金属纯度智能检测装置的研究

　　摘要 对于金属元素来说 纯度的改变会影响金属特性。当对一些金属进行纯度检测或者判断它的杂质含量时 不准确的检测结果也会直接影响对这些金属的性能评价 因此研究了一种金属纯度智能检测装置。用电极电导法测量金属 - 有机溶剂二元溶液体系 在恒流的情况下测量不同金属在浸溶液状态下的电压情况 采用 Visual Basic 编程语言设计软件 通过串行通信方式对电压和实时温度数据进行采集对比电压数据曲线从而判断金属的纯度。经过实验测试表明 根据电压曲线区分金属、分析金属纯度的方法是可行的 所提出的分辨金属及检测金属纯度的方法实现了金属纯度检测的智能化、可视化。

　　关键词 智能检测 纯度识别 电极电导 金属纯度 串行通信

　　金属在人们的日常生活中是重要的物质资源。纯金属元素还可以制作一些合金或高纯金属片、金属棒并在工业上得到应用。高纯金属是电子工业、宇航、通信及高科技尖端产业中的重要基础材料。随着科技的发展 纯金属的需求量越来越大 产量越来越多 然而一些商家在纯金属制造环节混合掺杂以获取更多的利润 出现了金属纯度不足的问题。到目前为止 许多金属特性方面的研究为金属纯度的检测奠定了基础 这些研究使用的方法多种多样 例如用电极电导法测量金属盐溶液的电导率 1 、对金属复合材料通电来研究其特性 2 等 同时也有了许多金属纯度检测技术 3 。在检测数据采集方面 国外对数据在线采集系统的研究比较丰富。

　　例如在一种温度在线监测系统的研究 4中 采用光纤将温度传感器采集的数据传输给温度在线监测系统 通过 RS485 串口完成温度在线监测系统与计算机的通信 并已将该系统用于电力变压器的温度在线监测。针对现有的金属纯度检测方法检测准确率低、受人为因素影响较大等问题 5 笔者研究了超稳定恒流源金属检测装置 使用电压、温度传感器将实时检测数据发送到主控电路板 采用串行通信方式接收检测数据并以图像的形式显示在 PC 端 通过操作PC 端实现对检测过程的控制 从而可以便捷、智能、快速、有效地检测金属纯度。以规则体积的金属铜和铝为例进行试验 结果表明所研制的装置可以有效识别铜和铝并且得出纯度 实现了数据的采集与上传 同时也可以实现对其他金属的纯度检测。

　　1 总体设计

　　1. 1 设备组成

　　金属纯度智能检测装置总体由 3 个部分组成 分别是检测部分、采集部分、控制部分。检测部分包括两个放置金属待测物的水槽和正负极电极片 采集部分由电压传感器和热电偶进行电压的感知和温度的测量 并由 PC 端完成对数据的采集和上传 控制部分电路主板通过自身集成的 I/O 接口接收电压传感器和热电偶的输入信号 通过通信接口与 PC 端进行通信 PC 端与云服务器连接 终端采集数据被存放在云端。

　　1. 2 工作原理

　　金属纯度智能检测装置基于物联网的三层基本架构 6 - 7 分别为控制层、感知层和应用层 输入电源为220 V 交流电。控制层的主控电路板集成了电压传感器、热电偶模块、电流的输出端口 以及通信接口。感知层包括电压传感器、热电偶。应用层对感知层采集的数据进行处理。首先 PC 端通过通信接口向控制层主控电路板发送信号来控制检测部分和采集部分 主控电路板接收到信号后 输出 0 ～ 2 mA 恒定电流到金属检测部分的水槽 1 和水槽 2。

　　其次 对于每个水槽感知层的电压传感器和热电偶分别采集金属两端的电压和水温 通 过 输 入 端 口 输 入 到 CPU 主 控 电 路 板CPU 接收到传感器采集的数据信息后 将数据通过通信接口反馈给 PC 端 PC 端将这些信息存储在数据库中并上传到云端 同时通过编程软件将数据以图像的形式呈现出来方便进行比对。数据库中的数据将作为比对时的参考值 云服务器可以对整个装置进行实时监控 8 。

　　1. 3 检测方法设计

　　目前 常用的检测方法有以下 3 种 ① 当有标准金属做参考时 比较被测金属和标准金属在相同检测环境下的电压曲线偏差 ② 当没有标准金属时 以数据库中的数据为参考 比对在相同温度、相同电流下待测金属电压数据与数据库中该金属电压数据的差距③ 当数据库中没有可以参考的数据时 被检测金属自建标准曲线 将两个待测金属的实时测量数据进行比对。若两个待测金属的数据贴近 那么两个待测金属都合格 如果两个待测金属数据差距较大 那么分别与其他待测金属进行比较。最后将合格的数据在数据库中记录 并上传到云端。

　　2 硬件设计

　　2. 1 控制模块设计

　　主控电路板是整个装置的核心模块 检测模块和PC 端通过主控电路板进行数据通信。它集成了 CPU、电源、电压传感器、热电偶、I/O 单元、串口模块等。主要完成的工作有 主控电路板控制电流输入到检测装置 通过 RS232 串口、USB 接口和以太网接口这 3 种通信接口与 PC 端连接 完成数据通信并对采集到的电压、温度数据进行处理。当采用以太网接口进行数据传输时 根据网络协议发送数据包。

　　2. 2 采集模块设计

　　主控电路板上添加了电压传感器和热电偶模块 9 。电压传感器感知到被测金属的电压信号后 利用内部的模数转换器将电压模拟信号转换成方便传输的数字信号 发送给主控电路板。热电偶通过测量由自身的温度梯度形成的热电动势来得到被测金属所在水槽的水温 并将水温数据传送给主控电路板 10 。主控电路板与 PC 端控制程序通过 RS232 串口进行通信 将采集到的数据传输到 PC 端 PC 端采用串行通信方式对数据进行处理 在显示屏幕上显示电压传感器单元采集到的两个金属的实时电压数据和热电偶单元传输的两个水槽中水的温度数据。

　　2. 3 测量模块设计

　　测量模块由 2 个水槽、2 对电极片、金属待测物组成。控制主板与水槽连接 接收数据 通过 RS232 串口和 PC 端的 USB 接口实现串行通信。利用标准待测金属或数据库中的数据 根据 3 种测量方法进行检测。

　　3 软件设计

　　3. 1 软件结构设计

　　金属纯度智能检测装置采用分布式模块化设计总体架构 实现了各个模块之间的协同运行 实现了电压信号和温度信号的采集、变换、存储和监控。在本设计中采用 Visual Basic + SQL Server 为整体架构 结合串口通信技术开发出电压采集上位机系统。该系统包括数据库读写模块、数据参数采集模块、电压曲线显示模块、串口通信模块、历史数据查询模块、用户管理模块和系统帮助模块。

　　3. 2 模块功能设计

　　软件主界面分为数据参数采集区、检测数据分析区、曲线显示区 还有参数设置、用户管理、故障报警、查询打印、系统帮助等功能按钮。其中 两个参数采集区分别显示两个水槽检测过程中的电流电压数据、溶液温度、电路状态 检测数据分析区提供了检测过程中两条曲线电压数据的最大差值、最小差值、平均差值和实时电流与设定电流之间的差值、两个水槽的溶液温度之差 曲线显示区根据下位机发来的数据动态更新电压数据并显示不同颜色的两条曲线 分别表示标准金属电压数据随电流变化的检测曲线和被测金属电压数据随电流变化的检测曲线。

　　“参数设置”按钮用来设置电流的自动取值间隔 还可以对电流大小进行调节。“用户管理”按钮可供用户进行登录操作和完成用户信息的更新与删除 通过数据库读写模块可以完成历史数据的查询、更新、删除。“系统帮助”按钮为用户提供了系统的操作方法和指导 帮助用户学会使用系统软件。

　　3. 3 通信指令设计

　　用户在对 PC 端屏幕按钮进行操作时 这些操作会转换成指令 主控电路板针对不同的指令做出不同的反馈。通过发送指令申请反馈电流电压数据、申请修改检测电流数据。

　　3. 4 串行通信设计

　　主控电路板与计算机间通过数据信号线按位发送或接收字节数据 7 。计算机的 USB 接口与 RS232 串口连接 采用半双工模式与控制主板进行串行通信。串口在发送读取指令和设置指令时需要调用延时指令 停止数据的读取。计算机编程软件接口采用 MSComm 控件。为了达到实时数据采集 10 的目的 避免因为接收缓冲区的大小限制产生溢出而导致接收数据不完整 造成数据读取的失败 串口接收数据的方式采用事件驱动方式。当接收到事件驱动时 将 Input 获取到的字符赋值到临时变量 S 中 并判断是否是起始字符 将临时变量 S数据累加保存到 SS 中 在接收到结束字符后对 SS 中的数据进行进一步转换处理。根据通信指令的设计区分接收到的数据中每位数据位 并将实时电压、电流、温度数据显示在 PC 端。

　　4 智能检测技术

　　4. 1 串口通信协议

　　两个端口进行通信时 端口的波特率、数据位、停止位和奇偶校验位要保持一致。当数据从 CPU 经过串行端口发送出去时 字节数据转换为串行的位数据在接收数据时 串行的位数据被转换为字节数据。在金属纯度智能检测装置中 通过 PC 端应用程序接收主控电路板反馈的串口通信数据并显示。PC 端应用程序要使用串口进行通信时 必须在使用之前向操作系统申请资源打开串口 在通信完成后关闭串口。

　　5 实验检测

　　5. 1 同种金属实验数据对比

　　根据 PC 端呈现的实验数据曲线 同种金属的曲线基本吻合 选取 0. 6 ～ 1. 2 mA 电流区间的电压数据进行分析 不同铜块偏差不超过 2% 不同铝块偏差不超过 1% 。

　　6 结束语

　　随着纯金属需求量的增加 纯金属的产量越来越大 为了避免一些商家在纯金属制造环节混合掺杂导致金属纯度不够 设计了金属纯度智能检测装置。它包括了 PC 端、金属检测端、控制电路主板这 3 个主要部分 提供了 3 种检测金属纯度的方法 通过实验验证了该方法的可行性 通过检测多种金属 保存金属的数据曲线 从而可以建立各种金属的数据库 方便对更多的金属进行检测。利用 Visual Basic 编程设计软件将控制功能、调度策略集成在 PC 端的面板上 实现了金属纯度检测过程的智能化、可视化 具有高效性、便携性、实时性、可操作性。

　　参考文献

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　　作者：王 兴1 高 菲1* 白 雪2 李彩霞1 崔志强1 董 佳3

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