一種礦井突水水源快速判別設備的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種礦井突水水源快速判別設備，外殼面板上設有電源輸入接口、開機/關機按鈕、模式轉換開關、功能按鈕、顯示屏、Micro-USB接口和離子電極連接線接口；置于外殼內部的電路板以單片機為核心連接顯示屏、A/D轉換模塊、存儲器、功能按鈕、micro-USB接口和電源模塊；根據建立突水水源判別流程體系的方法通過對存儲器中已知水源類別樣本分析，自動建立基于特征離子的礦井突水水源判別流程體系，離子電極檢測水樣，單片機根據能斯特方程計算得到實際的離子濃度，依據突水水源判別流程體系進行快速判別。本發明將特征離子檢測突水水源判別進行集成，自動分析樣本，構建判別體系，判別速度快、準確率高、攜帶方便。
【專利說明】一種礦井突水水源快速判別設備
【技術領域】
[0001] 本發明屬于水質分析與水源鑒別【技術領域】，具體涉及基于特征離子的手持式礦井 突水水源快速判別設備。
【背景技術】
[0002] 礦井突水是煤炭資源開發中由來已久的水文地質災害問題，極易造成重大經濟損 失和人員傷亡事故。礦井水害問題一直是我國煤炭生產中的重大技術課題之一，幾乎所有 的礦井都面臨不同程度的水患困擾。礦井一旦突水，首要的工作是迅速準確地判斷突水水 源，以便采取相應的防治措施，減少或避免淹井等重大事故發生。地下水水化學數據是地下 水最本質的特征。快速判別突水水源較有效方法之一就是找出各含水層的標型組分，也叫 特征離子，然后利用各個含水層中特征離子含量的差異性來實現突水水源的快速判別。但 是，目前利用特征離子判別方法進行煤礦礦井突水水源的判別，需要把現場取樣的水樣送 到檢測部門，進行檢測分析后，再把檢測結果返回送檢部門，然后將分析結果輸入到判別模 型中進行判別，離子濃度的檢測與水源判別是分開進行的，耗時長，不利于對煤礦水害進行 早期防治。
[0003] 已有一些礦井突水水源快速識別儀器方面的探索。例如中國實用新型專利 201020516409. 6提出的一種礦用水源快速識別儀器，采用包括采集模塊、MCU模塊、ARM平 臺的電路板和外殼組成一種礦用水源快速識別儀器，通過自動將識別指標的測量結果與水 源樣品庫比對進行水源識別。但由于其中"采集模塊連接測量槽"采用比色皿測量水源的 指標，達不到水質檢測的目的。首先因為比色皿很小，其尺寸一般為10X 10X45毫米或 10X20X45毫米的容量，不能作為向里面直接加檢測水質和試劑的容器；另外，比色皿檢 測離子濃度的原理是直接測得反應后溶液在一定波長下的吸光度，然后由標準曲線換算成 離子濃度，目前這一般都是在實驗室用分光光度計才能完成的檢測，但并不是所有的離子 都可以與化學試劑發生顯色反應而采用測量吸光值的方式來測定其含量的；再者，在測量 吸光度時，儀器需要預熱、穩定，作為便攜式的設備無法保證其穩定性，因此，測量結果容易 產生大的誤差；第四，也是最主要的，由于比色皿測量每次只能測出一種離子的含量，要把 水質中所有的陰、陽離子都很快測定出來，需耗時很長，不經濟也不方便。該儀器的主要缺 陷是建庫的水質指標是靠自身一一測量、儲存作為其水源樣品庫，而"儀器自動保存每步測 量數據"，使每次實測的指標都作為水源樣品庫數據，其水源樣品庫將會不斷改變，該實用 新型并沒有提及其設備內有無比對程序及如何比對，推斷其很大的可能只是將每個新測定 結果與原有數據之間進行的一個大小比較而已。
[0004] 中國實用新型專利201220303693. 8提出的一種便攜式礦井水源快速檢測識別設 備，包括便攜式手提箱及設于便攜式手提箱內的檢測識別儀，所述識別儀包括上層的顯示 面板和下層的光譜測量模塊及電極測量模塊，所述光譜測量模塊及電極測量模塊通過比較 輸出模塊相連，通過兩種方法同時對水源進行檢測識別，經過比較輸出檢測識別結果，并對 結果進行校驗比較，達到水源識別的目的。該設備"采用光譜測量模塊和電極測量模塊來識 別水源，通過兩種方法對水源進行識別"的表述很抽象，并沒有提及光譜與電極分別測量哪 些水質指標、如何測量及如何校驗具體的比較實施方法。因此缺乏對已知水源類型的樣本 做分析，不能充分利用已有樣本提取規律用于突水樣本的快速識別，也不能融入專家經驗 和已有知識對樣本識別的參數進行優化。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提出一種礦井突水水源快速判別設備，以克服現有檢測識別設備 的上述缺陷，可兼顧不同煤礦水質成分差異，實現快速檢測特征離子濃度，確定特征離子并 準確判斷突水水源。
[0006]本發明的礦井突水水源快速判別設備，包括：置于外殼C1內部的電路板A，外殼C1 上設有電源輸入接口 Cl 1、開機/關機按鈕C3、模式轉換開關C2、顯示屏A2、MiCr〇-USB接口 A7和尚子電極連接線接口 C12,以及功能按鈕C4?CIO :分別為四方向控制鍵盤組合C4、待 識別水源類型設定功能按鈕C5、根據水質樣本構建突水水源判別流程體系功能按鈕C6、突 水水源判別流程體系調整與設置功能按鈕C7、檢測離子指標切換功能按鈕 C8、檢測離子濃 度功能按鈕C9和突水水源判別功能按鈕C10 ;所述電路板A上以單片機A1為核心，連接顯 示屏A2、A/D轉換模塊A4、存儲器A5、擴展鍵盤模塊A6、micr〇-USB接口 A7和電源模塊A8 ; 其特征在于：所述功能按鈕C4?C10和開機/關機按鈕C3通過I/O方式與單片機A1連 接，離子電極A3通過連接線D2與離子電極連接線接口 C12相連，并和A/D轉換模塊A4之 間通過I/O方式連接，A/D轉換模塊A4通過串口方式與單片機A1連接，顯示屏A2和單片 機A1之間通過并行方式連接，存儲器A 5通過I/O方式與單片機A1連接，Micro-USB接口 A7通過I/O方式與單片機A1連接，對外則通過Micro-USB接口 A7和PC機USB接口連接， 模式轉換開關C2與可調電位器All通過I/O方式連結；所述功能按鈕（C4?C10)采用數 碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理芯片ZLG 7289擴展鍵盤模塊A6,離子電極A3根據具體測定 的需要分別選擇采用相應的測定氯離子、硫酸根離子、鈣離子、鈉離子或鎂離子的離子選擇 性電極，存儲器A5為帶電可編程可擦除只讀存儲器（EEPR0M)，電源模塊A8采用W0A50W系 列一體化AC/DC電源，分別以端子式與單片機A1和A/D轉換模塊A4連接，輸出一個5V和 一個12V穩壓電源，其中的5V穩壓電源對單片機A1和A/D轉換模塊A4提供工作電源，12V 穩壓電源對運算放大器A9和存儲器A5提供工作電源；
[0007]通過調節外殼C1上與單片機A1連結的模式轉換開關C2進行設定模式和運行模 式的轉換,在設定模式下，將礦井歷來檢測的、不同含水層類型水樣的多個離子濃度的水樣 數據以表格形式（如表格1所示的）保存在單片機的txt文檔中，使用前先將其從單片機 A1導入所述存儲器A5中，根據實測獲得的各水源類型以及每個水樣的多個離子濃度數據 通過Micro-USB接口連接單片機A1導入，或者由功能按鈕中的待識別水源類型設定功能按 鈕C5、根據水質樣本構建突水水源判別流程體系功能按鈕C6以及突水水源判別流程體系 調整與設置功能按鈕C 7輸入，采用單片機系統中常用的鍵盤加 EEPR0M的方法設置待識別 水源類型，每一種水源類型的水樣樣本數必須不少于三個，否則不能參與識別；顯示采用靜 態驅動方式的四位LED在線顯示離子濃度；在運行模式下，單片機A1輸出控制驅動電路控 制電磁閥門A10,進入突水水源判別流程系統，通過單片機A1的控制信號來實現對離子濃 度的控制；
[0008] 所述通過單片機A1的控制信號來實現對離子濃度的控制為：
[0009] 依次選擇從第一個離子指標到最后一個離子指標作為當前處理指標，對當前處理 指標從小到大進行排序，從最小值開始，在最小值和最大值之間，依次選擇排序后的相鄰兩 個值的平均值作為閾值，每移動一次閾值，對所有的每個水樣進行判別，判別時將該指標小 于閾值的水樣歸為某種水源類型，或將該指標大于閾值的水樣歸為某種水源類型，其他水 樣歸為新的待判樣本，同時將待判水源類型中剔除該種水源類型，如此循環計算，直到選擇 的指標和閾值作為判別某種水源類型的判別準確率最高，則選定該指標、閾值及其大于還 是小于閾值作為識別該種水源類型的特征離子、閾值和判別關系；如此循環，進入下一輪識 別，直到所有水源類型都被識別出來，則水源類型識別的先后順序、每個水源類型使用的特 征離子指標、對應的閾值及其判別關系都確定下來，從而生成了突水水源判別流程體系；
[0010] 使用上述突水水源判別流程體系調整與設置功能按鈕，調出突水水源判別流程體 系，使用四方向控制鍵選擇判別順序編號為1的參數，所述參數為該判別順序編號對應的 水源類型、特征離子、閾值和判別關系，從待識別水源類型中選擇首先判別的水源類型，從 水樣離子指標中選擇該水源類型的特征離子指標，設定該離子指標用于判別選定水源類型 的的閾值，設定判別時使用的判別關系；然后設置判別順序為2的參數，從未設置的待識別 水源類型中選擇第2判別的水源類型，并從水樣離子指標中選擇該水源類型的特征離子指 標，設定該離子指標用于判別選定水源類型的的閾值，設定判別時使用的判別關系；以此類 推，對判別順序加1進行逐個設置，直到完成倒數第二個待識別水源類型，同時將最后一個 未設置的待識別水源類型設定為最后一個識別水源類型，且最后一個識別水源類型的特征 離子、閾值和判別關系為空值；突水水源判別流程體系的參數以順序編號、水源類型、特征 離子、閾值、判別關系字段方式存儲在存儲器A5中；
[0011]使用離子電極A3測試水樣，得到對應的模擬電壓信號，然后再通過A/D轉換模塊 C2變成數字信號傳入單片機A1，單片機A1根據能斯特方程計算得到實際的離子濃度，并將 計算結果在顯示屏A2顯示出來；
[0012] 根據所述突水水源判別流程體系中的判別順序，依次選用水源類型對應的特征離 子所對應的離子電極，測試特征離子濃度值，單片機根據判別關系比較特征離子濃度檢測 數值和突水水源判別流程體系中的該特征離子的閾值，判別突水水樣是否為該水源類型： 如果是，則識別突水水源結束；否則按照突水水源判別流程體系中的判別順序，進一步判別 水樣是否為其他水源類型，直到判別出水樣的水源類型。
[0013] 本發明采用以單片機計算處理為核心，根據上述提出的建立突水水源判別流程體 系的方法，通過對存儲在存儲器A5中的已知水源類別的樣本分析，自動建立基于特征離子 的礦井突水水源判別流程體系，以離子電極A3為基礎，檢測水樣獲得模擬信號，利用A/D轉 換模塊A4將模擬信號轉換為數據，單片機根據能斯特方程計算得到實際的離子濃度，并依 據上述建立的突水水源判別流程體系，系進行突水水源的快速、準確判別。使用本發明礦井 突水水源快速判別設備，在導入水樣數據時，將此快速檢測判別設備通過USB插孔用數據 線與計算機相連接，導入定義格式的已知水源類別的水樣樣本數據，在本設備中利用功能 按鈕C4?C10,設定待識別水源類型為所有樣本所包含的水源類型的集合，使用樣本分析 模塊對導入的水樣樣本進行分析，自動建立突水水源判別的判別體系；如果礦井樣本過少， 可以根據附近同一水文地質單元內其他礦井的水樣情況手動設置判別體系，即水源類型識 別的先后順序、每個水源類型使用的特征離子指標、對應的閾值及其判別關系；使用本設備 判別突水水源時，取突水水樣，根據判別流程體系中的最佳判別順序流程選用對應的本機 配備的離子電極，通過連接線將其與主機離子電極接口相連，然后測試離子濃度值，本設備 根據離子測試值和突水水源判別流程體系，判別突水水源，最后將水樣離子濃度監測結果 和判別結果在顯示屏中顯示。
[0014] 由于本發明礦井突水水源快速判別設備采取集成自動建立突水水源判別體系、離 子濃度現場檢測和突水水源現場判別功能，與現有的現場取樣、送到化驗室檢驗、再將檢測 的數據人工輸入到計算機判別系統判斷突水水源的技術相比，在突水現場可以實現直接快 速檢測離子濃度和判別突水水源類型，有效地減少了取樣后送檢、等待結果和將檢測的數 據輸入到計算機進行分析判別或靠人工經驗分析突水水源的時間，從而爭取時間進行早期 水害防治，有效地減少財產損失和人員安全威脅；自動根據樣本建立的最佳的突水水源判 別體系具有快速、準確等優點。本發明將檢測結果的離子種類、濃度和突水水源名稱顯示在 顯示屏上，判別速度快，操作簡單、快速，設備攜帶方便，特征離子的檢測與突水水源判別迅 速，對操作人員無需專業技術要求。本發明為煤礦快速尋找突水水源開辟了一條新的途徑。
[0015] 本發明將突水水樣離子濃度快速檢測、突水水源判別流程體系的構建和突水水源 判別集成于一個設備，具有攜帶方便、簡單、實用的優點，可現場檢測水樣離子濃度，實現突 水水源的快速、準確判別。
[0016] 與中國實用新型專利201020516409. 6和201220303693. 8相比較，本發明通過對 已知水源類型的樣本分析，建立突水水源判別流程體系，從中尋找用于突水水源判別的判 別流程、特征離子、及其閾值和判別關系，該流程體系對已有樣本的識別效果最好，因此，本 發明可以充分利用已有樣本提取規律，能夠準確判別突水水源；本發明選擇特征離子進行 水源識別，無需檢測樣本所有指標，只需要檢測突水水源判別流程體系中選用的特征離子， 便可以進行突水水源判別，因此，本發明可以節約時間，更快速判別突水水源。此外，本發明 通過設置或者調整突水水源判別流程體系參數方法，融入專家經驗和已有知識對識別參數 進行優化，提高判別突水水源的準確率，且可通過參考同一水文地質單元其他礦井的突水 水源判別流程體系參數的方法，解決已知水源類型樣本較少的礦井或者無樣本的新礦井的 突水水源判別問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明的礦井突水水源快速判別設備的結構示意圖。
[0018] 圖2為本發明的礦井突水水源快速判別設備的模塊連接框圖。
[0019] 圖3為本發明的一種實施例手持式礦井突水水源快速判別儀的主視結構示意圖。
[0020] 圖4為本發明的一種實施例手持式礦井突水水源快速判別儀的離子電極測試連 接線及其測試探頭示意圖。
[0021] 圖5為實施例測試示例1中的判別流程圖。
[0022] 圖6為實施例測試示例2中的判別流程圖。
【具體實施方式】
[0023] 為了使本【技術領域】的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖通過 具體實施例對本發明設備的各部分作進一步的詳細說明。
[0024] 實施例1 :
[0025] 本實施例是根據本發明技術方案實施的一種手持式礦井突水水源快速判別設備。
[0026]圖1為本發明的礦井突水水源快速判別設備的結構示意圖。參照圖1中所示，本實 施例礦井突水水源快速判別設備，其結構包括：置于外殼C1內部的電路板A，外殼C1上設 有電源輸入接口 Cl 1、開機/關機按鈕C3、模式轉換開關C2、顯示屏A2、Micro-USB接口 A7和 離子電極連接線接口 C12,以及功能按鈕C4?C10 :分別為四方向控制鍵盤組合C4、待識別 水源類型設定功能按鈕C5、根據水質樣本構建突水水源判別流程體系功能按鈕C6、突水水 源判別流程體系調整與設置功能按鈕C7、檢測離子指標切換功能按鈕C8、檢測離子濃度功 能按鈕C9和突水水源判別功能按鈕C10 ;所述電路板A上以單片機A1為核心，連接顯示屏 A2、A/D轉換模塊A4、存儲器A5、擴展鍵盤模塊A6、micro-USB接口 A7和電源模塊A8 ;本實 施例中，單片機A1采用ATMEL公司的ATUC256L3U ;存儲器A5采用ATMEL公司的AT24C1024B 型號的EEPROM ;A/D轉換模塊A4采用AD7705作為數據采集轉換；離子電極傳感器A3配有 可更換的離子選擇性電極；功能按鈕采用數碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理芯片ZLG7289擴 展的3X2矩陣的按鍵，以及四方向控制按鍵C4和模式轉換開關C2,顯示屏采用3. 2寸的 LCD顯示屏，電源模塊A8采用市售的W0A50W系列一體化AC/DC電源；各部分連結方式如下： 功能按鈕（C4?C10)和開機/關機按鈕C3通過I/O方式與單片機A1連接，離子電極傳感 器A3通過連接線D2與離子電極連接線接口 C12相連，并和A/D轉換模塊A4之間通過1/ 〇方式連接，A/D轉換模塊A4通過串口方式與單片機A1連接，顯示屏A2和單片機A1之間 通過并行方式連接，存儲器A5通過I/O方式與單片機A1連接，Mi cro-USB接口 A7通過1/ 〇方式與單片機A1連接，對外可通過Micro-USB接口 A7和PC機USB接口連接，模式轉換 開關C2與可調電位器All通過1/0方式連結，電源模塊A8分別以端子式與單片機、轉換模 塊和運算放大器連接，輸出一個 5V和一個1M穩壓電源，其中的5V穩壓電源對單片機和轉 換模塊提供工作電源，1M穩壓電源對運算放大器A9和存儲器A5提供工作電源；離子電極 A3根據具體測定的需要分別選擇采用相應的測定氯離子、硫酸根離子、鈣離子、鈉離子或鎂 離子的離子選擇性電極，存儲器A5為帶電可編程可擦除只讀存儲器（EEPR0M)。
[0027]圖2給出了本發明的礦井突水水源快速判別設備的模塊連接框圖。各模塊的關 系如圖2中所示：電源模塊A8支撐以單片機A1為核心的水源判別系統，預先由PC機經 Micro-USB接口 C12數據傳輸為本設備導入樣本數據B1，存儲在單片機A1控制的存儲器A5 中，并設置水源類型B2,由單片機A1進行樣本分析B3、預先設置判別體系Μ ;在運行時，通 過離子電極Α3檢測水樣中的離子濃度，在離子測試Β6中由運算放大器Α9放大得到對應的 模擬電壓信號，然后再通過A/D模數轉換Α4變成數字信號送入水源判別Β5,在單片機中進 入水源判別流程，判別結果由顯示屏Α2顯示出水源類型名稱和離子的種類、濃度。
[0028]圖3為本實施例主機的主視結構示意圖。如圖3所示，主機外殼C1上設有開機/ 關機按鈕C3、顯示屏Α2、四方向控制鍵盤組合C4、待識別水源類型設定功能按鈕C5、根據水 質樣本構建突水水源判別流程體系功能按鈕C6、突水水源判別流程體系調整與設置功能按 鈕C 7、檢測離子指標切換功能按鈕C8、檢測離子濃度功能按鈕C9、突水水源判別功能按鈕 C10、模式轉換開關C2、Micr〇-USB接口 Α7和離子電極連接線接口 C12。各功能按鈕在外殼 C1內通過與外殼一體形成的筋而一體連接。使用時，與外殼一體連接的各個功能按鈕分別 與電路板上的開關按鈕一一對應，當每個按鈕按下時分別接通不同的模塊，執行相應的操 作。
[0029]圖4為本實施例的離子電極測試連接線及其測試探頭示意圖。可更換的離子電極 A3連有連接線D2,連接線D2另一端為插頭D1,工作時插頭D1與離子電極連接線接口 C12 連接。
[0030]在第一次使用本發明手持式礦井突水水源快速判別設備之前，應當先通過調節外 殼C1上與單片機A1連結的模式轉換開關C2進行設定模式和運行模式的轉換，在設定模式 下，設定水源類型B2,將礦井歷來檢測的、不同含水層類型水樣的多個離子濃度的水樣數據 以表格形式（例如可采取如表格1所示的表格形式）保存在單片機的txt文檔中，使用前 先將其從單片機A1導入所述存儲器A5中，根據實測獲得的各水源類型以及每個水樣的多 個離子濃度數據通過Micro-USB接口連接單片機A1導入或者由功能按鈕中的待識別水源 類型設定功能按鈕C5、根據水質樣本構建突水水源判別流程體系功能按鈕C6以及突水水 源判別流程體系調整與設置功能按鈕C7輸入，采用單片機系統中常用的鍵盤加 EEPR0M的 方法設置待識別水源類型，每一種水源類型的水樣樣本數必須不少于三個；顯示采用靜態 驅動方式的，四位LED在線顯示離子濃度；在運行模式下，單片機A1輸出控制驅動電路控制 電磁閥門A10,進入突水水源判別流程系統，通過單片機A1的控制信號來實現對離子濃度 的控制，自動建立突水水源判別流程體系；該判別流程體系的分析方法為：從第一個離子 指標到最后一個離子指標，依次選擇作為當前處理指標，對當前處理指標從小到大進行排 序，在最小值和最大值之間，從最小值開始，依次選擇排序后的相鄰兩個值的平均值作為閾 值，每移動一次閾值，對所有水樣進行判別，判別時將該指標小于閾值的水樣歸為某種水源 類型，或將該指標大于閾值的水樣歸為某種水源類型，其他水樣歸為新的待判樣本，同時將 待判水源類型中剔除該種水源類型，如此循環計算，直到選擇的指標和閾值作為判別某種 水源類型的判別準確率最高，則選定該指標、閾值及其大于還是小于閾值作為識別該種水 源類型的特征離子、閾值和判別關系；如此循環，進入下一輪識別，直到所有水源類型都被 識別出來，則水源類型識別的先后順序、每個水源類型使用的特征離子指標、對應的閾值及 其判別關系都確定下來，從而形成了突水水源判別流程體系；也可以利用功能按鈕，人工調 整或者設置判別體系Μ ;離子電極傳感器A3檢測水樣離子濃度，并經變換放大得到對應的 模擬電壓信號，然后再通過A/D轉換模塊Α4變成數字信號送入單片機Α1，單片機Α1根據 能斯特方程計算得到實際的離子濃度Β6,并將計算結果在顯示屏Α2顯示出來；當礦井突水 時，用盛水容器取水30-100毫升水樣，用離子電極A3測試水樣的離子濃度，并利用水源判 別模塊Β5的程序判別突水水源，檢測結果和判別結果在顯示屏中顯示。
[0031] 測試示例1 :
[0032] 圖5為本實施例測試示例1中的判別流程圖。進行突水水源開始判別步驟Ε1時， 使用盛水容器取水30-100毫升水樣，首先使用本機配備的氯離子電極，進行測試比較水樣 氯離子濃度步驟Ε2,如果氯離子濃度小于914. 25毫克/升，則執行判別為煤系砂巖裂隙水 步驟Ε3,判別過程結束Ε7;否則需進一步判別，進行更換鎂離子電極進一步測試比較水樣 步驟Ε4,如果鎂離子濃度小于20. 29毫克/升，則執行判為太原組灰巖巖溶裂隙水步驟Ε5， 判別過程結束Ε7 ;否則執行判為新生界下含孔隙水步驟Ε6,判別過程結束Ε7。
[0033] (1)該礦井第一次使用本發明設備前，將示例1礦井已知水源類型的標準水質樣 本，在計算機中整理成如表格1所示的格式，其中的第一列為表頭，對應的前兩列字段分別 為水樣編號和水源類型，第三列起為離子指標，并使用Tab鍵或者逗號、空格作為分隔符， 數據存儲為文本格式。將本發明設備通過Micro-USB接口用數據線與計算機相連，將上述 數據導入到設備中；設置待判突水水源為新生界下含孔隙水、煤系砂巖裂隙水和太原組巖 溶裂隙水。 ' ~
[0034] 表格 1
[0035]
【權利要求】
1. 一種礦井突水水源快速判別設備，包括：置于外殼（Cl)內部的電路板（A)，外殼 (C1)上設有電源輸入接口（C11)、開機/關機按鈕（C3)、模式轉換開關（C2)、顯示屏（A2)、 Micro-USB接口（A7)和離子電極連接線接口（C12)，以及功能按鈕（C4?CIO):分別為四方 向控制鍵盤組合（C4)、待識別水源類型設定功能按鈕（C5)、根據水質樣本構建突水水源判 別流程體系功能按鈕（C6)、突水水源判別流程體系調整與設置功能按鈕（C7)、檢測離子指 標切換功能按鈕（C8)、檢測離子濃度功能按鈕（C9)和突水水源判別功能按鈕（C10);所述 電路板（A)上以單片機（A1)為核心，連接顯示屏（A2)、A/D轉換模塊（A4)、存儲器（A5)、擴 展鍵盤模塊（A6)、micr〇-USB接口（A7)和電源模塊（A8);其特征在于：所述功能按鈕（C4? C10)和開機/關機按鈕（C3)通過I/O方式與單片機（A1)連接，離子電極傳感器（D3)通過 連接線（D2)與離子電極連接線接口（C12)相連，并和A/D轉換模塊（A4)之間通過I/O方式 連接，A/D轉換模塊（A4)通過串口方式與單片機（A1)連接，顯示屏（A2)和單片機（A1)之 間通過并行方式連接，存儲器（A5)通過I/O方式與單片機（A1)連接，Micro-USB接口（A7) 通過I/O方式與單片機（A1)連接，對外則通過Micro-USB接口（A7)和PC機USB接口連接， 模式轉換開關（C2)與可調電位器（All)通過I/O方式連結；所述功能按鈕（C4?C10)采 用數碼管顯示驅動及鍵盤掃描管理芯片ZLG7289擴展鍵盤模塊（A6)，離子選擇性電極（A3) 根據具體測定的需要分別選擇采用相應的測定氯離子、硫酸根離子、鈣離子、鈉離子或鎂離 子的離子選擇性電極，存儲器（A5)為帶電可編程可擦除只讀存儲器，電源模塊（A8)采用 W0A50W系列一體化AC/DC電源，分別以端子式與單片機（A1)和A/D轉換模塊（A4)連接，輸 出一個5V和一個12V穩壓電源，其中的5V穩壓電源對單片機（A1)和A/D轉換模塊（A4) 提供工作電源，12V穩壓電源對運算放大器（A9)和存儲器（A5)提供工作電源； 通過調節外殼（C1)上與單片機（A1)連結的模式轉換開關（C2)進行設定模式和運行 模式的轉換：在設定模式下，將礦井歷來檢測的、不同含水層類型水樣的多個離子濃度的水 樣數據以表格形式保存在單片機的txt文檔中，使用前先將其從單片機（A1)導入所述存儲 器（A5)中，根據實測獲得的各水源類型以及每個水樣的多個離子濃度數據通過Micro-USB 接口連接單片機（A1)導入，或者由功能按鈕中的待識別水源類型設定功能按鈕（C5)、根據 水質樣本構建突水水源判別流程體系功能按鈕（C6)以及突水水源判別流程體系調整與設 置功能按鈕（C7)輸入，采用單片機系統中常用的鍵盤加 EEPR0M的方法設置待識別水源類 型，每一種水源類型的水樣樣本數不少于三個；顯示采用靜態驅動方式的4位LED在線顯示 離子濃度；在運行模式下，單片機（A1)輸出控制驅動電路控制電磁閥門（A10)，進入突水水 源判別流程系統，通過單片機（A1)的控制信號來實現對離子濃度的控制； 所述通過單片機（A1)的控制信號來實現對離子濃度的控制為： 依次選擇從第一個離子指標到最后一個離子指標作為當前處理指標，對當前處理指標 從小到大進行排序，從最小值開始，在最小值和最大值之間，依次選擇排序后的相鄰兩個值 的平均值作為閾值，每移動一次閾值，對所有的每個水樣進行判別，判別時將該指標小于閾 值的水樣歸為某種水源類型，或將該指標大于閾值的水樣歸為某種水源類型，其他水樣歸 為新的待判樣本，同時將待判水源類型中剔除該種水源類型，如此循環計算，直到選擇的指 標和閾值作為判別某種水源類型的判別準確率最高，則選定該指標、閾值及其大于還是小 于閾值作為識別該種水源類型的特征離子、閾值和判別關系；如此循環，進入下一輪識別， 直到所有水源類型都被識別出來，則水源類型識別的先后順序、每個水源類型使用的特征 離子指標、對應的閾值及其判別關系都確定下來，從而生成了突水水源判別流程體系； 使用上述突水水源判別流程體系調整與設置功能按鈕，調出突水水源判別流程體系， 使用四方向控制鍵選擇判別順序編號為1的參數，所述參數為該判別順序編號對應的水源 類型、特征離子、閾值和判別關系，從待識別水源類型中選擇首先判別的水源類型，從水樣 離子指標中選擇該水源類型的特征離子指標，設定該離子指標用于判別選定水源類型的的 閾值，設定判別時使用的判別關系；然后設置判別順序為2的參數，從未設置的待識別水源 類型中選擇第2判別的水源類型，并從水樣離子指標中選擇該水源類型的特征離子指標， 設定該離子指標用于判別選定水源類型的的閾值，設定判別時使用的判別關系；以此類推， 對判別順序加1進行逐個設置，直到完成倒數第二個待識別水源類型，同時將最后一個未 設置的待識別水源類型設定為最后一個識別水源類型，且最后一個識別水源類型的特征離 子、閾值和判別關系為空值；突水水源判別流程體系的參數以順序編號、水源類型、特征離 子、閾值、判別關系字段方式存儲在存儲器（A5)中； 使用離子電極傳感器（A3)測試水樣，得到對應的模擬電壓信號，然后再通過A/D轉換 模塊（C11)變成數字信號傳入單片機（A1)，單片機（A1)根據能斯特方程計算得到實際的離 子濃度，并將計算結果在顯示屏（A2)顯示出來； 根據所述突水水源判別流程體系中的判別順序，依次選用水源類型對應的特征離子所 對應的離子電極，測試特征離子濃度值，單片機根據判別關系比較特征離子濃度檢測數值 和突水水源判別流程體系中的該特征離子的閾值，判別突水水樣是否為該水源類型：如果 是，則識別突水水源結束；否則按照突水水源判別流程體系中的判別順序，進一步判別水樣 是否為其他水源類型，直到判別出水樣的水源類型。
【文檔編號】G01N27/333GK104297308SQ201410570877
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】錢家忠, 馬雷, 李佩全, 劉滿才, 汪敏華, 趙衛東, 馬濟國 申請人:淮南礦業(集團)有限責任公司, 合肥工業大學