石油录井中红外CO2气体传感器的选择方法.pdf

2 0 1 3年 第 3 2卷 第 6期 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d M i c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 7 3 石油录井中红外 C O2 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 1 0 0 1 0 1 ； 2 ． 胜利石油管理局 地质录井公司， 山东 东营 2 5 7 0 6 4 摘要通过组建检测系统分别测试热电堆和热释电传感器， 分别在 l O， 3 O， 5 O ℃下对其进行试验， 试验 结果 平均值相对误差分别 为 一l O ． 5 0％ 一l 1 ． 5 O％和 --2 8 ． 0 0％一3 4 ． 5 0％ ， 相对标 准偏差 分别为 0 ． 1 3％一 6 ． 8 9 ％和 0 ． 0 4 ％～ 5 ． 2 1 ％。由热电堆传感器组建的系统的精度低于热释电传感器， 但温度漂移 较小。综合考虑传感器本身的特性和石油现场较大的温度变化， 指出热电堆传感器比热释电传感器适合 于石油录井 C O 2 检测。 关键词石油录井； 红外光谱吸收法；C O ； 热电堆；热释电 中图分类号 P 6 3 1 ． 8 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 - - 9 7 8 7 2 0 1 3 0 6 - 0 0 7 3 - 0 4 S e l e c t i n g me t h o d o f i n f r a r e d CO2 g a s s e ns o r i n pe t r o l e u m mud l o g g i ng ZHENG Yi t i n g ，W ANG Xi a o ． da n 1 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， S I NOP E C，B e U i n g 1 0 0 1 0 1 ， Ch i n a ； 2 ． S h e n gii Ge o l o g g i n g C o mp a n y ， D o n g y i n g 2 5 7 0 6 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T wo d e t e c t i n g s y s t e ms b a s e d o n t h e r mo p i l e an d p y r o e l e c t r i c s e n s o r s a r e s e t u p a n d t e s t e d a t 1 0， 3 0， 5 0 o C s e p a r a t e l y ． E x p e r i me n t a l r e s u l t i S t h a t r e l a t i v e e r r o r s o f a v e r a g e v a l H e a r e--1 0 ． 5 0％一 1 1 ． 5 0％a n d 2 8 ． O O％一 3 4． 5O％a nd t h e r e l a t i v e s t a nd ard de v i a t i o ns a r e 0．1 3 ％～ 6．8 9％a nd 0．0 4％～ 5． 21％r e s pe c t i v e l y ． The e x p e ri me n t o f t h e t h e r mo p i l e s e n s o r s y s t e m i s p o o r e r t h a n p y r o e l e c t rie s e n s o r ， b u t t e mp e r a t u r e d r i ft i s s ma l 1 ． T h r o u g h c o n s i d e rin g t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f s e n s o r s a n d l a r g e t e mp e r a t u r e v a r i a t i o n s a t mu d - l o g g i n g s i t e ， i t i s p r o p o s e d t h a t t h e t h e r mo p i l e s e n s o r i s mo r e s u i t a b l e f o r CO 2 d e t e c t i o n t h a n t h e p y r o e l e c t r i c s e n s o r ． Ke y wo r d sp e t r o l e u m mu d - l o g g i n g；i n f r a r e d s p e c t r a l ab s o r p t i o n me t h o d；CO 2；t h e r mo p i l e ；p y r o e l e c t r i c 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 C O 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 J 。国内录井气体检测采 用红外光谱吸收法有近 2 0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 C O 。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 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 1 - 0 6 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 。其基本原理结构如图 l所示。 红外 发光管 红外 检测器 滤光片 图 1 红外检测器原理 图 F i g 1 P r i n c i p l e di a g r a m o f i nf r a r e d d e t e c t o r 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 7 4 传 感 器 与 微 系 统 第 3 2卷 对特定波长 的透 过光强可 由朗伯一 比尔定律表示 ，／ o e- k p l ， 1 式中， n为人射光强； ， 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 i ， -1 1 o 1一e ． 2 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 ， 。 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P e r k i n E l m e r 公司的 T P S 2 5 3 4热电堆红外传感器 为 例， 描述其放大 电路。T P S 2 5 3 4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。c 3 ， R 1 ， R 2构成一级放大 ， 以 c 4， R 5交流耦合， c 6 ， R 6 ， R 7构成二级放大， R 1 7 ， R 1 8构 成零位提升， 便于后续 A D C采集， 放大器选用高阻抗输入 、 低噪声芯片 T L C 2 2 5 2 。 T 圈 2 热电堆传感器放大电路 F i g 2 Ampl i fi e r c i r c u i t o f t h e r mo p i l e s e ns or 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 P e r k i n E l m e r 公司的 P Y S 3 2 2 8热释电红外传感器为 例， 描述其放大电路。P Y S 3 2 2 8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 C 4 ， R 4交流耦合， C 1 0 ， R 9 ， R 1 0构成放大， R 1 3 ， R 1 4构成零位提升， 便于后续 A D C采集， 放大器选用高阻抗输入、 低噪声芯片T L C 2 2 5 2 。 ． A D u C 84 5 臣 至 亘 至 墅 卜 匝 主 控 制 器 I 。 一 匝巫亟] _ _ 岖 H l 4 3 2 之 I 。 一I 一2 3 4 高 位值B ， ＼ ／ ， l ＼ 韶 蛤 信 { l ＼ 一 H l l 单片机输 出的脉 冲信 号 l l U l 2 j 4 5 6 ／ l U 时间 ／ 1 0 0ms 图 5时序控制图 Fi g 5 Di a g r a m o f t i mi ng c o nt r o l 4 ． 3 采集时序和 A D C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 A 1 ， A 2； 2 红外发光源发光2 0 0 ms ； 3 采集传感器 2个通道的信号 B l ， B 2 ； 4 红外发光源熄灭 8 0 0 m s ； 5 计算 B 1 -A 1 ／ B 2一A 2 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 ， 并将 A D u C 8 4 5内置的 2 4位 A D C采样 周期设 置 为 1 m s ， 采样 精 度能达到 1 5位以上。 4 ． 4标 定 方 法 根据公式 l ／ o e 一 ， 透过光强 ，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 第 6期 郑奕挺， 等 石油录井中红外 C O 。 气体传感器的选择方法 7 5 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 M a t l a b 7 ． 0中显 示的标定曲线见图 6 。 1 00 9 0 80 70 6 0 5 0 4 0 3 O 2 O 1 0 0 O ． 8 o ．9 1 ．o 1 ． 1 1 ． 2 1 ． 3 1 ．4 1 ．， 比例值 无量纲 图 6 标定 曲线 Fi g 6 Ca l i b r a t i o n c ur v e 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 1 0次测量结果的平均值的相对误差来衡量， 精密度以 1 O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 l O ， 3 O ， 5 O℃ 温度 下 ， 分 别 注入 0 ． 2％ ， 1％ ， 1 0％ ， 5 O ％ ， 8 O ％ 的 c 0 气体， 等待3 0 s 后 ， 每 5 s 读取仪器液晶 屏上测量值， 连续读取 1 0次。测量结果见表 1一 表3 。 表 1 在 1 O℃下热电堆传感器系统的测量值 Ta b 1 M e a s ur e m e n t v a l u e s o f t h e r mo p i l e s e n s o r s y s t e m a t 1 0 o C 表 2在 3 0℃下热电堆传 感器 系统 的测量值 Ta b 2 M e a s u r e me n t V a I u o f t h e r m o pfl e s e n s o r s y s t e m a t 3 0℃ 测量值 ％ 序 号 0 ． 2％ 1％ 1 0％ 5 0％ 8 0％ 9 l O 均值 均值相对误差 标 准偏差 相对标 准偏差 0 ． 1 9 O ． 2 1 O ． 1 8 O ． 1 9 O． 1 8 O ． 1 9 0． 2O 一 2． 0 0 0 ． 0 1 6 ． 8 9 1 o 3 02 02 0 3 1 ． 01 1 ． 0 2 1． O1 1 ． 2 O 0． 0 1 1 ． 46 1 O 1 O 1 O 1 0 1 0 ． 0 7 1 0 ． 0 8 1 O ． O 8 0． 8 O O ． 0 3 0 ． 2 9 5 0 ． 8 5 5 0 ． 7 9 5 0 ． 5 7 1 ． 1 3 0 ． 1 9 O ． 3 8 8 0 ． 7 4 8 O ． 8 6 8 0 ． 7 8 0 ． 9 7 0 ． 1 1 O ． 1 4 表 3在 5 0℃下热电堆传 感器 系统的测量值 Ta b 3 M e a s u r e d v a l u e s o f t h e r mo p i l e s e ns 0 r s y s t e m a t 5 O℃ 5 ． 2热释 电传感器的测量数据 在 1 0 ， 3 0 ， 5 O℃温度下， 分别注入 0 ． 2％， 1％， 1 0％， 5 O％， 8 O ％ 的 C O 2 气体， 等待 3 0 s 后 ， 每 5 S 读取仪器液晶 屏上测量值， 连续读取 1 O次 ， 结果见表4～ 表 6 。 表 4在 1 0℃下热释 电传感器 系统的测量值 Ta b 4 M e a s u r e me n t v a l u e s o f p y r o e l e e t r i c s e n s 0 r s y s t e m a t1 0 C 测量值 ％ 序 号 0 ． 2％ 1％ 1 O％ 5 0％ 8 0％ 1 0 ． 1 5 0 ． 9 1 8 ． 7 8 4 2 ． 6 4 7 1 ． 2 5 9 1 0 均值 均值相对误差 标准偏差 相对标准偏差 0 ． 1 4 0 ． 9 0 8 ． 7 8 4 2 ． 6 0 7 1 ． 2 O 0． 1 4 0 ． 1 5 0 ． 1 4 0 ． 1 5 0 ． 1 4 0 ． 9 1 8 ． 8 0 4 2 ． 6 1 7 1 ． 2 3 0 9 1 8 ， 7 9 4 2 ． 6 5 7 1 ． 1 9 0 ． 9 1 8 ． 7 9 4 2 ． 6 4 7 1 ． 2 4 0 ． 9 1 8 ． 7 9 4 2 ． 5 8 7 1 ． 1 7 0 ． 9 1 8 ． 7 9 4 2 ． 6 2 7 1 ． 2 2 2 8 ． 0 0 9 ． 2 0 1 2 ． 1 2-1 4 ． 7 6 -1 0 ． 9 8 0 ． 0 1 0． 0 1 0 ． 0 1 0 ． 0 3 0 ． 0 3 3 ． 5 9 0． 7 0 0 ． 0 9 0 ． 0 6 0 ． 0 4 表 5 在 3 0 ℃下热释 电传感器系统的测量值 Ta b 5 M e a s u r e d v a l u e s o f p yr o e l e c t r i c s e n s o r s y s t e m a t3 0℃ 籁求 的以s } 虬 ∞∞鲫鲫 M； }； 鸱 ∞ ∞∞ 印 鲫 ； 宝 ∞儿 7 6 传 感 器 与 微 系 统 第 3 2卷 表 6 在 5 O℃下热释 电传感器 系统的测量值 Ta b 6 M e a s ur e me nt v a l u e s o f p y r o e l e c t r i c s e n s O r s y s t e m a t S 0a C 从表 1一 表 6看 出 在 1 0 ， 3 0， 5 0℃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 - 1 0 ． 5 0 ％一l 1 ． 5 O％， 由热释电传感器组成的系统的平均 值相对误差为 - 2 8 ． 0 0 ％- 3 4 ． 5 0 ％， 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 ． 1 3％- 6 ． 8 9 ％， 由热释电传感器组成的系统的相对标准 偏差为 0 ． 0 4 ％一 5 ． 2 1 ％ ， 后者的精密度要好。 6结论 在 1 0 ， 3 0， 5 0 ℃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 上接第 7 2页 大的为 1 9 ． 6 8％。由3表可知，G A S V M模型得到的均方 误差要小于 B P神经网络 ， 而且对于训练和测试样本均方 误差的差值 G A S VM也比 B P小得多， 说明 G A S V M不仅 对样本的逼近能力好， 而且泛化能力也优于 B P神经 网 络 。 4 结束语 将基于大变异 的 G A用于 S V M 的参数选择， 解决了 S V M参数选择盲目性问题， 对湿敏电容器建立了温度补偿 模型。1 4 4个总样本中经过补偿的 G A S V M和 B P模 型相 对误差绝对值小于3％的个数分别为 1 4 3 ， 1 1 0 ； 最大分别为 0 ． 3 4 ％ ， 1 9 ． 6 8 ％。结果表明 无论是预测效果还是泛化性 能 ， G A S V M模型均优于传统的 B P神经网络， 能够更好地 实现湿度传感器的温度补偿， 是提升湿度传感器测量精度 的一种有效 的方法 。 参考文献 [ 1 ] 马舒 庆， 李峰 ， 邢毅． 从毛里求斯 国际探空 系统对 比看全 球探空技术的发展[ J ] ． 气象科技 ， 2 0 0 6， 3 4 5 6 0 76 0 9 ． 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 C O 检测 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7 9一 ， 男 ， 福建莆 田人 ， 硕 士 ， 工 程师 ， 研究 方向 为 石油测 录井技术与设备 。 ≯ ≯ ≯ p ≯ p p [ 2] 张妤 ， 谢永华 ， 穆 丽新 ， 等． 基 于支持 向量机的 电容式传感 器温度补偿研究 [ J ] ． 传感 器与 微 系统 ， 2 0 0 9， 2 8 6 4 0 4 2． [ 3 ] 强生杰 ， 孔令 刚． 压 力传感 器 的支 持向 量机 非线 性 回归 建 模[ J ] ． 传感器与微系统 ， 2 0 1 2， 3 1 4 5 05 2 ． [ 4 ] 刘苏苏 ， 孙立民． 支持 向量机 与 R B F神经 网络 回归性 能比较 研究 [ J ] ． 计算 机工程 与应用 ， 2 0 1 1 ， 3 2 1 2 4 2 0 2-- 4 2 0 5 ． [ 5 ] 周燕． 遗传 算法 与 B P神 经 网络相 结 合的 说 话人识 别 系 统 [ J ] ． 传感器与微 系统 ， 2 0 0 9， 2 8 6 9 8--1 0 0 ． [ 6] K i m K J ． F i n a n c i a l t i m e s e r i e s f o r e c a s t i n g u s i n g s u p p o r t v e c t o r ma c h i n e s [ J ] ． N e u r o c o m p u t i n g ， 2 0 0 3， 5 5 1 ／ 2 3 0 7 --3 1 9 ． [ 7 ] V a p n i k V N ． 统计学习理论的本质 [ M] ． 张学工 ， 译． 北 京 清 华大学出版社 ， 2 0 0 0 ． 【 8 ] C h a p e i l e O， V a p n i k V， B o u s q u e t O， e 1． a1． C h o o s i n g K e r n e l p a r a me t e r s f o r s u p p o rt v e c t o r m a c h i n e s [ J ] ． Ma c h i n e L e a rni n g ， 2 0 0 1 ， 4 6 1 1 3 1--1 6 0 ． 作者简介 叶小岭 1 9 6 4一 ， 女 ， 河南新 乡人 ， 教授 ， 主要从事 检测技 术 与仪器 以及系统集成与优化技术研 究。