第9期 孙谦等：基于动态测氢法的铝含氢量快速检测系统研制 ·1073· P=nRT/V. (1) 制电路：(3)数据采集与处理单元，包括微压传感 式中，P为容器内气体压强，n为气体分子数，R为气 器、热电偶、数据采集模块及计算机 体常量，T为热力学温度，V为气体体积 为了实现氢分压的高精度动态测量，设计中考 如果密闭气室是截面积为S的圆筒形，当气室 虑了两个重要因素，即稳定的系统变容速度和高灵 长度以匀速变化时，气体体积V=S·1也将匀速 敏度、高精度的微压差检测。为此制造了高密封性 变化，气体压强随时间1的变化规律可通过对式(1) 的变容真空室，并采用超静电机和减速传动机构与 求时间导数获得 之配套，真空室与探头、氢气瓶和真空泵间分别装有 dP =-RT 1 高灵敏度的真空阀门控制其气路通断.高灵敏度、 Sv 1 (2) 高精度微压差传感器与真空室直接相连，信号处理 设nRT/(S)=k,则式(2)可写为 采用高精度A/D转换模块，可保证真空室微压差变 dp k 化的实时监测.热电偶用于监测熔体温度，以评价 = (3) 熔体在不同温度下的氢气含量.此外，探头是构成 在保证密闭气室内具有所要求的真空度和较高 真空室和铝熔体之间氢扩散通道的重要器件，要求 的氢气纯度的条件下，通过探头将密闭气室与合金 具有足够的热稳定性、高温机械强度和适宜的透气 熔体连通，则气室内气体压强将不再遵循式(3)所 率.其本体材料为三氧化二铝陶瓷颗粒和具有一定 描述的规律变化，而是受控于熔体中的氢分压.如 粒度的添加剂，经高压定形焙烧而成。设置恒温槽 果熔体中氢分压高于气室内气体压强，熔体中的氢 的目的是减小氢从熔体向真空室散时对室内气体 将通过探头向气室扩散，导致气室内某一时刻的实 温度的影响，保证气体在恒温下变容 际压强高于此时该容积气体所对应的理论压强。反 之，如果熔体中氢分压低于气室内气体压强，气室中 的氢气将通过探头向熔体中扩散，导致气室内某一 时刻的实际压强低于对应的理论压强。只有当熔体 中氢分压等于气室内压强时，熔体与气室之间不再 有氢扩散发生，此时气室内压强即可视为熔体氢分 压.因此，气室内理论压强与实际压强的差值△P 是确定熔体氢分压的重要判据.通过气室匀速变 12 容，实时测定气室内实际压强并实时计算气室内理 ⊙ 13 论压强，便可得到实时的△P值.即可根据△P值判 1一微压差传感器：2一氢气瓶：3一可变容积真空室：4一电机：5一 断氢扩散是否达到动态平衡，变“被动等待”为“主 行程开关：6一减速传动机构：7一计算机：8一隔离单元：9一恒温 动逼近”，从而大大缩短平衡过程，达到快速测定熔 槽：10一真空泵；11一热电偶：12一探头：13一浇包 体氢分压的目的.然后将测得的熔体氢分压数值代 图1铝合金熔体测氢系统构成简图 入经验公式，即可获得熔体含氢量数值 Fig.1 Constitute diagram of a system for measuring hydrogen content in aluminum alloy melt lg CaP (4) 2.2测控单元设计 式中：熔体温度，K;PH,为熔体氢分压，MPa;CH为 铝合金熔体快速测氢装置的测控原理框图如图 100g熔体中氢的体积，mL:A和B为与铝合金熔体 2所示.测控单元主要由传感器、信号调理电路、 的成分、温度有关的常数 ADAM4017亚当模块（模/数转换模块）、ADAM4520 2 快速测氢系统设计 亚当模块（隔离转换模块）、控制电路、ADAM4050 亚当模块（工控模块）及上位控制计算机等组成.在 2.1总体结构设计 测试过程中，压力传感器与温度传感器输出的信号 基于动态测定熔体氢分压方法的熔体氢含量快 均送入信号调理电路.信号调理电路的作用是将热 速测定装置主要由三部分构成，如图1所示.(1)真 电偶的输出信号作初步放大处理及将微压差传感器 空变容单元，包括真空泵、氢气瓶、可变容真空室、真 的电流输出信号转化为电压输出信号，以满足数据 空阀门组、恒温槽、隔离单元、探头及管路：(2)变容 采集模块的入口要求.数据采集模块选用AD- 驱动单元，包括电机、减速传动机构、行程开关及控 AM4017,采集信号包括压力和温度信号，通过RS一第 9 期 孙 谦等: 基于动态测氢法的铝含氢量快速检测系统研制 P = nRT /V． ( 1) 式中，P 为容器内气体压强，n 为气体分子数，R 为气 体常量，T 为热力学温度，V 为气体体积． 如果密闭气室是截面积为 S 的圆筒形，当气室 长度以 v 匀速变化时，气体体积 V = S·v·t 也将匀速 变化，气体压强随时间 t 的变化规律可通过对式( 1) 求时间导数获得 dP t = － nRT Sv ·1 t 2 ． ( 2) 设 nRT /( S·v) = k，则式( 2) 可写为 dP dt = － k t 2 ． ( 3) 在保证密闭气室内具有所要求的真空度和较高 的氢气纯度的条件下，通过探头将密闭气室与合金 熔体连通，则气室内气体压强将不再遵循式( 3) 所 描述的规律变化，而是受控于熔体中的氢分压． 如 果熔体中氢分压高于气室内气体压强，熔体中的氢 将通过探头向气室扩散，导致气室内某一时刻的实 际压强高于此时该容积气体所对应的理论压强． 反 之，如果熔体中氢分压低于气室内气体压强，气室中 的氢气将通过探头向熔体中扩散，导致气室内某一 时刻的实际压强低于对应的理论压强． 只有当熔体 中氢分压等于气室内压强时，熔体与气室之间不再 有氢扩散发生，此时气室内压强即可视为熔体氢分 压． 因此，气室内理论压强与实际压强的差值 ΔP 是确定熔体氢分压的重要判据． 通过气室匀速变 容，实时测定气室内实际压强并实时计算气室内理 论压强，便可得到实时的 ΔP 值． 即可根据 ΔP 值判 断氢扩散是否达到动态平衡，变“被动等待”为“主 动逼近”，从而大大缩短平衡过程，达到快速测定熔 体氢分压的目的． 然后将测得的熔体氢分压数值代 入经验公式，即可获得熔体含氢量数值． lg CH = 1 2 lg PH2 － A T + B． ( 4) 式中: 熔体温度，K; PH2 为熔体氢分压，MPa; CH 为 100 g 熔体中氢的体积，mL; A 和 B 为与铝合金熔体 的成分、温度有关的常数． 2 快速测氢系统设计 2. 1 总体结构设计 基于动态测定熔体氢分压方法的熔体氢含量快 速测定装置主要由三部分构成，如图 1 所示． ( 1) 真 空变容单元，包括真空泵、氢气瓶、可变容真空室、真 空阀门组、恒温槽、隔离单元、探头及管路; ( 2) 变容 驱动单元，包括电机、减速传动机构、行程开关及控 制电路; ( 3) 数据采集与处理单元，包括微压传感 器、热电偶、数据采集模块及计算机． 为了实现氢分压的高精度动态测量，设计中考 虑了两个重要因素，即稳定的系统变容速度和高灵 敏度、高精度的微压差检测． 为此制造了高密封性 的变容真空室，并采用超静电机和减速传动机构与 之配套，真空室与探头、氢气瓶和真空泵间分别装有 高灵敏度的真空阀门控制其气路通断． 高灵敏度、 高精度微压差传感器与真空室直接相连，信号处理 采用高精度 A/D 转换模块，可保证真空室微压差变 化的实时监测． 热电偶用于监测熔体温度，以评价 熔体在不同温度下的氢气含量． 此外，探头是构成 真空室和铝熔体之间氢扩散通道的重要器件，要求 具有足够的热稳定性、高温机械强度和适宜的透气 率． 其本体材料为三氧化二铝陶瓷颗粒和具有一定 粒度的添加剂，经高压定形焙烧而成． 设置恒温槽 的目的是减小氢从熔体向真空室扩散时对室内气体 温度的影响，保证气体在恒温下变容． 1—微压差传感器; 2—氢气瓶; 3—可变容积真空室; 4—电机; 5— 行程开关; 6—减速传动机构; 7—计算机; 8—隔离单元; 9—恒温 槽; 10—真空泵; 11—热电偶; 12—探头; 13—浇包 图 1 铝合金熔体测氢系统构成简图 Fig． 1 Constitute diagram of a system for measuring hydrogen content in aluminum alloy melt 2. 2 测控单元设计 铝合金熔体快速测氢装置的测控原理框图如图 2 所示． 测控单元主要由传感器、信号调理电路、 ADAM4017 亚当模块( 模/数转换模块) 、ADAM4520 亚当模块 ( 隔离转换模块) 、控制电路、ADAM4050 亚当模块( 工控模块) 及上位控制计算机等组成． 在 测试过程中，压力传感器与温度传感器输出的信号 均送入信号调理电路． 信号调理电路的作用是将热 电偶的输出信号作初步放大处理及将微压差传感器 的电流输出信号转化为电压输出信号，以满足数据 采集模块的入口要求． 数 据 采 集 模 块 选 用 AD￾AM4017，采集信号包括压力和温度信号，通过 RS-- ·1073·