基于差分吸收光谱法的红外天然气检测仪研究

基于差分吸收光谱法的红外天然气检测仪研究

摘要：差分吸收光谱技术是一种光谱监测技术，研究提出了以红外光为光源，用差分吸收光谱技术取代当今现场录井中常规气相色谱仪分析方法的设计理念。介绍了差分吸收光谱技术的基本原理、检测方法和技术特点。

关键词：差分吸收光谱技术红外光谱气相色谱分析综合录井

中图分类号：x831 文献标识码：a 文章编号：

1007-9416(2011)12-0067-02

1、前言

现场录井的石油天然气成分分析在石油天然气资源的勘探与开

发过程中起着十分重要的作用。传统的技术手段是利用气相色谱仪与氢火焰鉴定器（fid）相结合，通过烷烃成分的燃烧产生电离子信号，检测出其中甲烷、乙烷、丙烷、异丁烷、正丁烷、异戊烷、正戊烷的含量变化情况，进而确定钻遇地层的油气信息。该技术存在以下几个缺点：一是辅助设备多。传统的气测油气检测技术除了主要设备外，还必须配备氢气发生器、空气压缩机等辅助设备，故障诱因较多。二是工艺复杂。为了准确检测出钻遇地层含油气信息，在钻井过程中，需要对钻井液中携带的钻遇地层流体中的样品气进行分离，通过管线输送到仪器房内的气象色谱系统进行检测分析。气测录井数据在存在有分析周期的同时，还存在有一定的管路延时。三是影响因素多。色谱分析结果容易受现场环境、工艺技术、

设备性能等因素影响。本研究所提出的差分吸收光谱技术设计理念能很好地解决上述问题，可以提升录井技术水平，简化录井工艺，烷烃组分数据实现在线实时记录，提高油气信息数据质量，有利于油气资源的及时准确发现。

2、差分吸收光谱技术原理

差分吸收光谱技术(doas: differential optical absorption spectroscopy) 是一种利用气体分子的吸收光谱高精度计算气体

浓度的技术，其基本原理是利用待测分子的窄带吸收特性来鉴别分子，并根据窄带吸收强度反演出分子的浓度。当光线穿过待测气体时，光线会被其中的分子选择性的吸收，使其在强度上和结构上都会发生变化，与光源发出的光谱进行比较就可以得出吸收光谱。通过分析某一波段的吸收光谱不但可以定性的确定某些成分的存在，而且还可以定量地分析这些物质的含量，从而得到相应的气体在大气中的浓度。光线经过吸收后，光强的变化情况遵守朗伯-比尔定律。图1为lambert-beer定律示意图。

设输入光强为，输出光强为，气体浓度为c，光程长为l，ci为第i种气体的浓度，为第i种气体在波长λ处的吸收截面。则模型可表示为如下形式

其中和分别为第i种气体的窄带吸收截面和宽带吸收截面，和分别为瑞利散射系数和米散射系数，各种噪声的总和。将式（1）两边取对数可得

定义为给定物质的光学厚度（optical density）,在实际测量中，

（2）式可以简化为：

测量到后，去除其中的（即瑞利散射和米散射），采集足够的数据，根据最小二乘法进行数据拟合，就可以求出各种气体的浓度值。假设在某一波段要测量n种气体的浓度，即光学密度od是由这种吸收截面的线性组合而成的，如（3）式所示，设光谱的数据点是m （m>n），光谱中第i个数据点的值应该是这n种气体在该点的吸收截面大小的线性组合，即：

其中a1，a2，···，an是拟合系数，分别是第j种气体在第i个波长的吸收截面值。以上数据，可以用一个方程组表示为：

由于m>n，所以以上方程组是超定方程组，解此超定方程组，即可得到拟合系数a1，a2，···，an，再根据,可以求得各个气体的浓度c1，c2，···，cn。

3、天然气红外检测仪的系统设计

3.1 系统硬件设计

天然气红外检测系统的原理框图如图2所示，主要由三个部分组成：第一部分是由红外发光装置、气体池及红外探测器组成光学检测模块；第二部分是以滤波电路及arm数据处理器组成的信号检测处理模块；第三部分是以显示器、上位机、打印机等组成的输出模块。红外发光装置以1hz的频率发出红外光，光线穿过气体池，被气体池气体分子吸收，强度发生变化。红外探测器探测到红外光后，光信号被转换为电压信号，表征被气体分子吸收后的红外光能量。这路电压信号与arm处理器中事先存储的未被气体吸收的红外光能

量参考信号一起反映了待测气体的浓度。对这两路信号进行函数数据处理，最终得到待测气体的浓度。由于红外探测器对温度变化比较敏感，因此要在该位置安装一个温度探测器，以事实监测环境温度的变化，以确保实验数据的准确性。

3.2 系统软件设计

由以上分析可知，天然气红外检测系统的主要功能包括：收集并处理红外探测器输出的电压信号、将处理结果输出到液晶显示器上以及与上位机的通信。在整个软件系统中，数据采集与处理模块是最核心的部分，算法主要处理步骤如下：

(1)由于环境因素（温度）等的影响，采集到的光学密度与事先存放在arm数据处理器中的分子吸收截面之间不会完全的重合，这将对浓度反演结果带来很大的误差，所以要将进行平移、拉伸或压缩等处理，以消除这些影响；

(2)用多项式拟合的方法消除（3）式中的；

(3)利用最小二乘法数据拟合求出待测气体中各浓度的值，该算法的流程图如图3所示：

4、结语

根据红外光谱检测原理，结合现场录井中的石油天然气分析的方法与作用，提出了以差分吸收光谱（doas）为思想理论的天然气红外检测系统的设计方法和思路。它取代了传统的以气相色谱仪与氢火焰鉴定器（fid）相结合的技术，具有测试周期短、在同一个波段可以检测几种不同气体的浓度、测量范围宽等优点，更适应于当

今的钻井条件的要求。

参考文献

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注

本课题由大学生创新计划项目资助。