投入式液位计的密封性改进实验研究-铂睿测控

【摘要】投入式液位计在水位测量中广泛应用，其密封性决定了产品的稳定性。通过对失效的液位计进行拆解分析，据统计显示，投入式液位计应用中近85%的失效是由密封问题造成的。因此，针对提高投入式液位计的密封性提出方案，利用理论与实验相结合的方法，通过对拆解后的传感器进行密封失效机理的研究，找到密封薄弱环节，提出密封改进措施。设计并加工新型投入式液位计，并进行实验进行分析。实验结果及现场应用效果表明，该方案行之有效。

0 引言
投入式液位计以其较高的精度，较低廉的价格及方便的安装在水位测量中得到广泛的应用。投入式液位计的好坏对于高精度测量系统有着重要的意义。例如：传感器内部受潮对传感器造成严重破坏，粘贴的应变计的基底、基底间的粘接层尺寸发生变化，随之应变计阻值发生变化，传感器发生零点漂移、绝缘不良甚至出现传感器失效现象。实际应用中，因液位计失效引起产品不能正常工作，甚至不能工作的情况时有发生。因此，液位计的性能直接影响系统的准确性和稳定性。
     液位传感器失效的影响因素有很多，除去人为因素，归纳起来主要有以下几类： 弹性元件的金属材料选用及其机械加工与热处理过程；电阻应变计与应变粘结剂；制造工艺流程；电路补偿与调整；防护与密封等。国产传感器在可靠性方面与国外同类产品相比，非常大的差距就在于密封的结构和工艺设计得不合理，因密封不妥而造成传感器的损坏约占70-85%。
       某地下水位监测项目【文献《基于GPRS 的地下水位监测系统的实现》基于ARM9 的地下水位远程监测仪的设计（自引用）】中，共约1500 多个监测点，都使用了三畅投入式液位传感器，在项目维护过程中发现，有近5%的传感器失效。笔者从监测现场取回已失效的传感器共70 条，经过拆解分析共有59 条因密封问题导致传感器失效（图1），比例高达近85%。传感器失效后，出现了零点漂移，数据异常，甚至不能继续工作等问题，需要维护人员赶赴监测现场更换调试，部分监测点还需要调配吊车进行提泵更换设备。这无疑增加了项目的成本，耗费大量的人力、物力和财力。因此，针对三畅投入式液位计的密封性提出改进方案，进行实验研究，提高其密封性能有着重大的实际意义及经济效益。

1 防护与密封失效分析
         在市场竞争日益激烈的今天，产品的性能决定着企业的生命。为了解决当前投入式液位计使用寿命低，返厂率高的问题，我们对返修的传感器进行破拆、测试和分析。通过研究发现传感器的失效大都是传感器的防护与密封性能差的原因造成的。传感器在工作过程中长时间浸泡在水中，如果密封性能差的传感器很容易被潮气进入。而传感器内腔中的电阻应变计及补偿电路非常容易受潮气影响，当应变片和补偿电路受到潮气的影响时就会造成传感器稳定性的问题，从而导致传感器的整体失效。
       通过将该地下水位监测项目使用后返修的投入式液位计进行了破拆和测绘。发现三畅投入式液位计以下关键部位容易发生密封失效问题，如膜片部件本身电路板，运算放大器电路板及传感器本身的几个重要的结合部位。这些部分密封不理想。三畅投入式液位计长时间在水中浸泡后，潮气和水分会从传感器尾部与腔体之间，扩散硅芯体夹具与扩散硅芯体之间，扩散硅芯体与传感器腔体之间进入传感器内腔中。这些部分密封失效会破坏传感器正常的工作环境，不仅如此，由于大部分电路板本身由于缺乏必要的防护措施，加剧了水分的破坏效果。在传感器的空腔内部有各种补偿电路，水分和潮气一旦进入接线盒中就会造成传感器绝缘降低甚至通路，使传感器零位不稳或损坏，所以必须从传感器的外壳结构和生产工艺上进行改进，才能有效地提高传感器的密封性。

2 密封性能的改进措施
2.1 芯体部分密封
        通过破拆所使用的投入式液位计，发现扩散硅芯体与芯体夹具之间部位只有一个橡胶圈用来防水，防水具有偶然性。如果水从该O 型密封圈渗入，就直接会触及电路板，非常终导致传感器的故障。针对这一问题，扩散硅芯体拟采用增加O 型密封圈的方式，降低渗水概率，提高其密封性能。但是，经过市场调查发现一般在实际的生产应用中，选用的扩散硅芯体标准化而且不易加工，所以该方案可行性较差，只能保留原有的设计，即采用一道密封圈。为提高该部位密封性能，在实际的安装时在已有设计的基础上，在安装结合面涂覆密封胶。从而有效地实现防水密封目的。
2.2 液位计扩散硅夹具与传感器外壳部分密封
        原有的投入式液位计密封结构设计中，传感器扩散硅芯体夹具与传感器外壳连接处密封措施是采用一道O 型密封圈防水，并且螺纹上涂覆有密封胶。通过破拆、测试发现，这一密封方法的效果并不理想，从该结构处的渗水现象仍然时有发生。针对这一问题在投入式液位计该结构处通过设计增加一道O 型密封圈，即两道密封圈，同时在接触面涂覆密封胶，这一方案很大程度上增加有效的密封面积，防水效果较明显，图2、图3 修改前后的原理图。

2.3 变送器尾部接线端部分密封
        原有的传感器尾部密封采用叠加的V 型密封圈密封，如图1 中所示。由于密封圈之间会有空隙，密封效果极差。与此同时，研究发现长时间在水中浸泡后，水可以渗透第二个密封圈，在水的侵蚀作用下，密封圈发生明显的老化现象，密封圈的使用寿命下降，从而加剧了该处的密封失效。针对这一问题，在传感器部接线端该部分采用一个整体螺纹密封圈，这一改进方案不仅提升了密封圈的使用寿命，而且很大程度上增强了密封效果，前后原理图见图4、图5。

2.4 运算放大器电路板防护
对于传感器而言， 运算放大器电路板本身的防护同样非常重要，一旦潮气渗入，极易侵蚀电路，导致传感器的失效。很多投入式液位计因为没有采取相应措施导致了传感器电路板遭到破坏。对于该问题通常采用的是电路板防护手段，对电路板本身采用三防漆涂覆，常用的三防漆有S01-3 聚氨基甲酸脂绝缘清漆、DC-12577 有机硅清漆等，施工一般是在低于60℃下烘干或常温自干。该措施能起到很好的防护效果（图6）

3 技术改进后的密封实验
3.1 实验模型
          为验证采取的密封措施的可行性，将三畅投入式液位计的密封做了如上改进加工后，重新加工装配了一批传感器（图7）。将这批投入式液位计校准后进行浸水试验（图8）：把抽样的一批液位计放入如下密封的加压容器内，浸入水中。同时，通过气泵给加压装置加压，以模拟实际的压力环境。时间长达三个月，在这三个月定期对样品传感器进行变送器常规检测，检测样品传感器的零位输出检测。结果表明每个传感器零点数值显示没有太大的波动， 各项技术指标均能满足设计要求，密封效果良好。通过该持续浸水试验，证明投入式液位计通过改进密封性能取得明显的提升。

3.2 实验结果分析与讨论
         将改进后的投入式液位计安装到项目的应用上，通过两年时间使用，并未明显发生由传感器密封问题造成的零点漂移，数据不稳定或者工作中失效等问题。经统计发现投入式的失效率由原来的5%降低到了1%。从浸水实验和现场使用情况来看通过技术改进，投入式液位计的密封性能得到很大的提高，进而提高了投入式液位计本身的性能。

4 结语
     通过对投入式液位计机械部分结构上和装配上的改进研究，有效的提升了投入式液位计的密封性能，进而提高了投入式液位计的稳定性和准确性。减少了之前投入式液位计零点漂移等失效现象造成的较高的返修率，提升了传感器的质量和性能。