一种面向qpq工艺的氮化盐成分半自动检测仪器的制造方法
【专利摘要】一种QPQ工艺氮化盐成分半自动检测仪器包括样品光谱检测系统，包括外围控制电路系统、数据采集电路系统、嵌入式测量与控制系统。所述样品光谱检测系统包括、氰酸盐含量光谱检测模块、氰化物含量光谱检测模块、铁离子含量光谱检测模块。所述样品光谱检测系统连接数据采集电路系统。所述嵌入式测量与控制系统通过串口连接数据采集电路系统，计算氮化盐样品中氰酸盐、氰化物和铁三个组分的含量。所述嵌入式测量与控制系统通过串口连接外围控制电路系统。外围控制电路系统连接样品光谱检测系统。本发明能够代替目前碳氮共渗QPQ表面处理工艺的氰酸盐、氰化物和铁三种关键必控成分含量的人工实验分析，重复性好，准确度高，能够为工件表面QPQ处理工艺质量控制提供重要技术支持。
【专利说明】
一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测仪器
技术领域
[0001]本发明为一种面向QPQ表面处理工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，涉及工业生产过程质量控制技术和环境安全监测技术领域。【背景技术】
[0002]QPQ( “Quench—Polish-Quench”的缩写)是一种盐浴复合工件表面处理技术。该技术目前在国内得到大量的推广应用，尤其在汽车、摩托车、轴类产品、电子零件、纺机、机床、 电器开关、工模具上使用效果非常突出。其具有增强工件的耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性、 并且工艺过程成本低、低碳环保的技术优势，而使用氮化盐的碳氮共渗表面处理工艺应用最为广泛，目前工业生产的氮化盐主要含有氰酸盐、氰化物和铁离子三种成分，其中氰酸盐含量是直接影响工件表面处理质量的主要因素，铁离子含量则一方面影响工件表面生成化合物的疏松度，另一方面和氰化物含量一样是需要严格控制以防污染环境。因此，从工业过程质量控制的角度看需要重点控制氮化盐中氰酸盐和铁的含量，而从环保的角度看又需要控制氮化盐中氰化物和铁离子的含量，如通常汽车零部件表面QPQ工艺氮化盐中氰酸盐成分(以氰酸根CN(T分子量计)应控制在35%-38%的范围内，而氰化物的含量(以氰根CPT分子量计)应小于5%，铁离子的含量应小于0.02%。由此可见，对氮化盐成分的精确检测是QPQ工艺质量控制和环保要求的重要依据，但是，目前分析仪器市场却没有能够同时检测氮化盐中上述三种物质成分及含量的仪器，并且应用该工艺的不同行业和不同生产单位对氮化盐中上述三种物质含量的控制要求又均不相同，所以目前大多数相关行业，如东风汽车液压动力有限公司等均配备专门技术人员，人工取样，通过化学滴定法检测分析氮化盐中三种物质成分的含量，然而人工实验检测重复性差，很难为工件表面QPQ处理工艺的质量控制提供精确的技术支持与分析参考，这正是我国目前工件表面碳氮共渗QPQ处理工艺面临的一个技术难题。
[0003]此外，由于碳氮共渗工艺是在钛合金熔炉中高温下进行的，因此不宜对上述氮化盐中的三种成分含量实现在线监测分析，只宜取样冷却至室温后精确称量再加蒸馏水定容成规定浓度范围的样品溶液后进行含量检测，因此适合半自动仪器检测分析。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现在碳氮共渗QPQ表面处理工艺过程氮化盐中氰酸盐、氰化物和铁离子的含量需要人工取样、人工实验分析的技术现状及其难以为工艺质量控制提供精确数据参考的技术难题，提供一种面向QPQ工艺的氮化盐成分(氰酸盐、氰化物和铁离子)半自动检测仪器，可广泛应用于汽车、摩托车、轴类产品、电子零件、纺机、机床、电器开关、工模具等行业工件表面碳氮共渗QPQ处理工艺的质量控制。
[0005]本发明所采用的技术方案是:一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，包括样品光谱检测系统、外围控制电路系统、数据采集电路系统、嵌入式测量与控制系统。所述样品光谱检测系统包括氰酸盐含量光谱检测模块、氰化物含量光谱检测模块、铁离子含量光谱检测模块。所述样品光谱检测系统连接数据采集电路系统，数据采集电路系统用于采集样品光谱检测系统中的各个模块的多路模拟输出信号，转换为相应的多路数字信号。所述嵌入式测量与控制系统通过串口连接数据采集电路系统，并依据串口协议处理样品光谱检测系统的各路输出信号，计算氮化盐样品中氰酸盐、氰化物和铁各个组分的含量。所述嵌入式测量与控制系统通过串口连接外围控制电路系统。外围控制电路系统连接样品光谱检测系统，通过控制信号指令以控制LED光源的稳定运行及样品反应体系的搅拌与恒温。
[0006]所述嵌入式测量与控制系统连接触控IXD显示器。
[0007]所述样品光谱检测系统、数据采集电路系统、嵌入式测量与控制系统均连接电源模块。
[0008]所述外围控制电路系统包括LED光源控制模块、磁力搅拌控制模块、水浴恒温控制丰旲块。
[0009]所述数据采集电路系统通过三路模拟信号的采集、过滤和抗干扰，高精度和快速转换成数字信号。[0〇1〇]所述嵌入式测量与控制系统包括32位ARM cortex-m3为内核的高性能微处理器芯片。
[0011]所述氰酸盐含量光谱检测模块、氰化物含量光谱检测模块、铁离子含量光谱检测模块，每一个光谱检测模块均包括LED光源、准直透镜，样品反应检测室、聚焦透镜、光电二极管ro，光电二极管ro连接信号调节电路;LED光源经准直透镜准直后，作为检测光束透过样品反应检测室，出射光速经聚焦透镜进入光电二极管PD的光窗，转换为与光强成正比的光电流，经信号调节电路实现电流电压转变、放大及滤波处理，最后输出模拟电压信号，送数据采集电路系统处理。
[0012]所述样品反应检测室包括石英比色皿、不锈钢水槽，所述不锈钢水槽内盛超纯水， 所述不锈钢水槽外壁安装有热电致冷器帕尔贴，不锈钢水槽外底部安装有直流电机，直流电机轴上安装有磁铁。
[0013]所述石英比色皿内设有第一磁力搅拌子，用以搅拌样品反应体系；所述不锈钢水槽内设有第二磁力搅拌子用以维持均匀的恒温水浴温度场。
[0014]所述不锈钢水槽上密封装配有一对石英玻璃光窗，用以通过样品检测所需平行光束。[〇〇15] 所述LED光源控制模块包括但不仅限于TPS61042恒流LED驱动芯片，用于通过PWM 信号进行精确的亮度控制。
[0016]所述水浴恒温控制模块包括热敏电阻、热电致温控模块TEC、集成电路芯片 ADN8830,所述热敏电阻为MF58型玻璃封装负温度系数热敏电阻，浸入不锈钢水槽，所述热电致温控模块TEC即帕尔贴片，集成电路芯片ADN8830驱动热电致温控模块TEC。[〇〇17] 一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测方法，被测氮化盐取样冷却至室温后， 经精确称量、再加蒸馏水定容成规定浓度范围的样品溶液后，分别取一定体积的样品溶液与相应国家标准所述分析试剂混匀或按照规定程序转化后加入三个对应样品光谱检测室进行检测分析；所述氰酸盐含量检测采用间接检测方法，先通过化学方法把氰酸根CN(T转变为铵根NH4+，再依据标准GB7481 -1987:水质铵的测定水杨酸分光光度法，通过对铵离子的测定， 检测特征波长为697nm，间接实现对氰酸盐含量的检测。[〇〇18]所述氰化物检测依据标准HJ484-2009:水质氰化物的测定异烟酸-巴比妥酸分光光度法，光谱检测特征波长为600nm;所述铁离子检测依据标准HJ345-2007:水质铁的测定邻菲啰啉分光光度法，光谱检测特征波长为510nm;本发明一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，优点在于:1)、本发明能够代替目前碳氮共渗QPQ表面处理工艺的氰酸盐、氰化物和铁离子三种关键必控成分含量的人工实验分析，重复性好，准确度高，能够为工件表面QPQ处理工艺质量控制提供重要技术支持。
[0019]2)、本发明采用的检测试剂抗干扰强、能在常温下进行使用，提高了光谱检测的精确度和重复性。
[0020]3)、本发明对样品反应体系采样精确恒温控制技术和搅拌控制技术，提高了光谱检测的精确度和稳定性。
[0021]4)、本发明基于相应检测模块所需特征波长LED光源和光电二极管单光谱探测技术，采用光谱分析代替常规的电极法检测氰酸盐、氰化物和铁的含量，测量范围宽、检测精度高、检测过程周期短。【附图说明】[〇〇22]图1是本发明的检测方法流程图。
[0023]图2是本发明的检测仪器的硬件连接示意图。
[0024]图3是本发明的光谱检测模块的硬件连接示意图。
[0025]图4是本发明的样品反应检测室结构示意图。
[0026]图5是TPS61042恒流LED驱动控制电路图。[〇〇27]图6是ADN8830内部结构与恒温控制原理图。
[0028]图7是本发明的氰酸盐含量测定标准工作曲线图。【具体实施方式】[〇〇29] 一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测方法，被测氮化盐取样冷却至室温后， 经精确称量、预处理并定容成规定浓度范围的样品溶液后，分别取一定体积的样品溶液与相应国家标准所述分析试剂混匀或按照规定程序转化后加入本发明所述仪器的三个对应样品光谱检测室进行检测分析，如图1所示。
[0030]所述氰酸盐、氰化物和铁离子含量检测均依据国家标准分析方法。
[0031]所述氰酸盐检测采用间接检测方法，先通过化学方法把氰酸根(CN0O转变为铵根 (NH4+)，再依据标准GB7481-1987(水质铵的测定水杨酸分光光度法)通过对铵离子的测定 (检测特征波长为697nm)间接实现对氰酸盐含量的检测。[〇〇32]所述氰化物检测依据标准HJ484-2009(水质氰化物的测定异烟酸-巴比妥酸分光光度法)，光谱检测特征波长为600nm.所述铁离子含量的检测依据标准HJ345-2007(水质铁的测定邻菲啰啉分光光度法)，光谱检测特征波长为51 Onm。[〇〇33]如图2所示，一种QPQ工艺氮化盐成分半自动检测仪器，包括样品光谱检测系统、夕卜围控制电路系统、数据采集电路系统、嵌入式测量与控制系统。
[0034]所述样品光谱检测系统包括氰酸盐含量光谱检测模块、氰化物含量光谱检测模块、铁离子含量光谱检测模块；所述样品光谱检测系统连接数据采集电路系统，数据采集电路系统用于采集样品光谱检测系统中的各个模块的多路模拟输出信号，转换为相应的多路数字信号；所述嵌入式测量与控制系统通过串口连接数据采集电路系统，并依据串口协议处理样品光谱检测系统的各路输出信号，计算氮化盐样品中氰酸盐、氰化物和铁离子三个组分的含量；所述嵌入式测量与控制系统通过串口连接外围控制电路系统，外围控制电路系统连接样品光谱检测系统，通过控制信号指令以控制LED光源的稳定运行及样品反应体系的搅拌与恒温。所述嵌入式测量与控制系统连接触控LCD显示器。
[0035]所述外围控制电路系统包括LED光源控制模块、磁力搅拌控制模块、水浴恒温控制模块。[〇〇36]所述数据采集电路系统通过三路模拟信号的采集、过滤和抗干扰，高精度和快速转换成数字信号。[0〇37]所述嵌入式测量与控制系统包括32位ARM cortex-m3为内核的高性能微处理器芯片。
[0038]所述样品光谱检测系统由氰酸盐含量检测、氰化物含量检测和铁离子含量检测三个光谱检测模块组成，各路模块均输出与光强成正比的电压信号。
[0039]如图3所示，所述氰酸盐含量光谱检测模块，基于氰酸根转铵根和水杨酸显色光谱分析的原理设计，所述LED光源中心波长为697nm，所述光电二极管为BP103欧司朗可见光光电二极管，其波长响应范围为:400-1100nm，所述LED发光经准直透镜a准直后作为检测光束透过样品反应检测室b，出射光速经聚焦透镜c进入光电二极管光窗，转换为与光强成正比的光电流，经信号调节电路d实现电流电压转变、放大及滤波处理，最后输出模拟电压信号，送数据采集电路系统处理。LED光源连接LED驱动电路e。
[0040]如图4所示，所述氰酸盐含量样品检测室由石英比色皿1、不锈钢水槽2组成。所述不锈钢水槽2内盛超纯水9,所述不锈钢水槽2外壁安装有热电致冷器帕尔贴3,所述不锈钢水槽2外底部安装有直流电机4,所述直流电机4轴上安装有磁铁5。
[0041] 所述石英比色皿1可随时取出更换，所述石英比色皿1内有第一磁力搅拌子6,用以搅拌样品反应体系11，提高仪器分析速度。所述不锈钢水槽2内有第二磁力搅拌子6 ’，用以加快水浴恒温的速度，所述不锈钢水槽2上密封装配有一对石英玻璃光窗7,用以通过样品检测所需平行光束8。
[0042]所述样品氰化物含量光谱检测模块技术方法与氰酸盐含量检测完全相同，所不同的氰化物含量检测模块基于异烟酸-巴比妥酸显色光谱检测原理设计，所采用的LED光源中心波长为580nm。
[0043]所述样品铁离子含量光谱检测模块技术方法也与氰酸盐含量检测完全相同，所不同的铁含量检测模块是基于邻菲啰啉显色光谱检测原理设计，所采用的LED光源中心波长为510nm〇[〇〇44] 如图5所示，所述LED光源控制模块采用TPS61042恒流LED驱动芯片。可通过PWM信号进行精确的亮度控制;输入电压范围为1.8V~6V;内置500mA、N沟道M0S管;最大静态电流为38uA;固定的开关频率1MHz;电光转换效率可达85%。
[0045]如图4所示，所述磁力搅拌控制模块、水浴恒温控制模块集成于一体，通过控制直流电机旋转，带动磁铁旋转，从而通过磁力带动检测室比色皿内搅拌子的运动，以此实现对样品反应体系11的搅拌控制。
[0046]如图4、图6所示，所述水浴恒温控制模块系统由热敏电阻、热电致温控模块TEC和集成电路芯片ADN8830组成，所述热敏电阻为MF58型玻璃封装负温度系数热敏电阻，浸入不锈钢水槽2，所述热电致温控模块TEC即帕尔贴片，具有加热和制冷作用，所述ADN8830是一款能驱动热电温控模块(TEC)的单片集成电路，其原理如图6所示，其主要利用所述负温度系数的热敏电阻作为温度传感器，将样品室水槽内的水温温度信号转化为电压信号，并将此温度一电压信号输入到温度测量放大器进行放大，与设定的目标温度一电压值进行比较，产生误差信号，经过补偿放大器进行积分放大后传到脉宽调制线性放大器(PWM)进一步放大，然后输出两组信号推动温度控制的执行驱动器M0S管，由M0S管输出的电流促使TEC进行加热或制冷，从而使样品室的温度向设定的目标温度值靠近，而所述热敏电阻再实时地将感应到的水槽水温信号传递给温度信号放大器，形成闭环监控，以根据具体应用需求精确控制样品反应体系的温度。
[0047]如图3、图7所示，以氰酸盐的检测为例，说明本发明仪器的标定和检测原理，用超纯水配制相应浓度梯度的硫酸铵标准溶液，用水杨酸显色法测量对应的吸光度A，然后以标准溶液的浓度C横坐标，以相应的吸光度A为纵坐标，利用最小二乘原理拟合出标准工作曲线，将标准工作曲线固化到嵌入式测量系统，对被测氮化盐样品溶液，先通过样品制备(即化学前处理方法)把氰酸根(CN(T)转变为铵根(NH4+)，然后用水杨酸显色法测量该样品对应的吸光度A，带入标准工作曲线即可计算出样品中铵根的含量，在由此间接计算样品中氰酸盐的含量。
[0048]所述氰化物和铁离子含量检测的标定也采用标准曲线法，所不同的是其利用标准曲线直接检测氰化物和铁离子的含量。
【主权项】
1.一种面向QPQ表面处理工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，包括样品光谱检测系统、 外围控制电路系统、数据采集电路系统、嵌入式测量与控制系统;其特征在于:所述样品光 谱检测系统包括氰酸盐含量光谱检测模块、氰化物含量光谱检测模块、铁离子含量光谱检 测模块;所述样品光谱检测系统连接数据采集电路系统，数据采集电路系统用于采集样品 光谱检测系统中的各个模块的多路模拟输出信号，转换为相应的多路数字信号;所述嵌入 式测量与控制系统通过串口连接数据采集电路系统，并依据串口协议处理样品光谱检测系 统的各路输出信号，计算氮化盐样品中氰酸盐、氰化物和铁离子三个组分的含量;所述嵌入 式测量与控制系统通过串口连接外围控制电路系统，外围控制电路系统连接样品光谱检测 系统，所述嵌入式测量与控制系统连接触控LCD显示器。2.根据权利要求1所述一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，其特征在于: 所述样品光谱检测系统、数据采集电路系统、嵌入式测量与控制系统均连接电源模块。3.根据权利要求1所述一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，其特征在于: 所述外围控制电路系统包括LED光源控制模块、磁力搅拌控制模块、水浴恒温控制模块。4.根据权利要求1所述一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，其特征在于: 所述嵌入式测量与控制系统包括32位ARM C〇rtex-m3为内核的高性能微处理器芯片。5.根据权利要求1所述一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，其特征在于: 所述氰酸盐含量光谱检测模块、氰化物含量光谱检测模块、铁离子含量光谱检测模块，每一 个光谱检测模块均包括LED光源、准直透镜(a)，样品反应检测室(b)、聚焦透镜(c)、光电二 极管(PD)，光电二极管(PD)连接信号调节电路;LED光源经准直透镜(a)准直后，作为检测 光束透过样品反应检测室(b)，出射光速经聚焦透镜(c)进入光电二极管(PD)光窗，转换为 与光强成正比的光电流，经信号调节电路(d)实现电流电压转变、放大及滤波处理，最后输 出模拟电压信号，送数据采集电路系统处理。6.根据权利要求1所述一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，其特征在于: 所述样品反应检测室(b)包括石英比色皿(1)、不锈钢水槽(2)，所述不锈钢水槽(2)内盛超 纯水(9)，所述不锈钢水槽(2)外壁安装有热电致冷器帕尔贴(3)，不锈钢水槽(2)外底部安 装有直流电机(4)，直流电机(4)轴上安装有磁铁(5);所述石英比色皿(1)内设有第一磁力搅拌子(6)，用以搅拌样品反应体系(11);所述不锈钢水槽(2)内设有第二磁力搅拌子(6’)，用以维持均匀的恒温水浴温度场。7.根据权利要求1所述一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，其特征在于: 所述不锈钢水槽(2)上密封装配有一对石英玻璃光窗(7)，用以通过样品检测所需平行光束 (8)〇8.根据权利要求3所述一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，其特征在于: 所述LED光源控制模块包括但不仅限于TPS61042恒流LED驱动芯片，用于通过PWM信号进行 精确的亮度控制。9.根据权利要求3所述一种面向QPQ工艺的氮化盐成分半自动检测仪器，其特征在于: 所述水浴恒温控制模块包括热敏电阻(10)、热电致温控模块(TEC)、集成电路芯片ADN8830， 所述热敏电阻(10)为MF58型玻璃封装负温度系数热敏电阻，浸入不锈钢水槽(2)，所述热电 致温控模块(TEC)即帕尔贴片，集成电路芯片ADN8830驱动热电致温控模块(TEC)。10.—种面向QPQ工艺的氰酸盐、氰化物和铁离子含量半自动检测方法，其特征在于:被测氮化盐取样冷却至室温后，经精确称量、再加蒸馏水定容成规定浓度范围的样品溶液后， 分别取一定体积的样品溶液与相应国家标准所述分析试剂混匀或按照规定程序转化后加 入三个对应样品光谱检测室进行检测分析；所述氰酸根离子检测则采用间接检测方法，先通过化学方法把氰酸根CN(T转变为铵根 NH4+，再依据标准GB7481 -1987:水质铵的测定水杨酸分光光度法，通过对铵离子的测定， 检测特征波长为697nm，间接实现对氰酸根离子含量的检测；所述氰根离子检测依据标准HJ484-2009:水质氰化物的测定异烟酸-巴比妥酸分光 光度法，光谱检测特征波长为600nm;所述铁离子检测依据标准HJ345-2007:水质铁的测定邻菲啰啉分光光度法，光谱检 测特征波长为510nm〇
【文档编号】G01N21/31GK105954218SQ201610482880
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】魏康林, 胡滨, 谢瑛柯, 武新, 高亮, 余四海
【申请人】魏康林