瓦斯(CH4)是在煤的形成過程中產(chǎn)生并大量?jī)?chǔ)存于煤層之中的氣體，達(dá)到一定濃度時(shí)便會(huì)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(cè),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(cè)通常有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)兩種方法。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試法可實(shí)時(shí)監(jiān)控瓦斯氣體濃度，但這種方法的誤差比較大。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)法具有精度高、安全性高和設(shè)備易于操控等優(yōu)勢(shì)。采用實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)法時(shí)的氣體體積取樣成為檢測(cè)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(jìn)行計(jì)算來(lái)確定的，該過程依靠視覺讀數(shù)，必定會(huì)帶來(lái)誤差。

    本文針對(duì)實(shí)驗(yàn)室方法檢測(cè)井下瓦斯氣體濃度時(shí)對(duì)氣體體積取樣誤差大和取樣數(shù)值不能實(shí)時(shí)顯示等缺點(diǎn)，研制了一種瓦斯氣體自動(dòng)取樣裝置。該裝置采用先進(jìn)的液位傳感器技術(shù)，將液位參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，有利于提高系統(tǒng)的精確度。系統(tǒng)采用單片機(jī)MSP430F149作為數(shù)據(jù)處理和控制芯片，實(shí)現(xiàn)了瓦斯氣體取樣的實(shí)時(shí)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(dòng)控制、精度高、靈敏度高和人性化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。
1 系統(tǒng)原理
　 本文設(shè)計(jì)的瓦斯氣體自動(dòng)取樣裝置由液位傳感器、單片機(jī)MSP430F149、鍵盤和顯示等模塊組成。氣體取樣時(shí)根據(jù)所需值簡(jiǎn)單預(yù)設(shè)并精確采樣，且實(shí)驗(yàn)人員無(wú)需進(jìn)行計(jì)算與肉眼觀察，便可得到可靠的相關(guān)數(shù)據(jù)。該裝置實(shí)現(xiàn)了瓦斯氣體取樣的自動(dòng)控制、自動(dòng)測(cè)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(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    裝置工作時(shí)將混有瓦斯的空氣取樣器帶入實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)人員根據(jù)需要設(shè)置預(yù)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(dòng)報(bào)警以提示實(shí)驗(yàn)人員。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    圖1中的測(cè)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(duì)預(yù)設(shè)氣體體積值和各種控制進(jìn)行設(shè)置[2]。系統(tǒng)總框圖如圖2所示。系統(tǒng)工作時(shí)由鍵盤實(shí)現(xiàn)提取氣體體積值的設(shè)定和各種控制，LCD液晶顯示當(dāng)前玻璃管內(nèi)氣體總量、需提取氣體體積值、當(dāng)前已經(jīng)取得的氣體體積和當(dāng)前液位的高度4種參數(shù)。

2.1 液位高度測(cè)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(cè)量液位的壓力傳感器，基于所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴(kuò)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(hào)[3]，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。當(dāng)液位傳感器投入到被測(cè)液體中某一深度時(shí)，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(cè)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(yīng)變式液位傳感器和電容式液位傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器具有測(cè)量范圍廣、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和頻響特性好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是靈敏度較低。電容式液位傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、靈敏度高和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn), 缺點(diǎn)是有非線性誤差[4]。
2.1.2 液位傳感器及其信號(hào)調(diào)理
    本設(shè)計(jì)中采用高靈敏度的小量程電容式液位傳感器，測(cè)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(jìn)行補(bǔ)償和修正。信號(hào)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(hào)，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(jìn)行緩沖和隔離，再經(jīng)由RC低通濾波后送入MSP430F149單片機(jī)的A/D輸入端，利用單片機(jī)內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)液位高度的數(shù)據(jù)采集。

2.2 存儲(chǔ)器模塊
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用SPI串行通信的EEPROM存儲(chǔ)器AT25080，電路如圖4所示。存儲(chǔ)器主要存儲(chǔ)3類參數(shù)：(1)裝置采用的玻璃管直徑；(2)零點(diǎn)參數(shù)；(3)液位傳感器的非線性誤差校正參數(shù)。采用存儲(chǔ)器后，系統(tǒng)的程序一致性較好，對(duì)于不同的裝置僅需通過鍵盤修改存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)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(jì)的測(cè)量控制系統(tǒng)配有4×4矩陣鍵盤，共16個(gè)按鍵，分別為數(shù)字0~9、小數(shù)點(diǎn)、預(yù)設(shè)、確認(rèn)、校準(zhǔn)、開始、停止按鈕。通過按鍵對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)設(shè)、校準(zhǔn)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(jī)I/O口，通過控制Q102三極管的飽和與截止實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)時(shí)間為5 ms。

3 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件主要包括氣體體積取樣模塊設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)，測(cè)量控制系統(tǒng)根據(jù)鍵盤指令執(zhí)行相應(yīng)操作。
3.1取樣模塊軟件設(shè)計(jì)
    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(jī)、液晶和鍵盤初始化。系統(tǒng)工作時(shí)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(jìn)行氣體取樣，取樣值由液位傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行A/D采樣，同時(shí)需進(jìn)行誤差補(bǔ)償，當(dāng)取樣體積的相對(duì)誤差ε小于1%時(shí)，關(guān)閉電磁閥。   

3.2 校準(zhǔn)模塊軟件設(shè)計(jì)
    裝置的誤差主要來(lái)源于零點(diǎn)誤差、水流運(yùn)動(dòng)誤差和電磁閥響應(yīng)延遲誤差。其中電磁閥響應(yīng)延遲誤差可通過提前關(guān)閉電磁閥來(lái)減小。水流運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生渦流物理現(xiàn)象[5]，但測(cè)試結(jié)果表明，液體在玻璃管中流動(dòng)產(chǎn)生的渦流對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響很小。當(dāng)裝置長(zhǎng)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(diǎn)漂移，因此需要定期進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)[6]。
   系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將裝置中玻璃管的400 mm刻度線定為零點(diǎn)，使零點(diǎn)遠(yuǎn)離液位傳感器，實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，400 mm~0 mm呈線性變化趨勢(shì)。程序設(shè)計(jì)時(shí)將零點(diǎn)的AD0值存在存儲(chǔ)器AT25080中。校準(zhǔn)模塊軟件流程如圖7所示。系統(tǒng)處于校準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，加蒸餾水至零點(diǎn)位置，測(cè)量此時(shí)的A/D值并作為零點(diǎn)AD0保存到AT25080中。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
   經(jīng)過軟硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試之后，該裝置實(shí)現(xiàn)了瓦斯氣體的自動(dòng)取樣，測(cè)試結(jié)果如表1所示。表中液面高度為液面與零點(diǎn)之間距離,玻璃管頂部與零點(diǎn)之間距離為400 mm，測(cè)試時(shí)的氣體為連續(xù)提取。從表中的數(shù)據(jù)可知每次預(yù)設(shè)的氣體體積與相對(duì)誤差成反比，且相對(duì)誤差都小于1%，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

    本文針對(duì)目前井下煤礦瓦斯氣體的氣體取樣實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)法中存在的問題，提出了一種基于液位傳感器對(duì)瓦斯氣體進(jìn)行自動(dòng)取樣的裝置。實(shí)踐結(jié)果表明該裝置具有精度高、可控性好和使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。該裝置為進(jìn)行高精度的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)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(qiáng)的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
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