基于核磁共振两相流的信号调理模块设计

2020-05-19袁景峰童美帅

云南化工 2020年4期

袁景峰，童美帅

（西安石油大学，陕西西安 710065）

生产井的产出液大都是以两相流或三相流的形式存在，比通常的单相流的单一流动特性复杂很多。对比传统的两相流测量方法，核磁共振技术可以在无损伤的情况下深入到物质的内部，并具有快捷、准确、无污染、效果稳定等诸多优点[1-2]。但核磁共振信号十分微弱，并常常伴随着大量的噪声，为了能够有效的进行后续信号处理，设计了一套用于提高核磁共振两相流感应信号质量的调理电路[3]。

1 信号调理模块的设计与实现

经过前端发射模块的脉冲激励作用后，感应线圈会接收到一个随时间衰减的核磁共振信号，由于信号频率高、幅值低，需要对其进行放大，并通过混频滤波处理，如图1所示为信号调理模块设计框图。首先信号经过型选频电路，将接收电路与接收线圈之间进行阻抗匹配，将与氢原子核拉莫尔进动频率一致的信号进行选取，之后通过两级放大电路实现对微弱信号的幅值增强，最后通过与一路本振信号的混频处理，经过低通滤波后得到了最终满足后级ADC电路输入要求的中频信号。

图1 信号调理模块设计框图

前置放大电路的设计采用了两片AD603的顺序级联模式，两级之间使用了电容进行直接耦合，放大电路的增益主要由两部分进行控制，第一就是差分电压的输入，第二个影响增益的部分就是VOUT与FDBK两个引脚之间反馈网络的不同连接方式。

由于高频信号的特性，此时若直接对信号进行采集会对ADC的带宽提出很高的要求，同时高频信号的辐射也会对信号的采集质量造成影响。因此本文的测量系统设计中将从前置放大器输出的信号与一个由自己设置频率大小的本振信号进行混频处理，最后通过低通滤波器将经过混频处理的中频信号输出给后续的数据采集模块电路。

混频滤波电路主要包括了在混频器中对输入信号和本振信号两者的混频处理和对输出信号按照实际需求进行的低通滤波器设计。本文选用AD831作为混频器的主芯片，设计的低通滤波器的通带频率和阻带频率分别设为100kHz和400kHz。

2 仿真与实验测试结果

前置放大电路的每级增益计算方式为：

通过理论计算，信号发生器输入一个频率大小为1 MHz、幅值大小为20mV的正弦波，目标放大20倍至400mV，通过计算增益大约为26dB，代入式（1）可得此时的VG=0.15V。由于电路中R16、R17和R18三个两级之间的分压电阻将+5V的VDD进行分压来提供不同的控制电压给VGNEG，其中第一级的VGNEG=1V，故所需外部提供的VGNEG=1.15V，调节滑动变阻器R2至总阻值的23%处进行1.15V电压的提供，仿真结果如图2所示。

图2 前置放大器仿真测试结果

同时为了验证低通滤波器的实际效果，在滤波电路的输入端分别输入幅值相等，频率大小不等的几组信号进行对比，观察到的的结果如图3所示。图2中通道一即为经过放大后的信号，可以看出20mV的输入信号此时的值为388 mV，与理论误差仅为12 mV，很好的达到了预期的效果。从图3看出，在频率低于100 kHz时，信号的幅度能够保持不变或很小的衰减，在大于100 kHz后的输出幅度开始有较大的衰减，在400kHz左右信号已经基本得到抑制，与仿真设计的400kHz阻带频率相一致。