CN107152275A - 阻抗匹配电路及随钻电磁波电阻率测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种阻抗匹配电路及随钻电磁波电阻率测量仪。阻抗匹配电路包括变压器、第一匹配模块、第二匹配模块和匹配电感；变压器的初级连接发射驱动电路的输出端；变压器的次级的第一端连接发射线圈的第一端；变压器的次级的第二端一方面通过第一匹配模块和匹配电感连接所述发射线圈的第二端，另一方面通过第二匹配模块连接发射线圈的第二端。本发明可对发射线圈进行匹配优化，可提高系统将电池的电能转换为发射线圈发射的电磁波能量，减少能量在发射电路系统本身的消耗。经过在随钻电磁波电阻率测量仪上的测试，采用了阻抗匹配电路的发射器，能量转换效率显著提高，发射驱动电路的发热有所改善。
Description
技术领域
本发明涉及随钻电磁波电阻率测量技术领域，尤其涉及一种阻抗匹配电路，还涉及具有该阻抗匹配电路的随钻电磁波电阻率测量仪。其中，阻抗匹配电路用于随钻电磁波电阻率测量仪的发射信号匹配，提高发射效率。
背景技术
随钻电磁波电阻率测量仪是随钻测量的重要组成部分，被广泛应用。近些年该仪器有了长足的进步与发展。常用的的随钻电磁波电阻率测量仪都由钻铤、线圈、处理电路以及配套的软件组成。线圈安装在钻铤的凹槽内，处理电路的安装方式主要有两种。一种安装方式是处理电路安装在一个电路骨架外表面的方形槽内，电路骨架中间是空心，该空心用于通过泥浆，电路骨架外表面与钻铤内表面紧密接触且密封。另外一种安装方式是电路骨架为桶型，处理电路安装在电路骨架桶的中间。电路骨架与钻铤通过专门的连接器连接，电路骨架与钻铤之间为泥浆通道。
常用的随钻电磁波电阻率测量仪的线圈包括四个或四个以上发射线圈，两个或两个以上接收线圈。发射线圈用于测量电磁波信号发射到周围地层当中。接收线圈用于接收经过地层反射回来的电磁波信号。通过合理的设置各个发射线圈与接收线圈的间距，以及选择合适的发射频率，就可以得到不同探测深度、不同轴向分辨率的地层电阻率。
由于随钻电磁波电阻率测量仪主要通过电池供电，能量有限，发射驱动功率需要控制在一定范围。另外，井眼中的泥浆和地层的电阻率都远小于空气中的电阻率，根据电磁波的传播特性，越低的电阻率对电磁波信号衰减越严重，因此这就要求通过调谐，优化设计电磁波发射系统，提高发射效率，才能确保整个随钻电磁波电阻率测量结果更加准确。
现有随钻电磁波电阻率测量技术对发射线圈的调谐优化都未介绍，现有技术都未介绍具体的发射天线匹配方法与技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有随钻电磁波电阻率测量技术对发射线圈的调谐优化都未介绍，现有技术都未介绍具体的发射天线匹配方法与技术。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种阻抗匹配电路以及具有该阻抗匹配电路的随钻电磁波电阻率测量仪。
根据本发明的一个方面，提供了一种阻抗匹配电路，其包括变压器、第一匹配模块、第二匹配模块和匹配电感；其中，
所述变压器的初级连接发射驱动电路的输出端；
所述变压器的次级的第一端连接发射线圈的第一端；所述变压器的次级的第二端通过所述第一匹配模块和所述匹配电感连接所述发射线圈的第二端，所述变压器的次级的第二端还通过所述第二匹配模块连接所述发射线圈的第二端；
通过调节所述变压器的匝数比、第一匹配模块具有的电容的电容值、第二匹配模块具有的电容的电容值和所述匹配电感的电感值中的一项或几项，来使由所述第一匹配模块、第二匹配模块、匹配电感和发射线圈构成的输出网络在所述发射驱动电路产生的预设频率上发生谐振。
优选的是，所述第一匹配模块具有至少两个电容，所述第一匹配模块具有的所有电容均并联连接在所述变压器的次级的第二端与所述匹配电感之间。
优选的是，所述第二匹配模块具有至少两个电容，所述第二匹配模块具有的所有电容均并联连接在所述变压器的次级的第二端与所述发射线圈的第二端之间。
优选的是，所述第一匹配模块具有三个电容，和/或，所述第二匹配模块具有三个电容。
优选的是，所述变压器的初级通过同轴电缆连接所述发射驱动电路的输出端。
根据本发明的另一个方面，提供了一种随钻电磁波电阻率测量仪，其包括发射器和接收器，由所述发射器发射的电磁波经地层反射后被所述接收器接收；
所述发射器包括依次连接的发射驱动电路、上述阻抗匹配电路、以及发射线圈；所述阻抗匹配电路包括变压器、第一匹配模块、第二匹配模块和匹配电感；其中，
所述变压器的初级连接所述发射驱动电路的输出端；
所述变压器的次级的第一端连接所述发射线圈的第一端；所述变压器的次级的第二端通过所述第一匹配模块和所述匹配电感连接所述发射线圈的第二端，所述变压器的次级的第二端还通过所述第二匹配模块连接所述发射线圈的第二端；
通过调节所述变压器的匝数比、第一匹配模块具有的电容的电容值、第二匹配模块具有的电容的电容值和所述匹配电感的电感值中的一项或几项，来使由所述第一匹配模块、第二匹配模块、匹配电感和发射线圈构成的输出网络在所述发射驱动电路产生的预设频率上发生谐振。
优选的是，所述第一匹配模块具有至少两个电容，所述第一匹配模块具有的所有电容均并联连接在所述变压器的次级的第二端与所述匹配电感之间。
优选的是，所述第二匹配模块具有至少两个电容，所述第二匹配模块具有的所有电容均并联连接在所述变压器的次级的第二端与所述发射线圈的第二端之间。
优选的是，所述第一匹配模块具有三个电容，和/或，所述第二匹配模块具有三个电容。
优选的是，所述变压器的初级通过同轴电缆连接所述发射驱动电路的输出端。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
应用本发明的阻抗匹配电路，可以对发射线圈进行匹配优化，可以提高系统将电池的电能转换为发射线圈发射的电磁波能量，减少能量在发射电路系统本身的消耗。经过在随钻电磁波电阻率测量仪上的测试，采用了阻抗匹配电路的发射器/发射系统，能量转换效率显著提高，发射驱动电路的发热有所改善。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1示出了本发明实施例阻抗匹配电路的一种电路示意图；
图2示出了本发明实施例阻抗匹配电路的另一种电路示意图；以及
图3示出了本发明实施例随钻电磁波电阻率测量仪的方框原理图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明所要解决的技术问题是：现有随钻电磁波电阻率测量技术对发射线圈的调谐优化都未介绍，现有技术都未介绍具体的发射天线匹配方法与技术。为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种阻抗匹配电路。
如图1所示，是本发明实施例的阻抗匹配电路的一种电路示意图。本实施例的阻抗匹配电路3主要包括变压器31、第一匹配模块32、第二匹配模块33和匹配电感34。
参照图1，变压器31的初级连接发射驱动电路1的输出端。变压器31的次级的第一端连接发射线圈4的第一端。变压器31的次级的第二端通过第一匹配模块32和匹配电感34连接发射线圈4的第二端，变压器31的次级的第二端还通过第二匹配模块33连接发射线圈4的第二端。通过调节变压器31的匝数比、第一匹配模块32具有的电容的电容值、第二匹配模块33具有的电容的电容值和匹配电感34的电感值中的一项或几项，来使由第一匹配模块32、第二匹配模块33、匹配电感34和发射线圈4构成的输出网络在发射驱动电路1产生的预设频率上发生谐振。
具体地，发射驱动电路1可以产生两种频率(即预设频率)的发射信号，按照随钻电磁波电阻率的常用频率，设置为2MHz和400KHz，按照预定好的时序轮流输出出去。发射驱动电路1优选地通过同轴电缆2连接变压器31的初级。同轴电缆2的长度较长，具体根据钻铤上发射线圈4到电路骨架的长度确定。在本实施例中，选定同轴电缆2的长度为1.5m。根据同轴电缆2的特性，长度为1.5m的同轴电缆2的等效电容值小于100pf，对信号传输的影响非常小。因此同轴电缆2能够有效地将信号传输到后续的电路系统。同轴电缆2的输出连接到变压器31的输入端(即，变压器31的初级输入端)。
变压器31的输出端(即，变压器31的次级)的第一端连接发射线圈4的第一端。变压器31的次级的第二端一方面连接至第一匹配模块32的第一端，另一方面连接至第二匹配模块33的第一端。第一匹配模块32的第二端连接至匹配电感34的第一端。匹配电感34的第二端连接至发射线圈4的第二端，第二匹配模块33的第二端也连接至发射线圈4的第二端。
在本实施例中，通过调节变压器31初级/次级的线圈匝数比、第一匹配模块32中电容的电容值、第二匹配模块33中电容的电容值和匹配电感34的电感值，来调节变压器31的次级后面的输出网络的阻抗，以使发射驱动电路1的输出阻抗与该输出网络的输入阻抗相匹配。具体地，变压器31的次级后面的输出网络是由第一匹配模块32、第二匹配模块33、匹配电感34和发射线圈4构成的输出网络。举例来说，本实施例中发射驱动电路1的输出阻抗为50欧姆，变压器31将由上述输出网络的输入阻抗专门也调节到50欧姆。两个阻抗实现了50欧姆的阻抗匹配，这样能使发射驱动电路1的输出信号最有效地传输到由第一匹配模块32、第二匹配模块33、匹配电感34和发射线圈4构成的输出网络中。
另外，本实施例中第一匹配模块32和匹配电感34串联后再与第二匹配模块33并联的电路结构，可以实现两个频率(例如2MHz和400KHz的预设频率)的阻抗匹配(具体可以通过阻抗计算得出)。因此，本实施例可以使用同一个发射线圈4实现两个频率信号的发射，这样设计可以在几乎不增加装置成本基础上，获得两个预设频率的测量结果。这对综合分析和解释测量地层的电阻率非常有利。
通过合理配置第一匹配模块32中电容的电容值、第二匹配模块33中电容的电容值和匹配电感34的电感值，可以使得由第一匹配模块32、第二匹配模块33、匹配电感34和发射线圈4构成的输出电路网络在发射驱动电路1产生2MHz和400KHz频率上都发生谐振。谐振发生时信号的转换效率最佳。
可以看出，通过对随钻电磁波电阻率测量仪的发射线圈4进行匹配优化，可以提高系统将电池的电能转换为发射线圈4发射的电磁波能量，减少能量在发射电路系统本身的消耗。这样将有两个方面的好处：一、提高了转换效率，电池的使用时间就可以得到延长。随钻电磁波电阻率测量仪是整个随钻测量系统中耗电大户，在现场应用当中，如果随钻测量系统要配置随钻电磁波电阻率测量仪，都需要额外配置电池短节，而电池又是随钻测量系统应用成本的主要部分。二、调谐优化以后，在发射电路系统本身的消耗降下降，这将有利于发射电路系统温度的控制。发射电路系统的能耗大部分将转换为热能。由于井底的高温环境，这些热能很难散发。因此发射电路系统的能耗大越大，其工作温度将越受限制。
综上所述，应用本实施例所述的阻抗匹配电路3，可以对发射线圈4进行匹配优化，可以提高系统将电池的电能转换为发射线圈4发射的电磁波能量，减少能量在发射电路系统本身的消耗。经过在随钻电磁波电阻率测量仪上的测试，采用了阻抗匹配电路3的发射器10/发射系统，能量转换效率显著提高，发射驱动电路1的发热有所改善。
图2示出了本发明实施例阻抗匹配电路3的另一种电路示意图。对比图1和图2，本实施例在上一个实施例的基础上对第一匹配模块32和第二匹配模块33做了进一步限定。第一匹配模块32包括第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3。第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3均并联连接在变压器31的次级的第二端与匹配电感34的第一端之间。第二匹配模块33包括第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6。第四电容C4、第五电容C5和第六电容C6均并联连接在变压器31的次级的第二端与发射线圈4的第二端之间。
在本实施例中，第一匹配模块32和第二匹配模块33都采用多个电容并联而成，与采用一个电容的技术方案相比较，本实施例中多个电容组合更容易得到需要的产生谐振的电容值，而一个电容的电容值的选择范围有限。本实施例使得电路的实现更加容易，更具实用性，同时也有利于电路精确性的提高。
需要说明的是，本实施例对第一匹配模块32和第二匹配模块33具有的电容的个数不做限定，电容个数越多，越可能得到期望的电容值，电路的精确性越高。
相应地，本发明实施例还提供了一种随钻电磁波电阻率测量仪。参照图3，本实施例的随钻电磁波电阻率测量仪包括彼此连接的发射器10和接收器20。由发射器10发射的电磁波经地层反射后被接收器20接收。发射器10包括依次连接的发射驱动电路1、阻抗匹配电路3以及发射线圈4。这里，阻抗匹配电路3为上述任意实施例的阻抗匹配电路3。针对阻抗匹配电路3的描述，在不再实施例中不再赘述。
应用本实施例所述的随钻电磁波电阻率测量仪，可以对发射线圈4进行匹配优化，可以提高系统将电池的电能转换为发射线圈4发射的电磁波能量，减少能量在发射电路系统本身的消耗。经过测试，采用了阻抗匹配电路3的发射器10/发射系统，能量转换效率显著提高，发射驱动电路1的发热有所改善。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种阻抗匹配电路，其特征在于，包括变压器、第一匹配模块、第二匹配模块和匹配电感；其中，
所述变压器的初级连接发射驱动电路的输出端；
所述变压器的次级的第一端连接发射线圈的第一端；所述变压器的次级的第二端通过所述第一匹配模块和所述匹配电感连接所述发射线圈的第二端，所述变压器的次级的第二端还通过所述第二匹配模块连接所述发射线圈的第二端；
通过调节所述变压器的匝数比、第一匹配模块具有的电容的电容值、第二匹配模块具有的电容的电容值和所述匹配电感的电感值中的一项或几项，来使由所述第一匹配模块、第二匹配模块、匹配电感和发射线圈构成的输出网络在所述发射驱动电路产生的预设频率上发生谐振。
2.根据权利要求1所述的阻抗匹配电路，其特征在于，所述第一匹配模块具有至少两个电容，所述第一匹配模块具有的所有电容均并联连接在所述变压器的次级的第二端与所述匹配电感之间。
3.根据权利要求2所述的阻抗匹配电路，其特征在于，所述第二匹配模块具有至少两个电容，所述第二匹配模块具有的所有电容均并联连接在所述变压器的次级的第二端与所述发射线圈的第二端之间。
4.根据权利要求3所述的阻抗匹配电路，其特征在于，所述第一匹配模块具有三个电容，和/或，所述第二匹配模块具有三个电容。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的阻抗匹配电路，其特征在于，所述变压器的初级通过同轴电缆连接所述发射驱动电路的输出端。
6.一种随钻电磁波电阻率测量仪，其特征在于，包括发射器和接收器，由所述发射器发射的电磁波经地层反射后被所述接收器接收；
所述发射器包括依次连接的发射驱动电路、如权利要求1至5中任一项所述的阻抗匹配电路、以及发射线圈；所述阻抗匹配电路包括变压器、第一匹配模块、第二匹配模块和匹配电感；其中，
所述变压器的初级连接所述发射驱动电路的输出端；
所述变压器的次级的第一端连接所述发射线圈的第一端；所述变压器的次级的第二端通过所述第一匹配模块和所述匹配电感连接所述发射线圈的第二端，所述变压器的次级的第二端还通过所述第二匹配模块连接所述发射线圈的第二端；
通过调节所述变压器的匝数比、第一匹配模块具有的电容的电容值、第二匹配模块具有的电容的电容值和所述匹配电感的电感值中的一项或几项，来使由所述第一匹配模块、第二匹配模块、匹配电感和发射线圈构成的输出网络在所述发射驱动电路产生的预设频率上发生谐振。
7.根据权利要求6所述的随钻电磁波电阻率测量仪，其特征在于，所述第一匹配模块具有至少两个电容，所述第一匹配模块具有的所有电容均并联连接在所述变压器的次级的第二端与所述匹配电感之间。
8.根据权利要求7所述的随钻电磁波电阻率测量仪，其特征在于，所述第二匹配模块具有至少两个电容，所述第二匹配模块具有的所有电容均并联连接在所述变压器的次级的第二端与所述发射线圈的第二端之间。
9.根据权利要求8所述的随钻电磁波电阻率测量仪，其特征在于，所述第一匹配模块具有三个电容，和/或，所述第二匹配模块具有三个电容。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的随钻电磁波电阻率测量仪，其特征在于，所述变压器的初级通过同轴电缆连接所述发射驱动电路的输出端。
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