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。