基于ADuC845的石油錄井二氧化碳檢測儀

引言
在石油勘探過程中，二氧化碳檢測是一項(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，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氣體對(duì)紅外光的特征吸收來實(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這一被測氣體時(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)的測試，可確定被測氣體的濃度，對(duì)確定波長的紅外光波的吸收，其強(qiáng)度和被測氣體濃度間的關(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)和無機(jī)多原子分子氣體在紅外區(qū)有特征吸收波長。當(dāng)紅外光通過時(shí)，這些氣體分子對(duì)特定波長的透過光強(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EA引腳提供引腳競爭模式，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，波長從可見光到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，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通過引腳發(fā)送脈沖信號(hào)控制發(fā)光管的調(diào)制過程。