一种光谱原理的气体浓度快速分析仪的制作方法

1.本实用新型属于石油勘探领域，特别涉及该领域中的一种在石油工程勘探录井现场使用的气体浓度快速分析仪。


背景技术：

2.石油勘探过程中由井底返出的气体富含丰富信息，对烷烃类气体、以及非烃类气体快速发现对地层油气显示，识别水淹层，识别岩性，剖面恢复，以及地层压力预测等具有重要意义。
3.现有的录井现场气体分析方法多是依靠色谱方法，例如中国发明专利申请cn110887900a公开了一种录井色谱仪多组份双流程分析装置及分析方法，而色谱方法主要存在以下问题：
4.(1)分析周期长，无法实时检测气体。
5.(2)分析仪配套设备太多，需要空气发生器和氢气发生器，体积较大，稳定性差、成本较高。
6.(3)随着移动互联网、大数据分析、云计算技术的不断发展，为了突破勘探开发过程的空间与时间限制，远程勘探以及无人值守技术越来越被重视。而色谱方法不具备自动校准条件，需人工定期校准，已经不能适应远程勘探、无人值守的技术发展要求。


技术实现要素：

7.本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种光谱原理的气体浓度快速分析仪。
8.本实用新型采用如下技术方案：
9.一种光谱原理的气体浓度快速分析仪，其改进之处在于：包括两位三通电磁阀1和电磁阀2，电磁阀2的两个进气口分别与零点气源和标气源相通，电磁阀2的出气口与电磁阀1的一个进气口相通，电磁阀1的另一个进气口与脱气装置的排气口相通，电磁阀1的出气口与抽气泵的进气口相通，抽气泵的出气口与流量阀的进气口相通，流量阀的出气口与气室的进气口相通，由恒温控制系统对气室温度进行恒温控制，宽带光源经两个不同波长的滤光片进行滤光，得到λ1和λ2两个波长的入射光，两个入射光穿过气室内的被测气体分别射入探测器1和探测器2，探测器1和探测器2均与信号调理电路电连接，信号调理电路与处理器电连接，处理器与上述的电磁阀1和电磁阀2电连接。
10.进一步的，脱气装置安装在石油钻井现场泥浆出口槽之上，包括由交流电机驱动搅拌钻井液的叶片。
11.进一步的，波长λ1的入射光在被测气体的吸收峰上，为检测信号；波长λ2的入射光为参考信号，被测气体在波长λ2的入射光光谱上吸收很弱或不吸收。
12.进一步的，恒温控制系统采用pid算法，控温精度
±
0.1℃。
13.进一步的，信号调理电路包括滤波电路、放大电路和模数转换电路。
14.进一步的，处理器为arm处理器，还包括与处理器电连接的通信电路、信号转换电
路、存储电路和显示电路。
15.一种运行方法，适用于上述的分析仪，其改进之处在于：处理器控制电磁阀1和电磁阀2的气路选择与切换，使脱气装置的地层样气、零点气源的零点气和标气源的标气中，仅有一种气体经抽气泵和流量阀进入气室，宽带光源经两个不同波长的滤光片照射气室内的被测气体后，探测器1和探测器2输出的电信号分别为：
[0016][0017][0018]
式中i(λ1)和i(λ2)分别是两种入射光的出射光强，i0(λ1)和i0(λ2)分别是两种入射光的入射光强，g(λ1)和g(λ2)是被测气体分子的吸收系数；c是气体浓度；l是光程的长度，β(λ1)和β(λ2)是光路的干扰因素；
[0019]
探测器1和探测器2输出的电信号经信号调理电路滤波、放大、模数转换后进入处理器，处理器根据下式得出被测气体浓度：
[0020][0021]
进一步的，电磁阀由处理器直接控制，或者由处理器根据接收的远程指令进行控制。
[0022]
本实用新型的有益效果是：
[0023]
本实用新型所公开的分析仪，无分析周期限制，可对地层样气进行实时分析，通过更换部分光路器件，即可实现对不同种类气体的浓度检测，可以满足不同场合的多种气体检测需要。体积小、重量轻，不需要复杂的配套设备，安装位置灵活，可以安装在仪器房内，也可以安装在井口，成本较低，具有较高的市场应用价值。
[0024]
本实用新型所公开的运行方法，通过零点和满量程点两点校准，使分析仪获得较好的线性测量结果，具有较高的稳定性和一致性。无需人工干预，即可实现分析仪远程自动校准，能较好的满足石油远程勘探作业应用需求。
附图说明
[0025]
图1是本实用新型实施例1所公开分析仪的组成框图。
具体实施方式
[0026]
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0027]
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种光谱原理的气体浓度快速分析仪，包括两位三通电磁阀1和电磁阀2，电磁阀2的两个进气口分别与零点气源3和标气源4相通，电磁阀2的出气口与电磁阀1的一个进气口相通，电磁阀1的另一个进气口与脱气装置5的排气口相通，电磁阀1的出气口与抽气泵6的进气口相通，抽气泵的出气口与流量阀7的进气口相通，流量阀的出气口与气室8的进气口相通，由恒温控制系统9对气室温度进行恒温控制，宽带光源10经两个不同波长的滤光片进行滤光，得到λ1和λ2两个波长的入射光，两个入射光穿
过气室内的被测气体分别射入探测器1和探测器2，探测器1和探测器2均与信号调理电路11电连接，信号调理电路与处理器12电连接，处理器与上述的电磁阀1和电磁阀2电连接。
[0028]
钻井过程中会向井下注入循环泥浆，泥浆将钻屑运输到地面，起到清洁井眼，平衡或克服井筒内的地层压力，将井控风险降到最低，冷却和润滑钻柱和钻头的作用，同时井底气体也会随着钻井液传输至地面。脱气装置安装在石油钻井现场泥浆出口槽之上，通过一个交流电机控制叶片搅拌钻井液，将钻井液携带的地层样气释放出来，再通过后端的抽气泵和流量阀将气体送入气室进行识别分析。
[0029]
电磁阀1与电磁阀2均是两位三通电磁阀，每个电磁阀有两个工作状态，实现气路选择和切换，其中电磁阀2可以选择零点气或标气向后端电磁阀1输出，零点气是不含有待测成分或干扰物质的气体，标气是分析仪可以测量的最大量程的样气。电磁阀1可以选择地层样气或电磁阀2向后端抽气泵输出。通过电磁阀1和电磁阀2可以实现每一时刻三种气体(地层样气、零点气、标气)中，仅有一种气体进入后端气室，电磁阀可以由处理器直接控制或处理器接收远程指令进行控制，通过对电磁阀控制即可实现分析仪远程自动校准功能。
[0030]
抽气泵将电磁阀1输出的气体向后端传送，经过流量阀对输出气体进行稳压稳流，气体进入气室中，根据朗伯比尔(lambert-beer)定律，设出射光强为i，则出射光强i与入射光强i0之间的关系为：
[0031]
i＝i0e-g(λ)cl
ꢀꢀ
(1)
[0032]
g(λ)是被测气体分子的吸收系数；c是气体浓度；l是光程的长度。上式可调整为：
[0033][0034]
对于确定的被测气体和系统结构，g(λ)l是一个确定的量，因此只要测出i和i0的比值就能得出被测气体的浓度。由于光路中存在干扰因素，较难准确获取入射光强，故采用参考信号与检测信号差分比较方法来确定被测气体浓度。采用一个宽带光源，在同一气室内，经两个不同波长的滤光片进行滤光，得到波长邻近的λ1和λ2两个波长的入射光，其中λ1在被测气体的吸收峰上，而被测气体在波长λ2光谱上吸收很弱或不吸收，这里将波长λ1的入射光作为检测信号，波长λ2的入射光作为参考信号。
[0035]
由于不同气体的吸收峰存在差异，如co2特征吸收峰在4.26μm，甲烷特征吸收峰为3.35μm，为了满足石油勘探现场对不同类型气体的检测需求，可以通过更换宽带光源和滤光片实现对相应气体的检测。
[0036]
考虑光路干扰因素，波长λ1和λ2的入射光通过被测气体后，经探测器1和探测器2输出的电信号分别为：
[0037][0038][0039]
式中i(λ1)和i(λ2)分别是检测信号和参考信号的出射光强，i0(λ1)和i0(λ2)分别是检测信号和参考信号的入射光强，β(λ1)和β(λ2)是光路的干扰因素。上面两式相除，可得：
[0040][0041]
因为选取的λ2同λ1相差很小，而且光辐射几乎同时进入和通过被测气体，因此近似
有：
[0042]
i0(λ1)≈i0(λ2)
[0043]
β(λ1)≈β(λ2)
[0044]
从而有：
[0045][0046]
式中，[g(λ1)-g(λ2)]l为常数，根据检测信号与参考信号出射光强即可检测出被测气体的浓度，可以看出，这种差分检测方法不仅可以从理论上完全消除光路的干扰因素，还可以消除宽带光源输出光功率不稳定的影响。上述的光路检测部分还可以使用傅立叶光谱、光声光谱、激光光谱等其他原理实现。
[0047]
由于光学系统微小的变化(如结构件的热胀冷缩等)即会引起很大的测量误差，外界温度的变化也会影响恒温系统的热平衡状态，引起测量误差，因此为了测量结果的精密度，应尽可能减小使用过程中环境温度的波动，并对气室进行恒温控制，采用pid算法(比例、积分、微分)实现环境温度精准控制，控温精度
±
0.1℃。
[0048]
信号调理电路包括滤波电路、放大电路和模数转换电路。处理器为arm处理器，还包括与处理器电连接的通信电路、信号转换电路、存储电路和显示电路，可以实现气体浓度远程发送，信号转换、本地存储和显示功能。
[0049]
本实施例所公开的分析仪，基于光谱原理，配套简单、分析快速、成本低。
[0050]
本实施例还公开了一种运行方法，适用于上述的分析仪，处理器控制电磁阀1和电磁阀2的气路选择与切换，使脱气装置的地层样气、零点气源的零点气和标气源的标气中，仅有一种气体经抽气泵和流量阀进入气室，其中零点气和标气进入气室时为校准模式。宽带光源经两个不同波长的滤光片照射气室内的被测气体后，探测器1和探测器2输出的电信号分别为：
[0051][0052][0053]
式中i(λ1)和i(λ2)分别是两种入射光的出射光强，i0(λ1)和i0(λ2)分别是两种入射光的入射光强，g(λ1)和g(λ2)是被测气体分子的吸收系数；c是气体浓度；l是光程的长度，β(λ1)和β(λ2)是光路的干扰因素；
[0054]
探测器1和探测器2输出的电信号经信号调理电路滤波、放大、模数转换后进入处理器，处理器根据下式得出被测气体浓度：
[0055][0056]
电磁阀由处理器直接控制，或者由处理器根据接收的远程指令进行控制。
[0057]
本实施例所公开的运行方法，可以结合现场需求进行自动校准，从而提升分析仪的稳定性。