電-聲-熱多參數聯合測試系統開發

邢蘭昌， 祁 雨， 劉昌嶺， 耿艷峰， 華陳權， 孟慶國， 劉樂樂

(1. 中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東青島 266580；2. 青島海洋地質研究所 國土資源部天然氣水合物重點實驗室， 山東 青島 266071；3. 海洋科學與技術國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266071)

電-聲-熱多參數聯合測試系統開發

邢蘭昌1， 祁 雨1， 劉昌嶺2,3， 耿艷峰1， 華陳權1， 孟慶國2,3， 劉樂樂2,3

(1. 中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院， 山東青島 266580；2. 青島海洋地質研究所 國土資源部天然氣水合物重點實驗室， 山東 青島 266071；3. 海洋科學與技術國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266071)

討論了國內外典型水合物模擬裝置中的測試系統、測試方法以及存在的問題，開發了新型的電聲復合傳感器以克服現有傳感器測量區域不一致的問題，開發了阻抗譜測量技術以全面刻畫被測介質的電學特性，開發了測試系統軟件、實現“分時輪流”的傳感器激勵與數據采集工作模式、信號處理算法、物性參數計算方法和數據保存功能，最終形成了一套電-聲-熱多物理參數多點同步聯合測試系統，能夠獲得水合物合成分解過程的多物性參數數據，為各類不同用途的天然氣水合物模擬實驗裝置的開發提供了有益的借鑒。

水合物； 測試系統； 電-聲-熱參數； 模擬實驗； 測量與控制

氣體水合物是氣體分子(如甲烷、乙烷、二氧化碳、氮氣等)與水在高壓、低溫條件下形成的類冰狀的非化學計量的籠型結晶化合物。天然氣水合物的氣體組成以甲烷為主，故也稱為甲烷水合物。天然氣水合物是當前國際公認的石油、天然氣的接替能源，也是世界各國激烈爭奪的戰略資源[1]。我國天然氣水合物主要分布于南海北部陸坡、南沙海槽、東海陸坡等海域以及青藏高原、東北漠河等凍土區域[2-3]。

天然氣水合物儲層是一個比常規油氣地層更為復雜的系統，儲層的準確識別和精細定量評價是今后水合物勘探技術研究的重點，也是水合物開發利用和環境影響評價的基礎[4-5]。電法和聲波測井具有較高的準確性和可靠性，是目前水合物儲層識別和評價的主要方式，最新研究也表明電阻率與聲波測井組合是識別天然氣水合物最有效的方法[4-7]。

本文針對天然氣水合物模擬實驗裝置對電學和聲學等物性參數的測量需求，討論了國內外典型裝置中的測試系統、測試方法以及存在的問題，開發了一套用于聯合測試電-聲-熱多物理參數的自動化測試系統。

1 國內外典型的水合物實驗測試系統

1.1 典型的實驗測試系統

國內外開發了具有水合物合成分解模擬和物性參數測量等功能的實驗測試系統[8-9]，盡管依據不同的實驗目的所開發的系統中反應釜的形狀尺寸、測量參數的種類和數量以及參數的測量方法有所差異，但是由于水合物及含水合物多孔介質的電學和聲學性質是基礎而重要的內容，因此較多的測試系統配備了電學參數和聲學參數測量手段。

美國地質調查局開發了天然氣水合物沉積物實驗裝置GHASTLI，能夠探測聲學、電學和力學參數，Winters等[10]利用此裝置對含冰和水合物的野外沉積物樣品和實驗室制作的樣品進行了測試和研究。美國佐治亞州理工學院設計了一套IPTC實驗裝置，反應釜上平行排布4對傳感器，可對樣品的縱橫波速度和電導率進行測量[11]，縱波和橫波測試分別采用微型探頭和彎曲元探針，電導率測量采用針形電極。韓國地球科學與礦產資源學會開發了天然氣水合物海底模擬實驗裝置(GHOBSII)[12]，反應釜的底部和頂部安裝有測量力、彈性波速、電阻率、壓力和溫度的傳感器。日本地質調查所建立了一套可測量聲波速度和電阻率的實驗裝置。

中國石油大學(華東)開發了水合物儲層物性測量實驗裝置，可進行縱波和電阻率的測量，任韶然等[13]應用此裝置研究了填砂模型中水合物生成時縱波速度和電阻率的變化規律。中國石油大學(北京)與中石化石油勘探開發研究院研發了天然氣水合物三維成藏物模實驗系統，應用電極柱測量電阻率、以聲偶極子作為超聲換能器測量聲波速度，粟科華等[14]利用此裝置考察了水合物動態生成過程以及海水循環時水合物動態演化行為。中石油勘探開發研究院和中國地質大學(武漢)提出了一種動三軸力學-聲學-電學測試裝置和方法[15]，可實現動載荷作用下含水合物沉積物的力學、電學和聲學參數測量，通過對數據進行處理來建立電阻率與飽和度、飽和度與波速以及波速與力學參數之間的關系。

1.2 存在的問題討論

上述測試系統盡管能夠實現電學和聲學參數的測量，但尚存在2個問題：

(1) 電學參數與聲學參數測量空間區域不一致。電學傳感器多采用針狀電極或者套在絕緣棒上的多個電極環，其測量的空間范圍是以針狀電極為軸或電極環間的一定區域；而聲學傳感器所測量的空間范圍為發射和接收換能器之間的區域，而且電學和聲學兩類傳感器分別布置在不同的空間位置。因此實際獲得的電學和聲學測試數據并不能準確反映同一測量區域被測介質的性質，這類測試方法僅適用于各向同性的被測介質。考慮到沉積物的性質以及水合物在沉積物中空間分布的非均勻性[16]，基于目前的測試系統和數據進行定量分析存在較大的誤差。

(2) 電學性質測試以測量電阻率參數為主。由于受水合物特殊的賦存條件、賦存狀態以及生成分解過程的影響，含水合物沉積物的電學性質極為復雜，其電學性質既包括電阻性又包括電容性[17-18]，影響因素眾多且影響機理尚不明晰，目前所廣泛采用的電阻率參數尚不能全面刻畫含水合物沉積物的電學特性。

2 測試系統的總體功能分析與設計

2.1 總體功能分析

開發測試系統的目標在于實現對含水合物模擬儲層進行電學參數、聲學參數和熱學參數(溫度)多物理參數聯合測量。

針對電學和聲學參數傳感器的測量區域不一致問題，需要考慮通過設計新型的電學和聲學傳感器以實現二者的測量范圍盡可能重合。為了獲得水合物合成和分解過程中其在三維空間不均勻分布的情況，考慮采用電學、聲學和溫度傳感器陣列來獲得多點物性參數的測量數據，同時需要避免電學測量、聲學測量以及溫度測量傳感器的相互干擾，因此需考慮3類傳感器的工作模式、空間排布、信號采集傳輸等問題。

針對電學傳感器以測量電阻率參數為主而不能全面刻畫電學特性的問題，考慮測量交流阻抗譜，即獲得阻抗幅值和相角隨著激勵信號頻率變化而變化的信息，進而可以計算得到復電阻率。為了獲得不同條件下模擬儲層對聲速、聲能衰減和聲波主頻的影響，考慮測量超聲波穿透模擬儲層后的全波形數據，并通過一定的數據處理算法得到超聲波傳播參數，此過程中需要處理同步觸發采集方式、數據處理方法等問題。

為了保證測試過程的連續性(水合物模擬實驗過程持續時間較長，幾天至幾十天不等)和大量數據采集與記錄的實時性，要求測試系統采用計算機軟件控制的自動化模式。考慮到水合物模擬實驗裝置對測試參數種類、測試方法以及數據處理方法等要求的不斷提高，要求測試系統具有擴展性強、便于升級維護等。

2.2 硬件與軟件功能設計

2.2.1 硬件部分

硬件部分包括信號發生單元、多路切換單元、電聲復合傳感器、溫度傳感器、信號調理與采集單元和控制計算機。硬件架構示意圖見圖1，圖中A為溫度傳感器陣列、B為電聲復合傳感器陣列。

圖1 硬件架構示意圖

波形發生單元用來產生阻抗測量電路所需的低電壓交流信號和超聲發射探頭所需的高電壓脈沖激發信號。信號切換單元用于切換波形發生單元與傳感器陣列之間以及傳感器陣列與信號采集單元之間的連通。信號調理與采集單元實現對阻抗測量信號、超聲探頭輸出信號以及溫度傳感器輸出信號的調理和采集。波形發生單元、信號切換單元和信號采集單元均與控制計算機通信，在計算機的控制下按照設定的工作模式自動化運行。

反應釜是實現水合物合成分解過程的裝置，用于盛放被測介質和安裝各類傳感器。電聲復合傳感器沿反應釜側面布置一周，溫度傳感器固定于反應釜上蓋并插入釜內，測溫點與電聲復合傳感器交叉布置(參見圖1)。

2.2.2 軟件部分

控制計算機通過軟件實現對整個測試系統的自動化控制。軟件的功能主要包括：(1)控制信號發生單元以產生電聲復合傳感器所需的各種激勵信號；(2)控制信號切換單元以實現預定的傳感器激勵和信號采集工作模式；(3)配置數據采集卡以實時采集傳感器的輸出信號；(4)對采集的信號進行預處理、計算和顯示測試參數以及保存數據。

3 測試系統的開發

3.1 硬件部分

3.1.1 傳感器及其排布

依照上述對電聲復合傳感器的功能要求，設計并制作了一體化的電聲復合傳感器。電聲復合傳感器中壓電晶片的中心頻率為110 kHz，電極為不銹鋼薄片，壓電晶片的直徑與電極直徑相同。在發射端超聲波先穿過電極后進入被測介質，在接收端超聲波先穿過電極后到達晶片。溫度測量采用一體式溫度變送器，感溫元件為鉑熱電阻Pt100，測量范圍為-50～50 ℃，輸出信號為4～20 mA電流，溫度測量精度為0.5%。

將上述傳感器安裝于反應釜上，為了盡量減少溫度傳感器對電聲復合傳感器測量過程的影響，需要將2類傳感器交叉布置，如圖2所示。

圖2 傳感器及其在反應釜的排布

3.1.2 電學參數測試單元

電學參數測試單元包括低壓信號發生器、阻抗測量電路、低壓多路切換開關、電聲復合傳感器和高速多通道同步數據采集卡。

低壓信號發生器選用PCI-1721四通道模擬量輸出卡，每個模擬量輸出通道均帶有12位的雙緩沖DAC，具有最高10 MHz數字更新速率的波形輸出功能，能夠輸出頻率和幅值可調的正弦電壓模擬信號，如20 Hz～500 kHz、-5～+5 V、-10～+10 V等。

采用自動平衡電橋法測量阻抗，自動平衡電橋法具有測試頻率范圍寬(20 Hz～110 MHz)、阻抗測量范圍廣、精度高的特點，應用領域廣泛[19-20]。圖3為阻抗測量電路原理圖，信號源產生的正弦電壓信號V分別通過兩路運算放大電路，通道1為參考通道，放大倍數通常為1，即R1和R2值相等；通道2為測量通道，電壓信號V通過被測介質DUT(device under test)并經放大后輸出為V2。結合圖3可將DUT的阻抗表示為：

(1)

φZ=φV1-φV2

(2)

式中：ZDUT為阻抗模值，φZ、φV1和φV2分別為阻抗、V1和V2的相角，R3具有調節阻抗測量量程的作用，理論上ZDUT和R3的值越接近，ZDUT測量值越準確。依據圖3原理開發的阻抗測量電路PCB板見圖4。

圖3 阻抗測量電路原理圖

圖4 阻抗測量電路PCB板

低壓多路切換開關選用具有PXI總線接口的多路復用器模塊PXI-632，該模塊的繼電器為儀器級舌簧繼電器，接通時的電阻(接觸電阻)小于0.75 Ω，切斷時的電阻(絕緣電阻)大于109Ω，最大切換電壓為DC 150 V/AC 100 V，最大切換/承載電流為1 A/1.2 A，最大切換功率為20 W，典型操作時間為0.5 ms，開關結構為雙組24∶1單刀型。雙組開關分別用于連接低壓信號發生器與阻抗測量電路的輸入端、阻抗測量電路的輸出端與高速數據采集卡。每組開關均為單刀結構，每次操作只閉合一個開關，從而能夠保證只有一對傳感器處于工作狀態，有效地避免了傳感器之間的相互干擾。

由阻抗測量方法的原理可知，圖3中2路的輸出電壓需要進行同步采集。考慮到對每周期波形的采樣點數盡量多(高采樣頻率)并兼顧硬件成本，本系統選用PCI-1714高速模擬量輸入卡。該采集卡具有12位A/D轉換分辨率，可實現4路同步采集，采樣頻率最高達30 MS/s，每路ADC內建32 kB的FIFO內存以維持數據采集的速度和采集數據的完整性，提供多種輸入范圍(±5V、±2.5V、±1V、±0.5V)，可實現多種觸發采樣模式。阻抗測量電路輸出電壓的采集采用軟件觸發采樣模式。

3.1.3 聲學參數測試單元

聲學參數測試單元包括高壓脈沖發生器、高壓多路切換開關、電聲復合傳感器、前置放大器和高速數據采集卡。

考慮到超聲波在含水合物多孔介質復雜體系中表現出強衰減特性，為了獲得強度和信噪比均較高的接收信號，采用具有較高電壓的脈沖來激發探頭，采用前置放大器和濾波器來對探頭的輸出信號進行調理。本系統選用可由計算機遠程控制的DPR300超聲脈沖發生接收器，同時具有高電壓激發和對接收信號放大和濾波的功能，并且能夠通過軟件對脈沖發生和信號調理參數進行靈活配置。脈沖發生器輸出脈沖的峰值電壓可高達900 V，典型脈沖寬度為10～70 ns(FWHM半高寬)@50 Ω，脈沖接收器帶寬為1 kHz～50 MHz，增益為-13～66 dB，高低通濾波器相互組合可實現帶通濾波器的功能。

對于含水合物多孔介質，通常采用較高的脈沖電壓(如300 V以上)，因此需要采用高壓切換開關來連通脈沖發生器與發射探頭。本系統選用多路復用器模塊PXI-320，該模塊開關的接觸電阻小于3 Ω，絕緣電阻大于1010Ω，最大冷切換電壓為DC 1000 V/AC 1000 V，典型操作時間為0.5 ms，開關結構為單組12∶1單刀型。

接收探頭輸出信號的幅值通常較低，本系統中DPR300的接收器輸出信號范圍為-1～1 V，因此可以采用低壓多路復用器模塊PXI-632和高速模擬量輸入卡PCI-1714。上述電學參數測試單元中的PXI-632每組開關均為24∶1，開關數量超過電聲復合傳感器的數量，因此超聲和電學參數測量可以共用低壓多路復用器模塊PXI-632和模擬量輸入卡PCI-1714。與電學參數測量過程中信號采樣模式不同，超聲探頭輸出信號的采集需要采用外部觸發采集模式，其觸發信號為DPR300超聲脈沖發生器輸出的同步脈沖。

3.1.4 溫度測試單元

溫度測試單元包括溫度變送器及其供電電源、電流電壓轉換電路和多通道數據采集卡。

溫度變送器所需的供電電壓為9～36 VDC，本系統采用輸出為24 VDC的線性電源供電。采用250 Ω的精密電阻將4～20 mA電流轉換為1～5 V電壓。考慮到實驗過程中溫度隨時間變化較慢，信號所需的采樣頻率不高，本系統選用多通道異步數據采集卡PCI-1713，該采集卡具有12位A/D轉換分辨率，可實現32路單端或16路差分模擬量輸入(或組合輸入)，采樣頻率可達100 kS/s，卡上內建4 kB的FIFO內存，每個通道增益可調，可實現多種觸發采樣模式。溫度信號的采集采用軟件觸發采樣模式。

3.2 軟件部分

測試系統的軟件實現對系統硬件的完全控制和對數據的采集與處理，使得本系統具有可靠性高、擴展性強、自動化程度高等特點。本系統的軟件功能主要包括超聲脈沖發生接收器(DPR300)的控制，低壓信號發生器(PCI-1721)、高壓和低壓多路復用器(PXI-320和PXI-632)、高速和低速數據采集卡(PCI-1714和PCI-1713)的配置/控制，多路數據的實時采集、處理、顯示與保存。超聲脈沖發生接收器DPR300自帶基于Windows的控制軟件(JSR Control Panel)，能夠實現對脈沖發生器和接收器參數的完全配置。需要配置的主要參數包括發生器的觸發源、脈沖重復頻率、脈沖電壓、脈沖能量等，接收器的帶寬、增益、低通和高通濾波器截止頻率等。除了對超聲脈沖發生接收器控制之外的其他軟件功能均基于LabVIEW平臺進行開發[21-22]，采用模塊化思想編制軟件，即將所需功能進行合理分解并分別利用子VI來實現各功能模塊。軟件的人機交互界面見圖5。

圖5 基于LabVIEW所開發軟件的人機交互界面

3.2.1 總體控制

總體控制模塊主要包括軟件初始化、開始測試、停止測試和退出系統功能。軟件為其正常運行設置了默認參數，點擊初始化按鈕即可完成所有參數的初步設置，實驗人員可以根據實際需要進行更改。完成參數設置之后即可點擊開始測試按鈕，則軟件開始運行，實現設定的傳感器激勵模式、信號采集模式、信號處理算法、參數計算方法以及顯示。停止測試按鈕用于終止上述軟件的運行，但并不退出軟件。點擊退出系統按鈕則可退出整個軟件。

3.2.2 參數設置

參數設置模塊用于對電學測試參數、聲學測試參數、溫度測試參數、多路復用參數和工作周期進行設置。電學測試參數設置主要要求實驗人員設置低壓信號發生器(PCI-1721)的工作參數，包括頻率掃描類型、掃頻范圍、掃描點數、信號輸出通道和輸出信號幅值。軟件為頻率掃描類型設置了線性掃描和對數掃描2個選項，可在下拉列表中選擇；受限于PCI-1721的數字更新速率，軟件內部設定的工作頻率范圍為20 Hz～500 kHz，如果實驗人員輸入的頻率值超出此范圍，軟件運行時會彈出提示框“設置頻率超限”，要求重新輸入；掃描點數在起始頻率和結束頻率之間滿足步長至少為1 Hz的情況下任意設置；信號輸出通道設置需要與實際接線的通道號保持一致，通過下拉選單進行選擇；輸出信號幅值在0～5 V內可通過旋鈕或數值輸入控件進行設定。

完成上述設置后，PCI-1721板卡在軟件運行時即可輸出相應的正弦電壓激勵信號。相關參數已由開發人員在軟件內部進行了設置，比如采集通道#0和通道#1、輸入電壓范圍為-5～5 V。采樣頻率隨激勵信號頻率不同而自動設定，當激勵信號頻率較低時則設定較低的采樣頻率，以提高軟件運行速度并縮減所需的數據存儲空間，比如當激勵信號頻率處于20 Hz～10 kHz范圍內，設定采樣頻率為1 MS/s；在10～200 kHz范圍內，設定采樣頻率為10 MS/s，如在200～500 kHz范圍內，設定采樣頻率為20 MS/s。

聲學測試參數設置主要要求實驗人員設置數據采集參數，如采集通道、輸入范圍、采樣頻率和采樣時間。聲學測試信號的采集通道與電學測試信號采集通道#1共用；考慮DPR300接收器的輸出范圍，將輸入范圍設定為-1～1 V；測試過程中超聲探頭中心頻率固定，所以采樣頻率設定為固定值，較高的采樣頻率有利于提高傳播時間的分辨率和判讀準確度，默認采樣頻率為10 MS/s，最高可設置為30 MS/s；采樣時間默認為0.1 ms，可根據初步判斷的超聲傳播時間進行計算。軟件內部對觸發采集模式進行了設置，主要包括選擇EXT_TRIG0端口作為觸發源、設置上升沿觸發，當EXT_TRIG0檢測到DPR300發出的同步脈沖信號的上升沿時，通道#1立即開始采集信號。

溫度測試參數設置主要要求實驗人員設置數據采集參數，如采集通道、輸入電壓范圍、采樣頻率和采樣時間。根據溫度傳感器的數量、接線方式和接線端口確定采集通道。本系統共有4個溫度傳感器，為了更好地抑制共模干擾則采用差分輸入接線方式，從而選取8個連續的通道作為采集通道(如#0～#7)。溫度變送器輸出的電流信號經轉換電路轉換為1～5 V電壓，所以將采集通道的輸入范圍默認為0～5 V。實驗過程中溫度信號變化較慢，采樣頻率默認為8 kS/s，則每個通道的采樣頻率為1 kS/s。采樣時間默認為0.1 s，則每個通道的一次采樣點數為100。

多路復用器包括低壓多路開關(2組)和高壓多路開關(1組)，要求實驗人員設置分別用于電學激勵、聲學激勵、電學采樣和聲學采樣的開關組。軟件內部則按照預定的傳感器激勵和信號采集工作模式對多組開關實施閉合和打開操作。本系統設計了“分時輪流”激勵采集模式，即：(1)閉合電聲復合傳感器#1電極的激勵開關，依次閉合復合傳感器#2～#4電極的采樣開關，分別測量#1和#2、#1和#3、#1和#4之間的阻抗譜，每次完成測量后均立即打開所使用的開關；(2)閉合復合傳感器#1超聲探頭的激勵開關，依次閉合復合傳感器#2～#4超聲探頭的采樣開關，分別測量#1和#2、#1和#3、#1和#4之間的聲學參數；(3)閉合傳感器#2電極的激勵開關，依次閉合傳感器#3～#1電極的采樣開關，依此邏輯順序完成對所有復合傳感器的電極和超聲探頭的激勵。

按照實驗人員所設定的工作周期(默認為5 min)，每隔此工作周期的時間完成一次對上述電學參數、聲學參數和溫度參數的測試。

3.2.3 數據預處理與結果顯示

測試過程中軟件以指示燈的方式顯示電聲復合傳感器的工作模式，處于工作狀態的傳感器顯示為紅色，其他顯示為綠色。軟件對采集的原始數據進行預處理，并以波形圖或波形圖表以及數值的方式對測試參數進行顯示，從而使實驗人員能夠及時了解傳感器的工作狀態、測試參數的變化趨勢及其具體數值，進而判斷測試系統的工作狀況和實驗進程。

電學測試單元同步采集兩路電壓信號，首先應用具有線性相位特性的FIR濾波器對兩路信號進行帶通濾波，然后采用FFT譜分析法[23]對濾波后的信號進行分析，得到兩路信號的幅值和相位，進而通過上文式(1)和式(2)計算得到阻抗模值和相角以及阻抗實部和虛部值。軟件以波形圖形式顯示兩路電壓信號，采用數值方式顯示采集信號的頻率和阻抗參數。

聲學測試單元采集一路電壓信號，由于超聲脈沖發生時會對接收端信號產生較大干擾，采集的電壓信號表現出明顯的幅值波動。為此，首先將這部分幅值波動以置零的方式去除，然后再采用FIR濾波器對信號進行帶通濾波，對濾波后的信號進行FFT變換以獲取信號的主頻。利用初達波法獲取超聲波傳播時間并結合傳播距離計算出聲波速度[24-25]，利用波形波峰檢測算法獲得信號的最大值。軟件采用波形圖顯示所采集的電壓信號，以數值方式顯示超聲傳播參數。

溫度測試單元采集4路電壓信號，首先對每次采集的各路信號求平均值，并通過標度變換把電壓平均值轉換為溫度值，然后以波形圖表的方式顯示各測量點處的溫度隨時間變化的曲線，同時顯示最新采集溫度的數值。

3.2.4 數據保存

數據保存模塊的功能在于把測量數據保存到硬盤，保存的數據包括原始測量數據(電學測試的2路電壓信號、聲學測試的1路電壓信號、溫度測試的4路電壓信號)和上述數據處理后得到的各參數計算值(如阻抗、波速、主頻、溫度等)。

開始測試時數據保存并沒有開啟，僅當實驗人員點擊開始保存按鈕之后，數據才開始保存。此前應完成對數據保存路徑和文件名的設置。數據均以文本格式保存到硬盤，后續可通過Matlab軟件方便讀取并做進一步詳細的分析與處理。

3.3 系統集成

首先將低壓信號發生器板卡PCI-1721、低速和高速數據采集板卡PCI-1713和PCI-1714插入工控機的PCI插槽，將低壓和高壓多路復用器模塊PXI-632和PXI-320插入LXI機箱插槽，將阻抗測量電路PCB板、電流電壓轉換電路板、接線端子排、電源等裝入信號調理箱，然后將上述硬件各部分以及計算機進行連接，完成對電-聲-熱多參數測試系統的集成(見圖6)。

圖6 電-聲-熱多參數聯合測試系統

該測試系統可用于開展無需高壓條件的純四氫呋喃水合物以及沉積物中四氫呋喃水合物的合成和分解實驗，并能夠實現多參數、多點同步聯合測量。通過提高低溫箱的溫度控制性能(如采用溫度控制精度更高的高低溫恒溫箱)，搭配耐高壓的反應釜和傳感器，即可實現對甲烷水合物實際賦存環境的模擬以及對電-聲-熱多參數的聯合測試。

4 結語

開發的電-聲-熱多物理參數聯合測試系統能夠實現水合物合成分解過程中對電-聲-熱多參數的聯合測量，從而可以獲得豐富且可相互佐證和補充的多物性參數數據，將為研究水合物的生成分解動力學規律、建立電法-聲波組合測井解釋模型提供測試手段和數據基礎。所開發的電-聲-熱多參數聯合測試系統的設計方案將為各類不同用途的天然氣水合物模擬實驗裝置的開發提供有益的借鑒。

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Development of electrical-acoustic-thermal multi-parameter joint test system

Xing Lanchang1, Qi Yu1, Liu Changling2,3, Geng Yanfeng1, Hua Chenquan1, Meng Qingguo2,3, Liu Lele2,3

(1. College of Information and Control Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China; 2. Key Laboratory of Gas Hydrate of Ministry of Land and Resources, Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China; 3. Laboratory for Marine Mineral Resources, National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China)

The test system, test method and existing problems in the typical hydrate simulation device at home and abroad are discussed, and a new electrical acoustic composite sensor is developed to overcome the problem that the measuring zones of the current electrical and acoustic sensors are not identical. The impedance spectroscopy measuring technology is developed to fully characterize the electrical properties of the measured medium, and the software of the test system is developed to control the hardware of the system flexibly. The “Time-sharing and rotating” sensor excitation and data acquisition mode, the signal processing algorithm, the physical parameter calculation method and the data storage function are realized. Finally, a multi-point synchronous joint test system for electrical-acoustic-thermal physical parameters is completed, with which the multi-physical parameter test data of the hydrate synthesis and decomposition processes can be obtained. It provides useful references for the development of the natural gas hydrate simulation experimental device for various applications.

hydrate; test system; electrical-acoustic-thermal parameters; simulation experiment; measurement and control

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.021

N33；P618.13

A

1002-4956(2017)11-0078-08

2017-05-22

國家自然科學基金項目(51306212)；國土資源部中國地質調查項目(DD20160216)；青島市自主創新計劃項目(15-9-19-jch);中央高校基本科研業務費專項資金項目(16CX05021A)；國土資源部天然氣水合物重點實驗室開放基金重點項目(SHW[2014]-ZD-01)；中國石油大學(華東)教改項目(QN201516，YK201507)

邢蘭昌(1983—)，男，山東德州，博士，副教授，碩士研究生導師，研究方向為檢測技術與自動裝置、計算機測控系統、天然氣水合物與多相流參數檢測技術.

E-mailxinglc@upc.edu.cn