CN114236623A - 一种井下大功率大电流电磁发射装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种井下大功率大电流电磁发射装置及工作方法，所述装置包括：供电电源以及与供电电源连接的多个并联的电磁发射单元；电磁发射单元包括依次连接的控制模块、脉冲信号波形发生器、脉冲输出驱动电路、脉冲关断和极性转换保护电路；控制模块根据接收到的波形信号控制脉冲信号波形发生器产生驱动脉冲，驱动脉冲输送给脉冲输出驱动电路，脉冲输出驱动电路输出的信号再经过脉冲关断和极性转换保护电路后通过驱动电磁发射天线发射信号；本公开所述的装置，体积和重量小，采用36V标准直流电源，方便井下工作；通过多电磁发射单元的并联，实现了大功率和大电流发射。
Description
技术领域
本公开涉及电磁发射装置技术领域，特别涉及一种井下大功率大电流电磁发射装置及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
为探测较深的地层下的状况，地面地质探测设备使用的电磁发射机，多数使用高电压大电流的方法实现电磁信号发送，这必然使设备的体积很大，甚至需要配备专用的发电机或发电车配合使用。
发明人发现，在井下探测应用场景下，操作空间受到了极大限制，像地面地质探测设备体积和重量都很大，很难携带进入井下，井下不能使用发电机或发电车供电，且高电压供电不符合井下安规标准要求。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种井下大功率大电流电磁发射装置及工作方法，装置的体积和重量小，采用36V标准直流电源，方便井下工作；通过多电磁发射单元的并联，实现了大功率和大电流发射。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种井下大功率大电流电磁发射装置。
一种井下大功率大电流电磁发射装置，包括：供电电源以及与供电电源连接的多个并联的电磁发射单元；
电磁发射单元包括依次连接的控制模块、脉冲信号波形发生器、脉冲输出驱动电路、脉冲关断和极性转换保护电路；
控制模块根据接收到的波形信号控制脉冲信号波形发生器产生驱动脉冲，驱动脉冲输送给脉冲输出驱动电路，脉冲输出驱动电路输出的信号再经过脉冲关断和极性转换保护电路后通过驱动电磁发射天线发射信号。
进一步的，电磁发射单元还包括发送电流检测模块和输出电流调整电路，发送电流检测模块实时采输出电流信号，采集到的输出电流信号一路通过控制模块发送到外置控制终端以监测输出的电流值，另一路反馈给输出电流调整电路，在输出电流值超出预设值时，输出电流调整电路关断脉冲输出驱动电路。
进一步的，脉冲关断和极性转换保护电路在驱动信号脉冲被关断时，提供低阻抗回路且并联到输出端子，以低阻抗吸收电磁发射天线储存的电磁能量和电子开关的漏电流。
进一步的，在正常发送信号时，脉冲关断和极性转换保护电路在启动发送信号的同时进入高阻抗状态。
进一步的，控制模块对接收到的波形信号进行合成，得到单极性波形信号或双极性波形信号。
进一步的，所述电源为直流36V电源。
本公开第二方面提供了一种井下大功率大电流电磁发射装置的工作方法。
一种井下大功率大电流电磁发射装置的工作方法，利用本公开第一方面所述的井下大功率大电流电磁发射装置；
控制模块接收外置控制终端发送的波形信号；
控制模块根据接收到的波形信号进行波形信号合成，根据生成的波形合成信号控制脉冲信号波形发生器产生驱动脉冲；
驱动脉冲输送给脉冲输出驱动电路，脉冲输出驱动电路输出的信号再经过脉冲关断和极性转换保护电路后通过驱动电磁发射天线发射信号。
进一步的，通过调整脉冲输出驱动电路的驱动电压控制输出驱动波形的电压值，使每个电磁发射单元输出的驱动电流在预设范围内调整。
进一步的，吸收时间常数由电磁发射天线的等效电感值、电磁发射天线的等效直流电阻值、分布电感值和低阻抗回路的等效直流电阻值决定。
进一步的，在波形信号形成的起始沿的同时刻，外置控制终端通过同步信号输出端口输出下降沿并保持低电平，低电平持续时间为主控单元形成的波形信号起始脉冲持续时间的50％，当低电平持续时间到后翻转为高电平。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的电磁发射装置，装置的体积和重量小，采用36V标准直流电源，方便井下工作；通过多电磁发射单元的并联，实现了大功率和大电流发射。
2、本公开所述的电磁发射装置，在波形信号形成的起始沿的同时刻，外置控制终端通过同步信号输出端口输出下降沿并保持低电平，低电平持续时间为主控单元形成的波形信号起始脉冲持续时间的50％，当低电平持续时间到后翻转为高电平，实现了更精准和更稳定的控制。
3、本公开所述的电磁发射装置，通过调整脉冲输出驱动电路的驱动电压控制输出驱动波形的电压值，使每个电磁发射单元输出的驱动电流在预设范围内调整，有效的保证了发射装置的安全性能。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的井下大功率大电流电磁发射装置的结构示意图。
图2为本公开实施例提供的波形信号与同步信号逻辑关系图。
图3为本公开实施例提供的电磁发射单元逻辑框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例：
如图1、图2和图3所示，本公开实施例提供了一种井下大功率大电流电磁发射装置，包括主控单元和多个电磁发射单元，供电电源为直流36V。
通过主控单元具有的设置功能，选择使能数个电磁发射单元，不被使能的电磁发射单元处于掉电模式；主控单元还具有波形合成、配置电磁发射单元数量、同步信号输出的功能；
主控单元根据设定的波形信号参数形成波形信号，波形信号被输送到各个使能的电磁发射单元的波形信号输入端，电磁发射单元的控制器将接收到的波形信号进行合成并输出，输出的驱动信号的最大幅值为±36V，与匹配的电磁发射天线配合时最大可输出20A电流，电磁发射天线的直流阻抗小于1.8欧姆，此时，每个电磁发射单元的最大输出功率为720W；在使能全部10个上述电磁发射单元时，总的最大输出功率为7200W，总的最大输出电流为200A。
各个电磁发射单元的选通由主控单元和配置功能实现，具体使能几组/不使能电磁发射单元，其根据发送电流的范围，由操作者来完成这个配置。比如，发送总电流为110A，可以配置使能任意6个单元，也可以配置使能全部10个单元，总电流平均分配到每个单元，及每个单元的输出电流＝总发送电流/使能单元个数。
因发送设备为强信号(比如发送电流为安培级以上)且是主动输出，同时仪器外壳为金属材质并采取良好的接地措施，输入输出(比如发送输出端子、电源输入端子及其它接口)内置抗电磁干扰部件或电路，可以将外界的电磁干扰对发送设备的影响降到极小以保证仪器正常工作；对于温湿度的影响，仪器本身按照工业级的要求选择电子元器件和配件，同时，仪器采用硬件补偿和软件补偿机制，使仪器可以随温湿度的波动进行动态参数补偿。
对于上述单个电磁发射单元，可以通过输出电流调整电路调整脉冲输出驱动电路的驱动电压值，使每个电磁发射单元输出的驱动电压在2V～36V之间调整，则驱动电磁发射天线的电流可以在1A～20A之间调整，即输出功率可以在2W～720W之间调整。
本实施例所述电磁发射单元在接收到有主控单元输送来的波形信号时，电磁发射单元的控制器根据波形信号控制脉冲信号波形发生器产生驱动脉冲，驱动脉冲输送给脉冲输出驱动电路，驱动输出的信号再经过脉冲关断和极性转换保护电路后连接到驱动输出端子；
输出电流由发送电流检测组件采样，采集到的电流数据一路通过控制信号数据总线输送给主控单元以监测输出的电流值，另一路用来反馈给输出电流调整电路，在输出电流值超出20A的百分之十时，输出电流调整电路关断驱动输出电路以防止输出电路损坏。
因每次发送单元的输出脉冲电压是由主控单元的配置完成的，故输出脉冲的电压值是已知的，结合采集到的发送电流值，可以得知输出脉冲的功率，累加使能的发射单元的这个输出电流/功率既为仪器的总发送电流/功率。
电子开关存在固有的关断时间常数，在关断输出信号的时刻不可能立即使电子开关输出截止，脉冲输出驱动电路存在漏电流输出；另外，电磁发射天线在关断的时间内产生关断脉冲和续流电流，关断脉冲的电压值达到驱动电压的8倍以上，这使得电子开关的实际关断时间远大于电子开关自身的关断时间常数，造成输出信号波形存在长时间的阻尼震荡，使得测量产生误差和错误。
本实施例所述脉冲关断和极性转换保护电路的功能，是在驱动信号脉冲被关断时，提供低阻抗回路以及并联到输出端子，此时可以以低阻抗吸收电磁发射天线储存的电磁能量和电子开关的漏电流。
本实施例所述驱动电路和电磁发射天线组成的系统的吸收时间常数由(L+l)*(R+r)决定，L为电磁发射天线的等效电感值，R为电磁发射天线的等效直流电阻值，l为上述系统的分布电感值，l值远小于L，r为低阻抗回路的等效直流电阻值，r值小于一百毫欧姆远小于R值，此时吸收时间常数近似为LR，即本实施例所述各个电路模块组成的系统的吸收时间常数由电磁发射天线的特性决定。
同时，在正常发送信号时，脉冲关断和极性转换保护电路在启动发送信号的同时进入高阻抗状态，等效阻值大于1M欧姆，远大于电磁发射天线的阻抗，不影响正常信号的输出。
本实施例所述主控单元形成波形信号时，在波形信号形成的起始沿的同时刻，主控单元通过同步信号输出端口输出下降沿并保持低电平，低电平持续时间为主控单元形成的波形信号起始脉冲持续时间的50％，当低电平持续时间到后翻转为高电平。
本实施例中，主要考虑了以下几方面的改进：
(1)尽量满足井下安规电压的要求，再配合其它的符合安规的措施，使整机满足井下安规的要求。
(2)因工作电压较低，在驱动大环路天线线圈(长度超过百米或几百米)时，线圈直流阻抗不能大于36V/20A＝1.8欧姆，这个比较容易实现，若使驱动电流进一步增大，则天线线圈导线的截面积增大很多，天线总重量成倍增加，造成天线成本急剧上升，且不便于携带。
(3)多个较小输出驱动电流累计可以实现大电流输出的目的。同时，任何电气回路都有分布参数，多个天线线圈并联相当于改善了天线线圈的分布参数，只要保证小电流的发送单元输出端口与天线的匹配就可以保证整个综合天线(就是多个单独天线的叠加)的匹配，而一根大天线和极大电流输出端口的匹配要困难得多。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种井下大功率大电流电磁发射装置，其特征在于：
包括：供电电源以及与供电电源连接的多个并联的电磁发射单元；
电磁发射单元包括依次连接的控制模块、脉冲信号波形发生器、脉冲输出驱动电路、脉冲关断和极性转换保护电路；
控制模块根据接收到的波形信号控制脉冲信号波形发生器产生驱动脉冲，驱动脉冲输送给脉冲输出驱动电路，脉冲输出驱动电路输出的信号再经过脉冲关断和极性转换保护电路后通过驱动电磁发射天线发射信号。
2.如权利要求1所述的井下大功率大电流电磁发射装置，其特征在于：
电磁发射单元还包括发送电流检测模块和输出电流调整电路，发送电流检测模块实时采输出电流信号，采集到的输出电流信号一路通过控制模块发送到外置控制终端以监测输出的电流值，另一路反馈给输出电流调整电路，在输出电流值超出预设值时，输出电流调整电路关断脉冲输出驱动电路。
3.如权利要求1所述的井下大功率大电流电磁发射装置，其特征在于：
脉冲关断和极性转换保护电路在驱动信号脉冲被关断时，提供低阻抗回路且并联到输出端子，以低阻抗吸收电磁发射天线储存的电磁能量和电子开关的漏电流。
4.如权利要求1所述的井下大功率大电流电磁发射装置，其特征在于：
在正常发送信号时，脉冲关断和极性转换保护电路在启动发送信号的同时进入高阻抗状态。
5.如权利要求1所述的井下大功率大电流电磁发射装置，其特征在于：
控制模块对接收到的波形信号进行合成，得到单极性波形信号或双极性波形信号。
6.如权利要求1所述的井下大功率大电流电磁发射装置，其特征在于：
所述电源为直流36V电源。
7.一种井下大功率大电流电磁发射装置的工作方法，利用权利要求1-6任一项所述的井下大功率大电流电磁发射装置；
控制模块接收外置控制终端发送的波形信号；
控制模块根据接收到的波形信号进行波形信号合成，根据生成的波形合成信号控制脉冲信号波形发生器产生驱动脉冲；
驱动脉冲输送给脉冲输出驱动电路，脉冲输出驱动电路输出的信号再经过脉冲关断和极性转换保护电路后通过驱动电磁发射天线发射信号。
8.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于：
通过调整脉冲输出驱动电路的驱动电压控制输出驱动波形的电压值，使每个电磁发射单元输出的驱动电流在预设范围内调整。
9.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于：
吸收时间常数由电磁发射天线的等效电感值、电磁发射天线的等效直流电阻值、分布电感值和低阻抗回路的等效直流电阻值决定。
10.如权利要求7所述的工作方法，其特征在于：
在波形信号形成的起始沿的同时刻，外置控制终端通过同步信号输出端口输出下降沿并保持低电平，低电平持续时间为主控单元形成的波形信号起始脉冲持续时间的50％，当低电平持续时间到后翻转为高电平。
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