基于TCS208F的铝合金熔体含氢量快速检测装置

李燕 王利华 马旭梁 李大勇

摘 要：含氢量是影响铝合金熔体质量的主要因素，因此准确而快速地测定铝合金熔体中的含氢量对提高铸件质量具有重要意义。以惰性气体循环法为基本原理，应用热导传感器TCS208F取代传统测氢仪中的热导池，设计了一种测量精度高、测试成本低、耐用性好的铝合金熔体含氢量快速检测装置。该装置由循环系统控制单元和数据采集单元组成，在计算机控制下可完成自动测试。试验结果表明，基于TCS208F研制的快速检测装置与商用测氢仪具有相同级别的检测精度。

关键词：TCS208F;铝熔体;含氢量

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.007

中图分类号： TG235

文献标志码： A

文章编号： 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

铝熔体中的含氢量是影响铝合金质量的重要因素。由于氢在液态和固态铝熔体中的溶解度相差十几倍[1]，凝固过程中，氢极易析出，最终在铸件中形成气孔等铸造缺陷[2]。从根本上说，氢对铝及其合金组织性能的影响与其它元素及固体杂质不同，它是通过破坏组织结构的连续性和完整性[3]，最终影响铝及其合金的物理性能、力学性能及使用性能[4-6]。

近年来，有关铝合金熔体含氢量检测方法的研究已有许多成果[7-8]，如：第一气泡法[9]、惰性气体循环法[10]、电化学法[11]、动态呼吸法等[12-14]。基于这些方法研制的装置有些可以实现在线快速检测，有些则需要取样进行分析，测氢装置在测试成本及耐用性方面，仍有改进空间。并且，生产企业对降低测氢成本、提高测氢速度和准确性均有强烈要求。基于以上背景，本文以惰性气体循环检测为基本原理，以热导传感器TCS208F取代传统测氢仪中的热导池，简化循环回路，实现了铝合金熔体含氢量快速、精确检测。

1 基于热导传感器TCS208F的测氢系统构成

1.1 热导传感器TCS208F及其測试电路

1）TCS208F工作原理

TCS208F是利用不同被测组分气体的热导系数差异实现气体分析的浓度型传感器，其结构简图如图1所示[15-16]。在TCS208F中集成了金属薄膜测量电阻和热电阻。工作时需对加热电阻通电加热，当有载气通过传感器时，由于载气的热传导作用使加热电阻的热量一部分被载气带走，一部分传给池体。当加热电阻产生的热量与散失热量达到平衡时，测量电阻的阻值会稳定在一定数值。当载气成分发生变化时，其热导率也发生变化，从而使测量电阻的阻值发生变化。载气中待测组分的浓度越大，气体热导率改变就越显著，温度和电阻值改变也越显著。实时检测测量电阻的阻值变化，即可分析载气中的气体浓度变化。

2）TCS208F信号采集电路

上述测量电阻变化采用惠斯通电桥电路检测，电路如图2所示，电路采用10V精密电压源供电。电桥中，R1，R2为定值电阻，作为参考臂。Rm1+Rm2为传感器薄膜电阻，作为测量臂。R3为调零电阻，用来调节电桥的初始平衡。Rt1+Rt2为一阶温度补偿电阻，用于测量环境温度并进行补偿。R4为二阶温度补偿电阻，其阻值取决于被测气体。在工作初始状态，调节R3使电桥处于平衡状态，输出电压为0。在环境温度不变的情况下，当被测气体组分发生变化时，Rm1+Rm2的阻值也会发生改变，电桥失去平衡，此时在Vin+与Vin-之间产生反映气体热导率变化的原始电信号Vin[15，17-18]。由于传感器输出信号微弱且夹杂噪声，需要进行放大和滤波等处理，本文采用5片集成运放芯片OP07完成信号放大和滤波。

1.2 惰性气体循环回路

1）惰性气体循环法测氢原理

惰性气体循环法测量铝合金熔体含氢量是50年代中期由Ransley等提出 [19-20]，该方法通过特制的探头向铝液中提供定量惰性气体，惰性气体进入熔体后形成气泡，由于气泡内外的氢分压差，合金熔体中的氢气会向惰性气体内迅速扩散，并随之上浮，用罩型金属探头收集气泡，送入循环检测系统。当循环气体中的氢分压与熔体中的氢分壓达到平衡时，测出循环气体中的平衡氢分压，按Sievert定律即可计算出铝熔体含氢量[21]。

2）惰性气体循环系统

惰性气体循环单元主要由探头、微型抽打气泵、稳压阀、流量调节阀、电磁阀、转子流量计、检测室（放置热导传感器）、测温热电偶等组成。

稳压阀和流量调节阀主要起到稳定气路压力和控制气流量大小的作用;电磁阀的通断切换调节与微型抽打气泵的开闭调节可改变气体流向，从而实现气路冲洗、含氢量检测和标定等功能。图3所示为测试系统结构简图。

为了实现铝合金熔体含氢量检测，得到检测电压值与熔体氢浓度之间的关系，检测前必须对管路进行全面冲洗，使管路严格处于惰性气体环境中，冲洗完成后立即进入氢含量检测功能单元。冲洗功能管路中气流方向如图实线箭头所示，含氢量测试时管路中气流方向如图虚线箭头所示。

1.3 计算机数据采集与处理单元

计算机测控单元通过DI/DO 板卡和A/D 转换板卡实现与热导传感器TCS208F、电磁阀、微型气泵之间信息传递，各单元之间关系如图4所示。在计算机控制下，完成气泵开启、电磁阀顺序开闭、循环气体热导率检测、熔体温度检测等。当循环气体热导率达到稳定值时，即可认为熔体中氢扩散达到平衡，此时循环气体中的氢浓度可表征熔体氢含量。

为了消除循环气体温度对气体传感器测试结果的影响，本文专门设计了循环气体恒温装置，将传感器TCS208F和气体导入管置于恒温箱内，以保证循环气体热导率不随外界环境温度变化。

2 传感器标定及测氢装置模拟测试

2.1 传感器标定实验

使用高纯氩气和高纯氢气配制标准气体，并用标准气体对传感器TCS208F进行标定实验。标准气体含氢量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，采用直接吹气方法，测量和记录传感器在不同含氢量的标准气体下输出的平均电压值，测量结果如表1所示。

根据表1数据绘制的传感器输出电压与标准气体含氢量的关系曲线如图5所示，由图可以确定，气体含氢量与传感器输出为线性关系。

拟合直线方程为：

拟合方程的相关系数R=0.99838。

2.2 测氢装置模拟测试实验

利用本文研究的测氢装置进行了模拟测试试验。将不同浓度混合气体导入测氢装置循环回路和标准气体分析装置GC112A型气相色谱仪，同时获得分析数据，测量结果如表2所示。新型测氢装置气体平衡时间为1.20～1.30min，标准分析仪分析时间为1.5～2.5min，由表2 数据不难看出，新型测氢装置对含氢气体不仅反应速度快，而且灵敏度高。

3 铝合金熔体氢浓度测试实验

为评价本文研制测氢装置的测试效果，采用GC112A型气相色谱仪同步检测取自同一炉熔体的循环气体，5炉次测试数据如表3所示。以气相色谱仪测试结果为标准值，新装置所测数据具有令人满意的检测精度，1.25～1.30min的平衡时间，明显快于当前相同原理的测氢仪器，其主要原因是热导型传感器TCS208F具有的优良性能。

根据测得的循环气体氢浓度，可以计算出熔体的氢分压，而依据熔体氢分压即可由西华特定律方便求解100g铝合金熔体中含氢标准体积。

4 结 论

1）热导传感器TCS208F可用于铝合金熔体含氢量的检测，具有反应速度快、重复性好等特点，有利于提高惰性气体循环法测氢装置的检测速度和精度。

2）结合热导传感器TCS208F特点设计的惰性气体循环回路，具有结构简单、制造成本低和使用方便的特点，便于进一步开发。

3）经实际测试对比，基于热导传感器TCS208F研制的测氢装置的检测速度、精度均不低于目前商用测试仪。

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（编辑：温泽宇）