基于ADuC845的石油录井二氧化碳检测仪

引言
    在石油勘探过程中，二氧化碳检测是一项重要的录井工作，为后续的地质解释评价提供参考依据。从钻井液脱出的气体包括多种烃类气体、氢气、二氧化碳等，在采用红外光谱吸收法之前一般采用热导法检测二氧化碳，这种方法的缺点是易受其他气体的干扰。随着工艺的发展，红外发光源和红外传感器变得更加小巧，红外光谱吸收法逐渐取代了热导法。为了实现准确稳定的检测，除了采用性能优良的红外发光源和红外传感器外，信号采集处理部分也至关重要。其中，稳定可靠的ADC采集和高效的数据处理是二氧化碳检测系统的关键。

1 红外光谱吸收法原理
    红外光谱吸收法是利用被测气体对红外光的特征吸收来实现气体成分的浓度分析。当对应某一气体具有特征吸收的光波通过这一被测气体时，其强度将明显减弱，强度衰减程度与该气体浓度有关。根据对出射光强的测试，可确定被测气体的浓度，对确定波长的红外光波的吸收，其强度和被测气体浓度间的关系遵守比尔定律。其基本原理如图1所示。

    基本数学模型：大部分有机和无机多原子分子气体在红外区有特征吸收波长。当红外光通过时，这些气体分子对特定波长的透过光强可由朗伯一比尔定律表示：
    
    而吸收光强i可表示为：
    
    式中：Io为入射光强；I为透过光强；l为气体介质厚度，p为气体浓度，k为吸收系数。
    吸收系数k是一个非常复杂的量，它不仅与气体种类、入射光波长有关，而且还受环境温度、环境大气压等因素的影响。因此，对于变温、变气压的工作环境，k是一个变值，从而直接影响吸收光强I。

2 ADuC845的基本原理和性能特点
    ADuC845是高性能24位数据采集与处理系统，它内部集成有两个24位分辨率的△-∑ADC、双D／A转换器、10或8通道输入多路复用器、一个高效的8051内核；可提供62 KB的Flash程序存储器，4 KB Flash数据存储器和2304字节的数据RAM。ADuC845具有串行下载和调度模式，可通过EA引脚提供引脚竞争模式，同时支持Quick Start开发系统和低成本的软件和硬件工具。
    ADuC845可通过一个片内锁相环PLL产生一个12．58 MHz的高频时钟，以使之运行于32 kHz外部晶振。片内微控制器是一个优化的单指令周期8051闪存MCU。该MCU在保持与8051指令系统兼容的同时，具有12．58 MIPS的性能。该芯片的两个独立的ADC(主ADC和辅助ADC)由一个输入多路复用器、一个温度传感器和一个可直接测量低幅度信号的可编程增益放大器PGA组成。主、辅ADC都采用高频“斩波”技术来提供优良的直流(DC)失调和失调漂移指标，因而非常适合用于低温漂且对噪声抑制和抗电磁干扰能力要求较高的应用场合。

3 系统结构及功能
    系统设计包括主控制器ADuC845及外围电路、红外发光管驱动电路、红外传感器信号放大电路、通信电路、4～20mA输出电路、液晶显示、电源等。系统结构如图2所示。

3．1 红外发光管驱动电路
    红外发光管选用PerkinElmer公司的IRL715。它是一种白炽灯，采用低频电调制，波长从可见光到5μm，适合CH(3～3．5μm)和CO2(4．15～4．4 μm)。有条件限制的适合CO(4．6μm)的探测，输出可靠稳定，时间常数短，工作在5 V电源时，寿命可达40000 h。IRL715采用了1 Hz脉冲调制，主控制器ADuC845通过引脚发送脉冲信号控制发光管的调制过程。
3．2 红外传感器信号放大电路
    红外传感器选用PerkinElmer公司的PYS 3228TCG2／G20。当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。能产生热释电效应的晶体称为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有△T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷△Q，即在两电极之间产生一微弱电压△V。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷△Q会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，△AT=0，传感器无输出。如果在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信号。
    PYS 3228 TC G2／G20传感器包括两个滤波窗，中心波长分别是4．26μm、4．0μm。其中，4．0μm为参考窗，主要由外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。其优点为本身不发任何类型的辐射，器件功耗低，隐蔽性好，价格低；缺点为容易受各种热源、光源以及射频辐射的干扰。
    针对该热释电传感器包括两个通道，设计了两个对称的放大电路，如图3所示。以一个通道为例，CA、R4、R3构成低通放大，C8、R7、R8构成零位提升，便于后续采集计算。放大器采用高阻抗输入、低噪声芯片TLC2252。

3．3 4～20 mA输出电路
    ADuC845内置12位DAC，为了使4～20 mA输出电路的负载能达到1 kΩ，采用+24 V电源，同时R11为100 Ω，输出电流I=VDAC／R11。具体电路如图4所示。

4 采集方法和数据分析
4．1 采集时序和ADC设置
    红外发光管和信号采集时序如图5所示。采集步骤如下：采集传感器两个通道的信号A1、Aref；红外发光源发光200 ms；采集传感器两个通道的信号B1、Bref；红外发光源熄灭800 ms；计算比值(B1-A1)／(Bref-Aref)，根据这个值和标定曲线公式计算出检测气体的浓度。不断循环上述步骤。ADuC845内置的24位ADC采样周期设置为1 ms，采样精度能达到15位以上。

4．2 标定方法
    根据公式*****，透过光强I与气体浓度p呈指数递减关系。为了得到更加准确的测量值，系统采用3次样条插值方法，并设置为非扭结边界条件，也就是强制使第一个点的3次导数和第2点的3次导数一样；最后一个点的3次导数和倒数第1个点一样。在Matlab7．0中显示的标定曲线如图6所示。横坐标为比值，纵坐标为气体浓度。

4．3 实测数据
    表1、表2分别是二氧化碳浓度为1 ％和80％时测定的数据。录并行业标准要求二氧化碳检测仪的检测浓度为0～100％，最小检测浓度0．2％，测量误差为±3％满量程，该系统完全满足要求。

5 结论
    内置24位和12位DAC的主控制器ADuC845应用于录井二氧化碳检测仪，外围器件更加精简，保证了测量的高可靠性，对录井野外工作正常运行和后期的准确解释评价极为重要。目前，该检测仪已经装配于十多台综合录井仪，投入到石油天然气录井工作中。实际应用表明，二氧化碳检测仪的整体性能稳定，检测数据可靠。