活性金屬粉體定量分析系統(tǒng)的研制

劉志偉 嚴(yán) 蕊 徐司雨 王婧娜 胡 嵐

(西安近代化學(xué)研究所，西安 710065)

由于活性金屬粉體具有優(yōu)異的熱釋放和低溫氧化能力，在推進(jìn)劑及火炸藥等含能材料領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用?；钚越饘俦砻鏄O易氧化形成一層氧化物包覆層，氧化熱焓提前緩慢釋放，因此只有未被氧化的以單質(zhì)狀態(tài)存在的活性金屬對(duì)氧化反應(yīng)放熱熱焓起作用。目前納米化是活性金屬研究的重要方向，納米化所帶來(lái)的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)使活性金屬粉體反應(yīng)活性很高，對(duì)于其性能的改善具有顯著的作用。

活性金屬粉體活性的評(píng)價(jià)方法有氣體容量法、氧化還原滴定法、熱重分析(TG)法和透射電鏡分析法[1]。標(biāo)準(zhǔn)YS/T 617.1-2007雖然對(duì)活性金屬粉體氣體容量法的測(cè)定給出了測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，但標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣量、量氣管和環(huán)境溫度的精確度要求較高，而且標(biāo)準(zhǔn)中基于化學(xué)分析的測(cè)量方式會(huì)引入人為誤差，降低測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。筆者在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出通過(guò)記錄反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)罐內(nèi)氣壓實(shí)時(shí)變化曲線自動(dòng)計(jì)算反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣含量的活性金屬粉體定量分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)化學(xué)分析方法到儀器分析方法的轉(zhuǎn)變[2,3]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)①

活性金屬粉體包括活性鋁、金屬鎂及鋁鎂合金粉等。活性鋁與堿反應(yīng)會(huì)放出氫氣，稱取一定量的鋁粉樣品與配制好的氫氧化鈉溶液進(jìn)行反應(yīng)，通過(guò)測(cè)定反應(yīng)后產(chǎn)生的氫氣體積就可以計(jì)算出樣品中活性鋁的含量。金屬鎂和鋁鎂合金粉中的活性Mg 、Al 可以與鹽酸反應(yīng)放出氫氣，同樣通過(guò)測(cè)定反應(yīng)后產(chǎn)生的氫氣體積可計(jì)算出樣品中活性鎂和活性鋁鎂的含量。

整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)罐內(nèi)的攪拌速度和溫度需要保持穩(wěn)定。其中攪拌速度采用MS200型磁力攪拌器直接控制。采用高精度低溫恒溫槽以滿足反應(yīng)罐夾套20±2℃的溫度要求。采用PLC作為邏輯控制單元，實(shí)現(xiàn)活性金屬粉體與反應(yīng)介質(zhì)反應(yīng)放氣過(guò)程中的壓力、溫度同步測(cè)量，得到氣態(tài)產(chǎn)物的壓力、溫度隨時(shí)間變化的曲線(P-t、T-t)。通過(guò)恒溫、定容條件下對(duì)P-t曲線進(jìn)行一階微分和平滑處理得到(dP/dt)-t曲線，利用曲線峰值對(duì)金屬粉與特定反應(yīng)介質(zhì)的反應(yīng)活性進(jìn)行評(píng)價(jià)，獲得反應(yīng)活性測(cè)定數(shù)據(jù)的同時(shí)可獲得活性金屬含量。

檢測(cè)裝置由反應(yīng)罐、磁力攪拌器、低溫恒溫槽、高精度壓力傳感器、測(cè)溫傳感器、工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和打印機(jī)組成。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 硬件選擇

高精度壓力傳感器型號(hào)為HM27A-3-A1-FI-W2，量程0～300kPa，測(cè)量精度±0.1%FS，安裝于反應(yīng)罐上蓋，用于實(shí)時(shí)測(cè)量試樣與溶液反應(yīng)時(shí)反應(yīng)罐內(nèi)壓力的實(shí)時(shí)變化并上傳到上位控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算處理。

測(cè)溫傳感器WZP-274為雙點(diǎn)式測(cè)溫，量程0～100℃，A級(jí)精度。端部測(cè)量點(diǎn)距反應(yīng)罐底10mm，用于測(cè)量溶液的實(shí)時(shí)溫度；第二點(diǎn)距反應(yīng)罐底120mm，用于測(cè)量反應(yīng)罐中氣體溫度的實(shí)時(shí)變化，并上傳到上位控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算處理。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

PLC選用SIEMENS S7-200系列的CPU222CN，具有8點(diǎn)24V(DC)輸入和6點(diǎn)繼電器輸出；具有一個(gè)RS485接口；支持PPI 主站或從站/MPI 從站/自由口(自由組態(tài)的 ASCII 協(xié)議)；可完全組態(tài)的全集成 PID 控制器，最多可集成 8 個(gè)單獨(dú)的 PID 控制器[1]。

EM231模擬量擴(kuò)展模塊4輸入；功耗2W；雙極性精度11位，加1位符號(hào)位，單極性12位；圖2所示的組態(tài)開關(guān)表用于為 EM 231 模擬量輸入和 4/8 輸入(括號(hào)中為 8 輸入)選擇模擬量輸入范圍。

圖2 組態(tài)開關(guān)表

2.2 硬件結(jié)構(gòu)組成

如圖3所示，溫度傳感器和壓力傳感器測(cè)得的信號(hào)經(jīng)由變送器轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流模擬量，由AI模擬量擴(kuò)展模塊EM231轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳至CPU222中。CPU222與PC上位機(jī)采用PPI通信協(xié)議將數(shù)字信號(hào)傳至上位軟件進(jìn)行結(jié)果運(yùn)算。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

3 系統(tǒng)軟件

采用STEP7-Micro/Win軟件對(duì)下位機(jī)PLC進(jìn)行編程，采用KingVIEW6.53軟件搭建了PC端上層軟件，使系統(tǒng)的操控簡(jiǎn)單方便。

3.1 PLC 控制程序

STEP7-Micro/Win指令庫(kù)包含有預(yù)先組態(tài)好的各種子程序和中斷程序，應(yīng)用這些程序可以與各類驅(qū)動(dòng)通信，簡(jiǎn)化了編程過(guò)程。通過(guò)USS指令可以方便地控制物理驅(qū)動(dòng)器和讀/寫驅(qū)動(dòng)器參數(shù)。

圖4是PLC控制程序的流程框圖，當(dāng)開機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)主界面后，輸入壓力穩(wěn)定差值、壓力穩(wěn)定時(shí)間、酸堿溶液體積、金屬粉質(zhì)量及循環(huán)水溫等試驗(yàn)參數(shù)。試驗(yàn)開始后，系統(tǒng)開始讀取反應(yīng)罐內(nèi)實(shí)時(shí)溫度壓力數(shù)值。當(dāng)壓力穩(wěn)定差值和穩(wěn)定時(shí)間達(dá)到試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置的數(shù)值后停止試驗(yàn)，同時(shí)計(jì)算得到試樣中活性金屬粉體的含量。

3.2 溫度和壓力值讀取

采用LAD編輯器編寫溫度和壓力值的讀取指令，如圖5所示。圖5a中調(diào)用了Scale_I_to_R功能塊將4～20mA的溫度模擬量轉(zhuǎn)換為攝氏溫度值輸出為VD110，然后轉(zhuǎn)換為熱力學(xué)溫度值輸出為VD4；圖5b中依然是調(diào)用了Scale_I_to_R功能塊將壓力值模擬量轉(zhuǎn)換為單位為kPa的數(shù)字量[4]。

圖4 PLC控制程序的流程框圖

圖5 溫度和壓力值讀取指令

3.3 組態(tài)軟件

KingVIEW是針對(duì)中小型項(xiàng)目的用于監(jiān)視與控制自動(dòng)化設(shè)備和過(guò)程的SCADA產(chǎn)品。利用KingVIEW 6.53軟件可以非常方便地進(jìn)行上層軟件界面的組態(tài)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的上層軟件界面如圖6所示[5,6]。

圖6 系統(tǒng)上層軟件界面

4 結(jié)束語(yǔ)

活性金屬粉體定量分析系統(tǒng)采用PLC控制反應(yīng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)活性金屬粉體與反應(yīng)介質(zhì)反應(yīng)放氣過(guò)程中的壓力、溫度同步測(cè)量，得到氣態(tài)產(chǎn)物的壓力、溫度隨時(shí)間變化的曲線。通過(guò)特定算法處理曲線數(shù)據(jù)即可獲得活性金屬含量。實(shí)際運(yùn)行表明：整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、操作方便、工作穩(wěn)定性好。

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