利用金屬電極測量極化率的高密度電法測量裝置及其方法與流程

文檔序號：12120435閱讀：1076來源：國知局

本發明涉及地球物理勘探技術領域，尤其涉及一種利用金屬電機測量極化率的測量裝置及測量方法。

背景技術：

地球表面任意兩點都存在電位差，以直流電位的形式存在，稱為自然電位。

地球物理勘探技術領域中的電阻率法是傳導類電法勘探方法的一種，它建立在地殼中各類巖石(礦石)之間導電差異的基礎上，通過觀測和研究與這種差異有關的天然電場或人工電場的分布規律，可達到查明地質構造或解決天文地質、工程地質、環境地質勘探領域中的水資源調查、巖石破碎情況及污水面積等問題。

金屬電極在某一點打入土壤中，正負電荷就在不同極性的電極上吸附，隨著時間推移，逐漸積累以極化電位形式存在與電極上，即產生極化電位。

傳統激發極化法是供電電極A、B使用金屬電極，測量電極M、N使用不極化電極，金屬電極就是一根銅棒，而不極化電極是一個罐狀結構，如銅-硫酸銅(Cu-CuSO₄)電極，其結構是將硫酸銅溶液裝置素燒瓷罐中，將小銅棒插入硫酸銅溶液中，通過硫酸銅溶液與大地接觸，這種電極的極化電壓不大，但獲得較小極化電壓的穩定時間大約為一小時，在野外使用非常不方便，且勘探時間長。

目前，也有采用供電電極A,B是金屬電極、測量電極M,N均為極化電極的高密度電法儀。高密度電法儀是在一個剖面上一次性布很多根電極，由電極轉換裝置自動實現多種電極組合串行測量，高密度電法儀的電極排列規律：A、M、N、B(其中A、B是供電電極,M、N是測量電極)，如圖2所示，電極間距AM＝MN＝NB，隨著間隔系數n由n(MIN)逐漸增大到n(MAX)，四個電極之間的間距也均勻拉開，一般高密度電阻率法在A、B兩電極間要加上幾百伏的直流高壓，由于地質中任意兩點存在自然電位數量級與供電電極相比很小，測量電極M、N兩點的電壓ΔV_MN只有幾毫伏到幾百毫伏，當高密度電法儀在工作時完成一次A、B、M、N電極排列的測量后，電極轉換裝置將A、B、M、N電極排列依次移動到一個電極間距的下一個測量位置，即第一次測量時用1、2、3、4號電極分別對應A、M、N、B測點，第二次測量時用2、3、4、5電極分別對應A、M、N、B測點，由于第一次測量時4號電極是對應供電電極B，第二次測量時4號電極是對應測量電極N，在第一次測量過后地下地質體受供電電極影響產生極化效應，極化體供電積累的電荷還沒來得及放完(即短時間內未完全消除極化)，在短時間內變為測量電極，這個還沒來得及放完的電荷對測量電極測量M、N之間的電壓ΔV_MN存在很大的干擾。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種利用金屬電極測量極化率的高密度電法測量裝置，能同時檢測電阻率和激電參數極化率。

為了解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種利用金屬電極測量極化率的高密度電法測量方法，操作方便，探測效率高、探測效果好。

本發明所采用的技術方案是：一種利用金屬電極測量極化率的高密度電法測量裝置，包括電法儀和高壓直流供電裝置，所述高壓直流供電裝置包括主控制器、隔離驅動電路和H橋電路，所述電法儀包括金屬電極A、金屬電極B、金屬電極M和金屬電極N，所述金屬電極A和金屬電極B是供電電極，所述金屬電極M和金屬電極N是測量電極，所述電法儀的第一輸出端與主控制器的輸入端連接，所述主控制器的輸出端與隔離驅動電路的輸入端連接，所述隔離驅動電路的輸出端與H橋電路的輸入端連接，所述電法儀與H橋電路連接以采集金屬電極M和金屬電極N之間的電流，所述H橋電路包括第一輸出端、第二輸出端，所述H橋電路的第一輸出端與金屬電極A連接用于給金屬電極A提供供電電壓，所述H橋電路的第二輸出端與金屬電極B連接用于給金屬電極B提供供電電壓。

進一步地，所述電法儀是高密度電法儀。

進一步地，所述隔離驅動電路包括振蕩電路、變壓器和整流濾波穩壓電路，所述振蕩電路與所述主控制器連接，所述主控制器通過與非門串聯電容與變壓器的輸入端連接，所述變壓器的輸出端與整流濾波穩壓電路的輸入端連接，所述整流濾波電路的輸出端與H橋電路的輸入端連接。

進一步地，所述H橋電路包括開關管和浪涌電壓吸收電路，所述開關管是IGBT管，所述整流濾波電路的輸出端與IGBT管的輸入端連接驅動IGBT管，所述IGBT管的輸出端與所述浪涌電壓吸收電路的輸入端連接，所述IGBT管包括第九IGBT管、第十IGBT管、第十一IGBT管和第十二IGBT管，所述第九IGBT管與第十二IGBT管組成第一橋臂，所述第十IGBT管與第十一IGBT管組成第二橋臂。

進一步地，所述H橋電路還包括保護濾波電路，所述保護濾波電路的輸入端連接電源電壓，所述保護濾波電路的輸出端連接所述浪涌電壓吸收電路的第二輸入端。

進一步地，所述IGBT管型號是IHW40T0120管。

一種利用金屬電極測量極化率的高密度電法測量方法，所述方法應用于上述的一種利用金屬電極測量極化率的高密度電法測量方法，所述方法包括步驟：

S1，將測量裝置的金屬電極按照探測需要的距離打入探測區域的底面，用電纜將每個電極與探測裝置連接起來；每個單位時間測量由四個電極參與，依次為A、M、N、B，其中電極A、電極B作為供電電極，電極M、電極N作為測量電極，AM＝MN＝NB為一個電極間距，在極化率測量的一個周期中，電法儀控制高壓直流供電裝置給電極A和電極B供電；

S2，在一個周期中，電法儀控制高壓直流供電裝置通過電極A和電極B向地下正向供電，電法儀測量電極A和電極B通電回路的電流I_AB、測量電極M和電極N之間的電壓ΔV；

S3，測量電流I_AB和電壓ΔV后，電法儀控制高壓直流供電裝置停止供電，電法儀測量電極A和電極B之間的電壓，若電極A和電極B之間的電壓不為零，電法儀控制高壓直流供電裝置輸出一個與電極A和電極B之間電壓大小相等、方向相反的反向電壓，對地下地質體進行反向極化，使得電極A和電極B之間的電壓逐漸減小直至為零；電法儀控制四個電極移動一個電極間距，進入下一次測量，返回步驟S2。

本發明的有益效果是：

一種利用金屬電極測量極化率的高密度電法測量裝置采用高壓直流供電裝置和電法儀配合，不采用不極化電極測量極化率，操作方便，與傳統采用不極化電極測量極化率相比，具有探測效率高的優點；與現有技術采用極化電極測量極化率相比，消除供電電極對地質產生極化效應的誤差，具有更高的準確性，探測效果好。

本發明的另一個有益效果是：

一種利用金屬電極測量極化率的高密度電法測量方法采用高壓直流供電裝置和電法儀配合，不采用不極化電極測量極化率，操作方便，與傳統采用不極化電極測量極化率相比，具有探測效率高的優點；與現有技術采用極化電極測量極化率相比，消除供電電極對地質產生極化效應的誤差，具有更高的準確性，探測效果好。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明：

圖1是時間域激發極化充放電示意圖；

圖2是高密度電阻率法中的溫納排列示意圖；

圖3是本發明高密度電法儀連接高壓直流供電裝置模塊示意圖；

圖4是本發明隔離驅動電路圖；

圖5是本發明H橋電路圖；

圖6是本發明高壓直流供電裝置輸出高壓直流電壓波形圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

極化率的測量原理：

圖1是時間域激發極化充放電示意圖，如圖1所示，高密度電法儀通過供電電極將電流供入地下，利用測量電極對地下巖石、礦石的電位差變化進行觀測，假設地下介質是均勻無極化介質，則當供電電流不變時，測量電極測得的電位差為ΔV₁，如果地下存在一極化體，則電流在地下介質中傳播流經該極化體時，極化體發生電化學反應，極化體受激發而產生“二次電流”，進而產生附加“二次電場”ΔV₂，在測量電極間產生電位差，在供電電極開關未斷開時，測量電極測得的電位差是ΔV₁與ΔV₂之和，稱為總場電位差。此時斷開供電電極開關，供電電流小時，而地下極化體的極化依然存在，極化體將會放電以回復原平衡狀態，這個過程需要一定的時間，如圖1中的T_放，一般是用η_s作為參數來描述介質激發極化這一特性,其定義為:

其中ΔV₂(t^off)為斷電后某一時刻測得的二次電位差，ΔV₁+ΔV₂＝ΔV為斷電前測得的總場電位差，η_s是相對物理量，無量綱。

高密度電法儀極化電極測量斷面電阻率原理：

圖2是高密度電阻率法中的溫納排列示意圖，如圖2所示，在一個剖面上一次布很多根電極，如60根，由電極轉換裝置自動實現多種電極組合串行測量方式，如圖2所示，60道電極排列規律是：A、M、N、B，(其中A、B是供電電極，M、N是測量電極)，電極間距AM＝MN＝NB，間隔數為n，隨著間隔數n(MIN)逐漸增大到n(MAX)，四個電極之間的間距也均勻拉開。如圖2所示，測量斷面為倒梯形，設電極總數為60，n(MIN)＝1，n(MAX)＝16，首先，n＝n(MIN)＝1，由于電極共有4個，所以測量數據為57個：

第一步：A＝1#，M＝2#，N＝3#，B＝4#；

第二步：A＝2#，M＝3#，N＝4#，B＝5#；

……

第五十七步：A＝57#，M＝58#，N＝59#，B＝60#；

接著，n＝n+1，測量數據為54個：

第一步：A＝1#，M＝3#，N＝5#，B＝7#；

第二步：A＝2#，M＝4#，N＝6#，B＝8#；

……

第五十四步：A＝54#，M＝56#，N＝58#，B＝60#；

……

最后，n＝n(MAX)＝16，測量數據為12個：

第一步：A＝1#，M＝17#，N＝33#，B＝49#；

第二步：A＝2#，M＝18#，N＝34#，B＝60#；

……

第十二步：A＝12#，M＝28#，N＝44#，B＝60#。

顯然，對應每一層位(n)的測量數據個數＝(60-n×3),如果n＝1至n＝16,16個層位全部測量得到一個完整的剖面，數據總數應該是552個。這種排列在測量激發極化法的參數極化率η_s，第一次測量是用1、2、3、4號電極，對應A、M、N、B測點，A、B是供電電極，對應于1號、4號電極，M、N是測量電極，對應于2號、3號電極。下一次測量是2、3、4、5號電極，A、B是供電電極，對應于2號、5號電極；M、N是測量電極，對應于3號、4號電極；依此類推，一般高密度電阻率法在A、B兩電極要加上幾百伏的直流高壓，而測量到M、N兩點的電壓ΔV_MN只有幾毫伏到幾百毫伏，高密度電阻率法在工作時完成了1、2、3、4號電極排列的測量后，1秒鐘后就要用2、3、4、5號電極對應A、M、N、B測點，A、B是供電電極，M、N是測量電極，第一次4號電極是供電電極B，第二次測量4號電極變為測量電極N，在4號電極第一次測量過后，供電電極B對地質體產生極化效應，地下地質體(即極化體)由于供電積累的電荷還沒來得及放完，一般1秒鐘后變為測量電極，未放完的電荷對測量電極測量M、N之間的電壓ΔV_MN存在很大的干擾。

圖3是本發明高密度電法儀連接高壓直流供電裝置示意圖，如圖3所示，一種利用金屬電極測量極化率的高密度電法測量裝置，包括電法儀和高壓直流供電裝置，本實施例優選采用高密度電法儀。所述高壓直流供電裝置包括主控制器、隔離驅動電路和H橋電路，所述主控制器包括單片機，所述電法儀包括金屬電極A、金屬電極B、金屬電極M和金屬電極N，所述金屬電極A和金屬電極B是供電電極，所述金屬電極M和金屬電極N是測量電極，所述電法儀的第一輸出端與主控制器的輸入端連接，所述主控制器的輸出端與隔離驅動電路的輸入端連接，所述隔離驅動電路的輸出端與H橋電路的輸入端連接，所述電法儀與H橋電路連接以采集金屬電極M和金屬電極N之間的電流，所述H橋電路包括第一輸出端、第二輸出端，所述H橋電路的第一輸出端與金屬電極A連接用于給金屬電極A提供供電電壓，所述H橋電路的第二輸出端與金屬電極B連接用于給金屬電極B提供供電電壓。

圖4是本發明隔離驅動電路圖，圖5是本發明H橋電路圖，結合圖4和圖5，隔離驅動電路包括振蕩電路1、變壓器和整流濾波穩壓電路2，所述振蕩電路1與所述主控制器連接，所述振蕩電路1包括與非門U1B、與非門U1C、電阻R6、電阻R7和電容C7，與非門U1B的第一輸入端接收主控制器輸出的保護驅動信號PROTECT_nQ，與非門U1B的輸出端分別連接與非門U1C的兩個輸入端，與非門U1C的輸出端通過串聯電容C7和電阻R6連接到與非門U1B的第二輸入端，與非門U1B的輸出端還通過電阻R7連接到電容C7與電阻R6之間的節點。與非門U1C輸出一個18KHz的振蕩信號OSC。本實施例優選采用振蕩電路產生的振蕩信號，也可以通過主控制器中的單片機輸出脈沖寬度可調節的方波信號，所述隔離驅動電路還包括與非門U4A、與非門U4B，與非門U4A的第一輸入端接收與非門U1C輸出的振蕩信號OSC，與非門U4B的第一輸入端接收與非門U1C輸出的振蕩信號OSC，與非門U4A的第二輸入端接收主控制器輸出的第一直流信號PDRV，與非門U4B的第二輸入端接收主控制器輸出的第二直流信號NDRV，與非門U4A的輸出端分別通過電容C1、電容C3連接變壓器TR1、變壓器TR2的第一輸入端，變壓器TR1、變壓器TR2的第二輸入端均連接電源地，所述與非門U4B的輸出端分別通過電容C5、電容C8連接變壓器TR3、變壓器TR4的第一輸入端，變壓器TR3、變壓器TR4的第二輸入端均連接電源地。H橋電路包括開關管和浪涌電壓吸收電路，所述開關管是IGBT管，包括第九IGBT管U9、第十IGBT管U10、第十一IGBT管U11和第十二IGBT管U12，整流濾波穩壓電路2包括二極管D1至D8，電容C2、C4、C6、C9，電阻R1至R8，變壓器TR1的第一輸出端通過連接二極管D1和電阻R1連接到第九IGBT管U9的G端提供驅動信號DRV_G1，變壓器TR1的第二輸出端連接第九IGBT管U9的E端提供驅動信號DRV_E1，電容C2與電阻R2并聯在二極管D1的負極與第九IGBT管U9的E端之間，二極管D2的正極連接第九IGBT管U9的E端、負極連接第九IGBT管U9的G端；變壓器TR2的第一輸出端通過連接二極管D3和電阻R3連接到第十IGBT管U10的G端提供驅動信號DRV_G2，變壓器TR2的第二輸出端連接第十IGBT管U10的E端提供驅動信號DRV_E2，電容C4與電阻R4并聯在二極管D3的負極與第十IGBT管U10的E端之間，二極管D4的正極連接第十IGBT管U10的E端、負極連接第十IGBT管U10的G端；變壓器TR3的第一輸出端通過連接二極管D5和電阻R5連接到第十一IGBT管U11的G端提供驅動信號DRV_G3，變壓器TR3的第二輸出端連接第十一IGBT管U11的E端提供驅動信號DRV_E3，電容C6與電阻R8并聯在二極管D5的負極與第十一IGBT管U11的E端之間，二極管D6的正極連接第十一IGBT管U11的E端、負極連接第十一IGBT管U11的G端；變壓器TR4的第一輸出端通過連接二極管D7和電阻R9連接到第十二IGBT管U12的G端提供驅動信號DRV_G4，變壓器TR4的第二輸出端連接第十二IGBT管U12的E端提供驅動信號DRV_E4，電容C9與電阻R10并聯在二極管D7的負極與第十二IGBT管U12的E端之間，二極管D8的正極連接第十二IGBT管U12的E端、負極連接第十二IGBT管U12的G端。

由于一般IGBT管的驅動電壓為7V，本實施例中設計的驅動電壓為10V，與非門U1B，U1C產生交流電壓信號，分別通過主控制器控制通過與非門U4A,U4B耦合到變壓器TR1至TR4中，經過變壓器升壓后輸出20V左右的交流電壓信號，通過整流濾波穩壓電路2輸出幅度為10V的方波，進而驅動第九IGBT管U9至第十二IGBT管U12。如圖5所示，H橋電路一個橋臂由第九IGBT管和第十二IGBT管組成，另一個橋臂由第十IGBT管和第十一IGBT管組成，本實施例采用的IGBT管的型號是IHW40T0120。H橋電路包括浪涌電壓吸收電路3和保護濾波電路4，保護濾波電路包括二極管D9、壓敏電阻R17、電容C12至C14，電阻R16、R18，浪涌電壓吸收電路3包括壓敏電阻R22、R23、R27、R28，二極管D10至D17，電阻R20、R21、R25、R26及電容C15至C18，高密度電法儀中的主機提供H橋電路電源電壓，電源電壓正極HV+連接二極管D9的正極，壓敏電阻R17、電容C12、電容C13、電容C14并聯在二極管D9的負極和電源電壓負極HV-之間，保護濾波電路中的二極管D9起單向導電左右，防止H橋電路因電源電壓反接損壞電路。二極管D9的負極還通過電阻R16、電阻R18連接到電源電壓負極HV-。二極管D9的負極通過壓敏電阻R19連接電源電壓負極HV-，第九IGBT管的C端和第十IGBT管的C端均連接第二電源電壓HVB+，第九IGBT管的E端和C端串聯壓敏電阻R22，第九IGBT管的C端通過二極管D11、二極管D13和電容C15連接到第九IGBT管的E端和第十一IGBT管的C端，電阻R21連接二極管D11的正極和二極管D13的負極；第十IGBT管的E端和C端串聯壓敏電阻R23，第十IGBT管的C端通過二極管D10、二極管D12和電容C12連接到第十IGBT管的E端和第十二IGBT管的C端，電阻R20連接二極管D10的正極和二極管D12的負極；第十一IGBT管的E端和C端串聯壓敏電阻R27，第十一IGBT管的C端通過二極管D15、二極管D17和電容C17連接到第十一IGBT管的E端和電源電壓負極HV-，電阻R26連接二極管D15的正極和二極管D17的負極；第十IGBT管的E端和C端串聯壓敏電阻R23，第十二IGBT管的C端通過二極管D14、二極管D16和電容C18連接到第十二IGBT管的E端和電源電壓負極HV-，電阻R25連接二極管D14的正極和二極管D16的負極。在電容C15和二極管D15的正極之間的節點連接到高密度電法儀的金屬電極B，在電容C16和二極管D14的正極之間的節點通過連接電阻R24連接到高密度電法儀的金屬電極A，用于輸出正向供電電壓和反向供電電壓給金屬電極A和金屬電極B(其中，金屬電極A和金屬電極B是供電電極)。高密度電法儀可以在電阻R24兩端測試金屬電極A和金屬電極B之間的電流I_AB。

圖4是本發明高壓直流供電裝置輸出高壓直流電壓波形圖，本實施例主控制器中單片機優選MSP430F169單片機，高密度電法儀控制高壓直流供電裝置改變供電時間、斷電時間和供電電壓，如圖4所示，在供電時間T1內，高密度電法儀控制高壓直流電壓裝置輸出正向直流高壓V1，在斷電時間T2內，直流高壓值零，在供電時間T3內，輸出反向直流高壓V2。

在野外需要進行高密度電法勘探時，根據實際需要在一根電纜線上打入n根電極，編號為1至n，高壓直流供電裝置通過供電電極A和供電電極B向地下供電，測量電極M和測量電極N通過測量電纜線，接到高密度電法儀M、N輸入端，進行第一次測量，高密度電法儀控制高壓直流供電裝置提供正向直流高壓時，高密度電法儀采集供電電極A和供電電極B之間的電流I_AB以及測量電極M和測量電極N之間的電壓ΔV，測量完之后高密度電法儀控制高壓直流供電裝置停止供電，高密度電法儀采集供電電極A和供電電極B之間的電流I_AB，判斷供電電極A和供電電極B之間的電壓是否為零，如果A、B之間的電壓不為零，高密度電法儀控制高壓直流供電裝置提供一個反向電壓，對地下地質體進行反向極化，直至A、B之間的電壓為零。

一種利用金屬電極測量極化率的高密度電法測量方法應用于上述一種利用金屬電極測量極化率的高密度電法測量裝置，測量方法步驟如下：

S2，在一個周期中，電法儀控制高壓直流供電裝置通過電極A和電極B向地下正向供電，在供電時間T1內，電法儀測量電極A和電極B通電回路的電流I_AB、測量電極M和電極N之間的電壓ΔV；

S3，測量電流I_AB和電壓ΔV后，電法儀控制高壓直流供電裝置停止供電，在斷電時間T2內，電法儀測量電極A和電極B之間的電壓，若電極A和電極B之間的電壓不為零，電法儀控制高壓直流供電裝置輸出一個與電極A和電極B之間電壓大小相等、方向相反的反向電壓，對地下地質體進行反向極化，使得電極A和電極B之間的電壓逐漸減小直至為零；電法儀控制四個電極移動一個電極間距，進入下一次測量，返回步驟S2。

以上是對本發明的較佳實施進行了具體說明，但本發明創造并不限于所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內。

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