基于ADuC845的石油錄井二氧化碳檢測(cè)儀

引言
    在石油勘探過(guò)程中，二氧化碳檢測(cè)是一項(xiàng)重要的錄井工作，為后續(xù)的地質(zhì)解釋評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。從鉆井液脫出的氣體包括多種烴類氣體、氫氣、二氧化碳等，在采用紅外光譜吸收法之前一般采用熱導(dǎo)法檢測(cè)二氧化碳，這種方法的缺點(diǎn)是易受其他氣體的干擾。隨著工藝的發(fā)展，紅外發(fā)光源和紅外傳感器變得更加小巧，紅外光譜吸收法逐漸取代了熱導(dǎo)法。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)定的檢測(cè)，除了采用性能優(yōu)良的紅外發(fā)光源和紅外傳感器外，信號(hào)采集處理部分也至關(guān)重要。其中，穩(wěn)定可靠的ADC采集和高效的數(shù)據(jù)處理是二氧化碳檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1 紅外光譜吸收法原理
    紅外光譜吸收法是利用被測(cè)氣體對(duì)紅外光的特征吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體成分的濃度分析。當(dāng)對(duì)應(yīng)某一氣體具有特征吸收的光波通過(guò)這一被測(cè)氣體時(shí)，其強(qiáng)度將明顯減弱，強(qiáng)度衰減程度與該氣體濃度有關(guān)。根據(jù)對(duì)出射光強(qiáng)的測(cè)試，可確定被測(cè)氣體的濃度，對(duì)確定波長(zhǎng)的紅外光波的吸收，其強(qiáng)度和被測(cè)氣體濃度間的關(guān)系遵守比爾定律。其基本原理如圖1所示。

    基本數(shù)學(xué)模型：大部分有機(jī)和無(wú)機(jī)多原子分子氣體在紅外區(qū)有特征吸收波長(zhǎng)。當(dāng)紅外光通過(guò)時(shí)，這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)的透過(guò)光強(qiáng)可由朗伯一比爾定律表示：
    
    而吸收光強(qiáng)i可表示為：
    
    式中：Io為入射光強(qiáng)；I為透過(guò)光強(qiáng)；l為氣體介質(zhì)厚度，p為氣體濃度，k為吸收系數(shù)。
    吸收系數(shù)k是一個(gè)非常復(fù)雜的量，它不僅與氣體種類、入射光波長(zhǎng)有關(guān)，而且還受環(huán)境溫度、環(huán)境大氣壓等因素的影響。因此，對(duì)于變溫、變氣壓的工作環(huán)境，k是一個(gè)變值，從而直接影響吸收光強(qiáng)I。

2 ADuC845的基本原理和性能特點(diǎn)
    ADuC845是高性能24位數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，它內(nèi)部集成有兩個(gè)24位分辨率的△-∑ADC、雙D／A轉(zhuǎn)換器、10或8通道輸入多路復(fù)用器、一個(gè)高效的8051內(nèi)核；可提供62 KB的Flash程序存儲(chǔ)器，4 KB Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和2304字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。ADuC845具有串行下載和調(diào)度模式，可通過(guò)EA引腳提供引腳競(jìng)爭(zhēng)模式，同時(shí)支持Quick Start開發(fā)系統(tǒng)和低成本的軟件和硬件工具。
    ADuC845可通過(guò)一個(gè)片內(nèi)鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生一個(gè)12．58 MHz的高頻時(shí)鐘，以使之運(yùn)行于32 kHz外部晶振。片內(nèi)微控制器是一個(gè)優(yōu)化的單指令周期8051閃存MCU。該MCU在保持與8051指令系統(tǒng)兼容的同時(shí)，具有12．58 MIPS的性能。該芯片的兩個(gè)獨(dú)立的ADC(主ADC和輔助ADC)由一個(gè)輸入多路復(fù)用器、一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)可直接測(cè)量低幅度信號(hào)的可編程增益放大器PGA組成。主、輔ADC都采用高頻“斬波”技術(shù)來(lái)提供優(yōu)良的直流(DC)失調(diào)和失調(diào)漂移指標(biāo)，因而非常適合用于低溫漂且對(duì)噪聲抑制和抗電磁干擾能力要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括主控制器ADuC845及外圍電路、紅外發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路、紅外傳感器信號(hào)放大電路、通信電路、4～20mA輸出電路、液晶顯示、電源等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3．1 紅外發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路
    紅外發(fā)光管選用PerkinElmer公司的IRL715。它是一種白熾燈，采用低頻電調(diào)制，波長(zhǎng)從可見(jiàn)光到5μm，適合CH(3～3．5μm)和CO2(4．15～4．4 μm)。有條件限制的適合CO(4．6μm)的探測(cè)，輸出可靠穩(wěn)定，時(shí)間常數(shù)短，工作在5 V電源時(shí)，壽命可達(dá)40000 h。IRL715采用了1 Hz脈沖調(diào)制，主控制器ADuC845通過(guò)引腳發(fā)送脈沖信號(hào)控制發(fā)光管的調(diào)制過(guò)程。
3．2 紅外傳感器信號(hào)放大電路
    紅外傳感器選用PerkinElmer公司的PYS 3228TCG2／G20。當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶(LiTaO3等)、壓電陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有△T的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷△Q，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓△V。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷△Q會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，△AT=0，傳感器無(wú)輸出。如果在熱電元件接上適當(dāng)?shù)碾娮?，?dāng)元件受熱時(shí)，電阻上就有電流流過(guò)，在兩端得到電壓信號(hào)。
    PYS 3228 TC G2／G20傳感器包括兩個(gè)濾波窗，中心波長(zhǎng)分別是4．26μm、4．0μm。其中，4．0μm為參考窗，主要由外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場(chǎng)效應(yīng)管FET等組成。濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過(guò)的窗口。其優(yōu)點(diǎn)為本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗低，隱蔽性好，價(jià)格低；缺點(diǎn)為容易受各種熱源、光源以及射頻輻射的干擾。
    針對(duì)該熱釋電傳感器包括兩個(gè)通道，設(shè)計(jì)了兩個(gè)對(duì)稱的放大電路，如圖3所示。以一個(gè)通道為例，CA、R4、R3構(gòu)成低通放大，C8、R7、R8構(gòu)成零位提升，便于后續(xù)采集計(jì)算。放大器采用高阻抗輸入、低噪聲芯片TLC2252。

3．3 4～20 mA輸出電路
    ADuC845內(nèi)置12位DAC，為了使4～20 mA輸出電路的負(fù)載能達(dá)到1 kΩ，采用+24 V電源，同時(shí)R11為100 Ω，輸出電流I=VDAC／R11。具體電路如圖4所示。

4 采集方法和數(shù)據(jù)分析
4．1 采集時(shí)序和ADC設(shè)置
    紅外發(fā)光管和信號(hào)采集時(shí)序如圖5所示。采集步驟如下：采集傳感器兩個(gè)通道的信號(hào)A1、Aref；紅外發(fā)光源發(fā)光200 ms；采集傳感器兩個(gè)通道的信號(hào)B1、Bref；紅外發(fā)光源熄滅800 ms；計(jì)算比值(B1-A1)／(Bref-Aref)，根據(jù)這個(gè)值和標(biāo)定曲線公式計(jì)算出檢測(cè)氣體的濃度。不斷循環(huán)上述步驟。ADuC845內(nèi)置的24位ADC采樣周期設(shè)置為1 ms，采樣精度能達(dá)到15位以上。

4．2 標(biāo)定方法
    根據(jù)公式*****，透過(guò)光強(qiáng)I與氣體濃度p呈指數(shù)遞減關(guān)系。為了得到更加準(zhǔn)確的測(cè)量值，系統(tǒng)采用3次樣條插值方法，并設(shè)置為非扭結(jié)邊界條件，也就是強(qiáng)制使第一個(gè)點(diǎn)的3次導(dǎo)數(shù)和第2點(diǎn)的3次導(dǎo)數(shù)一樣；最后一個(gè)點(diǎn)的3次導(dǎo)數(shù)和倒數(shù)第1個(gè)點(diǎn)一樣。在Matlab7．0中顯示的標(biāo)定曲線如圖6所示。橫坐標(biāo)為比值，縱坐標(biāo)為氣體濃度。

4．3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
    表1、表2分別是二氧化碳濃度為1 ％和80％時(shí)測(cè)定的數(shù)據(jù)。錄并行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求二氧化碳檢測(cè)儀的檢測(cè)濃度為0～100％，最小檢測(cè)濃度0．2％，測(cè)量誤差為±3％滿量程，該系統(tǒng)完全滿足要求。

5 結(jié)論
    內(nèi)置24位和12位DAC的主控制器ADuC845應(yīng)用于錄井二氧化碳檢測(cè)儀，外圍器件更加精簡(jiǎn)，保證了測(cè)量的高可靠性，對(duì)錄井野外工作正常運(yùn)行和后期的準(zhǔn)確解釋評(píng)價(jià)極為重要。目前，該檢測(cè)儀已經(jīng)裝配于十多臺(tái)綜合錄井儀，投入到石油天然氣錄井工作中。實(shí)際應(yīng)用表明，二氧化碳檢測(cè)儀的整體性能穩(wěn)定，檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠。