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。隨著工藝的發展，紅外發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。為了實現準確穩定的檢測，除了采用性能優良的紅外發光源和紅外傳感器外，信號采集處理部分也至關重要。其中，穩定可靠的ADC采集和高效的數據處理是二氧化碳檢測系統的關鍵。
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，而且還受環境溫度、環境大氣壓等因素的影響。因此，對于變溫、變氣壓的工作環境，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，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開發系統和低成本的軟件和硬件工具。
ADuC845可通過一個片內鎖相環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化的單指令周期8051閃存MCU。該MCU在保持與8051指令系統兼容的同時，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 系統結構及功能
系統設計包括主控制器ADuC845及外圍電路、紅外發光管驅動電路、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。系統結構如圖2所示。
3．1 紅外發光管驅動電路
紅外發光管選用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通過引腳發送脈沖信號控制發光管的調制過程。
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。當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現象，被稱為熱釋電效應。通常，晶體自發極化所產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，其自發極化電矩不能表現出來。當溫度變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發極化發生變化，晶體表面就會產生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。能產生熱釋電效應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，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，當傳感器監測范圍內溫度有△T的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上會產生電荷△Q，即在兩電極之間產生一微弱電壓△V。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷△Q會跟空氣中的離子所結合而消失，當環境溫度穩定不變時，△AT=0，傳感器無輸出。如果在熱電元件接上適當的電阻，當元件受熱時，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、場效應管FET等組成。濾光片設置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。其優點為本身不發任何類型的輻射，器件功耗低，隱蔽性好，價格低；缺點為容易受各種熱源、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構成低通放大，C8、R7、R8構成零位提升，便于后續采集計算。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內置12位DAC，為了使4～20 mA輸出電路的負載能達到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 采集方法和數據分析
4．1 采集時序和ADC設置
紅外發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；紅外發光源發光200 ms；采集傳感器兩個通道的信號B1、Bref；紅外發光源熄滅800 ms；計算比值(B1-A1)／(Bref-Aref)，根據這個值和標定曲線公式計算出檢測氣體的濃度。不斷循環上述步驟。ADuC845內置的24位ADC采樣周期設置為1 ms，采樣精度能達到15位以上。
4．2 標定方法
根據公式*****，透過光強I與氣體濃度p呈指數遞減關系。為了得到更加準確的測量值，系統采用3次樣條插值方法，并設置為非扭結邊界條件，也就是強制使第一個點的3次導數和第2點的3次導數一樣；最后一個點的3次導數和倒數第1個點一樣。在Matlab7．0中顯示的標定曲線如圖6所示。橫坐標為比值，縱坐標為氣體濃度。
4．3 實測數據
表1、表2分別是二氧化碳濃度為1 ％和80％時測定的數據。錄并行業標準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，該系統完全滿足要求。
5 結論
內置24位和12位DAC的主控制器ADuC845應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行和后期的準確解釋評價極為重要。目前，該檢測儀已經裝配于十多臺綜合錄井儀，投入到石油天然氣錄井工作中。實際應用表明，二氧化碳檢測儀的整體性能穩定，檢測數據可靠。