近紅外光譜吸收法檢測油氣田中H2S體積分數孟春嬋引言測量H2S的體積分數，傳統的電化學法與光電化學法都是以H2S的化學反應為基礎，易受其他雜質氣體影響，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題。但傳統的近紅外光譜法多采用昂貴的DFB激光器作為光源，漸變光纖構成氣體吸收單元。這種系統造價昂貴，不適用于油氣田的大面積多點數據采集和油田惡劣的環境。基于這些問題，本設計以廉價的LED作為光源，通過設計一種新型增強型氣室和使用差分光路，很好地解決了環境的影響，并提高了系統的檢測靈敏度和選擇性。一、紅外吸收光譜測量法的優點二、紅外吸收光譜測量法的基本原理三、系統結構四、增強型氣室在近紅外吸收光譜測量中的應用五、結論一、紅外吸收光譜測量法的優點基于油氣田高含硫現象，提出一種新型系統，利用紅外光譜吸收測量法檢測H2S氣體體積分數，有效解決傳統氣體檢測技術中的雜質氣體干擾和傳感器中毒的問題。設計了一種新型氣室，增強了氣體對光的吸收，并有效降低了環境溫度、灰塵、震動等因素對檢測的影響。由于使用LED作為光源，降低了使用中的成本，使該系統的實際應用成為可能。實驗結果表明：該系統的測量靈敏度可達到10×10-6，誤差始終控制在3％以內，具有很高的穩定性。返回二、紅外吸收光譜測量法的基本原理光譜吸收測量法是基于分子振動和轉動吸收譜與光源發光光譜間的光譜一致性。每一種氣體都有固有的吸收光譜，當光通過某種介質時，如果光源的發射譜與氣體的吸收譜相吻合，就會發生共振吸收，傳播情況發生衰減。其吸收強度與該氣體的濃度有關，通過測量光譜的吸收強度就可測量氣體的濃度。I(l)——透射后光強I0(l)——入射光強l——光的波長n——總氣體種類數i——氣體標號mi——i氣體的吸收系數Ci

——

i氣體的體積分數L

——吸收光程根據比爾——朗伯(Beer-Lalnbert)定律，對于單一頻率，光強為I0的一束光通過待測氣體后，透射后光強可表示為：從比爾——郎伯定律可以看出：若要測量氣體體積分數，如果已知氣體的吸收系數m(l)和氣體吸收光路的長度L，只需要測量出通過氣體的光強變化I和I0即可。返回將上式變換后得：三、系統結構

1.系統結構框圖本系統采用LED激光器作為光源，采用雙光路結構，消除了激光器光強波動等共模噪聲和其他同性干擾的影響。具有靈敏度高、響應速度快等優點。基于LED的差分吸收式氣體檢測系統框圖如圖1所示。圖1基于LED光源的差分吸收式氣體檢測系統框圖主要由發光部分、光分路器部分、氣室部分、光電轉換和信號處理部分組成。LED光源氣室發光部分——由LED光源和LED光源的驅動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量光路。氣室部分——光通過其中時，由于H2S氣體的存在而發生光強的衰減。光電轉換——將光電二極管作為探測器，將光信號轉換為電信號。信號處理——包括放大電路、諧波檢測、數據采集卡以及計算機。信號發生電路產生三角波電流，調制電路使得三角波電流的幅值和直流分量精確可調，該三角波電流用來驅動光源發光，精確調制該三角波電流的直流分量，就可以使得LED光源發出的光的中心波長正好對準被測氣體的吸收峰，精確調制該三角波電流的交流分量，就可以使得LED光源發出的光的頻率掃描的范圍正好覆蓋氣體的某一個吸收峰。由于LED光源的溫度漂移比較嚴重，所以，必須對LED光源進行溫度控制，使其工作在恒溫狀態。

LED發出的光經光分路器分光后，進入氣室發生衰減，從氣室出來的光包含了氣體的體積分數信息，經過光電二極管轉換成電信號，再經過前置放大，然后，采用諧波檢測技術，檢測出二次諧波分量(以三角波調制信號的基頻作為參考)，通過數據采集卡進入計算機，在計算機中完成信號處理和顯示。

2.差分結構為了延長使用壽命，避免由于系統老化、光源的中心波長漂移等問題引起的測量誤差，本系統采用了差分光路結構。通過對雙光路信號的處理，可有效消除系統誤差。圖2差分系統光路圖

如圖2所示，LED激光器發出的光經調制電路調制后變成某一特定波長的光束后，再經分束器將光束分為兩束，一束經吸收氣室吸收光譜后輸出，另一束經過參考氣室吸收作為參考光束，然后分別經過光電二極管（探測器），將光強信號轉化為電信號，兩路得到的電信號分別進行前置放大，檢測出各自的二次諧波分量。由電路處理系統，通過數據采集卡將模擬信號轉換為數字信號后傳送到微機控制系統進行處理，通過軟件編程，將2個二次諧波的比值作為系統的輸出，該比值表征了被測氣體的體積分數，從而得H2S的體積分數值。圖3氣室結構3.新型氣室結構氣體緩沖層為了盡量減少這些因素對測量精度的干擾，本實驗中設計了一種全新的氣體吸收單元，結構如圖3所示；為了減少氣體流速對吸收的影響，在吸收室外層設計了緩沖層；為了盡量使氣體流動均勻，并防止氣室內氣體與外界氣體交換不充分，在外層氣孔設計了氣扇；為了減少環境溫差對測量的影響，在外層氣室壁上設計了溫度控制裝置。設計了減震層，減震彈簧等裝置來減少震動對測量的影響。如圖3所示，光經由準直后從光纖進入氣室，再經由全反射鏡，在氣室中多次反射，使得光路成倍增長。當需要改變光路長度時，只需通過微機控制的角度調節系統進行角度調節即可。全反射鏡靠轉軸與控制桿連接，鏡子與控制桿成直角。在氣室外設置微機控制角度調節裝置，通過上下調節可移動定位裝置，使控制桿位置改變，從而調節全反射鏡與吸收室壁面的角度，進而使紅外光照射到全反射鏡時反射角度改變，則光在吸收室內所經歷的光路總長發生變化。通過微機的調節還可進行編程，自動計算出吸收光路的總長。返回四、增強型氣室在近紅外吸收光譜測量中的應用

1.光源波長的選擇

本文的光源采用性能優良、價格便宜的LED光源。對于近紅外光譜吸收法來說，測量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。光源波長選擇為1578nm。從LED發出的光經由調制電路選頻濾波后進入氣室，中心波長變為1578nm。被H2S氣體吸收后的光從氣室出射后，其光強信號由光電二極管檢測并轉換成電信號，再由電路處理系統將模擬信號轉換為數字信號后傳送到電腦進行處理，得到H2S的體積分數值。式中η為定標因子;V0

對應于檢測探測器接收到紅外能I0時的輸出電壓；V對應于檢測探測器接收到紅外能I

時的輸出電壓。由比爾——郎伯定律得出2.標定式中k為常數,與探測器系統的氣路長度、H2S氣體的吸收系數等有關。

式中的k值用定標法得到：對系統分別充入10×10-6

、15×10-6

、20×10-6的體積分數進行標定，在進氣流速1L/min及常溫下進行測量,再用線性回歸的方法求得。

3.實驗當H2S體積分數為20×10-6時，人暴露工作8h尚安全，當達到100×l0-6時短時問內就會對人體造成一定傷害。因此，參考氣室的體積分數為20×l0-6

進行實驗。對系統分別充入10×10-6

、15×10-6

、20×10-6

的體積分數進行標定，標定結束后開始進行實驗。

采用圖1、2所示的系統進行實驗，參考氣室的體積分數為20×l0-6，逐漸改變吸收氣體體積分數時，顯示器描繪出氣體的體積分數和信號值的關系曲線。選擇低噪聲、高靈敏度的光電二極管作為光電探測器。用注射器向氣室分別注入配比不同體積分數的H2S氣體，并將測得的測量路和參考路的比值作為信號輸出值，氣體的體積分數和比值信號的關系曲線如圖5所示。圖5H2S氣體的響應曲線由圖5所示的氣體檢測系統對H2S氣體的響應曲線可以看出：系統的響應值與H2S氣體的體積分數近似成線性關系。在相同實驗條件下，經多次測試，非線性誤差小于3％，其重復性良好。

這里，需要說明的是：該檢測方案有一個測量范圍，最小檢測體積分數可達到10×10-6，最大檢測體積分數約為5％。氣體體積分數超過5％后，響應曲線的線性度變差，這是由于隨著氣體體積分數的變化，氣體的吸收譜線的形狀也隨之發生變化所致。在參考氣室仍充入20×10-6

的H2S氣體作為參考，在吸收氣室以15×10-6的氣體進行穩定性測試。結果如圖6所示。實驗表明：該系統能保持在很高的精度下進行長時間工作，保持平穩輸出。圖6穩定性實驗結果影響系統穩定性的主要因素為LED光源的波長漂移和老化等。本系統由于采用了差分結構，消除了波長漂移的影響；光源的老化會對發光強度產生影響，從而影響測量精度，