瓦斯(CH4)是在煤的形成過程中產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能否得到精確檢測,直接關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場檢測和實驗室檢測兩種方法?，F場測試法可實時監控瓦斯氣體濃度，但這種方法的誤差比較大。實驗室檢測法具有精度高、安全性高和設備易于操控等優勢。采用實驗室檢測法時的氣體體積取樣成為檢測的關鍵，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，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，將液位參數的變化轉換成標準電信號，簡化了硬件電路設計，有利于提高系統的精確度。系統采用單片機MSP430F149作為數據處理和控制芯片，實現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。該系統是具有自動控制、精度高、靈敏度高和人性化設計等優點。
1 系統原理
　 本文設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。氣體取樣時根據所需值簡單預設并精確采樣，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數據。該裝置實現了瓦斯氣體取樣的自動控制、自動測量及數據顯示的功能，使裝置具有方便、可靠、穩定等特點。本文設計的裝置結構圖如圖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備，以便確定瓦斯氣體的濃度。實驗人員根據需要設置預輸出氣體的次數以及每次輸出氣體的體積設定次數輸出定量氣體至氣體成分分析設備，每次氣體輸出完畢后，系統自動報警以提示實驗人員。
2 硬件系統設計
    圖1中的測量控制系統采用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，顯示系統采用LCD12864液晶顯示芯片，數據輸入采用矩陣鍵盤對預設氣體體積值和各種控制進行設置[2]。系統總框圖如圖2所示。系統工作時由鍵盤實現提取氣體體積值的設定和各種控制，LCD液晶顯示當前玻璃管內氣體總量、需提取氣體體積值、當前已經取得的氣體體積和當前液位的高度4種參數。

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，將靜壓轉換為電信號[3]，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號。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、結構簡單和頻響特性好等優點，缺點是靈敏度較低。電容式液位傳感器具有結構簡單、價格便宜、靈敏度高和良好的動態響應等優點, 缺點是有非線性誤差[4]。
2.1.2 液位傳感器及其信號調理
    本設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。信號調理電路如圖3所示。圖3中MEM_IN為液位傳感器輸入信號，經過R108和R109分壓后，電壓降為0~2.5 V，通過LM358構成的電壓跟隨器進行緩沖和隔離，再經由RC低通濾波后送入MSP430F149單片機的A/D輸入端，利用單片機內部12位A/D轉換器實現液位高度的數據采集。

2.2 存儲器模塊
    系統設計時采用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：(1)裝置采用的玻璃管直徑；(2)零點參數；(3)液位傳感器的非線性誤差校正參數。采用存儲器后，系統的程序一致性較好，對于不同的裝置僅需通過鍵盤修改存儲器中的參數即可，為批量生產提供了方便。

2.3 鍵盤模塊
    利用鍵盤按鍵控制是實現現場實時調試、數據調整和各種參數設置最常用的方法。本文設計的測量控制系統配有4×4矩陣鍵盤，共16個按鍵，分別為數字0~9、小數點、預設、確認、校準、開始、停止按鈕。通過按鍵對本系統進行預設、校準設定、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 軟件設計
    系統軟件主要包括氣體體積取樣模塊設計和校準模塊設計，測量控制系統根據鍵盤指令執行相應操作。
3.1取樣模塊軟件設計
    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。系統工作時首先由鍵盤設定所需氣體體積，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，關閉電磁閥。   

3.2 校準模塊軟件設計
    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閉電磁閥來減小。水流運動過程中會產生渦流物理現象[5]，但測試結果表明，液體在玻璃管中流動產生的渦流對結果產生的影響很小。當裝置長期使用后，傳感器表面容易受到液體中的雜質污染，從而產生零點漂移，因此需要定期進行零點校準[6]。
   系統設計時，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，實際測試結果表明，400 mm~0 mm呈線性變化趨勢。程序設計時將零點的AD0值存在存儲器AT25080中。校準模塊軟件流程如圖7所示。系統處于校準狀態時，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 實驗結果
   經過軟硬件設計和調試之后，該裝置實現了瓦斯氣體的自動取樣，測試結果如表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提取。從表中的數據可知每次預設的氣體體積與相對誤差成反比，且相對誤差都小于1%，滿足了系統設計需求。

    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。實踐結果表明該裝置具有精度高、可控性好和使用簡單等優點。該裝置為進行高精度的瓦斯濃度檢測提供了保障，很好地解決了井下煤礦特殊環境中的氣體采樣問題，具有較強的工業應用價值。
參考文獻
[1] 朱高中.電容式傳感器在液位測量中的應用研究[J]. 液壓與氣動，2012(2)：70-72.
[2] 和衛星，吳文亞，董國貴.基于MSP430的井下瓦斯測量及無線傳輸系統設計[J].煤礦安全,2012,42(2)：74-77.
[3] 方立德，盧慶華，李小亭，等.一種新型分體式差壓測量裝置的研制[J].電子測量與儀器學報，2012,23(10):970-976.
[4] 孫圣和.現代傳感器發展方向[J]. 電子測量與儀器學報,2009,23(1):1-10.
[5] 徐英, 張強, 于磊,等.利用雙差壓式節流裝置測量濕氣[J]. 儀器儀表學報, 2010,31(8):1-2.
[6] 馮旭剛, 費業泰, 章家巖.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.