唐 紅，高 源，于 陳，張遠(yuǎn)東，王昌龍

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

1 概述

頁巖含氣量是計(jì)算頁巖氣資源潛力、儲(chǔ)量預(yù)測(cè)的重要參數(shù)，并對(duì)頁巖氣勘探開發(fā)具有重要的意義[1]。頁巖含氣量是指每噸頁巖中所含天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(20℃，101．33kPa)下的體積，包括游離氣、吸附氣和溶解氣。頁巖含氣量的確定目前缺乏專門的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要參照煤層氣行業(yè)的技術(shù)方法[2]。

我們研制了高精度、嚴(yán)格符合自然解吸規(guī)范的發(fā)氣量自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，以降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度并且大幅提高測(cè)定頁巖氣發(fā)氣量的精確度，提高了類似工作如煤層氣含量測(cè)試水平。

2 頁巖氣發(fā)氣量測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 測(cè)試系統(tǒng)原理

利用大氣壓傳感器對(duì)外界壓力進(jìn)行測(cè)量，再用大量程壓力傳感器對(duì)玻璃管內(nèi)的壓力進(jìn)行測(cè)定，只要收集氣體的玻璃管內(nèi)壓力高于外界大氣壓力時(shí)，就利用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，來降低水罐的高度，使玻璃管內(nèi)外的壓差降低到一定值；此時(shí)打開通往小量程壓力傳感器的電磁閥，通過小量程壓力傳感器檢測(cè)玻璃管內(nèi)氣體壓力與大氣壓之間的微小差異，控制步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)水罐高度，始終保持兩邊液面相平，此時(shí)兩邊水位高度已經(jīng)非常接近了，也就保證了內(nèi)外都是一個(gè)大氣壓。由于控制系統(tǒng)始終保持解吸氣壓力為一個(gè)大氣壓，利用大氣壓傳感器、溫度傳感器和成分定期取樣化驗(yàn)結(jié)果根據(jù)氣態(tài)方程計(jì)算出實(shí)時(shí)解吸氣量，并換算成為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的體積產(chǎn)氣量。與原來煤制氣GB—T 19559—2008標(biāo)準(zhǔn)中，間隔5，10，15，…分鐘采樣一次相比較，數(shù)據(jù)更接近自然解吸結(jié)果。

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)由機(jī)械框架、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊及測(cè)試與數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)等5個(gè)部分組成。

為保證工作效率，并兼顧測(cè)試系統(tǒng)的體積、可搬運(yùn)性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架采用5個(gè)通道同時(shí)測(cè)試，即可以同時(shí)對(duì)五種巖芯樣品進(jìn)行檢測(cè)。

3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 硬件平臺(tái)選型

本次設(shè)計(jì)采用的核心控制器是基于MCS-51系列內(nèi)核的微處理器STC89C58RD+，以該MCS-51系列微處理器作為主要的控制系統(tǒng)。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

圖1 頁巖氣發(fā)氣量測(cè)定系統(tǒng)電路原理圖

控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的主控制電路部分的設(shè)計(jì)，行程開關(guān)控制電路設(shè)計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)，電源電路設(shè)計(jì)，液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì)以及按鍵電路設(shè)計(jì)等等。其電路原理圖如圖1所示。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

發(fā)氣量測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，是基于集成開發(fā)環(huán)境KeilC51進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要目的是使得各個(gè)模塊合理運(yùn)行以達(dá)到自然解吸的過程。測(cè)試系統(tǒng)的控制主程序的主要任務(wù)是完成系統(tǒng)的初始化、處理環(huán)境溫度讀取、大氣壓以及集氣管與外界的壓差的測(cè)量、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水罐的升降以及對(duì)行程開關(guān)的控制等等。當(dāng)然，在測(cè)試的過程中也肯定會(huì)遇到很多種情況，比如本次水罐下降幅度很小，單片機(jī)不會(huì)存儲(chǔ)本次數(shù)據(jù)。水罐幾次下降的高度累積超過5 mm以上才存儲(chǔ)一個(gè)點(diǎn)。這就改變了原來國標(biāo)中定時(shí)間間隔存儲(chǔ)為定量存儲(chǔ)。

5 系統(tǒng)測(cè)試與測(cè)量不確定度分析

5.1 系統(tǒng)誤差測(cè)試

為了驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的示值誤差，我們參照GB/T 19559-2008，采用人工注入氣體的方法進(jìn)行模擬測(cè)試，將測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)得值與實(shí)際注入氣量進(jìn)行比較，得到系統(tǒng)的示值誤差。模擬測(cè)試結(jié)果表明，頁巖氣測(cè)試系統(tǒng)各模塊運(yùn)行正常。能夠按照設(shè)計(jì)要求完成頁巖氣發(fā)氣量的測(cè)試，示值誤差小于5%，符合設(shè)計(jì)要求。

5.2 測(cè)試系統(tǒng)不確定度評(píng)定分析

本文參照J(rèn)JF1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》中的評(píng)定方法即GUM法對(duì)頁巖氣發(fā)氣量測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行不確定度的評(píng)定。具體步驟如下：

1) 測(cè)量數(shù)學(xué)模型

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT,可知當(dāng)前環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)情況氣體之間的關(guān)系為：

因此，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(溫度20℃、壓力0.101.33MPa)巖芯樣品解吸出的頁巖氣體積為：

式中:t為溫度傳感器讀取值，即大氣溫度，單位為攝氏度(℃);

V為氣體體積(測(cè)試系統(tǒng)讀數(shù))，單位為立方厘米(cm3)

P為大氣壓力傳感器讀數(shù)，單位為兆帕(MPa)

Δh為液位傳感器讀數(shù)，單位為厘米(cm)

注：玻璃管的半徑為1cm

2) 不確定度來源分析

從測(cè)試過程、數(shù)學(xué)模型來看，頁巖氣發(fā)氣量測(cè)試系統(tǒng)的不確定度來源主要有以下5個(gè)：

圖2 不確定度來源分析圖

3) 測(cè)試結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度計(jì)算不確定度分量匯總表見表1。

表1 不確定度分量匯總表

由于各傳感器獨(dú)立測(cè)量，各輸入量之間不相關(guān)，根據(jù)不確定度傳播律，將各不確定度分量進(jìn)行合成，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式寫成合成方差的數(shù)學(xué)式：

uc2=c12u12+c22u22+c32u32+c42u42.

式中c1，c2，c3,c4為靈敏系數(shù)，計(jì)算如下：

c4=1.

將靈敏系數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量帶入合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式，即可以計(jì)算出測(cè)試系統(tǒng)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc。以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)V0=48 cm3，P=0.104 84MPa,t=21℃,Δh=15.6 cm為例進(jìn)行計(jì)算：

uc≈0.184(cm3).

通常情況下，取包含因子k=2(95%置信概率)，則擴(kuò)展不確定度U=k×uc=0.368(cm3)，根據(jù)數(shù)據(jù)修約規(guī)則，U=0.37(cm3)。

4) 不確定度報(bào)告及總結(jié)

頁巖氣發(fā)氣量測(cè)試結(jié)果可以表示為：

(48±0.37)cm3(k=2)。

從上述數(shù)據(jù)可知，本測(cè)試系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度U之值小于示值誤差2.4cm3的1/3，故該技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)能滿足系統(tǒng)誤差5%的要求。

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用STC89C58RD+頁巖氣測(cè)試系統(tǒng)是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的系統(tǒng)，不管是在科學(xué)探測(cè)領(lǐng)域，還是在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[3]。目前我國的煤炭資源進(jìn)行煤制氣提取的不到50%，如能在準(zhǔn)確測(cè)試含氣量后充分利用，可節(jié)省大量資源。