【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)品的穩定性。通過(guò)對失效的液位計進(jìn)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(wèn)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(shí)驗相結合的方法，通過(guò)對拆解后的傳感器進(jìn)行密封失效機理的研究，找到密封薄弱環(huán)節，提出密封改進(jìn)措施。設計并加工新型投入式液位計，并進(jìn)行實(shí)驗進(jìn)行分析。實(shí)驗結果及現場(chǎng)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(jià)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有著(zhù)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(fā)生變化，隨之應變計阻值發(fā)生變化，傳感器發(fā)生零點(diǎn)漂移、絕緣不良甚至出現傳感器失效現象。實(shí)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(shí)有發(fā)生。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(lái)主要有以下幾類(lèi)： 彈性元件的金屬材料選用及其機械加工與熱處理過(guò)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。國產(chǎn)傳感器在可靠性方面與國外同類(lèi)產(chǎn)品相比，#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%。
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(shí)現》基于A(yíng)RM9 的地下水位遠程監測儀的設計（自引用）】中，共約1500 多個(gè)監測點(diǎn)，都使用了三暢投入式液位傳感器，在項目維護過(guò)程中發(fā)現，有近5%的傳感器失效。筆者從監測現場(chǎng)取回已失效的傳感器共70 條，經(jīng)過(guò)拆解分析共有59 條因密封問(wèn)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(diǎn)漂移，數據異常，甚至不能繼續工作等問(wèn)題，需要維護人員趕赴監測現場(chǎng)更換調試，部分監測點(diǎn)還需要調配吊車(chē)進(jìn)行提泵更換設備。這無(wú)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(jìn)方案，進(jìn)行實(shí)驗研究，提高其密封性能有著(zhù)重大的實(shí)際意義及經(jīng)濟效益。
1 防護與密封失效分析
在市場(chǎng)競爭日益激烈的今天，產(chǎn)品的性能決定著(zhù)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(chǎng)率高的問(wèn)題，我們對返修的傳感器進(jìn)行破拆、測試和分析。通過(guò)研究發(fā)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(guò)程中長(cháng)時(shí)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(shí)就會(huì )造成傳感器穩定性的問(wèn)題，從而導致傳感器的整體失效。
通過(guò)將該地下水位監測項目使用后返修的投入式液位計進(jìn)行了破拆和測繪。發(fā)現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(wèn)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(gè)重要的結合部位。這些部分密封不理想。三暢投入式液位計長(cháng)時(shí)間在水中浸泡后，潮氣和水分會(huì )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(jìn)入傳感器內腔中。這些部分密封失效會(huì )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。在傳感器的空腔內部有各種補償電路，水分和潮氣一旦進(jìn)入接線(xiàn)盒中就會(huì )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(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 密封性能的改進(jìn)措施
2.1 芯體部分密封
通過(guò)破拆所使用的投入式液位計，發(fā)現擴散硅芯體與芯體夾具之間部位只有一個(gè)橡膠圈用來(lái)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(huì )觸及電路板，#終導致傳感器的故障。針對這一問(wèn)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(guò)市場(chǎng)調查發(fā)現一般在實(shí)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(shí)際的安裝時(shí)在已有設計的基礎上，在安裝結合面涂覆密封膠。從而有效地實(shí)現防水密封目的。
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構設計中，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(guò)破拆、測試發(fā)現，這一密封方法的效果并不理想，從該結構處的滲水現象仍然時(shí)有發(fā)生。針對這一問(wèn)題在投入式液位計該結構處通過(guò)設計增加一道O 型密封圈，即兩道密封圈，同時(shí)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(xiàn)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(huì )有空隙，密封效果極差。與此同時(shí)，研究發(fā)現長(cháng)時(shí)間在水中浸泡后，水可以滲透第二個(gè)密封圈，在水的侵蝕作用下，密封圈發(fā)生明顯的老化現象，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(wèn)題，在傳感器部接線(xiàn)端該部分采用一個(gè)整體螺紋密封圈，這一改進(jìn)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(jiàn)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(méi)有采取相應措施導致了傳感器電路板遭到破壞。對于該問(wèn)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(jìn)后的密封實(shí)驗
3.1 實(shí)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(jìn)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(jìn)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，浸入水中。同時(shí)，通過(guò)氣泵給加壓裝置加壓，以模擬實(shí)際的壓力環(huán)境。時(shí)間長(cháng)達三個(gè)月，在這三個(gè)月定期對樣品傳感器進(jìn)行變送器常規檢測，檢測樣品傳感器的零位輸出檢測。結果表明每個(gè)傳感器零點(diǎn)數值顯示沒(méi)有太大的波動(dòng)， 各項技術(shù)指標均能滿(mǎn)足設計要求，密封效果良好。通過(guò)該持續浸水試驗，證明投入式液位計通過(guò)改進(jìn)密封性能取得明顯的提升。
3.2 實(shí)驗結果分析與討論
將改進(jìn)后的投入式液位計安裝到項目的應用上，通過(guò)兩年時(shí)間使用，并未明顯發(fā)生由傳感器密封問(wèn)題造成的零點(diǎn)漂移，數據不穩定或者工作中失效等問(wèn)題。經(jīng)統計發(fā)現投入式的失效率由原來(lái)的5%降低到了1%。從浸水實(shí)驗和現場(chǎng)使用情況來(lái)看通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，投入式液位計的密封性能得到很大的提高，進(jìn)而提高了投入式液位計本身的性能。
4 結語(yǔ)
通過(guò)對投入式液位計機械部分結構上和裝配上的改進(jìn)研究，有效的提升了投入式液位計的密封性能，進(jìn)而提高了投入式液位計的穩定性和準確性。減少了之前投入式液位計零點(diǎn)漂移等失效現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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