【摘要】投入式液位計在水位測量中廣泛應(yīng)用，其密封性決定了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。通過對失效的液位計進行拆解分析，據(jù)統(tǒng)計顯示，投入式液位計應(yīng)用中近85%的失效是由密封問題造成的。因此，針對提高投入式液位計的密封性提出方案，利用理論與實驗相結(jié)合的方法，通過對拆解后的傳感器進行密封失效機理的研究，找到密封薄弱環(huán)節(jié)，提出密封改進措施。設(shè)計并加工新型投入式液位計，并進行實驗進行分析。實驗結(jié)果及現(xiàn)場應(yīng)用效果表明，該方案行之有效。
0 引言
投入式液位計以其較高的精度，較低廉的價格及方便的安裝在水位測量中得到廣泛的應(yīng)用。投入式液位計的好壞對于高精度測量系統(tǒng)有著重要的意義。例如：傳感器內(nèi)部受潮對傳感器造成嚴重破壞，粘貼的應(yīng)變計的基底、基底間的粘接層尺寸發(fā)生變化，隨之應(yīng)變計阻值發(fā)生變化，傳感器發(fā)生零點漂移、絕緣不良甚至出現(xiàn)傳感器失效現(xiàn)象。實際應(yīng)用中，因液位計失效引起產(chǎn)品不能正常工作，甚至不能工作的情況時有發(fā)生。因此，液位計的性能直接影響系統(tǒng)的準確性和穩(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械加工與熱處理過程；電阻應(yīng)變計與應(yīng)變粘結(jié)劑；制造工藝流程；電路補償與調(diào)整；防護與密封等。國產(chǎn)傳感器在可靠性方面與國外同類產(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)測項目【文獻《基于GPRS 的地下水位監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)》基于ARM9 的地下水位遠程監(jiān)測儀的設(shè)計（自引用）】中，共約1500 多個監(jiān)測點，都使用了三暢投入式液位傳感器，在項目維護過程中發(fā)現(xiàn)，有近5%的傳感器失效。筆者從監(jiān)測現(xiàn)場取回已失效的傳感器共70 條，經(jīng)過拆解分析共有59 條因密封問題導致傳感器失效（圖1），比例高達近85%。傳感器失效后，出現(xiàn)了零點漂移，數(shù)據(jù)異常，甚至不能繼續(xù)工作等問題，需要維護人員趕赴監(jiān)測現(xiàn)場更換調(diào)試，部分監(jiān)測點還需要調(diào)配吊車進行提泵更換設(shè)備。這無疑增加了項目的成本，耗費大量的人力、物力和財力。因此，針對三暢投入式液位計的密封性提出改進方案，進行實驗研究，提高其密封性能有著重大的實際意義及經(jīng)濟效益。
1 防護與密封失效分析
在市場競爭日益激烈的今天，產(chǎn)品的性能決定著企業(yè)的生命。為了解決當前投入式液位計使用壽命低，返廠率高的問題，我們對返修的傳感器進行破拆、測試和分析。通過研究發(fā)現(xiàn)傳感器的失效大都是傳感器的防護與密封性能差的原因造成的。傳感器在工作過程中長時間浸泡在水中，如果密封性能差的傳感器很容易被潮氣進入。而傳感器內(nèi)腔中的電阻應(yīng)變計及補償電路#容易受潮氣影響，當應(yīng)變片和補償電路受到潮氣的影響時就會造成傳感器穩(wěn)定性的問題，從而導致傳感器的整體失效。
通過將該地下水位監(jiān)測項目使用后返修的投入式液位計進行了破拆和測繪。發(fā)現(xiàn)三暢投入式液位計以下關(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，運算放大器電路板及傳感器本身的幾個重要的結(jié)合部位。這些部分密封不理想。三暢投入式液位計長時間在水中浸泡后，潮氣和水分會從傳感器尾部與腔體之間，擴散硅芯體夾具與擴散硅芯體之間，擴散硅芯體與傳感器腔體之間進入傳感器內(nèi)腔中。這些部分密封失效會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)部有各種補償電路，水分和潮氣一旦進入接線盒中就會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)工藝上進行改進，才能有效地提高傳感器的密封性。
2 密封性能的改進措施
2.1 芯體部分密封
通過破拆所使用的投入式液位計，發(fā)現(xiàn)擴散硅芯體與芯體夾具之間部位只有一個橡膠圈用來防水，防水具有偶然性。如果水從該O 型密封圈滲入，就直接會觸及電路板，#終導致傳感器的故障。針對這一問題，擴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)過市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)一般在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中，選用的擴散硅芯體標準化而且不易加工，所以該方案可行性較差，只能保留原有的設(shè)計，即采用一道密封圈。為提高該部位密封性能，在實際的安裝時在已有設(shè)計的基礎(chǔ)上，在安裝結(jié)合面涂覆密封膠。從而有效地實現(xiàn)防水密封目的。
2.2 液位計擴散硅夾具與傳感器外殼部分密封
原有的投入式液位計密封結(jié)構(gòu)設(shè)計中，傳感器擴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)象仍然時有發(fā)生。針對這一問題在投入式液位計該結(jié)構(gòu)處通過設(shè)計增加一道O 型密封圈，即兩道密封圈，同時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。由于密封圈之間會有空隙，密封效果極差。與此同時，研究發(fā)現(xiàn)長時間在水中浸泡后，水可以滲透第二個密封圈，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。針對這一問題，在傳感器部接線端該部分采用一個整體螺紋密封圈，這一改進方案不僅提升了密封圈的使用壽命，而且很大程度上增強了密封效果，前后原理圖見圖4、圖5。
2.4 運算放大器電路板防護
對于傳感器而言， 運算放大器電路板本身的防護同樣非常重要，一旦潮氣滲入，極易侵蝕電路，導致傳感器的失效。很多投入式液位計因為沒有采取相應(yīng)措施導致了傳感器電路板遭到破壞。對于該問題通常采用的是電路板防護手段，對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效果（圖6）
3 技術(shù)改進后的密封實驗
3.1 實驗?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
為驗證采取的密封措施的可行性，將三暢投入式液位計的密封做了如上改進加工后，重新加工裝配了一批傳感器（圖7）。將這批投入式液位計校準后進行浸水試驗（圖8）：把抽樣的一批液位計放入如下密封的加壓容器內(nèi)，浸入水中。同時，通過氣泵給加壓裝置加壓，以模擬實際的壓力環(huán)境。時間長達三個月，在這三個月定期對樣品傳感器進行變送器常規(guī)檢測，檢測樣品傳感器的零位輸出檢測。結(jié)果表明每個傳感器零點數(shù)值顯示沒有太大的波動， 各項技術(shù)指標均能滿足設(shè)計要求，密封效果良好。通過該持續(xù)浸水試驗，證明投入式液位計通過改進密封性能取得明顯的提升。
3.2 實驗結(jié)果分析與討論
將改進后的投入式液位計安裝到項目的應(yīng)用上，通過兩年時間使用，并未明顯發(fā)生由傳感器密封問題造成的零點漂移，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%。從浸水實驗和現(xiàn)場使用情況來看通過技術(shù)改進，投入式液位計的密封性能得到很大的提高，進而提高了投入式液位計本身的性能。
4 結(jié)語
通過對投入式液位計機械部分結(jié)構(gòu)上和裝配上的改進研究，有效的提升了投入式液位計的密封性能，進而提高了投入式液位計的穩(wěn)定性和準確性。減少了之前投入式液位計零點漂移等失效現(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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