特征。信號通道是隨鉆的壓強(qiáng)，比鄰的三個參考信道皆是大氣壓附近，由于探 測器尺寸的限制，通道隔壁厚度Imm左右。INVAR不銹鋼具有良好的機(jī)械性能，不會使通道 隔壁發(fā)生膨脹變形甚至破裂泄漏。
[0034] 1黑體輻射光源 油氣成份在3-5微米的吸收波段吸收強(qiáng)度大，便于實(shí)現(xiàn)高靈敏度的測量，需求光程短， 最終產(chǎn)品設(shè)備小巧。在這個波段的光源通常有量子級聯(lián)激光器、紅外LED和黑體輻射源。 量子級聯(lián)激光器不適用，具體原因已經(jīng)討論過。LED燈的工作溫度一般只能到80°C。而黑 體輻射源，是一種熱輻射源，設(shè)計工作溫度450°C以上。最新黑體輻射光源采用MEMS (微機(jī) 電系統(tǒng)）傳感器技術(shù)，使用一層薄膜電阻片，內(nèi)部是納米結(jié)構(gòu)的鉆石形狀的非晶碳原子。它 是純阻性器件，熱狀態(tài)下的阻值為40歐姆。驅(qū)動電壓決定驅(qū)動電流，達(dá)到450°C到750°C 的輻射溫度范圍需要的驅(qū)動電壓為3V到6V，驅(qū)動電流為80mA到150mA，功耗最大不超過 1000mW。本應(yīng)用的目標(biāo)溫度在575°C，它的功耗為500 mW，驅(qū)動電壓5V，電流100mA，壽命 為工作時間10000個小時（14個月多)。比起傳統(tǒng)的輻射光源，它能產(chǎn)生更高的軸向輻射能 量。該光源可以使用高達(dá)70赫茲的脈沖調(diào)制，產(chǎn)生紅外脈沖輻射，并且能達(dá)到很好的調(diào)制 深度。與熱電堆探測器結(jié)合使用，使用鎖相放大的微弱信號處理技術(shù)，在該調(diào)制頻率上能達(dá) 到降低閃爍噪聲（l/f噪聲）的效果。所以它是隨鉆測量的最理想選擇。
[0035] 在熱平衡條件下福射能量密度（energy density)分布函數(shù)在波長域的形式如下，
光源1采用下圖拋物線反射面設(shè)計，便于黑體輻射光源全立體角發(fā)射準(zhǔn)直于一個方向 傳播。歸一化的出射角（FWHM)達(dá)到15度，而沒有物線反射面設(shè)計的TO封裝出射角為100 度。準(zhǔn)直后的平行傳輸距離可長達(dá)50-75毫米。
[0036] 溫度決定了光源的光譜譜型，只有固定的譜型才能從歸一化處理中獲得穩(wěn)定的透 射譜，進(jìn)而獲得待測物質(zhì)的透視率和它的濃度。直接測量黑體輻射源的溫度需要連接溫度 傳感器到輻射體上，然而這一方面破壞了黑體輻射的物理本質(zhì)，另一方面也不能反應(yīng)輻射 源的有效溫度。本專利發(fā)明了一種方法，利用在兩個波長上的光強(qiáng)度比值控制輻射源的溫 度，因?yàn)樵摫戎凳菧囟鹊膯沃岛瘮?shù)，如下表所示。表中計算了在不同溫度下，輻射源的在波 長人1(3.00微米）和波長人2(3.95微米）的光譜強(qiáng)度和比值。在575°(：時，二者的比 例為1。可以利用強(qiáng)度的比值，有效地將溫度控制在575°C上，進(jìn)而將輻射源的能譜分布聚 集在3到4微米的甲烷等有機(jī)氣體的強(qiáng)吸收區(qū)。同時維持它們的足夠的發(fā)射強(qiáng)度。
[0037] 表1.黑體輻射源在兩波段的強(qiáng)度和它們的比值隨溫度的關(guān)系
2熱電堆探測器 探測器4選擇耐高溫的熱電堆探測器，是由幾十個小熱電偶級聯(lián)而成，緊貼在加熱電 阻絲上。它可以不僅提高精度，而且測量的是探測區(qū)域的平均溫度。它的熱負(fù)載小，響應(yīng) 時間快，時間常數(shù)為25毫秒，能適應(yīng)幾十赫茲的調(diào)制頻率。一個可供選擇的探測器如美國 Dexter Research Center的ST-120,它使用用娃基熱電堆技術(shù)采用T0-5的封裝形式，內(nèi) 部沖有氮?dú)?。它有四個通道，每個通道都是同樣的探測器，對100納米到100微米的光譜 范圍內(nèi)均為平坦響應(yīng)。每個通道有效探測面積為I. 2_X1. 2_=1. 44mm2，每個通道都配有 2_X2mm的窗口過濾片，可選擇特定的波長。參見下面由供應(yīng)商提供的結(jié)構(gòu)圖，尺寸單位以 英寸和毫米標(biāo)出。最高工作溫度為125°C?？梢酝ㄟ^半導(dǎo)體制冷片，將其溫度控制在120°C。 內(nèi)有片上溫度傳感器，便于溫控電路的設(shè)計。一般在溫差+/_30°C，溫控電路能有效的工 作，這樣整體分析儀工作的溫度能擴(kuò)展到150Γ。軍用級別的半導(dǎo)體制冷片可工作在高達(dá) 200 °C的環(huán)境溫度。
[0038] 3氣室腔體 連接光源2和探測器安裝底座6的是采樣氣室的腔體。在邏輯上分為四個通道，如圖 5所示。其中三個作為參考通道（λ?、λ2和R通道)，一個為信號S通道。虛線表示相鄰 通道之間并未從物理上隔開。隨鉆液體首先流經(jīng)氣液分離器，若鉆探過程鉆到天然氣，分 離器就會將其分離出來，使之通過進(jìn)出氣孔流經(jīng)信號通道。Ref通道內(nèi)部密封1%的甲烷氣 體。Ref通道與信號通道的透射光經(jīng)過同一波長的濾波片。若以甲烷為油氣成份作為測量 目標(biāo)，濾波片的透射峰設(shè)在甲烷的吸收峰3. 357微米處。若以油氣成份的碳?xì)滏I作為測量 目標(biāo)，濾波片的透射峰設(shè)在碳?xì)滏I的吸收峰3. 430微米處?？紤]到高溫高壓的環(huán)境氣體的 譜型加寬，宜選擇波長域透射窗口寬的濾波片。本專利僅以甲烷為測量目標(biāo)闡述，所用方法 亦適用于其它測量目標(biāo)。測量目標(biāo)包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、乙醇、其它烴類醇類脂類有 機(jī)物、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、二氧化硫、其它硫化合物、氨氣、氧化二氮、一氧化氮、二 氧化氮、其它氮氧化合物的任意一種。
[0039] 圖5、6上有氣孔7,如圖所述，兩個通道λ?，λ2分別為參考信道，內(nèi)部密封惰性 氣體，在該波段上沒有吸收，探測器輸出的信號通過計算反饋給輻射源的驅(qū)動電流，使之在 整個鉆探環(huán)境中始終保持同一個輻射溫度上。因?yàn)棣?1設(shè)在3.0微米處，λ 2設(shè)在3. 95微 米處，遠(yuǎn)離甲烷的任何吸收峰。一方面，可用于待測氣體投射率計算的歸一化因子。另一方 面為簡便期間，λ?，λ2參考通道可與R通道密封同樣的甲烷混合氣體，不會影響探測器 的強(qiáng)度，如圖6所示。三個參考?xì)馐业倪M(jìn)出氣孔7在完成校準(zhǔn)后要密封。
[0040] 根據(jù)探測靈敏度和量程，考慮加工的尺度限制，腔體長度可在5到50毫米之間?？?慮與光源準(zhǔn)直模塊和探測器密封連接，腔體的外直徑在10-15毫米之間。
[0041] 腔體兩端采用密封設(shè)計，防止封裝氣體泄漏，同時也防止采樣氣體漏出到光源和 探測器中。兩端的光學(xué)窗口采用鉆石（Diamond)或藍(lán)寶石（Sapphire)材料，二者均可耐 高溫高壓并有優(yōu)異的機(jī)械硬度，已被相關(guān)光譜技術(shù)所采用。如金剛石壓腔（Diamond Anvil Cell)可承受高達(dá)6百萬個大氣壓的壓強(qiáng)，可以加熱到7000°C，element six公司的CVD技 術(shù)所產(chǎn)鉆石光學(xué)窗口在從220納米的紫外到50微米的遠(yuǎn)紅外的大范圍波長的最低透射率 高于65%。藍(lán)寶石僅次于鉆石，具有極高的表面硬度，高導(dǎo)熱性，高介電常數(shù)。藍(lán)寶石的化學(xué) 成份是單晶體氧化鋁，對于常見的酸堿材料均具防腐蝕性，光學(xué)透射窗口從200納米到5. 5 微米。但是它的成本比鉆石低很多。為防止不同通道之間的滲透，信號通道兩端采用單獨(dú) 的密封窗口。
[0042] 4操作流程(方法） 根據(jù)氣態(tài)方程，在幾百個大氣壓和100°c -200°c的環(huán)境里，同樣體積濃度比（ppmV)的 氣體的分子數(shù)濃度會比常溫常壓增大兩個數(shù)量級；因此對應(yīng)的靈敏度會提高兩個數(shù)量級。 因此本專利的設(shè)計方案有利于及時發(fā)現(xiàn)薄弱和小型油氣田，不會錯過任何機(jī)會。在完成上 述光譜儀模塊的安裝之后，需通過如下的操作流程（圖7.)完成光譜儀的整體系統(tǒng)設(shè)計，才 能用于實(shí)際測量。
[0043] (1)首先確定系統(tǒng)的硬件設(shè)計在室溫常壓下，電路、光路能正常工作。
[0044] (2)通過λ?，λ2兩個參考通道的光強(qiáng)度信號，控制光源1的驅(qū)動電流，從而使 光源始終按照設(shè)定的譜型輻射。
[0045] (3)因?yàn)棣?，λ2參考通道和光源和探測器空間都是在室溫大氣壓的條件下密 封的，因此λ?，λ2的光強(qiáng)度信號不會隨環(huán)境壓力的變化而變化。但熱輻射源受環(huán)境溫度 的變化比較大，因此在整個校準(zhǔn)測試過程中都需要通過λ?，λ2通道動態(tài)調(diào)節(jié)，維持黑體 溫度。
[0046] (4)光譜儀的溫度檢查。逐步升溫到，檢查電路、光路能否正常工作，確認(rèn)最高工作 溫度。
[0047] (5)光譜儀的高壓檢查。逐步加