一种基于现场参数包的便携式HPAM浓度检测仪、现场参数包建立方法及检测方法

本发明涉及油田化学检测及便携式分析仪器，具体涉及一种能够根据目标现场条件选择机器可读参数集合，并对复杂油田样品进行预处理提示、光学检测、有效性判断和hpam浓度换算的便携式hpam浓度检测仪、现场参数包建立方法及检测方法。

背景技术：

1、部分水解聚丙烯酰胺，英文名称为partially hydrolyzed polyacrylamide，简称hpam，广泛应用于聚合物驱油、调剖堵水以及采出液处理等油田生产环节。对配制液、注入液和采出液中的hpam浓度进行检测，是评价聚合物配制质量、注入效果、降解情况及返排情况的重要手段。

2、现有hpam浓度检测方法通常包括浊度法、显色法、分光光度法、定氮法和胶体滴定法等。上述方法一般需要根据已知浓度标准溶液建立标准曲线，再将待测样品的检测响应代入标准曲线或换算关系中计算hpam浓度。现有光学检测装置也能够通过发光元件、光电检测元件和信号处理电路采集样品的散射光、透射光或其他光学响应。

3、但是，油田现场样品的组成通常较为复杂。不同油田区块所使用的hpam种类、分子量、水解度和目标浓度范围可能不同；样品中的矿化度、表面活性剂、悬浮物和油类物质含量也可能存在明显差异。这些因素会影响样品的光学响应和浓度换算关系，使得单一预处理条件、通用标准曲线或通用光学响应模型难以稳定适用于多个现场条件。

4、此外，现有便携式浊度或光学检测装置通常侧重输出通用浊度值或光学响应值，仍需要操作者根据现场条件选择处理流程和浓度换算关系。若样品预处理条件、校准参数、浓度模型或有效性判断条件选择不当，容易造成模型错配、结果偏差或在响应不稳定、超出模型范围时仍输出浓度结果。

5、因此，需要一种能够将目标现场条件、样品预处理参数、光学响应校准参数、hpam浓度换算模型以及有效性判断参数进行关联存储，并能够根据待测样品条件调用相应参数的便携式hpam浓度检测仪、现场参数包建立方法及检测方法，以提高复杂油田样品现场检测的适配性和可靠性。

6、现有技术虽然已经公开了利用标准曲线测定hpam浓度的方法、利用数据库或比对结果反演聚丙烯酰胺浓度的在线光学检测方案，以及适于现场使用的便携式检测方法，但上述方案通常只是建立单一标准曲线、存储检测数据或根据光学响应进行浓度反算，并未将目标现场条件、样品预处理参数、光学响应校准参数、浓度换算模型参数和有效性判断参数作为同一机器可读现场参数包进行绑定建立和匹配调用。

7、进一步地，现有方案通常不能保证浓度模型的建立条件与现场待测样品的预处理条件、反应条件和检测条件保持一致，也未在无匹配参数包、参数包无效、响应不稳定、超出模型有效范围或检测信号饱和时阻止正式浓度结果输出，因而仍存在模型错配和无效响应被强制换算的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有hpam现场检测中通用预处理条件、通用光学响应模型或人工选择标准曲线难以适配不同油田现场条件，容易造成模型错配、结果偏差以及无效响应仍被换算输出的问题，本发明提供了一种基于现场参数包的便携式hpam浓度检测仪、现场参数包建立方法及检测方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于现场参数包的便携式hpam浓度检测仪，包括检测仪主体，所述检测仪主体包括壳体组件、样品检测单元、信号采集处理单元、人机交互单元、供电单元和存储单元。

4、所述样品检测单元包括样品槽、发光元件和光电检测元件。

5、所述样品槽用于容纳装有反应后待测样品的样品瓶。

6、所述发光元件用于向所述待测样品发出检测光。

7、所述光电检测元件用于接收由所述待测样品产生的光学响应并输出检测电信号。

8、所述信号采集处理单元包括信号调理电路和主控电路板。

9、所述光电检测元件、所述信号调理电路和所述主控电路板依次连接。

10、所述信号调理电路用于对所述光电检测元件输出的检测电信号进行调理。所述主控电路板用于执行信号采集、数字处理、现场参数包选择、响应标准化、有效性判断、浓度换算以及人机交互控制。

11、所述存储单元设置于所述主控电路板上，或者与所述主控电路板通信连接。

12、所述存储单元中存储有多个机器可读的现场参数包。

13、每一所述现场参数包至少包括现场条件匹配参数、样品预处理参数、光学响应校准参数、浓度换算模型参数、有效性判断参数和参数包标识信息。

14、所述现场条件匹配参数用于描述现场参数包的适用条件。

15、所述适用条件包括以下至少两项：油田区块标识、样品来源类型、hpam种类、hpam分子量范围、hpam水解度范围、目标浓度范围、油田水矿化度范围、表面活性剂含量范围、悬浮物含量范围和含油状态。

16、所述样品预处理参数用于描述待测样品的处理方式。

17、所述样品预处理参数包括以下一项或多项：干扰抑制剂种类、干扰抑制剂浓度和加入量、过滤器孔径、反应试剂种类和浓度、样品与试剂加入量、混合方式以及反应时间。

18、所述光学响应校准参数用于将检测电信号、检测电压或模数转换结果换算为标准化光学响应值r。

19、在本发明的一种实施方式中，所述标准化光学响应值r为经多点校准得到的等效浊度响应值。

20、所述标准化光学响应值r作为浓度换算模型的输入量，在同一现场参数包内与所述浓度换算模型参数一一对应。

21、所述浓度换算模型参数用于根据所述标准化光学响应值计算hpam浓度。

22、所述浓度换算模型参数至少包括模型类型、模型系数或节点参数以及模型有效响应范围。

23、当标准化光学响应值与hpam浓度在预设误差范围内满足线性关系时，采用线性模型；当不满足线性关系但相邻标准点之间满足单调关系时，采用分段线性模型。

24、所述有效性判断参数用于判断所述标准化光学响应值是否满足浓度换算条件。

25、所述有效性判断参数至少包括响应稳定性阈值、模型有效响应范围和模数转换饱和阈值；在部分实施方式中，还包括稳定性判断超时时间参数。

26、所述主控电路板被配置为：接收通过所述人机交互单元输入的目标现场标识信息和/或待测样品条件信息，并根据所述现场条件匹配参数选择相匹配的现场参数包；根据所选择的现场参数包输出样品预处理操作提示，控制所述发光元件发光并采集所述检测电信号；根据所述光学响应校准参数将所述检测电信号转换为标准化光学响应值；根据所述有效性判断参数判断所述标准化光学响应值是否有效；在判断为有效时，根据所述浓度换算模型参数计算hpam浓度并通过所述人机交互单元输出hpam浓度结果；在判断为无效时输出相应的提示信息。

27、优选的，所述存储单元包括设置于所述主控电路板上的非易失性存储器、与所述主控电路板通信连接的存储卡接口或者可拆卸存储介质；所述现场参数包能够存储于sd卡、microsd卡或者其他机器可读存储介质中，并由所述主控电路板读取、校验和调用。

28、优选的，所述主控电路板按照如下匹配规则选择现场参数包：对于油田区块标识、样品来源类型和hpam种类中的分类信息，采用相同信息匹配；对于hpam分子量、hpam水解度、目标浓度、油田水矿化度、表面活性剂含量和悬浮物含量中的数值信息，采用待测样品条件落入相应参数范围内的方式匹配；当存在两个以上相匹配的现场参数包时，按照预设优先级、参数范围最小原则或版本优先级选择其中一个现场参数包。

29、优选的，所述壳体组件包括底座外壳、上盖外壳和可开闭盖体，所述上盖外壳设有与所述样品槽对应的样品放置开口，所述可开闭盖体关闭所述样品放置开口时，与所述上盖外壳和所述样品槽共同形成遮光检测腔。

30、优选的，所述供电单元包括电源开关，所述电源开关设置于所述壳体组件的靠近所述样品槽一侧的侧壁上，用于控制所述供电单元向所述检测仪主体供电。

31、优选的，所述发光元件的出光方向与所述光电检测元件的接收方向相交设置，二者之间的夹角为80°至100°。

32、优选的，所述发光元件的出光方向与所述光电检测元件的接收方向相互垂直，所述发光元件为中心波长在620nm至680nm范围内的发光二极管，所述光电检测元件为硅光电二极管或硅光电传感器。

33、优选的，所述样品槽为圆柱形遮光样品槽，所述样品槽的侧壁设有用于安装所述发光元件的第一安装部和用于安装所述光电检测元件的第二安装部。

34、优选的，所述信号调理电路包括跨阻放大电路和滤波电路，用于将所述光电检测元件输出的光生电流转换为电压信号并进行滤波；所述主控电路板包括模数转换单元。

35、所述参数包标识信息包括参数包编号、版本信息、有效状态信息和完整性校验信息；所述主控电路板仅调用通过完整性校验并处于有效状态的现场参数包。

36、优选的，所述光学响应校准参数包括多个标准响应点以及相邻标准响应点之间的分段换算参数，所述标准响应点由标准浊度液或具有已知光学响应的校准样品建立。

37、优选的，所述多个标准响应点包括与0ntu、50ntu、100ntu、200ntu、300ntu、400ntu和500ntu对应的标准响应点，所述标准化光学响应值为经所述标准响应点校准的等效光学响应值。

38、优选的，所述主控电路板被配置为连续采集多个模数转换原始值，对所述多个模数转换原始值进行排序，去除预定数量的较大值和较小值后计算剩余原始值的平均值，并对不同采集周期的平均值进行指数加权移动平均处理。

39、优选的，每一采集周期连续采集32个模数转换原始值，去除其中最大的3个原始值和最小的3个原始值，对剩余26个原始值取平均；所述指数加权移动平均处理的滤波系数为0.12。

40、优选的，所述有效性判断参数包括响应稳定性阈值、模型有效响应范围和模数转换饱和阈值；所述主控电路板被配置为根据连续多个采集结果的极差判断响应稳定性，并根据所述标准化光学响应值是否处于所述模型有效响应范围内判断检测结果是否超出检测范围。

41、优选的，所述人机交互单元包括触摸显示屏，所述触摸显示屏用于输入目标现场标识信息和/或待测样品条件信息、显示样品预处理操作提示、选择现场参数包以及显示hpam浓度结果和检测状态。

42、优选的，所述便携式hpam浓度检测仪还包括与所述检测仪主体配套封装的样品预处理套件，所述样品预处理套件包括干扰抑制剂、过滤器以及包含次氯酸钠工作液和乙酸工作液的反应试剂组。

43、本发明还提供另一种技术方案，一种基于现场参数包的便携式hpam浓度检测仪的使用方法，采用上述便携式hpam浓度检测仪，并使用干扰抑制剂、过滤器和反应试剂组，包括以下步骤：

44、s1：现场参数包选择。通过人机交互单元输入目标现场标识信息和/或待测样品条件信息，使主控电路板根据现场条件匹配参数，从存储单元中选择与待测样品相匹配的现场参数包；

45、s2：样品预处理。根据所选择的现场参数包中的样品预处理参数对待测样品进行预处理，所述预处理至少包括在过滤前向待测样品中加入干扰抑制剂，混合后通过过滤器进行过滤；

46、s3：样品反应。将过滤所得样液与反应试剂组混合并反应，使hpam形成与其浓度相关的光学响应；

47、s4：光学测量。将装有所述反应后样液的样品瓶放入样品槽中，在遮光条件下使发光元件向所述反应后样液发出检测光，并由光电检测元件采集光学响应；

48、s5：响应标准化。通过信号调理电路和主控电路板对所采集的光学响应依次进行电流电压转换、滤波、模数转换和数字处理，并根据所述现场参数包中的光学响应校准参数获得标准化光学响应值；

49、s6：有效性判断。根据所述现场参数包中的有效性判断参数判断所述标准化光学响应值是否满足浓度换算条件；

50、s7：浓度计算与输出。在满足浓度换算条件时，根据所述现场参数包中的浓度换算模型参数将所述标准化光学响应值换算为hpam浓度并输出；在不满足浓度换算条件时，输出响应不稳定、超出检测范围或信号饱和中的相应提示。

51、优选的，所述现场参数包按照如下方式预先建立：采用与目标现场所使用的hpam种类相同或对应的hpam标准品，以及目标现场油田水或者与所述目标现场油田水组成相对应的模拟油田水，配置至少五组不同已知浓度的hpam标准溶液；按照与待测样品相同或对应的干扰抑制、过滤、反应试剂加入、混合和反应时间条件处理各组hpam标准溶液；对每组hpam标准溶液进行至少三次光学响应测量并计算平均响应值；根据各已知浓度和对应的平均响应值建立浓度换算模型，确定模型有效响应范围和响应稳定性阈值；将所述目标现场条件、样品预处理参数、光学响应校准参数、浓度换算模型参数和有效性判断参数关联存储为所述现场参数包。

52、优选的，当各已知浓度与对应平均响应值在预设误差范围内满足线性关系时，采用线性模型；当不满足所述线性关系但相邻标准点之间具有单调关系时，采用分段线性模型。

53、所述分段线性模型的第i段满足：

54、c＝kir＋bi，

55、其中：

56、ki＝[ci＋1－ci]/[ri＋1－ri]；

57、bi＝ci－kiri；

58、c为hpam浓度，r为标准化光学响应值，ci和ci＋1为相邻两个已知标准浓度，ri和ri＋1为与所述相邻两个已知标准浓度对应的平均响应值。

59、优选的，所述干扰抑制剂为亚甲基蓝工作液，所述过滤器为孔径5μm的针式过滤器；所述亚甲基蓝工作液的浓度和加入量作为样品预处理参数存储在所述现场参数包中，并根据目标现场空白样品和hpam加标样品的光学响应确定。

60、优选的，所述反应试剂组包括次氯酸钠工作液和乙酸工作液，所述样品预处理参数至少包括所述次氯酸钠工作液和乙酸工作液的浓度、加入量、混合方式和反应时间。

61、优选的，取0.8ml过滤所得样液加入样品瓶中，再加入4.6ml以有效氯计含量为1.3%的次氯酸钠工作液和4.6ml乙酸含量为29.5%的乙酸工作液，混合后反应10min。

62、优选的，所述有效性判断包括：以150ms为采集间隔获得24个连续采集结果，当所述24个连续采集结果中的最大值与最小值之差小于15个模数转换计数值时，判断为响应稳定；当自稳定性判断开始起15s内未满足所述响应稳定条件时，输出重新检测提示；在允许用户记录当前平均响应值的情况下，将所述当前平均响应值标记为非稳定检测记录，且不根据所述当前平均响应值输出正式hpam浓度结果。

63、优选的，当所述标准化光学响应值位于浓度换算模型的模型有效响应范围之外时，输出超出检测范围提示；当模数转换结果达到预设饱和阈值时，输出信号饱和提示。

64、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

65、第一，本发明通过将现场条件、样品预处理参数、光学响应校准参数、浓度换算模型参数和有效性判断参数绑定为同一机器可读现场参数包，使检测仪在执行浓度换算前先完成现场条件匹配、参数包完整性校验和有效状态判断，从而避免将不对应现场条件的预处理参数或浓度模型用于待测样品，降低模型错配造成的浓度偏差；

66、第二，本发明通过现场条件匹配参数对不同油田区块、不同hpam类型和不同样品基质条件进行区分，使同一检测仪能够适配多个现场条件，提高了复杂油田样品现场检测的适用性；

67、第三，本发明通过将标准溶液建模过程中的预处理条件、反应条件和检测条件与待测样品检测过程进行关联，使浓度换算模型的建立条件和使用条件保持一致，有助于降低因处理条件或模型条件不一致造成的浓度换算偏差；

68、第四，本发明通过在浓度换算前进行响应稳定性、模型有效范围和信号饱和判断，能够避免对响应不稳定、超出模型范围或信号饱和的无效检测结果强制输出浓度值，提高了检测结果的可靠性；

69、第五，本发明通过遮光检测腔、光电信号调理和数字滤波处理相结合，能够降低环境光和瞬时信号波动对光学检测结果的影响；

70、第六，本发明能够由检测仪直接以hpam浓度形式输出检测结果，减少人工查询标准曲线和手工换算步骤，提高现场检测效率；

71、第七，本发明的现场参数包并非仅用于存储不同浓度换算曲线，而是用于限定一次hpam现场检测任务中的参数一致性。具体而言，同一现场参数包内的现场条件匹配参数、样品预处理参数、光学响应校准参数、浓度换算模型参数和有效性判断参数由相同或对应的目标现场样品体系建立，并在检测任务中整体绑定调用。检测仪在浓度输出前依次执行参数包完整性校验、有效状态判断、现场条件匹配、样品预处理参数调用、光学响应标准化、模型有效范围判断、响应稳定性判断和信号饱和判断。由此，能够避免现有便携式光学检测装置中仅显示通用光学响应值、人工选择标准曲线或不同参数来源混用造成的模型错配问题；

72、第八，检测验证实验表明，在hpam浓度范围相同的情况下，不同现场参数包对应的浓度换算模型存在差异；当将第一现场条件样品强制代入第二现场参数包对应的浓度模型时，换算结果明显偏离参考浓度。由此可见，本发明通过现场参数包整体绑定和有效性门控输出，不仅提高了检测结果的准确性，还避免了无匹配参数包、参数包无效、响应不稳定、超出模型范围或信号饱和时产生误导性正式浓度结果。