基于單片機的井下防腐作用監(jiān)測裝置

孫 彤 蘇 星 吳興俊 許建政

（沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽 110136）

0 前言

在井下工作的儀器的某些器件會受環(huán)境影響而發(fā)生腐蝕，對輸油管道來說，腐蝕作用會影響其運輸工作的進行，此問題的解決方案多為人工投放防腐材料，其主觀性和經(jīng)驗性較強。因此需要一款輔助裝置對防腐材料作用進行監(jiān)測。經(jīng)過初步試驗和綜合考慮后，該文采用測量壓力的方式來反映井下防腐材料的作用時間。

目前國內(nèi)外大多使用機械式壓力計進行壓力測量，并通過各種機械結(jié)構(gòu)來使測量結(jié)果更加精確，但是其裝置體積較大，設(shè)計結(jié)構(gòu)較為復雜。

國外也有類似功能的產(chǎn)品，LAWRENCE D CLAYTON等人提出了石英厚度剪切模式下的壓力傳感器靈敏度可增強設(shè)計，為井下探測裝置的靈敏度提升提出了一系列的設(shè)計方案。

該裝置的基本要求是耐高溫、耐腐蝕、密封條件良好，對電池的能耗量要求低，電池和零件耐用，該文結(jié)合以上理論研究和設(shè)計實踐，設(shè)計了小巧輕便的井下輔助防腐材料作用監(jiān)測裝置。

1 研究思路

該裝置的最終目的是通過監(jiān)測井下的壓力來掌握合理的投放防腐材料的時間、數(shù)量和位置，裝置主要由傳感器、放大器、單片機、存儲器等電子元件以及相關(guān)保護裝置組成。

2 機械結(jié)構(gòu)

2.1 防腐部分

防腐材料使用復合材料溶鋁基合金，此材料可以加工成各種形狀，遇水會逐漸溶解，并釋放出來。在實際應用中，在外表面與水接觸一段時間之后，防腐材料會逐漸釋放，起到延時的效果。

該裝置監(jiān)測的數(shù)據(jù)指標為流入底部圓孔中的壓力值，在實際操作中，由于環(huán)境等因素的干擾，液體與底部圓孔的接觸面積會發(fā)生不規(guī)則變化，導致數(shù)據(jù)的區(qū)分度不明顯，不能直觀地反應防腐片是否已經(jīng)發(fā)生了作用。因此，該文從流入結(jié)構(gòu)上進行改進，將防腐片加工成環(huán)狀，遇水緩慢溶解，使其充分地發(fā)揮作用。除此之外，為了防止片與片之間發(fā)生堆疊，該文設(shè)計了新型防腐結(jié)構(gòu)，通過錐形的結(jié)構(gòu)起到促進融化的作用。

具體過程如下：液體從小孔內(nèi)流入，和防腐片發(fā)生作用，使壓力發(fā)生變化，傳感器壓力信號最終轉(zhuǎn)化成電信號，接入存儲器，得到數(shù)據(jù)并保存。通過數(shù)據(jù)的分析獲得每個單元防腐材料發(fā)揮作用的時長，最終達到定時、定量、定段地投放防腐材料，實現(xiàn)輸油管使用壽命的延長。

2.2 結(jié)構(gòu)元件

壓阻式傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上，制成硅壓阻芯片，并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線。半導體材料的壓阻效應的數(shù)學表達式如公式（1）所示。

式中：壓阻系數(shù)是表征半導體材料壓阻效應的特性參數(shù)；為應力；為電阻；Δ為電阻的變化量。

電阻不僅隨不同材料而不同，而且是各向異性的，同一材料在不同方向的壓阻系數(shù)也各不相同。各向同性的材料的壓阻系數(shù)無方向性，這時公式（1）成立。對各向異性的立方晶體單晶硅來說，其壓阻系數(shù)與晶向有關(guān)。在實際應用中，由于各向異性，當其隨硅膜片承受外力時，會同時產(chǎn)生縱向（電流方向，即電阻條長度方向）壓阻效應和橫向（電阻條寬度方向）壓阻效應，而深度方向的壓阻效應因電阻條厚度極?。◣孜⒚祝冶痉较蛏蠎h比縱向、橫向小而可忽略。因此，擴散電阻在縱向、橫向應力作用下產(chǎn)生的全壓阻效應可用公式（2）表示。

式中：σ和分別為縱向應力和橫向應力；π為縱向壓阻系數(shù)，反映由縱向應力引起的縱向電阻的變化率；π為橫向壓阻系數(shù)，反映由橫向應力引起的縱向電阻變化率。

由于井下的溫度等要求條件較高，因此采用硅壓阻式隔離壓力傳感器。傳感器由基體、波紋膜片、芯片構(gòu)成。如圖1所示。

圖1 硅壓阻式隔離壓力傳感器

圖2 防腐片位置及排布

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

管體呈圓柱形，頭部由多個環(huán)狀防腐片、密封圈和密封蓋組成，管體和密封蓋使用耐高溫耐高壓的材料，防止井下的其他液體進入，保護內(nèi)部元件。防腐片位置及排布如圖2所示。

為了防止片與片之間發(fā)生堆疊，該文將每個單元前部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計為錐形，將防腐片加工成環(huán)狀。防腐片遇水慢緩溶解，發(fā)揮作用。液體從上端小孔流入后，擴散到錐形結(jié)構(gòu)的第一層，與第一片防腐片發(fā)生反應，并隨著液體的增多，逐漸靠近錐形的底部，直至與所有的防腐片發(fā)生作用。在這個過程中，液體始終通過錐形的外壁流入底部環(huán)形孔隙而測得壓力。多單元的壓力測量裝置如圖3所示。

圖3 多單元的壓力測量裝置

前段共設(shè)置三個重復單元，利用壓力傳感器的示數(shù)變化來反映防腐材料是否發(fā)生了溶解以及溶解的作用情況。當1中防腐片完全發(fā)生作用之后，液體經(jīng)過傳感器上端設(shè)計的兩側(cè)孔道流入3的上端小孔繼續(xù)發(fā)生作用，重復以上步驟，即可得到多個單元的防腐作用情況。

管體中后部為單片機、電路、電池架和儲存條，器件均固定在管壁上，電器元件之間通過孔道相連。將三個單元的數(shù)據(jù)進行處理，對比其電壓的突變范圍，即可反映防腐片的作用情況。

3 電路結(jié)構(gòu)

3.1 主控器

Arduino能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，通過控制燈光、馬達和其他裝置來反饋、影響環(huán)境。板子上的微控制器可以通過Arduino的編程語言來編寫程序，編譯成二進制文件，收錄進微控制器。鑒于井下的特殊要求，采用Arduino Nano單片機。單片機由抗高溫、抗高壓的電池進行供電，它是Arduino USB接口的微型版本，最大的不同是沒有電源插座且USB接口是Mini-B型插座。Arduino Nano的尺寸非常小，其處理器核心是ATmega328（Nano3.0），同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），8路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個mini-B USB口，一個ICSPheader和一個復位按鈕。在實際應用過程中，首先從壓力傳感器處接收信號，接著進行放大處理，從單片機的串口監(jiān)視數(shù)據(jù)的變化，最終儲存到儲存條中。這一過程方便了數(shù)據(jù)的讀取和處理。

圖4 總設(shè)計圖

3.2 電壓放大器

由于傳感器的信號為毫伏級，不能達到單片機的采集要求，因此需要放大器。

差分放大電路的兩種基本輸入信號是差模和共模，由于其電路的對稱性，當兩輸入端所接信號大小相等、極性相反時，稱為差模輸入信號；當兩輸入端所接信號大小相等、極性相同時，稱為共模信號。該裝置將要放大的信號作為差模信號進行輸入，而將由溫度等環(huán)境因素對電路產(chǎn)生的影響作為共模信號進行輸入，最終的目的是放大差模信號，抑制共模信號。采用高精度毫伏差分電壓AD62O儀表放大器變送器模塊，關(guān)鍵的器件使用AD620，電壓放大器經(jīng)過兩級放大，放大倍數(shù)為1-10000倍，且為深度負反饋，穩(wěn)定性極好。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由四部分組成，分別是壓力傳感器、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換和單片機的存儲回放部分，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)原理圖

壓力傳感器直接接觸液態(tài)介質(zhì)以傳遞壓力信息，傳感器將采集到的壓力信息以特定的轉(zhuǎn)換協(xié)議轉(zhuǎn)換成電流信號。電流信號經(jīng)過信號調(diào)理電路，先經(jīng)過放大器的調(diào)節(jié)，放大微弱的原始電流信號。

放大后的電流信號仍是模擬信號，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊對其進行處理，以完成模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的任務。最后得到的數(shù)字信號存儲在存儲模塊中或?qū)崟r輸出到單片機的串口中，并實時顯示在上位機的屏幕上。存儲功能由SD卡模塊實現(xiàn)，電流信號會由系統(tǒng)電路打包輸入SD卡中，實現(xiàn)長期存儲，再由上位機中讀取SD卡模塊進行信息的回放。

3.4 電路設(shè)計及結(jié)果

根據(jù)上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計的電路如圖6所示。

圖6 電路設(shè)計原理圖

單片機中的程序負責對采集到的信號進行瞬時采樣和A/D轉(zhuǎn)換，采集到的數(shù)據(jù)可以通過串行通信口傳輸?shù)缴衔粰C中的應用程序中進行信號處理與分析。

試驗結(jié)果表明，正常情況下的壓力狀態(tài)值為53、51、51、52、54，施加外部壓力之后壓力值為116、117、115、113。驗證了如果防腐片溶解發(fā)生作用，會使串口輸出的壓力值發(fā)生突變。

4 結(jié)語

為了實現(xiàn)對井下防腐材料作用的監(jiān)測，國內(nèi)研究者對監(jiān)測裝置的設(shè)計性和實際應用做了深入研究，從理論基礎(chǔ)上提出了許多設(shè)計方案，但是結(jié)構(gòu)相對復雜。國外研究者注重基礎(chǔ)理論研究的同時，也對設(shè)備的實物設(shè)計研究做出了貢獻，從理論基礎(chǔ)上討論了提高靈敏度的問題，著重于長期的數(shù)據(jù)處理和分析。

該文在上述啟發(fā)之下，結(jié)合實際條件，設(shè)計的裝置小巧、輕便，具有一定創(chuàng)新性，以壓力為介，有效地實現(xiàn)了防腐材料作用的監(jiān)測。后續(xù)將在結(jié)構(gòu)的抗震性、密封性、監(jiān)測的實時性、耗電量上進行更深一步的研究。