基于单片机的井下防腐作用监测装置

孙 彤 苏 星 吴兴俊 许建政

（沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136）

0 前言

在井下工作的仪器的某些器件会受环境影响而发生腐蚀，对输油管道来说，腐蚀作用会影响其运输工作的进行，此问题的解决方案多为人工投放防腐材料，其主观性和经验性较强。因此需要一款辅助装置对防腐材料作用进行监测。经过初步试验和综合考虑后，该文采用测量压力的方式来反映井下防腐材料的作用时间。

目前国内外大多使用机械式压力计进行压力测量，并通过各种机械结构来使测量结果更加精确，但是其装置体积较大，设计结构较为复杂。

国外也有类似功能的产品，LAWRENCE D CLAYTON等人提出了石英厚度剪切模式下的压力传感器灵敏度可增强设计，为井下探测装置的灵敏度提升提出了一系列的设计方案。

该装置的基本要求是耐高温、耐腐蚀、密封条件良好，对电池的能耗量要求低，电池和零件耐用，该文结合以上理论研究和设计实践，设计了小巧轻便的井下辅助防腐材料作用监测装置。

1 研究思路

该装置的最终目的是通过监测井下的压力来掌握合理的投放防腐材料的时间、数量和位置，装置主要由传感器、放大器、单片机、存储器等电子元件以及相关保护装置组成。

2 机械结构

2.1 防腐部分

防腐材料使用复合材料溶铝基合金，此材料可以加工成各种形状，遇水会逐渐溶解，并释放出来。在实际应用中，在外表面与水接触一段时间之后，防腐材料会逐渐释放，起到延时的效果。

该装置监测的数据指标为流入底部圆孔中的压力值，在实际操作中，由于环境等因素的干扰，液体与底部圆孔的接触面积会发生不规则变化，导致数据的区分度不明显，不能直观地反应防腐片是否已经发生了作用。因此，该文从流入结构上进行改进，将防腐片加工成环状，遇水缓慢溶解，使其充分地发挥作用。除此之外，为了防止片与片之间发生堆叠，该文设计了新型防腐结构，通过锥形的结构起到促进融化的作用。

具体过程如下：液体从小孔内流入，和防腐片发生作用，使压力发生变化，传感器压力信号最终转化成电信号，接入存储器，得到数据并保存。通过数据的分析获得每个单元防腐材料发挥作用的时长，最终达到定时、定量、定段地投放防腐材料，实现输油管使用寿命的延长。

2.2 结构元件

压阻式传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上，制成硅压阻芯片，并将此芯片的周边固定封装于外壳之内，引出电极引线。半导体材料的压阻效应的数学表达式如公式（1）所示。

式中：压阻系数是表征半导体材料压阻效应的特性参数；为应力；为电阻；Δ为电阻的变化量。

电阻不仅随不同材料而不同，而且是各向异性的，同一材料在不同方向的压阻系数也各不相同。各向同性的材料的压阻系数无方向性，这时公式（1）成立。对各向异性的立方晶体单晶硅来说，其压阻系数与晶向有关。在实际应用中，由于各向异性，当其随硅膜片承受外力时，会同时产生纵向（电流方向，即电阻条长度方向）压阻效应和横向（电阻条宽度方向）压阻效应，而深度方向的压阻效应因电阻条厚度极薄（几微米），且本方向上应力远比纵向、横向小而可忽略。因此，扩散电阻在纵向、横向应力作用下产生的全压阻效应可用公式（2）表示。

式中：σ和分别为纵向应力和横向应力；π为纵向压阻系数，反映由纵向应力引起的纵向电阻的变化率；π为横向压阻系数，反映由横向应力引起的纵向电阻变化率。

由于井下的温度等要求条件较高，因此采用硅压阻式隔离压力传感器。传感器由基体、波纹膜片、芯片构成。如图1所示。

图1 硅压阻式隔离压力传感器

图2 防腐片位置及排布

2.3 结构设计

管体呈圆柱形，头部由多个环状防腐片、密封圈和密封盖组成，管体和密封盖使用耐高温耐高压的材料，防止井下的其他液体进入，保护内部元件。防腐片位置及排布如图2所示。

为了防止片与片之间发生堆叠，该文将每个单元前部的内部结构设计为锥形，将防腐片加工成环状。防腐片遇水慢缓溶解，发挥作用。液体从上端小孔流入后，扩散到锥形结构的第一层，与第一片防腐片发生反应，并随着液体的增多，逐渐靠近锥形的底部，直至与所有的防腐片发生作用。在这个过程中，液体始终通过锥形的外壁流入底部环形孔隙而测得压力。多单元的压力测量装置如图3所示。

图3 多单元的压力测量装置

前段共设置三个重复单元，利用压力传感器的示数变化来反映防腐材料是否发生了溶解以及溶解的作用情况。当1中防腐片完全发生作用之后，液体经过传感器上端设计的两侧孔道流入3的上端小孔继续发生作用，重复以上步骤，即可得到多个单元的防腐作用情况。

管体中后部为单片机、电路、电池架和储存条，器件均固定在管壁上，电器元件之间通过孔道相连。将三个单元的数据进行处理，对比其电压的突变范围，即可反映防腐片的作用情况。

3 电路结构

3.1 主控器

Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，收录进微控制器。鉴于井下的特殊要求，采用Arduino Nano单片机。单片机由抗高温、抗高压的电池进行供电，它是Arduino USB接口的微型版本，最大的不同是没有电源插座且USB接口是Mini-B型插座。Arduino Nano的尺寸非常小，其处理器核心是ATmega328（Nano3.0），同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），8路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个mini-B USB口，一个ICSPheader和一个复位按钮。在实际应用过程中，首先从压力传感器处接收信号，接着进行放大处理，从单片机的串口监视数据的变化，最终储存到储存条中。这一过程方便了数据的读取和处理。

图4 总设计图

3.2 电压放大器

由于传感器的信号为毫伏级，不能达到单片机的采集要求，因此需要放大器。

差分放大电路的两种基本输入信号是差模和共模，由于其电路的对称性，当两输入端所接信号大小相等、极性相反时，称为差模输入信号；当两输入端所接信号大小相等、极性相同时，称为共模信号。该装置将要放大的信号作为差模信号进行输入，而将由温度等环境因素对电路产生的影响作为共模信号进行输入，最终的目的是放大差模信号，抑制共模信号。采用高精度毫伏差分电压AD62O仪表放大器变送器模块，关键的器件使用AD620，电压放大器经过两级放大，放大倍数为1-10000倍，且为深度负反馈，稳定性极好。

3.3 系统结构

该系统由四部分组成，分别是压力传感器、信号调理电路、A/D转换和单片机的存储回放部分，如图5所示。

图5 系统原理图

压力传感器直接接触液态介质以传递压力信息，传感器将采集到的压力信息以特定的转换协议转换成电流信号。电流信号经过信号调理电路，先经过放大器的调节，放大微弱的原始电流信号。

放大后的电流信号仍是模拟信号，需要经过A/D转换模块对其进行处理，以完成模拟量转换成数字量的任务。最后得到的数字信号存储在存储模块中或实时输出到单片机的串口中，并实时显示在上位机的屏幕上。存储功能由SD卡模块实现，电流信号会由系统电路打包输入SD卡中，实现长期存储，再由上位机中读取SD卡模块进行信息的回放。

3.4 电路设计及结果

根据上述系统结构，设计的电路如图6所示。

图6 电路设计原理图

单片机中的程序负责对采集到的信号进行瞬时采样和A/D转换，采集到的数据可以通过串行通信口传输到上位机中的应用程序中进行信号处理与分析。

试验结果表明，正常情况下的压力状态值为53、51、51、52、54，施加外部压力之后压力值为116、117、115、113。验证了如果防腐片溶解发生作用，会使串口输出的压力值发生突变。

4 结语

为了实现对井下防腐材料作用的监测，国内研究者对监测装置的设计性和实际应用做了深入研究，从理论基础上提出了许多设计方案，但是结构相对复杂。国外研究者注重基础理论研究的同时，也对设备的实物设计研究做出了贡献，从理论基础上讨论了提高灵敏度的问题，着重于长期的数据处理和分析。

该文在上述启发之下，结合实际条件，设计的装置小巧、轻便，具有一定创新性，以压力为介，有效地实现了防腐材料作用的监测。后续将在结构的抗震性、密封性、监测的实时性、耗电量上进行更深一步的研究。