近红外光谱吸收法检测油气田中H2S气体

近红外光谱吸收法检测油气田中H2S体积分数孟春婵引言测量H2S的体积分数，传统的电化学法与光电化学法都是以H2S的化学反应为基础，易受其他杂质气体影响，且传感器易中毒，使用寿命短。红外光谱法则很好地解决了这些问题。但传统的近红外光谱法多采用昂贵的DFB激光器作为光源，渐变光纤构成气体吸收单元。这种系统造价昂贵，不适用于油气田的大面积多点数据采集和油田恶劣的环境。基于这些问题，本设计以廉价的LED作为光源，通过设计一种新型增强型气室和使用差分光路，很好地解决了环境的影响，并提高了系统的检测灵敏度和选择性。一、红外吸收光谱测量法的优点二、红外吸收光谱测量法的基本原理三、系统结构四、增强型气室在近红外吸收光谱测量中的应用五、结论一、红外吸收光谱测量法的优点基于油气田高含硫现象，提出一种新型系统，利用红外光谱吸收测量法检测H2S气体体积分数，有效解决传统气体检测技术中的杂质气体干扰和传感器中毒的问题。设计了一种新型气室，增强了气体对光的吸收，并有效降低了环境温度、灰尘、震动等因素对检测的影响。由于使用LED作为光源，降低了使用中的成本，使该系统的实际应用成为可能。实验结果表明：该系统的测量灵敏度可达到10×10-6，误差始终控制在3％以内，具有很高的稳定性。返回二、红外吸收光谱测量法的基本原理光谱吸收测量法是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱间的光谱一致性。每一种气体都有固有的吸收光谱，当光通过某种介质时，如果光源的发射谱与气体的吸收谱相吻合，就会发生共振吸收，传播情况发生衰减。其吸收强度与该气体的浓度有关，通过测量光谱的吸收强度就可测量气体的浓度。I(l)——透射后光强I0(l)——入射光强l——光的波长n——总气体种类数i——气体标号mi——i气体的吸收系数Ci

——

i气体的体积分数L

——吸收光程根据比尔——朗伯(Beer-Lalnbert)定律，对于单一频率，光强为I0的一束光通过待测气体后，透射后光强可表示为：从比尔——郎伯定律可以看出：若要测量气体体积分数，如果已知气体的吸收系数m(l)和气体吸收光路的长度L，只需要测量出通过气体的光强变化I和I0即可。返回将上式变换后得：三、系统结构

1.系统结构框图本系统采用LED激光器作为光源，采用双光路结构，消除了激光器光强波动等共模噪声和其他同性干扰的影响。具有灵敏度高、响应速度快等优点。基于LED的差分吸收式气体检测系统框图如图1所示。图1基于LED光源的差分吸收式气体检测系统框图主要由发光部分、光分路器部分、气室部分、光电转换和信号处理部分组成。LED光源气室发光部分——由LED光源和LED光源的驱动电路以及温控电路组成。光分路器——将光束分为两束，一束用作参考光路一束用作测量光路。气室部分——光通过其中时，由于H2S气体的存在而发生光强的衰减。光电转换——将光电二极管作为探测器，将光信号转换为电信号。信号处理——包括放大电路、谐波检测、数据采集卡以及计算机。信号发生电路产生三角波电流，调制电路使得三角波电流的幅值和直流分量精确可调，该三角波电流用来驱动光源发光，精确调制该三角波电流的直流分量，就可以使得LED光源发出的光的中心波长正好对准被测气体的吸收峰，精确调制该三角波电流的交流分量，就可以使得LED光源发出的光的频率扫描的范围正好覆盖气体的某一个吸收峰。由于LED光源的温度漂移比较严重，所以，必须对LED光源进行温度控制，使其工作在恒温状态。

LED发出的光经光分路器分光后，进入气室发生衰减，从气室出来的光包含了气体的体积分数信息，经过光电二极管转换成电信号，再经过前置放大，然后，采用谐波检测技术，检测出二次谐波分量(以三角波调制信号的基频作为参考)，通过数据采集卡进入计算机，在计算机中完成信号处理和显示。

2.差分结构为了延长使用寿命，避免由于系统老化、光源的中心波长漂移等问题引起的测量误差，本系统采用了差分光路结构。通过对双光路信号的处理，可有效消除系统误差。图2差分系统光路图

如图2所示，LED激光器发出的光经调制电路调制后变成某一特定波长的光束后，再经分束器将光束分为两束，一束经吸收气室吸收光谱后输出，另一束经过参考气室吸收作为参考光束，然后分别经过光电二极管（探测器），将光强信号转化为电信号，两路得到的电信号分别进行前置放大，检测出各自的二次谐波分量。由电路处理系统，通过数据采集卡将模拟信号转换为数字信号后传送到微机控制系统进行处理，通过软件编程，将2个二次谐波的比值作为系统的输出，该比值表征了被测气体的体积分数，从而得H2S的体积分数值。图3气室结构3.新型气室结构气体缓冲层为了尽量减少这些因素对测量精度的干扰，本实验中设计了一种全新的气体吸收单元，结构如图3所示；为了减少气体流速对吸收的影响，在吸收室外层设计了缓冲层；为了尽量使气体流动均匀，并防止气室内气体与外界气体交换不充分，在外层气孔设计了气扇；为了减少环境温差对测量的影响，在外层气室壁上设计了温度控制装置。设计了减震层，减震弹簧等装置来减少震动对测量的影响。如图3所示，光经由准直后从光纤进入气室，再经由全反射镜，在气室中多次反射，使得光路成倍增长。当需要改变光路长度时，只需通过微机控制的角度调节系统进行角度调节即可。全反射镜靠转轴与控制杆连接，镜子与控制杆成直角。在气室外设置微机控制角度调节装置，通过上下调节可移动定位装置，使控制杆位置改变，从而调节全反射镜与吸收室壁面的角度，进而使红外光照射到全反射镜时反射角度改变，则光在吸收室内所经历的光路总长发生变化。通过微机的调节还可进行编程，自动计算出吸收光路的总长。返回四、增强型气室在近红外吸收光谱测量中的应用

1.光源波长的选择

本文的光源采用性能优良、价格便宜的LED光源。对于近红外光谱吸收法来说，测量H2S最主要的干扰气体是CO2。图4(a)为H2S的吸收光谱，图4(b)为CO2的吸收光谱。（a）H2S吸收光谱（b）CO2吸收光谱图4H2S和CO2吸收光谱可以看出：在1578nm处H2S为吸收峰值，而CO2则为波谷。光源波长选择为1578nm。从LED发出的光经由调制电路选频滤波后进入气室，中心波长变为1578nm。被H2S气体吸收后的光从气室出射后，其光强信号由光电二极管检测并转换成电信号，再由电路处理系统将模拟信号转换为数字信号后传送到电脑进行处理，得到H2S的体积分数值。式中η为定标因子;V0

对应于检测探测器接收到红外能I0时的输出电压；V对应于检测探测器接收到红外能I

时的输出电压。由比尔——郎伯定律得出2.标定式中k为常数,与探测器系统的气路长度、H2S气体的吸收系数等有关。

式中的k值用定标法得到：对系统分别充入10×10-6

、15×10-6

、20×10-6的体积分数进行标定，在进气流速1L/min及常温下进行测量,再用线性回归的方法求得。

3.实验当H2S体积分数为20×10-6时，人暴露工作8h尚安全，当达到100×l0-6时短时问内就会对人体造成一定伤害。因此，参考气室的体积分数为20×l0-6

进行实验。对系统分别充入10×10-6

、15×10-6

、20×10-6

的体积分数进行标定，标定结束后开始进行实验。

采用图1、2所示的系统进行实验，参考气室的体积分数为20×l0-6，逐渐改变吸收气体体积分数时，显示器描绘出气体的体积分数和信号值的关系曲线。选择低噪声、高灵敏度的光电二极管作为光电探测器。用注射器向气室分别注入配比不同体积分数的H2S气体，并将测得的测量路和参考路的比值作为信号输出值，气体的体积分数和比值信号的关系曲线如图5所示。图5H2S气体的响应曲线由图5所示的气体检测系统对H2S气体的响应曲线可以看出：系统的响应值与H2S气体的体积分数近似成线性关系。在相同实验条件下，经多次测试，非线性误差小于3％，其重复性良好。

这里，需要说明的是：该检测方案有一个测量范围，最小检测体积分数可达到10×10-6，最大检测体积分数约为5％。气体体积分数超过5％后，响应曲线的线性度变差，这是由于随着气体体积分数的变化，气体的吸收谱线的形状也随之发生变化所致。在参考气室仍充入20×10-6

的H2S气体作为参考，在吸收气室以15×10-6的气体进行稳定性测试。结果如图6所示。实验表明：该系统能保持在很高的精度下进行长时间工作，保持平稳输出。图6稳定性实验结果影响系统稳定性的主要因素为LED光源的波长漂移和老化等。本系统由于采用了差分结构，消除了波长漂移的影响；光源的老化会对发光强度产生影响，从而影响测量精度，