本文摘要：摘要 對于金屬元素來說 純度的改變會影響金屬特性。當對一些金屬進行純度檢測或者判斷它的雜質含量時 不準確的檢測結果也會直接影響對這些金屬的性能評價 因此研究了一種金屬純度智能檢測裝置。用電極電導法測量金屬 - 有機溶劑二元溶液體系 在恒流的情況下測量不同金
摘要 對于金屬元素來說 純度的改變會影響金屬特性。當對一些金屬進行純度檢測或者判斷它的雜質含量時 不準確的檢測結果也會直接影響對這些金屬的性能評價 因此研究了一種金屬純度智能檢測裝置。用電極電導法測量金屬 - 有機溶劑二元溶液體系 在恒流的情況下測量不同金屬在浸溶液狀態下的電壓情況 采用 Visual Basic 編程語言設計軟件 通過串行通信方式對電壓和實時溫度數據進行采集對比電壓數據曲線從而判斷金屬的純度。經過實驗測試表明 根據電壓曲線區分金屬、分析金屬純度的方法是可行的 所提出的分辨金屬及檢測金屬純度的方法實現了金屬純度檢測的智能化、可視化。
關鍵詞 智能檢測 純度識別 電極電導 金屬純度 串行通信
金屬在人們的日常生活中是重要的物質資源。純金屬元素還可以制作一些合金或高純金屬片、金屬棒并在工業上得到應用。高純金屬是電子工業、宇航、通信及高科技尖端產業中的重要基礎材料。隨著科技的發展 純金屬的需求量越來越大 產量越來越多 然而一些商家在純金屬制造環節混合摻雜以獲取更多的利潤 出現了金屬純度不足的問題。到目前為止 許多金屬特性方面的研究為金屬純度的檢測奠定了基礎 這些研究使用的方法多種多樣 例如用電極電導法測量金屬鹽溶液的電導率 1 、對金屬復合材料通電來研究其特性 2 等 同時也有了許多金屬純度檢測技術 3 。在檢測數據采集方面 國外對數據在線采集系統的研究比較豐富。
例如在一種溫度在線監測系統的研究 4中 采用光纖將溫度傳感器采集的數據傳輸給溫度在線監測系統 通過 RS485 串口完成溫度在線監測系統與計算機的通信 并已將該系統用于電力變壓器的溫度在線監測。針對現有的金屬純度檢測方法檢測準確率低、受人為因素影響較大等問題 5 筆者研究了超穩定恒流源金屬檢測裝置 使用電壓、溫度傳感器將實時檢測數據發送到主控電路板 采用串行通信方式接收檢測數據并以圖像的形式顯示在 PC 端 通過操作PC 端實現對檢測過程的控制 從而可以便捷、智能、快速、有效地檢測金屬純度。以規則體積的金屬銅和鋁為例進行試驗 結果表明所研制的裝置可以有效識別銅和鋁并且得出純度 實現了數據的采集與上傳 同時也可以實現對其他金屬的純度檢測。
1 總體設計
1. 1 設備組成
金屬純度智能檢測裝置總體由 3 個部分組成 分別是檢測部分、采集部分、控制部分。檢測部分包括兩個放置金屬待測物的水槽和正負極電極片 采集部分由電壓傳感器和熱電偶進行電壓的感知和溫度的測量 并由 PC 端完成對數據的采集和上傳 控制部分電路主板通過自身集成的 I/O 接口接收電壓傳感器和熱電偶的輸入信號 通過通信接口與 PC 端進行通信 PC 端與云服務器連接 終端采集數據被存放在云端。
1. 2 工作原理
金屬純度智能檢測裝置基于物聯網的三層基本架構 6 - 7 分別為控制層、感知層和應用層 輸入電源為220 V 交流電�？刂茖拥闹骺仉娐钒寮闪穗妷簜鞲衅鳌犭娕寄K、電流的輸出端口 以及通信接口。感知層包括電壓傳感器、熱電偶。應用層對感知層采集的數據進行處理。首先 PC 端通過通信接口向控制層主控電路板發送信號來控制檢測部分和采集部分 主控電路板接收到信號后 輸出 0 ～ 2 mA 恒定電流到金屬檢測部分的水槽 1 和水槽 2。
其次 對于每個水槽感知層的電壓傳感器和熱電偶分別采集金屬兩端的電壓和水溫 通 過 輸 入 端 口 輸 入 到 CPU 主 控 電 路 板CPU 接收到傳感器采集的數據信息后 將數據通過通信接口反饋給 PC 端 PC 端將這些信息存儲在數據庫中并上傳到云端 同時通過編程軟件將數據以圖像的形式呈現出來方便進行比對。數據庫中的數據將作為比對時的參考值 云服務器可以對整個裝置進行實時監控 8 。
1. 3 檢測方法設計
目前 常用的檢測方法有以下 3 種 ① 當有標準金屬做參考時 比較被測金屬和標準金屬在相同檢測環境下的電壓曲線偏差 ② 當沒有標準金屬時 以數據庫中的數據為參考 比對在相同溫度、相同電流下待測金屬電壓數據與數據庫中該金屬電壓數據的差距③ 當數據庫中沒有可以參考的數據時 被檢測金屬自建標準曲線 將兩個待測金屬的實時測量數據進行比對。若兩個待測金屬的數據貼近 那么兩個待測金屬都合格 如果兩個待測金屬數據差距較大 那么分別與其他待測金屬進行比較。最后將合格的數據在數據庫中記錄 并上傳到云端。
2 硬件設計
2. 1 控制模塊設計
主控電路板是整個裝置的核心模塊 檢測模塊和PC 端通過主控電路板進行數據通信。它集成了 CPU、電源、電壓傳感器、熱電偶、I/O 單元、串口模塊等。主要完成的工作有 主控電路板控制電流輸入到檢測裝置 通過 RS232 串口、USB 接口和以太網接口這 3 種通信接口與 PC 端連接 完成數據通信并對采集到的電壓、溫度數據進行處理。當采用以太網接口進行數據傳輸時 根據網絡協議發送數據包。
2. 2 采集模塊設計
主控電路板上添加了電壓傳感器和熱電偶模塊 9 。電壓傳感器感知到被測金屬的電壓信號后 利用內部的模數轉換器將電壓模擬信號轉換成方便傳輸的數字信號 發送給主控電路板。熱電偶通過測量由自身的溫度梯度形成的熱電動勢來得到被測金屬所在水槽的水溫 并將水溫數據傳送給主控電路板 10 。主控電路板與 PC 端控制程序通過 RS232 串口進行通信 將采集到的數據傳輸到 PC 端 PC 端采用串行通信方式對數據進行處理 在顯示屏幕上顯示電壓傳感器單元采集到的兩個金屬的實時電壓數據和熱電偶單元傳輸的兩個水槽中水的溫度數據。
2. 3 測量模塊設計
測量模塊由 2 個水槽、2 對電極片、金屬待測物組成。控制主板與水槽連接 接收數據 通過 RS232 串口和 PC 端的 USB 接口實現串行通信。利用標準待測金屬或數據庫中的數據 根據 3 種測量方法進行檢測。
3 軟件設計
3. 1 軟件結構設計
金屬純度智能檢測裝置采用分布式模塊化設計總體架構 實現了各個模塊之間的協同運行 實現了電壓信號和溫度信號的采集、變換、存儲和監控。在本設計中采用 Visual Basic + SQL Server 為整體架構 結合串口通信技術開發出電壓采集上位機系統。該系統包括數據庫讀寫模塊、數據參數采集模塊、電壓曲線顯示模塊、串口通信模塊、歷史數據查詢模塊、用戶管理模塊和系統幫助模塊。
3. 2 模塊功能設計
軟件主界面分為數據參數采集區、檢測數據分析區、曲線顯示區 還有參數設置、用戶管理、故障報警、查詢打印、系統幫助等功能按鈕。其中 兩個參數采集區分別顯示兩個水槽檢測過程中的電流電壓數據、溶液溫度、電路狀態 檢測數據分析區提供了檢測過程中兩條曲線電壓數據的最大差值、最小差值、平均差值和實時電流與設定電流之間的差值、兩個水槽的溶液溫度之差 曲線顯示區根據下位機發來的數據動態更新電壓數據并顯示不同顏色的兩條曲線 分別表示標準金屬電壓數據隨電流變化的檢測曲線和被測金屬電壓數據隨電流變化的檢測曲線。
“參數設置”按鈕用來設置電流的自動取值間隔 還可以對電流大小進行調節。“用戶管理”按鈕可供用戶進行登錄操作和完成用戶信息的更新與刪除 通過數據庫讀寫模塊可以完成歷史數據的查詢、更新、刪除。“系統幫助”按鈕為用戶提供了系統的操作方法和指導 幫助用戶學會使用系統軟件。
3. 3 通信指令設計
用戶在對 PC 端屏幕按鈕進行操作時 這些操作會轉換成指令 主控電路板針對不同的指令做出不同的反饋。通過發送指令申請反饋電流電壓數據、申請修改檢測電流數據。
3. 4 串行通信設計
主控電路板與計算機間通過數據信號線按位發送或接收字節數據 7 。計算機的 USB 接口與 RS232 串口連接 采用半雙工模式與控制主板進行串行通信。串口在發送讀取指令和設置指令時需要調用延時指令 停止數據的讀取。計算機編程軟件接口采用 MSComm 控件。為了達到實時數據采集 10 的目的 避免因為接收緩沖區的大小限制產生溢出而導致接收數據不完整 造成數據讀取的失敗 串口接收數據的方式采用事件驅動方式。當接收到事件驅動時 將 Input 獲取到的字符賦值到臨時變量 S 中 并判斷是否是起始字符 將臨時變量 S數據累加保存到 SS 中 在接收到結束字符后對 SS 中的數據進行進一步轉換處理。根據通信指令的設計區分接收到的數據中每位數據位 并將實時電壓、電流、溫度數據顯示在 PC 端。
4 智能檢測技術
4. 1 串口通信協議
兩個端口進行通信時 端口的波特率、數據位、停止位和奇偶校驗位要保持一致。當數據從 CPU 經過串行端口發送出去時 字節數據轉換為串行的位數據在接收數據時 串行的位數據被轉換為字節數據。在金屬純度智能檢測裝置中 通過 PC 端應用程序接收主控電路板反饋的串口通信數據并顯示。PC 端應用程序要使用串口進行通信時 必須在使用之前向操作系統申請資源打開串口 在通信完成后關閉串口。
5 實驗檢測
5. 1 同種金屬實驗數據對比
根據 PC 端呈現的實驗數據曲線 同種金屬的曲線基本吻合 選取 0. 6 ～ 1. 2 mA 電流區間的電壓數據進行分析 不同銅塊偏差不超過 2% 不同鋁塊偏差不超過 1% 。
6 結束語
隨著純金屬需求量的增加 純金屬的產量越來越大 為了避免一些商家在純金屬制造環節混合摻雜導致金屬純度不夠 設計了金屬純度智能檢測裝置。它包括了 PC 端、金屬檢測端、控制電路主板這 3 個主要部分 提供了 3 種檢測金屬純度的方法 通過實驗驗證了該方法的可行性 通過檢測多種金屬 保存金屬的數據曲線 從而可以建立各種金屬的數據庫 方便對更多的金屬進行檢測。利用 Visual Basic 編程設計軟件將控制功能、調度策略集成在 PC 端的面板上 實現了金屬純度檢測過程的智能化、可視化 具有高效性、便攜性、實時性、可操作性。
參考文獻
1 劉國平 王渠東 蔣海燕. 銅/鋁雙金屬復合材料研究新進展 J . 材料導報 2020 34 7) : 7115 - 7122.LIU G P WANG Q D JIANG H Y. New research progresson copper/aluminum bimetallic composites J . MaterialsReports 2020 34 7) : 7115 - 7122 in Chinese .
2 陳紅亮 閆文吉. 一種多通道多功能數據采集系統的設計與實現 J . 測控技術 2020 39 10) : 47 - 51.CHEN H L YAN W J. Design and implementation of amulti-channel and multi-functional data acquisition systemJ . Measurement & Control Technology 2020 39 10) :47 - 51 in Chinese .
3 劉歡. 金屬鹽 - 有機溶劑 - 水體系電導率研究 D . 大連 大連理工大學 2017.
LIU H. Study of conductivity of metal salt-organic solventwatersystems D . Dalian Dalian University of Technology2017 in Chinese .
4 KUNICKI M BORUCKI S ZMARZLY D et al. Data acquisitionsystem for on-line temperature monitoring in powertransformers J . Measurement 2020 161 107909.
5 方衛 李世宇 任傳婷 等. 純貴金屬產品及其檢測技術標準發展歷史和現狀 J . 冶金分析 2020 40 4) : 15 -22.FANG W LI S Y REN C T et al. Development history andcurrent situation of pure precious metal products and theirtesting technical standards J . Metallurgical Analysis2020 40 4) : 15 - 22 in Chinese .
6 江渝川 何國斌. 基于物聯網的聯合智能控制系統設計J . 現代電子技術 2018 41 18) : 84 - 87.JIANG Y C HE G B. Design of joint intelligent control systembased on IoT J . Modern Electronics Technique2018 41 18) : 84 - 87 in Chinese .
7 CHEN H R LOU Z SHEN G Z. An integrated flexible multifunctionalsensing system for simultaneous monitoring ofenvironment signals J . Science China Materials 202063 12) : 2560 - 2569.
作者：王 興1 高 菲1* 白 雪2 李彩霞1 崔志強1 董 佳3
轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.cnzjbx.cn/jjlw/29877.html
