石油录井中红外CO2气体传感器的选择方法

郑奕挺，王晓丹

（1．中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京 100101;2．胜利石油管理局 地质录井公司，山东 东营 257064）

0 引言

石油钻探过程中，录井发挥着钻探者眼睛的作用，其中检测钻井液中CO2含量是重要的录井项目之一，对随钻、后期油气评价解释有重要意义［1，2］。国内录井气体检测采用红外光谱吸收法有近20年历史，从国外引进到自主研发，在准确度和稳定性方面已经接近国外产品，如英国爱丁堡气体检测公司的红外气体检测模块。一般而言，采用红外光谱吸收法检测选择的传感器有2种:热电堆传感器和热释电传感器。由于录井现场分布于世界各个油气田，地域跨度大，要求测量仪器能满足大范围温度变化的需要。长期以来，选择CO2红外传感器的原则较为模糊，本文以试验测试数据为依据，论述如何正确选择传感器。

1 红外检测原理

红外光谱吸收法是利用被测气体对红外光的特征吸收从而实现气体成分的体积分数分析。当对应某一气体具有特征吸收的光波通过这一被测气体时，其强度将明显减弱，强度衰减程度与该气体体积分数有关。根据对出射光强的测试，可确定被测气体的体积分数，对确定波长的红外光波的吸收，其强度和被测气体体积分数间的关系遵守比尔定律［3～5］。其基本原理结构如图1所示。

图1 红外检测器原理图Fig 1 Principle diagram of infrared detector

基本数学模型:大部分有机和无机多原子分子气体在红外区有特征吸收波长。当红外光通过时，这些气体分子对特定波长的透过光强可由朗伯—比尔定律表示

式中I0为人射光强;I为透过光强;l为气体介质厚度，p为体积分数，k为吸收系数。

而吸收光强i可表示为

吸收系数k是一个非常复杂的量，它不仅与气体种类、入射光波长有关，而且还受环境温度、环境大气压等因素的影响。因此，对于变温、变气压的工作环境，k是一个变值，从而直接影响吸收光强I。

2 热电堆红外传感器及其放大电路

热电堆红外传感器的原理是大量的热电偶堆集在底层的硅基上，底层上的高温接点和低温接点通过一层极薄的薄膜隔离它们的热量，高温接点上面的吸收层将入射的放射线转换为热能，由热电效应可知，输出电压与放射线呈比例关系。

以PerkinElmer公司的TPS2534热电堆红外传感器为例，描述其放大电路。TPS2534传感器主要由外壳、滤光片、热电堆元件组成，有2个滤波窗，分别是参考窗和测量窗。针对参考通道和测量通道，设计了2个对称的放大电路，图2是其中一路放大电路。C3，R1，R2构成一级放大，以 C4，R5 交流耦合，C6，R6，R7 构成二级放大，R17，R18 构成零位提升，便于后续ADC采集，放大器选用高阻抗输入、低噪声芯片TLC2252。

图2 热电堆传感器放大电路Fig 2 Amplifier circuit of thermopile sensor

3 热释电红外传感器的放大电路

当一些晶体受热时，在晶体两端产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象称为热释电效应。热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。热释电效应产生的电荷会与空气中的离子结合而消失，当环境温度不变时，传感器无输出。如果在热释电元件接上适当的电阻器，当元件受热时，电阻器上就有电流流过，在两端得到电压信号。

以PerkinElmer公司的PYS3228热释电红外传感器为例，描述其放大电路。PYS3228传感器主要由外壳、滤光片、热释电元件、场效应管组成，有2个滤波窗，分别是参考窗和测量窗。针对参考通道和测量通道，设计了2个对称的放大电路，图3是其中一路放大电路。以C4，R4交流耦合，C10，R9，R10构成放大，R13，R14 构成零位提升，便于后续ADC采集，放大器选用高阻抗输入、低噪声芯片TLC2252。

图3 热释电传感器放大电路Fig 3 Amplifier circuit of pyroelectric sensor

4 控制和采集方法

4．1 系统结构

为了测试热电堆和热释电红外传感器性能，设计了包括主控制器ADuC845和外围电路、红外发光管驱动电路、液晶显示、通信电路等。系统结构如图4所示。

图4 系统硬件整体结构框图Fig 4 Overall structure block diagram of system hardware

4．2 红外发光管驱动电路

红外发光管选用PerkinElmer公司的IRL715，是一种白炽灯，采用低频电调制，波长从可见光到5 μm，适合 CH（3～3．5 μm）和 CO2（4．15 ～4．4 μm），输出稳定可靠，时间常数短，工作在5 V电源时，寿命可达40 000 h。IRL715采用了1 Hz脉冲调制，主控制器ADuC845通过I/O口发送脉冲信号控制发光管的调制过程。控制时序如图5。

图5 时序控制图Fig 5 Diagram of timing control

4．3 采集时序和ADC设置

红外发光管和信号采集时序见图5，具体为:1）采集传感器2个通道的信号A1，A2;2）红外发光源发光200 ms;3）采集传感器2个通道的信号B1，B2;4）红外发光源熄灭800 ms;5）计算（B1－A1）/（B2－A2）的值，根据这个值计算出检测气体的体积分数，不断循环上述5个步骤［6，7］，并将ADuC845内置的24位ADC采样周期设置为1 ms，采样精度能达到15位以上。

4．4 标定方法

根据公式I=I0e－kpl，透过光强I与气体体积分数p呈指数递减关系。为了得到更加准确的测量值，系统采用三次样条插值方法，并设置为非扭结边界条件，也就是强制使第一个点的3次导数和第二点的3次导数一样;最后一个点的3次导数和倒数第一个点一样。在Matlab 7．0中显示的标定曲线见图6。

图6 标定曲线Fig 6 Calibration curve

5 试验数据

分别对由热电堆传感器和热释电传感器组成的系统的测量结果进行分析，分析的指标是准确度和精密度。准确度以10次测量结果的平均值的相对误差来衡量，精密度以10次测量结果的相对标准偏差来衡量。

5．1 热电堆传感器的测量数据

在10，30，50 ℃ 温度下，分别注入 0．2%，1%，10%，50%，80% 的CO2气体，等待30 s后，每5 s读取仪器液晶屏上测量值，连续读取10次。测量结果见表1～表3。

表1 在10℃下热电堆传感器系统的测量值Tab 1 Measurement values of thermopile sensor system at 10℃

表2 在30℃下热电堆传感器系统的测量值Tab 2 Measurement values of thermopile sensor system at 30℃

表3 在50℃下热电堆传感器系统的测量值Tab 3 Measured values of thermopile sensor system at 50℃

5．2 热释电传感器的测量数据

在10，30，50℃温度下，分别注入 0．2%，1%，10%，50%，80% 的CO2气体，等待30 s后，每5 s读取仪器液晶屏上测量值，连续读取10次，结果见表4～表6。

表4 在10℃下热释电传感器系统的测量值Tab 4 Measurement values of pyroelectric sensor system at 10℃

表5 在30℃下热释电传感器系统的测量值Tab 5 Measured values of pyroelectric sensor system at 30℃

表6 在50℃下热释电传感器系统的测量值Tab 6 Measurement values of pyroelectric sensor system at 50℃

从表1～表6看出:在10，30，50℃温度下:

1）由热电堆传感器组成的系统的平均值相对误差为－10．50%～11．50%，由热释电传感器组成的系统的平均值相对误差为－28．00%～34．50%，前者的准确度要好。

2）由热电堆传感器组成的系统的相对标准偏差为0．13%～6．89%，由热释电传感器组成的系统的相对标准偏差为0．04%～5．21%，后者的精密度要好。

6 结论

在10，30，50℃温度下，对热电堆传感器和热释电传感器组成的系统的测量结果的准确度和精密度进行分析。对比2套系统的准确度和精密度，热电堆的系统的精密度较差，但受环境温度影响较小，准确度更优。综合考虑石油录井应用领域的特殊性，即环境温度变化较大，热电堆传感器更适合于石油录井CO2检测。

［1］ 曲希玉，刘 立，杨会东，等．油伴生CO2气的成因及其石油地质意义［J］．中国石油大学学报:自然科学版，2011，35（4）:41－46．

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