离子电位计的设计与应用.pdf

第 4 1卷 第 8期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i ne Au t oma t i on Vo I ． 4 1 NO ． 8 Au g ． 2 0 1 5 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 1 1 2 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 2 8 覃海明． 离子电位计的设计与应用E J - 1 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 1 1 2 1 1 5 ． 离子电位计的设计与应用 覃 海 明 中煤科工集团重庆研究 院有限公司 ， 重庆4 0 0 0 3 9 摘要 为 实现矿 井 突水水 源快 速识 别和 水 灾预 测预 报 ， 设计 了一 种水 质分析 用 离子 电位计 。该 离子 电位 计采 用 离子选择 电极 将 水样 中对应 的 离子质 量浓 度转 换 为 电压信 号 ， 信 号 转换 电路 对 离子选 择 电极 测量 电 压进 行放 大 ， 2 4位 高精 度 AD转换 器将 该 电压转换 为数 字 量 ， 最后 采 用 TF T液 晶屏 显 示 离子 种 类 以及 离子 质量 浓度 等相 关信 息 。该 离子 电位 计具 有 离子质 量浓度 测 量准 确 、 使 用 方便 等优 点 。 关键 词 水源识 别 ；水质 分析 ；离子 电位计 ；离子 选择 电极 中图分 类号 T D7 4 5 文献 标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 4 5 网络 出版地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 4 5 ． 0 2 7 ． h t ml De s i g n a n d a pp l i c a t i o n o f i O i l p o t e nt i o me t e r QI N Ha i mi n g CCTEG Ch on gq i n g Re s e a r c h I n s t i t ut e ，Cho n gq i ng 4 00 03 9，Chi na Ab s t r a c t I n o r de r t o a c h i e v e qu i c k i d e n t i f i c a t i on o f mi n e wa t e r bu r s t i n g s o ur c e a n d f l o od f or e c a s t i n g， 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 1 6 ； 修回 日期 2 0 1 5 0 6 0 5 ； 责任编辑 胡娴 。 基 金项目 中煤科工集 团重庆研究院有限公司 自立 重点项 目 2 0 6 0 0 4 1 1 3 。 作者简介 覃海 明 1 9 8 1 一 ， 男 ， 湖北枝江人 ， 工程师， 硕士 ， 现 主要从事矿用仪表 、 工程物探方面的研究 工作 ， E ma i l q h m1 9 8 1 1 6 3 ． c o rn。 表 1 某 矿使用系统前后的经济效益对 比 由表 l可看 出 ， 系 统 实施 后 达 到 了减人 增 效 的 目的， 全矿可精减 2 2 2名工作人员 ， 按每人年工资 8万元 计算 ， 一 年可 节约 人 员 工 资成 本 1 7 7 6万 元 。 而物流队和运输队只是在现有的工作基础上 ， 强化 了责 任 ， 规 范 了 工 作 流 程 ， 并 没 有 增 加 过 多 的 工 作 鼍 。 4 结语 基 于物联 网的煤矿 智 能仓储 与物 流运 输管 理 系 统实现了仓储货位 的精确管理 ， 提高 了物资出入库 的速 度 和仓库 的利 用率 ， 并 可对煤 矿物 资 的配送 、 运 输 、 回收 全过程 进行 闭环管理 ， 进 一步 提高 了物 资流 转 和利用 效率 ， 最终 实 现 了减 人增 效 的 目的 ， 降 低 了 企业 的运 营维 护成 本 。 参考文献 E 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] E 5 3 朱哲君 ， 孙继 平． 煤炭企业管理信息化 特点[ J ] ． 工矿 自 动化 ， 2 O 1 0 ， 3 6 7 3 7 3 9 ． 孙继平． 现代化矿井通信技术与系统[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 3 1 - 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度 一 择 理 AD _ 电 电 极 路 转 换 器 图 1离 子 电位 计 组 成 离 子 电位计 工 作 时 ， 离 子选 择 电极 将 水 中离 子 质 量浓 度转 换 为 电压信 号 ， 信号 转 换 电路将 电压 放 大 ， 然后 2 4位高精度 AD转换器将放大后的电压转 换为数字量 。离子电位计采用 TF T液晶屏显示离 子 种类 及离 子质 量 浓度 等相 关 信 息 ， 可 实 时保 存 测 量 数据 或 通 过 R 2 3 2接 口上 传 至 P C机 处 理 。 同 时 ， 离子 电位计通过温度测量来修正和补偿测量值 ， 使离子电位计测量到的离子质量浓度值更精确 。 2 ． 2 信 号 处理 电路 离 子 电位 计 内 阻范 围 为 1 0 ～ 1 0 Q， 为保 证 离 子选 择 电极 电压稳 定 ， 阻抗 匹配 和兼容 ， 信 号调理 电 路应具有很高的输入阻抗。信号处理电路如图 2所 示。本设计采用 的运放是高 内阻、 低 漂移 、 低噪声、 超低偏置 电流的 I C L 7 6 5 0 ， 其输入阻抗为 1 O Q， 偏 置 电 流 最 大 值 为 0 ． 5 p A， 最 大 温 漂 为 1 O V／ ℃ 。 图 2 信号 处理 电路 I C L 7 6 5 0非 常适 合 微 电 流 或 低 电压 放 大 电路 ， 第 1 级 的 U 设 计为 一 个 电压 跟 随 器 ， 而 D 与 D 通 过 并 联将 电位 钳制 在 0 ． 7 V， 可 有效 防 止 因 电压 过 高 而 损坏 运放 _ 3 ] 。 R 与 C 组 成一 个 低 通 滤 波 ， 其 截 止 频 率 ． 厂 一 1 ／ 2 Rl C 1 ， 取 R1 1 0 MQ， C 1 3 3 p F， 截止频率 为 5 0 Hz ， 这样设 计 可 以有 效减 少 工频 干 扰 ， 提 高测 量 准确度 。由于该 电路 具 有 很 高 的输 入 阻 抗 ， 信 号 在传输时有很大一部分会损耗在前级 电阻 中， 所 以 电路 的两 级 运算放 大器 都使 用 电压跟 随 电路进行 信 号缓 冲 ， 这样 既可 以提 高 电路 的带 负 载 能 力 ， 同时 ， 还 可 以 进 一 步 提 高 输 入 阻 抗 ， 使 输 入 阻 抗 达 到 1 0 Q 以 上 。 2 ． 3 AD 转 换 器 由式 1 可 以计 算 出 ， 要保 证 离子 电位计 测量 误 差小 于 5 ， 电压 分辨率 应 在 0 ． 1 mV 以下 _ 3 ] 。而 一 般 的 1 2 位 AD转 换器 使用 2 ． 5 V 参考 电压 ， 其分 辨 率为 2 ． 5 ／ 4 0 9 5 0 ． 6 1 mV。为满足设计要求 ， 使离 子质 量浓度 测 量误差 小 于 1 ， 采用 AD S 1 2 5 6模 数 转换器。这款模数转换器为 8通道模拟输入 ， 2 4位 高分 辨率 ， 转 换 速 度 为 3 0 k s p s 。AD S 1 2 5 6工 作 电 压 为 5 V， 但 其数 字部分 电压 为 1 ． 8 ～3 ． 6 V， 因 此 ， ADS 1 2 5 6与 MS P 4 3 0 F 1 6 9接 口之 间可 以直接 连 接 ， 无 需使 用 专 门 的 电平 转 换 芯 片 。AD S 1 2 5 6可 以 通 过 S P I 模 式或 串行模 式 与处 理器 连接 。本设 计采 用 串 行 模 式 ，通 过MS P 4 3 0 F 1 6 9 的P 1 口 控 制 ADS 1 2 5 6 ， 读取 离子 选择 电极 的工作 电压 。 本设计 中 AD S 1 2 5 6使用了 7 个通道， 离子选择 电极输 出信 号经 过调 理 电路后 ， 接入 AD S 1 2 5 6 模 拟 输 入通 道 。模拟 输入 1 7口对 应 Na ， K ， C a 抖 ， C 1 一， C O ； ， NO ， p H值测量 。 3 实际应 用 利 用 本 文设 计 的 离子 电位 计 ， 目前 已成 功 研 制 2款矿 井水 质分 析仪 ， 一 种为 地面 使用 的 HI 3 2 2 2型 水 质分 析 仪 ， 另一 种 为煤 矿 井下 使 用 的 YHS 8型 矿 用 本质 安全 型水 质分 析仪 。这 2款 产品 在本文 设计 的离子 电位 计 的基础 上 ， 增 加 了分光 光度 计 ， 用 于测 量离子 电位 计所 不能 测 量 的 Mg 抖 ， S O 一等。 目 前 ， 这 2款仪 器在 安 徽 淮 南 、 淮 北 及 山 西晋 城 、 阳 泉 等 大 型煤矿 成功 推广 运用 。 为 了检 验离 子 电位 计 的性 能 ， 采用 同样 的 离 子 测 量 电极 ， 将 YHS 8型 与 HI 3 2 2 2型水 质 分 析 仪 进 行 了对 比试 验 ， 用 2种 仪 器 测量 同一 水 样 的离 子 质 2 0 1 5年 第 8期 覃海 明 离子 电位 计 的设 计与 应用 1 1 5 量浓度 ， 结果见表 1 。比对多组数据可知 ， YHS 8型 与 HI 3 2 2 2型水质分析仪的测量误差小于 5 。 表 1 YHS 8型与 HI 3 2 2 2型水质分析仪测 量结果 YH S 8 HI 3 2 2 2 2 O ．3 9 2 2 ． O1 YH S 8 H I 3 2 2 2 1 5 2 ． 4 3 1 5 2 ． 4 4 O 0 5 8 8 ． O 2 5 7 9 ． 9 O YH S 8 HI 3 2 2 2 1 5 ． 4 0 1 4 ． 6 6 Y HS 8 H I 3 2 2 2 矿井 各个 充水 含水 层 中各离 子 的质量浓 度 范 围 一 般从几毫克／ 升到上千毫克／ 升 ， 且水 源类型 的判 断是依据所有离子的质量浓度综合分析判断。不同 水 源 的水 中各离子 质量 浓度 的毫 克 当量百 分 比存 在 差异， 如淮北地 区， 煤系砂 岩水中 C a 抖， Mg 。 毫克 当量百 分 比小 于 1 O ， N a 毫 克 当 量 百 分 比 大 于 9 0 ， 而灰 岩水 中 C a 抖 ， Mg 毫 克 当量 百 分 比大于 8 O 。因此 ， 对 于为 快 速水 源 类 型 判 断 提供 数 据 基 础 的水质分析 ， 5 的精度足够满足要求。 的离子 质量 浓度 与 矿 井 突水 的可 能 性 也 大不 相 同 。 例如 晋城 阳城地 区某煤 矿 ， 在 测 量水 样 Na 质 量浓 度超 过 8 0 0 mg ／ L， S O 卜 质 量 浓度 由分 光 光 度 计 测量 超过 2 0 0 0 mg ／ L时提出预警 ； 而淮北某矿， 在 测量水样 C a 抖质量浓度超过 4 0 0 mg ／ L， HC O 质 量浓度超过 1 6 0 0 mg ／ L时提出预警。离子电位计 能快 速测 量多种 常 规 离 子浓 度 ， 为矿 井 水 质 分 析提 供快速解决方案 ， 在矿井防治水 工作 中具有十分重 要 的意义 。 4 结 语 参考文献 在不 同的地 区 、 不 同 的含 水层 ， 通 过大量 的水 样 分 析 ， 并 对 比 YHS 8型 与 HI 3 2 2 2型 2种 仪 器 的测 量结果 ， 证明本文设计的离子 电位计测量精确满足 设计要求 ， 符合 中华人 民共和国行业标准一 水质分 析方法 S L 7 8 1 9 9 4 ， 1 9 9 5以及 中华人共和国煤炭 行 业标 准 MT ／ T 8 9 4 -- 2 0 0 0等 关 于 离 子 电位 计 的 相 关要求 。使用本 文设 计 的离子 电位 计可 以准 确测 量 矿用水 中的常规 离子 ， 对矿 井水 样进 行准 确分 析 。 在 前期 工作 中， 需 要掌 握好煤 矿 各种含 水层 的特 征 ， 建立完整 的水 样 离子 特 征数 据 库 和水 文 地质 台 账l_ 4 ] 。对矿井出水点完成常规离子测量 ， 通过对 比 含水 层 的特 征离子 ， 便 能确 立 出水 点 的水 源 和 水 源 所 在含水 层 ， 从 而实现 矿井 突水 预警 预报 。 目前， 很多具有水害隐患的矿区都在开展相关 工 作 ， 利 用水 化学分 析 的方法 ， 通 过测 量水 中八 大离 子 的质量 浓 度来 实现 水 样 分 析 ， 判 断 出水 点 的水 源 地 。由于各地 区、 各 煤 矿的地 质情 况不 尽相 同 ， 测 量 伊坤廷 ， 范存森． 浅谈矿井突水的预测预报 方法E J 3 ． 科 技创业家 ， 2 0 1 4 2 1 0 1 ． 李东亮 ， 杨 慧中． 一种离子选择 电极前置放大器 的设 计 [ J ] ． 电子设计工程 ， 2 0 1 4 ， 2 2 1 1 1 2 1 4 ． 张丽楠 ， 张淼 ， 盛明娅 ， 等． 基于单片机的四通道数据 采 集器设计[ J ] ． 计 算机测 量与控 制 ， 2 0 1 1 ， 1 9 1 2 3 1 7 2 31 7 4． 高卫东． 灰 色局势决 策方法在 矿井 突水 水源判 别 中的 应用[ J ] ． 矿业安全与环保 ， 2 0 0 7 ， 3 4 6 4 7 4 9 ． 阎秉峰． 离子选择性 电极 的工 作原 理E J ] ． 内蒙古科 技 与经济 ， 2 0 0 5 3 l O 6 1 O 9 ． 李 明 山． 模糊 相 似 比在 判 别矿 井 突水 水 源 中 的应 用 [ J ] ． 煤炭工程师 ， 1 9 9 5 1 2 8 3 1 ． 杨永 国， 黄福 臣． 非线性方法在矿井突水水源判别 中的 应用研 究 [ J ] ．中 国 矿 业 大 学 学 报 ， 2 0 0 7 ， 3 6 3 2 83 2 86． 李再 兴 ， 张凤 鸣， 庞 良， 等． 有 关矿井突水水 源判别方 法 的探讨[ J ] ． 地下水 ， 2 0 0 9 ， 3 1 5 1 6 2 0 ． ] ] ] ] ] ] ] ] Il