CN102213670A - 一种镁合金熔液含氢量实时检测的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像识别的镁合金熔液含氢量实时检测方法及其装置。该检测方法融入实时图像处理技术，通过建立含氢量数学模型并结合PLC控制算法，实现镁合金熔液含氢量快速精确检测。实现该检测方法的装置由真空系统，实时图像处理系统和PLC微处理系统三部分构成。该装置的优点在于：(1)PLC微处理系统及真空系统保证了含氢量检测的快速性；(2)实时图像处理系统对第一气泡析出精确识别提高了含氢量检测的精确度。正因为该检测装置具有快速和高精确度的特点，从而可以实现实时检测镁合金熔液含氢量的目的。

Description

一种镁合金熔液含氢量实时检测的方法及其装置

技术领域

本发明属于有色冶金熔炼行业中的金属液态含气量检测领域，具体涉及镁合金熔液含氢量的检测方法及其装置。

背景技术

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、减振性和散热性好等优点，在汽车、通讯设备和电子行业中得到了日益广泛的应用。但镁合金铸件中显微气孔的存在，严重地影响镁合金的力学性能，如抗拉强度、屈服强度、延伸率等。显微气孔的形成完全是H2析出起了主要作用。因此，必须严格控制镁合金熔液的含氢量。而要控制镁合金熔液含氢量，就必须有相应的检测方法。

镁合金熔液含氢量的检测方法大体上可分为二类：取样法和直接测定法。取样法是先用镁合金熔液浇注成固态样品，然后从镁样品中抽真空萃取氢，再将萃取的氢气在气相色谱仪中分析从而确定氢含量的检测方法，如真空萃取法等。真空萃取法是测定金属中气体含量的经典方法。它不仅能测定镁中的氢，而且也能测定铝和钢铁中的含氢量。真空萃取法测试精确，数据可靠，但真空萃取法非常耗时，且需要有经验的操作员。样品准备和抽取需要至少5小时，设备的维护也比较困难。直接测定法是在镁合金熔液中直接测量含氢量，这里引入一个主要的方法，即氢分离法。氢分离法开始于Lauritzen和Bakke，后来被Mikucki和Shearhouse改进，利用改进的装置研究了溶解氢与镁合金铸件显微气孔之间的关系。镁合金熔液中含氢量在15-60ppm之间其重现性为±15％。该方法可用于镁合金熔液中氢浓度的直接测量。该法的优点是能对镁合金熔液中含氢量实行连续的监控，且无需从固体中取样，较真空萃取法的效率高。缺点是测试时耗时费力，且不精确。其原因是测量强烈地依靠氢的扩散率和扩散管与镁液的接触面积，且扩散率依赖于温度，在许多文献中数值不一致。

综上所述，真空萃取法测试虽然可靠和精确，但取样要求高，测试时间长，难以用于现场检测；氢分离法能直接测量镁合金熔液中的氢，无需取样，但不精确，测试时间也较长。因此，一种适合现场检测的简单、直接、快速和精确的测氢装置是镁合金熔液中测氢技术发展的方向。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种旨在将检测方法的快速性和精确性集于一身的基于图像识别的镁合金熔液含氢量实时检测方法及其装置。

本发明镁合金熔液含氢量实时检测方法是建立在第一气泡法基础上，其步骤是：(1)先将镁合金熔液置于真空系统中；(2)实时图像处理系统监控上述真空系统并精确识别第一个氢气泡，并以脉冲触发的方式将信息传递给PLC微处理系统；(3)PLC微处理系统同时做出反应，采集实时的氢分压及温度数据，再根据该系统已有的镁合金熔液含氢量检测数学模型进行计算并输出含氢量结果。镁合金熔液含氢量检测数学模型：

这里A、B是与合金成分有关的常数，具体数值可从《金属学报》杂志2007年第43卷第2期p113～p118以及《中国有色金属学报》杂志2010年第20卷第4期p628～p631中查阅到；C_H是含氢量，cm³/100gMg；P_H是氢分压，Pa；T是镁合金熔液温度，K。

为了实现上述检测方法，镁合金熔液含氢量实时检测装置由三部分构成：一是真空系统，由真空泵、电磁阀及管路、真空室构成；二是PLC微处理系统，由高灵敏度微压传感器、热电偶及PLC模块构成；三是实时图像处理系统，由光源、高速摄像头、DSP器件及接口转换线等构成。真空系统抽取真空后，镁合金熔液中的原子氢就会聚集成氢气，随着真空度增大，氢气就会在镁合金熔液表面析出。当第一氢气泡停留在熔液表面时，熔液中的氢分压与熔液上方的氢分压相等，通过微压传感器就能将此氢分压检测出来，镁合金熔液的温度可以通过热电偶进行检测，再由PLC微处理系统根据含氢量数学模型完成快速检测。实时图像处理系统必须保证对第一气泡进行精确识别，超前或滞后都将带来测量精度的偏差，这里选用高速摄像头、DSP嵌入式图像处理系统等硬件以及经过优化设计的程序算法软件来保证第一气泡的实时检测，从而达到提高测量精确度的目的。

本发明镁合金熔液含氢量实时检测方法的突出优点在于采用图像处理技术对镁合金熔液表面第一气泡进行精确识别，并以脉冲触发的方式将信息传递给PLC微处理系统，避免了人眼观察并启动按钮带来的测量滞后问题，从而保证测量结果的精确性。

实现上述检测方法的装置的优点在于：(1)PLC微处理系统及真空系统保证了含氢量检测的快速性；(2)实时图像处理系统对第一气泡析出精确识别提高了含氢量检测的精确度。正因为该检测装置具有快速和高精确度检测特点，从而达到了实时检测的目的。

附图说明

图1是镁合金熔液含氢量实时检测方法技术原理图。

图2是镁合金熔液含氢量实时检测装置结构示意图。

图中1.底座，2.加热线圈，3.热电偶，4.坩埚，5.上盖，6.玻璃，7.光源，8.高速摄像头，9.DSP器件，10.微压元件，11.PLC微处理器，12.打印机，13.电磁阀，14.真空泵。

具体实施方式

以下结合附图详述本发明。

图1是镁合金熔液含氢量实时检测方法技术原理图。镁合金熔液样本上方通过真空系统抽取真空，在合适光源作用下，高速摄像头(面阵CCD)不断获取序列图像，传入DSP图像处理系统，经过图像处理与识别算法，确认第一气泡析出表面精确识别，以脉冲触发的方式将信息传递给PLC微处理系统，同步探测器采集微压传感器及热电偶数据，经过信号处理模块，将氢分压与温度传入PLC微处理系统，PLC软件已包含含氢量检测数学模型，根据数学模型进行计算，结果可打印或显示输出。

图2是镁合金熔液含氢量实时检测装置结构示意图。真空系统由底座1、加热线圈2、坩埚4、上盖5、玻璃6、电磁阀13及真空泵14组成。上盖5和玻璃6设计成一体，可以活动，底座1与上盖5之间由密封圈实现密封，保持不漏气。电磁阀13设计时考虑与真空泵14抽取真空或解除真空实现联动。此外，为了避免镁合金熔液温度下降太快，设计了加热线圈2及介于底座1和加热线圈2之间的保温棉等。加热线圈2的温度可通过温度控制器进行调节。

PLC微处理系统由热电偶3、微压传感器10、PLC微处理器11及打印机12组成。压力数据的采集采用高灵敏度微压传感器，压力测量精度为千分之一。镁合金熔液温度采用K型热电偶测温，并具有冷端自动补偿功能。PLC微处理器系统可以实现三个功能。一是数据采集，采集氢分压及温度信号；二是数据处理与计算，可根据不同合金成分分别计算出镁合金熔液的含氢量；三是打印输出功能，输出数据并驱动打印机打印出测量结果。

实时图像处理系统由光源7、高速摄像头8、DSP器件9及接口转换线等构成。选用高频荧光灯光源，提高图像的清晰度和色彩饱和度；高速摄像头最大分辨率为1280*1024像素，最大拍摄速度为1000帧/s；DSP器件是图像处理与识别的核心部件，它的硬件及程序算法的最佳配合，将大大提高第一气泡图像精确识别的速度，从而提高检测结果的精确度。由于各个部件的信号模式不同，在连接这些部件时必须使用接口转换线，用于不同信号的转换。

Claims (2)

1.一种基于图像识别的镁合金熔液含氢量实时检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)将镁合金熔液置于真空系统中；

(2)实时图像处理系统监控上述真空系统并精确识别第一个氢气泡，并以脉冲触发的方式将信息传递给PLC微处理系统；

(3)PLC微处理系统同时做出反应，采集实时的氢分压及温度数据，再根据该系统已有的镁合金熔液含氢量检测数学模型进行计算并输出含氢量结果；所述的镁合金熔液含氢量检测数学模型：

这里A、B是与合金成分有关的常数；C_H是含氢量，cm³/100gMg；P_H是氢分压，Pa；T是镁合金熔液温度，K。

2.一种实现权利要求1所述含氢量实时检测方法的装置，其特征在于，该检测装置由真空系统，实时图像处理系统和PLC微处理系统三部分构成，所述真空系统由底座[1]、加热线圈[2]、坩埚[4]、上盖[5]、玻璃[6]、电磁阀[13]及真空泵[14]构成，所述PLC微处理系统由高灵敏度微压传感器[10]、热电偶[3]及PLC微处理器[11]及打印机[12]构成，所述实时图像处理系统由光源[7]、高速摄像头[8]、DSP器件[9]及接口转换线构成，所述高速摄像头[8]通过DSP器件[9]与PLC微处理器[11]相连，所述真空泵[14]通过电磁阀[13]与上盖[5]相连，所述上盖[5]通过高灵敏度微压传感器[10]与PLC微处理器[11]相连，所述热电偶[3]与PLC微处理器[11]相连，所述PLC微处理器[11]与打印机[12]相连，所述上盖[5]和位于其正上方的玻璃[6]设计成一体，所述底座[1]与上盖[5]之间设有密封圈。

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