投入式液位計的密封性改進實驗研究

毛潭　張廣濤　張勇杰　周幫平

【摘 要】投入式液位計在水位測量中廣泛應用，其密封性決定了產品的穩定性。通過對失效的液位計進行拆解分析，據統計顯示，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，找到密封薄弱環節，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。實驗結果及現場應用效果表明，該方案行之有效。

【關鍵詞】投入式液位計；穩定性；密封性能；失效機理；薄弱環節

【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用[1-4]。投入式液位計的好壞對于高精度測量系統有著重要的意義。例如：傳感器內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生變化，隨之應變計阻值發生變化，傳感器發生零點漂移、 絕緣不良甚至出現傳感器失效現象[5-7]。實際應用中，因液位計失效引起產品不能正常工作，甚至不能工作的情況時有發生。[8-9]因此，液位計的性能直接影響系統的準確性和穩定性。

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劑；制造工藝流程；電路補償與調整；防護與密封等[10-11]。國產傳感器在可靠性方面與國外同類產品相比，最大的差距就在于密封的結構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%[12]。

某地下水位監測項目【文獻《基于GPRS的地下水位監測系統的實現》基于ARM9的地下水位遠程監測儀的設計（自引用）】[13-14]中，共約1500多個監測點，都使用了投入式液位傳感器，在項目維護過程中發現，有近5%的傳感器失效。筆者從監測現場取回已失效的傳感器共70條，經過拆解分析共有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，出現了零點漂移，數據異常，甚至不能繼續工作等問題，需要維護人員趕赴監測現場更換調試，部分監測點還需要調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，產品的性能決定著企業的生命。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。通過研究發現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。而傳感器內腔中的電阻應變計及補償電路最容易受潮氣影響，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測項目使用后返修的投入式液位變送器進行了破拆和測繪。發現投入式液位變送器以下關鍵部位容易發生密封失效問題，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腔中。這些部分密封失效會破壞傳感器正常的工作環境，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，使傳感器零位不穩或損壞，所以必須從傳感器的外殼結構和生產工藝上進行改進，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劃

根據葉片型線的分布規律，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計和規矩工作，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等幾種方法也是經常會被人們使用的。

需要注意的是，只有對進退刀參數，以及加工參數進行科學的設計規劃，才能最大程度上保證流道精細化加工的質量和水平。

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雜。只有通過對干涉面進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）干涉情況發生在相鄰葉片和刀具之間；（2）干涉情況發生在葉片自身和刀具之間；（3）干涉情況發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控加工技術的詳細分析和研究，以及使用Interpolate這一方法，這種方法是由NX3.0提供的，同時也進行葉片特征的測銑加工軌跡的設計規劃，對于整體葉輪數控加工的過程和措施進行了全面總結，對于整體葉輪加工效率和水平的提高具有重要的促進作用。

【參考文獻】

[1]彭芳瑜，鄒孝明，丁繼東，等.面向特征的整體葉輪五軸數控加工技術[J].中國制造業信息化：學術版，2007，36（1）：51-53.

[2]陳文濤，夏芳臣，涂海寧.基于UG&VERICUT整體式葉輪五軸數控加工與仿真[J].組合機床與自動化加工技術，2012（2）：102-104.

[3]李群，陳五一，單鵬，等.基于UG的復雜曲面葉輪三維造型及五軸數控加工技術研究[J].航天制造技術，2007（4）.

[4]付大鵬，馬艷麗.基于Cimatron E8.5的渦輪增壓器整體葉輪五軸數控加工技術研究[J].制造業自動化，2012，34（15）：16-18.

[5]丁剛強.整體葉輪五軸數控加工技術的研究[J].制造技術與機床，2013（4）：100-103.

[責任編輯：王偉平]