一种脉冲变压器的试制

2022-09-10

由于SJC-10C水泥胶结综合测井仪, 需要以φ51mm外径测量5-1/2”套管, 所以, 在仪器设计过程中, 发射能量是避不开的问题。发射能量太小, 就无法测量5-1/2”套管, 而能量太大, 则可能带来很大的体波信号, 影响测井效果。因此, 试制一种合适的升压脉冲变压器就显得很有必要。

一、换能器的选择

为了提高仪器的发射能量, 首先, 需要选择一种合适的换能器。由于条状全向压电陶瓷换能器, 电极较少, 发射电流不足, 而为了增加发射能量, 一味地提高发射电压, 将会导致电极之间打火, 影响仪器性能。所以, 我们采用全电极全向压电陶瓷换能器, 该换能器在电压不变的情况下, 可以产生充足的发射电流, 提供足够的发射能量。

二、铁芯的选择

铁芯材料有很多种, 有非晶的、超微晶的、硅钢的、坡莫的、铁基纳米晶的等等。不同材料的铁芯, 都有不同的特性。发射升压脉冲变压器, 需要的是高温稳定性好, 有导磁率足够的铁芯。可以保证脉冲变压器的初次级有足够的电感量, 同时, 在高温状态下, 不至于电感量变化很大, 导致发射能量变化, 影响换能器工作。由于环形硅钢铁芯具有较高的高温稳定性, 成为升压脉冲变压器的首选铁芯。另外, 由于仪器外径的限制, 硅钢环在绕好变压器后, 外径不得大于34mm。这给变压器的试制也提出了更高的要求。

三、脉冲变压器和换能器的匹配

由于换能器采用的是全电极全向压电陶瓷换能器, 当脉冲变压器初级线圈扎数太少的时候, 放电电流很大, 在直流电源上产生很大的波动干扰, 而100V直流供电的仪器, 电源上的波动干扰会影响接收电路工作和CCL仪器工作。故需将线圈初级扎数变大, 提高电感量和线电阻。

由线圈振荡的谐振频率公式f=1/ (2π* (L*C) ½) 可得, 在谐振频率不变的情况下, 当电容值降低时, 电感量上升。我们将两个发射换能器进行串连, 降低换能器的静态电容, 从而提高发射脉冲变压器次级线圈的电感量, 提高次级线圈扎数。谐振频率公式给出的是个理论值, 但是由于线圈中还存在阻抗匹配、漏感等因素的影响, 所以实际线圈初次级扎数比需要进行试验得出。

四、升压脉冲变压器的试制

升压脉冲变压器的试验如下:

1. 初级双线并绕, 次级单线, 初次级电感量比为1.38:228, 初级放电电压240V, 次放电电压为2580V。波形如图1。但是, 由于仪器的外径限制, 该线圈的外径>34mm, 故需修改线圈次级线径。同时, 放电时伴有二次放电现象。

2. 次级线径减少0.07mm, 初级双线并绕, 次级单线, 初次级电感量比为1.42:224, 初级放电电压240V, 次放电电压为2340V, 与 (1) 相比, 次级放电电压略微下降, 两次的工作电流基本不变, 线圈尺寸已经符合仪器结构要求。波形如图2。但是, 尚未解决二次放电现象。

3. 用50mm高度铁芯, 初级双线并绕, 次级单线, 初次级电感量比为4.78:1090, 初级放电电压240V, 次放电电压为3320V。二次放电现象消失, 放电电压提高至3000V以上, 并且尺寸符合仪器结构要求。波形如图3。但由于该高度铁芯存在生产上的困难, 需进行调整。

4. 用两个高度为30mm的铁芯垒在一起进行打包处理, 再绕制变压器。初级双线并绕, 次级单线, 初次级电感量比为2.5:728, 初级放电电压240V, 次放电电压为3420V。波形如图4。放电电压3000V以上, 并且尺寸符合仪器结构要求。两个并在一起的铁芯, 既保证了电感量, 又解决了铁芯生产加工难的问题。

经过上述几次试验后, 最后方案 (4) 从参数性能和外径尺寸方面都比较适合SJC-10C仪器的使用, 既提高了发射能量, 又不至于能量过高而造成体波信号过大, 故采用方案进行绕制升压脉冲变压器。SJC-10C在不加水槽情况下, 检测体波时, 看到波形如图5: