基于LF398的超聲成像測井儀峰值檢測模塊設(shè)計(jì)

孟麗杰 李晨冉

摘要：在石油開采過程中，井下超聲電視成像測井儀可以直觀地觀察井壁和套管狀況。然而，井下工作環(huán)境存在鉆井液密度大、溫度高、壓力大等復(fù)雜狀況，容易引起測井時(shí)回波信號衰減嚴(yán)重、電視成像效果不佳等問題。針對上述問題，設(shè)計(jì)了一種基于LF398的超聲成像測井儀回波峰值檢測模塊。經(jīng)過電路設(shè)計(jì)開發(fā)、實(shí)驗(yàn)與測試，基于LF398的峰值檢測模塊精確度高、成像效果佳、功耗低，優(yōu)點(diǎn)顯著，能準(zhǔn)確地提取回波信號的峰值幅度，達(dá)到了井下超聲成像測井儀對峰值檢測電路的要求，很好地完成了超聲成像測井儀的數(shù)據(jù)采集與處理任務(wù)。

關(guān)鍵詞：超聲成像；測井儀器；數(shù)據(jù)采集；LF398

中圖分類號：P631.83文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）35-0021-03

Design of Peak Detection Module of Ultrasonic Imaging Logging Tool Based on LF398

MENG LijieLI Chenran（Puyang Petrochemical Vocational and Technical College，Puyang Henan 457001）

Abstract： In the process of oil exploitation， the downhole ultrasonic television imaging logging tool can be used to vi？ sually observe the condition of borehole wall and casing. However， the downhole working environment has complex conditions such as high drilling fluid density， high temperature and high pressure， which leads to serious attenuation of echo signal and poor TV imaging effect during logging. To solve the above problems， this paper designs an echo peak detection module of ultrasonic imaging logging tool based on IF398. Through circuit design and development， experiment and test， it shows that the peak detection module based on IF398 has high accuracy， good imaging effect， low power consumption and significant advantages. It can accurately extract the peak amplitude of echo signal， which meets the requirements of downhole ultrasonic imaging logging tool for peak detection circuit， and completes the data acquisition and processing task of ultrasonic imaging logging tool.

Keywords： ultrasonic imaging；logging tool；data acquisition；LF398

隨著油氣勘探開發(fā)向深部地層發(fā)展，測井儀器面臨著井下高比重鉆井液、高壓力、超高溫等復(fù)雜工況，測井技術(shù)存在成像效果不佳、使用性能差、功耗較大等問題。為了使井下井壁的信息能夠更加直觀、完整、清晰、準(zhǔn)確地呈現(xiàn)在地面儀器上，隨著測井技術(shù)的不斷發(fā)展，測井儀器也朝著高精度、高集成度、低功耗的方向不斷地完善更新。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)更加精確的峰值檢測模塊，實(shí)時(shí)、清晰、準(zhǔn)確地對微弱信號進(jìn)行檢測和采集是當(dāng)前測井儀器的開發(fā)重點(diǎn)。以LF398集成芯片為主體，根據(jù)超聲成像測井儀回波信號采集特點(diǎn)的要求，對峰值檢測模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超聲測井信號數(shù)字化成像的應(yīng)用[1]。

1LF398芯片介紹

作為一種高性能的單片采樣保持器，LF398具有直流精度高、采樣時(shí)間短、下降速度慢等特點(diǎn)。通過連接適配的外接保持電容，可以使LF398的動態(tài)性能和保持性能達(dá)到最佳狀態(tài)。LF398芯片由輸入緩沖級單元、輸出驅(qū)動級單元和控制電路單元3部分構(gòu)成。如圖1所示在控制電路中，A3的功能是比較器，引腳7作為參考電壓來使用，當(dāng)邏輯控制輸入電壓比參考電壓高時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)低電平信號。開關(guān)K在該低電平信號的驅(qū)動下會關(guān)閉，同時(shí)輸入信號進(jìn)入A1，然后從A2輸出，第6引腳作為保持電容不斷地被充電。當(dāng)邏輯控制輸入電壓比參考電壓低時(shí)，將輸出一個(gè)高電平信號，此信號會驅(qū)動開關(guān)關(guān)閉，但保持器仍然起到保持輸入的作用。綜上，跟隨器為A1、A2，可以在電容輸入端和輸出端之間進(jìn)行阻抗變換。芯片LF398采用雙電源供電，在采樣和保持狀態(tài)下的電源抑制性能均較好，其輸入特性在保持狀態(tài)下不變。采樣時(shí)間為20μs，采樣時(shí)間短。綜上，LF398具有采樣精度高、速度快、電源性能佳、集成度高等特點(diǎn)，是一款非常適用于峰值檢測模塊的采樣器，能夠?yàn)槌暢上駵y井儀的信號峰值檢測提供可靠的解決方案，滿足井下測井信號的采樣需求。

2基于LF398的超聲成像測井儀峰值檢測模塊設(shè)計(jì)

2.1超聲成像測井儀整體設(shè)計(jì)方案

實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，超聲成像測井儀主要用來提取回波首波到達(dá)的時(shí)間、檢測回波峰值幅度、采集并數(shù)字化回波信號。超聲成像測井儀整體設(shè)計(jì)方案由超聲發(fā)射電路模塊、接收電路模塊、數(shù)字化電路模塊和信號處理模塊4個(gè)單元組成。超聲成像測井儀設(shè)計(jì)方案如圖2所示，超聲換能器在發(fā)射電路的激發(fā)下發(fā)射超聲波，反射回波通過接收電路進(jìn)行前置放大濾波和可控增益放大。數(shù)字信號處理模塊從放大后的信號中提取回波首波峰值和回波首波到達(dá)時(shí)間，然后由數(shù)字化電路對信號進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，再對全波列信號進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，最后把數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲或上傳[2]。

2.2信號采集模塊設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的信號采集模塊由電壓和測試信號發(fā)生器、回波峰值檢測電路、回波時(shí)間檢測電路、信號選擇器、電平轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器6部分組成。圖3為信號采集模塊的設(shè)計(jì)框圖。

壓控放大器對接收的反射回波進(jìn)行壓控放大和帶通濾波，之后將信號送入回波峰值檢測模塊，用于檢測并數(shù)字化第一個(gè)回波聲幅和第一個(gè)回波到達(dá)的時(shí)間。電壓和測試信號發(fā)生電路是在原有電源電壓監(jiān)測的基礎(chǔ)上增加一個(gè)測試信號發(fā)生器，用于測試和校準(zhǔn)井下電路電壓。根據(jù)測井儀器的工作需要，信號選擇器選擇回波聲幅信號或電壓測試信號送入電平轉(zhuǎn)換器。溫度傳感器模塊對井下的溫度信號進(jìn)行采集。

2.3峰值檢測電路設(shè)計(jì)原理

本電路的采集單元為LF398的第三管腳，輸出單元為第五管腳，充電電容單元為第六管腳。圖4為基于LF398的峰值檢測電路設(shè)計(jì)原理。

LF398的第八管腳連接運(yùn)放AD8610。AD8610在該峰值檢測電路中主要作為比較器來使用，第三管腳連接輸入信號，第二管腳連接輸出信號。AD8610是一種處理速度快、高精度的JFET輸入放大器，具有極低的漂移和偏置電壓、超低的電流噪聲和輸入電壓、超低的輸入偏置電流和寬頻帶等特點(diǎn)。與其他JFET放大器不同，AD8610輸入偏置電流始終保持較低的工作溫度范圍。在不改變單位增益的情況下，電容負(fù)載超過1 000 pF時(shí)是穩(wěn)定的，更大的電容負(fù)載在更高的噪聲增益下很容易被驅(qū)動。在1 kΩ負(fù)載下AD8610也能在電源5的1.2 V范圍內(nèi)波動，而且在電源電壓有限的情況下，可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)范圍最大化。輸出在50 V/μs的反向或非反向增益配置下轉(zhuǎn)換，并在小于600 ns的情況下穩(wěn)定到0.01%的精度，還具有高輸入阻抗、高精度和極高的輸出驅(qū)動能力的特點(diǎn)，是驅(qū)動高性能ADC輸入和緩沖DAC轉(zhuǎn)換器輸出的理想放大器之一。

LF398的第六管腳連接到ADG1411的第三管腳。ADG1411是一款高性能的雙電源模擬開關(guān)器，其導(dǎo)通電阻保持在較低水平且非常穩(wěn)定，在信號轉(zhuǎn)換時(shí)可以保證失真度較低，非常適用于井下測井儀器。與其他相關(guān)設(shè)計(jì)方案相比，ADG1411具有所占空間小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可大大節(jié)省電路板的面積。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照上述設(shè)計(jì)方案，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了基于LF398的超聲成像測井儀。對峰值檢測模塊進(jìn)行測試，得到了如圖5所示的峰值檢測模塊信號波形。放大信號首先經(jīng)過峰值檢測電路進(jìn)行半波整流。經(jīng)過壓控放大后的超聲回波信號為圖中的4號波形，整流濾波后的波形為3號波形，采樣的峰值信號波形為1號波形，其中階段A為峰值保持期。

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可得出結(jié)論，從換能器開始發(fā)射信號到結(jié)束發(fā)射（階段B），峰值檢測模塊處于放電狀態(tài)，儲能電容持續(xù)放電，準(zhǔn)備提取峰值。在峰值檢測期間，回波信號峰值曲線（1號波形）與整流濾波后的波形（3號波形）相比存在一定程度的失真。綜合來看，對測試結(jié)果的影響不大，此說明設(shè)計(jì)的模塊可實(shí)現(xiàn)峰值檢測功能。

4結(jié)論

①采用FPGA-EP4CE6F17C8N進(jìn)行邏輯控制，設(shè)計(jì)了基于LF398的峰值檢測模塊，用于井下測井回波信號的峰值檢測。經(jīng)過硬件電路設(shè)計(jì)、調(diào)試，實(shí)驗(yàn)電路板能夠在175℃的高溫實(shí)驗(yàn)烘箱中連續(xù)穩(wěn)定工作8 h以上，具有成像清晰度高、提取速度快、精度高等特點(diǎn)，達(dá)到了測井儀器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足了井下應(yīng)用的要求，具有很好的抗高溫穩(wěn)定性。

②設(shè)計(jì)的LF398的峰值檢測電路可準(zhǔn)確檢測到回波信號的峰值和回波首波到達(dá)時(shí)間，具有占用空間小、功耗低等所要求的信號數(shù)字化特點(diǎn)，能夠?yàn)楸Ｕ嫌蜌饩哔|(zhì)量、智能化、信息化發(fā)展提供有效的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊永俠，李亞煒.基于FPGA高速數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)穆暦鶞y井系統(tǒng)[J].電子科技，2011（12）：42-44.

[2]魯放，高紅軍，李劍.高性能超聲電視成像測井儀[J].測井技術(shù)，2009（3）：30-32.

[3]方奕樂，李孟春，強(qiáng)愛民，等.多功能超聲測井儀井下控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2006（6）：81-84.

[4]MORRIS C W，LOU S，WYDRINSKI R，et al.Application of enhanced ultrasonic measurements for cement and casing evaluation[C]//SPE/IADC Drilling Conference，2007.

[5]WU P， STEPINSKI T. Quantitative estimation of ultrasonic attenuation in a solid in the immersion case with correctionof diffraction effects[J]. Ultrasonics，2000（1）：81-85.