大功率電測微機控制多路電極轉換器的製作方法
2023-05-21 00:52:06 2
專利名稱：大功率電測微機控制多路電極轉換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種大功率電測微機控制多路電極轉換器，屬地球物理勘探中電法勘探專用設備。既適用於高密度電測法以及常規電法勘探長測線的大容量數據採集;還能應用於石油、天然氣、金屬礦等領域的深層大功率勘探中作為電磁勘探系統中的發送(發射)與接收的控制轉接裝置。
本發明是繼前一項發明(發明名稱分布式微機控制多路電極轉換器;專利申請號93 1 07832.6)之後的改型設計。特點是將發送電纜與接收和控制電纜分開，並加大各開關盒中發送電極轉換控制信號的驅動能力和對應模擬電子開關的功率容量。從而擴大了其應用範圍，不僅能用於電偶源的發送、接收的電極轉換;而且也適用於磁偶源的發射、接收的轉換，不僅可單系統工作，也可雙系統或多系統工作，能構成陣列測線進行接收和發送(發射)的轉換，實現三維電法勘探以及深層大功率勘探。
另一改進設計是面板上增設一個字符型液晶顯示器和一個小鍵盤，構成本發明中的單片微機的輸入輸出外設部件，液晶屏上可顯示操作菜單、也可指示本轉換器的各種工作狀態;鍵盤用於輸入操作功能的選擇、工作參數的選擇。省卻了前發明中面板上的工作模式開關、參數選擇開關和通道通斷指示燈、報警指示燈，從而精減了整機的硬體，簡便了操作，但整機的功能可擴性和可塑性都有所增強。
本裝置由帶單片微機的主控制器和一套電極轉換開關盒組成，其主要技術特徵之一是主控制器由單片微處理機CPU控制系統、邏輯控制接口電路、電極轉換控制碼發生與發送電路等組成;轉換開關盒由功率模擬開關組、控制碼串並轉換電路、及開關驅動電路組成。轉換開關盒安放於測線的各個電極旁並與之相聯;主控制器接出兩股多芯電纜，一股是發送電纜，內含供電電纜A，B;另一股是接收電纜內含測量電纜M，N、串行控制碼線、移位時鐘信號線、開關盒工作電源線。兩股電纜分別接入0＃開關盒的輸入端，0＃開關盒的輸出端又接入1＃開關盒的輸入端，1＃開關盒的輸出端再聯到2＃開關盒的輸入端，依次類推，形成整個系統的串行控制數據採集鏈。
本轉換器的主控制器採用單片微機做主控部件，利用液晶顯示器和小鍵盤使操作實現了計算機化的人機對話操作方式。開機後單片機首先進行系統自檢測和初始化，然後顯示出功能選擇菜單，操作員可根據顯示屏的提示由鍵盤逐項設定工作模式、極距係數N、電極總數P、系統基本電極組態Ps。本轉換器與電測儀主機之間還聯接有一股控制電纜，雙方採取應答方式進行聯絡，保證相互之間的同步動作，實現了通道切換和數據採集的自動控制。主控制器在單片微處理機管理之下控制多路電極順序切換，整機工作時各電極的接通狀態在顯示屏上有實時的指示。各種工作模式和操作功能都固化在EPROM程序存儲器中，按照操作員由鍵盤所預置的方式和參數，系統自動執行相應的程序。測量時每進行一次電極轉換動作，CPU就從串行控制口送出一組程控編碼，其碼位長度等於電極總數的四倍。控制碼經接收電纜傳輸並逐個移位，由0＃電極轉換開關盒向遠端開關盒輸出，直至控制碼全部到位，使每個開關盒都得到四個具有驅動能量的狀態控制信號，盒中的電子開關組包括兩個測量電極開關和兩個供電開關，便按程序要求分別接通或斷開，結果是測線中的電極按既定規律接通四個，並分別聯到供電電纜A.B.和測量電纜M.N.上，而其他電極全處於斷開狀態。
本轉換器具有7種工作模式，即等極距測深模式、對數極距測深模式、溫納四極模式、偶極一偶極模式、微分模式、聯合剖面模式、中間梯度模式。工作模式的設定由操作菜單第一項來選擇。
本發明主要特徵之二是可靈活選擇測量電極的總數(P)和系統電極基本組態(Ps)，不受前發明中規定的最大排列P＝120的限制。P表示測線上所需排列的測點總數、Ps表示一次布設下的電極數目。這兩項參數由操作菜單第二項進行選擇，CPU通過鍵盤讀入該設定，然後計算出每次電極轉換所需的控制碼位長度。
極距係數是確定極距間隔大小的一個因子(用N來表示)，比如說，N＝1時為最小極距等於相鄰兩電極的距離，N＝2時，極距是N＝1的兩倍，依次類推。進入操作菜單第三項可進行極距係數的設定。
主控制器在送出串行控制碼的同時，還產生被接通電極通道號的編碼信號，經單片機CPU解碼和顯示信息編排，再送往液晶顯示器，實時指示出測量電極排列中的各開關盒的通斷工作狀態。
該機包含有整機硬體的監控管理程序、7種模式的電極轉換程序。溫納四極方式下，所接通的四個電極其排序為「A.M.N.B.」，電極間隔是N個極距(N＝1～16)。偶極-偶極方式下，電極排序為「A.B.M.N.」;微分方式電極排序為「A.M.B.N.」;聯合剖面方式電極排序為「A.M.N....B」或「A....M.N.B」，(把B.或A.固定於無窮遠點即大於全電極測線排列總長三倍的遠處)。中間梯度測量方式電極排序為「A，M，N，B」，但供電電極A B是固定在測線排列的兩端，而測量電極M，N則按一定極距係數在測線上逐步移動。上述各方式，每步的轉換動作都是同向移動接通電極。等極距測深方式及對數極距測深方式，測量是從測線的中心位置開始，電極排序為「A.M.N.B.」，每步將A.M.以及N.B.分別向兩側以等極距或對數關係拉開。總之，在每種模式中每次轉換隻能將測線中全部電極的其中4個電極分別接通到A.B.M.N四個公共母線輸入端，每個電極都具有4種可能的接通狀態，在一步轉換中CPU必須給出的狀態控制碼位是4×P，對於每一給定的N值，完成電極全排列的一次掃描測量需作(4×P-3×N)步電極轉換，當N＝1變換到N＝16時，微機需給出∑(4×P-3×N)個控制碼位，7種工作模式，共給出7×∑(4×P-3×N)個控制碼位。
本轉換器的優點效果及用途1.電極轉換的執能部件採用功率模擬開關組，並且將供電電極轉換開關組改用大功率模擬開關，使之適用於大功率供電作深部勘探。
2.發送電纜單獨分開，便於配接不同的激發源，也就是說本發明既可用作電偶源的發送接收轉換控制器，也適用於磁偶源的發射接收轉換控制器，即配合電磁勘探發送設備及接收設備就可組成大排列的電磁勘探系統。
3.發送電纜單獨分開，使本轉換器不但能單系統工作，(即一臺轉換器配一臺接收主機布設一條測線，發送接收自成體系沿測線進行測量);也能雙系統或多系統工作，(即用兩個或三個單系統排列出兩條或三條平行的測線，用同步時鐘統一節拍，在其中一個系統的發送電極轉換動作的控制之下，各系統可同時完成接收各自測線上電極的轉換控制和信號接收，這種陣列式的多系統工作方式，能同時完成一個面積上的多測線測量，有利於進行三維電法勘探。
4.本轉換器也可與多通道電測主機配套使用，一個接收通道配接一臺電極轉換器布設出一條測線，也可實現上述的多測線面積型陣列布設，而且同步簡易，工作效率高。
5.本轉換器採用字符型液晶顯示器和小鍵盤作整機的主操作部件，簡化了操作方法;減少了整機的硬體電路，增加了系統的可靠性;系統功能的擴展和改進就具有了更大靈活性。
6.本轉換器對電極總數沒有限制，系統的測線電極基本組態Ps也可隨意設定，如果P＜＝Ps，要求將P個電極一次布設完畢，在系統啟動之後無需搬動測線電極就可完成測量;如果P＞Ps，測量前應布設好Ps個電極，系統啟動後，隨著測量過程的進展，顯示屏會給出提示，要求操作員逐段地將電極向測線前進方向延伸布設，直至整個測線的測量完成。
本設備主要應用於地球物理勘探技術領域。
附圖的圖面說明
圖1.大功率電測微機控制多路電極轉換器面板示意圖。
圖2.本轉換器系統中的主控制器電路原理框圖。
圖3.本轉換器系統中的電極轉換開關盒電路原理框圖。
圖4.大功率電測微機控制多路電極轉換控制器應用示意圖。
圖4a.電極轉換開關盒(DS)聯線示意圖。
圖4b.轉換開關盒之間的聯接電纜。
本發明的具體結構，由以下實施例結合附圖作進一步描述。
見圖1.所示的主控制器面板示意圖。圖中的(1)為小鍵盤，其中0～9為十個數字鍵;「.」是小數點;「/」是符號分割鍵;「Y」是YES鍵表示輸入認可，即讀入鍵值;「N」是NO鍵表示輸入否定，即刪除鍵值;「復位」是整機總復零鍵，用作系統初始化。(2)為液晶顯示屏，它可顯示兩行，每行20字符共40個字符。(3)是與轉換開關盒相聯的一股電纜插頭座，內含測量母線M、N以及轉換器發出的電極轉換串行控制碼信號線;(4)是與轉換開關盒相聯的另一股電纜插頭座(內含供電發送母線A、B);(5)為與電測儀主機之間的同步控制電纜插頭座。(6)為與電測主機相聯的供電電纜A、B插頭座;(7)為與電測主機相聯的測量電纜M、N插頭座;(8)為本機充電電源插頭座;(9)為本機電源開關。
全系統分主控制器和電極轉換開關盒兩部分組成，其電路原理框圖分別見圖2.和圖3.所示。
圖2.的(10)是數據存儲器，作控制碼運算和數據緩存區之用;(11)是程序存儲器固化著監控、自檢測、電極轉換等功能程序;(12)為單片計算機晶片CPU;(13)為鍵盤;(14)是鍵值解碼器，它對鍵盤進行掃描，一旦有按鍵操作時便讀入鍵值，經解碼後送往CPU;(15)是微機系統的數據、地址、控制三總線;(16)為電極轉換控制碼發生電路，CPU根據操作員所設定的各種工作參數經過運算處理後給出電極轉換的每一步所必須給出的控制碼;(17)是控制碼發送與驅動電路，將控制碼變換成串行碼方式發送到串行聯接於測線排列上的各個轉換開關盒中。在主控制器送出的串行控制碼的作用之下，按要求一步步將測線上某四個電極分別接通到A，B，M，N母線上;(18)是40個字符的液晶顯示器，用於顯示整機操作菜單、鍵盤輸入的工作參數、本機工作過程中的各種狀態指示;(19)是顯示信息編排與緩存電路;(20)是與電測主機進行聯絡的接口電路，CPU通過該電路向電測主機發出「正在轉換電極」和「電極轉換完畢」的信號，CPU又從該接口電路讀入電測儀主機送來的「正在採集」和「採集完畢」的信號，達到整個系統「電極轉換」和「數據採集」動作的正常同步關係。
圖3.所示為電極轉換開關盒的電路原理框圖。此圖的左側虛線外的部分表示開關盒輸入插頭座包含的芯線內容，其中(21)為供電電纜A，B，和測量電纜M，N;(22)為電極轉換串行控制碼輸入線;(23)為串行碼傳輸時鐘信號線;(24)是提供給開關盒的工作電源(±12V和+5V);此圖右側虛線外的部分表示開關盒輸出插頭座所包含的芯線內容;其中的(25)是連接測線上所排列的某一電極的引線端子，其餘的芯線都與輸入插頭座一一對應;圖中兩虛線之間是轉換開關盒的電路部分，有兩個測量電極開關(26)和兩個供電電極開關(27)並接組成的功率模擬開關組，4個開關的並聯端接至某一外電極，兩個測量電極開關的另一端分別聯到測量母線的M或N上;兩個供電電極開關，其電路結構和聯接方式都與(26)相同，不同之處是，它們的非公共端是聯到供電母線A或B上，所以採用了大功率模擬開關，使得能工作於大供電電流轉換的場合;(28)以及(29)為模擬開關通斷控制信號的驅動電路，其輸出分別聯到4個模擬開關的控制端，但(29)中採用了大功率驅動器件，專用於驅動供電電極開關組;(30)是電極轉換控制碼串並轉換電路;(31)是時鐘信號驅動電路。
採用本發明的電測系統在野外實際測量時的系統聯接示意圖見圖4。(32)表示電測儀主機，它與本轉換器的主控制器(36)之間的聯接電纜共三條MN電纜(34);AB電纜(33);控制電纜(35)。主控制器與電極轉換開關盒之間的聯接是兩股多芯電纜(37)和(38)，(37)是發送電纜，內含供電電纜A、B;(38)是接收電纜，內含測量電纜M，N、以及電極轉換串行控制信號線、移位時鐘信號線、開關盒電路低壓工作電源(±12V;+5V)，一共有八芯。這兩股電纜從主控制器的面板引出，分別接至測線排列上離主控制器最鄰近的0＃電極轉換開關盒(39)的兩個輸入插頭座，0＃電極轉換開關盒的另一側有對應的兩個輸出插頭座，又引出兩股電纜分別聯至1＃電極轉換開關盒的兩個輸入插頭座上，依此類推，將測線上的所有電極轉換開關盒都串接成鏈。各開關盒還引出一根導線與相應編號的測量電極(40)連接。視不同的勘探要求，做電偶源測量時可採用金屬電極或不極化電極做測量電極;做磁偶源測量時可聯接發射(或接收)線圈。
圖4a.詳細描述了轉換開關盒在實際應用時的連接關係。圖中，(41)所示為開關盒;(42)是發送電纜;(45)是接收電纜;(43)和(46)是開關盒的兩個輸入插頭座;(44)和(47)是對應的兩個輸出插頭座;(48)是電極引線端子;做電偶源測量時，(50)表示測量排列上的電極(金屬電極或不極化電極)，電極上焊接了一短導線(49)，與開關盒上的電極引線端子(48)相聯接;做磁偶源測量時，(50)表示排列上的發射或接收線圈。
圖4b.描述的是轉換開關盒之間的聯接電纜。圖中，(51)是發送電纜，(54)是接收電纜，它們的一端分別聯接著上一個轉換開關盒的兩個輸出插頭座(52)和(55)，它們的另一端則分別聯接著下一個轉換開關盒的兩個輸入插頭座(53)和(56)。
這是單個轉換開關盒串接方式，可靈活增減電極個數。另外還提供一種以若干電極為一單元的組合電纜(比如10個電極為基本組合單元)，即把10個轉換開關盒固定串接起來，在這組合單元的兩側分別裝有輸入輸出插頭座，以便組合單元之間的兩兩相聯。這一多盒組合電纜方式簡化和加速了現場的電纜布設工作。
權利要求
1.大功率電測微機控制多路電極轉換器，既適用於高密度電測法以及常規電法勘探長測線的大容量數據採集；還能應用於石油、天然氣、金屬礦等領域的深層大功率勘探中作為電磁勘探系統中的發送(發射)與接收的控制轉接裝置，屬地球物理勘探中電法勘探專用設備；本裝置是前一項發明(發明名稱分布式微機控制多路電極轉換器；專利申請號93107832.6)之後的改型設計，其特點是在分布式微機控制多路電極轉換器的基礎上，加大了各開關盒中發送電極轉換控制信號的驅動能力和對應模擬電子開關的功率容量，並且將發送電纜單獨分出；面板上增設一個字符型液晶顯示器和一個小鍵盤，構成本裝置中的單片微機的輸入輸出外設部件；其特徵是a.本轉換器的主控制器(36)採用單片微機做主控部件，各種工作模式和操作功能都固化在程序存儲器(11)中，由鍵盤(13)設定工作模式、極距係數N、電極總數P，系統基本電極組態Ps，系統自動執行相應的電極轉換程序；測量時每進行一次電極轉換動作，CPU(19)經運算處理由控制碼發生電路(16)產生一組程控編碼，其碼位長度等於系統基本組態Ps的四倍，該控制碼經發送與驅動電路(17)驅動後，輸出至電纜(38)，並逐個移位由0#電極轉換開關盒(39)向遠端開關盒輸出，直至控制碼全部到位使每個開關盒都得到四個具有驅動能量的狀態控制信號，盒中的電子開關組包括兩個測量電極開關(26)和兩個供電電極開關(27)，便按程序要求分別接通或斷開，結果是測線排列中的電極(40)按既定規律接通四個，並分別聯到供電電纜A.B.(9)和測量電纜M.N.(8)上，而其他電極全處於斷開狀態；b.電極轉換開關盒(39)中有兩個測量電極開關(26)和兩個供電電極開關(27)並接組合而成的功率模擬開關組，4個開關的並聯端接至外電極(40)，兩個測量電極開關的另一端分別聯到測量母線的M或N上，兩個供電電極開關的另一端分別聯到供電母線的A或B上，主控制器經串行電纜傳送的串行碼(22)，進入串並轉換器(30)，在時鐘信號(23)的作用下，得到4位控制碼，分別經測量電極驅動電路(28)和供電電極驅動電路(29)後分別送到4個模擬開關的控制端，使盒中的開關組按程序要求分別接通或斷開，實現了各種工作模式下不同的開關聯接陣列；c.本轉換器採用字符型液晶顯示器(18)和小鍵盤(13)使操作實現了計算機化的人機對話操作方式。開機後單片機首先進行系統自檢測和初始化，然後顯示出功能選擇菜單，操作員可根據顯示屏的提示由鍵盤逐項設定工作模式、極距係數N、電極總數P、系統基本組態Ps；本轉換器工作時各電極的接通狀態在顯示屏上有實時的指示；d.本轉換器具有7種工作模式，即等極距測深模式，對數極距測深模式、溫納四極模式、偶極一偶極模式、微分模式、聯合剖面模式、中間梯度模式。工作模式的設定由操作菜單第一項來選擇。CPU通過鍵盤讀入該設定並判斷，再跳轉到相應的程序段去執行轉換；e.本發明對電極總數(P)沒有限制，系統的電極基本組態(Ps)也可隨意設定，這兩項參數由菜單第二項進行選擇，CPU通過鍵盤讀入該設定，然後計算出每次電極轉換所需的控制碼長度。如果設定的P＜=Ps，要求將P個電極一次布設完畢，在系統啟動之後無需搬動測線電極就可完成測量；如果P＞=Ps，測量前應布設好Ps個電極，系統啟動後，隨著測量過程的進展，顯示屏會給出提示，要求操作員逐段地將電極由後向測線前進方向延伸布設，直至整個測線的測量完成；f.進入操作菜單第三項可進行極距係數(N)的設定。所謂極距係數則是確定極距間隔大小的一個因子(用N來表示)，比如說，N=1時為最小極距等於相鄰兩電極的距離，N=2時，極距是N=1的兩倍，依次類推；g.本轉換器採用主控制器和電極轉換開關分離式結構，轉換開關盒安放於測線的各個電極旁並與之相聯，主控制器與電極轉換開關盒之間的聯接是兩股多芯電纜(37)和(38)，(37)是發送電纜，內含供電電纜A，B；(38)是接收電纜，內含測量電纜M，N、以及電極轉換串行控制碼信號線、移位時鐘信號線、開關盒電路低壓工作電源±12V，+5V)一共有八芯。這兩股電纜從主控制器的面板引出，分別接至測線排列上離主控制器最近的0#開關盒(39)的兩個輸入插頭座，0#開關盒的另一側有對應的兩個輸出插頭座，又引出兩股電纜分別聯至1#開關盒的兩個輸入插頭座，依次類推，將全測線上的所有開關盒都串接成鏈，形成了整個系統串行控制式的數據採集鏈；
2.根據權利要求1所述的轉換器，其特徵是本轉換器包含有整機硬體的監控管理程序、7種模式的電極轉換程序;在測量中，對於每一種工作模式的每一步轉換動作只能將電極全排列中的4個電極分別接通到A.B.M.N四個公共母線輸入端，每個電極都具有4種可能的接通狀態，在一步轉換中CPU必須給出的狀態控制碼位是4×P，對於每一給定的N值，完成電極全排列的一次掃描測量需作(4×P-3×N)步電極轉換，當N＝1變換到N＝16微機需給出∑(4×P-3×N)個控制碼位，對於7種工作模式，共需給出7×∑(4×P-3×N)個控制碼位;
3.根據權利要求1和2所述的轉換器，其特徵是CPU通過主機接口電路(20)向電測儀主機發出「正在轉換電極」和「電極轉換完畢」的信號，CPU又從該接口電路讀入電測儀送來的「正在採集」和「採集完畢」的信號，達到整個系統「電極轉換」和「數據採集」動作的正常同步關係;
4.根據權利要求1和2所述的轉換器，其特徵是電極轉換的執能部件採用功率模擬開關組，並且將供電電極轉換開關組改用大功率模擬開關，使之適用於大功率供電作深部勘探;
5.根據權利要求1和2所述的轉換器，其特徵是發送電纜單獨分開，便於配接不同的激發源，也就是說本發明既可用作電偶源的發送接收轉換控制器，也適用於磁偶源的發射接收轉換控制器，即配合電磁勘探發送設備及接收設備就可組成大排列的電磁勘探系統;視各種勘探方法的不同要求，做電偶源接收時可採用金屬電極或不極化電極做測量電極，做磁偶源接收時可聯接接收線圈;
6.根據權利要求1和2所述的轉換器，其特徵是發送電纜單獨分開，使系統不但能單系統工作，(即一臺轉換器配一臺接收主機布設一條測線，發送接收自成體系沿測線進行測量);也能雙系統或多系統工作(即用兩個或三個單系統排列出兩條或三條平行的測線，用同步時鐘統一節拍，在其中一個系統的發送電極轉換動作的控制之下，各系統可完成接收各自測線上電極控制和信號接收，這種陣列式的多系統工作方式，能同時完成一個面積上的多測線測量，有利於進行三維電法勘探;
7.根據權利要求1和2所述的轉換器，其特徵是本轉換器也能與多通道的電測主機配套使用，即一個接收通道配接一臺電極轉換器布設出一條測線，也可實現多測線面積型陣列布設，而且同步簡易，工作效率高;
8.根據權利要求1和2所述的轉換器，其特徵是本轉換器可使用單個電極轉換開關盒串接，測量電極個數可靈活增減，另外還提供一種以若干個電極為一單元的組合電纜(比如10個電極為基本組合單元)，即把10個轉換開關盒固定串接起來，在這組合單元的兩側分別裝有輸入輸出插頭座，以便組合單元之間的兩兩相聯，這一多盒組合電纜方式簡化和加速了現場的電纜布設工作。
全文摘要
大功率電測微機控制多路電極轉換器屬地球物理電法勘探專用設備。特點是在分離式結構、串行電纜和分布控制法的基礎上，加大各開關盒中發送電極轉換控制信號的驅動能力和對應模擬電子開關的功率容量，並且將發送電纜單獨分出；使得本裝置既能作高密度電阻率測量和常規電法勘探長測線的數據採集；還能應用於石油、天然氣、金屬礦等領域的深層大功率勘探中作為電磁勘探系統中的發送(發射)與接收的控制轉接裝置。
文檔編號G05B15/02GK1108391SQ9410148
公開日1995年9月13日 申請日期1994年3月3日 優先權日1994年3月3日
發明者李志武, 周燕雲 申請人:地質礦產部機械電子研究所