一種活塞式換能電極的制作方法
【專利摘要】一種活塞式換能電極，包括外殼體、絕緣體、外帽(4)和高壓電極(9)。高壓電極(9)位于絕緣體內部，絕緣體套入外殼體內部，外帽(4)罩于外殼體和絕緣體的上方。外殼體中，中筒(2)套裝在外筒(1)上部，中筒(2)在外力作用下可上下移動，移動的上限為固定件(3)的下邊緣。絕緣體中，絕緣筒(6)套裝在中筒(2)的上段內，絕緣套筒(8)套裝在外筒(1)下段和中筒(2)的中段和下段內。絕緣筒(6)內放置高壓電極(9)。高壓電極(9)由多根單芯絕緣電纜組成，多根電纜的中心導體通過匯流排連接，匯流排通過螺柱與外界電源的高壓端連接。多根單芯絕緣電纜置于導電液體中，導電液體注滿由絕緣體圍成的封閉空間。
【專利說明】
一種活塞式換能電極
技術領域
[0001]本發明涉及一種脈沖放電電極，特別涉及一種將水中放電能量轉換為脈沖聲能或地震波能的換能電極。
【背景技術】
[0002]水中脈沖放電技術已在工業、科學及醫學等領域得到了廣泛的應用，電火花震源是其在地震勘探領域很有潛力的應用之一。電火花震源的原理是:利用大電流放電在水中形成巨大的沖擊波，沖擊波通過液體和地表層傳播，通過檢波器接收地震波信號，進而獲得當地的地質地貌特征。傳統的電火花震源必須依賴于較大的水體，如海洋電火花震源在廣闊海水中放電，而陸地電火花震源也需在勘探地挖井注水，然后將電極置入井水中放電。因此，對于山地或其他缺水地區的地震勘探，傳統電火花震源并不適用。
[0003]中國專利201010541046.6公開的相控電火花子震源，高壓電極從震源側面引出，在引出端浸水情況下很容易發生閃絡放電；放電腔小，水的引入及保持較為困難，同時由于放電間隙小且不易調節，因此只能產生電弧放電，放電的重復性及可控性較差。另外，由于高壓電極為裸導體單電極，電極及附近的絕緣材料很易燒蝕。中國專利201510146327.4公開的一種電聲轉換電極，在發生放電時整個電極是密封固定的，水中放電產生的沖擊力很難轉化為地震波能量。注水時必須打開外筒和中筒的連接處，不便于操作。高壓電極處不容易固定，很容易發生滲水進而引發閃絡。中國專利201510546857.8公開的地震勘探用緩沖式換能器注水時必須打開上筒和下筒的連接處，不便于操作且不易于控制注水量;利用緩沖彈簧作為緩沖件，很難控制不同放電能量下電極主體的移動行程，進而影響并限制能量轉換效率;通過上筒和下筒調節放電間隙時，內部絕緣套筒無法固定，放電時很容易上下移動進而引發閃絡。中國專利201510547305.9公開的一種防松動球面多束換能器利用絕緣底筒將水溶液密封，一方面限制了放電空間，影響放電轉換效率，同時在狹小空間內放電產生的氣泡很難消散，進而影響后續的放電；絕緣底筒的高度限制了放電間隙的調節范圍；注水困難，且很難保證水溶液注入到絕緣底筒圍起的放電空間；結構復雜，不便于實施。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是克服現有的放電電極高壓端易閃絡、放電不可控、注水困難、結構復雜的缺點，提出一種活塞式換能電極。本發明可在封閉的空間內形成水中放電，放電的形式可靈活控制，同時，本發明電極采用活塞式結構，利用放電產生的沖擊波推動電極上下往復運動，直接轉換為機械能，提高了放電的能量轉換效率。
[0005]本發明包括外殼體、絕緣體、外帽和高壓電極，高壓電極套裝在絕緣體內部，絕緣體套裝在外殼體內部。外帽罩于外殼體和絕緣體的上方，用于密封。外帽的外壁焊有接地端，用于和外部電源的地相連。
[0006]外殼體包括外筒、中筒和固定件。
[0007]所述的外筒為一上下兩段內徑不同的圓筒，有底面，為不銹鋼材料制成。外筒上段的內徑大于其下段的內徑，且外筒上段的內徑略大于中筒下段的外徑，以便于中筒嵌入。中筒在外力作用下在外筒上段內上下移動。外筒上段有內螺紋，固定件下段有外螺紋，固定件通過螺紋的配合固定在外筒上段。
[0008]所述的中筒為一上、中、下三段內、外徑均不同的圓筒，為不銹鋼材料制成。中筒上段的內徑大于其中段和下段的內徑，中筒中段和下段的內徑相同，且中筒上段的內徑略大于絕緣筒下段的外徑，以便于絕緣筒套入。中筒下段的外徑大于其中段和上段的外徑，且中筒下段的外徑略小于外筒上段的內徑，以便于插入外筒上段，并可在外筒上段內上下移動。中筒上段有外螺紋，通過與外帽的內螺紋配合固定。中筒的中段的內徑、下段的內徑和外筒下段的內徑相等。
[0009]所述的固定件為一截面為倒置的L形的圓筒，為不銹鋼材料制成。固定件上段為L形的橫邊，固定件上段的外徑與外筒的外徑相等，固定件下段為L形的豎邊，固定件下段的外徑略小于外筒上段的內徑。固定件下段有外螺紋，與外筒上段的內螺紋相配合。固定件的內徑略大于中筒上段和中段的外徑，固定件插入外筒和中筒上段、中段之間的空隙，并通過外筒上段的內螺紋與外筒固定。固定件的下邊緣為中筒向上移動的行程限位。
[0010]所述的絕緣件包括絕緣筒、螺帽和絕緣套筒。
[0011]所述的絕緣套筒為等厚度的圓筒，由絕緣材料制成。絕緣套筒的外徑略小于外筒下段和中筒中段、下段的內徑，絕緣套筒套入外筒下段和中筒中段和下段的內部。
[0012]所述的絕緣筒為一上、下兩段內、外徑均不同的圓筒，由絕緣材料制成。絕緣筒上段的外徑小于其下段的外徑，上段和下段的銜接處形成一個臺階。絕緣筒下段的高度約等于中筒上段的高度，絕緣筒套入中筒內，其下端面與中筒上段的下端面齊平。絕緣筒下段臺階處開有兩個或多個通孔，用于向絕緣套筒和絕緣筒圍成的封閉空間灌入導電液體，通孔通過螺帽密封。絕緣筒內部裝配高壓電極，絕緣筒內徑略大于高壓電極的外徑。
[0013]所述的高壓電極由單芯絕緣電纜、匯流排和螺柱組成。多根長度相等的單芯絕緣電纜的中心導體通過匯流排連接，匯流排和螺柱連接。匯流排經絕緣密封形成絕緣密封段，螺柱突出絕緣密封段的上端，多根單芯絕緣電纜伸出絕緣密封段的下端。匯流排和螺柱由黃銅材料制成。絕緣筒下段的內徑略大于絕緣密封段的外徑，以便于絕緣密封段套入絕緣筒下段。絕緣密封段通過密封圈與絕緣筒下段密封，螺柱通過螺紋與絕緣筒上段內壁固定密封。螺柱與外界電源的高壓輸出端連接。多根單芯絕緣電纜置于導電的液體中，導電液體充滿由絕緣套筒和絕緣筒圍成的封閉空間內，液體的電導率為10-50mS/cm。
[0014]所述的外帽罩在中筒上段上面，由不銹鋼材料制成，開有中心通孔。所述中心通孔的內徑略大于絕緣筒上段的外徑，以便于絕緣筒上段插入外帽中心通孔。絕緣筒臺階上的通孔有內螺紋，螺帽與通孔的內螺紋配合，插入通孔，密封絕緣筒臺階上的通孔。裝配好螺帽的絕緣筒下段高于中筒上段，外帽從上面壓緊絕緣筒下段，固定絕緣體。外帽通過內螺紋與中筒上段的外螺紋配合固定。
[0015]外部電源的高壓輸出端和本發明高壓電極的螺柱連接，由多根單芯電纜組成的高壓電極在水中形成脈沖放電，脈沖放電的形式可為電暈放電或電弧放電。放電間隙為高壓電極末端至外筒底部的距離，通過改變放電間隙，可以獲得穩定的電暈放電。和電弧放電相比，電暈放電的重復性較好且無延時，這樣利用多個電極同時作用時，增加了其可控性；同時，電暈放電時電極的燒蝕小很多，因此盡量采用電暈放電的形式。水中脈沖放電產生較大的沖擊波，沖擊波使電極的上下部分產生相應的位移如活塞式運動，因此，放電能量除轉換為聲能外，沖擊波產生的活塞式運動能將機械能直接作用于地面。
[0016]本發明的積極效果是:通過調整放電間隙和外施電壓，可在密閉液體空間內獲得穩定的電暈放電，提高了放電電極的可控性及壽命，同時活塞式電極結構可提高放電能量的轉換效率，為相控陣電火花震源的實際應用奠定了基礎。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明活塞式換能電極示意圖，圖1中，I外筒，2中筒，3固定件，4外帽，5接地端，6絕緣筒，7螺帽，8絕緣套筒，9高壓電極；
[0018]圖2為本發明活塞式換能電極的高壓電極示意圖，圖2中，a絕緣密封段，b單芯絕緣電纜，c匯流排，d螺柱。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步說明。
[0020]如圖1所示，本發明包括外殼體、絕緣體、外帽4和高壓電極9。高壓電極9套裝在絕緣體內部，絕緣體套裝在外殼體內部。外帽4罩于外殼體和絕緣體的上方，用于密封。外帽4的外壁焊有接地端5，用于和外部電源的地相連。
[0021]所述的外殼體包括外筒1、中筒2和固定件3。
[0022]外筒I為一個上下兩段內徑不同的帶底圓筒。中筒2為一上、中、下三段內、外徑均不同的圓筒。中筒2套裝在外筒I的上部，在外力作用下中筒2可在外筒I上部上下移動，移動的上限為固定件3的下邊緣。固定件3通過螺紋與外筒I固定。中筒2的上部罩有外帽4。
[0023]外筒I為一上下兩段內徑不同的帶底圓筒，為不銹鋼材料制成。外筒I上段的內徑大于其下段的內徑，且外筒I上段的內徑略大于中筒2下段的外徑，以便于中筒2嵌入，中筒2在外力作用下在外筒I上段內上下移動。外筒I上段有內螺紋，固定件3下段有外螺紋，固定件3通過螺紋的配合固定在外筒I上段。
[0024]中筒2為一上、中、下三段內、外徑均不同的圓筒，為不銹鋼材料制成。中筒2上段的內徑大于其中段和下段的內徑，中段和下段的內徑相同，且中筒2上段的內徑略大于絕緣筒6下段的外徑，以便于絕緣筒6套入。中筒2下段的外徑大于其中段和上段的外徑，且中筒2下段的外徑略小于外筒I上段的內徑，以便于插入外筒I上段，并可在外筒I上段內上下移動。中筒2上段有外螺紋，通過與外帽4的內螺紋配合固定。中筒2中段的內徑、下段的內徑和外筒I下段的內徑相等。
[0025]固定件3為一截面為倒置的L形的圓筒，為不銹鋼材料制成。固定件3上段為L形的橫邊，固定件3上段的外徑與外筒I的外徑相等，固定件3下段為L形的豎邊，固定件3下段的外徑略小于外筒I上段的內徑。固定件3下段有外螺紋，與外筒I上段的內螺紋相配合。固定件3的內徑略大于中筒2上段和中段的外徑，固定件3插入外筒I和中筒2上段、中段之間的空隙，并通過外筒I上段的內螺紋與外筒I固定。固定件3的下邊緣為中筒2向上移動的行程限位。
[0026]絕緣體包括絕緣筒6、螺帽7和絕緣套筒8。
[0027]絕緣筒6套入中筒2上段的內部，絕緣筒6的下端面和中筒2上段的下端面齊平;絕緣套筒8套入外筒I的下段和中筒2中段和下段的內部，絕緣套筒8的上端面和中筒2中段的上端面齊平。絕緣套筒8的上沿和絕緣筒6的下端面接觸。絕緣筒6內放置有高壓電極9。高壓電極9由多根單芯電纜組成，電纜的中心導體通過匯流排連接，匯流排與螺柱連接，螺柱與外界電源的高壓輸出端連接;高壓電極9的另一端置于導電液體中，導電液體注滿由絕緣套筒8和絕緣筒6圍成的封閉空間內。
[0028]絕緣套筒8為等厚度的圓筒，由絕緣材料制成。絕緣套筒8的外徑略小于外筒I下段和中筒2中段、下段的內徑，以便絕緣套筒8套入外筒I和中筒2內部。
[0029]絕緣筒6為一上、下兩段內、外徑均不同的圓筒，由絕緣材料制成。絕緣筒6上段的外徑小于其下段的外徑，兩段銜接處形成一個臺階。絕緣筒6下段的高度約等于中筒2上段的高度，絕緣筒6套入中筒2內，其下端面與中筒2上段的下端面齊平。絕緣筒6的臺階處開有兩個或多個通孔，用于向絕緣套筒和絕緣筒圍成的封閉空間灌入導電液體，通孔通過螺帽7密封。絕緣筒6上段的外徑小于外帽4的中心通孔直徑，以便套入外帽4中心通孔;絕緣筒6內部裝配高壓電極9，絕緣筒6的內徑略大于高壓電極9的外徑。
[0030]高壓電極9由單芯絕緣電纜b、匯流排c和螺柱d組成。多根長度相等的單芯絕緣電纜b的中心導體通過匯流排c連接，匯流排c和螺柱d連接。匯流排c通過絕緣密封形成絕緣密封段a，螺柱d突出絕緣密封段a的上端，多根單芯絕緣電纜b伸出絕緣密封段a的下端。匯流排c和螺柱d由黃銅材料制成。絕緣筒6下段的內徑略大于絕緣密封段a的外徑，以便于絕緣密封段a套入絕緣筒6下段。絕緣密封段a通過密封圈與絕緣筒6下段密封，螺柱d通過螺紋與絕緣筒6上段內壁固定密封。螺柱d與外界電源的高壓輸出端連接。多根單芯絕緣電纜b置于導電液體中，導電液體充滿由絕緣套筒8和絕緣筒6圍成的封閉空間內，液體的電導率為10-50ms/cm。
[0031]外帽4罩在中筒2上段上面，由不銹鋼材料制成，開有中心通孔。外帽4中心通孔的內徑略大于絕緣筒6上段的外徑，以便于絕緣筒6上段插入外帽4中心通孔。螺帽7用于密封絕緣筒6臺階上的通孔，螺帽7和絕緣筒6配合的整體高度大于中筒2上段的高度，外帽4從上面壓緊絕緣筒6和螺帽7，并通過內螺紋與中筒2上段的外螺紋配合固定。
[0032]本發明具體實施以獲得約800A的電暈電流為例。高壓電極9由70根單芯絕緣電纜b組成，電纜中心導體直徑1mm，絕緣層厚度約1mm。匯流排c上均勻分布70個小孔，每根單芯電纜的中心導體通過小孔與匯流排c焊接在一起，螺柱d從匯流排c中心引出，連接外電源的高壓輸出端。匯流排C、部分螺柱及單芯電纜通過絕緣澆鑄密封形成一體化高壓電極9。根據高壓電極螺柱d及絕緣密封部分I的尺寸確定絕緣筒6內徑的尺寸，高壓電極9套入絕緣筒6，通過密封圈和螺紋進一步密封固定。
[0033]外筒I由不銹鋼材料制成，上下兩段的內徑差約5mm，外筒I上段的內徑略大于中筒2下段的外徑，以便裝入中筒2并保證外力作用下中筒2可在外筒I上段上下移動。中筒2由不銹鋼材料制成，中筒2上、中段和下段的外徑差約1.5mm，中筒2上段和中、下段的內徑差約2mm，裝配好的絕緣筒6和高壓電極9放置在中筒2的上段，兩者通過密封墊密封。固定件3由不銹鋼材料制成，上下兩段的外徑差約1.5mm，固定件3的內徑略大于中筒2上、中段的外徑，固定件3從中筒2上面套裝入外筒I上段和中筒2上、中段形成的間隙，并通過螺紋與外筒I固定。絕緣套筒8套裝入外筒I和中筒2中、下段，絕緣筒6從上面壓緊絕緣套筒8，兩者接觸的地方通過密封圈或密封墊密封。絕緣套筒8和絕緣筒6圍起的密閉空間內注滿溶液，螺帽7將絕緣筒6的通孔密封。外帽4由不銹鋼材料制成，開有中心通孔，通孔內徑略大于絕緣筒6上段的外徑;外帽4從絕緣筒6上部套入，壓緊絕緣筒6，并通過內螺紋與中筒2上段固定;外帽4側面焊接直徑約6_的螺釘作為接地端5，與外電源的地相連。
[0034]本發明工作過程如下:控制外部電源，使其輸出一定幅值的脈沖電壓，換能電極內部將發生水中電暈放電，電暈放電電流通過分流器測量。當外施幅值為4.5kV的脈沖電壓時，產生的電暈電流約為800A。放電產生的地震波和電暈電流有正相關性，即地震波幅值隨電暈電流的增加而增大。電暈電流的幅值可通過脈沖電源的輸出電壓幅值及放電間隙來調控，一定放電間隙下，電壓越高，電暈電流越大;一定電壓下，間隙越小，電暈電流越大，但小間隙下很容易發生電弧放電。因此，在電源一定的條件下，需選擇合適的間隙已產生可控的放電，放電間隙可通過高壓電極的電纜長度靈活調節。本發明換能電極在發生放電時，產生的沖擊波可直接作用于電極的上下部分，使電極產生類活塞式的上下移動，電極的移動直接作用于地表，進而產生較大的地震波。
[0035]本發明可在封閉空間內獲得重復性好、可控的水中電暈放電，且能量的轉換效率較高，可用于山地及無水地區的地震勘探及相控陣技術領域。
【主權項】
1.一種活塞式換能電極，其特征在于:所述的活塞式換能電極包括外殼體、絕緣體、夕卜帽(4)和高壓電極(9);高壓電極(9)套裝在絕緣體內部，絕緣體套裝在外殼體內部，外帽(4)罩于外殼體和絕緣體的上方，外帽(4)的外壁焊有接地端(5)，用于和外部電源的地連接； 所述的外殼體包括外筒(I)、中筒(2)和固定件(3);外筒(I)為一上下兩段內徑不同的帶底圓筒，中筒(2)為一上、中、下三段內、外徑均不同的圓筒，中筒(2)套裝在外筒(I)上部，在外力作用下中筒(2)可在外筒(I)上部上下移動，移動的上限為固定件(3)的下邊緣，固定件(3)通過螺紋與外筒(I)固定； 所述的絕緣體包括絕緣筒(6)和絕緣套筒(8)；絕緣筒(6)套入中筒(2)上段內部，絕緣筒(6)的下端面和中筒(2)上段的下端面齊平;絕緣套筒(8)套入外筒(I)的下段和中筒(2)中段和下段的內部，絕緣套筒(8)的上端面和中筒(2)中段的上端面齊平;絕緣套筒(8)的上沿和絕緣筒(6)的下端面接觸;絕緣筒(6)內放置有高壓電極(9);高壓電極(9)的另一端置于導電液體中，導電液體注滿由絕緣套筒(8)和絕緣筒(6)圍成的封閉空間內。2.根據權利要求1所述的活塞式換能電極，其特征在于:所述的外筒(I)上段的內徑大于其下段的內徑，且外筒(I)上段的內徑略大于中筒(2)下段的外徑。3.根據權利要求1所述的活塞式換能電極，其特征在于:所述的中筒(2)上段的內徑大于其中段和下段的內徑，且中筒(2)上段的內徑大于絕緣筒(6)下段的外徑，以便于絕緣筒(6)套入；中筒(2)下段的外徑大于中段和上段的外徑，且中筒(2)下段的外徑小于外筒(I)上段的內徑，以便于中筒(2)套入外筒(I)上段并能夠上下移動。4.根據權利要求1所述的活塞式換能電極，其特征在于:所述的固定件(3)為一截面為倒置的L形的圓筒，固定件(3)上段為L形的橫邊，固定件(3)上段的外徑與外筒(I)的外徑相等，固定件(3)下段為L形的豎邊，固定件(3)下段的外徑小于外筒(I)上段的內徑；固定件(3)下段有外螺紋，與外筒(I)上段的內螺紋相配合；固定件(3)的下邊緣為中筒(2)的向上移動行程限位。5.根據權利要求1所述的活塞式換能電極，其特征在于:所述的絕緣筒(6)上段的外徑小于其下段的外徑，上段和下段銜接處形成一個臺階;絕緣筒(6)下段臺階處開有通孔，用于向絕緣套筒和絕緣筒圍成的封閉空間灌入導電液體;所述的通孔通過螺帽(7)密封;絕緣筒(6)內部裝配高壓電極(9)，絕緣筒(6)的內徑大于高壓電極(9)的外徑。6.根據權利要求1所述的活塞式換能電極，其特征在于:高壓電極(9)由單芯絕緣電纜(b)、匯流排(C)和螺柱(d)組成；多根長度相等的單芯絕緣電纜(b)的中心導體通過匯流排(c)連接，匯流排(c)和螺柱(d)連接;匯流排(c)通過絕緣密封形成絕緣密封段(a)，螺柱(d)突出絕緣密封段(a)的上端，多根單芯絕緣電纜(b)伸出絕緣密封段(a)的下端;絕緣筒(6)下段的內徑大于絕緣密封段(a)的外徑，絕緣密封段(a)套入絕緣筒(6)的下段內；絕緣密封段(a)通過密封圈與絕緣筒(6)下段密封，螺柱(d)通過螺紋與絕緣筒(6)上段內壁固定密封;螺柱(d)與外界電源的高壓輸出端連接;多根單芯絕緣電纜(b)置于導電液體中。7.根據權利要求1所述的活塞式換能電極，其特征在于:所述的外筒(1)、中筒(2)、固定件(3)和外帽(4)由金屬材料制成。
【文檔編號】G01V1/157GK105911583SQ201610213410
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月7日
【發明人】任成燕, 嚴萍, 孫鷂鴻, 徐旭哲, 樊愛龍, 謝克瑜
【申請人】中國科學院電工研究所