瓦斯(CH4)是在煤的形成过程中产生并大量储存于煤层之中的气体，达到一定浓度时便会引起爆炸，是煤矿井下危害性最大的气体。瓦斯的浓度及其他爆炸参数能否得到精确检测,直接关系到井下人员的生命安全[1]。煤矿瓦斯气体浓度检测通常有现场检测和实验室检测两种方法。现场测试法可实时监控瓦斯气体浓度，但这种方法的误差比较大。实验室检测法具有精度高、安全性高和设备易于操控等优势。采用实验室检测法时的气体体积取样成为检测的关键，目前采用的方法是通过读取玻璃管中气体排出前后的液面差并进行计算来确定的，该过程依靠视觉读数，必定会带来误差。

    本文针对实验室方法检测井下瓦斯气体浓度时对气体体积取样误差大和取样数值不能实时显示等缺点，研制了一种瓦斯气体自动取样装置。该装置采用先进的液位传感器技术，将液位参数的变化转换成标准电信号，简化了硬件电路设计，有利于提高系统的精确度。系统采用单片机MSP430F149作为数据处理和控制芯片，实现了瓦斯气体取样的实时控制和显示，而且能够按需求多次取出气体。该系统是具有自动控制、精度高、灵敏度高和人性化设计等优点。
1 系统原理
　 本文设计的瓦斯气体自动取样装置由液位传感器、单片机MSP430F149、键盘和显示等模块组成。气体取样时根据所需值简单预设并精确采样，且实验人员无需进行计算与肉眼观察，便可得到可靠的相关数据。该装置实现了瓦斯气体取样的自动控制、自动测量及数据显示的功能，使装置具有方便、可靠、稳定等特点。本文设计的装置结构图如图1所示。

    装置工作时将混有瓦斯的空气取样器带入实验室，定量输出到气体成分分析设备，以便确定瓦斯气体的浓度。实验人员根据需要设置预输出气体的次数以及每次输出气体的体积设定次数输出定量气体至气体成分分析设备，每次气体输出完毕后，系统自动报警以提示实验人员。
2 硬件系统设计
    图1中的测量控制系统采用MSP430F149作为主控制芯片，液位高度的采集采用高精度电容式小量程的液位传感器，显示系统采用LCD12864液晶显示芯片，数据输入采用矩阵键盘对预设气体体积值和各种控制进行设置[2]。系统总框图如图2所示。系统工作时由键盘实现提取气体体积值的设定和各种控制，LCD液晶显示当前玻璃管内气体总量、需提取气体体积值、当前已经取得的气体体积和当前液位的高度4种参数。

2.1 液位高度测量模块
2.1.1液位传感器的工作原理
    液位传感器是一种测量液位的压力传感器，基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号[3]，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。当液位传感器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：P=ρ·g·H+PO，式中：P为液面所受压力，ρ为被测液体密度，g为重力加速度，PO为液面上大气压，H为液位的高度。
    目前常用液位传感器有电阻应变式液位传感器和电容式液位传感器。电阻应变式传感器具有测量范围广、寿命长、结构简单和频响特性好等优点，缺点是灵敏度较低。电容式液位传感器具有结构简单、价格便宜、灵敏度高和良好的动态响应等优点, 缺点是有非线性误差[4]。
2.1.2 液位传感器及其信号调理
    本设计中采用高灵敏度的小量程电容式液位传感器，测量范围为0~0.5 m，输出电压范围为0~5 V，其非线性误差采用软件进行补偿和修正。信号调理电路如图3所示。图3中MEM_IN为液位传感器输入信号，经过R108和R109分压后，电压降为0~2.5 V，通过LM358构成的电压跟随器进行缓冲和隔离，再经由RC低通滤波后送入MSP430F149单片机的A/D输入端，利用单片机内部12位A/D转换器实现液位高度的数据采集。

2.2 存储器模块
    系统设计时采用SPI串行通信的EEPROM存储器AT25080，电路如图4所示。存储器主要存储3类参数：(1)装置采用的玻璃管直径；(2)零点参数；(3)液位传感器的非线性误差校正参数。采用存储器后，系统的程序一致性较好，对于不同的装置仅需通过键盘修改存储器中的参数即可，为批量生产提供了方便。

2.3 键盘模块
    利用键盘按键控制是实现现场实时调试、数据调整和各种参数设置最常用的方法。本文设计的测量控制系统配有4×4矩阵键盘，共16个按键，分别为数字0~9、小数点、预设、确认、校准、开始、停止按钮。通过按键对本系统进行预设、校准设定、开始和停止等控制。
2.4电磁阀控制模块
    继电器控制模块如图5所示。RELAY_buf为单片机I/O口，通过控制Q102三极管的饱和与截止实现对继电器K101的控制，J5为电磁阀的接口。电磁阀的供电电源为12 V,功率为5 W,响应时间为5 ms。

3 软件设计
    系统软件主要包括气体体积取样模块设计和校准模块设计，测量控制系统根据键盘指令执行相应操作。
3.1取样模块软件设计
    气体体积取样模块软件流程如图6所示。图6中初始化包括单片机、液晶和键盘初始化。系统工作时首先由键盘设定所需气体体积，然后由开始按键打开电磁阀进行气体取样，取样值由液位传感器转换为电信号，进行A/D采样，同时需进行误差补偿，当取样体积的相对误差ε小于1%时，关闭电磁阀。   

3.2 校准模块软件设计
    装置的误差主要来源于零点误差、水流运动误差和电磁阀响应延迟误差。其中电磁阀响应延迟误差可通过提前关闭电磁阀来减小。水流运动过程中会产生涡流物理现象[5]，但测试结果表明，液体在玻璃管中流动产生的涡流对结果产生的影响很小。当装置长期使用后，传感器表面容易受到液体中的杂质污染，从而产生零点漂移，因此需要定期进行零点校准[6]。
   系统设计时，将装置中玻璃管的400 mm刻度线定为零点，使零点远离液位传感器，实际测试结果表明，400 mm~0 mm呈线性变化趋势。程序设计时将零点的AD0值存在存储器AT25080中。校准模块软件流程如图7所示。系统处于校准状态时，加蒸馏水至零点位置，测量此时的A/D值并作为零点AD0保存到AT25080中。

4 实验结果
   经过软硬件设计和调试之后，该装置实现了瓦斯气体的自动取样，测试结果如表1所示。表中液面高度为液面与零点之间距离,玻璃管顶部与零点之间距离为400 mm，测试时的气体为连续提取。从表中的数据可知每次预设的气体体积与相对误差成反比，且相对误差都小于1%，满足了系统设计需求。

    本文针对目前井下煤矿瓦斯气体的气体取样实验室检测法中存在的问题，提出了一种基于液位传感器对瓦斯气体进行自动取样的装置。实践结果表明该装置具有精度高、可控性好和使用简单等优点。该装置为进行高精度的瓦斯浓度检测提供了保障，很好地解决了井下煤矿特殊环境中的气体采样问题，具有较强的工业应用价值。
参考文献
[1] 朱高中.电容式传感器在液位测量中的应用研究[J]. 液压与气动，2012(2)：70-72.
[2] 和卫星，吴文亚，董国贵.基于MSP430的井下瓦斯测量及无线传输系统设计[J].煤矿安全,2012,42(2)：74-77.
[3] 方立德，卢庆华，李小亭，等.一种新型分体式差压测量装置的研制[J].电子测量与仪器学报，2012,23(10):970-976.
[4] 孙圣和.现代传感器发展方向[J]. 电子测量与仪器学报,2009,23(1):1-10.
[5] 徐英, 张强, 于磊,等.利用双差压式节流装置测量湿气[J]. 仪器仪表学报, 2010,31(8):1-2.
[6] 冯旭刚, 费业泰, 章家岩.石灰窑混合煤气流量检测的在线补偿[J]. 电子测量与仪器学报,2010,24(11):2-3.