VPH光谱仪在气体成分监控中的应用

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石油或是天然气的勘探开采过程中，我们经常气测录井工作是非常重要的检测手段。可以通过实时分析钻井中的气体成分和相关含量来分析油气层的位置和储量。气相色谱法（GC）经常用来监测分析多成分的气体，但是其在某些应用场景也受到限制，例如快速的现场检测，气相色谱仪需要多种附属设备，气路结构也比较复杂，操作过程繁琐等问题。其次是气相色谱法不能同时测量烷烃类和非烷烃类气体。因此近些年来拉曼光谱技术还是被引入到这一应用当中，相较于气相色谱法，拉曼光谱分析的有点有很多：1， 拉曼光谱技术不需要繁琐的管道，没有高昂的造价，也不用专门训练操作员，2， 可以同时快速获得烷烃类和非烷烃类气体信息。Zoli卓立汉光卓立现在着眼未来光电仪器事业中心2022年应用案例 第08期 VPH光谱仪在气体成分监控中的应用 石油或是天然气的勘探开采过程中，我们经常气测录井工作是非常重要的检测手段。可以通过实时分析钻井中的气体成分和相关含量来分析油气层的位置和储量。气相色谱法 (GC)经常用来监测分析多成分的气体，但是其在某些应用场景也受到限制，例如快速的现场检测，气相色谱仪需要多种附属设备，气路结构也比较复杂，操作过程繁琐等问题。其次是气相色谱法不能同时测量烷烃类和非烷烃类气体。因此近些年来拉曼光谱技术还是被引入到这一应用当中，相较于气相色谱法，拉曼光谱分析的有点有很多： 1， 拉曼光谱技术不需要繁琐的管道，没有高昂的造价，也不用专门训练操作员， 2， 可以同时快速获得烷烃类和非烷烃类气体信息。 气体录井检测中使用的拉曼光谱仪一般采用光通量较大的透射式光谱仪，主要实验过程如下所示： 图1：在线气体拉曼光谱仪简图 Zoli 图2：透射式光栅光谱仪结构简图 上图中 532nm 激光经过望远镜系统，由分束片反射后聚焦进入采样腔，拉曼信号经由收集光路进入光谱仪。进气和出气管道都接有温度传感器和气流阀门，可以实时监控检测腔内气体温度和控制待测气体的流速。一般这类应用光谱仪的选取主要是选用透射式光栅光谱仪，其内部结构如下： 该类光谱仪的特点是：1，相较于反射式光栅其通光量明显由于前者，2，一次检测范围也比较宽。例如用 1800L/mm 的透射式光栅，谱仪后面接上感光面约有 30mm 宽的相机，一次拍摄的范围可以到4200cm1以上，且分辨率可以在 10cm²1以内。每种气体都有自己的拉曼峰，这样的指纹特性，可以帮助我们分析从低波数(几百波数)到四千多波数大跨度范围同时监控。 在录井分析时，混合气体的拉曼光谱会比较复杂，常会有许多重叠峰出现。因此科学家开发出新的计量分析方法，可以解卷积叠加的光谱并且可以忽略背景和基质效应。其中有一种方法叫 datadriven Raman spectroscopy (DDRS)。此方法是偏最小二乘法分析(PLS) 的一种应用。在拉曼光谱分析中，它不是基于匹配单个峰来分析光谱，而是可以在复杂多组分的混合气体中，帮助分离出针对相关组分最有用，最相关的拉曼光谱来分析。因此这种方法不仅能够定性判断气体组成，也可以进一步做定量分析，使得录井勘探更加有效率。 Zoli 图3：不同浓度下的多种烃类气体混合物的拉曼光谱(摘自[1]) 卓立汉光近年来也开发出一款基于透射式光栅的光谱仪， VPH系列光谱仪。 图4： VPH光谱仪 主要技术特点： 1，超高的光通量 极小的F数： F/2.3 ◆ 完美的光纤耦合能力：能够100%收集 NA0.22光纤导入的光信号 2，超高的光收集效率 高透射 VPH 光栅保证了高衍射效率，增透镀膜透镜确保了最大的通光效率，从而实现了可见或近红外最大的通光量 3，极低的杂散光 VPH光栅--平滑的衍射效率曲线所造就的极低的杂散光 4，几乎完美的光谱成像质量 5，紧凑坚固的设计 所有部件作为一个整体模块进行预调校，光路稳定，不会受到运输过程中的碰撞影响 6，高光谱分辨率 型号 Omni-iSpecT532A1， 5cm-1@585nm， 50um 狭缝 型号 Omni-iSpecT785A1， 3cm-1@912nm， 50um 狭缝 Reference： 1. Xi Han a， Zhi-xuan Huang， Xiao-dong Chen， Qi-feng Li，Ke-xin Xu， Da Chen， Fuel， 207， 143 (2017). 2. KONG Andong， YANG Dewang， GUO Jinjia， WU Lulu， YAN Aoshuang， ZHOU Faju， WAN Yaqi， Opticsand Precision Engineering， 30(10)，1151 (2022))