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VPH光譜儀在氣體成分監(jiān)控中的應(yīng)用
2023年02月27日 17:21
來源：北京卓立漢光儀器有限公司
石油或是天然氣的勘探開采過程中，我們經(jīng)常氣測(cè)錄井工作是非常重要的檢測(cè)手段。可以通過實(shí)時(shí)分析鉆井中的氣體成分和相關(guān)含量來分析油氣層的位置和儲(chǔ)量。氣相色譜法（GC）經(jīng)常用來監(jiān)測(cè)分析多成分的氣體，但是其在某些應(yīng)用場(chǎng)景也受到限制，例如快速的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，氣相色譜儀需要多種附屬設(shè)備，氣路結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，操作過程繁瑣等問題。其次是氣相色譜法不能同時(shí)測(cè)量烷烴類和非烷烴類氣體。因此近些年來拉曼光譜技術(shù)還是被引入到這一應(yīng)用當(dāng)中，相較于氣相色譜法，拉曼光譜分析的有點(diǎn)有很多：
1， 拉曼光譜技術(shù)不需要繁瑣的管道，沒有高昂的造價(jià)，也不用專門訓(xùn)練操作員，
2， 可以同時(shí)快速獲得烷烴類和非烷烴類氣體信息。
氣體錄井檢測(cè)中使用的拉曼光譜儀一般采用光通量較大的透射式光譜儀，主要實(shí)驗(yàn)過程如下所示：
圖1：在線氣體拉曼光譜儀簡(jiǎn)圖
圖2：透射式光柵光譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
上圖中532nm 激光經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，由分束片反射后聚焦進(jìn)入采樣腔，拉曼信號(hào)經(jīng)由收集光路進(jìn)入光譜儀。進(jìn)氣和出氣管道都接有溫度傳感器和氣流閥門，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控檢測(cè)腔內(nèi)氣體溫度和控制待測(cè)氣體的流速。一般這類應(yīng)用光譜儀的選取主要是選用透射式光柵光譜儀，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：
該類光譜儀的特點(diǎn)是：1，相較于反射式光柵其通光量明顯由于前者，2，一次檢測(cè)范圍也比較寬。例如用1800L/mm 的透射式光柵，譜儀后面接上感光面約有30mm 寬的相機(jī)，一次拍攝的范圍可以到4200cm-1 以上，且分辨率可以在10cm-1 以內(nèi)。每種氣體都有自己的拉曼峰，這樣的指紋特性，可以幫助我們分析從低波數(shù)（幾百波數(shù)）到四千多波數(shù)大跨度范圍同時(shí)監(jiān)控。
在錄井分析時(shí)，混合氣體的拉曼光譜會(huì)比較復(fù)雜，常會(huì)有許多重疊峰出現(xiàn)。因此科學(xué)家開發(fā)出新的計(jì)量分析方法，可以解卷積疊加的光譜并且可以忽略背景和基質(zhì)效應(yīng)。其中有一種方法叫data driven Raman spectroscopy（DDRS）。此方法是偏*小二乘法分析（PLS）的一種應(yīng)用。在拉曼光譜分析中，它不是基于匹配單個(gè)峰來分析光譜，而是可以在復(fù)雜多組分的混合氣體中，幫助分離出針
對(duì)相關(guān)組分*有用，*相關(guān)的拉曼光譜來分析。因此這種方法不僅能夠定性判斷氣體組成，也可以進(jìn)一步做定量分析，使得錄井勘探更加有效率。
圖3：不同濃度下的多種烴類氣體混合物的拉曼光譜（摘自[1]）
卓立漢光近年來也開發(fā)出一款基于透射式光柵的光譜儀，VPH 系列光譜儀。
圖4：VPH 光譜儀
主要技術(shù)特點(diǎn)：
1，超高的光通量
極小的F 數(shù)：F/2.3
強(qiáng)大的光纖耦合能力：能夠100%收集NA0.22 光纖導(dǎo)入的光信號(hào)
2，超高的光收集效率
高透射VPH 光柵保證了高衍射效率，增透鍍膜透鏡確保了*大的通光效率，從而實(shí)現(xiàn)了可見或近紅外*大的通光量
3，極低的雜散光
VPH 光柵--平滑的衍射效率曲線所造就的極低的雜散光
4，幾乎完mei的光譜成像質(zhì)量
5，緊湊堅(jiān)固的設(shè)計(jì)所有部件作為一個(gè)整體模塊進(jìn)行預(yù)調(diào)校，光路穩(wěn)定，不會(huì)受到運(yùn)輸過程中的碰撞影響
6，高光譜分辨率
型號(hào)Omni-iSpecT532A1，5cm-1@585nm，50um 狹縫
型號(hào)Omni-iSpecT785A1，3cm-1@912nm，50um 狹縫
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，Optics
and Precision Engineering，30(10)，1151（2022））
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