CN109407145B - 自动控制电火花震源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于工程勘察、检测领域的自动控制电火花震源装置，包括继电器，继电器输出端的一端与交流220V电源的火线连接，另一端与交流变压器输入端的一端连接，继电器控制端通过电路与控制器连接；交流220V电源的零线与交流变压器输入的另一端连接，交流变压器的输出端与倍压升压装置的输入端连接，倍压升压装置的输出端直接与高压储能电容的输入端连接，通过控制器控制继电器的通断从而实现对高压储能电容充电控制功能。本发明可以自动控制充电、放电，可以极大的提升现场勘探效率，减少人力成本；同步触发信号可以触发声波仪、地震仪、TSP仪等设备，可以与声波仪、地震仪、TSP等设备配套使用，避免了设备的闲置，增强了设备的使用率。

Description

自动控制电火花震源装置

技术领域

本发明涉及交流升压、半波整流、高压电容储能、直流高电压检测、自动化控制等技术，主要应用于工程勘察、检测等领域。

背景技术

工程上运用的震源主要有两类：爆炸震源与非爆炸震源。爆炸震源具有良好的脉冲性能和较高的激发能量，自弹性波探测技术开始一直沿用至今，其缺点在地表或钻井中埋下炸药激发后，会破坏周围环境和钻井，同时产生安全隐患，对现场的恢复需花费人力和物力，再加上现在国家对炸药的管控越来越严，审批程序越来越繁琐，因此，用非爆炸震源代替爆炸震源显得非常迫切。非爆炸震源主要有夯击震源、气枪震源、电磁震源、液压震源和电火花震源，其中电火花震源运用最广。电火花震源的工作原理是高压储能电容通过放电电极在水中放电，激发弹性波波。通过查阅相关资料发现目前电火花震源大部分应用于海洋勘探，陆地勘探的电火花震源虽然有但是较少，且较为沉重，不太适用于陆地上交通不便地区的勘探，偶有轻便的，但其性能欠缺；再者现有陆地电火花震源激发的声波跨孔穿透能力普遍不强，工作效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于工程勘察、检测领域的自动控制电火花震源装置，该装置具有全自动化、半自动化、手动三种充放电工作模式的电火花震源；放电时电声转换率高，产生的弹性波频普宽，一致性好，跨孔穿透能力强；同步触发信号装置实时性高、通用性强，可触发声波仪、地震仪、TSP等设备并与其配套使用；切断电源后可自动将储能电容内的剩余能量清除，杜绝高压储能电容剩余带来的安全隐患，安全性能高；重量轻便，便于野外工作携带；可以直接显示放电探头能量的电火花震源。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明主要由两部分构成：硬件和软件。硬件部分包含继电器、交流变压器、倍压升压装置、高压直流采集装置、高压储能电容、高压功率电阻、高压开关、可控硅、带旋转编码器的滑轮、放电探头、感应线圈、键盘、LED灯、旋钮鼠标、显示屏、RS485通信接口、同步触发信号输出接口、蜂鸣器、控制器，硬件连接如图1所示。

硬件内容具体如下：

1）为实现自动对高压储能电容的充电控制，继电器输出端的一端与交流220V电源的火线连接，另一端与交流变压器输入端的一端连接，继电器控制端通过电路与控制器连接；交流220V电源的零线与交流变压器输入的另一端连接，交流变压器的输出端与倍压升压装置的输入端连接，倍压升压装置的输出端直接与高压储能电容的输入端连接，通过控制器控制继电器的通断从而实现对高压储能电容充电控制功能。

2）为实现对高压储能电容实时储存能量的监测，高压直流采集装置的输入端直接与高压储能电容的输入直接连接，高压直流采集装置的数据输出端与控制器连接，高压直流数据采集装置采集到高压储能电容实时存储的能量，通过控制器处理后在显示屏上实时显示。

3）为实现对高压储能电容的放电控制，高压储能电容输出端的正极与可控硅的漏极连接，可控硅的源极与放电探头的正极连接，高压储能电容的负极直接与放电探头的负极连接；可控硅的栅极与源极与控制器连接；通过控制器控制可控硅导通，从而对高压储能电容的放电控制。

4）为实现电火花震源工作结束后自动将高压储能电容剩余的能量清除，在高压储能电容输出端的正极与高压功率电阻的一端连接，高压功率电阻的另一端与高压开关输入端连接，高压开关输出端与高压储能电容的负极连接，高压开关的控制端与控制器连接，通过控制器控制高压开关的导通，从而实现对高压储能电容剩余能量的清除。

5）在本设备用于跨孔声波检测时，为实现对放电探头深度的监测，在孔口采用一个带旋转编码器的滑轮，与放电探头连接的线缆穿过带旋转编码器的滑轮，滑轮与控制器连接。当放电探头下放时，带动滑轮转动，控制器即可计算出放电探头下放的深度，在显示屏上显示，并经RS485接口传输给声波数据采集仪。

6）为实现同步触发信号的实时性高、通用性强，在高压储能电容输出端的正极线缆上缠绕感应线圈，感应线圈产生的感应电压信号为纳秒级信号，实时性高；同时将感应线圈产生的感应电压信号处理送给控制器处理生成不同类型的同步触发信号，经同步触发信号输出接口，增强本发明装置的通用性。

7）为保证放电时激发的声波信号的一致性，放电探头采用同轴结构，如图2所示。为提高电声转换效率，在放电探头的底端安装带细孔的胶皮套，套内放置一定浓度的离子溶液。

8）高压储能电容采用新型金属薄膜电容，其具有无极性、绝缘阻抗较高、频率特性优异、介质损失小、重量轻、散热性能好等优点。相同的容量，金属薄膜电容较其他材质的电容，重量要轻许多，且阻抗小，放电时可以极大的减少高压储能电容的内部损耗，提高电声转换效率。

结合图3展示的本发明的面板，本发明软件内容实现方法具体如下：

1）在显示屏进行可视化参数设置，包含：工作模式、激发能量等级、放电时间间隔、同步触发信号类型。使用旋钮鼠标、键盘进行设定，参数设置完成后通过旋钮鼠标或键盘确定所设参数。

（1）工作模式：全自动化充放电模式、半自动化充放电模式、手动充放电模式。

（2）激发能量等级：高压储能电容放电时所储存的能量，通过旋钮鼠标、键盘设定。根据不同工作需求选择合适的高压储能电容，可以减轻设备重量，方便野外作业。

（3）放电时间间隔：在全自动化控制模式中，自高压储能电容开始充电到高压储能电容通过放电探头放电时所需的时间。通过键盘及旋钮鼠标进行设定。

（4）同步触发信号：触发声波、地震仪及TSP仪。

2）全自动化充放电模式：参数设置完毕，确定进入全自动化充放电模式，使用旋钮鼠标或者键盘按下开始充电，到达设定的激发能量等级后自动结束充电，当放电时间间隔达到预设定时间时，蜂蜜器鸣响1s作为提示，待达到设定的放电时间间隔，放电探头放电激发声波，结束一次充放电过程。自动开始下一次充放电过程，直至工作结束，中途可以使用旋钮鼠标或者键盘提前结束工作。

3）半自动化充放电模式：参数设置完毕，确定进入半自动化充放电模式，充电过程与上述全自动化充放电模式的充电过程一样，充电结束后蜂鸣器鸣响1s作为提示，进入等待模式，需要手动点击放电，放电探头才会放电。放电完成后自动开始下一次充电，如此循环直至工作结束，或者使用旋钮鼠标、键盘提前结束工作。

4）手动充放电模式：参数设置界面选择手动模式，确定进入手动充放电模式。手动充放电模式充电时需要手动控制充电结束，放电也需要手动控制才能放电。

与现有技术相比，本发明可以自动控制充电、放电，可以极大的提升现场勘探效率，减少人力成本；同步触发信号可以触发声波仪、地震仪、TSP仪等设备，可以与声波仪、地震仪、TSP等设备配套使用，避免了设备的闲置，增强了设备的使用率；采用自动化控制技术在设备切断电源后自动清除高压储能电容剩余的能量，避免因工作人员的遗忘清除高储能电容内的剩余能量而带来安全事故隐患；使用带旋转编码器的滑轮，可以实时显示放电探头的深度及能量，减轻现场工作人员的劳动量；储能电容采用新型技术薄膜电容，重量轻便，外加整个装置精细化的结构设计，使得整个装置的重量较为轻便。

附图说明

图1本发明的硬件连接图；

图2放电探头结构图；

图3本发明的面板；

图4本发明与声波仪配套使用示意图。

附图标记说明：1-继电器，2-交流变压器，3-倍压升压装置，4-高压直流采集装置，5-高压储能电容，6-高压功率电阻，7-高压开关，8-可控硅，9-滑轮，10-放电探头，11-感应线圈，12-键盘，13-LED灯，14-旋钮鼠标，15-显示屏，16-RS485通信接口，17-同步触发信号输出接口，18-蜂鸣器，19-控制器，20-交流220V电源，21-负极，22-正极，23-绝缘层，24-塑胶套，25-电源开关，26-高压输出，27-充电开关，28-水，29-接收探头，30-同步信号电缆，31-RS485通信电缆，32-电火花震源，33-主机。

实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明硬件部分包含继电器1、交流变压器2、倍压升压装置3、高压直流采集装置4、高压储能电容5、高压功率电阻6、高压开关7、可控硅8、带旋转编码器的滑轮9、放电探头10、感应线圈11、键盘12、LED灯13、旋钮鼠标14、显示屏15、RS485通信接口16、同步触发信号输出接口17、蜂鸣器18、控制器19，硬件连接如图1所示。

本发明与声波仪配套使用的实施方式如图4所示，本发明与声波仪配套使用，结合附图说明：

1）卸下放电探头10上的胶皮套，向塑胶套24放置食盐溶液后将塑胶套24安装到放电探头10上，放电探头10的负极21、正极22、绝缘层23与塑胶套24的连接关系如图2所示。

2）把带旋转编码的滑轮9安装在孔口，将与放电探头10连接的线缆安装在滑轮9上，,并把滑轮9与控制器19连接好。

3）将本发明的同步触发信号输出接口17与RS485通信接口16通过同步信号电缆30和RS485通信电缆31与大功率声波CT仪的主机33连接。

4）使用交流220v发电机作为本发明的电源，与本发明的电源输入接口连接好，打开关。

5）如图3所示，在显示屏15上通过旋钮鼠标14、键盘12设置好参数，将放电探头放到指定的位置，点击开始，本装置即可按照设定的模式开始工作，直至工作结束。

运用本发明的技术方案，申请人已经生产一套2500J的智能可控式电火花震源，重量仅有23kg，在同类产品中较为轻便，激发的能量稳定，波形一致性好，在新鲜完整的基岩中跨孔能力穿透可达50余米，最大能量时充电时间仅需10s，目前已经与申请人研发的大功率声波CT仪设备完美配合。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种自动控制电火花震源装置，其特征在于：包括继电器（1），继电器（1）输出端的一端与交流220V电源（20）的火线连接，另一端与交流变压器（2）输入端的一端连接，继电器（1）控制端通过电路与控制器（19）连接；交流220V电源（20）的零线与交流变压器（2）输入的另一端连接，交流变压器（2）的输出端与倍压升压装置（3）的输入端连接，倍压升压装置（3）的输出端直接与高压储能电容（5）的输入端连接，通过控制器（19）控制继电器（1）的通断从而实现对高压储能电容（5）充电控制功能；用于跨孔声波检测时在孔口采用一个带旋转编码器的滑轮（9），与放电探头（10）连接的线缆穿过带旋转编码器的滑轮（9），滑轮（9）与控制器（19）连接；当放电探头（10）下放时，带动滑轮（9）转动，控制器（19）即可计算出放电探头（10）下放的深度，在显示屏（15）上显示，并经RS485接口（16）传输给声波数据采集仪；高压储能电容（5）采用金属薄膜电容。

2.根据权利要求1所述的自动控制电火花震源装置，其特征在于：还包括高压直流采集装置（4），高压直流采集装置（4）的输入端直接与高压储能电容（5）的输入直接连接，高压直流采集装置（4）的数据输出端与控制器（19）连接，高压直流采集装置（4）采集到高压储能电容（5）实时存储的能量及高压储能电容（5）两端的电压，通过控制器（19）处理后在显示屏（15）上实时显示。

3.根据权利要求2所述的自动控制电火花震源装置，其特征在于：高压储能电容（5）输出端的正极与可控硅（8）的漏极连接，可控硅（8）的源极与放电探头（10）的正极连接，高压储能电容（5）的负极直接与放电探头（10）的负极连接；可控硅（8）的栅极与源极与控制器（19）连接；通过控制器（19）控制可控硅（8）导通，从而对高压储能电容（5）的放电控制。

4.根据权利要求2所述的自动控制电火花震源装置，其特征在于：在高压储能电容（5）输出端的正极与高压功率电阻（6）的一端连接，高压功率电阻（6）的另一端与高压开关（7）输入端连接，高压开关（7）输出端与高压储能电容（5）的负极连接，高压开关（7）的控制端与控制器（19）连接，通过控制器（19）控制高压开关（7）的导通，从而实现对高压储能电容（5）剩余能量的清除。

5.根据权利要求1所述的自动控制电火花震源装置，其特征在于：在高压储能电容（5）输出端的正极线缆上缠绕感应线圈（11），感应线圈（11）产生的感应电压信号为纳秒级信号；同时将感应线圈（11）产生的感应电压信号处理送给控制器（19）处理生成不同类型的同步触发信号，经同步触发信号输出接口（17）输出。

6.根据权利要求3所述的自动控制电火花震源装置，其特征在于：所述放电探头（10）采用同轴结构，在放电探头（10）的底端安装带细孔的塑胶套（24），套内放置有离子溶液。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的自动控制电火花震源装置，其特征在于其软件部分由以下方法实现：

1）在显示屏（15）上进行可视化参数设置，包含：工作模式、激发能量等级、放电时间间隔、同步触发信号类型；使用旋钮鼠标（14）、键盘（12）进行设定，参数设置完成后通过旋钮鼠标（14）或键盘（12）确定所设参数；

2）全自动化充放电模式：参数设置完毕，确定进入全自动化充放电模式，使用旋钮鼠标（14）或者键盘（12）按下开始充电，到达设定的激发能量等级后自动结束充电，当放电时间间隔达到预设定时间时，蜂鸣器（18）鸣响1s作为提示，待达到设定的放电时间间隔，放电探头（10）放电激发声波，结束一次充放电过程，自动开始下一次充放电过程，直至工作结束，中途可以使用旋钮鼠标（14）或者键盘（12）提前结束工作；

3）半自动化充放电模式：参数设置完毕，确定进入半自动化充放电模式，充电过程与全自动化充放电模式的充电过程一样，充电结束后蜂鸣器（18）鸣响1s作为提示，进入等待模式，需要手动点击放电，放电探头（10）才会放电；放电完成后自动开始下一次充电，如此循环直至工作结束，或者使用旋钮鼠标（14）或者键盘（12）提前结束工作；

4）手动充放电模式：参数设置界面选择手动模式，确定进入手动充放电模式；手动充放电模式充电时需要手动控制充电结束，放电也需要手动控制才能放电。