WGA1000軟件系統(tǒng)設(shè)計及定量分析方法優(yōu)化研究

高 偉，喬 佳，吳曼曼，岑延相，蔡偉光，汪建凱，黃正旭

(1.暨南大學質(zhì)譜儀器與大氣環(huán)境研究所，廣東 廣州 510632；2.廣州禾信儀器股份有限公司，廣東 廣州 510530)

WGA1000軟件系統(tǒng)設(shè)計及定量分析方法優(yōu)化研究

高 偉1，喬 佳2，吳曼曼2，岑延相2，蔡偉光2，汪建凱2，黃正旭1

(1.暨南大學質(zhì)譜儀器與大氣環(huán)境研究所，廣東 廣州 510632；2.廣州禾信儀器股份有限公司，廣東 廣州 510530)

介紹了國內(nèi)第一款用于錄井系統(tǒng)的快速氣相色譜-四極桿質(zhì)譜聯(lián)用氣測儀WGA1000軟件系統(tǒng)，說明了其設(shè)計原理和用戶界面實現(xiàn)方法。該軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了對儀器的運行狀態(tài)和參數(shù)的精確控制，以及對數(shù)據(jù)的快速采集與處理，可得到各組分的實時濃度值，并將該結(jié)果傳送給終端服務(wù)系統(tǒng)，最終獲得鉆井過程中各組分濃度的變化趨勢圖；通過改進和優(yōu)化線性校正方法與離子掃描方式，顯著提高了氣體組分定量計算結(jié)果的準確性和重復性。經(jīng)過長期現(xiàn)場應(yīng)用及模擬實驗證明，WGA1000軟件系統(tǒng)結(jié)合硬件及數(shù)據(jù)解析軟件系統(tǒng)，能夠滿足目前氣測錄井系統(tǒng)在線氣體分析儀器的實時監(jiān)測要求。

氣測錄井；軟件設(shè)計；線性校正方法；離子掃描方式

Abstract: This paper mainly introduced the design principle and user interface implementation as well as optimization of quantitative analysis method of software system for domestic first gas measuring instrument which is based on the fast gas chromatography quadrupole mass spectrometer. The WGA1000 software system is a real-time acquisition and control system. It’s based on Windows operating system, MFC programming realization, and its interface style is similar to the Office. The theme framework includes chromatogram control, mass spectrometer control, data acquisition, data playback, component quantitation, alarm and record as well as temperature and pressure control, ion scanning method, peak judgment, peak intensity calculation and concentration correction. So far, the software system has realized that instrument running state and parameters were precisely controlled, the real-time concentration values of each component were obtained by collecting and processing the data quickly, it’s worth noting that the concentration values were received through the software automatically deducting the background density under the condition of the same depth, the accuracy of the results are higher. Then the results were transmitted to the terminal service system, and finally the variation tendency of each component concentration was obtained in the drilling process. By observing and analyzing the change trend of each component concentration, the staff can quickly judge underground strata structure and the content of oil and gas. This work can largely improve the work efficiency and provide a guarantee for drilling safety. We found that in the previous work conventional linear fitting method tends to cause the intercept of fitting equation too big, leading to low signal concentration calculation error, It’s unsuitable for larger linear range data analysis, moreover, conventional ion scanning period is longer and leads to the less number of the points above the peak and the poor peak shape stability. Adopting subsection calibration can avoid the calculation error of the highest point and the lowest point and segmented ion scanning can increase the number of the points above the peak, quantitative results and repeatability of the target components have been significantly improved by optimizing the linear correction method and ion scanning mode. Another major breakthrough about the system is automatic step calculation especially for methane in order to increase the dynamic range. It has been approved after long-term field application and simulation experiments, WGA1000 software system combined with hardware and data analysis software can meet the real-time monitoring requirement of on-line gas measuring instrument in gas logging system.

Keywords： gas logging; software design; linear correction method; ion scanning mode

目前，國內(nèi)主流的錄井氣測儀都是基于快速氣相色譜(fast gas chromatography, FGC)原理，采用氫氣作為載氣，對C1～C5烷烴組分進行分離，并用氫火焰離子化檢測器進行定量檢測，分析周期約為30 s[1-8]。近年來，隨著錄井數(shù)據(jù)解釋評價體系的不斷完善，國外逐步發(fā)展了分析周期更短、檢測組分更多的錄井氣測儀器，如四極桿質(zhì)譜儀(quadrupole mass spectrometer，QMS，美國FIT公司的dq1000系統(tǒng))、快速氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(FGC-MS，法國Geoservices公司的FLAIR系統(tǒng))等[9-10]。與常規(guī)FGC技術(shù)相比，這些方法將可檢測組分從C5擴展到C8甚至C12及部分苯系物、環(huán)烷烴，可為識別油、氣、水層提供更全面、更有說服力的數(shù)據(jù)。其中，C1～C8烷烴及苯系物的分析周期只需90 s，載氣采用氮氣替代了原來的氫氣，或者不需任何載氣，更加安全可靠。特別是FGC-Q MS聯(lián)用技術(shù)，具有較強的定性和定量能力，未來在油氣組分分析領(lǐng)域勢必會有廣闊的發(fā)展前景。但目前未見采用FGC-Q MS聯(lián)用技術(shù)的國產(chǎn)錄井氣測儀的報道，相關(guān)錄井儀器技術(shù)及數(shù)據(jù)解析技術(shù)被國外大型油田服務(wù)公司所壟斷，國內(nèi)用戶租賃使用和維護成本昂貴，對國內(nèi)石油勘探技術(shù)的發(fā)展十分不利。

本課題組研制了國內(nèi)第一款氣測錄井專用的在線快速氣相色譜-四極桿質(zhì)譜聯(lián)用儀[11-12](型號：WGA1000)，采用安全易得的氮氣作為載氣，實現(xiàn)了25 s內(nèi)對C1～C5烷烴(包括C4、C5同分異構(gòu)體)的分析，90 s內(nèi)對C1～C8烷烴(包括C4、C5同分異構(gòu)體)、環(huán)烷烴及苯系物等近20種化合物的分析，檢測靈敏度達1×10-6，線性范圍超過5個數(shù)量級。本工作將詳細介紹WGA1000氣測儀軟件系統(tǒng)的設(shè)計原理和用戶界面實現(xiàn)方法，包括設(shè)備控制，數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)饶K，并重點介紹數(shù)據(jù)定量分析方法的優(yōu)化設(shè)計及優(yōu)化效果測試。

1 儀器硬件結(jié)構(gòu)

WGA1000的工作原理及整機結(jié)構(gòu)設(shè)計在文獻[11]中已有詳細描述，這里僅作簡單介紹。

儀器整機由氮氣發(fā)生器、采樣系統(tǒng)、快速氣相色譜儀、四極桿質(zhì)譜儀、采集控制軟件及電控系統(tǒng)等部分組成，并通過樣品氣管線與前端脫氣器連接使用。采樣泵直接抽取管線中的氣體樣品，并通過十通閥切換將樣品導入色譜柱進行快速分離，同時對C8以上的重組分進行反吹，各組分分離后依次進入四極桿質(zhì)譜進行單組分檢測，經(jīng)軟件處理可得到各組分的實時定性和定量結(jié)果，并及時傳輸給綜合錄井服務(wù)器，即完成一個分析周期。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)界面

WGA1000的采集控制軟件系統(tǒng)是一款基于Windows操作系統(tǒng)、MFC編程實現(xiàn)、界面風格類似于Office的實時采集控制系統(tǒng)，其主要功能是通過上位機實現(xiàn)整機儀器的自動控制和狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)的采集處理和傳輸。

經(jīng)過長期的改進優(yōu)化，結(jié)合現(xiàn)場使用需求反饋，軟件大體分為設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集處理兩大模塊，具體包括色譜控制、質(zhì)譜控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)回放、組分定量、警報及記錄等部分，并涵蓋了溫度壓力控制、離子掃描方法、峰判斷、峰強度計算、濃度校正等算法實現(xiàn)，系統(tǒng)框架示于圖1。其中，實時曲線采用Tee Chart圖形控件顯示，數(shù)值采取列表方法顯示，質(zhì)譜/色譜內(nèi)部信息通過定時輪詢的方式獲取相關(guān)信息并顯示在界面上。采集周期進度通過定義高精度定時器方式設(shè)置。

2.1 設(shè)備控制模塊設(shè)計

色譜控制采用串口通信，串口可通過軟件自動識別和連接。該組件利用多線程進行狀態(tài)輪詢，并采用異步接口讀寫數(shù)據(jù)用于控制色譜的啟停狀態(tài)，設(shè)定溫度、壓力及過程參數(shù)，并實時監(jiān)控參數(shù)當前狀態(tài)。

質(zhì)譜控制基于OPC協(xié)議進行信息交互，直接采用WinSock技術(shù)，通過OPC COM接口方式分別對四極桿質(zhì)譜的燈絲開關(guān)和電流參數(shù)、電子倍增器開關(guān)及電壓參數(shù)、離子掃描通道及相關(guān)參數(shù)、數(shù)據(jù)采集狀態(tài)等進行控制。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計重點包括數(shù)據(jù)采集方式、判峰方法、濃度計算方法、數(shù)據(jù)傳輸方式等部分。由于檢測器是四極桿質(zhì)譜儀，采用選擇離子掃描方法采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)定量分析。根據(jù)預設(shè)目標組分的特征離子質(zhì)荷比，記錄各組分的離子流(ion current, IC)曲線，并計算曲線上特定流出時間位置的出峰面積，作為組分濃度的計算依據(jù)。

圖1 WGA1000軟件系統(tǒng)框架圖Fig.1 Software system framework diagram of WGA1000

對于包括C1～C8烷烴及苯系物、環(huán)烷烴等近20種待測組分的混合標樣及未知樣品來說，需要掃描的離子多達10個左右(m/z13，15，26，43，56，57，78，83，84，91等)。采用常規(guī)離子掃描方法檢測，發(fā)現(xiàn)組分濃度結(jié)果的重復性較差。分析認為可能是由于較多離子通道同時掃描，延長了掃描周期，使各IC曲線上的掃描點數(shù)減少，出峰形狀不穩(wěn)定，進而導致峰面積的重復性變差。為解決上述問題，軟件設(shè)計采用分段式離子掃描方法，根據(jù)分析周期內(nèi)各組分出峰時間的不同，設(shè)置各組分特征離子的開啟與停止掃描時間，盡量將每個離子的掃描時間范圍壓縮。例如，甲烷在20 s出峰，峰寬約為1 s，只需在15～25 s之間掃描其特征離子m/z15，其他時間段不掃描；而苯在50 s出峰，則只需在45～55 s之間掃描其特征離子m/z78，其他時間段不掃描，即可達到在所有組分都檢測的前提下，縮短掃描周期(ms量級)、增加IC曲線上有效點數(shù)的目標。

獲得IC曲線數(shù)據(jù)后，即需要進行峰提取和計算。由于C1～C8烷烴及苯系物、環(huán)烷烴等組分的分離程度和響應(yīng)強度差別較大，如C7之后的重組分分離度較好，但是響應(yīng)低、峰較寬、峰形差，而C3～C4等輕組分響應(yīng)較高、峰形窄，但分離度略差，峰之間會重疊，因此，要實現(xiàn)準確定量，需采用不同的判峰算法。為了提高IC曲線上峰信息的檢測準確性，軟件設(shè)計借鑒小波變換[13]對各組分進行判峰。在不損失峰強度的情況下對重組分峰峰形進行平滑優(yōu)化處理，在指定保留時間下加寬判斷范圍，對重疊峰按照其交叉點的相對高度進行分峰處理，并且加強判峰條件。該方法不僅簡化了步驟，在去除濾波及基線處理的過程中，還能有效地處理重疊峰，比常規(guī)的峰處理方法更準確高效。

對于WGA1000，各組分IC峰強度與濃度呈線性關(guān)系，線性范圍超過5個數(shù)量級。軟件設(shè)計采用外標法擬合各組分的線性標準曲線計算未知樣品中各組分濃度。但采用常規(guī)最小二乘法線性擬合的測試結(jié)果表明，較低濃度樣品的濃度計算結(jié)果準確性較差。認為是由于WGA1000氣測儀的線性動態(tài)范圍較寬(超過5個數(shù)量級)，常規(guī)線性擬合容易造成線性方程的截距數(shù)值較大，導致低信號的濃度計算結(jié)果誤差較大。因此需要對濃度校正方法進行改進優(yōu)化。經(jīng)對比、測試多個方法，采用分段線性方程校正方法，將每相鄰兩個濃度-信號強度點連接成一條直線得到一個方程，即分段獲得多個y=kx+b方程，根據(jù)信號強度范圍選擇方程并計算濃度值，該方法可消除過大截距值對低強度信號計算濃度產(chǎn)生的誤差。

該軟件系統(tǒng)的另一較大突破是對于甲烷組分的濃度檢測。一般要求檢測濃度范圍較寬，并超過儀器本身的線性動態(tài)范圍。為解決該問題，軟件設(shè)計對甲烷分別預設(shè)高豐度離子和低豐度離子2組特征掃描通道，并繪制2條線性標準曲線。每周期采集到IC曲線數(shù)據(jù)后，根據(jù)高豐度離子的信號強度和預設(shè)的曲線切換信號閾值，選擇使用其中一組離子的信號強度及相應(yīng)標準曲線進行濃度計算，這樣可同時兼顧靈敏度和線性動態(tài)范圍兩方面。

得到各組分原始定量結(jié)果后，軟件自動扣除相同采集井深條件下的背景濃度值，獲得組分真實濃度。軟件將各周期組分濃度值實時保存并顯示濃度變化曲線。采用Socket技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)將各組分濃度值實時傳送給綜合錄井服務(wù)器，實現(xiàn)組分濃度在線監(jiān)測。

2.3 用戶界面實現(xiàn)

WGA1000軟件的用戶界面參考Windows Office風格，包含菜單欄、工具欄、狀態(tài)欄和視圖區(qū)等。視圖區(qū)是界面設(shè)計的重點，包含4個可切換的視圖界面，分別是參數(shù)設(shè)置界面、數(shù)據(jù)采集界面、數(shù)據(jù)回放界面和組分定量界面，示于圖2。其中，參數(shù)設(shè)置界面可對離子掃描通道和質(zhì)荷比等參數(shù)進行設(shè)置；數(shù)據(jù)采集界面會實時更新顯示采集過程時間進度條、運行時間、采集次數(shù)、當前狀態(tài)、井深等信息；數(shù)據(jù)回放界面可顯示和回放采集數(shù)據(jù)以及濃度值，并可實現(xiàn)組分濃度的再次計算和更新，最終可導出或者打印該數(shù)據(jù)；組分定量界面可自動或者手動提取峰強度和保留時間，并可對離群數(shù)據(jù)進行主觀判別和剔除，給出多點線性擬合校準曲線。另外，還可通過菜單欄打開色譜控制界面、質(zhì)譜調(diào)諧控制界面等。

圖2 軟件實現(xiàn)界面Fig.2 Software implementation interface

3 軟件定量分析方法優(yōu)化效果測試與結(jié)果討論

3.1 實驗條件

色譜系統(tǒng)選擇通道2抽取樣品，采用恒溫程序升壓方式實現(xiàn)快速分離：柱箱恒溫75 ℃，載氣1恒壓0.6 MPa，載氣2初壓0.6 MPa，保持30 s后升至0.65 MPa；色譜柱為CP-Sil 5CB柱(30 m×0.25 mm)，美國Agilent公司產(chǎn)品。

質(zhì)譜系統(tǒng)選取m/z13、15、26、43、56、57、83、84、78和91這10種離子對C1～C816種待測組分進行表征，離子掃描時間為20 ms；SEM工作電壓1 200 V；進樣管路及進樣口溫度分別為100 ℃和120 ℃。

實驗樣品包括C1～C8混合標準氣體，其中C1濃度為0.05%，其他組分均為0.005%；丙烷系列濃度單標氣體，依次為5×10-6、0.005%、0.05%、0.5%、5%；正丁烷系列濃度單標氣體，依次為5×10-6、0.005%、0.05%、0.5%、5%，均為廣州世源氣體有限公司產(chǎn)品。

3.2 分段線性方程校正方法

如上所述，對于WGA1000用常規(guī)線性擬合曲線計算低濃度樣品的濃度，計算結(jié)果準確性較差，可能是由儀器本身線性動態(tài)范圍較寬(超過5個數(shù)量級)導致的，軟件設(shè)計采用分段線性方程校正方法進行改進。本實驗通過對比常規(guī)線性擬合曲線校正和分段線性方程校正的濃度計算結(jié)果，測試濃度校正方法的改進效果。

依次抽取、檢測正丁烷系列濃度單標氣體，并記錄各濃度IC曲線的出峰保留時間及峰強度，結(jié)果列于表1?？梢钥闯?，組分保留時間穩(wěn)定，且該濃度處于儀器的線性范圍內(nèi)，可以進行正丁烷組分的準確定性和定量分析。

表1 正丁烷系列濃度單標IC曲線的出峰保留時間及峰強度Table 1 Retention time and peak intensity of nC4H10 in different ion curves

分別采用上述兩種方法擬合濃度-峰強度校正曲線，檢測標樣并計算正丁烷組分濃度，計算結(jié)果列于表2。結(jié)果表明：在當前較寬數(shù)量級情況下，常規(guī)的線性擬合結(jié)果偏差較大，特別是計算低濃度信號時結(jié)果誤差更大；而分段線性方程校正的計算結(jié)果在各濃度范圍都比較準確，適合在當前情況下采用。

表2 不同校正曲線計算所得正丁烷組分濃度值Table 2 List of nC4H10 concentration values in different calibration curves

3.3 分段式離子掃描方法

如上所述，待測樣品中包括C1～C8及苯系物、環(huán)烷烴等近20種待測組分，因此所需檢測的定量特征離子數(shù)也較多，采用常規(guī)的離子掃描方法連續(xù)檢測，發(fā)現(xiàn)組分濃度定量重復性較差。分析認為是由較多離子通道同時掃描使得各IC曲線點數(shù)減少導致的。為解決該問題，軟件設(shè)計采用分段式離子掃描方法進行改進。本實驗通過對比常規(guī)離子掃描和分段式離子掃描的連續(xù)定量計算結(jié)果，測試離子掃描方法的改進效果。

選擇丙烷、正丁烷組分系列濃度單標氣體進行濃度校正(需掃描離子通道有m/z43、56、57等)；再進行連續(xù)多周期進樣檢測，包含C1～C8及苯系物等近20種待測組分的混合標樣；分別采用上述兩種方式進行離子掃描，并對丙烷、正丁烷組分進行定量計算。

采用常規(guī)離子掃描方法，所有組分定量所需的10個離子通道全部依次掃描，檢測得到的多個周期濃度計算值及其相對標準偏差值(RSD)列于表3。可以看出，丙烷、正丁烷等組分濃度值的標準偏差較大，超過使用需求的5%。

表3 采用常規(guī)離子掃描和分段離子掃描方式組分定量重復性結(jié)果對比Table 3 Comparison of the results of repeated quantitative experiments in conventional ion scanning and segmented ion scanning

采用分段式離子掃描方法，整個分析周期內(nèi)所有組分定量所需的10個離子通道依然全部掃描，但根據(jù)各組分出峰時間的不同，通過軟件設(shè)置各組分離子通道的開啟與停止掃描時間，盡量將每個離子的掃描時間范圍壓縮，使得短時間內(nèi)掃描的離子減少，可有效增加IC曲線上的點數(shù)。由表3可以看到，組分濃度標準偏差明顯減小，滿足低于5%的使用要求。

實驗表明，采用分段式離子掃描方式在實際操作中能夠減少近一半的掃描通道數(shù)量，對提高組分定量重復性有明顯效果。需要說明的是，表中各組分標定時間和所用檢測器電壓有所不同，導致計算結(jié)果絕對值與標稱值有差距，在后續(xù)工作中將繼續(xù)關(guān)注該數(shù)值的相對穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本工作詳細介紹了WGA1000軟件的系統(tǒng)設(shè)計原理、用戶界面實現(xiàn)方法及相關(guān)定量分析方法的優(yōu)化研究；實現(xiàn)了對設(shè)備運行狀態(tài)與參數(shù)的自動控制以及數(shù)據(jù)的實時采集與處理，并通過設(shè)計分段式線性校正與分段式離子掃描方法，有效地提高了氣體組分濃度計算結(jié)果的準確性和重復性。經(jīng)過多次改進，目前軟件系統(tǒng)功能完善、運行穩(wěn)定，配套WGA1000硬件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)解析軟件系統(tǒng)，能夠滿足綜合錄井系統(tǒng)氣體分析儀的在線監(jiān)測要求。

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Design and Optimization of Quantitative Analysis Method for WGA1000Software System

GAO Wei1, QIAO Jia2, WU Man-man2, CEN Yan-xiang2, CAI Wei-guang2, WANG Jian-kai2, HUANG Zheng-xu1

(1.InstituteofMassSpectrometryandAtmosphericEnvironment,Ji’nanUniversity,Guangzhou510632,China; 2.GuangzhouHexinInstrumentCO.,LTD.,Guangzhou510530,China)

O657.63

A

1004-2997(2017)05-0559-08

10.7538/zpxb.2016.0176

2016-11-04;

2017-01-18

國家863計劃項目(2014AA06A501)；協(xié)同創(chuàng)新與平臺環(huán)境建設(shè)-國際科技合作(2014A050503013)；2016廣州市產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新重大專項對外合作項目(2016201604030010)；“廣東特支計劃”科技青年拔尖人才項目(2015TQ01X149)資助

高 偉(1982—)，男(漢族)，河北唐山人，副研究員，從事飛行時間質(zhì)譜儀的研發(fā)和應(yīng)用。E-mail: w.gao@hxmass.com

黃正旭(1982—)，男(漢族)，福建莆田人，高級工程師，從事飛行時間質(zhì)譜儀的研發(fā)和應(yīng)用。E-mail: zx.huang@hxmass.com

時間：2017-04-13；網(wǎng)絡(luò)出版地址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2979.TH.20170413.0920.008.html