石油錄井中紅外CO2氣體傳感器的選擇方法

鄭奕挺，王曉丹

（1．中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院，北京 100101;2．勝利石油管理局 地質錄井公司，山東 東營 257064）

0 引言

石油鉆探過程中，錄井發揮著鉆探者眼睛的作用，其中檢測鉆井液中CO2含量是重要的錄井項目之一，對隨鉆、后期油氣評價解釋有重要意義［1，2］。國內錄井氣體檢測采用紅外光譜吸收法有近20年歷史，從國外引進到自主研發，在準確度和穩定性方面已經接近國外產品，如英國愛丁堡氣體檢測公司的紅外氣體檢測模塊。一般而言，采用紅外光譜吸收法檢測選擇的傳感器有2種:熱電堆傳感器和熱釋電傳感器。由于錄井現場分布于世界各個油氣田，地域跨度大，要求測量儀器能滿足大范圍溫度變化的需要。長期以來，選擇CO2紅外傳感器的原則較為模糊，本文以試驗測試數據為依據，論述如何正確選擇傳感器。

1 紅外檢測原理

紅外光譜吸收法是利用被測氣體對紅外光的特征吸收從而實現氣體成分的體積分數分析。當對應某一氣體具有特征吸收的光波通過這一被測氣體時，其強度將明顯減弱，強度衰減程度與該氣體體積分數有關。根據對出射光強的測試，可確定被測氣體的體積分數，對確定波長的紅外光波的吸收，其強度和被測氣體體積分數間的關系遵守比爾定律［3～5］。其基本原理結構如圖1所示。

圖1 紅外檢測器原理圖Fig 1 Principle diagram of infrared detector

基本數學模型:大部分有機和無機多原子分子氣體在紅外區有特征吸收波長。當紅外光通過時，這些氣體分子對特定波長的透過光強可由朗伯—比爾定律表示

式中I0為人射光強;I為透過光強;l為氣體介質厚度，p為體積分數，k為吸收系數。

而吸收光強i可表示為

吸收系數k是一個非常復雜的量，它不僅與氣體種類、入射光波長有關，而且還受環境溫度、環境大氣壓等因素的影響。因此，對于變溫、變氣壓的工作環境，k是一個變值，從而直接影響吸收光強I。

2 熱電堆紅外傳感器及其放大電路

熱電堆紅外傳感器的原理是大量的熱電偶堆集在底層的硅基上，底層上的高溫接點和低溫接點通過一層極薄的薄膜隔離它們的熱量，高溫接點上面的吸收層將入射的放射線轉換為熱能，由熱電效應可知，輸出電壓與放射線呈比例關系。

以PerkinElmer公司的TPS2534熱電堆紅外傳感器為例，描述其放大電路。TPS2534傳感器主要由外殼、濾光片、熱電堆元件組成，有2個濾波窗，分別是參考窗和測量窗。針對參考通道和測量通道，設計了2個對稱的放大電路，圖2是其中一路放大電路。C3，R1，R2構成一級放大，以 C4，R5 交流耦合，C6，R6，R7 構成二級放大，R17，R18 構成零位提升，便于后續ADC采集，放大器選用高阻抗輸入、低噪聲芯片TLC2252。

圖2 熱電堆傳感器放大電路Fig 2 Amplifier circuit of thermopile sensor

3 熱釋電紅外傳感器的放大電路

當一些晶體受熱時，在晶體兩端產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現象稱為熱釋電效應。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應，是一種溫度敏感傳感器。熱釋電效應產生的電荷會與空氣中的離子結合而消失，當環境溫度不變時，傳感器無輸出。如果在熱釋電元件接上適當的電阻器，當元件受熱時，電阻器上就有電流流過，在兩端得到電壓信號。

以PerkinElmer公司的PYS3228熱釋電紅外傳感器為例，描述其放大電路。PYS3228傳感器主要由外殼、濾光片、熱釋電元件、場效應管組成，有2個濾波窗，分別是參考窗和測量窗。針對參考通道和測量通道，設計了2個對稱的放大電路，圖3是其中一路放大電路。以C4，R4交流耦合，C10，R9，R10構成放大，R13，R14 構成零位提升，便于后續ADC采集，放大器選用高阻抗輸入、低噪聲芯片TLC2252。

圖3 熱釋電傳感器放大電路Fig 3 Amplifier circuit of pyroelectric sensor

4 控制和采集方法

4．1 系統結構

為了測試熱電堆和熱釋電紅外傳感器性能，設計了包括主控制器ADuC845和外圍電路、紅外發光管驅動電路、液晶顯示、通信電路等。系統結構如圖4所示。

圖4 系統硬件整體結構框圖Fig 4 Overall structure block diagram of system hardware

4．2 紅外發光管驅動電路

紅外發光管選用PerkinElmer公司的IRL715，是一種白熾燈，采用低頻電調制，波長從可見光到5 μm，適合 CH（3～3．5 μm）和 CO2（4．15 ～4．4 μm），輸出穩定可靠，時間常數短，工作在5 V電源時，壽命可達40 000 h。IRL715采用了1 Hz脈沖調制，主控制器ADuC845通過I/O口發送脈沖信號控制發光管的調制過程?？刂茣r序如圖5。

圖5 時序控制圖Fig 5 Diagram of timing control

4．3 采集時序和ADC設置

紅外發光管和信號采集時序見圖5，具體為:1）采集傳感器2個通道的信號A1，A2;2）紅外發光源發光200 ms;3）采集傳感器2個通道的信號B1，B2;4）紅外發光源熄滅800 ms;5）計算（B1－A1）/（B2－A2）的值，根據這個值計算出檢測氣體的體積分數，不斷循環上述5個步驟［6，7］，并將ADuC845內置的24位ADC采樣周期設置為1 ms，采樣精度能達到15位以上。

4．4 標定方法

根據公式I=I0e－kpl，透過光強I與氣體體積分數p呈指數遞減關系。為了得到更加準確的測量值，系統采用三次樣條插值方法，并設置為非扭結邊界條件，也就是強制使第一個點的3次導數和第二點的3次導數一樣;最后一個點的3次導數和倒數第一個點一樣。在Matlab 7．0中顯示的標定曲線見圖6。

圖6 標定曲線Fig 6 Calibration curve

5 試驗數據

分別對由熱電堆傳感器和熱釋電傳感器組成的系統的測量結果進行分析，分析的指標是準確度和精密度。準確度以10次測量結果的平均值的相對誤差來衡量，精密度以10次測量結果的相對標準偏差來衡量。

5．1 熱電堆傳感器的測量數據

在10，30，50 ℃ 溫度下，分別注入 0．2%，1%，10%，50%，80% 的CO2氣體，等待30 s后，每5 s讀取儀器液晶屏上測量值，連續讀取10次。測量結果見表1～表3。

表1 在10℃下熱電堆傳感器系統的測量值Tab 1 Measurement values of thermopile sensor system at 10℃

表2 在30℃下熱電堆傳感器系統的測量值Tab 2 Measurement values of thermopile sensor system at 30℃

表3 在50℃下熱電堆傳感器系統的測量值Tab 3 Measured values of thermopile sensor system at 50℃

5．2 熱釋電傳感器的測量數據

在10，30，50℃溫度下，分別注入 0．2%，1%，10%，50%，80% 的CO2氣體，等待30 s后，每5 s讀取儀器液晶屏上測量值，連續讀取10次，結果見表4～表6。

表4 在10℃下熱釋電傳感器系統的測量值Tab 4 Measurement values of pyroelectric sensor system at 10℃

表5 在30℃下熱釋電傳感器系統的測量值Tab 5 Measured values of pyroelectric sensor system at 30℃

表6 在50℃下熱釋電傳感器系統的測量值Tab 6 Measurement values of pyroelectric sensor system at 50℃

從表1～表6看出:在10，30，50℃溫度下:

1）由熱電堆傳感器組成的系統的平均值相對誤差為－10．50%～11．50%，由熱釋電傳感器組成的系統的平均值相對誤差為－28．00%～34．50%，前者的準確度要好。

2）由熱電堆傳感器組成的系統的相對標準偏差為0．13%～6．89%，由熱釋電傳感器組成的系統的相對標準偏差為0．04%～5．21%，后者的精密度要好。

6 結論

在10，30，50℃溫度下，對熱電堆傳感器和熱釋電傳感器組成的系統的測量結果的準確度和精密度進行分析。對比2套系統的準確度和精密度，熱電堆的系統的精密度較差，但受環境溫度影響較小，準確度更優。綜合考慮石油錄井應用領域的特殊性，即環境溫度變化較大，熱電堆傳感器更適合于石油錄井CO2檢測。

［1］ 曲希玉，劉 立，楊會東，等．油伴生CO2氣的成因及其石油地質意義［J］．中國石油大學學報:自然科學版，2011，35（4）:41－46．

［2］ 劉德漢，肖賢明，田 輝，等．含油氣盆地中流體包裹體類型及其地質意義［J］．石油與天然氣地質，2008，29（4）:491－501．

［3］ 施德恒，劉新建，許啟富．利用紅外光譜吸收原理的CO濃度測量裝置研究［J］．光學技術，2001，27（1）:91 －94．

［4］ 何 睿．基于紅外光譜吸收原理的二氧化碳氣體檢測系統的設計與實驗研究［D］．長春:吉林大學，2009．

［5］ 王 瑩，霍丙新，唐東林，等．近紅外光譜吸收法檢測油氣田中H2S體積分數［J］．傳感器與微系統，2009（12）:103－105．

［6］ Kwon Jongwon ，Ahn Gwanghoon ，Kim Gyusik ，et al．A study on NDIR-based CO2sensor to apply remote air quality monitoring system［C］∥ ICCAS-SICE，2009，Fukuoka，Japan:SICE and ICROS，2009:1683 －1687．

［7］ Cheong Siong Keat．Gas concentration monitoring unit［EB/OL］．［2006—03—01］．http:∥www．heimann-opto．de．