一种地表长导线的多频率电感测量方法及电路与流程

本发明涉及一种地表长导线多频率电感测量方法及电路,属于电子电力技术领域。

背景技术：

目前，地球物理勘探工程中，常常在地表布设长达数千米两端接地的长导线，作为电磁波辐射的天线将电磁波发射到接收区域。两端接地长导线上的供电最高频率一般可达几十khz，或者达到100khz。在高频工况下，长导线的电感参数是这类供电系统设计的重要参数。在两端接地的供电回路中，接地电阻一般可控制在100欧姆左右，但是，在高频工况下，如100khz，长导线的电感特性产生的感抗，可达数千欧姆，高频工况电流下降1-2个数量级。所以，为了设计两端接地长导线的辐射天线回路，需要对已经布设的两端接地长导线进行电感测量。例如，公开号为cn205898896u的专利公开了一种基于stm32的rlc测试仪，其包括：测量电路、量程切换电路、按键电路、嵌入式控制电路、液晶屏模块。所述的测量电路包含电阻测量电路、电容测量电路及电感测量电路；所述的量程切换电路是通过多路模拟选择开关cd4052，实现测量类别的转换；所述的按键电路是通过按键控制嵌入式来选择测量元器件类别、量程切换以及控制多路选择开关；所述的嵌入式控制电路用于对测量电路进行控制，输出测量数据；所述的液晶屏模块用于显示最后的测量结果。例如，公开号为cn205427011u的专利公开了一种数显多功能测频仪，包括测量端、切换电路、电阻测量电路、电容测量电路、电感测量电路、频率测量电路、主控器和显示电路，所述测量端用于连接待测元件，测量端的输出端经由切换电路连接电阻测量电路、电容测量电路和电感测量电路的输入端，电阻测量电路、电容测量电路和电感测量电路的输出端均连接频率测量电路的输入端，频率测量电路的输出端连接主控器，主控器的输出端连接显示电路。例如，公开号为cn205210159u的专利公开了一种语音读数万用表，包括表笔、单片机和分别与单片机相连的电压测量电路、电流测量电路、电阻测量电路，其技术要点是：还包括分别与单片机相连的语音合成模块、频率测量电路、温度测量模块、电容测量电路、电感测量电路及波形发生电路，语音合成模块连接扬声器，所述表笔连接波形发生电路，且表笔上设有与单片机相连的锁定读数按键和语音读数按键。

如图1所示是电阻和电感回路的总电阻合成原理示意图。图1中r表示纯电阻的阻抗坐标轴，rl表示纯电感的感抗的坐标轴。r阻是串联电阻的阻值，r感是电感的感抗，r总是电阻和电感串联电路的总阻抗。在高频工况下，r感的大小能够达到r阻的数十倍，严重降低了回路的高频发射效率，高频工况下，电感的感抗成为回路的主要阻抗。电感的理论公式和实际测量都表明，长导线的电感量对于工作频率来说，不是一个常量，是随着工作频率的变化的一个物理量。所以有必要在工作频段内的多个频率工况下，对布设的两端接地长导线进行电感的实地测量。

现有的地球物理电磁法勘探仪器的发射系统，使用的工作频率的最高不大于10khz。实际上，对于浅层高分辨率电磁法勘探的最佳频率应该是从100khz开始的一系列频率。所以，目前从10khz到100khz是尚未被地球物理电磁法勘探仪器的发射机覆盖的高频段。这一频段对应的勘探深度在100米以浅，是当今社会人类活动涉及最频繁的深度。10khz到100khz频段没有被发射机覆盖，是因为对两端接地长导线的电感特性，特别是高频段多频率下的电感特性研究不够。所以，研究发明了针对敷设与地表的两端接地的长导线，在多个频率下进行其电感值进行精确测量的方法。

理论上，长导线的电感量是能够计算的。实际上，敷设于地表的两端接地的长导线，其电感量与工作频率相关，也与导线地下及附近邻域甚至远处地下的地层的电导率和磁导率密切相关。计算长导线电感的最大困难时长导线地下、以及邻域地下甚至远处地层电磁参数是未知的，并且地层的电磁参数在地下也是三维分布的，这就使得长导线的电感计算，在技术上变得几乎不可能。所以，要想获得两端接地长导线的电感量，只能通过实地测量的技术方案。

图2是敷设于地表的两端接地长导线与地下地层单元的关系示意图。由于计算长导线电流产生的磁场需要涉及到空间的电导率和磁导率的电性参数，所以，长导线地下地层的电性分布就会对长导线电流在空间产生的磁场形成确定的影响。

图2中p1、p2和p3分别表示不同电磁性质的地层单元。地表之上是敷设与地表的两端接地的长导线。长导线电感与导线上电流在附近地表产生的磁场强度正相关，而地表磁场强度与地下地层的电导率、磁导率的电磁参数密切相关。由于不同频率电磁波往地下的耦合深度不同，不同频率电磁波耦合到的地层电磁性质也有所变化，就造成了不同频率工况下，同一条长导线的电感值不同。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的地表长导线的多频率电感测量方法及电路。本发明的基本技术构思是：用已知阻值的标准电阻和已知的电压信号源与被测量的两端接地的长导线电感串联并组成一个串联回路，并分别对上述回路进行直流和交流供电，分别求得两端接地长导线的电阻值和电感值，对回路加载不同频率的谐波信号就能够分别计算出各个频率工况下两端接地长导线的电感值。

本发明的地表长导线的多频率电感测量方法的步骤是：

(1)在直流条件和工况下，所述地表长导线只显示出纯电阻的特征，通过加载直流电流，分别精确测量供电电池的输出电压和串联的标准电阻上的电压；

(2)然后求出所述地表长导线上的电压；

(3)进而求出所述地表长导线对应的纯电阻值即长导线直流电阻；

(4)在交流条件和工况下下，所述地表长导线显示出感性阻抗，即所述地表长导线的感抗，由于阻抗和感抗相差90°相位，所以能够根据阻抗和感抗合成和分解的方式；根据标准电阻上的电压降和电池的输出电压计算出工作频率下所述地表长导线的电感值。

所述地表长导线的电感除了与导线长度的导线本身的物理参数有关之外，还和所述地表长导线所在位置的地下地层岩石电导率、磁导率的参数相关。由于不同工作频率所耦合的地下介质深度不同，而地下深部地层岩石电导率磁导率的参数是变化的，所以，所述地表长导线的电感除了和物理参数有关之外还与工作频率也是相关的。因此，有必要测量地表长导线在不同频率下的电感值。

对某一频率，将所述地表长导线与已知阻值的标准电阻串联，然后向串联回路供电。测量输出电压和所述标准电阻上的电压，就能计算出所述地表长导线作为电感获得的电压降，然后根据求得的电感获得的电压降求出电感的感抗，再利用已知频率条件下感抗计算公式计算出所述地表长导线的电感值。

本发明的地表长导线的多频率电感测量电路包括：地表长导线直流电阻测量电路和地表长导线电感测量电路；所述地表长导线直流电阻测量电路包括串联的直流电源、地表长导线左端接地装置的电阻、地表长导线本身的电阻、地表长导线右端接地装置的电阻、已知阻值的标准电阻，将地表长导线左端接地装置的电阻、地表长导线本身的电阻、地表长导线右端接地装置的电阻合并为发射天线的总电阻，所述发射天线的总电阻即所述地表长导线的电阻和所述地表长导线两端接地装置的电阻总和。

所述地表长导线电感测量电路包括串联的交流电源、已知阻值的标准电阻、所述发射天线的总电阻、地表长导线电感。所述发射天线的总电阻即所述地表长导线的电阻和所述地表长导线两端接地装置的电阻总和，所述发射天线的总电阻也就是发射天线的直流电阻。

本发明的优点是：本发明测量原理简单有效、系统结构简单且稳定性好，适合野外复杂环境操作；本发明易于编程并形成自动化测量的子系统；并能够利用12伏或者24伏蓄电池作为系统电源就能完成测量工作，设备便携性好。

附图说明

图1是电阻和电感回路的总电阻合成原理示意图；

图2是敷设于地表的两端接地长导线与地下地层单元的关系示意图；

图3是敷设于地表的两端接地长导线的布设示意图；

图4是双端接地地表长导线发射电路；

图5是地表长导线直流电阻测量电路实施例一结构图；

图6是地表长导线直流电阻测量电路实施例二结构图；

图7是地表长导线电感测量电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。本发明的地表长导线的多频率电感测量方法的步骤是：

(1)在直流条件和工况下，所述地表长导线只显示出纯电阻的特征，通过加载直流电流，分别精确测量供电电池的输出电压和串联的标准电阻上的电压；

(2)然后求出所述地表长导线上的电压；

(3)进而求出所述地表长导线对应的纯电阻值；

(4)在交流条件和工况下下，所述地表长导线显示出感性阻抗，即所述地表长导线的感抗，由于阻抗和感抗相差90°相位，所以能够根据阻抗和感抗合成和分解的方式；根据标准电阻上的电压降和电池的输出电压计算出工作频率下所述地表长导线的电感值。

所述地表长导线的电感除了与导线长度的导线本身的物理参数有关之外，还和所述地表长导线所在位置的地下地层岩石电导率、磁导率的参数相关。由于不同工作频率所耦合的地下介质深度不同，而地下深部地层岩石电导率磁导率的参数是变化的，所以，所述地表长导线的电感除了和物理参数有关之外还与工作频率也是相关的。因此，有必要测量地表长导线在不同频率下的电感值。

对某一频率，将所述地表长导线与已知阻值的标准电阻串联，然后向串联回路供电。测量输出电压和所述标准电阻上的电压，就能计算出所述地表长导线作为电感获得的电压降，然后根据求得的电感获得的电压降求出电感的感抗，再利用已知频率条件下感抗计算公式计算出所述地表长导线的电感值。

本发明的地表长导线的多频率电感测量电路包括：地表长导线直流电阻测量电路和地表长导线电感测量电路；所述地表长导线直流电阻测量电路包括串联的直流电源、地表长导线左端接地装置的电阻、地表长导线本身的电阻、地表长导线右端接地装置的电阻、已知阻值的标准电阻，将地表长导线左端接地装置的电阻、地表长导线本身的电阻、地表长导线右端接地装置的电阻合并为发射天线的总电阻，所述发射天线的总电阻即所述地表长导线的电阻和所述地表长导线两端接地装置的电阻总和。

所述地表长导线电感测量电路包括串联的交流电源、已知阻值的标准电阻、所述发射天线的总电阻、地表长导线电感。所述发射天线的总电阻即所述地表长导线的电阻和所述地表长导线两端接地装置的电阻总和，所述发射天线的总电阻也就是发射天线的直流电阻。

如图3所示的敷设于地表的两端接地长导线的布设示意图，图3中两端为接地装置，中间是信号发射源，所述地表长导线连接两端接地装置。

将图3所述地表长导线的电阻和两端接地装置的接地电阻之和记为r，则能够将图1的电气连接简化成图4的电路。

如图4所示，图4中pow为系统发射机，r为所述地表长导线电阻和两端接地电阻的总和，l是所述地表长导线的电感，两者均为未知数。首先设计一个电路分别求取回路总电阻r，然后再设计另外一个电路来测量计算电感值l。首先利用如图5所示的所述地表长导线直流电阻测量电路来测量所述地表长导线总电阻。

如图5所示，图5中pow为直流电源，r左接地为所述地表长导线左端接地装置的电阻，r导线为所述地表长导线本身的电阻，r右接地为所述地表长导线右端接地装置的电阻，r0是已知阻值的标准电阻，将r左接地、r导线和r右接地三个电阻合并成发射天线的总电阻，记为r总，则能够用图6代替图5。

如图6所示，图6中，pow为直流电源，r总为发射天线的总电阻,，r总是未知阻值，r0为已知阻值的标准电阻。

对图6的电路加载直流电，精确测量直流电源pow的输出电压vpow和标准电阻r0两端的电位差v0，利用公式能够计算出回路电流：

i0＝v0/r0(1)

式(1)中，i0是回路中的电流强度，v0是标准电阻两端的电位差，r0是标准电阻的阻值。

此时，发射天线两端的电位差为：

v天＝vpow-v0(2)

式(2)中v天是发射天线两端的电压降，vpow是直流电源的输出电压，v0是标准电阻两端的电位差。

由此能够计算出发射天线的总电阻为：

r总＝(vpow-v0)/i0(3)

式(3)中，r总是包括接地电阻在内的发射天线两端的总电位差，vpow是回路中直流电源的输出电压，v0是回路中标准电阻两端的电位差，i0是回路中的电流。

通过上述测量和计算流程，能够计算出包括两端接地电阻在内发射天线的总的直流电阻。

如图7所示，图7是测量长导线电感的电路图。图7中，pow是交流电源，r0是已知阻值的标准电阻，r总表示所述地表长导线和两端接地装置的电阻总和即发射天线的总电阻即发射天线的直流电阻，v1rms是交流电源输出信号电压的有效值，v0rms是标准电阻上交流信号电压有效值，l表示天线的电感即所述地表长导线电感，是待测量的未知的量。

图7中两个电压表分别测量交流电源的输出信号电压的有效值v1rms和标准电阻上交流信号电压的有效值v0rms。所述两个电压有效值v1rms和v0rms用vrms专用测量芯片进行测量。所述专用测量芯片测量输入信号的电压有效值，输出有效值的模拟电平信号，再利用通用的ad转换电路能够测量到交流电源的输出信号电压的有效值v1rms和标准电阻上交流信号电压的有效值v0rms。

所述地表长导线的电感的测量步骤是，对图7的电路加载测量频率信号，然后测量交流信号电源的输出电压有效值v1rms和标准电阻两端交流信号的电压有效值v0rms。再利用以下公式步骤，则能够计算出长导线的电感值。

(a)计算回路电流有效值irms：

irms＝v0rms/r0(4)

式(4)中，irms为回路中交流信号电流强度有效值，v0rms/是标准电阻上交流信号的电压有效值，r0是标准电阻的阻值。

(b)计算天线电阻两端的交流信号电压有效值，所述天线电阻即地表长导线电阻：

天线电阻的电流信号与标准电阻同相位，天线电阻的交流信号电压有效值varms用下列公式计算。

varms＝irms*r总(5)

(c)计算天线电阻电感的交流信号电压有效值：

由于电感上的交流信号与电阻上交流信号相差90°相位，两者的电压合成符合矢量合成原理，即

进而导出，vlrms的计算公式

(d)计算天线的感抗值：

计算出电感的电压有效值和回路电流，就能够计算出所述地表长导线的感抗值。

rl＝vlrms/irms(8)

式(8)中，rl是天线感抗即所述地表长导线的感抗，vlrms是电感两端电压有效值，irms是回路电流有效值。

(e)计算天线的电感值：

l＝rl/2πf(9)

式(9)中，l是所述地表长导线的电感，rl是所述地表长导线的感抗，f是测量工作频率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。