CN206638640U - 一种qpq技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器 - Google Patents

Abstract

一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，包括流路系统、样品检测系统、嵌入式测控系统。所述流路系统包括微电子多位阀、精密注射泵、直流蠕动泵、管路；流路系统分别连接被测样品、检测试剂、蒸馏水、样品转化反应池。所述样品检测系统包括LED光源、样品检测室、光电二极管，所述LED光源经第一透镜准直发射平行光，透过样品检测室，再通过第二透镜聚焦进入光电二极管的光窗，直接转变为光电压输出。所述嵌入式测控系统包括电源模块，嵌入式测控系统通过串口发出控制命令，控制流路系统、样品检测系统，同时通过串口获取样品检测系统输出的数据并作处理分析。本实用新型能够对人工简单预处理后的规定浓度范围的基盐样品溶液实现全自动、快速检测分析。

Description

一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器

技术领域

本实用新型属于冶金行业QPQ盐浴复合表面处理技术领域，具体是一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，为QPQ技术工艺的质量控制提供分析参考。

背景技术

QPQ(“Quench-Polish-Quench”的缩写)是一种盐浴复合工件表面处理技术。其原意为淬火—抛光—淬火，但上述“淬火”不是我们已知的常规淬火概念，而是指金属在两种不同性质的高温熔融盐浴中作复合处理，以使碳、氮元素同时渗入金属表面，形成由氮化物和氧化物扩散形成的化合物层，使金属表面得到强化改性，同时又可以大幅度提高金属表面的耐磨性、抗蚀性，这种金属表面强化改性技术实现了渗氮工序和氧化工序(碳氮共渗)的复合，氮化物和氧化物的复合，耐磨性和抗蚀性复合，热处理技术和防腐技术的复合。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、工艺过程成本低、低碳环保的技术优势。

QPQ技术质量控制涉及到碳氮共渗温度、碳氮共渗时间、基盐氰酸根含量控制等因素。其中基盐成分中的氰酸盐含量(以氰酸根C NO-分子量计)的检测是QPQ技术质量控制的的重要指标，氰酸根含量通常应控制在质量分数的32％-38％的范围内，当氰酸根的含量由质量分数为32％增加到38％，在同样的氮化温度和氮化时间的条件下(如钛合金熔炉中570℃、2.5h氮化的条件下，以45钢样品为试验对象)，随着氮化盐浴中氰酸根含量的升高，碳氮共渗化合物层深度直线增加，这是因为氰酸根浓度的升高，使得原子态氮的浓度升高(氰酸根在高温下分解产生氮原子)，加快了化合物层的形成速度。实验发现，当盐浴中基盐氰酸根含量低于质量分数的32％时，元素渗入速度会大幅度下降，同样条件下，化合物层的深度会大大减小；当盐浴中氰酸盐含量高于质量分数的38％时，则盐浴的氧化性增强，形成的化合物层会带来严重的疏松。因此，一般氰酸根含量的质量分数应控制在32％-38％的正常范围内，如高于40％，则可以升高盐温，使氰酸根自动分解降低其含量到适当范围，若低于32％，则须按比例添加调整盐升高氰酸根的含量到适当范围。因此，从QPQ技术质量过程控制的角度分析需要快速准确检测基盐成分中氰酸根的含量。然而，目前分析仪器市场却没有能够检测氰酸根含量的全自动分析仪器，目前大多数QPQ技术开发或应用行业，如东风汽车液压动力有限公司、成都工具研究所有限公司等均配备专门技术人员，人工取样，通过繁琐而复杂的人工实验室分析方法(甲醛定氮法)检测基盐氰酸根的含量，然而人工滴定实验检测步骤较多、重复性差，可能引入较大的人为误差，很难为QPQ技术的质量控制提供准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盐浴复合处理技术面临的一个技术难题。

同时，由于工件表面QPQ技术处理是在高温钛合金熔炉的融盐中进行的，难以对基盐成分中的氰酸根含量实现在线监测分析，只宜人工取样并冷却至室温，然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，为了满足QPQ技术质量过程控制对基盐成分快速检测分析的技术要求，适合开发全自动检测仪器对所配制的规定浓度范围的基盐样品溶液进行快速直接检测分析。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，能够对人工预处理后的规定浓度范围的基盐样品溶液实现全自动、快速检测分析。

本实用新型采取的技术方案为：

一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，包括流路系统、样品检测系统、嵌入式测控系统。

所述流路系统包括微电子多位阀、精密注射泵、直流蠕动泵、管路；流路系统分别连接被测样品、检测试剂、蒸馏水、样品转化反应池，所述微电子多位阀、精密注射泵、直流蠕动泵连接嵌入式测控系统。

所述样品检测系统包括LED光源、样品检测室、光电二极管，所述LED光源经第一透镜准直发射平行光，透过样品检测室，再通过第二透镜聚焦进入光电二极管的光窗，直接转变为光电压输出。

所述嵌入式测控系统包括电源模块，嵌入式测控系统通过串口发出控制命令，控制流路系统、样品检测系统，同时通过串口获取样品检测系统输出的数据并作处理分析。

所述流路系统的精确抽样、清洗、排废等功能，由嵌入式测控系统驱动微电子多位阀、精密注射泵、和直流蠕动泵完成，所产生的的废液进入废液池。

所述样品检测室为流路系统与样品检测系统的交叉，即流路与光路的交叉。

所述微电子多位阀具有多通道流路切换功能，其公共口通过PEEK管连接储液环一端，所述储液环另一端连接精密注射泵的一个流路通道，所述精密注射泵另一可切换流路通道通过PEEK管接通蒸馏水水池。

所述样品转化反应池包括不锈钢密封锥形反应室、水浴恒温池，微电子多位阀的阀位11#通过PEEK管连接样品检测室。所述微电子多位阀的阀位9#通过PEEK管连接样品转化反应池的不锈钢密封锥形反应室。所述微电子多位阀的阀位10#通过PEEK管连接样品转化反应池的水浴恒温池。所述微电子多位阀的阀位8#连接废液池。

所述水浴恒温池材料为不锈钢，其底部集成加热管，用于对样品转化反应的加热，反应体系制冷时，加热管断电。

所述样品检测室包括铝材槽体、安装固定于铝材槽体内的比色杯，比色杯为石英玻璃材质，所述铝材槽体底部安装加热棒，通过温度控制和空气传热，实现对比色杯内反应溶液的恒温控制。

所述铝材槽体上装配有光电检测模块：发光二极管和光电二极管，所述发光二极管发出的检测光束透过比色杯内的样品反应溶液，进入光电二极管，经光电转换，通过吸收光谱分析检测样品浓度。

所述嵌入式测控系统包括电源模块、嵌入式处理模块、外围控制电路、数据采集电路；所述嵌入式处理模块连接外围控制电路，外围控制电路用于实现光源驱动控制、流路控制、温度控制。所述嵌入式处理模块连接数据采集电路，数据采集电路通过信号调节电路连接光电二极管。

所述嵌入式处理模块通过串口连接有人机交互系统，人机交互系统包括存储器、触控LCD显示器和GPRS系统，GPRS系统通过无线传输与上位机连接。

所述嵌入式处理模块核心为SAMSUNGS3C6410微处理器，采用Linux内核技术。

一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析方法，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CNO-转变为铵根NH4+，如(1)式所示，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。

本实用新型一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，技术优势如下：

1、本实用新型能够完全代替目前QPQ技术基盐氰酸根含量检测的人工实验分析，重复性好，准确度高，能够为工件表面QPQ技术处理质量控制提供重要技术支持与分析参考。

2、本实用新型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，采用光谱分析代替业内常规的甲醛滴定法检测氰酸根的含量，检测精度高、检测周期短。

3、本实用新型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。

4、本实用新型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。

附图说明

图1是本实用新型的检测方法流程图。

图2是本实用新型的检测仪器的流路原理图。

图3是本实用新型的温度控制系统原理图。

图4是本实用新型的测量与控制系统原理图。

图5是本实用新型的仪器标定和检测原理图。

图6是本实用新型的工作流程图。

具体实施方式

结合附图，对本的具体实施方式如下：

如图1所示，一种QPQ技术基盐成分全自动检测分析仪器应用流程，被测基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，即送全自动检测分析仪器检测氰酸根的含量。

氰酸根检测采用间接检测方法，先通过化学方法把氰酸根(CNO-)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。

如图2所示，一种QPQ技术基盐成分全自动检测分析仪器，所述流路系统包括多位阀1、注射泵2、直流蠕动泵、管路。

其流路系统原理表述如下：所述多位阀1(集成控制模块)和注射泵2集成控制模块)构成具有多流路通道的切换功能；和试剂与样品的精确抽送功能的顺序注射流路系统，所述多位阀1具有多通道流路切换功能，其公共口4通过PEEK管连接储液环5一端，所述储液环5另一端连接注射泵2的一个流路通道，所述注射泵2另一可切换流路通道通过PEEK管接通蒸馏水水池6。多位阀1的阀位11#通过PEEK管连接样品检测室7。多位阀1的阀位9#通过PEEK管连接样品转化反应池8的不锈钢密封锥形反应室9。所述多位阀1的阀位10#通过PEEK管连接样品转化反应池8的水浴恒温池10。多位阀1的其余阀位流路切换功能也如图2所示。

如图2所示，所述流路系统具有流路切换、样品与试剂的精确抽取；和流路的自动清洗功能。详述为：控制多位阀1的转子11’，其内部一个可以转动的管道，可以使公共口4与连接样品溶液、检测试剂、蒸馏水、冷冻液、空气、废液池12、样品转化反应池8、样品检测室7的阀位的流路导通，从而实现流路切换。

流路工作时，控制注射泵2与多位阀1，把一定体积的样品溶液与对应的稀硫酸试剂和氢氧化钠试剂依次抽入储液环5内，然后多位阀1转子转到阀位9#，注射泵2反推，即可把样品溶液和反应试剂推入样品转化反应池8，在内反应使氰酸根转化为铵根。然后控制注射泵2与多位阀1，把样品转化反应池8内一定体积的预处理溶液与对应的水杨酸试剂①和水杨酸试剂②依次抽入储液环5内，然后多位阀1转子转到阀位11#，注射泵2反推，即可把预处理溶液和反应试剂推入样品检测室7，在内完成显色反应和样品光谱检测。

清洗时，先控制注射泵2与多位阀1，把样品转化反应池8或样品检测室7废液抽到储液环5内，然后多位阀1转子转到阀位8#，把废液反推到废液池12，然后控制流路抽取蒸馏水冲洗样品转化反应池8或样品检测室7，同理把废液输送到废液池12。

如图2所示，所述流路系统的样品转化反应池8由不锈钢密封锥形反应室9、水浴恒温池10构成，所述水浴恒温池10材料为不锈钢，其底部集成加热管11，以实现对样品转化反应的加热。反应体系制冷时，加热管11断电，先按流路原理排完水浴恒温池10内热水，然后再控制流路抽取一定体积的冷冻液，循环抽排以降低不锈钢密封锥形反应室9内反应体系的温度。

不锈钢密封锥形反应室9，所述反应室采用锥形底部，便于与多位阀1的9#阀位连接的毛细不锈钢管完全接触锥形反应室9底部，以便通过注射泵2与多位阀1的作用，实现反应溶液的完全转移，即完全转移到样品反应检测室7。

所述样品检测系统包括LED光源、样品检测室7、光电二极管，所述LED光源经第一透镜13准直发射平行光，透过样品检测室7，再通过第二透镜14聚焦进入光电二极管的光窗，直接转变为光电压输出。

如图2所示，所述样品检测室7由铝材槽体20及按机械安装固定于铝材槽体20内的比色杯19构成，比色杯19为石英玻璃材质，铝材槽体20底部安装加热棒21，通过温度控制和空气传热，实现对比色杯19内反应溶液的恒温控制。样品检测室7外侧底部通过管路外接直流蠕动泵30，把反应废液排到废液池12。

所述铝材槽体20上装配有光电检测模块：发光二极管22和光电二极管23，所述发光二极管22发出的检测光束24透过比色杯19内的样品反应溶液，进入光电二极管23，经光电转换，通过吸收光谱分析检测样品溶液中铵根浓度。

如图3所示：温度闭环控制系统由单片机、K型热电偶温度传感器、继电器和加热管构成。所述单片机可由按键输入设定温度值和PID控制参数，数码管可显示所设置参数和被控对象实时温度值。所述被控对象实时温度值由K型热电偶温度传感器实时采集，单片机获得实时温度值后，通过PID算法输出控制信号，通过所述继电器驱动加热管的工作状态达到温度控制目的。

如图4所示，所述嵌入式测控系统包括测量电路模块、控制电路模块、嵌入式处理模块15和电源模块16，嵌入式处理模块15上通过串口连接有人机交互系统，人机交互系统包括存储器29、触控LCD显示器25和GPRS系统26，GPRS系统26通过无线传输与上位机27连接。嵌入式处理模块15上通过串口连接测量电路模块的数据采集电路，获取样品光电检测信息。嵌入式处理模块15上通过串口连接控制电路模块，通过外围控制电路17，发出流路控制、温度控制、光源驱动控制等控制命令。

所述嵌入式模块核心为SAMSUNGS3C6410微处理器，采用Linux内核技术。

所述电源模块16为嵌入式测控系统、外围控制电路17供电。

所述测量电路模块包括光源发光二极管LED(中心波长697nm)驱动电路、信号调节电路28和数据采集电路18。光源发光二极管LED驱动电路采用恒流源驱动，电流恒定在20mA，有控制端口控制发光LED的开关。光电转换信号采用精密运放电路将光电二极管的微弱电流信号转换为电压信号，再通过两级运放放大所转换的电压信号，放大倍数可以通过精密滑动变阻器调试，保证检测信号在线性范围内防止饱和放大，再通过13位A/D转换器将模拟信号转换为数字信号通过串口上传到嵌入式处理模块15。

如图5所示，本实用新型仪器的标定和检测原理详述为：

(1)标定：

用蒸馏水配制相应浓度梯度的氯化铵标准样品溶液，用标准样品溶液置换图2中的被测盐样溶液溶液，控制注射泵2与多位阀1，把一定体积的标准样品溶液与对应的水杨酸试剂①和水杨酸试剂②依次抽入储液环5内，然后多位阀1的转子转到阀位11#，注射泵2反推，把标准样品溶液和反应试剂推入样品检测室7，在样品检测室7内完成显色反应并检测反应体系的吸光度A，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控系统。

(2)检测：

对于被测基盐样品溶液，先在样品转化反应池8内完成样品转化后，把样品转化反应池8内一定体积的预处理溶液与对应的水杨酸试剂①和水杨酸试剂②依次抽入储液环5内，然后多位阀1转子转到阀位11#，注射泵2反推，把预处理溶液和反应试剂推入样品检测室7，在内完成显色反应并检测吸光度A，最后把吸光度A代入标准工作曲线即可计算出样品中铵根的浓度，在由此间接计算样品中氰酸盐的含量。

如图6所示，本实用新型的工作流程为仪器初始化、样品转化、空白检测、样品检测、固体盐样氰酸根含量分析五个步骤。

所述仪器初始化包括仪器自检、流路清洗、光源稳定等步骤；

所述样品转化是把被测样品溶液中的氰酸根转变为铵根，便于后续检测；

所述空白测量是测量试剂空白值，即测量与被测样品溶液等体积蒸馏水与一定体积显色试剂(水杨酸试剂①、水杨酸试剂②)混匀后的吸光度值，其目的是消除显色反应过量试剂干扰；

所述样品检测是测量一定体积预处理转化后样品溶液与一定体积显色试剂(水杨酸试剂①、水杨酸试剂②)显色反应后的吸光度值，并扣除空白值，再代入仪器标准工作曲线，即可计算出被测预处理样品溶液中铵根浓度。

固体盐样氰酸根含量分析，是指依据被测预处理样品溶液中铵根离子浓度，按元素守恒定律，经计算获取被测固体基盐样品中氰酸根离子的百分含量。

Claims (8)

1.一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，包括流路系统、样品检测系统、嵌入式测控系统；其特征在于：所述流路系统包括多位阀(1)、注射泵(2)、管路；流路系统分别连接被测样品、检测试剂、蒸馏水、样品转化反应池(8)，所述多位阀(1)、注射泵(2)连接嵌入式测控系统；

所述样品检测系统包括LED光源、样品检测室(7)、光电二极管，所述LED光源经第一透镜(13)准直发射平行光，透过样品检测室(7)，再通过第二透镜(14)聚焦进入光电二极管的光窗，直接转变为光电压输出；

所述嵌入式测控系统包括电源模块(16)，嵌入式测控系统通过串口发出控制命令，控制流路系统、样品检测系统，同时通过串口获取样品检测系统输出的数据并作处理分析。

2.根据权利要求1所述一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，其特征在于：所述多位阀(1)具有多通道流路切换功能，其公共口4通过PEEK管连接储液环(5)一端，所述储液环(5)另一端连接注射泵(2)的一个流路通道，所述注射泵(2)另一可切换流路通道通过PEEK管接通蒸馏水水池(6)。

3.根据权利要求1所述一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，其特征在于：所述样品转化反应池(8)包括不锈钢密封锥形反应室(9)、水浴恒温池(10)，多位阀(1)的阀位11#通过PEEK管连接样品检测室(7)；所述多位阀(1)的阀位9#通过PEEK管连接样品转化反应池(8)的不锈钢密封锥形反应室(9)；所述多位阀(1)的阀位10#通过PEEK管连接样品转化反应池(8)的水浴恒温池(10)；所述多位阀(1)的阀位8#连接废液池(12)。

4.根据权利要求3所述一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，其特征在于：所述水浴恒温池(10)材料为不锈钢，其底部集成加热管(11)，用于对样品转化反应的加热，反应体系制冷时，加热管(11)断电。

5.根据权利要求1所述一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，其特征在于：所述样品检测室(7)包括铝材槽体(20)、安装固定于铝材槽体(20)内的比色杯(19)，比色杯(19)为石英玻璃材质，所述铝材槽体(20)底部安装加热棒(21)，通过温度控制和空气传热，实现对比色杯(19)内反应溶液的恒温控制。

6.根据权利要求5所述一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，其特征在于：所述铝材槽体(20)上装配有光电检测模块：发光二极管(22)和光电二极管(23)，所述发光二极管(22)发出的检测光束(24)透过比色杯(19)内的样品反应溶液，进入光电二极管(23)，经光电转换，通过吸收光谱分析检测样品浓度。

7.根据权利要求1所述一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，其特征在于：所述嵌入式测控系统包括电源模块(16)、嵌入式处理模块(15)、外围控制电路(17)、数据采集电路(18)；

所述嵌入式处理模块(15)连接外围控制电路(17)，外围控制电路(17)用于实现光源驱动控制、流路控制、温度控制；

所述嵌入式处理模块(15)连接数据采集电路(18)，数据采集电路(18)通过信号调节电路(28)连接光电二极管。

8.根据权利要求7所述一种QPQ技术基盐氰酸根含量全自动检测分析仪器，其特征在于：所述嵌入式处理模块(15)通过串口连接有人机交互系统，人机交互系统包括存储器(29)、触控LCD显示器(25)和GPRS系统(26)，GPRS系统(26)通过无线传输与上位机(27)连接。