一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置及方法与流程

本发明涉及一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置及方法，具体属于金属及金属熔体中定氢技术领域。

背景技术：

氢对铝及铝合金性能的危害非常之大，因氢量过高造成的废品率约占全部铝铸件废品的一半。一般含氢量应<0.1～0.15cm³/100g用于航空航天工业等重要部件的则要求<0.05cm³/100g。氢在铝中的溶解度与其他金属相比虽不大，但在液态铝中和固态铝中的溶解度则有很大差别，可达20:1。因此，铝及其合金在凝固时由于含氢造成诸如力学性能、内部质量大为下降等许多缺陷。氢在铝中不但造成宏观缺陷，而且影响组织结构，对于强度、疲劳、韧性、耐腐、阳极氧化等一系列性能都有影响。

目前用于测定铝合金熔体中含氢量的方法己有许多，但往往存在测试精度不够，受夹杂物的影响较大，易误判；或者是精度高，但取样要求也高，测试时间长，难以用于现场检验；又或者是装置对环境要求较高，难以用于生产现场等缺陷。此外，现有的定氢测试装置以Telegas和ASCAN为代表的闭路循环法，虽为在线监测，却属间断测试，测试时间为8-10分钟。因此，研究一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置，测试时间短，能够自动测试和计算结果，显得尤为必要。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置，能够快速、准确地自动测试、自动记录和自动计算分析结果，定氢方法步骤简单。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置，由可触控屏幕、数据采集模块、中央控制器、数据储存器、测温传感器、回路电极、定氢探头和标准氢气瓶组成；所述中央控制器分别与可触控屏幕、数据采集模块和数据储存器相连，所述定氢探头分别与数据采集模块和标准氢气瓶相连，所述测温传感器和回路电极分别与数据采集模块相连。

前述用于铝及铝合金熔体中的定氢装置中，定氢探头包括固体电解质管、连接管、电极引线、进气管和排气管，所述固体电解质管开口端与连接管连接；进气管一端连接标准氢气瓶，另一端通过连接管封闭端进入连接管内，并延伸到接近固体电解质管底部内壁；排气管在连接管封闭端或者侧壁处，电极引线一端与固体电解质管底部内壁连接，另一端与数据采集模块相连接。

前述用于铝及铝合金熔体中的定氢装置中，固体电解质管为单端开口管，管的内径为4～8mm，厚度为0.8～1.2mm，长度为5～20mm。

前述用于铝及铝合金熔体中的定氢装置中，连接管为刚玉管、石英管或陶瓷管；电极引线为镍丝、不锈钢丝、铜丝、铂丝或铂铑丝。

前述用于铝及铝合金熔体中的定氢装置中，数据采集模块包括温度采集模块和电压采集模块，温度采集模块与测温传感器相连，电压采集模块分别与定氢探头和回路电极相连。

前述用于铝及铝合金熔体中的定氢装置中，可触控屏幕为电容式触控屏或电阻式触控屏；中央控制器为PLC，CPU或单片机；数据储存器为固态类存储器或磁盘类存储器。

前述用于铝及铝合金熔体中的定氢装置中，测温传感器为K型镍铬-镍硅热电偶或S型铂铑-铂热电偶；回路电极为金属陶瓷电极、钢丝、铜丝、镍丝、铂丝或铂铑丝。

一种采用前述用于铝及铝合金熔体中的定氢装置的定氢方法，包括以下步骤：

S1、先将测温传感器、回路电极和定氢探头放置于待测熔体上方低于5cm处进行预热5分钟，同时开启标准氢气瓶，控制氢气流速，作为参比电极；将预热后的测温传感器、回路电极和定氢探头插入待测熔体，开始测试；

S2、由回路电极和定氢探头组成的测氢传感器测得数据传输至数据采集模块，同时测温传感器采集温度数据传输至数据采集模块，采集的数据经数据采集模块传输至中央控制器，经中央控制器计算后得到熔体中氢含量。

前述用于铝及铝合金熔体中的定氢方法，步骤S1中，控制氢气流速5～50mL/min。

前述用于铝及铝合金熔体中的定氢方法，步骤S1中，插入待测熔体中，插入待测金属熔体深度为大于3cm。采用本发明中的插入深度范围，测量精度高。

本发明装置的工作原理是：通过标准氢气瓶向定氢探头中输入氢气作为参比电极；定氢探头插入待测熔体中，由于熔体中氢的浓度与参比电极的氢浓度不同，经定氢探头的固体电解质管将两者的氢浓度差转换为电信号，通过电极引线传输至数据采集模块；同时测温传感器采集温度数据传输至数据采集模块；数据采集模块将采集到的两种数据传输到中央控制器；中央控制器通过如下公式进行计算得到熔体中的氢含量：

式中：E为电动势，V；R为气体常数，8.314J/(mol·K)；F为法拉第常数，96500C/mol；T为绝对温度，K；为已知的参比电极标准氢分压，Pa；为铝液或铝合金中待测的氢分压，Pa。

图1是本发明一种实施例的定氢装置的结构示意图。在进行铝及铝合金熔体的定氢测试前,先点击可触控屏幕上的电源按钮,开启测试装置。在定氢装置开启后,将测温传感器、回路电极和定氢探头放置在熔体上方低于5cm处，预热5分钟。同时开启标准氢气瓶，控制氢气流速，作为参比电极。预热5分钟后，将测温传感器、回路电极和定氢探头同时插入熔体内，点击可触控屏幕上开始测试按钮，开始定氢测试。在测试过程中，熔体与参比电极的氢的浓度差会通过定氢探头转换为电信号，传输至数据采集模块中电压采集模块，同时温度数据经测温传感器采集后传输至数据采集模块中温度采集模块。数据采集模块将采集到的数据传输给中央控制器，经中央控制器计算后，将实时氢含量数据传输给可触控屏幕和数据储存器，分别用于实时显示和储存。在测试开始的10-90s内，系统将达到稳定状态，所得测试结果数据也达到稳定，此时中央控制器计算出的熔体内的氢含量即为最终结果。测试结束后，将测温传感器、回路电极和定氢探头提升离开熔体内部，并置于熔体上方低于5cm处进行冷却。点击可触控屏幕上的电源按钮，关闭测试装置。如果需要进行多次测量，则重复上述过程，其中需保证测温传感器、回路电极和定氢探头在熔体上方低于5cm，可进行下次测量。本申请装置测试过程中不用取样，直接在生产过程中测试，方便、快速、直接是本装置的优点。

图2是本发明优选采用一种实施例的定氢探头结构示意图。本发明的定氢装置中参比电极，采用的是包含有已知浓度标准氢的混合气体，其中氢气的体积浓度为：其余为高纯氩气或高纯氦气。本发明的定氢探头包括固体电解质管、连接管、电极引线、进气管和排气管，固体电解质管开口端与连接管连接；进气管一端连接标准氢气瓶，另一端通过连接管封闭端进入连接管内，并延伸到接近固体电解质管底部内壁；排气管在连接管封闭端或者侧壁处，电极引线一端与固体电解质管底部内壁连接，另一端与数据采集模块相连接。测试时，开启标准氢气瓶，标准氢气由进气管进入，由排气管流出，作为参比电极。标准氢参比电极置于定氢探头中，同熔体中氢形成浓差电池，通过固体电解质管将两者的浓度差转换成电信号，经电极引线传输给数据采集模块中的电压采集模块，方便、快捷显示测量数据，提升了测量的精确度。由回路电极和定氢探头组成的测氢传感器可实现在线、直接、快速、连续或间断检测铝和铝合金熔体中的氢，测量灵敏度达到：0.001mLH₂/100g Al。

固体电解质管材料优选采用ZL2016103258724或ZL2016103271038中的电解质，即电解质通式为CaZr_1-x-y-zIn_xSn_yY_zO_3-a(0.05≤x≤0.25，0<y≤0.25，0<z≤0.25)或BaCe_1-x-y-zIn_xSn_yY_zO_3-a(0.01≤x≤0.25，0<y≤0.25，0<z≤0.25)。可以有效提升电导率，化学稳定性好，还具有优良的力学性能和热稳定性能，从而保障装置测试的准确性，延长装置的使用寿命。

本发明的定氢装置的测量范围为0～1.0mL/100gAl。

本发明的有益之处在于：本发明提供一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置，具有自动测试、自动记录和自动分析计算结果功能，能够减少了测试中的人员操作失误及提高了测试结果的准确性。可以实现实时记录，实时显示，测量结果更加精确。本发明的定氢装置，测试时间短，测试精度高，简单易操作。本发明的定氢方法步骤简单，测试结果高效、准确。

附图说明

图1是本发明一种实施例的定氢装置的结构示意图；

图2是本发明一种实施例的定氢探头结构示意图；

图中附图标记的含义：图1：1-可触控屏幕，2-数据采集模块，3-中央控制器，4-数据储存器，5-测温传感器，6-回路电极，7-定氢探头，8-标准氢气瓶,21-温度采集模块,22-电压采集模块；图2：71-固体电解质管，72-连接管，73-电极引线，74-进气管，75-排气管。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的介绍。

实施例1

一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置，由可触控屏幕1、数据采集模块2、中央控制器3、数据储存器4、测温传感器5、回路电极6、定氢探头7和标准氢气瓶8组成；所述中央控制器3分别与可触控屏幕1、数据采集模块2和数据储存器4相连，所述定氢探头7分别与数据采集模块2和标准氢气瓶8相连，所述测温传感器5和回路电极6分别与数据采集模块2相连。

实施例2

一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置，由可触控屏幕1、数据采集模块2、中央控制器3、数据储存器4、测温传感器5、回路电极6、定氢探头7和标准氢气瓶8组成；所述中央控制器3分别与可触控屏幕1、数据采集模块2和数据储存器4相连，所述定氢探头7分别与数据采集模块2和标准氢气瓶8相连，所述测温传感器5和回路电极6分别与数据采集模块2相连。其中，数据采集模块2包括温度采集模块21和电压采集模块22，温度采集模块21与测温传感器5相连，电压采集模块22分别与定氢探头7和回路电极6相连。

实施例3

如图1所示，一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置，由可触控屏幕1、数据采集模块2、中央控制器3、数据储存器4、测温传感器5、回路电极6、定氢探头7和标准氢气瓶8组成；所述中央控制器3分别与可触控屏幕1、数据采集模块2和数据储存器4相连，所述定氢探头7分别与数据采集模块2和标准氢气瓶8相连，所述测温传感器5和回路电极6分别与数据采集模块2相连。其中，数据采集模块2包括温度采集模块21和电压采集模块22，温度采集模块21与测温传感器5相连，电压采集模块22分别与定氢探头7和回路电极6相连。中央控制器3为PLC；数据储存器4为固态类存储器；可触控屏幕1为电容式触控屏；回路电极6为铜丝。测温传感器5为K型镍铬-镍硅热电偶。

实施例4

如图1所示，一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置，由可触控屏幕1、数据采集模块2、中央控制器3、数据储存器4、测温传感器5、回路电极6、定氢探头7和标准氢气瓶8组成；所述中央控制器3分别与可触控屏幕1、数据采集模块2和数据储存器4相连，所述定氢探头7分别与数据采集模块2和标准氢气瓶8相连，所述测温传感器5和回路电极6分别与数据采集模块2相连。其中，数据采集模块2包括温度采集模块21和电压采集模块22，温度采集模块21与测温传感器5相连，电压采集模块22分别与定氢探头7和回路电极6相连。中央控制器3为PLC；数据储存器4为固态类存储器；可触控屏幕1为电容式触控屏；回路电极6为铜丝。测温传感器5为K型镍铬-镍硅热电偶。

如图2所示，定氢探头7包括固体电解质管71、连接管72、电极引线73、进气管74和排气管75，所述固体电解质管71开口端与连接管72连接；进气管74一端连接标准氢气瓶8，另一端通过连接管72封闭端进入连接管72内，并延伸到接近固体电解质管71底部内壁；排气管75在连接管72封闭端或者侧壁处，电极引线73一端与固体电解质管71底部内壁连接，另一端与数据采集模块2相连接。固体电解质管71为单端开口管，管的内径为4mm，厚度为0.8mm，长度为5mm。连接管72为刚玉管。电极引线73为镍丝。

实施例5

如图1所示，一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置，由可触控屏幕1、数据采集模块2、中央控制器3、数据储存器4、测温传感器5、回路电极6、定氢探头7和标准氢气瓶8组成；所述中央控制器3分别与可触控屏幕1、数据采集模块2和数据储存器4相连，所述定氢探头7分别与数据采集模块2和标准氢气瓶8相连，所述测温传感器5和回路电极6分别与数据采集模块2相连。其中，数据采集模块2包括温度采集模块21和电压采集模块22，温度采集模块21与测温传感器5相连，电压采集模块22分别与定氢探头7和回路电极6相连。中央控制器3为CPU；数据储存器4为磁盘类存储器；可触控屏幕1为电阻式触控屏；回路电极6为金属陶瓷电极。测温传感器5为S型铂铑-铂热电偶。

如图2所示，定氢探头7包括固体电解质管71、连接管72、电极引线73、进气管74和排气管75，所述固体电解质管71开口端与连接管72连接；进气管74一端连接标准氢气瓶8，另一端通过连接管72封闭端进入连接管72内，并延伸到接近固体电解质管71底部内壁；排气管75在连接管72封闭端或者侧壁处，电极引线73一端与固体电解质管71底部内壁连接，另一端与数据采集模块2相连接。固体电解质管71为单端开口管，管的内径为8mm，厚度为1.2mm，长度为20mm。连接管72为石英管。电极引线73为不锈钢丝。

实施例6

如图1所示，一种用于铝及铝合金熔体中的定氢装置，由可触控屏幕1、数据采集模块2、中央控制器3、数据储存器4、测温传感器5、回路电极6、定氢探头7和标准氢气瓶8组成；所述中央控制器3分别与可触控屏幕1、数据采集模块2和数据储存器4相连，所述定氢探头7分别与数据采集模块2和标准氢气瓶8相连，所述测温传感器5和回路电极6分别与数据采集模块2相连。其中，数据采集模块2包括温度采集模块21和电压采集模块22，温度采集模块21与测温传感器5相连，电压采集模块22分别与定氢探头7和回路电极6相连。中央控制器3为单片机；数据储存器4为固态类存储器；可触控屏幕1为电容式触控屏；回路电极6为钢丝。测温传感器5为K型镍铬-镍硅热电偶。

如图2所示，定氢探头7包括固体电解质管71、连接管72、电极引线73、进气管74和排气管75，所述固体电解质管71开口端与连接管72连接；进气管74一端连接标准氢气瓶8，另一端通过连接管72封闭端进入连接管72内，并延伸到接近固体电解质管71底部内壁；排气管75在连接管72封闭端或者侧壁处，电极引线73一端与固体电解质管71底部内壁连接，另一端与数据采集模块2相连接。固体电解质管71为单端开口管，管的内径为6mm，厚度为1.0mm，长度为12mm。连接管72为陶瓷管。电极引线73为铜丝。

实施例1-6中回路电极6还可采用镍丝、铂丝或铂铑丝，固体电解质管71的材质优选采用ZL2016103258724或ZL2016103271038中的电解质，即电解质通式为CaZr_1-x-y-zIn_xSn_yY_zO_3-a(0.05≤x≤0.25，0<y≤0.25，0<z≤0.25)或BaCe_1-x-y-zIn_xSn_yY_zO_3-a(0.01≤x≤0.25，0<y≤0.25，0<z≤0.25)。电极引线73还可采用铂丝或铂铑丝。

工作过程：在进行铝及铝合金熔体的定氢测试前,先点击可触控屏幕1上的电源按钮,开启测试装置。在定氢装置开启后,将测温传感器5、回路电极6和定氢探头7放置在熔体上方低于5cm处，预热5分钟。同时开启标准氢气瓶8，标准氢气由进气管74进入，由排气管75流出，控制氢气流速，作为参比电极。预热5分钟后，将测温传感器5、回路电极6和定氢探头7同时插入熔体内，点击可触控屏幕1上开始测试按钮，开始定氢测试。在测试过程中，熔体与参比电极的氢形成浓度差，通过固体电解质管71将两者的浓度差转换成电信号，经电极引线73传输给数据采集模块2中的电压采集模块22，同时温度数据经测温传感器5采集后传输至数据采集模块2中温度采集模块21。数据采集模块2将采集到的数据传输给中央控制器3，经中央控制器3计算后，将实时氢含量数据传输给可触控屏幕1和数据储存器4，分别用于实时显示和储存。在测试开始的10-90s内，系统将达到稳定状态，所得测试结果数据也达到稳定，此时中央控制器3计算出的熔体内的氢含量即为最终结果。测试结束后，将测温传感器5、回路电极6和定氢探头7提升离开熔体内部，并置于熔体上方低于5cm处进行冷却。点击可触控屏幕1上的电源按钮，关闭测试装置。如果需要进行多次测量，则重复上述过程，其中需保证测温传感器5、回路电极6和定氢探头7在熔体表面低于5cm处，可进行下次测量。

实施例7-9是采用实施例1-6中的用于铝及铝合金熔体中的定氢装置进行定氢测试的方法。

实施例7

一种用于铝及铝合金熔体中的定氢方法，包括以下步骤：

S1、先将测温传感器5、回路电极6和定氢探头7放置于待测熔体上方低于5cm处进行预热5分钟；同时开启标准氢气瓶8，控制氢气流速为5mL/min，作为参比电极；将预热后的测温传感器5、回路电极6和定氢探头7插入待测熔体，插入待测金属熔体深度为大于3cm，开始测试；

S2、由回路电极6和定氢探头7组成的测氢传感器采集数据传输至数据采集模块2，同时测温传感器5采集温度数据传输至数据采集模块2，采集的数据经数据采集模块2传输至中央控制器3，经中央控制器3计算后得到熔体中氢含量。

实施例8

一种用于铝及铝合金熔体中的定氢方法，包括以下步骤：

S1、先将测温传感器5、回路电极6和定氢探头7放置于待测熔体上方低于5cm处进行预热5分钟；同时开启标准氢气瓶8，控制氢气流速为50mL/min，作为参比电极；将预热后的测温传感器5、回路电极6和定氢探头7插入待测熔体，插入待测金属熔体深度为大于3cm，开始测试；

S2、由回路电极6和定氢探头7组成的测氢传感器采集数据传输至数据采集模块2，同时测温传感器5采集温度数据传输至数据采集模块2，采集的数据经数据采集模块2传输至中央控制器3，经中央控制器3计算后得到熔体中氢含量。

实施例9

一种用于铝及铝合金熔体中的定氢方法，包括以下步骤：

S1、先将测温传感器5、回路电极6和定氢探头7放置于待测熔体上方低于5cm处进行预热5分钟；同时开启标准氢气瓶8，控制氢气流速为25mL/min，作为参比电极；将预热后的测温传感器5、回路电极6和定氢探头7插入待测熔体，插入待测金属熔体深度为大于3cm，开始测试；

S2、由回路电极6和定氢探头7组成的测氢传感器采集数据传输至数据采集模块2，同时测温传感器5采集温度数据传输至数据采集模块2，采集的数据经数据采集模块2传输至中央控制器3，经中央控制器3通过如下公式进行计算得到熔体中的氢含量：

式中：E为电动势，V；R为气体常数，8.314J/(mol·K)；F为法拉第常数，96500C/mol；T为绝对温度，K；为已知的参比电极标准氢分压，Pa；为铝液或铝合金中待测的氢分压，Pa。