李燕 王利華 馬旭梁 李大勇

摘?要：含氫量是影響鋁合金熔體質(zhì)量的主要因素，因此準(zhǔn)確而快速地測定鋁合金熔體中的含氫量對提高鑄件質(zhì)量具有重要意義。以惰性氣體循環(huán)法為基本原理，應(yīng)用熱導(dǎo)傳感器TCS208F取代傳統(tǒng)測氫儀中的熱導(dǎo)池，設(shè)計(jì)了一種測量精度高、測試成本低、耐用性好的鋁合金熔體含氫量快速檢測裝置。該裝置由循環(huán)系統(tǒng)控制單元和數(shù)據(jù)采集單元組成，在計(jì)算機(jī)控制下可完成自動測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于TCS208F研制的快速檢測裝置與商用測氫儀具有相同級別的檢測精度。

關(guān)鍵詞：TCS208F;鋁熔體;含氫量

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.007

中圖分類號： TG235

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）06-0035-05

Abstract：Hydrogen content is the main factor affecting the quality of aluminum alloy melt，so it is very important to accurately and rapidly measure the hydrogen content in aluminum alloy melt to improve the quality of the casting. Based on the principle of inert gas circulating method?a fast detecting device with low cost?high precision and good durability for hydrogen content in aluminum alloy melt was designed by using thermal conductivity sensor TCS208F to replace the thermal conductivity cell in the traditional hydrogen measuring instrument. The device comprises a circulating system control unit and a data acquisition unit. Under the control of the computer?the automatic test was completed. The experimental results show that the detection device designed by the authors has the same measuring precision compared with the commercial hydrogen.

Keywords：TCS208F; aluminum melt; hydrogen content

0?前?言

鋁熔體中的含氫量是影響鋁合金質(zhì)量的重要因素。由于氫在液態(tài)和固態(tài)鋁熔體中的溶解度相差十幾倍[1]，凝固過程中，氫極易析出，最終在鑄件中形成氣孔等鑄造缺陷[2]。從根本上說，氫對鋁及其合金組織性能的影響與其它元素及固體雜質(zhì)不同，它是通過破壞組織結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和完整性[3]，最終影響鋁及其合金的物理性能、力學(xué)性能及使用性能[4-6]。

近年來，有關(guān)鋁合金熔體含氫量檢測方法的研究已有許多成果[7-8]，如：第一氣泡法[9]、惰性氣體循環(huán)法[10]、電化學(xué)法[11]、動態(tài)呼吸法等[12-14]。基于這些方法研制的裝置有些可以實(shí)現(xiàn)在線快速檢測，有些則需要取樣進(jìn)行分析，測氫裝置在測試成本及耐用性方面，仍有改進(jìn)空間。并且，生產(chǎn)企業(yè)對降低測氫成本、提高測氫速度和準(zhǔn)確性均有強(qiáng)烈要求?；谝陨媳尘?，本文以惰性氣體循環(huán)檢測為基本原理，以熱導(dǎo)傳感器TCS208F取代傳統(tǒng)測氫儀中的熱導(dǎo)池，簡化循環(huán)回路，實(shí)現(xiàn)了鋁合金熔體含氫量快速、精確檢測。

1?基于熱導(dǎo)傳感器TCS208F的測氫系統(tǒng)構(gòu)成

1.1?熱導(dǎo)傳感器TCS208F及其測試電路

1）TCS208F工作原理

TCS208F是利用不同被測組分氣體的熱導(dǎo)系數(shù)差異實(shí)現(xiàn)氣體分析的濃度型傳感器，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示[15-16]。在TCS208F中集成了金屬薄膜測量電阻和熱電阻。工作時需對加熱電阻通電加熱，當(dāng)有載氣通過傳感器時，由于載氣的熱傳導(dǎo)作用使加熱電阻的熱量一部分被載氣帶走，一部分傳給池體。當(dāng)加熱電阻產(chǎn)生的熱量與散失熱量達(dá)到平衡時，測量電阻的阻值會穩(wěn)定在一定數(shù)值。當(dāng)載氣成分發(fā)生變化時，其熱導(dǎo)率也發(fā)生變化，從而使測量電阻的阻值發(fā)生變化。載氣中待測組分的濃度越大，氣體熱導(dǎo)率改變就越顯著，溫度和電阻值改變也越顯著。實(shí)時檢測測量電阻的阻值變化，即可分析載氣中的氣體濃度變化。

2）TCS208F信號采集電路

上述測量電阻變化采用惠斯通電橋電路檢測，電路如圖2所示，電路采用10V精密電壓源供電。電橋中，R1，R2為定值電阻，作為參考臂。Rm1+Rm2為傳感器薄膜電阻，作為測量臂。R3為調(diào)零電阻，用來調(diào)節(jié)電橋的初始平衡。Rt1+Rt2為一階溫度補(bǔ)償電阻，用于測量環(huán)境溫度并進(jìn)行補(bǔ)償。R4為二階溫度補(bǔ)償電阻，其阻值取決于被測氣體。在工作初始狀態(tài)，調(diào)節(jié)R3使電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓為0。在環(huán)境溫度不變的情況下，當(dāng)被測氣體組分發(fā)生變化時，Rm1+Rm2的阻值也會發(fā)生改變，電橋失去平衡，此時在Vin+與Vin-之間產(chǎn)生反映氣體熱導(dǎo)率變化的原始電信號Vin[15，17-18]。由于傳感器輸出信號微弱且夾雜噪聲，需要進(jìn)行放大和濾波等處理，本文采用5片集成運(yùn)放芯片OP07完成信號放大和濾波。

1.2?惰性氣體循環(huán)回路

1）惰性氣體循環(huán)法測氫原理

惰性氣體循環(huán)法測量鋁合金熔體含氫量是50年代中期由Ransley等提出 [19-20]，該方法通過特制的探頭向鋁液中提供定量惰性氣體，惰性氣體進(jìn)入熔體后形成氣泡，由于氣泡內(nèi)外的氫分壓差，合金熔體中的氫氣會向惰性氣體內(nèi)迅速擴(kuò)散，并隨之上浮，用罩型金屬探頭收集氣泡，送入循環(huán)檢測系統(tǒng)。當(dāng)循環(huán)氣體中的氫分壓與熔體中的氫分壓達(dá)到平衡時，測出循環(huán)氣體中的平衡氫分壓，按Sievert定律即可計(jì)算出鋁熔體含氫量[21]。

2）惰性氣體循環(huán)系統(tǒng)

惰性氣體循環(huán)單元主要由探頭、微型抽打氣泵、穩(wěn)壓閥、流量調(diào)節(jié)閥、電磁閥、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、檢測室（放置熱導(dǎo)傳感器）、測溫?zé)犭娕嫉冉M成。

穩(wěn)壓閥和流量調(diào)節(jié)閥主要起到穩(wěn)定氣路壓力和控制氣流量大小的作用;電磁閥的通斷切換調(diào)節(jié)與微型抽打氣泵的開閉調(diào)節(jié)可改變氣體流向，從而實(shí)現(xiàn)氣路沖洗、含氫量檢測和標(biāo)定等功能。圖3所示為測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。

為了實(shí)現(xiàn)鋁合金熔體含氫量檢測，得到檢測電壓值與熔體氫濃度之間的關(guān)系，檢測前必須對管路進(jìn)行全面沖洗，使管路嚴(yán)格處于惰性氣體環(huán)境中，沖洗完成后立即進(jìn)入氫含量檢測功能單元。沖洗功能管路中氣流方向如圖實(shí)線箭頭所示，含氫量測試時管路中氣流方向如圖虛線箭頭所示。

1.3?計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理單元

計(jì)算機(jī)測控單元通過DI/DO 板卡和A/D 轉(zhuǎn)換板卡實(shí)現(xiàn)與熱導(dǎo)傳感器TCS208F、電磁閥、微型氣泵之間信息傳遞，各單元之間關(guān)系如圖4所示。在計(jì)算機(jī)控制下，完成氣泵開啟、電磁閥順序開閉、循環(huán)氣體熱導(dǎo)率檢測、熔體溫度檢測等。當(dāng)循環(huán)氣體熱導(dǎo)率達(dá)到穩(wěn)定值時，即可認(rèn)為熔體中氫擴(kuò)散達(dá)到平衡，此時循環(huán)氣體中的氫濃度可表征熔體氫含量。

為了消除循環(huán)氣體溫度對氣體傳感器測試結(jié)果的影響，本文專門設(shè)計(jì)了循環(huán)氣體恒溫裝置，將傳感器TCS208F和氣體導(dǎo)入管置于恒溫箱內(nèi)，以保證循環(huán)氣體熱導(dǎo)率不隨外界環(huán)境溫度變化。

2?傳感器標(biāo)定及測氫裝置模擬測試

2.1?傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

使用高純氬氣和高純氫氣配制標(biāo)準(zhǔn)氣體，并用標(biāo)準(zhǔn)氣體對傳感器TCS208F進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)氣體含氫量分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，采用直接吹氣方法，測量和記錄傳感器在不同含氫量的標(biāo)準(zhǔn)氣體下輸出的平均電壓值，測量結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制的傳感器輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)氣體含氫量的關(guān)系曲線如圖5所示，由圖可以確定，氣體含氫量與傳感器輸出為線性關(guān)系。

擬合直線方程為：

擬合方程的相關(guān)系數(shù)R=0.99838。

2.2?測氫裝置模擬測試實(shí)驗(yàn)

利用本文研究的測氫裝置進(jìn)行了模擬測試試驗(yàn)。將不同濃度混合氣體導(dǎo)入測氫裝置循環(huán)回路和標(biāo)準(zhǔn)氣體分析裝置GC112A型氣相色譜儀，同時獲得分析數(shù)據(jù)，測量結(jié)果如表2所示。新型測氫裝置氣體平衡時間為1.20～1.30min，標(biāo)準(zhǔn)分析儀分析時間為1.5～2.5min，由表2 數(shù)據(jù)不難看出，新型測氫裝置對含氫氣體不僅反應(yīng)速度快，而且靈敏度高。

3?鋁合金熔體氫濃度測試實(shí)驗(yàn)

為評價本文研制測氫裝置的測試效果，采用GC112A型氣相色譜儀同步檢測取自同一爐熔體的循環(huán)氣體，5爐次測試數(shù)據(jù)如表3所示。以氣相色譜儀測試結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)值，新裝置所測數(shù)據(jù)具有令人滿意的檢測精度，1.25～1.30min的平衡時間，明顯快于當(dāng)前相同原理的測氫儀器，其主要原因是熱導(dǎo)型傳感器TCS208F具有的優(yōu)良性能。

根據(jù)測得的循環(huán)氣體氫濃度，可以計(jì)算出熔體的氫分壓，而依據(jù)熔體氫分壓即可由西華特定律方便求解100g鋁合金熔體中含氫標(biāo)準(zhǔn)體積。

4?結(jié)?論

1）熱導(dǎo)傳感器TCS208F可用于鋁合金熔體含氫量的檢測，具有反應(yīng)速度快、重復(fù)性好等特點(diǎn)，有利于提高惰性氣體循環(huán)法測氫裝置的檢測速度和精度。

2）結(jié)合熱導(dǎo)傳感器TCS208F特點(diǎn)設(shè)計(jì)的惰性氣體循環(huán)回路，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低和使用方便的特點(diǎn)，便于進(jìn)一步開發(fā)。

3）經(jīng)實(shí)際測試對比，基于熱導(dǎo)傳感器TCS208F研制的測氫裝置的檢測速度、精度均不低于目前商用測試儀。

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（編輯：溫澤宇）