瓦斯(CH4)是在煤的形成過程中產(chǎn)生并大量儲存于煤層之中的氣體，達到一定濃度時便會引起爆炸，是煤礦井下危害性最大的氣體。瓦斯的濃度及其他爆炸參數(shù)能否得到精確檢測,直接關(guān)系到井下人員的生命安全[1]。煤礦瓦斯氣體濃度檢測通常有現(xiàn)場檢測和實驗室檢測兩種方法。現(xiàn)場測試法可實時監(jiān)控瓦斯氣體濃度，但這種方法的誤差比較大。實驗室檢測法具有精度高、安全性高和設(shè)備易于操控等優(yōu)勢。采用實驗室檢測法時的氣體體積取樣成為檢測的關(guān)鍵，目前采用的方法是通過讀取玻璃管中氣體排出前后的液面差并進行計算來確定的，該過程依靠視覺讀數(shù)，必定會帶來誤差。

    本文針對實驗室方法檢測井下瓦斯氣體濃度時對氣體體積取樣誤差大和取樣數(shù)值不能實時顯示等缺點，研制了一種瓦斯氣體自動取樣裝置。該裝置采用先進的液位傳感器技術(shù)，將液位參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成標準電信號，簡化了硬件電路設(shè)計，有利于提高系統(tǒng)的精確度。系統(tǒng)采用單片機MSP430F149作為數(shù)據(jù)處理和控制芯片，實現(xiàn)了瓦斯氣體取樣的實時控制和顯示，而且能夠按需求多次取出氣體。該系統(tǒng)是具有自動控制、精度高、靈敏度高和人性化設(shè)計等優(yōu)點。
1 系統(tǒng)原理
　 本文設(shè)計的瓦斯氣體自動取樣裝置由液位傳感器、單片機MSP430F149、鍵盤和顯示等模塊組成。氣體取樣時根據(jù)所需值簡單預設(shè)并精確采樣，且實驗人員無需進行計算與肉眼觀察，便可得到可靠的相關(guān)數(shù)據(jù)。該裝置實現(xiàn)了瓦斯氣體取樣的自動控制、自動測量及數(shù)據(jù)顯示的功能，使裝置具有方便、可靠、穩(wěn)定等特點。本文設(shè)計的裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    裝置工作時將混有瓦斯的空氣取樣器帶入實驗室，定量輸出到氣體成分分析設(shè)備，以便確定瓦斯氣體的濃度。實驗人員根據(jù)需要設(shè)置預輸出氣體的次數(shù)以及每次輸出氣體的體積設(shè)定次數(shù)輸出定量氣體至氣體成分分析設(shè)備，每次氣體輸出完畢后，系統(tǒng)自動報警以提示實驗人員。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    圖1中的測量控制系統(tǒng)采用MSP430F149作為主控制芯片，液位高度的采集采用高精度電容式小量程的液位傳感器，顯示系統(tǒng)采用LCD12864液晶顯示芯片，數(shù)據(jù)輸入采用矩陣鍵盤對預設(shè)氣體體積值和各種控制進行設(shè)置[2]。系統(tǒng)總框圖如圖2所示。系統(tǒng)工作時由鍵盤實現(xiàn)提取氣體體積值的設(shè)定和各種控制，LCD液晶顯示當前玻璃管內(nèi)氣體總量、需提取氣體體積值、當前已經(jīng)取得的氣體體積和當前液位的高度4種參數(shù)。

2.1 液位高度測量模塊
2.1.1液位傳感器的工作原理
    液位傳感器是一種測量液位的壓力傳感器，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號[3]，再經(jīng)過溫度補償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標準電信號。當液位傳感器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓力公式為：P=ρ·g·H+PO，式中：P為液面所受壓力，ρ為被測液體密度，g為重力加速度，PO為液面上大氣壓，H為液位的高度。
    目前常用液位傳感器有電阻應變式液位傳感器和電容式液位傳感器。電阻應變式傳感器具有測量范圍廣、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單和頻響特性好等優(yōu)點，缺點是靈敏度較低。電容式液位傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、靈敏度高和良好的動態(tài)響應等優(yōu)點, 缺點是有非線性誤差[4]。
2.1.2 液位傳感器及其信號調(diào)理
    本設(shè)計中采用高靈敏度的小量程電容式液位傳感器，測量范圍為0~0.5 m，輸出電壓范圍為0~5 V，其非線性誤差采用軟件進行補償和修正。信號調(diào)理電路如圖3所示。圖3中MEM_IN為液位傳感器輸入信號，經(jīng)過R108和R109分壓后，電壓降為0~2.5 V，通過LM358構(gòu)成的電壓跟隨器進行緩沖和隔離，再經(jīng)由RC低通濾波后送入MSP430F149單片機的A/D輸入端，利用單片機內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)液位高度的數(shù)據(jù)采集。

2.2 存儲器模塊
    系統(tǒng)設(shè)計時采用SPI串行通信的EEPROM存儲器AT25080，電路如圖4所示。存儲器主要存儲3類參數(shù)：(1)裝置采用的玻璃管直徑；(2)零點參數(shù)；(3)液位傳感器的非線性誤差校正參數(shù)。采用存儲器后，系統(tǒng)的程序一致性較好，對于不同的裝置僅需通過鍵盤修改存儲器中的參數(shù)即可，為批量生產(chǎn)提供了方便。

2.3 鍵盤模塊
    利用鍵盤按鍵控制是實現(xiàn)現(xiàn)場實時調(diào)試、數(shù)據(jù)調(diào)整和各種參數(shù)設(shè)置最常用的方法。本文設(shè)計的測量控制系統(tǒng)配有4×4矩陣鍵盤，共16個按鍵，分別為數(shù)字0~9、小數(shù)點、預設(shè)、確認、校準、開始、停止按鈕。通過按鍵對本系統(tǒng)進行預設(shè)、校準設(shè)定、開始和停止等控制。
2.4電磁閥控制模塊
    繼電器控制模塊如圖5所示。RELAY_buf為單片機I/O口，通過控制Q102三極管的飽和與截止實現(xiàn)對繼電器K101的控制，J5為電磁閥的接口。電磁閥的供電電源為12 V,功率為5 W,響應時間為5 ms。

3 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件主要包括氣體體積取樣模塊設(shè)計和校準模塊設(shè)計，測量控制系統(tǒng)根據(jù)鍵盤指令執(zhí)行相應操作。
3.1取樣模塊軟件設(shè)計
    氣體體積取樣模塊軟件流程如圖6所示。圖6中初始化包括單片機、液晶和鍵盤初始化。系統(tǒng)工作時首先由鍵盤設(shè)定所需氣體體積，然后由開始按鍵打開電磁閥進行氣體取樣，取樣值由液位傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，進行A/D采樣，同時需進行誤差補償，當取樣體積的相對誤差ε小于1%時，關(guān)閉電磁閥。   

3.2 校準模塊軟件設(shè)計
    裝置的誤差主要來源于零點誤差、水流運動誤差和電磁閥響應延遲誤差。其中電磁閥響應延遲誤差可通過提前關(guān)閉電磁閥來減小。水流運動過程中會產(chǎn)生渦流物理現(xiàn)象[5]，但測試結(jié)果表明，液體在玻璃管中流動產(chǎn)生的渦流對結(jié)果產(chǎn)生的影響很小。當裝置長期使用后，傳感器表面容易受到液體中的雜質(zhì)污染，從而產(chǎn)生零點漂移，因此需要定期進行零點校準[6]。
   系統(tǒng)設(shè)計時，將裝置中玻璃管的400 mm刻度線定為零點，使零點遠離液位傳感器，實際測試結(jié)果表明，400 mm~0 mm呈線性變化趨勢。程序設(shè)計時將零點的AD0值存在存儲器AT25080中。校準模塊軟件流程如圖7所示。系統(tǒng)處于校準狀態(tài)時，加蒸餾水至零點位置，測量此時的A/D值并作為零點AD0保存到AT25080中。

4 實驗結(jié)果
   經(jīng)過軟硬件設(shè)計和調(diào)試之后，該裝置實現(xiàn)了瓦斯氣體的自動取樣，測試結(jié)果如表1所示。表中液面高度為液面與零點之間距離,玻璃管頂部與零點之間距離為400 mm，測試時的氣體為連續(xù)提取。從表中的數(shù)據(jù)可知每次預設(shè)的氣體體積與相對誤差成反比，且相對誤差都小于1%，滿足了系統(tǒng)設(shè)計需求。

    本文針對目前井下煤礦瓦斯氣體的氣體取樣實驗室檢測法中存在的問題，提出了一種基于液位傳感器對瓦斯氣體進行自動取樣的裝置。實踐結(jié)果表明該裝置具有精度高、可控性好和使用簡單等優(yōu)點。該裝置為進行高精度的瓦斯?jié)舛葯z測提供了保障，很好地解決了井下煤礦特殊環(huán)境中的氣體采樣問題，具有較強的工業(yè)應用價值。
參考文獻
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[6] 馮旭剛, 費業(yè)泰, 章家?guī)r.石灰窯混合煤氣流量檢測的在線補償[J]. 電子測量與儀器學報,2010,24(11):2-3.