地層流體光譜掃描探頭設計

沈陽,孔筍,張小康

(中海油田服務股份有限公司,河北三河065201)

0 引 言

地層測試儀器需要在井下對地層流體進行精確分析判斷后取樣,利用近紅外光譜分析技術(shù)和化學計量方法能夠?qū)崟r得到流體的成分及含量,提供許多重要參數(shù)[1]。由于倍頻和合頻躍遷幾率低,原油類有機物質(zhì)在近紅外光譜區(qū)的消光系數(shù)弱,譜帶重疊嚴重[2]。

地層流體光譜掃描探頭能夠?qū)崟r測量地層流體物質(zhì)的近紅外吸收光譜,具有分析速度快且不破壞地層原狀流體的特點,結(jié)合化學計量方法,能夠分析出流體的成分和含量,為取得合格的高純樣品提供高效先進的技術(shù)手段[3]。

本文主要介紹了中海油田服務股份有限公司研制的近紅外光譜掃描探頭,其具備體積小、噪聲小、精度高、測量范圍大等特點,可以滿足在井下環(huán)境里對地層流體進行實時光譜分析的需求。

1 測量原理

地層流體光譜掃描探頭由光源、光纖、流通池、光譜掃描探頭和采集電路構(gòu)成(見圖1)。

光譜探頭工作時,光源發(fā)出的寬譜復合光透射穿過流體樣品池,由光纖傳光并聚焦進入到光譜探頭內(nèi),再經(jīng)光柵衍射分光,形成不同波長的單色光。單色光被CCD線性探測陣列接收,將光信號轉(zhuǎn)換為電信號[4]。

采集電路對電信號進行采集、處理并傳輸?shù)缴衔粰C。上位機完成對規(guī)定波長范圍內(nèi)光譜信息處理,得到井下流體的實時光譜圖像,并通過實驗室里建模得到的化學計量算法對井下流體進行定量分析計算。

圖1 近紅外光譜掃描分析系統(tǒng)的示意圖

2 探頭設計

2.1 光譜掃描探頭結(jié)構(gòu)設計

鑒于井下測量環(huán)境(空間、溫度)的限制,近紅外光譜掃描探頭的設計要高度集成化,因此,采用了MOEMS技術(shù)[5]、SOC技術(shù),將分光成像光學系統(tǒng)、核心器件、采集電路進行一體化集成設計。探頭的光學元件全部選擇非移動式部件,安裝在精密加工的固件上,提高了抗震性。

圖2為探頭的整體結(jié)構(gòu)圖,包括光纖接口、遮光器、準直器、濾光器、光柵、探測器等。整個光學基座采用鋁合金硬質(zhì)陽極氧化的表面處理工藝,提高了強度和抗腐蝕能力,同時降低了系統(tǒng)相應信號的電磁干擾。

圖2 近紅外光譜掃描探頭的結(jié)構(gòu)圖

2.2 光學設計

光學系統(tǒng)是分析探頭的核心部分,其設計直接影響探頭的光譜范圍、分辨率等關(guān)鍵性能參數(shù)[6]。設計系統(tǒng)時,先以點光源將初始結(jié)構(gòu)代入仿真軟件中進行仿真優(yōu)化直至達標,然后再加入狹縫,考察全波段像斑是否滿足要求,滿足后則進行后續(xù)公差分析和光學零件設計等工作,不滿足則重新計算初始結(jié)構(gòu)。

2.2.1光柵設計

探頭基于微型化設計要求,在充分考慮系統(tǒng)像差、光能等問題的基礎上,采用了平場凹面光柵結(jié)構(gòu)(見圖3)。

平場凹面光柵兼有準直、衍射和聚焦的作用[7]。該設計能有效減少光學元器件,而且裝調(diào)難度小,可靠性高。

2.2.2狹縫設計

狹縫寬可以增加光強,但會使得各個譜線的像隨之增大,造成相鄰譜線重疊,光譜面對比下降。在保證探頭的分辨率為5 nm的要求下,經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)狹縫寬度為50 μm時,點光源再現(xiàn)點相鄰5 nm的像元分離得很清楚(見圖4),光譜成像面的平直度也很好,光路結(jié)構(gòu)能夠滿足要求。

圖4 點光源再現(xiàn)點列圖

2.2.3探測器的選擇

考慮系統(tǒng)光譜范圍、分辨率和工作環(huán)境溫度等因素[8],從器件的信噪比、靈敏度(轉(zhuǎn)換效率)、動態(tài)范圍、暗電流等多個參數(shù)比較,最終選擇了HAMAMATSU公司的InGaAs線陣圖像探測器G12230。

探測陣列最優(yōu)的工作溫度為0 ℃,所以,探頭在探測CCD部分采用了二級半導體制冷技術(shù),并設計了相關(guān)的控制電路。

2.3 電路設計

電路部分主要完成對陣列探測器的驅(qū)動、光譜信息的采集與處理、制冷系統(tǒng)的控制、供電電源、對外接口功能的需求[9]。

系統(tǒng)通過驅(qū)動模塊為探測器提供電源與驅(qū)動時序,并通過制冷器控制模塊為探測器中的制冷器提供恒溫控制,在穩(wěn)定溫度下探測器輸出穩(wěn)定的測量光譜;采集模塊將探測器輸出的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)化,并通過FPGA模塊進行數(shù)據(jù)緩沖;然后通過控制模塊經(jīng)RS485或USB接口與主機進行通信,完成光譜信息采集。整個電路系統(tǒng)分為驅(qū)動電路、制冷控制電路、采集電路、電源電路和主控電路(見圖5)。

圖5 電路整體結(jié)構(gòu)圖

2.3.1驅(qū)動電路設計

該電路的主要功能是將探測器的驅(qū)動脈沖從3.3 V數(shù)字控制時序脈沖變?yōu)? V的時序脈沖。探測器器件驅(qū)動時序為定時時序,在控制器的協(xié)議和流程控制下為探測器提供一定的時序邏輯脈沖。

驅(qū)動探測器的脈沖和驅(qū)動電源要滿足其相應的電平要求,CCD的參考電壓設置為1.25 V。

2.3.2制冷控制電路設計

該設計中,TEC控制選用ADI公司的ADN8830芯片,用于設定和穩(wěn)定TEC的溫度,在典型應用中,最大溫漂電壓低于250 mV,能夠使目標溫度誤差低于±0.01 ℃。每個加載在ADN8830輸入端的電壓對應一個目標溫度設定點。適當?shù)碾娏魍ㄟ^TEC將驅(qū)動TEC對紅外焦平面供熱或制冷。探測器的溫度由負溫度系數(shù)熱敏電阻來測量并反饋給ADN8830,用于調(diào)整系統(tǒng)回路和驅(qū)動TEC工作。

2.3.3電源電路設計

探頭外部輸入為9 V電源,由于內(nèi)部各模塊所需要的電壓種類較多,要為A/D、FPGA、USB、制冷器模塊、探測器探測器、參考基準等分別提供穩(wěn)定可靠的5、3.3 V和其他穩(wěn)定電源。電壓轉(zhuǎn)換采用同步電壓轉(zhuǎn)換芯片TPS54335實現(xiàn)。

2.3.4采集電路設計

為了保證采集精度和圖像信號質(zhì)量,系統(tǒng)選用16 bit的A/D轉(zhuǎn)換器,能夠減小其量化誤差,有利于提高信噪比。該設計采用AD9826芯片對線陣列信號進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,該器件工作在0.4 MHz頻率下,工作時鐘為3.2 MHz。為最大范圍地提高信噪比,采用4 V的量化量程。如果電路噪聲在1 mV,則理想情況下信噪比就可以達到4 000∶1,完全能夠滿足系統(tǒng)設計要求。

3 測試情況

光譜儀的性能測試主要包括光譜響應、信噪比、分辨率、樣品測試等方面,以確定探頭是否能滿足井下工作條件的需求[6]。測試平臺包括光譜探頭、電源、光源、樣品池及上位機等。

3.1 光譜響應曲線測試

以鹵鎢燈為光源,樣品池放置波長1 647.4 nm的窄帶濾光片,截取圖譜,探頭的光譜響應曲線(見圖6)。曲線波長讀出值為1 582.29 nm,光譜的響應良好。

圖6 探頭在1 647.4 nm的光譜響應曲線

3.2 探頭分辨率測試

采集氙燈光譜曲線(見圖7),測量1 763.9 nm特征峰半高全寬值,再測量1 647.3 nm與1 656.0 nm特征峰波長之差的一半。由圖可以計算,探頭1 760 nm特征峰半高寬值為4.69 nm,即該探頭的分辨率為4.69 nm。

圖7 探頭氙燈光譜相應曲線

3.3 探頭信噪比測試

(1)

(2)

則信噪比SNR為

(3)

式中,n為采樣次數(shù);xi為第i次單像元點光譜響應值[7]。

探頭的積分時間取3 ms,對光譜波長1 630 nm進行采樣(見圖8)。經(jīng)上述公式計算,信噪比的值為1 359∶1。

圖8 探頭在1 630 nm處信號

3.4 樣品光譜測試

用光譜掃描分析探頭進行了原油、0號柴油的樣品測試。圖9是原油光譜曲線圖,其峰值吸收波長為1 725 nm,正是原油的特征波長,準確、明顯。

圖9 原油光譜曲線圖

圖10為采集的柴油光譜曲線圖,從下至上是光程分別為1、2、3、5 mm和10 mm柴油樣品的光譜曲線?？梢钥闯?不同光程的樣品均在1 725 nm具有柴油的特征峰,只是峰值大小不同,這說明探頭性能準確,能定性定量測試不同的流體樣品。

圖10 不同光程下的柴油吸收光譜圖

4 結(jié)束語

根據(jù)地層流體吸收光譜的特點,成功設計出相應的近紅外光譜掃描探頭。通過實驗室各項參數(shù)測試和一些樣品的光譜測量,驗證了該探頭的性能指標。

光譜掃描探頭是地層流體光譜分析的硬件基礎,利用探頭進行原油樣本建模和化學計量學方法可以實現(xiàn)井下原油性質(zhì)的快速評價,有效地進行水檢測、水油區(qū)分、油型確定及原油碳數(shù)組分的定量分析。