近紅外光譜吸收法檢測(cè)油氣田中H2S氣體

近紅外光譜吸收法檢測(cè)油氣田中H2S體積分?jǐn)?shù)孟春嬋引言測(cè)量H2S的體積分?jǐn)?shù)，傳統(tǒng)的電化學(xué)法與光電化學(xué)法都是以H2S的化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，易受其他雜質(zhì)氣體影響，且傳感器易中毒，使用壽命短。紅外光譜法則很好地解決了這些問(wèn)題。但傳統(tǒng)的近紅外光譜法多采用昂貴的DFB激光器作為光源，漸變光纖構(gòu)成氣體吸收單元。這種系統(tǒng)造價(jià)昂貴，不適用于油氣田的大面積多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和油田惡劣的環(huán)境?；谶@些問(wèn)題，本設(shè)計(jì)以廉價(jià)的LED作為光源，通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型增強(qiáng)型氣室和使用差分光路，很好地解決了環(huán)境的影響，并提高了系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度和選擇性。一、紅外吸收光譜測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)二、紅外吸收光譜測(cè)量法的基本原理三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、增強(qiáng)型氣室在近紅外吸收光譜測(cè)量中的應(yīng)用五、結(jié)論一、紅外吸收光譜測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)基于油氣田高含硫現(xiàn)象，提出一種新型系統(tǒng)，利用紅外光譜吸收測(cè)量法檢測(cè)H2S氣體體積分?jǐn)?shù)，有效解決傳統(tǒng)氣體檢測(cè)技術(shù)中的雜質(zhì)氣體干擾和傳感器中毒的問(wèn)題。設(shè)計(jì)了一種新型氣室，增強(qiáng)了氣體對(duì)光的吸收，并有效降低了環(huán)境溫度、灰塵、震動(dòng)等因素對(duì)檢測(cè)的影響。由于使用LED作為光源，降低了使用中的成本，使該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用成為可能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度可達(dá)到10×10-6，誤差始終控制在3％以?xún)?nèi)，具有很高的穩(wěn)定性。返回二、紅外吸收光譜測(cè)量法的基本原理光譜吸收測(cè)量法是基于分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)吸收譜與光源發(fā)光光譜間的光譜一致性。每一種氣體都有固有的吸收光譜，當(dāng)光通過(guò)某種介質(zhì)時(shí)，如果光源的發(fā)射譜與氣體的吸收譜相吻合，就會(huì)發(fā)生共振吸收，傳播情況發(fā)生衰減。其吸收強(qiáng)度與該氣體的濃度有關(guān)，通過(guò)測(cè)量光譜的吸收強(qiáng)度就可測(cè)量氣體的濃度。I(l)——透射后光強(qiáng)I0(l)——入射光強(qiáng)l——光的波長(zhǎng)n——總氣體種類(lèi)數(shù)i——?dú)怏w標(biāo)號(hào)mi——i氣體的吸收系數(shù)Ci

——

i氣體的體積分?jǐn)?shù)L

——吸收光程根據(jù)比爾——朗伯(Beer-Lalnbert)定律，對(duì)于單一頻率，光強(qiáng)為I0的一束光通過(guò)待測(cè)氣體后，透射后光強(qiáng)可表示為：從比爾——郎伯定律可以看出：若要測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)，如果已知?dú)怏w的吸收系數(shù)m(l)和氣體吸收光路的長(zhǎng)度L，只需要測(cè)量出通過(guò)氣體的光強(qiáng)變化I和I0即可。返回將上式變換后得：三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)采用LED激光器作為光源，采用雙光路結(jié)構(gòu)，消除了激光器光強(qiáng)波動(dòng)等共模噪聲和其他同性干擾的影響。具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。基于LED的差分吸收式氣體檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1基于LED光源的差分吸收式氣體檢測(cè)系統(tǒng)框圖主要由發(fā)光部分、光分路器部分、氣室部分、光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理部分組成。LED光源氣室發(fā)光部分——由LED光源和LED光源的驅(qū)動(dòng)電路以及溫控電路組成。光分路器——將光束分為兩束，一束用作參考光路一束用作測(cè)量光路。氣室部分——光通過(guò)其中時(shí)，由于H2S氣體的存在而發(fā)生光強(qiáng)的衰減。光電轉(zhuǎn)換——將光電二極管作為探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。信號(hào)處理——包括放大電路、諧波檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)。信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生三角波電流，調(diào)制電路使得三角波電流的幅值和直流分量精確可調(diào)，該三角波電流用來(lái)驅(qū)動(dòng)光源發(fā)光，精確調(diào)制該三角波電流的直流分量，就可以使得LED光源發(fā)出的光的中心波長(zhǎng)正好對(duì)準(zhǔn)被測(cè)氣體的吸收峰，精確調(diào)制該三角波電流的交流分量，就可以使得LED光源發(fā)出的光的頻率掃描的范圍正好覆蓋氣體的某一個(gè)吸收峰。由于LED光源的溫度漂移比較嚴(yán)重，所以，必須對(duì)LED光源進(jìn)行溫度控制，使其工作在恒溫狀態(tài)。

LED發(fā)出的光經(jīng)光分路器分光后，進(jìn)入氣室發(fā)生衰減，從氣室出來(lái)的光包含了氣體的體積分?jǐn)?shù)信息，經(jīng)過(guò)光電二極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)前置放大，然后，采用諧波檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)出二次諧波分量(以三角波調(diào)制信號(hào)的基頻作為參考)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中完成信號(hào)處理和顯示。

2.差分結(jié)構(gòu)為了延長(zhǎng)使用壽命，避免由于系統(tǒng)老化、光源的中心波長(zhǎng)漂移等問(wèn)題引起的測(cè)量誤差，本系統(tǒng)采用了差分光路結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)雙光路信號(hào)的處理，可有效消除系統(tǒng)誤差。圖2差分系統(tǒng)光路圖

如圖2所示，LED激光器發(fā)出的光經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制后變成某一特定波長(zhǎng)的光束后，再經(jīng)分束器將光束分為兩束，一束經(jīng)吸收氣室吸收光譜后輸出，另一束經(jīng)過(guò)參考?xì)馐椅兆鳛閰⒖脊馐?，然后分別經(jīng)過(guò)光電二極管（探測(cè)器），將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，兩路得到的電信號(hào)分別進(jìn)行前置放大，檢測(cè)出各自的二次諧波分量。由電路處理系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳送到微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，通過(guò)軟件編程，將2個(gè)二次諧波的比值作為系統(tǒng)的輸出，該比值表征了被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)，從而得H2S的體積分?jǐn)?shù)值。圖3氣室結(jié)構(gòu)3.新型氣室結(jié)構(gòu)氣體緩沖層為了盡量減少這些因素對(duì)測(cè)量精度的干擾，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一種全新的氣體吸收單元，結(jié)構(gòu)如圖3所示；為了減少氣體流速對(duì)吸收的影響，在吸收室外層設(shè)計(jì)了緩沖層；為了盡量使氣體流動(dòng)均勻，并防止氣室內(nèi)氣體與外界氣體交換不充分，在外層氣孔設(shè)計(jì)了氣扇；為了減少環(huán)境溫差對(duì)測(cè)量的影響，在外層氣室壁上設(shè)計(jì)了溫度控制裝置。設(shè)計(jì)了減震層，減震彈簧等裝置來(lái)減少震動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。如圖3所示，光經(jīng)由準(zhǔn)直后從光纖進(jìn)入氣室，再經(jīng)由全反射鏡，在氣室中多次反射，使得光路成倍增長(zhǎng)。當(dāng)需要改變光路長(zhǎng)度時(shí)，只需通過(guò)微機(jī)控制的角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行角度調(diào)節(jié)即可。全反射鏡靠轉(zhuǎn)軸與控制桿連接，鏡子與控制桿成直角。在氣室外設(shè)置微機(jī)控制角度調(diào)節(jié)裝置，通過(guò)上下調(diào)節(jié)可移動(dòng)定位裝置，使控制桿位置改變，從而調(diào)節(jié)全反射鏡與吸收室壁面的角度，進(jìn)而使紅外光照射到全反射鏡時(shí)反射角度改變，則光在吸收室內(nèi)所經(jīng)歷的光路總長(zhǎng)發(fā)生變化。通過(guò)微機(jī)的調(diào)節(jié)還可進(jìn)行編程，自動(dòng)計(jì)算出吸收光路的總長(zhǎng)。返回四、增強(qiáng)型氣室在近紅外吸收光譜測(cè)量中的應(yīng)用

1.光源波長(zhǎng)的選擇

本文的光源采用性能優(yōu)良、價(jià)格便宜的LED光源。對(duì)于近紅外光譜吸收法來(lái)說(shuō)，測(cè)量H2S最主要的干擾氣體是CO2。圖4(a)為H2S的吸收光譜，圖4(b)為CO2的吸收光譜。（a）H2S吸收光譜（b）CO2吸收光譜圖4H2S和CO2吸收光譜可以看出：在1578nm處H2S為吸收峰值，而CO2則為波谷。光源波長(zhǎng)選擇為1578nm。從LED發(fā)出的光經(jīng)由調(diào)制電路選頻濾波后進(jìn)入氣室，中心波長(zhǎng)變?yōu)?578nm。被H2S氣體吸收后的光從氣室出射后，其光強(qiáng)信號(hào)由光電二極管檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由電路處理系統(tǒng)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳送到電腦進(jìn)行處理，得到H2S的體積分?jǐn)?shù)值。式中η為定標(biāo)因子;V0

對(duì)應(yīng)于檢測(cè)探測(cè)器接收到紅外能I0時(shí)的輸出電壓；V對(duì)應(yīng)于檢測(cè)探測(cè)器接收到紅外能I

時(shí)的輸出電壓。由比爾——郎伯定律得出2.標(biāo)定式中k為常數(shù),與探測(cè)器系統(tǒng)的氣路長(zhǎng)度、H2S氣體的吸收系數(shù)等有關(guān)。

式中的k值用定標(biāo)法得到：對(duì)系統(tǒng)分別充入10×10-6

、15×10-6

、20×10-6的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行標(biāo)定，在進(jìn)氣流速1L/min及常溫下進(jìn)行測(cè)量,再用線性回歸的方法求得。

3.實(shí)驗(yàn)當(dāng)H2S體積分?jǐn)?shù)為20×10-6時(shí)，人暴露工作8h尚安全，當(dāng)達(dá)到100×l0-6時(shí)短時(shí)問(wèn)內(nèi)就會(huì)對(duì)人體造成一定傷害。因此，參考?xì)馐业捏w積分?jǐn)?shù)為20×l0-6

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)系統(tǒng)分別充入10×10-6

、15×10-6

、20×10-6

的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)束后開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

采用圖1、2所示的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，參考?xì)馐业捏w積分?jǐn)?shù)為20×l0-6，逐漸改變吸收氣體體積分?jǐn)?shù)時(shí)，顯示器描繪出氣體的體積分?jǐn)?shù)和信號(hào)值的關(guān)系曲線。選擇低噪聲、高靈敏度的光電二極管作為光電探測(cè)器。用注射器向氣室分別注入配比不同體積分?jǐn)?shù)的H2S氣體，并將測(cè)得的測(cè)量路和參考路的比值作為信號(hào)輸出值，氣體的體積分?jǐn)?shù)和比值信號(hào)的關(guān)系曲線如圖5所示。圖5H2S氣體的響應(yīng)曲線由圖5所示的氣體檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)H2S氣體的響應(yīng)曲線可以看出：系統(tǒng)的響應(yīng)值與H2S氣體的體積分?jǐn)?shù)近似成線性關(guān)系。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)多次測(cè)試，非線性誤差小于3％，其重復(fù)性良好。

這里，需要說(shuō)明的是：該檢測(cè)方案有一個(gè)測(cè)量范圍，最小檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到10×10-6，最大檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)約為5％。氣體體積分?jǐn)?shù)超過(guò)5％后，響應(yīng)曲線的線性度變差，這是由于隨著氣體體積分?jǐn)?shù)的變化，氣體的吸收譜線的形狀也隨之發(fā)生變化所致。在參考?xì)馐胰猿淙?0×10-6

的H2S氣體作為參考，在吸收氣室以15×10-6的氣體進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試。結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能保持在很高的精度下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作，保持平穩(wěn)輸出。圖6穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素為L(zhǎng)ED光源的波長(zhǎng)漂移和老化等。本系統(tǒng)由于采用了差分結(jié)構(gòu)，消除了波長(zhǎng)漂移的影響；光源的老化會(huì)對(duì)發(fā)光強(qiáng)度產(chǎn)生影響，從而影響測(cè)量精度，