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)解釋評價提供參考依據(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)對應(yīng)某一氣體具有特征吸收的光波通過這一被測氣體時，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)對出射光強(qiáng)的測試，可確定被測氣體的濃度，對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，這些氣體分子對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，對于變溫、變氣壓的工作環(huán)境，k是一個變值，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、一個高效的8051內(nèi)核；可提供62 KB的Flash程序存儲器，4 KB Flash數(shù)據(jù)存儲器和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可通過一個片內(nèi)鎖相環(huán)PLL產(chǎn)生一個12．58 MHz的高頻時鐘，以使之運(yùn)行于32 kHz外部晶振。片內(nèi)微控制器是一個優(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，具有12．58 MIPS的性能。該芯片的兩個獨(dú)立的ADC(主ADC和輔助ADC)由一個輸入多路復(fù)用器、一個溫度傳感器和一個可直接測量低幅度信號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)計包括主控制器ADuC845及外圍電路、紅外發(fā)光管驅(qū)動電路、紅外傳感器信號放大電路、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，時間常數(shù)短，工作在5 V電源時，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)送脈沖信號控制發(fā)光管的調(diào)制過程。
3．2 紅外傳感器信號放大電路
紅外傳感器選用PerkinElmer公司的PYS 3228TCG2／G20。當(dāng)一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，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。當(dāng)溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會產(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，元件兩個表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有△T的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上會產(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場效應(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，△AT=0，傳感器無輸出。如果在熱電元件接上適當(dāng)?shù)碾娮?，?dāng)元件受熱時，電阻上就有電流流過，在兩端得到電壓信號。
PYS 3228 TC G2／G20傳感器包括兩個濾波窗，中心波長分別是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。
針對該熱釋電傳感器包括兩個通道，設(shè)計了兩個對稱的放大電路，如圖3所示。以一個通道為例，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 采集時序和ADC設(shè)置
紅外發(fā)光管和信號采集時序如圖5所示。采集步驟如下：采集傳感器兩個通道的信號A1、Aref；紅外發(fā)光源發(fā)光200 ms；采集傳感器兩個通道的信號B1、Bref；紅外發(fā)光源熄滅800 ms；計算比值(B1-A1)／(Bref-Aref)，根據(jù)這個值和標(biāo)定曲線公式計算出檢測氣體的濃度。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；最后一個點(diǎn)的3次導(dǎo)數(shù)和倒數(shù)第1個點(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)測數(shù)據(jù)
表1、表2分別是二氧化碳濃度為1 ％和80％時測定的數(shù)據(jù)。錄并行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求二氧化碳檢測儀的檢測濃度為0～100％，最小檢測濃度0．2％，測量誤差為±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儀，外圍器件更加精簡，保證了測量的高可靠性，對錄井野外工作正常運(yùn)行和后期的準(zhǔn)確解釋評價極為重要。目前，該檢測儀已經(jīng)裝配于十多臺綜合錄井儀，投入到石油天然氣錄井工作中。實(shí)際應(yīng)用表明，二氧化碳檢測儀的整體性能穩(wěn)定，檢測數(shù)據(jù)可靠。