CN107332358B - 一种减少瞬变电磁关断时间的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少瞬变电磁关断时间的装置及其方法，属于瞬变电磁法技术领域。装置，包括主发射线圈，主发射线圈连接主发射线圈发射桥，所述装置还包括辅助线圈，辅助线圈与主发射线圈规格相同，辅助线圈连接辅助线圈发射桥，辅助线圈的关闭电压与主发射线圈的关闭电压相同，主发射线圈与辅助线圈的距离满足以下条件：主发射线圈与辅助线圈相互耦合且主发射线圈与辅助线圈的自感及互感均相等。方法为辅助线圈在主发射线圈关闭电流的时候，流过相反方向的电流，从而使得合成的磁场相互抵消，等效关闭电流获得快速下降，降低瞬变电流的关闭时间。本发明提供的装置及方法，可以大大缩短TEM发射线圈电流的等效关断时间。

Description

一种减少瞬变电磁关断时间的装置及其方法

技术领域

本发明具体涉及一种减少瞬变电磁关断时间的装置及其方法，属于瞬变电磁法技术领域。

背景技术

瞬变电磁TEM(Transient Electromagnetic)是金属矿勘探的首选方法之一，磁性源TEM要求发射线圈电流的变化瞬间完成，但实际施工中由于线圈电感与发射电流的影响，激励场的关断需要一定的时间。关断时间主要受一下几个参数影响：回线，限流电阻，发射电压，发射电流。当前常用的发射机关断时间普遍100us-300us之间。因此，关断效应TEM资料中产生的影响不可忽略，其主要影响瞬变场早期，表现为响应值过低，使视电阻率增大，并随着关断时间的增大，影响越大。

在数据处理时，必须进行关断时间校正处理，尽可能消除关断时间对早期道数据的影响。通常采用坐标移动法、解析法、数值计算法等。不同工区，不同仪器，这几种方法适应性不好，需要进行修正，各种方法都存在一定误差。

目前国内对早期关断的研究主要在集中在关断时间的影响，并且TEM仪器记录的几乎都是晚期信号，或者在数据处理时仅采用了晚期信号，这样不但损失了TEM探测浅部结构的能力，还由于关断电流的影响使瞬变响应发生畸变，从而降低了TEM的分辨能力。

在仪器研制方面，有学者通过匹配电阻消除关断电流晚期振荡现象，通过引入瞬态电压抑制二极管(TVS)，在发射电流为10A，线圈电感为0.6mH，发射电压为12V的条件下，实现了关断时间从300us降低到140us的目的。关断时间仍然非常大。

对于发射线圈，假设其电阻为R，电感为L，发射电压为U，那么发射线圈的开通电流波形为：

关断电流波形为：

则关断电流变化率为：

关断时间为：

可见，电流关断时间与发射电压，线圈电阻，线圈电感有关，电阻越大，电压越小，线圈电感越小，则关断电流越快。

发明内容

因此，为了克服现有技术中的上述问题，提供一种减少瞬变电磁关断时间的装置及其方法，主要的设计思路为：

通过一些技术消除关断时间的影响，从源头上解决问题。

关断时间效应是由于发射线圈存在电感导致的，还与仪器发射电压，限流电阻等参数有关。本发明通过以下几个技术实现了这个目标：

1、引入一个辅助线圈，在主发射线圈关断的时候，辅助线圈产生一个相反的磁场，从而抵消主发射线圈关断时间期间产生的磁场，从而加快一次场的消除。

2、引入同步比较方法，在辅助线圈产生的电流与主发射线圈电流相等的时候，关闭辅助线圈，依据负载模型，此后主发射线圈与辅助线圈的电流大小接近相等，方向相反，从而抵消了一次场。

3、辅助线圈开通电压大于关闭电压，且关闭电压等于主发射线圈电压，从而加快一次场的抵消时间。

通过本发明专利，一次场的关断时间可以把几百微秒降低到几时微秒的水平。理想的结果可以降到10微秒到50微秒之间。

具体的，本发明提供的减少瞬变电磁关断时间的装置，包括主发射线圈，主发射线圈连接主发射线圈发射桥，所述装置还包括辅助线圈，辅助线圈与主发射线圈规格相同，辅助线圈连接辅助线圈发射桥，辅助线圈的关闭电压与主发射线圈的关闭电压相同，主发射线圈与辅助线圈的距离满足以下条件：

主发射线圈与辅助线圈紧密贴近，相互耦合且主发射线圈与辅助线圈的自感及互感均相等。

进一步的，所述主发射线圈发射桥包括四个IGBT开关管构成的H逆变桥，每个IGBT开关管并联一个吸收电容。

进一步的，所述辅助线圈发射桥包括四个IGBT开关管构成的H逆变桥，每个IGBT开关管并联一个吸收电容。

进一步的，所述辅助线圈的发射电压等于两倍的主发射线圈的发射电压。

本发明还提供了利用上述装置实现的减少瞬变电磁关断时间的方法，所述方法为：

辅助线圈在主发射线圈关闭电流的时候，流过相反方向的电流，从而使得合成的磁场相互抵消，等效关闭电流获得快速下降，当主发射线圈的电流下降到与辅助线圈上升电流相等的时候，关闭辅助线圈，主发射线圈与辅助线圈的关闭电压一致，主发射线圈与辅助线圈的电流大小接近相等，方向相反，等效电流接近为零，降低瞬变电流的关闭时间。

本发明的有益效果在于：通过本发明提供的装置及方法，可以大大缩短TEM发射线圈电流的等效关断时间。从传统的几百us缩短到几十us，为TEM电法勘探提供较理想的磁性源。

该方法的优点在于，实现方法简单方便，只要在原来线圈的基础上，在放一个同样规格的辅助线圈，配备相应辅助线圈的驱动方法，就可以获得理想结果。

附图说明

图1是本发明装置的主电路拓扑结构图；

图2是本发明减少瞬变电磁关断时间的减小电流关闭实现示意图；

图3为主发射桥与辅发射桥的发射电压波形图；

图4为系统仿真示意图；

图5为主发射线圈与辅助线圈的发射电压波形图；

图6为主发射线圈和辅助线圈的发射电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

本发明专利包括两个线圈，一个主发射线圈，一个辅助线圈，分别接到两个不同的发射桥，且两个线圈距离很近，如图1所示，图1中包括，主发射线圈1、辅助线圈2、主发射线圈发射桥3、辅助线圈发射桥4。

1)主发射线圈发射桥3

主发射线圈发射桥3为S₁₁、S₁₂、S₁₃和S₁₄四个IGBT开关管构成的H逆变桥，每个IGBT开关管并联一个吸收电容，设S₁₁与S₁₃导通，S₁₂与S₁₄关断发射正电压，那么S₁₁与S₁₃关断，S₁₂与S₁₄导通就发射负电压。

2)辅助线圈发射桥4

辅助线圈发射桥4为S₂₁、S₂₂、S₂₃和S₂₄四个IGBT开关管构成的H逆变桥，每个IGBT开关管并联一个吸收电容，设S₂₁与S₂₃导通，S₂₂与S₂₄关断发射正电压，那么S₂₁与S₂₃关断，S₂₂与S₂₄导通就发射负电压。

3)主发射线圈1与辅助线圈2

主发射线圈1的作用相当于常规TEM发射线圈，辅助线圈2在主发射线圈关闭电流的时候，流过相反方向的电流。由于主发射线圈1在关闭的时候，辅助线圈2通过了一个相反的电流，从而使得合成的磁场相互抵消，等效关闭电流获得快速下降，当主发射线圈1的电流下降到与辅助线圈2上升电流相等的时候，关闭辅助线圈2，如果主发射线圈1与辅助线圈2的关闭电压一致，那么根据公式3可知，此后，主发射线圈1与辅助线圈2的电流大小接近相等，方向相反，等效电流接近为零，从而大大降低了瞬变电流的关闭时间。

主发射线圈1与辅助线圈2的电流与等效关闭电流如图2所示，图2中包括主发射线圈关闭电流5、辅助线圈关闭电流6、等效关闭电流7。

主发射线圈发射桥3与辅助线圈发射桥4的发射电压波形如图3所示，图3中从上至下依次为主发射线圈发射桥发射电压波形、辅助发射桥发射电压波形、辅助线圈电流波形、主发射线圈电流波形、接收线圈信号波形，虚线左侧为一次场信号，虚线右侧为二次场信号。

根据公式1与公式2，辅助线圈的发射电压的为主发射线圈的2倍，则辅助线圈的电流增量等于主发射线圈的电流降量，而关闭电压与主发射线圈电压相等，则确保主发射线圈与辅助线圈的电流大小接近相等，方向相反，实现等效电流接近为零的目的。

可见为了减小等效关闭电流时间，可以是提高辅助线圈的发射电压，但是提高发射电压后，设计系统的复杂度增加，通常采用2倍发射电压。

设辅助线圈开通电压为A倍主发射线圈发射电压U，关闭电压为U，线圈电阻为R，线圈等效电感为L_m(包括主辅助线圈互感与自感)，根据互感与自感的定义，由于只要两个线圈紧耦合，则可以认为他们的自感与互感都相等。那么等效电流关闭时间为：

此时主发射线圈的电流为：

如果辅助线圈的关闭电压也为U，则此后辅助线圈的关断电流为：

则辅助线圈的关断电流变化率为：

由于

所以辅助线圈电流的变化比主发射线圈的变化慢，从而导致等效关闭电流又有一个不等于零的余量，缓慢下降到零，由于这个余量电流很小，且变化缓慢，对应一次场接收线圈感应出来的信号很小，可以忽略不计。从而实现辅助线圈关闭后，等效关闭电流为零的目的。A越大，等效关断电流越理想。

建立如图4所示的仿真系统。

图4中，左侧为主发射模块，右侧为辅助发射模块。设主发射线圈发射电压为24V，电阻为R＝3Ω，等效电感为Lm＝0.5mH，辅助线圈发射电压为48V，关闭电压为24V，电阻为R＝3Ω，等效电感为Lm＝0.5mH，即两个线圈参数相同。

主发射线圈与辅助线圈发射电压波形如图5所示。

当主发射线圈关闭电流的时候，其电压变成负极性，而辅助线圈电压也为负，产生反向增加的电流，当主发射线圈电流等于辅助线圈电流时，关闭辅助线圈，此时，辅助线圈电压变成正极性，直到主发射线圈和辅助线圈电流为零后，主发射线圈和辅助线圈电压为都为零。

如图6所示为主发射线圈和辅助线圈的发射电流波形，图6中包括主发射线圈关断电流8，辅助线圈关断电流9等效关断电流10。

当主发射线圈关闭后，电流类似线性下降，打开辅助开关通过相反方向的电流，当辅助线圈电流等于主发射线圈电流的时候，等效关断电流达到零，此时，关闭辅助线圈，如果主发射线圈与辅助线圈的关闭电压一致，那么根据公式3可以获得，此后，主发射线圈与辅助线圈的电流大小接近相等，方向相反，等效电流接近为零，从而大大降低了瞬变电流的关闭时间。

由仿真结果可以看出，没有辅助线圈的条件下，电流关断时间达到110us，采用辅助线圈后，等效电流关断时间缩短到了50us左右，大大降低了电流关断时间，获得了理想结果。理论上，通过改变合适的辅助线圈导通电压，用上面的方法可以把关断时间减小到更小，只要有不同组合的电压给辅助线圈用于其开通与关断以及合适的衰减电阻，但是，受到实际发射机的电压以及发射电流的限制。对于比较理想的控制参数条件下，通过系统的调试，这个等效电流关断时间可以控制在10-50us的水平。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种减少瞬变电磁关断时间的方法，通过减少瞬变电磁关断时间的装置实现，装置包括主发射线圈，主发射线圈连接主发射线圈发射桥，其特征在于，所述装置还包括辅助线圈，辅助线圈与主发射线圈规格相同，辅助线圈连接辅助线圈发射桥，辅助线圈的关闭电压与主发射线圈的关闭电压相同，主发射线圈与辅助线圈的距离满足以下条件：

主发射线圈与辅助线圈相互耦合且主发射线圈与辅助线圈的自感及互感均相等，其特征在于，所述方法为：

辅助线圈在主发射线圈关闭电流的时候，流过相反方向的电流，从而使得合成的磁场相互抵消，等效关闭电流获得快速下降，当主发射线圈的电流下降到与辅助线圈上升电流相等的时候，关闭辅助线圈，主发射线圈与辅助线圈的关闭电压一致，主发射线圈与辅助线圈的电流大小接近相等，方向相反，等效电流接近为零，降低瞬变电流的关闭时间。