液封光電直讀水表的技術探討

      摘要：近些年市場上推出的光電直讀水表，因其具有抄讀精度高，不需要長期供電，抗抖動、抗電磁干擾等優(yōu)點，逐漸被廣大用戶接受，成為市場上的主流產(chǎn)品。本文以液封光電直讀水表為基礎，闡述了液封光電直讀水表的生產(chǎn)使用中出現(xiàn)的問題及解決方案。
　　
　　關鍵詞：液封光電直讀水表 膠封 計數(shù)器盒
　　
　　一、概述
　　
　　近些年市場上推出的光電直讀水表，因其具有抄讀精度高，無源、無累計儲存，抗抖動、抗電磁干擾等優(yōu)點，逐漸被供水行業(yè)接受，成為市場上的主流產(chǎn)品。開創(chuàng)了供水行業(yè)計量抄表*可靠的遠程抄表時代。
　　
　　2004年光電直讀水表產(chǎn)品問世之初，因為液封式光電直讀水表的電路防水工藝不過關，現(xiàn)場使用問題多，曾經(jīng)成為每個生產(chǎn)商燙手的山芋，客戶需要但就是沒有穩(wěn)定的產(chǎn)品，只能生產(chǎn)干式結構的光電直讀水表。
　　
　　液封光電直讀水表的技術難題
　　
　　因光電直讀水表模塊需要與計數(shù)器密切配合安裝在水表中，所以水表的計數(shù)器是光電直讀水表的關鍵部件。液封式水表的計數(shù)器連同光電直讀模塊需要長期浸沒水中工作，所以模塊的防水至關重要。中石油安裝的幾十萬只液封光電直讀水表就是主要因模塊的防水等問題沒有解決，*后只能改為干式光電直讀水表。
　　
　　液封光電直讀水表主要存在什么問題呢？
　　
　　1、液封工藝過程
　　
　　光電直讀水表計數(shù)器由計數(shù)器盒、字輪、光電直讀模塊組成。在液封計數(shù)器中安裝光電直讀模塊，字輪腔內(nèi)需要灌液才能成為液封水表。
　　
　　字輪腔中灌液后需對液體進行密封，就是灌入的液體不能向外流出，不然液封就會失去作用。字輪腔中密封的液體會增加機械傳動的摩擦力，使得水表的始動流量Qs受到影響。降低水表的靈敏度。
　　
　　光電器件工作時遇到的*大問題是液封液體中的氣泡，發(fā)光管發(fā)射時遇到氣泡光會折射、衍射，光電接收管接收時出現(xiàn)誤判。所以液體灌滿的光電直讀計數(shù)器，如出現(xiàn)漏液就會產(chǎn)生氣泡，這是影響光電直讀水表讀數(shù)準確的*大天敵。如何解決液封水表漏液問題是各生產(chǎn)廠家都面臨的難題。
　　
　　2、光電直讀模塊膠封
　　
　　光電直讀模塊在水中工作需要長期的密封。早期光電直讀模塊在水表計數(shù)器中密封，采用一般的環(huán)氧樹脂材料，實行一次膠封工藝。環(huán)氧樹脂在水中長期浸泡，結晶面中的Na離子與水中游離的H2離子會發(fā)生互換，當置換到一定時間后，水分子逐步滲透入電路板部位，這樣模塊在抄表的瞬間就短路。此外，環(huán)氧樹脂有熱脹冷縮的特點，因溫度不同，南方生產(chǎn)密封的光電直讀計數(shù)器去北方就會出現(xiàn)收縮，北方生產(chǎn)密封的光電直讀計數(shù)器到南方就會出現(xiàn)熱脹。
　　
　　由于早期生產(chǎn)的光電直讀水表產(chǎn)品只重視解決技術問題，忽視了工藝要求、材料選擇、地域差別等因素，所以才會在使用過程中出現(xiàn)大量的問題。
　　
　　3、光電直讀計數(shù)器盒
　　
　　計數(shù)器盒是光電直讀水表*關鍵的部件，這個部件的結構設計、模具加工、材料選擇對光電直讀模塊能否在水表中可靠、**的工作有著直接影響。
　　
　　計數(shù)器盒一般采用透明材料注塑，如結構設計不合理，在脫模時就會在塑料件上會留下預應力，留下的預應力就是潛在的問題根源。有的甚至在脫模時就已經(jīng)龜裂，膠封后字輪被灌膠膠死，無法轉(zhuǎn)動。
　　
　　*初，生產(chǎn)廠家是采用光電直讀模塊從字輪底部安裝、膠封方法，但因膠封后會出現(xiàn)電路板短路，造成抄不到表讀數(shù)的嚴重問題，便改為在字輪上面安裝模塊，成為濕式干裝的光電直讀計數(shù)器。但在實際安裝使用中，液體從面上滲漏到模塊，出現(xiàn)的問題更加嚴重。
　　
　　由于上述技術和工藝問題沒有得到解讀，更沒有人去尋找解決方案，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)了液封光電直讀水表做不好的錯誤觀點，使其成為水表行業(yè)一個誰都不敢觸及的雷區(qū)，大部分生產(chǎn)廠家開始轉(zhuǎn)向生產(chǎn)干式光電直讀水表。
　　
　　那么液封光電直讀水表的生產(chǎn)是不是真的就那么難？筆者以為，任何一個產(chǎn)品的開發(fā)、生產(chǎn)和使用中都會存在問題需要技術人員去解讀、去發(fā)現(xiàn)、去解決，液封光電直讀水表也一樣，需要對出現(xiàn)的問題進行解讀，了解問題，然后采取針對性的方法徹底解決。以下就筆者簡析如何解決上述問題。
　　
　　計數(shù)器盒技術
　　
　　液封過程對于普通水表來說很簡單，不存在問題。但是對于液封光電直讀水表來說卻不簡單。它存在幾個方面的問題。**，光電器件在工作時不允許水中有氣泡；**，液封后計數(shù)器盒不允許有變形；第三，計數(shù)器盒在液封后不能有龜裂。如何處理這些問題，筆者認為需要通過下例的方法來解決：

消除氣泡
　　
　　消除氣泡對光電直讀水表計數(shù)器來說，是一個很棘手的問題，首先是工藝流程必須要正確，也就是說液封的時機。在什么時候進行*佳；其次是采用灌液的工藝，或者說采用什么方式；*后是液封后的檢查。
　　
　　消除氣泡，對液封時的密封要求很高，一般在0.6MPa壓力下進行，**不允許有漏液的現(xiàn)象出現(xiàn)。這就需要字輪軸的軸向密封有可靠的保證措施，這個措施的采取還不能使軸向轉(zhuǎn)動的摩擦力增加。對于水表來說就是不能提高始動流量Qs的值，降低靈敏度，這與密封不漏液是矛盾的，因為密封好了，始動流量肯定會受到影響。相反始動流量靈敏度高了，密封性能不會有很好的效果。
　　
　　為了解決這個問題，筆者做了試驗。在軸向密封上采用了類似機械密封但不是機械密封的方式。由動環(huán)和定環(huán)的結構組成，卻不是硬密封，采用了軸線密封方式，當有壓力時，軟密封就會變成硬密封，在沒有壓力的環(huán)境下，始終處于軸線密封。這樣將轉(zhuǎn)動摩擦系數(shù)降到*低限度，不會降低水表始動靈敏度。
　　
　　防止變形
　　
　　首先檢查安裝模塊的計數(shù)器盒，其透明壁是否有微變形。微變形會改變光電器件光線發(fā)射的方向，嚴重時會出現(xiàn)誤讀字輪代碼，造成讀數(shù)錯誤。這個問題只能通過調(diào)整工藝順序解決，即先灌液還是先膠封。
　　
　　筆者在安裝模塊和膠封前預先灌液，灌液后對每個計數(shù)器盒中的液體進行檢查，有氣泡的重新灌液，這樣氣泡就完全可以排除，保證光電器件在一個**不會折射、衍射的環(huán)境工作，同時杜絕了灌膠后計數(shù)器盒壁產(chǎn)生變形的可能。
　　
　　杜絕龜裂
　　
　　龜裂*容易產(chǎn)生的位置是插光電器件的透明槽的直邊與橫邊，這兩處壁厚不一致。注塑后脫模時由于壁厚不一致，脫模時的拉力會使壁迅速產(chǎn)生應力，當冷卻后塑料收縮龜裂就產(chǎn)生。這種龜裂不在明面，而是在夾角處，眼睛看不到，只有在膠封后龜裂處的環(huán)氧樹脂漏到字輪，字輪被膠封不轉(zhuǎn)，才會發(fā)覺。
　　
　　筆者對模具進行了防止龜裂的改進：**，盡可能的將壁厚改為一致；**，將直角修正為R圓角，卸除交點應力。通過改進，計數(shù)器盒龜裂現(xiàn)象很明顯減少，幾乎沒有了。
　　
　　龜裂始終是光電直讀計數(shù)器*大的天敵，為了做到萬無一失，每個計數(shù)器盒還是要通過*直觀的試驗驗證才可出廠。
　　
　　膠封工藝
　　
　　模塊膠封是保證光電直讀模塊在水中長期浸泡不出問題的**手段，而模塊能在水中長期密封涉及多方面因素，如膠封的材料、干燥的時間、膠封的方法等。
　　
　　首先是膠封的材料選擇，這是*關鍵的。材料在膠固后化學性能應穩(wěn)定，被氫離子置換的時間長；**，膠封的工藝。采用一次膠封還是分層膠封；第三，防止熱脹、冷縮引起的龜裂；*后，膠封固化后的測試與檢查。
　　
　　筆者對上述的技術及工藝進行了細致的分析，查閱很多的技術文獻，并通過驗證和試驗，獲得了**手的實驗數(shù)據(jù)。將其運用在產(chǎn)品生產(chǎn)上獲得了直接的效果，解決了模塊在水中長期工作的防水問題。
　　
　　產(chǎn)品質(zhì)量保證措施
　　
　　合格的液封光電直讀水表不僅僅是將計數(shù)器盒做好，膠封好的事情。更需要合理的設計及完整的工藝和質(zhì)量控制的手段。
　　
　　抗自然環(huán)境危害
　　
　　自然環(huán)境有雷雨天，南方還有梅雨季節(jié)，北方溫度差可達到40℃或以上。一個產(chǎn)品要在各種自然環(huán)境正常工作，就需要具有以下的設計與工藝要求：
　　
　　抗強電沖擊的設計
　　
　　抗強電沖擊是在一個較高的電壓環(huán)境下，在特定的時間內(nèi)進行連續(xù)沖擊時，能夠抵御沖擊帶來的潛在威脅。這需要在電路中增加抗強電沖擊功能的設計，增加防雷功能的電子元器件。雖然需要增加一定的成本。但是能夠預防雷電帶來的危害。
　　
　　根據(jù)不同的季節(jié)采取不同膠封干燥時間
　　
　　在不同環(huán)境進行膠封操作時，必須根據(jù)環(huán)境濕度來及時調(diào)整干燥的時間，沒有足夠的時間，就不能保證膠封體徹底干燥。
　　
　　抗區(qū)域性氣候變化引起的膠封體裂紋
　　
　　a)中國的北方和南方溫度差別很大，南方的溫度一般在-10℃～40℃之間，而北方的溫度在-30℃～40℃之間。水表雖不能安裝在這樣的環(huán)境，但在水表的運輸過程出現(xiàn)這樣的溫差是很正常的。假如在這樣的環(huán)境中，膠封體能保證不產(chǎn)生收縮的裂紋嗎？筆者認為很難說，但這就是膠封會遇到的現(xiàn)實問題。針對這個問題，我們采取了預防抗裂的措施，保證在-30℃時不會因低溫而將膠封體凍裂。
　　
　　總線抄表時，故障表可單獨識別
　　
　　總線不會因出現(xiàn)一只表故障而癱瘓，這是總線制光電直讀模塊需要解決的重要問題之一。根本的解決方案是采用更可靠設計、選擇上等的器件。
　　
　　采用專用的芯片，價格高了，但是不會因出現(xiàn)單只表故障而導致該條總線癱瘓的情況發(fā)生，其它表可正常工作，同時故障表在操作系統(tǒng)中也很容易識別，方便更換故障表。
　　
　　有的廠家為了貪圖利潤空間或采用低價銷售策略，在這些細節(jié)上壓縮成本，從而導致了不可想象的后果，為用戶帶來了不可彌補的損失。
　　
　　引線保護及檢查
　　
　　液封光電直讀水表的引線防護也是一個重要的問題。好不容易計數(shù)器加工完成，檢測合格，但是在裝入表殼鎖緊罩子時，由于沒有可靠的防護措施，罩子旋緊時將引線的塑料保護套損壞，造成線路短路。這個防護需要很可靠，同時安裝完成后需要測量是否短路。我們在這個防護上下了很大的功夫，做了很多對比選擇了一種*可靠的方式，加上后續(xù)測試，保證了引線的**。
　　
　　結束語
　　
　　液封光電直讀水表不是想象中的那么難做，但也不是那么簡單好做。只要從原理出發(fā)，找到問題的根源，采用正確的解決方法，產(chǎn)品就一定能夠做好。我們不斷將光電直讀模塊技術精益求精的過程中，還根據(jù)流體力學的原理，將水表的Q3:Q1的比值做到R100倍，R120倍，甚至做到了R160倍。產(chǎn)品電性能提高的同時，其流量性能也隨著產(chǎn)品同時升級。