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重要的錄井工作，為后續(xù)的地質解釋評價提供參考依據。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法檢測二氧化碳，這種方法的缺點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法。為了實現準確穩(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重要。其中，穩(wěn)定可靠的ADC采集和高效的數據處理是二氧化碳檢測系統(tǒng)的關鍵。

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現氣體成分的濃度分析。當對應某一氣體具有特征吸收的光波通過這一被測氣體時，其強度將明顯減弱，強度衰減程度與該氣體濃度有關。根據對出射光強的測試，可確定被測氣體的濃度，對確定波長的紅外光波的吸收，其強度和被測氣體濃度間的關系遵守比爾定律。其基本原理如圖1所示。

基本數學模型：大部分有機和無機多原子分子氣體在紅外區(qū)有特征吸收波長。當紅外光通過時，這些氣體分子對特定波長的透過光強可由朗伯一比爾定律表示：

而吸收光強i可表示為：

式中：Io為入射光強；I為透過光強；l為氣體介質厚度，p為氣體濃度，k為吸收系數。
吸收系數k是一個非常復雜的量，它不僅與氣體種類、入射光波長有關，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I。

2 ADuC845的基本原理和性能特點
ADuC845是高性能24位數據采集與處理系統(tǒng)，它內部集成有兩個24位分辨率的△-∑ADC、雙D／A轉換器、10或8通道輸入多路復用器、一個高效的8051內核；可提供62 KB的Flash程序存儲器，4 KB Flash數據存儲器和2304字節(jié)的數據RAM。ADuC845具有串行下載和調度模式，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可通過一個片內鎖相環(huán)PLL產生一個12．58 MHz的高頻時鐘，以使之運行于32 kHz外部晶振。片內微控制器是一個優(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。該芯片的兩個獨立的ADC(主ADC和輔助ADC)由一個輸入多路復用器、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”技術來提供優(yōu)良的直流(DC)失調和失調漂移指標，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用場合。

3 系統(tǒng)結構及功能
系統(tǒng)設計包括主控制器ADuC845及外圍電路、紅外發(fā)光管驅動電路、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)結構如圖2所示。

3．1 紅外發(fā)光管驅動電路
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，時間常數短，工作在5 V電源時，壽命可達40000 h。IRL715采用了1 Hz脈沖調制，主控制器ADuC845通過引腳發(fā)送脈沖信號控制發(fā)光管的調制過程。