邢蘭昌， 祁 雨， 劉昌嶺， 耿艷峰， 華陳權(quán)， 孟慶國， 劉樂樂

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東青島 266580；2. 青島海洋地質(zhì)研究所 國土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266071；3. 海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

電-聲-熱多參數(shù)聯(lián)合測試系統(tǒng)開發(fā)

邢蘭昌1， 祁 雨1， 劉昌嶺2,3， 耿艷峰1， 華陳權(quán)1， 孟慶國2,3， 劉樂樂2,3

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院， 山東青島 266580；2. 青島海洋地質(zhì)研究所 國土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266071；3. 海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

討論了國內(nèi)外典型水合物模擬裝置中的測試系統(tǒng)、測試方法以及存在的問題，開發(fā)了新型的電聲復(fù)合傳感器以克服現(xiàn)有傳感器測量區(qū)域不一致的問題，開發(fā)了阻抗譜測量技術(shù)以全面刻畫被測介質(zhì)的電學(xué)特性，開發(fā)了測試系統(tǒng)軟件、實(shí)現(xiàn)“分時(shí)輪流”的傳感器激勵(lì)與數(shù)據(jù)采集工作模式、信號(hào)處理算法、物性參數(shù)計(jì)算方法和數(shù)據(jù)保存功能，最終形成了一套電-聲-熱多物理參數(shù)多點(diǎn)同步聯(lián)合測試系統(tǒng)，能夠獲得水合物合成分解過程的多物性參數(shù)數(shù)據(jù)，為各類不同用途的天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)提供了有益的借鑒。

水合物； 測試系統(tǒng)； 電-聲-熱參數(shù)； 模擬實(shí)驗(yàn)； 測量與控制

氣體水合物是氣體分子(如甲烷、乙烷、二氧化碳、氮?dú)獾?與水在高壓、低溫條件下形成的類冰狀的非化學(xué)計(jì)量的籠型結(jié)晶化合物。天然氣水合物的氣體組成以甲烷為主，故也稱為甲烷水合物。天然氣水合物是當(dāng)前國際公認(rèn)的石油、天然氣的接替能源，也是世界各國激烈爭奪的戰(zhàn)略資源[1]。我國天然氣水合物主要分布于南海北部陸坡、南沙海槽、東海陸坡等海域以及青藏高原、東北漠河等凍土區(qū)域[2-3]。

天然氣水合物儲(chǔ)層是一個(gè)比常規(guī)油氣地層更為復(fù)雜的系統(tǒng)，儲(chǔ)層的準(zhǔn)確識(shí)別和精細(xì)定量評(píng)價(jià)是今后水合物勘探技術(shù)研究的重點(diǎn)，也是水合物開發(fā)利用和環(huán)境影響評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[4-5]。電法和聲波測井具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，是目前水合物儲(chǔ)層識(shí)別和評(píng)價(jià)的主要方式，最新研究也表明電阻率與聲波測井組合是識(shí)別天然氣水合物最有效的方法[4-7]。

本文針對(duì)天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)電學(xué)和聲學(xué)等物性參數(shù)的測量需求，討論了國內(nèi)外典型裝置中的測試系統(tǒng)、測試方法以及存在的問題，開發(fā)了一套用于聯(lián)合測試電-聲-熱多物理參數(shù)的自動(dòng)化測試系統(tǒng)。

1 國內(nèi)外典型的水合物實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

1.1 典型的實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)

國內(nèi)外開發(fā)了具有水合物合成分解模擬和物性參數(shù)測量等功能的實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)[8-9]，盡管依據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康乃_發(fā)的系統(tǒng)中反應(yīng)釜的形狀尺寸、測量參數(shù)的種類和數(shù)量以及參數(shù)的測量方法有所差異，但是由于水合物及含水合物多孔介質(zhì)的電學(xué)和聲學(xué)性質(zhì)是基礎(chǔ)而重要的內(nèi)容，因此較多的測試系統(tǒng)配備了電學(xué)參數(shù)和聲學(xué)參數(shù)測量手段。

美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)了天然氣水合物沉積物實(shí)驗(yàn)裝置GHASTLI，能夠探測聲學(xué)、電學(xué)和力學(xué)參數(shù)，Winters等[10]利用此裝置對(duì)含冰和水合物的野外沉積物樣品和實(shí)驗(yàn)室制作的樣品進(jìn)行了測試和研究。美國佐治亞州理工學(xué)院設(shè)計(jì)了一套IPTC實(shí)驗(yàn)裝置，反應(yīng)釜上平行排布4對(duì)傳感器，可對(duì)樣品的縱橫波速度和電導(dǎo)率進(jìn)行測量[11]，縱波和橫波測試分別采用微型探頭和彎曲元探針，電導(dǎo)率測量采用針形電極。韓國地球科學(xué)與礦產(chǎn)資源學(xué)會(huì)開發(fā)了天然氣水合物海底模擬實(shí)驗(yàn)裝置(GHOBSII)[12]，反應(yīng)釜的底部和頂部安裝有測量力、彈性波速、電阻率、壓力和溫度的傳感器。日本地質(zhì)調(diào)查所建立了一套可測量聲波速度和電阻率的實(shí)驗(yàn)裝置。

中國石油大學(xué)(華東)開發(fā)了水合物儲(chǔ)層物性測量實(shí)驗(yàn)裝置，可進(jìn)行縱波和電阻率的測量，任韶然等[13]應(yīng)用此裝置研究了填砂模型中水合物生成時(shí)縱波速度和電阻率的變化規(guī)律。中國石油大學(xué)(北京)與中石化石油勘探開發(fā)研究院研發(fā)了天然氣水合物三維成藏物模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，應(yīng)用電極柱測量電阻率、以聲偶極子作為超聲換能器測量聲波速度，粟科華等[14]利用此裝置考察了水合物動(dòng)態(tài)生成過程以及海水循環(huán)時(shí)水合物動(dòng)態(tài)演化行為。中石油勘探開發(fā)研究院和中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)提出了一種動(dòng)三軸力學(xué)-聲學(xué)-電學(xué)測試裝置和方法[15]，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)載荷作用下含水合物沉積物的力學(xué)、電學(xué)和聲學(xué)參數(shù)測量，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來建立電阻率與飽和度、飽和度與波速以及波速與力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系。

1.2 存在的問題討論

上述測試系統(tǒng)盡管能夠?qū)崿F(xiàn)電學(xué)和聲學(xué)參數(shù)的測量，但尚存在2個(gè)問題：

(1) 電學(xué)參數(shù)與聲學(xué)參數(shù)測量空間區(qū)域不一致。電學(xué)傳感器多采用針狀電極或者套在絕緣棒上的多個(gè)電極環(huán)，其測量的空間范圍是以針狀電極為軸或電極環(huán)間的一定區(qū)域；而聲學(xué)傳感器所測量的空間范圍為發(fā)射和接收換能器之間的區(qū)域，而且電學(xué)和聲學(xué)兩類傳感器分別布置在不同的空間位置。因此實(shí)際獲得的電學(xué)和聲學(xué)測試數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確反映同一測量區(qū)域被測介質(zhì)的性質(zhì)，這類測試方法僅適用于各向同性的被測介質(zhì)?？紤]到沉積物的性質(zhì)以及水合物在沉積物中空間分布的非均勻性[16]，基于目前的測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析存在較大的誤差。

(2) 電學(xué)性質(zhì)測試以測量電阻率參數(shù)為主。由于受水合物特殊的賦存條件、賦存狀態(tài)以及生成分解過程的影響，含水合物沉積物的電學(xué)性質(zhì)極為復(fù)雜，其電學(xué)性質(zhì)既包括電阻性又包括電容性[17-18]，影響因素眾多且影響機(jī)理尚不明晰，目前所廣泛采用的電阻率參數(shù)尚不能全面刻畫含水合物沉積物的電學(xué)特性。

2 測試系統(tǒng)的總體功能分析與設(shè)計(jì)

2.1 總體功能分析

開發(fā)測試系統(tǒng)的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)對(duì)含水合物模擬儲(chǔ)層進(jìn)行電學(xué)參數(shù)、聲學(xué)參數(shù)和熱學(xué)參數(shù)(溫度)多物理參數(shù)聯(lián)合測量。

針對(duì)電學(xué)和聲學(xué)參數(shù)傳感器的測量區(qū)域不一致問題，需要考慮通過設(shè)計(jì)新型的電學(xué)和聲學(xué)傳感器以實(shí)現(xiàn)二者的測量范圍盡可能重合。為了獲得水合物合成和分解過程中其在三維空間不均勻分布的情況，考慮采用電學(xué)、聲學(xué)和溫度傳感器陣列來獲得多點(diǎn)物性參數(shù)的測量數(shù)據(jù)，同時(shí)需要避免電學(xué)測量、聲學(xué)測量以及溫度測量傳感器的相互干擾，因此需考慮3類傳感器的工作模式、空間排布、信號(hào)采集傳輸?shù)葐栴}。

針對(duì)電學(xué)傳感器以測量電阻率參數(shù)為主而不能全面刻畫電學(xué)特性的問題，考慮測量交流阻抗譜，即獲得阻抗幅值和相角隨著激勵(lì)信號(hào)頻率變化而變化的信息，進(jìn)而可以計(jì)算得到復(fù)電阻率。為了獲得不同條件下模擬儲(chǔ)層對(duì)聲速、聲能衰減和聲波主頻的影響，考慮測量超聲波穿透模擬儲(chǔ)層后的全波形數(shù)據(jù)，并通過一定的數(shù)據(jù)處理算法得到超聲波傳播參數(shù)，此過程中需要處理同步觸發(fā)采集方式、數(shù)據(jù)處理方法等問題。

為了保證測試過程的連續(xù)性(水合物模擬實(shí)驗(yàn)過程持續(xù)時(shí)間較長，幾天至幾十天不等)和大量數(shù)據(jù)采集與記錄的實(shí)時(shí)性，要求測試系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)軟件控制的自動(dòng)化模式?？紤]到水合物模擬實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)測試參數(shù)種類、測試方法以及數(shù)據(jù)處理方法等要求的不斷提高，要求測試系統(tǒng)具有擴(kuò)展性強(qiáng)、便于升級(jí)維護(hù)等。

2.2 硬件與軟件功能設(shè)計(jì)

2.2.1 硬件部分

硬件部分包括信號(hào)發(fā)生單元、多路切換單元、電聲復(fù)合傳感器、溫度傳感器、信號(hào)調(diào)理與采集單元和控制計(jì)算機(jī)。硬件架構(gòu)示意圖見圖1，圖中A為溫度傳感器陣列、B為電聲復(fù)合傳感器陣列。

圖1 硬件架構(gòu)示意圖

波形發(fā)生單元用來產(chǎn)生阻抗測量電路所需的低電壓交流信號(hào)和超聲發(fā)射探頭所需的高電壓脈沖激發(fā)信號(hào)。信號(hào)切換單元用于切換波形發(fā)生單元與傳感器陣列之間以及傳感器陣列與信號(hào)采集單元之間的連通。信號(hào)調(diào)理與采集單元實(shí)現(xiàn)對(duì)阻抗測量信號(hào)、超聲探頭輸出信號(hào)以及溫度傳感器輸出信號(hào)的調(diào)理和采集。波形發(fā)生單元、信號(hào)切換單元和信號(hào)采集單元均與控制計(jì)算機(jī)通信，在計(jì)算機(jī)的控制下按照設(shè)定的工作模式自動(dòng)化運(yùn)行。

反應(yīng)釜是實(shí)現(xiàn)水合物合成分解過程的裝置，用于盛放被測介質(zhì)和安裝各類傳感器。電聲復(fù)合傳感器沿反應(yīng)釜側(cè)面布置一周，溫度傳感器固定于反應(yīng)釜上蓋并插入釜內(nèi)，測溫點(diǎn)與電聲復(fù)合傳感器交叉布置(參見圖1)。

2.2.2 軟件部分

控制計(jì)算機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測試系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。軟件的功能主要包括：(1)控制信號(hào)發(fā)生單元以產(chǎn)生電聲復(fù)合傳感器所需的各種激勵(lì)信號(hào)；(2)控制信號(hào)切換單元以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的傳感器激勵(lì)和信號(hào)采集工作模式；(3)配置數(shù)據(jù)采集卡以實(shí)時(shí)采集傳感器的輸出信號(hào)；(4)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、計(jì)算和顯示測試參數(shù)以及保存數(shù)據(jù)。

3 測試系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 硬件部分

3.1.1 傳感器及其排布

依照上述對(duì)電聲復(fù)合傳感器的功能要求，設(shè)計(jì)并制作了一體化的電聲復(fù)合傳感器。電聲復(fù)合傳感器中壓電晶片的中心頻率為110 kHz，電極為不銹鋼薄片，壓電晶片的直徑與電極直徑相同。在發(fā)射端超聲波先穿過電極后進(jìn)入被測介質(zhì)，在接收端超聲波先穿過電極后到達(dá)晶片。溫度測量采用一體式溫度變送器，感溫元件為鉑熱電阻Pt100，測量范圍為-50～50 ℃，輸出信號(hào)為4～20 mA電流，溫度測量精度為0.5%。

將上述傳感器安裝于反應(yīng)釜上，為了盡量減少溫度傳感器對(duì)電聲復(fù)合傳感器測量過程的影響，需要將2類傳感器交叉布置，如圖2所示。

圖2 傳感器及其在反應(yīng)釜的排布

3.1.2 電學(xué)參數(shù)測試單元

電學(xué)參數(shù)測試單元包括低壓信號(hào)發(fā)生器、阻抗測量電路、低壓多路切換開關(guān)、電聲復(fù)合傳感器和高速多通道同步數(shù)據(jù)采集卡。

低壓信號(hào)發(fā)生器選用PCI-1721四通道模擬量輸出卡，每個(gè)模擬量輸出通道均帶有12位的雙緩沖DAC，具有最高10 MHz數(shù)字更新速率的波形輸出功能，能夠輸出頻率和幅值可調(diào)的正弦電壓模擬信號(hào)，如20 Hz～500 kHz、-5～+5 V、-10～+10 V等。

采用自動(dòng)平衡電橋法測量阻抗，自動(dòng)平衡電橋法具有測試頻率范圍寬(20 Hz～110 MHz)、阻抗測量范圍廣、精度高的特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛[19-20]。圖3為阻抗測量電路原理圖，信號(hào)源產(chǎn)生的正弦電壓信號(hào)V分別通過兩路運(yùn)算放大電路，通道1為參考通道，放大倍數(shù)通常為1，即R1和R2值相等；通道2為測量通道，電壓信號(hào)V通過被測介質(zhì)DUT(device under test)并經(jīng)放大后輸出為V2。結(jié)合圖3可將DUT的阻抗表示為：

(1)

φZ=φV1-φV2

(2)

式中：ZDUT為阻抗模值，φZ、φV1和φV2分別為阻抗、V1和V2的相角，R3具有調(diào)節(jié)阻抗測量量程的作用，理論上ZDUT和R3的值越接近，ZDUT測量值越準(zhǔn)確。依據(jù)圖3原理開發(fā)的阻抗測量電路PCB板見圖4。

圖3 阻抗測量電路原理圖

圖4 阻抗測量電路PCB板

低壓多路切換開關(guān)選用具有PXI總線接口的多路復(fù)用器模塊PXI-632，該模塊的繼電器為儀器級(jí)舌簧繼電器，接通時(shí)的電阻(接觸電阻)小于0.75 Ω，切斷時(shí)的電阻(絕緣電阻)大于109Ω，最大切換電壓為DC 150 V/AC 100 V，最大切換/承載電流為1 A/1.2 A，最大切換功率為20 W，典型操作時(shí)間為0.5 ms，開關(guān)結(jié)構(gòu)為雙組24∶1單刀型。雙組開關(guān)分別用于連接低壓信號(hào)發(fā)生器與阻抗測量電路的輸入端、阻抗測量電路的輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡。每組開關(guān)均為單刀結(jié)構(gòu)，每次操作只閉合一個(gè)開關(guān)，從而能夠保證只有一對(duì)傳感器處于工作狀態(tài)，有效地避免了傳感器之間的相互干擾。

由阻抗測量方法的原理可知，圖3中2路的輸出電壓需要進(jìn)行同步采集?？紤]到對(duì)每周期波形的采樣點(diǎn)數(shù)盡量多(高采樣頻率)并兼顧硬件成本，本系統(tǒng)選用PCI-1714高速模擬量輸入卡。該采集卡具有12位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，可實(shí)現(xiàn)4路同步采集，采樣頻率最高達(dá)30 MS/s，每路ADC內(nèi)建32 kB的FIFO內(nèi)存以維持?jǐn)?shù)據(jù)采集的速度和采集數(shù)據(jù)的完整性，提供多種輸入范圍(±5V、±2.5V、±1V、±0.5V)，可實(shí)現(xiàn)多種觸發(fā)采樣模式。阻抗測量電路輸出電壓的采集采用軟件觸發(fā)采樣模式。

3.1.3 聲學(xué)參數(shù)測試單元

聲學(xué)參數(shù)測試單元包括高壓脈沖發(fā)生器、高壓多路切換開關(guān)、電聲復(fù)合傳感器、前置放大器和高速數(shù)據(jù)采集卡。

考慮到超聲波在含水合物多孔介質(zhì)復(fù)雜體系中表現(xiàn)出強(qiáng)衰減特性，為了獲得強(qiáng)度和信噪比均較高的接收信號(hào)，采用具有較高電壓的脈沖來激發(fā)探頭，采用前置放大器和濾波器來對(duì)探頭的輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。本系統(tǒng)選用可由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制的DPR300超聲脈沖發(fā)生接收器，同時(shí)具有高電壓激發(fā)和對(duì)接收信號(hào)放大和濾波的功能，并且能夠通過軟件對(duì)脈沖發(fā)生和信號(hào)調(diào)理參數(shù)進(jìn)行靈活配置。脈沖發(fā)生器輸出脈沖的峰值電壓可高達(dá)900 V，典型脈沖寬度為10～70 ns(FWHM半高寬)@50 Ω，脈沖接收器帶寬為1 kHz～50 MHz，增益為-13～66 dB，高低通濾波器相互組合可實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的功能。

對(duì)于含水合物多孔介質(zhì)，通常采用較高的脈沖電壓(如300 V以上)，因此需要采用高壓切換開關(guān)來連通脈沖發(fā)生器與發(fā)射探頭。本系統(tǒng)選用多路復(fù)用器模塊PXI-320，該模塊開關(guān)的接觸電阻小于3 Ω，絕緣電阻大于1010Ω，最大冷切換電壓為DC 1000 V/AC 1000 V，典型操作時(shí)間為0.5 ms，開關(guān)結(jié)構(gòu)為單組12∶1單刀型。

接收探頭輸出信號(hào)的幅值通常較低，本系統(tǒng)中DPR300的接收器輸出信號(hào)范圍為-1～1 V，因此可以采用低壓多路復(fù)用器模塊PXI-632和高速模擬量輸入卡PCI-1714。上述電學(xué)參數(shù)測試單元中的PXI-632每組開關(guān)均為24∶1，開關(guān)數(shù)量超過電聲復(fù)合傳感器的數(shù)量，因此超聲和電學(xué)參數(shù)測量可以共用低壓多路復(fù)用器模塊PXI-632和模擬量輸入卡PCI-1714。與電學(xué)參數(shù)測量過程中信號(hào)采樣模式不同，超聲探頭輸出信號(hào)的采集需要采用外部觸發(fā)采集模式，其觸發(fā)信號(hào)為DPR300超聲脈沖發(fā)生器輸出的同步脈沖。

3.1.4 溫度測試單元

溫度測試單元包括溫度變送器及其供電電源、電流電壓轉(zhuǎn)換電路和多通道數(shù)據(jù)采集卡。

溫度變送器所需的供電電壓為9～36 VDC，本系統(tǒng)采用輸出為24 VDC的線性電源供電。采用250 Ω的精密電阻將4～20 mA電流轉(zhuǎn)換為1～5 V電壓。考慮到實(shí)驗(yàn)過程中溫度隨時(shí)間變化較慢，信號(hào)所需的采樣頻率不高，本系統(tǒng)選用多通道異步數(shù)據(jù)采集卡PCI-1713，該采集卡具有12位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，可實(shí)現(xiàn)32路單端或16路差分模擬量輸入(或組合輸入)，采樣頻率可達(dá)100 kS/s，卡上內(nèi)建4 kB的FIFO內(nèi)存，每個(gè)通道增益可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)多種觸發(fā)采樣模式。溫度信號(hào)的采集采用軟件觸發(fā)采樣模式。

3.2 軟件部分

測試系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的完全控制和對(duì)數(shù)據(jù)的采集與處理，使得本系統(tǒng)具有可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。本系統(tǒng)的軟件功能主要包括超聲脈沖發(fā)生接收器(DPR300)的控制，低壓信號(hào)發(fā)生器(PCI-1721)、高壓和低壓多路復(fù)用器(PXI-320和PXI-632)、高速和低速數(shù)據(jù)采集卡(PCI-1714和PCI-1713)的配置/控制，多路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示與保存。超聲脈沖發(fā)生接收器DPR300自帶基于Windows的控制軟件(JSR Control Panel)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)脈沖發(fā)生器和接收器參數(shù)的完全配置。需要配置的主要參數(shù)包括發(fā)生器的觸發(fā)源、脈沖重復(fù)頻率、脈沖電壓、脈沖能量等，接收器的帶寬、增益、低通和高通濾波器截止頻率等。除了對(duì)超聲脈沖發(fā)生接收器控制之外的其他軟件功能均基于LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)[21-22]，采用模塊化思想編制軟件，即將所需功能進(jìn)行合理分解并分別利用子VI來實(shí)現(xiàn)各功能模塊。軟件的人機(jī)交互界面見圖5。

圖5 基于LabVIEW所開發(fā)軟件的人機(jī)交互界面

3.2.1 總體控制

總體控制模塊主要包括軟件初始化、開始測試、停止測試和退出系統(tǒng)功能。軟件為其正常運(yùn)行設(shè)置了默認(rèn)參數(shù)，點(diǎn)擊初始化按鈕即可完成所有參數(shù)的初步設(shè)置，實(shí)驗(yàn)人員可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行更改。完成參數(shù)設(shè)置之后即可點(diǎn)擊開始測試按鈕，則軟件開始運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)定的傳感器激勵(lì)模式、信號(hào)采集模式、信號(hào)處理算法、參數(shù)計(jì)算方法以及顯示。停止測試按鈕用于終止上述軟件的運(yùn)行，但并不退出軟件。點(diǎn)擊退出系統(tǒng)按鈕則可退出整個(gè)軟件。

3.2.2 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置模塊用于對(duì)電學(xué)測試參數(shù)、聲學(xué)測試參數(shù)、溫度測試參數(shù)、多路復(fù)用參數(shù)和工作周期進(jìn)行設(shè)置。電學(xué)測試參數(shù)設(shè)置主要要求實(shí)驗(yàn)人員設(shè)置低壓信號(hào)發(fā)生器(PCI-1721)的工作參數(shù)，包括頻率掃描類型、掃頻范圍、掃描點(diǎn)數(shù)、信號(hào)輸出通道和輸出信號(hào)幅值。軟件為頻率掃描類型設(shè)置了線性掃描和對(duì)數(shù)掃描2個(gè)選項(xiàng)，可在下拉列表中選擇；受限于PCI-1721的數(shù)字更新速率，軟件內(nèi)部設(shè)定的工作頻率范圍為20 Hz～500 kHz，如果實(shí)驗(yàn)人員輸入的頻率值超出此范圍，軟件運(yùn)行時(shí)會(huì)彈出提示框“設(shè)置頻率超限”，要求重新輸入；掃描點(diǎn)數(shù)在起始頻率和結(jié)束頻率之間滿足步長至少為1 Hz的情況下任意設(shè)置；信號(hào)輸出通道設(shè)置需要與實(shí)際接線的通道號(hào)保持一致，通過下拉選單進(jìn)行選擇；輸出信號(hào)幅值在0～5 V內(nèi)可通過旋鈕或數(shù)值輸入控件進(jìn)行設(shè)定。

完成上述設(shè)置后，PCI-1721板卡在軟件運(yùn)行時(shí)即可輸出相應(yīng)的正弦電壓激勵(lì)信號(hào)。相關(guān)參數(shù)已由開發(fā)人員在軟件內(nèi)部進(jìn)行了設(shè)置，比如采集通道#0和通道#1、輸入電壓范圍為-5～5 V。采樣頻率隨激勵(lì)信號(hào)頻率不同而自動(dòng)設(shè)定，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率較低時(shí)則設(shè)定較低的采樣頻率，以提高軟件運(yùn)行速度并縮減所需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，比如當(dāng)激勵(lì)信號(hào)頻率處于20 Hz～10 kHz范圍內(nèi)，設(shè)定采樣頻率為1 MS/s；在10～200 kHz范圍內(nèi)，設(shè)定采樣頻率為10 MS/s，如在200～500 kHz范圍內(nèi)，設(shè)定采樣頻率為20 MS/s。

聲學(xué)測試參數(shù)設(shè)置主要要求實(shí)驗(yàn)人員設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，如采集通道、輸入范圍、采樣頻率和采樣時(shí)間。聲學(xué)測試信號(hào)的采集通道與電學(xué)測試信號(hào)采集通道#1共用；考慮DPR300接收器的輸出范圍，將輸入范圍設(shè)定為-1～1 V；測試過程中超聲探頭中心頻率固定，所以采樣頻率設(shè)定為固定值，較高的采樣頻率有利于提高傳播時(shí)間的分辨率和判讀準(zhǔn)確度，默認(rèn)采樣頻率為10 MS/s，最高可設(shè)置為30 MS/s；采樣時(shí)間默認(rèn)為0.1 ms，可根據(jù)初步判斷的超聲傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。軟件內(nèi)部對(duì)觸發(fā)采集模式進(jìn)行了設(shè)置，主要包括選擇EXT_TRIG0端口作為觸發(fā)源、設(shè)置上升沿觸發(fā)，當(dāng)EXT_TRIG0檢測到DPR300發(fā)出的同步脈沖信號(hào)的上升沿時(shí)，通道#1立即開始采集信號(hào)。

溫度測試參數(shù)設(shè)置主要要求實(shí)驗(yàn)人員設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，如采集通道、輸入電壓范圍、采樣頻率和采樣時(shí)間。根據(jù)溫度傳感器的數(shù)量、接線方式和接線端口確定采集通道。本系統(tǒng)共有4個(gè)溫度傳感器，為了更好地抑制共模干擾則采用差分輸入接線方式，從而選取8個(gè)連續(xù)的通道作為采集通道(如#0～#7)。溫度變送器輸出的電流信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為1～5 V電壓，所以將采集通道的輸入范圍默認(rèn)為0～5 V。實(shí)驗(yàn)過程中溫度信號(hào)變化較慢，采樣頻率默認(rèn)為8 kS/s，則每個(gè)通道的采樣頻率為1 kS/s。采樣時(shí)間默認(rèn)為0.1 s，則每個(gè)通道的一次采樣點(diǎn)數(shù)為100。

多路復(fù)用器包括低壓多路開關(guān)(2組)和高壓多路開關(guān)(1組)，要求實(shí)驗(yàn)人員設(shè)置分別用于電學(xué)激勵(lì)、聲學(xué)激勵(lì)、電學(xué)采樣和聲學(xué)采樣的開關(guān)組。軟件內(nèi)部則按照預(yù)定的傳感器激勵(lì)和信號(hào)采集工作模式對(duì)多組開關(guān)實(shí)施閉合和打開操作。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“分時(shí)輪流”激勵(lì)采集模式，即：(1)閉合電聲復(fù)合傳感器#1電極的激勵(lì)開關(guān)，依次閉合復(fù)合傳感器#2～#4電極的采樣開關(guān)，分別測量#1和#2、#1和#3、#1和#4之間的阻抗譜，每次完成測量后均立即打開所使用的開關(guān)；(2)閉合復(fù)合傳感器#1超聲探頭的激勵(lì)開關(guān)，依次閉合復(fù)合傳感器#2～#4超聲探頭的采樣開關(guān)，分別測量#1和#2、#1和#3、#1和#4之間的聲學(xué)參數(shù)；(3)閉合傳感器#2電極的激勵(lì)開關(guān)，依次閉合傳感器#3～#1電極的采樣開關(guān)，依此邏輯順序完成對(duì)所有復(fù)合傳感器的電極和超聲探頭的激勵(lì)。

按照實(shí)驗(yàn)人員所設(shè)定的工作周期(默認(rèn)為5 min)，每隔此工作周期的時(shí)間完成一次對(duì)上述電學(xué)參數(shù)、聲學(xué)參數(shù)和溫度參數(shù)的測試。

3.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理與結(jié)果顯示

測試過程中軟件以指示燈的方式顯示電聲復(fù)合傳感器的工作模式，處于工作狀態(tài)的傳感器顯示為紅色，其他顯示為綠色。軟件對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并以波形圖或波形圖表以及數(shù)值的方式對(duì)測試參數(shù)進(jìn)行顯示，從而使實(shí)驗(yàn)人員能夠及時(shí)了解傳感器的工作狀態(tài)、測試參數(shù)的變化趨勢及其具體數(shù)值，進(jìn)而判斷測試系統(tǒng)的工作狀況和實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

電學(xué)測試單元同步采集兩路電壓信號(hào)，首先應(yīng)用具有線性相位特性的FIR濾波器對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，然后采用FFT譜分析法[23]對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行分析，得到兩路信號(hào)的幅值和相位，進(jìn)而通過上文式(1)和式(2)計(jì)算得到阻抗模值和相角以及阻抗實(shí)部和虛部值。軟件以波形圖形式顯示兩路電壓信號(hào)，采用數(shù)值方式顯示采集信號(hào)的頻率和阻抗參數(shù)。

聲學(xué)測試單元采集一路電壓信號(hào)，由于超聲脈沖發(fā)生時(shí)會(huì)對(duì)接收端信號(hào)產(chǎn)生較大干擾，采集的電壓信號(hào)表現(xiàn)出明顯的幅值波動(dòng)。為此，首先將這部分幅值波動(dòng)以置零的方式去除，然后再采用FIR濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行FFT變換以獲取信號(hào)的主頻。利用初達(dá)波法獲取超聲波傳播時(shí)間并結(jié)合傳播距離計(jì)算出聲波速度[24-25]，利用波形波峰檢測算法獲得信號(hào)的最大值。軟件采用波形圖顯示所采集的電壓信號(hào)，以數(shù)值方式顯示超聲傳播參數(shù)。

溫度測試單元采集4路電壓信號(hào)，首先對(duì)每次采集的各路信號(hào)求平均值，并通過標(biāo)度變換把電壓平均值轉(zhuǎn)換為溫度值，然后以波形圖表的方式顯示各測量點(diǎn)處的溫度隨時(shí)間變化的曲線，同時(shí)顯示最新采集溫度的數(shù)值。

3.2.4 數(shù)據(jù)保存

數(shù)據(jù)保存模塊的功能在于把測量數(shù)據(jù)保存到硬盤，保存的數(shù)據(jù)包括原始測量數(shù)據(jù)(電學(xué)測試的2路電壓信號(hào)、聲學(xué)測試的1路電壓信號(hào)、溫度測試的4路電壓信號(hào))和上述數(shù)據(jù)處理后得到的各參數(shù)計(jì)算值(如阻抗、波速、主頻、溫度等)。

開始測試時(shí)數(shù)據(jù)保存并沒有開啟，僅當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員點(diǎn)擊開始保存按鈕之后，數(shù)據(jù)才開始保存。此前應(yīng)完成對(duì)數(shù)據(jù)保存路徑和文件名的設(shè)置。數(shù)據(jù)均以文本格式保存到硬盤，后續(xù)可通過Matlab軟件方便讀取并做進(jìn)一步詳細(xì)的分析與處理。

3.3 系統(tǒng)集成

首先將低壓信號(hào)發(fā)生器板卡PCI-1721、低速和高速數(shù)據(jù)采集板卡PCI-1713和PCI-1714插入工控機(jī)的PCI插槽，將低壓和高壓多路復(fù)用器模塊PXI-632和PXI-320插入LXI機(jī)箱插槽，將阻抗測量電路PCB板、電流電壓轉(zhuǎn)換電路板、接線端子排、電源等裝入信號(hào)調(diào)理箱，然后將上述硬件各部分以及計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，完成對(duì)電-聲-熱多參數(shù)測試系統(tǒng)的集成(見圖6)。

圖6 電-聲-熱多參數(shù)聯(lián)合測試系統(tǒng)

該測試系統(tǒng)可用于開展無需高壓條件的純四氫呋喃水合物以及沉積物中四氫呋喃水合物的合成和分解實(shí)驗(yàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)、多點(diǎn)同步聯(lián)合測量。通過提高低溫箱的溫度控制性能(如采用溫度控制精度更高的高低溫恒溫箱)，搭配耐高壓的反應(yīng)釜和傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷水合物實(shí)際賦存環(huán)境的模擬以及對(duì)電-聲-熱多參數(shù)的聯(lián)合測試。

4 結(jié)語

開發(fā)的電-聲-熱多物理參數(shù)聯(lián)合測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水合物合成分解過程中對(duì)電-聲-熱多參數(shù)的聯(lián)合測量，從而可以獲得豐富且可相互佐證和補(bǔ)充的多物性參數(shù)數(shù)據(jù)，將為研究水合物的生成分解動(dòng)力學(xué)規(guī)律、建立電法-聲波組合測井解釋模型提供測試手段和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。所開發(fā)的電-聲-熱多參數(shù)聯(lián)合測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案將為各類不同用途的天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)提供有益的借鑒。

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Development of electrical-acoustic-thermal multi-parameter joint test system

Xing Lanchang1, Qi Yu1, Liu Changling2,3, Geng Yanfeng1, Hua Chenquan1, Meng Qingguo2,3, Liu Lele2,3

(1. College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China; 2. Key Laboratory of Gas Hydrate of Ministry of Land and Resources, Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China; 3. Laboratory for Marine Mineral Resources, National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China)

The test system, test method and existing problems in the typical hydrate simulation device at home and abroad are discussed, and a new electrical acoustic composite sensor is developed to overcome the problem that the measuring zones of the current electrical and acoustic sensors are not identical. The impedance spectroscopy measuring technology is developed to fully characterize the electrical properties of the measured medium, and the software of the test system is developed to control the hardware of the system flexibly. The “Time-sharing and rotating” sensor excitation and data acquisition mode, the signal processing algorithm, the physical parameter calculation method and the data storage function are realized. Finally, a multi-point synchronous joint test system for electrical-acoustic-thermal physical parameters is completed, with which the multi-physical parameter test data of the hydrate synthesis and decomposition processes can be obtained. It provides useful references for the development of the natural gas hydrate simulation experimental device for various applications.

hydrate; test system; electrical-acoustic-thermal parameters; simulation experiment; measurement and control

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.021

N33；P618.13

A

1002-4956(2017)11-0078-08

2017-05-22

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51306212)；國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(DD20160216)；青島市自主創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(15-9-19-jch);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(16CX05021A)；國土資源部天然氣水合物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金重點(diǎn)項(xiàng)目(SHW[2014]-ZD-01)；中國石油大學(xué)(華東)教改項(xiàng)目(QN201516，YK201507)

邢蘭昌(1983—)，男，山東德州，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄z測技術(shù)與自動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)、天然氣水合物與多相流參數(shù)檢測技術(shù).

E-mailxinglc@upc.edu.cn