技术领域

本发明涉及高密度电法测量系统领域， 尤其涉及分段集中式高密度电法测量系统及其 应 用。

背景技术

电法勘探是根据岩石和矿石电学性质， 如导电性、 电化学活性、 电磁感应特性和介电性， 即所谓 "电性差异"来找矿和研究地质构造的一种地球� ��理勘探方法。 电法勘探分为两大类: 直流电法和交流电法， 直流电法包括电阻率法、 充电法、 自然电场法和直流激发极化法等， 交流电法包括交流激发极化法、 电磁法、 大地电磁法、 无线电波透视法和微波法等。 高密度 电法是在常规电法基础上发展起来的， 与常规电法相比， 它具有成本低、 效率高、 信息丰富、 解释方便及勘探能力强等优点， 高密度电法指直流高密度电阻率法， 但由于从中发展出直流 激发极化法， 所以统称高密度电法。

如图 1所示， 高密度电阻率法实际上是一种阵列勘探方法， 野外测量时先将全部电极（几 十至几百根） 置于测点上， 测点则均匀分布在测线上， 然后利用电极交换装置， 按照不同的 测试方法要求， 每单次测试选择 2个电极作为发射电极， 向大地注入发射电流， 至少 2根电 极作为接收电极， 通过电极交换装置交换接入到测试主机， 进行测试并记录测试结果， 再自 动调整发射和接收电极的位置， 进行下一次测试， 如此不断循环直至完成整个断面的测试。

电极交换装置是一种智能控制的电路交换装置 ， 它可以根据需要自动选择电极以实现对 电极装置的控制。 电极交换装置开头由电测仪控制， 测量信号由电极交换箱送入电测仪， 测 量并保存测试结果。 随着电子技术的不断发展， 现已实现以较小的体积和重量实现较大规模 的程控电极交换， 其成本也降低到了大规模商用的范围内。 但是如何将利用几百米甚至上千 米测线将几十根甚至上百根电极全部接入到程 控电极交换装置， 并接续到主机上， 成了高密 度电法测试系统最关键的问题。

目前高密度电法测量系统按照接入及布线方式 的不同分为两类： 集中式高密度电法测量 系统和分布式高密度电法测量系统。

图 2所示为集中式高密度电法测量系统， 将电极交换装置全部集中在测试主机附近， 甚 至集成在主机内， 采用多芯多抽头的高密度电缆， 将各个电极分别连接至电极交换装置上， 高密度电缆的每根线芯与一个抽头连接， 抽头与电极连接， 从而实现电极与电极交换装置的 连接。 由于每个电极到电极交换装置之间都是由独立 的线芯来连接， 因此线芯的数量必须大 于或等于电极的数量， 线芯的长度为电极至电极交换装置之间的长度 ， 考虑到运输和搬运， 高密度电缆的线芯数一般在 25〜30之间， 抽头数 （即能接入的电极数） 也在 25〜30之间， 总长不会超过 300m， 以保证单根高密度电缆的重量在 30公斤以内。 当测线较长、 测试规模 较大， 电极的数量超过 50〜60时， 电缆的数量和重量将会非常庞大。 如图 3所示， 以目前市 场上主流的 30抽头、抽头间距为 10m的规格为例：，断面长度为 300m时，所需电缆数为 1根， 电缆总长为 300m _; 断面长度为 900m时， 所需电缆数为 3根， 电缆总长为 1200m; 断面长度为 1800m时， 所需电缆数为 6根， 电缆总长度为 3600m。 由此可见， 所测断面越长， 电缆数越多， 电缆总长增幅越明显。 因此， 集中式高密度电法测量系统不适用于较长的断 面。

在进行电阻率测试时， 发射电极和接收电极性质相同， 均为普通电极， 因此发射回路和 接收回路可共用线芯及电极。 如果进行激电高密度测试， 发射电极与接收电极性质不同， 发 射电极为普通电极， 接收电极为不极化电极， 因此必须在每个抽头同时接入两种类型的电极 ， 意味着每个抽头需要使用两根线芯， 从而线芯的数量要增加一倍。 由于集中式高密度电法测 试系统进行激电高密度测试时需要使用大量的 电缆， 因此目前市场上集中式高密度电法测量 系统均不支持进行激电高密度测试。

如图 4所示， 高密度电法测试中经常采用滚动方式， 利用有限的电缆测量尽可能长的切 面。 为了简化施工布置， 提高测试效率， 通常不会将全部电缆平移， 而是将一端的电缆平移 到另一端， 重新构建测试， 因此， 单根电缆的长度就决定了滚动测试的最小步长 。 图 4给出 了分布式高密度电法测量系统（上）和集中式 高密度电法测量系统（下） 的滚动测试示意图。 从图中可看出， 集中式高密度电法测试系统由于电缆数量少， 单根电缆的抽头数比较多， 因 此每次滚动步长过大， 导致滚动测试的断面中有很大的盲区， 测量深度浅， 故在工程上没有 实际意义。

分布式高密度测量系统是将发射回路和接收回 路所需要的线芯以总线形式分布在高密度 电缆内， 横跨所有的抽头， 同时在每个抽头上嵌入交换电路， 能够将与电极相导通的抽头交 换连接到发射回路、 接收回路或空回路上。 这种具有智能电极交换能力的抽头在电缆上依 次 分布， 测试主机能够按照由近至远的顺序， 依次识别各个抽头并分配地址。 采用分布式高密 度电法测量系统， 只需发射电缆、 接收电缆及用来控制智能抽头工作的通信电缆 和供电电缆 跨接到各个电极， 电缆的长度和测线长度成正比。 与集中式高密度电法测量系统相比， 分布 式电缆的长度减少了很多， 因此在做超长断面测试时有非常明显的优势。

但是分布式高密度电法测量系统使用的智能高 密度电缆需要在每个抽头内集成交换电 路。 为了满足防尘和防水的要求， 抽头的结构设计非常复杂， 完成依赖手工进行生产， 因此 成本非常高。 此外， 由于工作环境是野外， 条件较为恶劣， 加上实际测试施工中， 电缆不可 避免地要被拖拽、 扭打和摔打， 因此故障率非常高， 尤其是线缆和抽头壳体之间的固定部分， 经常失效， 导致电缆扭转时把抽头内部的线路拧断。 目前市场上最常见的智能高密度电缆在 一根电缆上集成 10个抽头， 当任何一个抽头发生故障时， 整根电缆都无法使用， 必须整体更 换， 加上电缆长期在野外地表使用， 线缆本身的老化速度较快， 外皮被砂石磨穿， 线缆被荆 棘和岩石扯断的情况也时有发生， 因此电缆的使用寿命都比较短。

综上所述， 集中式高密度电法测量系统是将电极交换装置 集中在一个或少数几个箱体， 电缆结构简单且适合于大规模生产， 具有成本低、 便宜于维护等优点。 但是由于电缆数量、 体积和重量很大， 整套装置十分笨重， 无法适用于长断面和较深部的测试， 也无法应用于激 电高密度测试以及滚动测试， 因此使用范围有限。 分布式高密度电法测量系统最大的弊端是 智能分布式电缆的造价相当昂贵， 且使用寿命有限， 如需要更换电缆， 用户需要承担很大的 成本； 此外， 由于智能电缆的抽头空间有限， 因此无法设计电池和供电方案， 只能依赖于工 作供电总线从测试仪器引入工作用电。 当抽头离仪器很远时， 供电总线的线阻就会很大， 从 而造成工作电源的压降很大， 无法驱动抽头的电路。 因此分布式高密度电法测量系统都必须 在一定的距离内设置一个中继电池装置， 用来提升工作电压。

发明内容

本发明针对现有技术中集中式高密度电法测量 系统在勘探范围和功能上的局限和分段式 高密度电法测量系统制作成本高及难以维护的 缺陷而提供分段集中式高密度电法测量系统， 该系统需要的电缆抽头数少、 所需电缆的重量轻， 不仅能支持电阻率测试还能支持集中式不 支持的激电测试， 最大发射电流大， 能支持滚动测试； 电缆线径小、 最大发射电流大及电缆 重量轻， 电缆成本低、 耐用， 并且可单独更换， 维护成本低。

本发明的技术方案如下：

分段集中式高密度电法测量系统， 该系统包括测试主机、 多个电极交换装置、 带抽头的 电缆和与抽头相连接的电极； 其中， 所述测试主机与电极交换装置及电极交换装置 之间通过 电缆进行串联， 所述电缆内有多个线芯， 所述线芯分为总线线芯及与抽头相连接的抽头 线芯。

上述电极交换装置包括交换电路和控制电路， 其中控制电路具有通讯和电源管理功能。 上述抽头数量为 7〜15个。

上述抽头数量优选为 10〜12个。

上述总线线芯包括发射回路、 接收回路、 通信控制电路或 /和供电电路。 上述通信控制电路完成与测试主机之间的通信 ， 接收测试主机的命令并反馈状态， 并根 据测试主机的命令驱动交换电路完成电极交换 动作。 上述交换电路将测试需要的发射回路和接收回 路分别与抽头线芯连接。 进一步的， 将抽头线芯截断为前后位置的第一线头和第二 线头， 分别与第一线头和第二 线头相连的是将抽头隔离为第一信号接触点和 第二信号接触点， 电极交换装置内增加一组完 全相同的交换电路， 将所述抽头线芯通过电极交换装置交换到总线 线芯的发射回路和接收回 路上。 进一步的， 将总线线芯中预留的部分线芯并联作为发射回 路， 可提高电缆对大电流的承 受能力。

本发明的有益效果：

根据本方案实现的具体产品 GD10 (以 12抽头为例）与目前市场上两种方案最典型的� ��品 进行对比。

表 1 : 分段集中式高密度电法测量系统与集中式及分 布式高密度电法测量系统对比

由表 1可知， 采用分段集中式高密度电法测量系统与集中式 高密度电法相比， 需要的电 缆抽头数少、所需电缆的重量轻， 不仅能支持电阻率测试还能支持集中式不支持 的激电测试， 最大发射电流大， 能支持滚动测试； 与分布式高密度电法测量系统相比， 电缆线径小、 最大 发射电流大及电缆重量轻， 电缆成本低、 耐用， 并且可单独更换， 维护成本低。

附图说明

图 1为高密度电法测量系统示意图；

图 2为集中式高密度电法测量系统电缆示意图； 图 3为集中式高密度电法测量系统配置及所需电� �示意图；

图 4为滚动测试原理及集中式做滚动测试示意图� �

图 5为本发明分段集中式高密度电法测量系统原� �图；

图 6为分段集中式电缆双向交换方式；

图 7为分段集中式电缆线芯并联图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明， 现结合实施例及附图作进一步的说明。

实施例 1：

如图 5所示， 分段集中式高密度电法测量系统， 该系统包括测试主机 1、 多个电极交换 装置（2， 3)、 带抽头的电缆 4和与抽头相连接的电极； 其中， 所述测试主机 1与电极交换装 置 2及电极交换装置 （2， 3 ) 之间通过电缆进行串联， 所述电缆 4内有线芯 7， 所述线芯 7 分为总线线芯 8及与抽头相连接的抽头线芯 9。 电极交换装置 （2， 3 ) 包括交换电路 10和控 制电路， 其中控制电路具有通讯和电源管理功能； 抽头数量为 7〜15个， 优选为 10〜12个； 总线线芯 8包括发射回路 5、 接收回路 6、 通信控制电路或 /和供电电路， 供电电路可选， 当 电极交换装置 2内置工作电池时， 可不需要供电电路， 反之， 当电极交换装置 2由测试主机 1统一供电时， 则需要供电电路； 通信控制电路完成与测试主机 1之间的通信， 接收测试主 机 1的命令并反馈状态， 并根据测试主机 1的命令驱动交换电路完成电极交换动作； 交换电 路将测试需要的发射回路 5和接收回路 6分别与抽头线芯 9连接。

实施例 2 :

如图 6所示， 分段集中式高密度电法测量系统应用于激电高 密度测试。 将抽头线芯 9截 断为前后位置的第一线头和第二线头， 分别与第一线头和第二线头相连的是将抽头隔 离为第 一信号接触点 P1和第二信号接触点 P2， 位置靠前的用 PI表示， 靠后的用 P2表示； 电极交 换装置 2内增加一组完全相同的交换电路； 将所述抽头线芯 9通过电极交换装置 2交换到总 线线芯 8的发射回路 5和接收回路 6上。这种接线方式， 将抽头的第一信号接触点 P1和第二 信号接触点 P2分别与前端和后端的电极交换装置 2实现连接。

在电极交换装置 2里增加一组完全相同的交换电路， 将前端电缆续接进来的线芯， 同样 交换到总线线芯 8的发射回路 5和接收回路 6总线上。 需要进行激电测试时， 可将发射电极 挂接在 P1上， 接收电极挂接在 P2上。 当测试主机 1需要将某个电极作为发射电极时， 该电 极的前端电极交换装置 2， 会将电极交换连接到发射回路 5上， 当需要该电极作为接收电极 时， 则由电极后端的电极交换装置 3， 将电极交换到接收回路 6上。 在不增加线芯和电缆的 情况下， 实现了激电高密度测试要求。

此外， 电法测试中测试信号的质量和测试深度， 都在很大程度上依赖于发射电流的大小， 而电流的大小又依赖于线芯线径的尺寸。 在集中式方案中， 为了降低线缆的重量， 只能使用 小直径的线芯， 因此发射电流通常有限， 没有提升的空间， 除非使用大直径线芯， 增加电缆 的重量。 采用实施例的双向交换技术， 在需要大电流的时候， 可将 P1和 P2串接后同时挂接 发射电极， 工作的时候前后端电极交换装置 （2， 3 ) 同时将该电极交换到发射回路 5上， 从 而在不修改线芯尺寸的情况下， 将电流承载能力提升一倍。

实施例 3 :

如图 7所示， 分段集中式高密度电法测量系统应用于大电流 测试。 将总线线芯 8中的发 射回路 5并联。 实际测试中， 发射回路 5需要持续地承载发射电流， 而任意一个抽头作为发 射电极的次数是很少的， 即实际工作中的空载比要远低于发射回路 5总线。 因此考虑电流承 载能力时， 电缆上与抽头连接的线芯线径， 可以仅仅是发射回路总线的 1/3〜1/4。 由此， 在 根据最大发射电流确定线芯线径时， 可减少到抽头的线芯的线径 （这类线的数量在电缆里占 多数）， 而提高发射总线的线径。 为了生产加工方便， 也可采用多芯相同规格的线芯， 但是可 以预留一定数量的总线， 在电极交换装置 2中进行并联， 从而达到提升电流能力的目的。 采 用这种技术增加发射回路总线的线径， 不仅能提升发射电流的承载能力， 还能有效地降低发 射回路上的线路电阻， 让更多的电流参与到测试发射中， 提升测试效率和数据质量。