鄭奕挺，王曉丹

（1．中國(guó)石油化工股份有限公司石油工程技術(shù)研究院，北京 100101;2．勝利石油管理局 地質(zhì)錄井公司，山東 東營(yíng) 257064）

0 引言

石油鉆探過(guò)程中，錄井發(fā)揮著鉆探者眼睛的作用，其中檢測(cè)鉆井液中CO2含量是重要的錄井項(xiàng)目之一，對(duì)隨鉆、后期油氣評(píng)價(jià)解釋有重要意義［1，2］。國(guó)內(nèi)錄井氣體檢測(cè)采用紅外光譜吸收法有近20年歷史，從國(guó)外引進(jìn)到自主研發(fā)，在準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性方面已經(jīng)接近國(guó)外產(chǎn)品，如英國(guó)愛(ài)丁堡氣體檢測(cè)公司的紅外氣體檢測(cè)模塊。一般而言，采用紅外光譜吸收法檢測(cè)選擇的傳感器有2種:熱電堆傳感器和熱釋電傳感器。由于錄井現(xiàn)場(chǎng)分布于世界各個(gè)油氣田，地域跨度大，要求測(cè)量?jī)x器能滿足大范圍溫度變化的需要。長(zhǎng)期以來(lái)，選擇CO2紅外傳感器的原則較為模糊，本文以試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)，論述如何正確選擇傳感器。

1 紅外檢測(cè)原理

紅外光譜吸收法是利用被測(cè)氣體對(duì)紅外光的特征吸收從而實(shí)現(xiàn)氣體成分的體積分?jǐn)?shù)分析。當(dāng)對(duì)應(yīng)某一氣體具有特征吸收的光波通過(guò)這一被測(cè)氣體時(shí)，其強(qiáng)度將明顯減弱，強(qiáng)度衰減程度與該氣體體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。根據(jù)對(duì)出射光強(qiáng)的測(cè)試，可確定被測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)，對(duì)確定波長(zhǎng)的紅外光波的吸收，其強(qiáng)度和被測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)間的關(guān)系遵守比爾定律［3～5］。其基本原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 紅外檢測(cè)器原理圖Fig 1 Principle diagram of infrared detector

基本數(shù)學(xué)模型:大部分有機(jī)和無(wú)機(jī)多原子分子氣體在紅外區(qū)有特征吸收波長(zhǎng)。當(dāng)紅外光通過(guò)時(shí)，這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的透過(guò)光強(qiáng)可由朗伯—比爾定律表示

式中I0為人射光強(qiáng);I為透過(guò)光強(qiáng);l為氣體介質(zhì)厚度，p為體積分?jǐn)?shù)，k為吸收系數(shù)。

而吸收光強(qiáng)i可表示為

吸收系數(shù)k是一個(gè)非常復(fù)雜的量，它不僅與氣體種類、入射光波長(zhǎng)有關(guān)，而且還受環(huán)境溫度、環(huán)境大氣壓等因素的影響。因此，對(duì)于變溫、變氣壓的工作環(huán)境，k是一個(gè)變值，從而直接影響吸收光強(qiáng)I。

2 熱電堆紅外傳感器及其放大電路

熱電堆紅外傳感器的原理是大量的熱電偶堆集在底層的硅基上，底層上的高溫接點(diǎn)和低溫接點(diǎn)通過(guò)一層極薄的薄膜隔離它們的熱量，高溫接點(diǎn)上面的吸收層將入射的放射線轉(zhuǎn)換為熱能，由熱電效應(yīng)可知，輸出電壓與放射線呈比例關(guān)系。

以PerkinElmer公司的TPS2534熱電堆紅外傳感器為例，描述其放大電路。TPS2534傳感器主要由外殼、濾光片、熱電堆元件組成，有2個(gè)濾波窗，分別是參考窗和測(cè)量窗。針對(duì)參考通道和測(cè)量通道，設(shè)計(jì)了2個(gè)對(duì)稱的放大電路，圖2是其中一路放大電路。C3，R1，R2構(gòu)成一級(jí)放大，以 C4，R5 交流耦合，C6，R6，R7 構(gòu)成二級(jí)放大，R17，R18 構(gòu)成零位提升，便于后續(xù)ADC采集，放大器選用高阻抗輸入、低噪聲芯片TLC2252。

圖2 熱電堆傳感器放大電路Fig 2 Amplifier circuit of thermopile sensor

3 熱釋電紅外傳感器的放大電路

當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷會(huì)與空氣中的離子結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度不變時(shí)，傳感器無(wú)輸出。如果在熱釋電元件接上適當(dāng)?shù)碾娮杵?，?dāng)元件受熱時(shí)，電阻器上就有電流流過(guò)，在兩端得到電壓信號(hào)。

以PerkinElmer公司的PYS3228熱釋電紅外傳感器為例，描述其放大電路。PYS3228傳感器主要由外殼、濾光片、熱釋電元件、場(chǎng)效應(yīng)管組成，有2個(gè)濾波窗，分別是參考窗和測(cè)量窗。針對(duì)參考通道和測(cè)量通道，設(shè)計(jì)了2個(gè)對(duì)稱的放大電路，圖3是其中一路放大電路。以C4，R4交流耦合，C10，R9，R10構(gòu)成放大，R13，R14 構(gòu)成零位提升，便于后續(xù)ADC采集，放大器選用高阻抗輸入、低噪聲芯片TLC2252。

圖3 熱釋電傳感器放大電路Fig 3 Amplifier circuit of pyroelectric sensor

4 控制和采集方法

4．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了測(cè)試熱電堆和熱釋電紅外傳感器性能，設(shè)計(jì)了包括主控制器ADuC845和外圍電路、紅外發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路、液晶顯示、通信電路等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)框圖Fig 4 Overall structure block diagram of system hardware

4．2 紅外發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路

紅外發(fā)光管選用PerkinElmer公司的IRL715，是一種白熾燈，采用低頻電調(diào)制，波長(zhǎng)從可見(jiàn)光到5 μm，適合 CH（3～3．5 μm）和 CO2（4．15 ～4．4 μm），輸出穩(wěn)定可靠，時(shí)間常數(shù)短，工作在5 V電源時(shí)，壽命可達(dá)40 000 h。IRL715采用了1 Hz脈沖調(diào)制，主控制器ADuC845通過(guò)I/O口發(fā)送脈沖信號(hào)控制發(fā)光管的調(diào)制過(guò)程?？刂茣r(shí)序如圖5。

圖5 時(shí)序控制圖Fig 5 Diagram of timing control

4．3 采集時(shí)序和ADC設(shè)置

紅外發(fā)光管和信號(hào)采集時(shí)序見(jiàn)圖5，具體為:1）采集傳感器2個(gè)通道的信號(hào)A1，A2;2）紅外發(fā)光源發(fā)光200 ms;3）采集傳感器2個(gè)通道的信號(hào)B1，B2;4）紅外發(fā)光源熄滅800 ms;5）計(jì)算（B1－A1）/（B2－A2）的值，根據(jù)這個(gè)值計(jì)算出檢測(cè)氣體的體積分?jǐn)?shù)，不斷循環(huán)上述5個(gè)步驟［6，7］，并將ADuC845內(nèi)置的24位ADC采樣周期設(shè)置為1 ms，采樣精度能達(dá)到15位以上。

4．4 標(biāo)定方法

根據(jù)公式I=I0e－kpl，透過(guò)光強(qiáng)I與氣體體積分?jǐn)?shù)p呈指數(shù)遞減關(guān)系。為了得到更加準(zhǔn)確的測(cè)量值，系統(tǒng)采用三次樣條插值方法，并設(shè)置為非扭結(jié)邊界條件，也就是強(qiáng)制使第一個(gè)點(diǎn)的3次導(dǎo)數(shù)和第二點(diǎn)的3次導(dǎo)數(shù)一樣;最后一個(gè)點(diǎn)的3次導(dǎo)數(shù)和倒數(shù)第一個(gè)點(diǎn)一樣。在Matlab 7．0中顯示的標(biāo)定曲線見(jiàn)圖6。

圖6 標(biāo)定曲線Fig 6 Calibration curve

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分別對(duì)由熱電堆傳感器和熱釋電傳感器組成的系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，分析的指標(biāo)是準(zhǔn)確度和精密度。準(zhǔn)確度以10次測(cè)量結(jié)果的平均值的相對(duì)誤差來(lái)衡量，精密度以10次測(cè)量結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)衡量。

5．1 熱電堆傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)

在10，30，50 ℃ 溫度下，分別注入 0．2%，1%，10%，50%，80% 的CO2氣體，等待30 s后，每5 s讀取儀器液晶屏上測(cè)量值，連續(xù)讀取10次。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1～表3。

表1 在10℃下熱電堆傳感器系統(tǒng)的測(cè)量值Tab 1 Measurement values of thermopile sensor system at 10℃

表2 在30℃下熱電堆傳感器系統(tǒng)的測(cè)量值Tab 2 Measurement values of thermopile sensor system at 30℃

表3 在50℃下熱電堆傳感器系統(tǒng)的測(cè)量值Tab 3 Measured values of thermopile sensor system at 50℃

5．2 熱釋電傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)

在10，30，50℃溫度下，分別注入 0．2%，1%，10%，50%，80% 的CO2氣體，等待30 s后，每5 s讀取儀器液晶屏上測(cè)量值，連續(xù)讀取10次，結(jié)果見(jiàn)表4～表6。

表4 在10℃下熱釋電傳感器系統(tǒng)的測(cè)量值Tab 4 Measurement values of pyroelectric sensor system at 10℃

表5 在30℃下熱釋電傳感器系統(tǒng)的測(cè)量值Tab 5 Measured values of pyroelectric sensor system at 30℃

表6 在50℃下熱釋電傳感器系統(tǒng)的測(cè)量值Tab 6 Measurement values of pyroelectric sensor system at 50℃

從表1～表6看出:在10，30，50℃溫度下:

1）由熱電堆傳感器組成的系統(tǒng)的平均值相對(duì)誤差為－10．50%～11．50%，由熱釋電傳感器組成的系統(tǒng)的平均值相對(duì)誤差為－28．00%～34．50%，前者的準(zhǔn)確度要好。

2）由熱電堆傳感器組成的系統(tǒng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0．13%～6．89%，由熱釋電傳感器組成的系統(tǒng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0．04%～5．21%，后者的精密度要好。

6 結(jié)論

在10，30，50℃溫度下，對(duì)熱電堆傳感器和熱釋電傳感器組成的系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度進(jìn)行分析。對(duì)比2套系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和精密度，熱電堆的系統(tǒng)的精密度較差，但受環(huán)境溫度影響較小，準(zhǔn)確度更優(yōu)。綜合考慮石油錄井應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，即環(huán)境溫度變化較大，熱電堆傳感器更適合于石油錄井CO2檢測(cè)。

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