投入式液位计的密封性改进实验研究

毛潭　张广涛　张勇杰　周帮平

"

"

"

【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。

【关键词】投入式液位计；稳定性；密封性能；失效机理；薄弱环节

【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

投入式液位变送器以其较高的精度，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[1-4]。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[5-7]。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。[8-9]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[10-11]。国产传感器在可靠性方面与国外同类产品相比，最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%[12]。

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）】[13-14]中，共约1500多个监测点，都使用了投入式液位传感器，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最容易受潮气影响，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变送器进行了破拆和测绘。发现投入式液位变送器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。投入式液位变送器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。

2.2 流道特征精加工轨迹规划

根据叶片型线的分布规律，整体叶轮的流道部分也是从刚开始的窄逐渐变宽，同时叶片最完全的地方也就是整体叶轮流道部分最窄的部分，所以这个地方出现干涉碰撞的频率十分高。对于一些叶片和叶片之间有很多重叠的部分的叶片加工轨迹的设计和规矩工作，可以使用Interpolate刀轴控制这种方法，所以说，流道轨迹的精细化加工也十分适用于这种方法。除了Interpolate刀轴控制，Relative to Vector，Relative to Drive等几种方法也是经常会被人们使用的。

需要注意的是，只有对进退刀参数，以及加工参数进行科学的设计规划，才能最大程度上保证流道精细化加工的质量和水平。

2.3 干涉检查几何的选择

加工轨迹加工过程中对于碰撞干涉程度的检测是否能够顺利进行，很大程度上都取决于整体叶轮的几何型面是简单还是复杂。只有通过对干涉面进行充分的全面的检查，才能最大程度上防止干涉碰撞和过切。我们通常会碰到的碰撞干涉的种类有以下3种：（1）干涉情况发生在相邻叶片和刀具之间；（2）干涉情况发生在叶片自身和刀具之间；（3）干涉情况发生在与被加工部分相连接的地方和刀具之间。

综上所述，本文通过对整体叶轮的数控加工技术的详细分析和研究，以及使用Interpolate这一方法，这种方法是由NX3.0提供的，同时也进行叶片特征的测铣加工轨迹的设计规划，对于整体叶轮数控加工的过程和措施进行了全面总结，对于整体叶轮加工效率和水平的提高具有重要的促进作用。

【参考文献】

[1]彭芳瑜，邹孝明，丁继东，等.面向特征的整体叶轮五轴数控加工技术[J].中国制造业信息化：学术版，2007，36（1）：51-53.

[2]陈文涛，夏芳臣，涂海宁.基于UG&VERICUT整体式叶轮五轴数控加工与仿真[J].组合机床与自动化加工技术，2012（2）：102-104.

[3]李群，陈五一，单鹏，等.基于UG的复杂曲面叶轮三维造型及五轴数控加工技术研究[J].航天制造技术，2007（4）.

[4]付大鹏，马艳丽.基于Cimatron E8.5的涡轮增压器整体叶轮五轴数控加工技术研究[J].制造业自动化，2012，34（15）：16-18.

[5]丁刚强.整体叶轮五轴数控加工技术的研究[J].制造技术与机床，2013（4）：100-103.

[责任编辑：王伟平]