投入式液位計(jì)的密封性改進(jìn)實(shí)驗(yàn)研究

毛潭　張廣濤　張勇杰　周幫平

【摘 要】投入式液位計(jì)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(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)場應(yīng)用效果表明，該方案行之有效。

【關(guān)鍵詞】投入式液位計(jì)；穩(wěn)定性；密封性能；失效機(jī)理；薄弱環(huán)節(jié)

【Abstract】The putting-into-type liquidometer is widely used in water level measurement， and the products stability is partly determined by the sealing performance.Based on the dismantling and analysis of Putting-into-type liquidometers out of operation， the statistics demonstrated that nearly 85% of the failure is caused by sealing problem in the application of Putting-into-type liquidometer.Therefore，a program aiming at improving the putting-into-type liquidometers sealing was proposed. Using the method of theory combining with expriment， through the study of the sensors sealing failure mechanism after dismantling，vulnerable spots were identified and Sealing improvement measures are proposed correspondingly.The new gauge was designed and processed.According to the experiment and analysis，the experimental results and the application effect indicated that the scheme was feasible and effective.

【Key words】Putting-into-type liquidometer； Stability；sealing performance ； Failure mechanism；Vulnerable spot

0 引言

投入式液位變送器以其較高的精度，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[1-4]。投入式液位計(jì)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(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[5-7]。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有發(fā)生。[8-9]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[10-11]。國產(chǎn)傳感器在可靠性方面與國外同類產(chǎn)品相比，最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%[12]。

某地下水位監(jiān)測項(xiàng)目【文獻(xiàn)《基于GPRS的地下水位監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)》基于ARM9的地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)（自引用）】[13-14]中，共約1500多個監(jiān)測點(diǎn)，都使用了投入式液位傳感器，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(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)測現(xiàn)場更換調(diào)試，部分監(jiān)測點(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、物力和財力。因此，針對投入式液位計(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(dāng)前投入式液位計(jì)使用壽命低，返廠率高的問題，我們對返修的傳感器進(jìn)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(hù)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(jìn)入。而傳感器內(nèi)腔中的電阻應(yīng)變計(jì)及補(bǔ)償電路最容易受潮氣影響，當(dāng)應(yīng)變片和補(bǔ)償電路受到潮氣的影響時就會造成傳感器穩(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)測項(xiàng)目使用后返修的投入式液位變送器進(jìn)行了破拆和測繪。發(fā)現(xiàn)投入式液位變送器以下關(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重要的結(jié)合部位。這些部分密封不理想。投入式液位變送器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(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。

2.2 流道特征精加工軌跡規(guī)劃

根據(jù)葉片型線的分布規(guī)律，整體葉輪的流道部分也是從剛開始的窄逐漸變寬，同時葉片最完全的地方也就是整體葉輪流道部分最窄的部分，所以這個地方出現(xiàn)干涉碰撞的頻率十分高。對于一些葉片和葉片之間有很多重疊的部分的葉片加工軌跡的設(shè)計(jì)和規(guī)矩工作，可以使用Interpolate刀軸控制這種方法，所以說，流道軌跡的精細(xì)化加工也十分適用于這種方法。除了Interpolate刀軸控制，Relative to Vector，Relative to Drive等幾種方法也是經(jīng)常會被人們使用的。

需要注意的是，只有對進(jìn)退刀參數(shù)，以及加工參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)規(guī)劃，才能最大程度上保證流道精細(xì)化加工的質(zhì)量和水平。

2.3 干涉檢查幾何的選擇

加工軌跡加工過程中對于碰撞干涉程度的檢測是否能夠順利進(jìn)行，很大程度上都取決于整體葉輪的幾何型面是簡單還是復(fù)雜。只有通過對干涉面進(jìn)行充分的全面的檢查，才能最大程度上防止干涉碰撞和過切。我們通常會碰到的碰撞干涉的種類有以下3種：（1）干涉情況發(fā)生在相鄰葉片和刀具之間；（2）干涉情況發(fā)生在葉片自身和刀具之間；（3）干涉情況發(fā)生在與被加工部分相連接的地方和刀具之間。

綜上所述，本文通過對整體葉輪的數(shù)控加工技術(shù)的詳細(xì)分析和研究，以及使用Interpolate這一方法，這種方法是由NX3.0提供的，同時也進(jìn)行葉片特征的測銑加工軌跡的設(shè)計(jì)規(guī)劃，對于整體葉輪數(shù)控加工的過程和措施進(jìn)行了全面總結(jié)，對于整體葉輪加工效率和水平的提高具有重要的促進(jìn)作用。

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[責(zé)任編輯：王偉平]