红外烷烃光谱录井分析仪的软件开发

林兆祥，黎 伟，吴 祺，佘明军，李胜利

(1 中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074；2 中原石油勘探局地质录井处，濮阳 457001)

在当今世界诸能源中，石油是最重要的战略资源之一[1].石油工业的发展，已直接关系到国家的经济发展、政治稳定和国家安全.在石油开采技术日益成熟的今天，及时地检测钻探地层的油气信息、确定油层成为石油行业的重要环节.传统的气相色谱技术检测油气辅助设备多、分析周期长，已无法实时、快速反应油气信息.

实验室以DOAS[2,3]理论为基础，开发出一套红外烷烃光谱录井仪，能够在线、实时并快速反演出各种烷烃气体的浓度.以MFC框架为基础，设计实现了基于红外烷烃光谱录井分析仪的软件平台.该软件采用多线程编程技术[4]，实现对海洋光学光谱仪软件界面的二次开发，集成了仪器控制，数据保存、算法处理、串口传输等功能.

1 测量原理及算法研究

1.1 DOAS技术原理

DOAS技术是通过气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度[2]，其光谱吸收强度遵循Lambert-Beer吸收定律.

该模型可以用如下的表达式来表示：

I(λ)=I0(λ)exp(-σ(λ)cL).

(1)

式中I0(λ)和I(λ)分别表示入射光强和透射光强，σ表示气体分子的吸收截面，L表示光程长，c表示待测气体的浓度.

1.2 算法研究

由于气体分子中存在米散射和瑞利散射，同时受到粉尘等颗粒物、干扰气体等影响.为了测得分子的真实吸收截面，将(1)式中的σ(λ)分为两部分[2]：随波长快速变化的窄带吸收σ′(λ)截面和干扰因素引起的随波长慢变化的宽带吸收截面σs(λ).即：

σ(λ)=σ′(λ)+σs(λ).

(2)

由(2)式将通过吸收光谱获得的吸光度表示为：

(σ′(λ)+σs(λ))cL.

(3)

通过对OD(λ)进行n阶多项式拟合，求得随波长慢变化引起的吸收度ODs(λ),再由(3)式反推出差分吸光度OD′(λ)[6]，气体分子窄带吸收截面可表示为：

(4)

结合(3)、(4)式，实验室通过测量已知浓度气体的吸光度OD(λ)，开展了气体差分吸收截面σ′(λ)的测量[5].

结合(1)式得出多种混合气体情况下的线性方程为：

(5)

2 实验系统

2.1 硬件系统

整个实验系统主要包括红外光源、长光程气体池、石英光纤、高性能近红外光谱仪(NIRQuest256-2.1)和微型计算机(PC104)，仪器的光路和电路如图1所示.

图1 DOAS气体检测装置示意图

红外光源发出的光经过聚焦系统以后，通过光纤进入到长光程气体池.经过待测气体吸收以后的出射光经再次聚焦后由光纤进入到近红外光谱仪，红外烷烃光谱录井分析软件将光谱仪采集到的信号保存到PC104并进行数据处理、显示与传输.其中，红外光源为卤钨灯丝，可提供1000～2000nm波段的连续光谱.红外光谱仪采集1600～1900nm范围内的红外光谱.长光程气体池是自行设计的长度为14m的长光程管.

2.2 软件系统

红外光谱录井分析仪软件部分主要对NIRQuest256-2.1型光谱仪进行二次开发.通过调用OmniDiver32.dll中的函数，创建对象、设置采集参数、获取光谱信息，最后对光谱数据使用最小二乘法反演出浓度信息并实时传输.软件系统分为5个功能模块：数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、数据传输模块及参数校订模块.工作过程中，各模块通过友好的控制界面实现人机交互，从而实现红外光谱录井分仪的系统功能.各功能模块如图2所示.

图2 软件功能框图

2.2.1 数据采集与数据存储

NIRQuest256-2.1型光谱仪中使用CCD模块，每次能采集256个像素点.待参数设置完毕后，点击单次采集/循环采集调用Wrapper_getSpectrum(WRAPPER_T c_wraper，int spec _trometerIndex，DOUBLEARRAY_T retval)函数获取存储光谱信息的DoubleArray类对象，并通过DoubleArray类中的getDoubleValue()函数获取浮点型数据.对应的波长信息通过调用Wrapper_getWaveLength(WRAPPER_T c_wraper，int spectrometer_Index，int wavelength _index)获得.软件中使用NTGraph控件进行实时光谱数据的显示，数据存储模块通过CStdioFile类创建文本文件，将获取的光谱信息字符串化，并调用CStdioFile中的WriteString(CString str)函数存储.

2.2.2数据处理与数据传输

数据处理模块首先获取实验室测得的吸收截面，然后利用实际测量出的光谱信息计算出吸光度OD′(λ)，最后根据(5)式，利用最小二乘法反演出气体的浓度信息并显示在软件界面中，同时软件默认保存浓度信息在安装目录以供查看，数据处理流程如图3.

图3 数据处理流程

浓度信息传送以串口传输实现.数据传输速率为9600bps，发送或接收控制字符和数据的每个字节[7]包括9位: 8 个数据位,1 个停止位.传输过程以BB为开始标记和以FF为结束标记，各浓度信息以“123.123”的格式依次排列，非该格式以0补齐的方式实现.

2.2.3 参数校订模块

仪器在长期使用或环境条件恶劣的情况下，光谱仪暗噪声会存在些变化，同时光源的光强也会随着时间的变化而改变，会给气体的浓度测量造成一定的误差，软件中设置校正模块，通过对标准气体测量进行定标实验，在仪器磨损情况下及时修正系统参数，以保证浓度反演的正确性和可靠性.

3 软件测试及分析

在实验室条件下通过注射器按4∶1∶1∶1∶1配比甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷5种烷烃气体，其余气体以空气填充.在常压和1mL/min流速下对该混合气体进行了多次测量，测试结果如表1所示.实验表明在选取波段1680～1780nm内有明显的吸收效果，SLA-1型光谱录井分析软件的数据采集、数据显示、数据保存、数据传输、参数校订等功能均能正常运行，能实时显示出当前的光谱信息，并及时反演出各种气体的组份信息.除丙烷浓度误差偏大，其余浓度误差均在5.5%以内，对各种烷烃气体能做到很好的区分效果，用户界面如图4所示.

表1 混合气体注样检测误差分析

图4 软件运行界面

4 结语

本文以差分吸收光谱技术为理论依据，研制了红外烷烃光谱录井分析仪，并以此为硬件平台对差分吸收算法进行了研究和控制界面的开发.实验结果表明该软件能满足实时在线监测烷烃气体的要求.

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