【摘要】投入式液位計在水位測量中廣泛應用，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，粘貼的應變計的基底、基底間的粘接層尺寸發(fā)生變化，隨之應變計阻值發(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；電阻應變計與應變粘結(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)腔中的電阻應變計及補償電路#容易受潮氣影響，當應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計的基礎上，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 技術改進后的密封實驗
3.1 實驗模型
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， 各項技術指標均能滿足設計要求，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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