应用在多频阵列感应测井仪中,取得了较好的应用效果。

阵列感应测井;数据采集;DSP

0 引 言

感应测井是一种重要的电测井方法,它是利用电磁感应原理来评价地层油气储藏的。传统的一维感应测井方法不能有效地消除二维的井眼、侵入、围岩等环境影响和趋肤效应影响。阵列感应测井方法的出现较好的解决了这一问题,该方法不但可以很好的消除二维的环境影响,获取地层的真实电导率,而且还拓宽了感应测井的应用范围[1]。为满足国内对高端测井仪器的需求,并追踪世界测井技术发展,准确判断油气藏的位置及数量,设计性能优良的数据采集系统则必不可少,具有十分重要的现实意义。

1 数据采集系统总体方案设计

本阵列感应测井仪包含有8个接收线圈,因此每个接收线圈与发射线圈构成一个基本测量单元,从而获得8路感应电压信号。考虑到井下电路的空间有限,在保证系统实时性满足要求的情况下,设计采用模拟开关组的方式对采集信号的奇偶通道进行分时采集,奇通道和偶通道各采集4路感应电压信号。系统总体方案设计如图1所示。

2 采集系统硬件电路设计

2.1 低噪声放大电路设计

放大电路采用多级放大的形式实现,其中前置放大器的选择尤为重要,因为对于微弱信号检测系统而言,前置放大器是引入噪声的主要部件之一。下式为佛里斯公式:

图1 系统总体方案框图

式中,F1为第一级放大器的噪声系数;F2为第二级放大器的噪声系数;FM为第M级放大器的噪声系数;F为M级级联放大器的总噪声系数;K为放大器的增益。

由公式可以看出:级联放大器中越是前级的噪声系数对总的噪声系数的影响越大。如果第一级放大器的增益 K1足够大,则系统总的噪声系数 F主要取决于第一级的噪声系数F1。因此,在设计微弱信号检测系统的前置放大电路时,必须确保第一级的噪声系数足够小[2]。

电子电路的低噪声设计主要从低噪声器件选择及放大电路上组态等方面考虑。本系统的前置放大器采用AD公司的AD797低噪声运算放大器实现,该芯片以差分方式输入能极大地减少共模信号、放大差模信号,噪声最低可达0.9nV/ Hz。

中间级放大电路采用OP160实现,其具有输出阻抗低、漂移小的特点,并且可以通过改变补偿引脚上的电容大小控制主频带。

2.2 带通滤波电路设计

由于接收线圈中2组三线圈系只用高频信号,2组用中频与高频的组合,其他4组低频和中频的组合,因此设计两路带通滤波器分别对两个频率分量的信号进行滤波提取,再求和放大。其中,只用高频信号的三线圈系只设计一个频率的带通滤波电路。

综合考虑截止特性和相位失真的要求,设计采用二阶巴特沃思有源滤波器。整个滤波电路由相同的两个2阶低通滤波器和两个2阶高通滤波器构成,如图2所示。

图2 二阶巴特沃思有源滤波器原理图

只要根据不同频率选择合适电阻电容值,就可实现对发射信号的高、中、低频进行带通滤波。

2.3 程控增益放大电路设计

为保证信号的精确测量,满足信号动态范围宽的测量要求,系统设计1倍和10倍档程控增益电路。实现原理较为简单,使用运算放大器构成放大倍数不同的反向比例放大电路[3],如图3所示。

程控增益放大倍数的选择由DSP处理器自动控制模拟开关切换实现。

2.4 AD转换电路设计

3 程控增益放大电路原理图

由于对采集系统分辨率及动态范围要求较高,综合成本等因素设计选用AD公司的16位Δ-ΣAD转换芯片AD7721作为采集芯片,其分辨率可达15μV(1/216V),输入带宽229.2 kHz,采样频率 468.75kHz。AD转换结果交由DSP进行处理,AD转换器的输出连接到DSP的串行通信接口SPORT0或SPORT1上。

2.5 DSP接口电路设计

由于需处理的数据量较大且测井仪对实时性要求较高,设计采用主从处理器方式实现。主从DSP通过IDMA[4、5]口进行通信,从DSP的 IDMA口与主DSP的I/O口相连,主DSP作为主控器,从DSP作为主DSP的一个I/O外设。两个从DSP分配有独立的I/O地址,通过地址译码主DSP可分别访问从DSP的PM和DM区。四路ADC分为两组与两片从DSP连接,一片接DSP的串行口0(SPORT0),另一片接DSP的串行口1(SPORT0)。

图4 DSP程序流程图

3 采集系统软件设计

每个从处理器完成两路AD采集信号的接收及处理,AD采集到的数据使用中断接收,中断使用SPORT0及SPORT1接收中断,将 SPORT0及 SPORT1的自动缓存控制寄存器设置为自动发送模式,便可分别将采集数据自动发送到串口接收寄存器 RX0和RX1中,随后 DSP自动将数据接收到接收缓存区Rbuffer0和Rbuffer1中。从处理器DSP的程序流程如图4所示。

主DSP主要任务是:控制整个系统的时序,接收从DSP处理过的数据、组帧、数据发送,以及接收命令和命令处理等。

4 采集系统测试结果

系统设计完成后,使用安捷伦33120A函数波形发生器,将其输出信号衰减后,对整个采集系统计进行测试,现以通道1测试结果分析其性能,通道1测试结果如表1所示。

表1 采集系统测试结果

其中,测量平均值为测量500次的平均值,由测量平均值可以看出系统线性良好,且系统相对误差可保证在5%以内;由标准偏差可以看出系统稳定性良好。经测试其他通道系统线性、稳定性良好,同时也可保证系统相对误差在5%以内。

5 结束语

本文设计完成了一种基于DSP的多频阵列感应测井数据采集系统,该采集系统使用主从处理器方式保证了系统的实时性要求,采用差分低噪声前置放大电路有效抑制了共模干扰提高了系统信噪比,应用高精度Δ-ΣADC及成熟的相敏检波技术保证了检测精度,经测试系统性能良好。该系统应用在多频阵列感应测井仪中,取得了较好的应用效果。

[1] 张建华,刘振华,仵 杰.电法测井原理与应用[M].西安:西北大学出版社,2002

[2] 高晋占.微弱信号检测[M].北京:清华大学出版社,2004

[3] 康华光,陈大钦.电子技术基础模拟部分(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2003

[4] AnalogDeviceInc.ADSP-218XDSPHardwareReference[M].2001

[5] 张冬玲,王良红.基于DSP的微弱信号检测采集系统设计[J].微计算机信息,2005,21(7)

P631.8+1

B

1004-9134(2010)02-0012-02

2009-07-13 编辑:梁保江)

黄家亮,男,1971年生,工程师,毕业于江汉石油学院测井专业,现中国石化集团石油工程西南有限公司测井分公司。邮编:251500