阻抗匹配電路及隨鑽電磁波電阻率測量儀的製作方法
2023-07-27 17:12:02 2
本發明涉及隨鑽電磁波電阻率測量技術領域，尤其涉及一種阻抗匹配電路，還涉及具有該阻抗匹配電路的隨鑽電磁波電阻率測量儀。其中，阻抗匹配電路用於隨鑽電磁波電阻率測量儀的發射信號匹配，提高發射效率。
背景技術：
隨鑽電磁波電阻率測量儀是隨鑽測量的重要組成部分，被廣泛應用。近些年該儀器有了長足的進步與發展。常用的的隨鑽電磁波電阻率測量儀都由鑽鋌、線圈、處理電路以及配套的軟體組成。線圈安裝在鑽鋌的凹槽內，處理電路的安裝方式主要有兩種。一種安裝方式是處理電路安裝在一個電路骨架外表面的方形槽內，電路骨架中間是空心，該空心用於通過泥漿，電路骨架外表面與鑽鋌內表面緊密接觸且密封。另外一種安裝方式是電路骨架為桶型，處理電路安裝在電路骨架桶的中間。電路骨架與鑽鋌通過專門的連接器連接，電路骨架與鑽鋌之間為泥漿通道。
常用的隨鑽電磁波電阻率測量儀的線圈包括四個或四個以上發射線圈，兩個或兩個以上接收線圈。發射線圈用於測量電磁波信號發射到周圍地層當中。接收線圈用於接收經過地層反射回來的電磁波信號。通過合理的設置各個發射線圈與接收線圈的間距，以及選擇合適的發射頻率，就可以得到不同探測深度、不同軸向解析度的地層電阻率。
由於隨鑽電磁波電阻率測量儀主要通過電池供電，能量有限，發射驅動功率需要控制在一定範圍。另外，井眼中的泥漿和地層的電阻率都遠小於空氣中的電阻率，根據電磁波的傳播特性，越低的電阻率對電磁波信號衰減越嚴重，因此這就要求通過調諧，優化設計電磁波發射系統，提高發射效率，才能確保整個隨鑽電磁波電阻率測量結果更加準確。
現有隨鑽電磁波電阻率測量技術對發射線圈的調諧優化都未介紹，現有技術都未介紹具體的發射天線匹配方法與技術。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：現有隨鑽電磁波電阻率測量技術對發射線圈的調諧優化都未介紹，現有技術都未介紹具體的發射天線匹配方法與技術。
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種阻抗匹配電路以及具有該阻抗匹配電路的隨鑽電磁波電阻率測量儀。
根據本發明的一個方面，提供了一種阻抗匹配電路，其包括變壓器、第一匹配模塊、第二匹配模塊和匹配電感；其中，
所述變壓器的初級連接發射驅動電路的輸出端；
所述變壓器的次級的第一端連接發射線圈的第一端；所述變壓器的次級的第二端通過所述第一匹配模塊和所述匹配電感連接所述發射線圈的第二端，所述變壓器的次級的第二端還通過所述第二匹配模塊連接所述發射線圈的第二端；
通過調節所述變壓器的匝數比、第一匹配模塊具有的電容的電容值、第二匹配模塊具有的電容的電容值和所述匹配電感的電感值中的一項或幾項，來使由所述第一匹配模塊、第二匹配模塊、匹配電感和發射線圈構成的輸出網絡在所述發射驅動電路產生的預設頻率上發生諧振。
優選的是，所述第一匹配模塊具有至少兩個電容，所述第一匹配模塊具有的所有電容均並聯連接在所述變壓器的次級的第二端與所述匹配電感之間。
優選的是，所述第二匹配模塊具有至少兩個電容，所述第二匹配模塊具有的所有電容均並聯連接在所述變壓器的次級的第二端與所述發射線圈的第二端之間。
優選的是，所述第一匹配模塊具有三個電容，和/或，所述第二匹配模塊具有三個電容。
優選的是，所述變壓器的初級通過同軸電纜連接所述發射驅動電路的輸出端。
根據本發明的另一個方面，提供了一種隨鑽電磁波電阻率測量儀，其包括發射器和接收器，由所述發射器發射的電磁波經地層反射後被所述接收器接收；
所述發射器包括依次連接的發射驅動電路、上述阻抗匹配電路、以及發射線圈；所述阻抗匹配電路包括變壓器、第一匹配模塊、第二匹配模塊和匹配電感；其中，
所述變壓器的初級連接所述發射驅動電路的輸出端；
所述變壓器的次級的第一端連接所述發射線圈的第一端；所述變壓器的次級的第二端通過所述第一匹配模塊和所述匹配電感連接所述發射線圈的第二端，所述變壓器的次級的第二端還通過所述第二匹配模塊連接所述發射線圈的第二端；
通過調節所述變壓器的匝數比、第一匹配模塊具有的電容的電容值、第二匹配模塊具有的電容的電容值和所述匹配電感的電感值中的一項或幾項，來使由所述第一匹配模塊、第二匹配模塊、匹配電感和發射線圈構成的輸出網絡在所述發射驅動電路產生的預設頻率上發生諧振。
優選的是，所述第一匹配模塊具有至少兩個電容，所述第一匹配模塊具有的所有電容均並聯連接在所述變壓器的次級的第二端與所述匹配電感之間。
優選的是，所述第二匹配模塊具有至少兩個電容，所述第二匹配模塊具有的所有電容均並聯連接在所述變壓器的次級的第二端與所述發射線圈的第二端之間。
優選的是，所述第一匹配模塊具有三個電容，和/或，所述第二匹配模塊具有三個電容。
優選的是，所述變壓器的初級通過同軸電纜連接所述發射驅動電路的輸出端。
與現有技術相比，上述方案中的一個或多個實施例可以具有如下優點或有益效果：
應用本發明的阻抗匹配電路，可以對發射線圈進行匹配優化，可以提高系統將電池的電能轉換為發射線圈發射的電磁波能量，減少能量在發射電路系統本身的消耗。經過在隨鑽電磁波電阻率測量儀上的測試，採用了阻抗匹配電路的發射器/發射系統，能量轉換效率顯著提高，發射驅動電路的發熱有所改善。
本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
附圖說明
附圖用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與本發明的實施例共同用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。在附圖中：
圖1示出了本發明實施例阻抗匹配電路的一種電路示意圖；
圖2示出了本發明實施例阻抗匹配電路的另一種電路示意圖；以及
圖3示出了本發明實施例隨鑽電磁波電阻率測量儀的方框原理圖。
具體實施方式
以下將結合附圖及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題，並達成技術效果的實現過程能充分理解並據以實施。需要說明的是，只要不構成衝突，本發明中的各個實施例以及各實施例中的各個特徵可以相互結合，所形成的技術方案均在本發明的保護範圍之內。
本發明所要解決的技術問題是：現有隨鑽電磁波電阻率測量技術對發射線圈的調諧優化都未介紹，現有技術都未介紹具體的發射天線匹配方法與技術。為了解決上述技術問題，本發明實施例提供了一種阻抗匹配電路。
如圖1所示，是本發明實施例的阻抗匹配電路的一種電路示意圖。本實施例的阻抗匹配電路3主要包括變壓器31、第一匹配模塊32、第二匹配模塊33和匹配電感34。
參照圖1，變壓器31的初級連接發射驅動電路1的輸出端。變壓器31的次級的第一端連接發射線圈4的第一端。變壓器31的次級的第二端通過第一匹配模塊32和匹配電感34連接發射線圈4的第二端，變壓器31的次級的第二端還通過第二匹配模塊33連接發射線圈4的第二端。通過調節變壓器31的匝數比、第一匹配模塊32具有的電容的電容值、第二匹配模塊33具有的電容的電容值和匹配電感34的電感值中的一項或幾項，來使由第一匹配模塊32、第二匹配模塊33、匹配電感34和發射線圈4構成的輸出網絡在發射驅動電路1產生的預設頻率上發生諧振。
具體地，發射驅動電路1可以產生兩種頻率(即預設頻率)的發射信號，按照隨鑽電磁波電阻率的常用頻率，設置為2mhz和400khz，按照預定好的時序輪流輸出出去。發射驅動電路1優選地通過同軸電纜2連接變壓器31的初級。同軸電纜2的長度較長，具體根據鑽鋌上發射線圈4到電路骨架的長度確定。在本實施例中，選定同軸電纜2的長度為1.5m。根據同軸電纜2的特性，長度為1.5m的同軸電纜2的等效電容值小於100pf，對信號傳輸的影響非常小。因此同軸電纜2能夠有效地將信號傳輸到後續的電路系統。同軸電纜2的輸出連接到變壓器31的輸入端(即，變壓器31的初級輸入端)。
變壓器31的輸出端(即，變壓器31的次級)的第一端連接發射線圈4的第一端。變壓器31的次級的第二端一方面連接至第一匹配模塊32的第一端，另一方面連接至第二匹配模塊33的第一端。第一匹配模塊32的第二端連接至匹配電感34的第一端。匹配電感34的第二端連接至發射線圈4的第二端，第二匹配模塊33的第二端也連接至發射線圈4的第二端。
在本實施例中，通過調節變壓器31初級/次級的線圈匝數比、第一匹配模塊32中電容的電容值、第二匹配模塊33中電容的電容值和匹配電感34的電感值，來調節變壓器31的次級後面的輸出網絡的阻抗，以使發射驅動電路1的輸出阻抗與該輸出網絡的輸入阻抗相匹配。具體地，變壓器31的次級後面的輸出網絡是由第一匹配模塊32、第二匹配模塊33、匹配電感34和發射線圈4構成的輸出網絡。舉例來說，本實施例中發射驅動電路1的輸出阻抗為50歐姆，變壓器31將由上述輸出網絡的輸入阻抗專門也調節到50歐姆。兩個阻抗實現了50歐姆的阻抗匹配，這樣能使發射驅動電路1的輸出信號最有效地傳輸到由第一匹配模塊32、第二匹配模塊33、匹配電感34和發射線圈4構成的輸出網絡中。
另外，本實施例中第一匹配模塊32和匹配電感34串聯後再與第二匹配模塊33並聯的電路結構，可以實現兩個頻率(例如2mhz和400khz的預設頻率)的阻抗匹配(具體可以通過阻抗計算得出)。因此，本實施例可以使用同一個發射線圈4實現兩個頻率信號的發射，這樣設計可以在幾乎不增加裝置成本基礎上，獲得兩個預設頻率的測量結果。這對綜合分析和解釋測量地層的電阻率非常有利。
通過合理配置第一匹配模塊32中電容的電容值、第二匹配模塊33中電容的電容值和匹配電感34的電感值，可以使得由第一匹配模塊32、第二匹配模塊33、匹配電感34和發射線圈4構成的輸出電路網絡在發射驅動電路1產生2mhz和400khz頻率上都發生諧振。諧振發生時信號的轉換效率最佳。
可以看出，通過對隨鑽電磁波電阻率測量儀的發射線圈4進行匹配優化，可以提高系統將電池的電能轉換為發射線圈4發射的電磁波能量，減少能量在發射電路系統本身的消耗。這樣將有兩個方面的好處：一、提高了轉換效率，電池的使用時間就可以得到延長。隨鑽電磁波電阻率測量儀是整個隨鑽測量系統中耗電大戶，在現場應用當中，如果隨鑽測量系統要配置隨鑽電磁波電阻率測量儀，都需要額外配置電池短節，而電池又是隨鑽測量系統應用成本的主要部分。二、調 諧優化以後，在發射電路系統本身的消耗降下降，這將有利於發射電路系統溫度的控制。發射電路系統的能耗大部分將轉換為熱能。由於井底的高溫環境，這些熱能很難散發。因此發射電路系統的能耗大越大，其工作溫度將越受限制。
綜上所述，應用本實施例所述的阻抗匹配電路3，可以對發射線圈4進行匹配優化，可以提高系統將電池的電能轉換為發射線圈4發射的電磁波能量，減少能量在發射電路系統本身的消耗。經過在隨鑽電磁波電阻率測量儀上的測試，採用了阻抗匹配電路3的發射器10/發射系統，能量轉換效率顯著提高，發射驅動電路1的發熱有所改善。
圖2示出了本發明實施例阻抗匹配電路3的另一種電路示意圖。對比圖1和圖2，本實施例在上一個實施例的基礎上對第一匹配模塊32和第二匹配模塊33做了進一步限定。第一匹配模塊32包括第一電容c1、第二電容c2和第三電容c3。第一電容c1、第二電容c2和第三電容c3均並聯連接在變壓器31的次級的第二端與匹配電感34的第一端之間。第二匹配模塊33包括第四電容c4、第五電容c5和第六電容c6。第四電容c4、第五電容c5和第六電容c6均並聯連接在變壓器31的次級的第二端與發射線圈4的第二端之間。
在本實施例中，第一匹配模塊32和第二匹配模塊33都採用多個電容並聯而成，與採用一個電容的技術方案相比較，本實施例中多個電容組合更容易得到需要的產生諧振的電容值，而一個電容的電容值的選擇範圍有限。本實施例使得電路的實現更加容易，更具實用性，同時也有利於電路精確性的提高。
需要說明的是，本實施例對第一匹配模塊32和第二匹配模塊33具有的電容的個數不做限定，電容個數越多，越可能得到期望的電容值，電路的精確性越高。
相應地，本發明實施例還提供了一種隨鑽電磁波電阻率測量儀。參照圖3，本實施例的隨鑽電磁波電阻率測量儀包括彼此連接的發射器10和接收器20。由發射器10發射的電磁波經地層反射後被接收器20接收。發射器10包括依次連接的發射驅動電路1、阻抗匹配電路3以及發射線圈4。這裡，阻抗匹配電路3為上述任意實施例的阻抗匹配電路3。針對阻抗匹配電路3的描述，在不再實施例中不再贅述。
應用本實施例所述的隨鑽電磁波電阻率測量儀，可以對發射線圈4進行匹配優化，可以提高系統將電池的電能轉換為發射線圈4發射的電磁波能量，減少能量在發射電路系統本身的消耗。經過測試，採用了阻抗匹配電路3的發射器10/ 發射系統，能量轉換效率顯著提高，發射驅動電路1的發熱有所改善。
雖然本發明所公開的實施方式如上，但所述的內容只是為了便於理解本發明而採用的實施方式，並非用以限定本發明。任何本發明所屬技術領域內的技術人員，在不脫離本發明所公開的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作任何的修改與變化，但本發明的保護範圍，仍須以所附的權利要求書所界定的範圍為準。