CN202974873U - 一种激光拉曼光谱烃检测系统 - Google Patents

Abstract

一种激光拉曼光谱烃检测系统，该检测系统包含数字信号处理模块、分别电路连接该数字信号处理模块的激光光源调制模块、温度控制模块、APD信号检测处理模块和通讯方式选择单元，还包含电路连接该通讯方式选择单元的数据接收模块、电路连接该数据接收模块的通讯接口选择单元、和电路连接该通讯接口选择单元的计算机。本实用新型采用拉曼光谱的散射原理进行一种非接触式烃浓度的检测，电路结构简单，检测精度高，采用恒温控制技术提高了激光工作的稳定性，高速A/D采样使数据检测更快，仪器灵敏度更高。

Description

一种激光拉曼光谱烃检测系统

技术领域

本实用新型属于石油天然气勘探开发领域，涉及油气录井中的烃类物质的检测过程，尤其涉及一种激光拉曼光谱烃检测系统。

背景技术

激光照射到烃类物质时，该物质会产生散射光，在散射光中，除了与入射光有相同频率的瑞利光以外，在瑞利光的两侧，有一系列其他频率的光，其强度通常只有瑞利光的十的负六次方至十的负九次方，这种散射光被命名为拉曼光。这是印度物理学家拉曼在1928年研究苯的光散射时发现的，并因此获得了1930年诺贝尔物理学奖。其中波长比瑞利光长的拉曼光叫斯托克斯线，而波长比瑞利光短的拉曼光叫反斯托克斯线。拉曼光是一种很微弱的光，不容易检测到，但1960年以后，随着激光技术的发展使拉曼光谱技术得到较快发展。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随着探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。

拉曼谱线的频率虽然随着入射光频率而变化，但拉曼光的频率和瑞利散射光的频率之差却不随入射光频率而变化，而与样品分子的振动转动能级有关。拉曼谱线的强度与入射光的强度和样品分子的浓度成正比例关系，可以利用拉曼谱线来进行定量分析。

烃检测技术是录井的关键技术，在目前的录井中烃类检测常常采用氢焰色谱仪和红外线分析仪。

氢焰色谱仪的结构复杂，气路上需要大量的管线，电路上需要很多块电路板，电气配线也很复杂，从而导致安装、检修和维护都不是很方便。在仪器使用过程中还需要配备空气压缩机、氢气发生器、样品预处理器和压力控制器等辅助生产设备，这些设备容易损坏，配件更换不方便。

红外线分析仪需要恒温环境，在具体应用时需要将泥浆中的样品气通过脱气机分离出来，并把样品气抽到仪器中进行分析，需要空气作为载气，并要对载气进行干燥过滤处理，需要对载气压力和样品气流量进行控制，检测时需要监控红外数据、温度、流量、压力等大量的参数。在现场应用过程中的故障率比较高，维修起来也很复杂。

实用新型内容

本实用新型提供一种激光拉曼光谱烃检测系统，采用拉曼光谱的散射原理进行一种非接触式烃浓度的检测，电路结构简单，检测精度高，采用恒温控制技术提高了激光工作的稳定性，高速A/D采样使数据检测更快，仪器灵敏度更高。

为了达到上述目的，本实用新型提供一种激光拉曼光谱烃检测系统，该检测系统包含数字信号处理模块、分别电路连接该数字信号处理模块的激光光源调制模块、温度控制模块、APD信号检测处理模块和通讯方式选择单元，还包含电路连接该通讯方式选择单元的数据接收模块、电路连接该数据接收模块的通讯接口选择单元、和电路连接该通讯接口选择单元的计算机。

所述的激光光源调制模块包含电路连接数字信号处理模块的光源调制电路和电路连接该光源调制电路的激光器。

所述的温度控制模块包含电路连接数字信号处理模块的制冷片驱动电路和电路连接该制冷片驱动电路的半导体制冷片，还包含电路连接数字信号处理模块的测温电路和电路连接该测温电路的铂电阻Pt100。

所述的APD信号检测处理模块包含电路连接数字信号处理模块的A/D采样电路、电路连接该A/D采样电路的滤波电路、电路连接该滤波电路的放大电路和电路连接该放大电路的APD。

所述的通讯方式选择单元包含与数字信号处理模块电路连接的发送端通讯方式选择电路和发送端RS485检测电路、电路连接该发送端通讯方式选择电路和发送端RS485检测电路的发送端RS485转换电路、电路连接该发送端通讯方式选择电路的发送端无线串口模块、以及与数据接收模块电路连接的接收端通讯方式选择电路和接收端RS485检测电路、电路连接该接收端通讯方式选择电路的接收端无线串口模块、电路连接该接收端通讯方式选择电路和接收端RS485检测电路的接收端RS485转换电路。

所述的通讯接口选择单元包含电路连接数据接收模块的通讯接口选择电路和USB检测电路、电路连接该通讯接口选择电路的RS232接口、电路连接该通讯接口选择电路、USB检测电路和计算机的USB接口。

所述的激光拉曼光谱烃检测系统还包含电路连接数字信号处理模块和数据接收模块的开关电源9。

所述的激光拉曼光谱烃检测系统还包含检测探头和光谱处理单元；

所述的检测探头包含反光镜、玻璃球和铜合金块；

所述的光谱处理单元包含棱镜和滤光片。

本实用新型利用拉曼散射原理，可以实现对在钻井液中的样品进行非接触式检测，不需要用气管线把样品送到仪器里面进行分析，对样品不需要进行任何预处理，无气路装置，省去了很多辅助生产设备，也降低了故障率。

附图说明

图1是本实用新型的电路框图；

图2是本实用新型的具体电路框图；

图3是本实用新型的光路图；

图4是本实用新型的模块图；

图5是本实用新型的通讯方式选择单元的通讯转换示意图。

具体实施方式

以下根据图1～图5，具体说明本实用新型的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种激光拉曼光谱烃检测系统，包含数字信号处理模块1、分别电路连接该数字信号处理模块1的激光光源调制模块2、温度控制模块3、APD信号检测处理模块4和通讯方式选择单元5，还包含电路连接该通讯方式选择单元5的数据接收模块6、电路连接该数据接收模块6的通讯接口选择单元7、和电路连接该通讯接口选择单元7的计算机8；

如图5所示，所述的数字信号处理模块1采用高性能16位单片机，型号为dsPIC30F6010A；

如图2所示，所述的激光光源调制模块2包含电路连接数字信号处理模块1的光源调制电路201（主要采用器件OP285GS和TIP120）和电路连接该光源调制电路201的激光器202；

所述的激光器202是一种能产生可见激光的发光二极管，其激光波长为660nm，光功率为120mW，为系统提供拉曼光激发光源，被检测物质的拉曼散射光为可见-近红外光；激光光源采用恒功率驱动，数字信号处理模块1对激光光源进行电调制，电调制的目的是使激光光源工作在高频脉冲状态下，从而避免了钻井液中强荧光物质对被检物微弱的拉曼散射光产生的干扰；

如图2所示，所述的温度控制模块3包含电路连接数字信号处理模块1的制冷片驱动电路301（采用器件TA8051P）和电路连接该制冷片驱动电路301的半导体制冷片302（型号为SP-2402-1AB），还包含电路连接数字信号处理模块1的测温电路303（采用器件INA118UB）和电路连接该测温电路303的铂电阻Pt100 304（Pt100是一种铂电阻的型号，其电阻值随温度而变化）。

如图2所示，所述的APD信号检测处理模块4包含电路连接数字信号处理模块1的A/D采样电路401、电路连接该A/D采样电路401的滤波电路402（采用器件OPA2277UA）、电路连接该滤波电路402的放大电路403（采用器件OP285GS）和电路连接该放大电路403的APD 404（型号为APD-500L）；

APD是一种硅半导体雪崩光电二极管，是拉曼光检测器，工作在反向状态下，为了产生雪崩效应，APD需要195V的高电压进行驱动。当拉曼散射光照射到APD上时，会产生微弱的反向电流，通过检测该电流的强度来检测拉曼光的强弱，从而间接的检测烃浓度。由于电流信号不容易直接检测，一般将其转换成电压信号进行检测。在本实施例中，是在APD硅半导体雪崩光电二极管的反向端串接一个电阻，通过检测该电阻上的电压来间接的检测电流；

所述的A/D采样电路401采用高速16位4通道的A/D芯片，这样可保证高速、精确的在荧光产生之前采集到拉曼光；

如图2所示，所述的通讯方式选择单元5包含与数字信号处理模块1电路连接的发送端通讯方式选择电路501（采用模拟开关芯片，型号为UTC4052D）和发送端RS485检测电路502（型号为UTC4052D）、电路连接该发送端通讯方式选择电路501和发送端RS485检测电路502的发送端RS485转换电路503（采用485芯片，型号为SP3485EN）、电路连接该发送端通讯方式选择电路501的发送端无线串口模块504（型号为R-001-0002-650）、以及与数据接收模块6电路连接的接收端通讯方式选择电路505（型号为UTC4052D）和接收端RS485检测电路508（型号为UTC4052D）、电路连接该接收端通讯方式选择电路505的接收端无线串口模块506（型号为R-001-0002-650）、电路连接该接收端通讯方式选择电路505和接收端RS485检测电路508的接收端RS485转换电路507（型号为SP3485EN）；

如图5所示，是本实施例中的发送端的通讯转换示意图，单片机1的串口 RF2和RF3通过模拟开关芯片501把信号发送给485芯片503或无线串口模块504，当接线端子的1，2脚短接时，通过发送端RS485检测电路502中的电阻R82，R83的分压在单片机的引脚RD12上产生高电平电压，单片机检测到该电平后，将A端置为低电平，其状态为0，将B端置为高电平，其状态为1，模拟开关芯片501的A端为0，B端为1的状态时就将信号连接到485芯片上，选择RS485通讯；当接线端子的1，2脚悬空时，单片机的引脚RD12下拉到地，为低电平，单片机检测到该电平，将A端置为高电平，其状态为1，将B端置为高电平，其状态为1，模拟开关芯片501的A端为1，B端为1的状态时将信号连接到无线串口模块504上，选择无线通讯。数据接收模块通讯端的无线通讯和RS485通讯转换方式与之相同，电路结构相同；

如图2所示，所述的通讯接口选择单元7包含电路连接数据接收模块6（型号为dsPIC30F6010A）的通讯接口选择电路701（采用模拟开关芯片，型号为UTC4052D）和USB检测电路704、电路连接该通讯接口选择电路701的RS232接口702（型号为SP3220EEA）、电路连接该通讯接口选择电路701、USB检测电路704和计算机8的USB接口703（型号为CP2102）；

本实施例中，当USB数据线连接到计算机8上时，数据接收模块6选择USB口通讯，此时RS232接口不可用；当USB线与计算机8断开，才能使用RS232接口通讯；连接USB时，数据接收模块6检测到高电平，从而把模拟开关芯片701选择到USB方式，当USB断开，数据接收模块6检测到低电平，此时RS232接口才可用，这种接口转换方式与前面所述的通讯方式选择单元5中的无线通讯和RS485通讯转换方式相同，电路结构也相同；

所述的激光拉曼光谱烃检测系统还包含电路连接数字信号处理模块1和数据接收模块6的开关电源9（型号为CDA160-220S26），该开关电源提供26V直流电压，给数字信号处理模块和数字接收模块供电；

数字信号处理模块1和数据接收模块6采用无线串口模块或者RS485接口连接，数据处理模块6和计算机8之间采用USB接口或RS232接口连接；

如图3所示，所述的激光拉曼光谱烃检测系统还包含检测探头和光谱处理单元；

如图4所示，所述的检测探头包含：反光镜10、玻璃球11和铜合金块12；

所述的光谱处理单元包含棱镜13和滤光片14；

激光拉曼光谱分析仪中含数字信号处理模块1、激光光源调制模块2、温度控制模块3和APD信号检测处理模块4；

如图3和图4所示，激光器202发射脉冲激光，通过光纤传送到反光镜10上，激光经过反光镜10的反射后经过玻璃球11，玻璃球出来的激光打到铜合金块12内的样品1201上，产生拉曼散射光，拉曼光经棱镜13反射后到滤光片14，最后拉曼光照射到APD404上，产生微弱的电信号，信号强度为微伏级的信号，该信号经过放大电路403、滤波电路402、A/D采样电路401后进入数字信号处理模块1中进行计算处理。反光镜10和棱镜13的作用是改变激光方向，玻璃球11的作用是放大激光能量，滤光片14的作用是选出特征拉曼光谱；

数字信号处理模块1对外部接口设备进行控制和驱动，另外还要检测外部设备发送过来的信号，最后还要将处理完的数据通过通讯接口发出去。在激光拉曼光谱烃检测系统中，数字信号处理模块1主要完成的功能有：

1、对激光光源进行电调制，使之产生一定频率的激光；

2、采集APD的模拟信号，对采样值进行处理；

3、对半导体制冷片进行控制；

4、采样Pt100的信号；

5、通过无线串口模块或RS485接收或发送实时数据；

如图3和图4所示，利用本实用新型提供的激光拉曼光谱烃检测系统进行烃测定时，将检测探头放入泥浆中，检测探头上有一个小的蓝宝石窗口1201，待测烃类物质（图3中的样品1202）从这个蓝宝石窗口中进入一个铜合金块12中进行分析。激光经光路处理后打到样品上，在样品上产生拉曼散射光，该拉曼散射光通过光纤发射到APD上进行处理，得到的电压信号经放大电路和滤波电路后得到比较强的电信号，该电信号可直接被A/D芯片所采集到，最后将采样数据发送到数字信号处理模块进行计算和处理。

数字信号处理模块由单片机及其外围电路组成，经过APD的模拟信号送到一个16位高速A/D转换芯片进行转换处理，然后将转换后的A/D值送到单片机中处理，单片机记录激光器打开和关闭时的采样A/D值，将两次采样的差值计算出来发送到计算机上，该差值为一个信号值，单片机根据多个信号值和浓度值组成的信号值-浓度曲线计算出烃的浓度。

由于激光二极管的特性所致，其输出光的波长随温度变化而变化，温度越高其波长越大，所以温度控制很重要。为了减小温度对检测的影响，激光拉曼光谱烃检测系统需要在恒温的环境下对样品进行分析，温度控制模块包含分别与数字处理模块连接的半导体制冷片，制冷片驱动电路，测温电路和Pt100，数字信号处理模块通过Pt100测温电路周期性地检测系统温度，并与设定温度进行比较，如果存在温差，数字处理模块开始判断是加热还是制冷。加热和制冷是由制冷片驱动电路来完成的，该电路由制冷片驱动芯片组成控制电路，通过改变流过半导体制冷片的电流方向来达到加热或制冷的目的，温度调节方法主要采用工业控制中比较流行的PID控制，通过设置P、I、D三个参数对制冷片进行控制，从而保持系统的温度为设定的恒定值。

本实用新型的通讯模块采用无线串口或RS485，可实现1千米范围内的数据通讯，在无线通讯不通畅时可以切换到RS485通讯，只需要一根跳线就可实现切换，操作非常简单。数据接收终端提供了丰富的人机交互界面，通过上位机软件将系统中需要监控的数据实时地显示在电脑屏幕上，将分析、控制、数据处理整合在一起，快速处理各种数据信息，为录井技术中烃的实时测定提供了科学依据。

本实用新型所实现的效果有：

1、仪器结构简单，无辅助设备，便于安装和使用；

2、可实现在线快速非接触式烃浓度检测；

3、所需样品量少，不需要预处理；

4、提供两种通讯方式和两种计算机接口方式，可自由切换，操作简单；

5、提供人机交互界面，操作更加方便快捷，测定数据实时显示；

6、可实现远程监控；

7、电路实现低功耗设计，结构简单维护方便。

尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种激光拉曼光谱烃检测系统，其特征在于，该检测系统包含数字信号处理模块（1）、分别电路连接该数字信号处理模块（1）的激光光源调制模块（2）、温度控制模块（3）、APD信号检测处理模块（4）和通讯方式选择单元（5），还包含电路连接该通讯方式选择单元（5）的数据接收模块（6）、电路连接该数据接收模块（6）的通讯接口选择单元（7）、和电路连接该通讯接口选择单元（7）的计算机（8）。

2.如权利要求1所述的激光拉曼光谱烃检测系统，其特征在于，所述的激光光源调制模块（2）包含电路连接数字信号处理模块（1）的光源调制电路（201）和电路连接该光源调制电路（201）的激光器（202）。

3.如权利要求1所述的激光拉曼光谱烃检测系统，其特征在于，所述的温度控制模块（3）包含电路连接数字信号处理模块（1）的制冷片驱动电路（301）和电路连接该制冷片驱动电路（301）的半导体制冷片（302），还包含电路连接数字信号处理模块（1）的测温电路（303）和电路连接该测温电路（303）的铂电阻Pt100（304）。

4.如权利要求1所述的激光拉曼光谱烃检测系统，其特征在于，所述的APD信号检测处理模块（4）包含电路连接数字信号处理模块（1）的A/D采样电路（401）、电路连接该A/D采样电路（401）的滤波电路（402）、电路连接该滤波电路（402）的放大电路（403）和电路连接该放大电路（403）的APD（404）。

5.如权利要求1所述的激光拉曼光谱烃检测系统，其特征在于，所述的通讯方式选择单元（5）包含与数字信号处理模块（1）电路连接的发送端通讯方式选择电路（501）和发送端RS485检测电路（502）、电路连接该发送端通讯方式选择电路（501）和发送端RS485检测电路（502）的发送端RS485转换电路（503）、电路连接该发送端通讯方式选择电路（501）的发送端无线串口模块（504）、以及与数据接收模块（6）电路连接的接收端通讯方式选择电路（505）和接收端RS485检测电路（508）、电路连接该接收端通讯方式选择电路（505）的接收端无线串口模块（506）、电路连接该接收端通讯方式选择电路（505）和接收端RS485检测电路（508）的接收端RS485转换电路（507）。

6.如权利要求1所述的激光拉曼光谱烃检测系统，其特征在于，所述的通讯接口选择单元（7）包含电路连接数据接收模块（6）的通讯接口选择电路（701）和USB检测电路（704）、电路连接该通讯接口选择电路（701）的RS232接口（702）、电路连接该通讯接口选择电路（701）、USB检测电路（704）和计算机（8）的USB接口（703）。

7.如权利要求1所述的激光拉曼光谱烃检测系统，其特征在于，所述的激光拉曼光谱烃检测系统还包含电路连接数字信号处理模块（1）和数据接收模块（6）的开关电源（9）。

8.如权利要求1所述的激光拉曼光谱烃检测系统，其特征在于，所述的激光拉曼光谱烃检测系统还包含检测探头和光谱处理单元；

所述的检测探头包含反光镜（10）、玻璃球（11）和铜合金块（12）；

所述的光谱处理单元包含棱镜（13）和滤光片（14）。

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