镀锡板镀锡量检测分析仪

仪表技术与传感器InstrumentTechniqueandSensor2005 No15 镀锡板镀锡量检测分析仪

刘南平,刘子轶,崔雁松,高雅群,孟庆杰

(1.天津职业大学,天津 300402;2.长春理工大学,吉林 长春 130000)

摘要:为了精确测量镀锡板的镀锡量,提高镀锡板生产和进口的质量,用稀盐酸作电解液,根据电解剥离原理,采用微分电位法,解决了各层界面自动分层难题,研制出镀锡板镀锡量检测分析仪。仪器以CygnalF005单片机作为智能部件,既可提供本机显示和打印测量结果的功能,又能通过USB接口与上位机配合使用。对双电层电容充电电流引起的测量误差作了修正。仪器小型轻便,操作界面友好。关键词:镀锡板;微分电位法;双电层电容;CygnalF005单片机

中图分类号:TP216 文献标识码:B 文章编号:1002-1841(2005)05-0016-03

InstrumentforDetectingtheAmountofTinninginTinningBoardLIUNan-ping,LIUZ-iyi,CUIYan-song,GAOYa-qun,MENGQing-jie

1

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2

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(1.TianjinProfessionalCollege,Tianjin300402,China;2.ChangchunScienceUniversity,Changchun130000,China)

Abstract:Todetectpreciselytheamountoftinninginthetinningboard,improvethequalityofmanufacturingtinningboardandimportingtinningboard,anewinstrumentfordetectingtheamountoftinningwasdeveloped.Itusesthinhydrochloricacidastheelec-trolyteandelectrolysisasitsprinciple.Byusingthemethodofdifferentialelectricpotential,itcansolvetheproblemofeachlayerde-laminatingfromeachotherautomatically.ItusesCygnalF005singlechipmicrocomputerasitsintelligentcomponent.Theinstrumentcannotonlydisplayandprintthemeasuringresults,butalsocooperatewiththeuppermachinebyitsUSBinterface.Itcanalsocorrectthemeasuringdeviationcausedbythechargingcurrentofthecapacitanceofelectricdoublelayer.Itisportableandfriendly.

KeyWords:TinningBoard;MethodofDifferentialElectricPotential;CapacitanceofElectricDoubleLayer;SingleChipMicrocomputerCygnalF005

1 传统测量原理

镀锡板广泛应用于金属包装(制罐)行业,其结构剖面如图1(a)所示。如果被测样片在阳极上发生变化的锡量为x(mg),所需电量为Q(C),则x=5913Q/

22

96500(mg),单位面积A=PR(m)镀锡量为

3

5913@I@102Sn=Sn1+Sn2=2@(T1+3T2)(1)96500PR式中:Sn1,Sn2为锡层、锡-铁合金属锡量;T1,T2为对应的电解时间;2为锡-铁合金层(FeSn2)中锡占的比例。

3

传统的镀锡量测量法是依据如图1(b)所示的电极电位变化曲线(V-t曲线)进行定量的,测量装置原理图如图1(c)所示。

传统的测量装置笨重,效率低,测量误差大。引起测量误差大的主要因素有:恒流源仪的恒流精度差(mA级);X-Y记录仪计时误差大(s级);由人工根据V-t曲线分层,产生的误差大;不能精确计算和评价双电层电容充电电流对剥离速率的影响,也不能对此产生的误差加以适当修正。2 微分电位法镀锡量测量

传统的测量法是依据电极电位变化曲线(V-t曲线)进行定量的。为实现对Sn层、Sn-Fe合金层界面准确自动分层,提出微分电位法镀锡量测量,其原理如图2所示。利用微分电容C将电位变化量检测出来,

dV作适当放大,便可得到图2(b)所示的dt)t曲线。其中t1,t2为Sn层与Sn-Fe合金层、Sn-Fe合金层与Fe基层的分层时刻。通过数据采集、峰值判断,很容易求出电解时间T1,T2,从而准确定量出Sn1和Sn2。显然,微分电位法可以在不记录V-t曲线情况下得

(a)结构剖面图(b)电极电位变化曲线

(c)测量装置原理图图1 镀锡板与测量

(a)测量原理图

(b)

dV

-t曲线dt

图2 微分电位法测量原理

收稿日期:2004-10-18 收修改稿日期:2005-01-26 第5期

刘南平等:镀锡板镀锡量检测分析仪

17

出测量结果,有利于仪器小型化、自动化和高精度测

量。

3 系统硬件设计

镀锡板镀锡量检测分析仪硬件原理如图3所示。

图3 硬件原理框图

311 数控恒流源

更适用于电解剥离的高精度高稳定度的数控恒流源如图4所示。由CygnalF005单片机D/A(12位)产生指定电压Vi,经过运放A1跟随,T1,T2功放后,在取样电阻R1上转化为电流(I=Vi/R1),流过电解池。不同于参考文献[1]报道的恒流源,该电路的研究电极(被测样片)始终处于真正地电位,使电极电位测量方便、准确。电流精度与取样电阻R1精度无关,只要确定出最大电解电流Imax,将D/A的参考电压调至

1-VR=ImaxR1(1-n)即可。由于

2

|-VR||-VR|

Imax=U(2)1R1

(1-n)R1

2

所以,任意电解电流值为

Vi|-VR|n-1iImaxn-1I==E0Di2=niEDi2i(3)ni==0R12R12即电解电流大小由D/A给的数字量Di决定。

Vi=0时,T2的穿透电流不为零,会给测量带来误差。在独立电源E回路中接一个受微处理器控制的电子开关,很好地解决了问题。凡是系统复位、初始化时均使Vi=0,同时切断电子开关。启动测量时,同步接通电子开关。测量结束时再次切断开关。设置开关时还可节省一个独立电源和简化功放电路。

的压降[2]。电路由A2,A3,A4构成。A,B两点电位均正比IRu,但反相,调节Rw可实现最佳电位补偿。312 分层峰判断与数据采集

对微分电位法测量来说,V-t曲线的价值仅在于根据其过渡区形状判断Sn-Fe合金层的质量优

dV劣,而-t曲线对此法的重要性则在于能向系统提

dt

供分层的准确时刻。对两种曲线数据分时采集,由CygnalF005单片机的12位A/D完成。电路原理如图5所示。电位变化速率dV/dt与电流I成正比。I小的时候变化缓慢,微分后分层峰值不明显,峰值判断困难;I大时过渡区陡峭,微分后峰值超了A/D输入电压量程(214V),造成分层判断失败。微分放大器

dV电压增益Av=-RC,显然,用1个微分电容很难满

dt

足整个电解电流范围内产生理想分层峰的要求。为此,设计出了最佳微分电容编程选择电路,如图5所示。每个微分电容对应一定电流范围,而且相互覆盖。根据设定电流值,系统自动选择电路最佳电容。电路较理想地解决了宽电流范围内分层峰判断和A/D输入超量程问题,提高了分层可靠性。

图5 分层峰判断与数据采集电路

图4 数控恒流源原理图

为获得真实的研究电极电位5真,采用了正反馈直接补偿原理,补偿溶液内阻Ru(W~R之间电阻)上

313 日历时钟计时

为实现精确计时控制,采用飞利浦公司的PC8583作为系统的计时基准。设置8583为日历时钟工作方式,在备用电池供电下,芯片处于年-月-日-时-分-秒计时状态,具有极高的计时精度。启动电解时,CygnalF005单片机通过SCL向PC8583发出信息,通过SDA得到的来自PC8583的时间Tc1,同样待判断出分层峰t1,t2时刻,记下此时的T2c、T3c,(T2c-T1c),(T3c-T2c)便是Sn层、Sn-Fe合金层的电解剥离时间。

314 PDIUSBD12与CygnalF005单片机的接口

PDIUSBD12与CygnalF005单片机的接口电路如图6所示(图中未画出上拉电阻)。A/D采集的数据经PDIUSBD12的并行接口送入FIFO存储器。SIE实现了全部的USB协议层,完全由硬件实现而不需要固件的参与。数据经处理后由收发器通过数据线D+、D-传送到主机。4 系统误差分析

由式(1)可知,影响测量精度因素有电解电流I、电解时间T和样片半径R.

由于PC8583计时误差小,镀锡板电解时间短([4min),计时引起的误差可以不计。选择合适的数据采集时间间隙$t,电解时间T误差可控制得很小。 18

InstrumentTechniqueandSensor

5=5](1-e-式(8)代入式(5),得

5]-ic=e

Rr

ir=I-ic=I-t/(RC)

rd

May2005 )

(8)(9)

t/(RrCd)

图6 PDIUSBD12与CygnalF005单片机的接口

为了克服由于机械加工样片半径R的非一致性,将每台仪器实测R值固化到程序中,可以忽略样片半径误差。

电解电流对测量精度的影响较为复杂,主要有硬件电路和双电层电容引起的偏差两方面因素,硬件电路上引起的电流偏差一般[011%。双电层电容充电电流引起的误差,可以用图7说明。

图7 暂态过程电流与电压变化曲线

暂态过程中,通过样片的电流为

i=ic+ir

(4)

式中:ir为法拉第电流,对剥离做贡献;ic为由双层电荷变化引起的,对剥离不做贡献。

阳极时间常数S=RrCd,设q为阳极表面电荷密度,5为阳极电极电位。一般情况下,双电层电容C随时间变化不大,故

d(Cd5)dCd

ic=dq==Cdd5+5UCdd5(5)

dtdtdtdtdt

电解开始时,主要对双电层充电;暂态结束充电也结束,这时电解电流才全部用于电化学反应。由等效电路知:

5=Rrir(6)

故恒电流充电微分方程式为d5+5-i=0dtRrCdCd当ty]时,ir=i,5]=iRr,得

(7)

5]-t/(RrCd)

e(10)Rr

显然,暂态过程中电解电流并非恒定值。用一个恒定电流值代入式(1)中计算,得出的镀锡量偏大。dq越大,样片面积越大,Cd就越大,S越长。由Cd充dt

电电流引起的误差通常在1%~3%范围内变化。测定电极体系的R1,Cd和Rr的方法很多,采用电位阶越法实验测定。当暂态过程t\\5S=5RrCd时,可认为达到稳态电解过程。在5S内,通过软件编程对ic引起的测量偏差加以修正。编程时,将t1c分成若干时间间隔$t1c。从t1c=0开始,每增加一个$t1c,计算出相应的镀锡量$Sn1,直到t1c=5S为止,然后累加起来。$t1c越小,修正量越精确。实验表明,t1c内取300个时间时隙,就有足够的精确度了。经过修正后,ic引起的测量误差可以控制在015%以下。5 电解池设计考虑

设计出的双池结构电解池方便样片装卸和测量,设有液位控制电路。仪器初始化、复位和测量结束时,启动泵B,将电解液抽回到储液池。启动测量时,由泵A将一部分电解液抽至工作池,电解液量由上、下液位电极控制。工作池中电解液到位后,系统接通独立电源回路电子开关,开始计时电解。双池结构的最大优点是电解液能多次使用。6 结束语

通过采用微分电位法分层、数控恒流源、高精度计时方式、最佳微分电容选择和USB等新技术,提高了测量的精确度和自动化程度。对双电层电容充电电流引起的测量偏差自动修正,保证了测量的可靠性。仪器测量精度[1%,分辨率01001g/m2,重复性优于015%,技术指标和自动化程度达到和超过了国际上同类仪器先进水平。仪器的成功研制,填补了国内专用镀锡板镀锡量测量分析仪器的空白。成果已通过技术鉴定,目前已批量投入市场,并申请了专利。

参 考 文 献

[1] 刘永辉.电化学测试技术.北京:北京航空航天出版社,1987.

[2] MEINTYREJDE,PEEKWFJr.J.Electrochem.Soc.,1970:117;747.[3] 周立功.PDIUSBD12USB原理与应用.北京:北京航空航天大学出

版社,2003.[4] MACDONALDDD.Transienttechniquesinelectrochemistry.Plenum

Press,NewYorkandLondon,1977.[5] BARDAJ,FLULKNERLR.Electrochemicalmethod,fundamentalsand

applications,JohnWileyandSons,NewYork,1980.[6] 何立民.CygnalF005单片机原理与应用.北京:北京航空航天大学

出版社,2003.