一種水位檢測(cè)方案的探針失效分析與研究

0   引言

具有儲(chǔ)水容器的家電，廚衛(wèi)電器一般都具有水位檢測(cè)功能。因此對(duì)水位檢測(cè)的準(zhǔn)確性，可靠性有較高的要求。同時(shí)由于儲(chǔ)水容器內(nèi)的水質(zhì)存在差異（可能是自來(lái)水、純凈水、收集廢水等），因此對(duì)水位檢測(cè)的壽命也有較高的要求。

1   問(wèn)題發(fā)現(xiàn)

我司一款產(chǎn)品上市前進(jìn)行的加速壽命測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)有多臺(tái)機(jī)器出現(xiàn)一根水位探針失效的現(xiàn)象?，F(xiàn)象明確為嚴(yán)重生銹或銹蝕斷開(kāi)，同時(shí)還伴有溫度探針嚴(yán)重結(jié)垢的現(xiàn)象，且穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)，問(wèn)題亟待分析解決。

2   失效原因分析

水位探針銹蝕，溫度探頭結(jié)垢現(xiàn)象如圖2.1所示。

結(jié)垢嚴(yán)重的為溫度探針，溫度探針外殼為不銹鋼金屬此材質(zhì)，在電路中作為公共參考電極。生銹嚴(yán)重并斷掉一截的為水位檢測(cè)探針。測(cè)試條件為自來(lái)水敞開(kāi)式加熱70°C，并不停補(bǔ)水，經(jīng)過(guò)大約兩個(gè)月左右的時(shí)間，水的TDS值從自來(lái)水的150左右變?yōu)槌^(guò)1000。

圖2.1 水位探針?shù)P蝕和溫度探針結(jié)垢

2.1電路分析

經(jīng)過(guò)對(duì)水位檢測(cè)電路的分析，并將新產(chǎn)品和老產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了一些不同點(diǎn)。

新老產(chǎn)品的檢測(cè)基本原理是相似的，但是在信號(hào)處理上有不同點(diǎn)。老品對(duì)水位的檢測(cè)方法為主電極施加正負(fù)5V的周期方波電壓，三根檢測(cè)探針?lè)謩e通過(guò)檢測(cè)流過(guò)探針的電流信號(hào)來(lái)檢測(cè)高、中、低三種狀態(tài)的水位，基本電路如圖2.1.1和圖2.1.2所示：三極管Q13的基極由MCU控制周期性開(kāi)關(guān)，5V電壓經(jīng)過(guò)三極管Q13，再通過(guò)隔值電容C7轉(zhuǎn)換為正負(fù)電壓，施加到水中，經(jīng)過(guò)水電阻之后再被二極管D4整流、電阻R24、R92、電容C20、C27進(jìn)行RC濾波后變成一個(gè)模擬量電平信號(hào)給MCU的AD口檢測(cè)。TVS管TVS1、TVS2和磁珠FB1、FB2用于靜電和EFT改善。

圖2.1.1 水位檢測(cè)電路信號(hào)施加端

圖2.1.2 水位檢測(cè)電路信號(hào)檢測(cè)端，三組

新產(chǎn)品考慮了對(duì)主電極的電位保護(hù)，防止鈍化，對(duì)水位檢測(cè)電路進(jìn)行了優(yōu)化：主電極和三個(gè)檢測(cè)電極采用了導(dǎo)極的原理，同時(shí)施加周期相同，極性相反的5V方波信號(hào)，三個(gè)檢測(cè)電極實(shí)時(shí)檢測(cè)電極上的電壓信號(hào)作為判斷。電路方案如圖2.1.3和圖2.1.4所示：MCU控制主電極施加周期性5V電壓，施加電壓時(shí)正半周期主電極側(cè)三極管Q13打開(kāi)，三極管Q14關(guān)閉，5V電壓通過(guò)三極管Q13接到電極經(jīng)過(guò)水到達(dá)副電極，副電極的三極管Q17關(guān)閉，Q18打開(kāi)，電流經(jīng)過(guò)主電極Q13和副電極Q18到地；負(fù)半周期主電極Q13關(guān)閉，Q4打開(kāi)，電極Q17打開(kāi)，Q18關(guān)閉，電流流向?yàn)镼17到電極到水再到Q14回到地。三個(gè)副電極施加極性相反周期一致的5V電壓， MCU進(jìn)行檢測(cè)，判斷水位。R72和R73為限流電阻，將電極的電壓信號(hào)提供給MCU檢測(cè)判斷水位。TVS1、TVS2為靜電和EFT防護(hù)器件。

圖2.1.3信號(hào)施加端

圖2.1.4信號(hào)檢測(cè)端，三組

2.2信號(hào)測(cè)量

對(duì)新老兩種設(shè)計(jì)的水位檢測(cè)電路的電極電壓、電流值進(jìn)行了測(cè)量，電流測(cè)量點(diǎn)為電極接入處，電壓為電極兩端。發(fā)現(xiàn)在同等條件下老品的檢測(cè)主探針上流過(guò)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于新電路主探針上的電流。

圖2.2.1 TDS值為159的自來(lái)水兩種設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果

圖2.2.2 TDS值為1639的鹽水兩種設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果

用TDS值為159的自來(lái)水測(cè)試，新老對(duì)比，老品檢測(cè)主電極探針的平均電流值為0.5mA，新品的平均電流值為1.5mA；在TDS值為1639的水質(zhì)下測(cè)試，老品主電極探針施加電流為1mA左右，而新品施加電極電流達(dá)到了15mA左右。實(shí)際加嚴(yán)測(cè)試時(shí)采用的自來(lái)水持續(xù)加熱（溫度為70°C），且水位檢測(cè)端持續(xù)施加電流。自來(lái)水在加熱過(guò)程中容易形成水垢，水垢主要成分為鈣、鎂離子，主要自來(lái)水中，硬度越高的水中的鈣鎂離子越多^[1]。自來(lái)水再加入過(guò)程中消耗后再度添加自來(lái)水，隨著不停地添加水，其中的Ca、Mg離子也在不斷累積。因?yàn)樵诟邷叵?，水中的Ca、Mg鹽的溶解度大幅度降低，且在持續(xù)的施加電流下，水中的鈣、鎂、等離子易在陰極形成結(jié)垢^[2]。在新電路中，為了防止電極鈍化，采用了導(dǎo)極的電壓施加方式，施加電壓的時(shí)候是不停變換極性的，正半周期施加端為正，檢測(cè)端為負(fù)，負(fù)半周期檢測(cè)端為正，施加端為負(fù)，也就是讓原來(lái)的陰極變陽(yáng)極，陽(yáng)極變陰極^[3]，同時(shí)為了測(cè)試的準(zhǔn)確性，又必須引入?yún)⒖茧娢涣泓c(diǎn)，將溫度探針的外殼接地，這就使溫度探針外殼電流也很大，導(dǎo)致了結(jié)垢嚴(yán)重。電壓施加在水位檢測(cè)探針的鐵金屬表面，而流過(guò)主電極的電流是三個(gè)檢測(cè)電極的電流之和，使主電極加速電解，形成電解腐蝕^[4]。這就不難理解為什么新品的主電極會(huì)銹蝕、斷裂，溫度探針為什么會(huì)結(jié)垢。

3   改進(jìn)措施及驗(yàn)證

3.1改進(jìn)措施

經(jīng)過(guò)分析，電路設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)水阻的考慮不充分，設(shè)計(jì)串聯(lián)電阻阻值偏小導(dǎo)致電路中電流偏大，引起腐蝕和結(jié)垢。圖2.1.3中R25，圖2.1.4中R82，設(shè)計(jì)阻值為47歐姆，測(cè)試在高TDS值下電流值達(dá)到50mA（最大）。將改為主電極串聯(lián)電阻，三個(gè)檢測(cè)電極串聯(lián)電阻都改為510K。

3.2效果驗(yàn)證

改進(jìn)后分別采用了TDS值為7的純凈水、159的自來(lái)水、2198的高鹽水進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，驗(yàn)證效果如下：

圖3.2.1 TDS值為7 的純凈水

圖3.2.2 TDS值為159 的自來(lái)水

TDS值為7的純凈水測(cè)試，主電極電流值為0.5mA；用TDS值為159的自來(lái)水測(cè)試，主電極電流值為0.6mA；用TDS值為2198的鹽水測(cè)試，主電極電流值為0.6mA；再對(duì)比老品在高TDS值水質(zhì)下的測(cè)試結(jié)果約1.3mA，改進(jìn)后測(cè)試結(jié)果優(yōu)于老品。

經(jīng)過(guò)軟禁檢測(cè)方法調(diào)整，在TDS值為0的屈臣氏純凈水到2000以上的鹽水均可以準(zhǔn)確測(cè)試三擋水位數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)1個(gè)月加速老化測(cè)試，達(dá)到優(yōu)于老品的測(cè)試結(jié)果。

圖3.2.3 TDS值為2198 的鹽水

4   結(jié)論

本文從問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)到失效機(jī)理、電路等方面的分析再通過(guò)充分的測(cè)試驗(yàn)證達(dá)到了解決問(wèn)題的目的。整改方案思路清晰明確，具有一定參考價(jià)值。

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[4]《海洋大辭典》編輯委員會(huì);嚴(yán)宏謨;李龍章,王永保,鄒德臣等．海洋大辭典 A Dictionary of Marine Science：遼寧人民出版社 出版時(shí)間：，1998

作者簡(jiǎn)介：

施煒，碩士學(xué)歷，2006年畢業(yè)于南京理工大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器專業(yè)。從事電子電路的硬件設(shè)計(jì)工作10余年。目前就職于A.O.Smith，負(fù)責(zé)電控部件的硬件設(shè)計(jì)工作。獲得多項(xiàng)國(guó)家專利。

（注：本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）