【摘要】投入式液位計(jì)在水位測(cè)量中廣泛應(yīng)用，其密封性決定了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。通過對(duì)失效的液位計(jì)進(jìn)行拆解分析，據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，投入式液位計(jì)應(yīng)用中近85%的失效是由密封問題造成的。因此，針對(duì)提高投入式液位計(jì)的密封性提出方案，利用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過對(duì)拆解后的傳感器進(jìn)行密封失效機(jī)理的研究，找到密封薄弱環(huán)節(jié)，提出密封改進(jìn)措施。設(shè)計(jì)并加工新型投入式液位計(jì)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，該方案行之有效。
0 引言
投入式液位計(jì)以其較高的精度，較低廉的價(jià)格及方便的安裝在水位測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。投入式液位計(jì)的好壞對(duì)于高精度測(cè)量系統(tǒng)有著重要的意義。例如：傳感器內(nèi)部受潮對(duì)傳感器造成嚴(yán)重破壞，粘貼的應(yīng)變計(jì)的基底、基底間的粘接層尺寸發(fā)生變化，隨之應(yīng)變計(jì)阻值發(fā)生變化，傳感器發(fā)生零點(diǎn)漂移、絕緣不良甚至出現(xiàn)傳感器失效現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用中，因液位計(jì)失效引起產(chǎn)品不能正常工作，甚至不能工作的情況時(shí)有發(fā)生。因此，液位計(jì)的性能直接影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
液位傳感器失效的影響因素有很多，除去人為因素，歸納起來主要有以下幾類： 彈性元件的金屬材料選用及其機(jī)械加工與熱處理過程；電阻應(yīng)變計(jì)與應(yīng)變粘結(jié)劑；制造工藝流程；電路補(bǔ)償與調(diào)整；防護(hù)與密封等。國(guó)產(chǎn)傳感器在可靠性方面與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，#大的差距就在于密封的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)得不合理，因密封不妥而造成傳感器的損壞約占70-85%。
某地下水位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目【文獻(xiàn)《基于GPRS 的地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)》基于ARM9 的地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)（自引用）】中，共約1500 多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，都使用了三暢投入式液位傳感器，在項(xiàng)目維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)，有近5%的傳感器失效。筆者從監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)取回已失效的傳感器共70 條，經(jīng)過拆解分析共有59 條因密封問題導(dǎo)致傳感器失效（圖1），比例高達(dá)近85%。傳感器失效后，出現(xiàn)了零點(diǎn)漂移，數(shù)據(jù)異常，甚至不能繼續(xù)工作等問題，需要維護(hù)人員趕赴監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)更換調(diào)試，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)還需要調(diào)配吊車進(jìn)行提泵更換設(shè)備。這無疑增加了項(xiàng)目的成本，耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。因此，針對(duì)三暢投入式液位計(jì)的密封性提出改進(jìn)方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，提高其密封性能有著重大的實(shí)際意義及經(jīng)濟(jì)效益。
1 防護(hù)與密封失效分析
在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，產(chǎn)品的性能決定著企業(yè)的生命。為了解決當(dāng)前投入式液位計(jì)使用壽命低，返廠率高的問題，我們對(duì)返修的傳感器進(jìn)行破拆、測(cè)試和分析。通過研究發(fā)現(xiàn)傳感器的失效大都是傳感器的防護(hù)與密封性能差的原因造成的。傳感器在工作過程中長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，如果密封性能差的傳感器很容易被潮氣進(jìn)入。而傳感器內(nèi)腔中的電阻應(yīng)變計(jì)及補(bǔ)償電路#容易受潮氣影響，當(dāng)應(yīng)變片和補(bǔ)償電路受到潮氣的影響時(shí)就會(huì)造成傳感器穩(wěn)定性的問題，從而導(dǎo)致傳感器的整體失效。
通過將該地下水位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目使用后返修的投入式液位計(jì)進(jìn)行了破拆和測(cè)繪。發(fā)現(xiàn)三暢投入式液位計(jì)以下關(guān)鍵部位容易發(fā)生密封失效問題，如膜片部件本身電路板，運(yùn)算放大器電路板及傳感器本身的幾個(gè)重要的結(jié)合部位。這些部分密封不理想。三暢投入式液位計(jì)長(zhǎng)時(shí)間在水中浸泡后，潮氣和水分會(huì)從傳感器尾部與腔體之間，擴(kuò)散硅芯體夾具與擴(kuò)散硅芯體之間，擴(kuò)散硅芯體與傳感器腔體之間進(jìn)入傳感器內(nèi)腔中。這些部分密封失效會(huì)破壞傳感器正常的工作環(huán)境，不僅如此，由于大部分電路板本身由于缺乏必要的防護(hù)措施，加劇了水分的破壞效果。在傳感器的空腔內(nèi)部有各種補(bǔ)償電路，水分和潮氣一旦進(jìn)入接線盒中就會(huì)造成傳感器絕緣降低甚至通路，使傳感器零位不穩(wěn)或損壞，所以必須從傳感器的外殼結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝上進(jìn)行改進(jìn)，才能有效地提高傳感器的密封性。
2 密封性能的改進(jìn)措施
2.1 芯體部分密封
通過破拆所使用的投入式液位計(jì)，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散硅芯體與芯體夾具之間部位只有一個(gè)橡膠圈用來防水，防水具有偶然性。如果水從該O 型密封圈滲入，就直接會(huì)觸及電路板，#終導(dǎo)致傳感器的故障。針對(duì)這一問題，擴(kuò)散硅芯體擬采用增加O 型密封圈的方式，降低滲水概率，提高其密封性能。但是，經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)一般在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，選用的擴(kuò)散硅芯體標(biāo)準(zhǔn)化而且不易加工，所以該方案可行性較差，只能保留原有的設(shè)計(jì)，即采用一道密封圈。為提高該部位密封性能，在實(shí)際的安裝時(shí)在已有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在安裝結(jié)合面涂覆密封膠。從而有效地實(shí)現(xiàn)防水密封目的。
2.2 液位計(jì)擴(kuò)散硅夾具與傳感器外殼部分密封
原有的投入式液位計(jì)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傳感器擴(kuò)散硅芯體夾具與傳感器外殼連接處密封措施是采用一道O 型密封圈防水，并且螺紋上涂覆有密封膠。通過破拆、測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這一密封方法的效果并不理想，從該結(jié)構(gòu)處的滲水現(xiàn)象仍然時(shí)有發(fā)生。針對(duì)這一問題在投入式液位計(jì)該結(jié)構(gòu)處通過設(shè)計(jì)增加一道O 型密封圈，即兩道密封圈，同時(shí)在接觸面涂覆密封膠，這一方案很大程度上增加有效的密封面積，防水效果較明顯，圖2、圖3 修改前后的原理圖。
2.3 變送器尾部接線端部分密封
原有的傳感器尾部密封采用疊加的V 型密封圈密封，如圖1 中所示。由于密封圈之間會(huì)有空隙，密封效果極差。與此同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間在水中浸泡后，水可以滲透第二個(gè)密封圈，在水的侵蝕作用下，密封圈發(fā)生明顯的老化現(xiàn)象，密封圈的使用壽命下降，從而加劇了該處的密封失效。針對(duì)這一問題，在傳感器部接線端該部分采用一個(gè)整體螺紋密封圈，這一改進(jìn)方案不僅提升了密封圈的使用壽命，而且很大程度上增強(qiáng)了密封效果，前后原理圖見圖4、圖5。
2.4 運(yùn)算放大器電路板防護(hù)
對(duì)于傳感器而言， 運(yùn)算放大器電路板本身的防護(hù)同樣非常重要，一旦潮氣滲入，極易侵蝕電路，導(dǎo)致傳感器的失效。很多投入式液位計(jì)因?yàn)闆]有采取相應(yīng)措施導(dǎo)致了傳感器電路板遭到破壞。對(duì)于該問題通常采用的是電路板防護(hù)手段，對(duì)電路板本身采用三防漆涂覆，常用的三防漆有S01-3 聚氨基甲酸脂絕緣清漆、DC-12577 有機(jī)硅清漆等，施工一般是在低于60℃下烘干或常溫自干。該措施能起到很好的防護(hù)效果（圖6）
3 技術(shù)改進(jìn)后的密封實(shí)驗(yàn)
3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?span style="display:none">Yp3壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
為驗(yàn)證采取的密封措施的可行性，將三暢投入式液位計(jì)的密封做了如上改進(jìn)加工后，重新加工裝配了一批傳感器（圖7）。將這批投入式液位計(jì)校準(zhǔn)后進(jìn)行浸水試驗(yàn)（圖8）：把抽樣的一批液位計(jì)放入如下密封的加壓容器內(nèi)，浸入水中。同時(shí)，通過氣泵給加壓裝置加壓，以模擬實(shí)際的壓力環(huán)境。時(shí)間長(zhǎng)達(dá)三個(gè)月，在這三個(gè)月定期對(duì)樣品傳感器進(jìn)行變送器常規(guī)檢測(cè)，檢測(cè)樣品傳感器的零位輸出檢測(cè)。結(jié)果表明每個(gè)傳感器零點(diǎn)數(shù)值顯示沒有太大的波動(dòng)， 各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求，密封效果良好。通過該持續(xù)浸水試驗(yàn)，證明投入式液位計(jì)通過改進(jìn)密封性能取得明顯的提升。
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論
將改進(jìn)后的投入式液位計(jì)安裝到項(xiàng)目的應(yīng)用上，通過兩年時(shí)間使用，并未明顯發(fā)生由傳感器密封問題造成的零點(diǎn)漂移，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定或者工作中失效等問題。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)投入式的失效率由原來的5%降低到了1%。從浸水實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)使用情況來看通過技術(shù)改進(jìn)，投入式液位計(jì)的密封性能得到很大的提高，進(jìn)而提高了投入式液位計(jì)本身的性能。
4 結(jié)語(yǔ)
通過對(duì)投入式液位計(jì)機(jī)械部分結(jié)構(gòu)上和裝配上的改進(jìn)研究，有效的提升了投入式液位計(jì)的密封性能，進(jìn)而提高了投入式液位計(jì)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。減少了之前投入式液位計(jì)零點(diǎn)漂移等失效現(xiàn)象造成的較高的返修率，提升了傳感器的質(zhì)量和性能。
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