一種水位檢測方案的探針失效分析與研究

0   引言

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

1   問題發(fā)現(xiàn)

我司一款產(chǎn)品上市前進行的加速壽命測試中，發(fā)現(xiàn)有多臺機器出現(xiàn)一根水位探針失效的現(xiàn)象。現(xiàn)象明確為嚴重生銹或銹蝕斷開，同時還伴有溫度探針嚴重結(jié)垢的現(xiàn)象，且穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)，問題亟待分析解決。

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。生銹嚴重并斷掉一截的為水位檢測探針。測試條件為自來水敞開式加熱70°C，并不停補水，經(jīng)過大約兩個月左右的時間，水的TDS值從自來水的150左右變?yōu)槌^1000。

圖2.1 水位探針銹蝕和溫度探針結(jié)垢

2.1電路分析

經(jīng)過對水位檢測電路的分析，并將新產(chǎn)品和老產(chǎn)品進行了對比，發(fā)現(xiàn)了一些不同點。

新老產(chǎn)品的檢測基本原理是相似的，但是在信號處理上有不同點。老品對水位的檢測方法為主電極施加正負5V的周期方波電壓，三根檢測探針分別通過檢測流過探針的電流信號來檢測高、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控制周期性開關(guān)，5V電壓經(jīng)過三極管Q13，再通過隔值電容C7轉(zhuǎn)換為正負電壓，施加到水中，經(jīng)過水電阻之后再被二極管D4整流、電阻R24、R92、電容C20、C27進行RC濾波后變成一個模擬量電平信號給MCU的AD口檢測。TVS管TVS1、TVS2和磁珠FB1、FB2用于靜電和EFT改善。

圖2.1.1 水位檢測電路信號施加端

圖2.1.2 水位檢測電路信號檢測端，三組

新產(chǎn)品考慮了對主電極的電位保護，防止鈍化，對水位檢測電路進行了優(yōu)化：主電極和三個檢測電極采用了導(dǎo)極的原理，同時施加周期相同，極性相反的5V方波信號，三個檢測電極實時檢測電極上的電壓信號作為判斷。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，施加電壓時正半周期主電極側(cè)三極管Q13打開，三極管Q14關(guān)閉，5V電壓通過三極管Q13接到電極經(jīng)過水到達副電極，副電極的三極管Q17關(guān)閉，Q18打開，電流經(jīng)過主電極Q13和副電極Q18到地；負半周期主電極Q13關(guān)閉，Q4打開，電極Q17打開，Q18關(guān)閉，電流流向為Q17到電極到水再到Q14回到地。三個副電極施加極性相反周期一致的5V電壓， MCU進行檢測，判斷水位。R72和R73為限流電阻，將電極的電壓信號提供給MCU檢測判斷水位。TVS1、TVS2為靜電和EFT防護器件。

圖2.1.3信號施加端

圖2.1.4信號檢測端，三組

2.2信號測量

對新老兩種設(shè)計的水位檢測電路的電極電壓、電流值進行了測量，電流測量點為電極接入處，電壓為電極兩端。發(fā)現(xiàn)在同等條件下老品的檢測主探針上流過的電流遠遠小于新電路主探針上的電流。

圖2.2.1 TDS值為159的自來水兩種設(shè)計測試結(jié)果

圖2.2.2 TDS值為1639的鹽水兩種設(shè)計測試結(jié)果

用TDS值為159的自來水測試，新老對比，老品檢測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到了15mA左右。實際加嚴測試時采用的自來水持續(xù)加熱（溫度為70°C），且水位檢測端持續(xù)施加電流。自來水在加熱過程中容易形成水垢，水垢主要成分為鈣、鎂離子，主要自來水中，硬度越高的水中的鈣鎂離子越多^[1]。自來水再加入過程中消耗后再度添加自來水，隨著不停地添加水，其中的Ca、Mg離子也在不斷累積。因為在高溫下，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，施加電壓的時候是不停變換極性的，正半周期施加端為正，檢測端為負，負半周期檢測端為正，施加端為負，也就是讓原來的陰極變陽極，陽極變陰極^[3]，同時為了測試的準確性，又必須引入?yún)⒖茧娢涣泓c，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)垢嚴重。電壓施加在水位檢測探針的鐵金屬表面，而流過主電極的電流是三個檢測電極的電流之和，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銹蝕、斷裂，溫度探針為什么會結(jié)垢。

3   改進措施及驗證

3.1改進措施

經(jīng)過分析，電路設(shè)計時對水阻的考慮不充分，設(shè)計串聯(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)計阻值為47歐姆，測試在高TDS值下電流值達到50mA（最大）。將改為主電極串聯(lián)電阻，三個檢測電極串聯(lián)電阻都改為510K。

3.2效果驗證

改進后分別采用了TDS值為7的純凈水、159的自來水、2198的高鹽水進行了測試驗證，驗證效果如下：

圖3.2.1 TDS值為7 的純凈水

圖3.2.2 TDS值為159 的自來水

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

經(jīng)過軟禁檢測方法調(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確測試三擋水位數(shù)據(jù)。經(jīng)過1個月加速老化測試，達到優(yōu)于老品的測試結(jié)果。

圖3.2.3 TDS值為2198 的鹽水

4   結(jié)論

本文從問題的發(fā)現(xiàn)到失效機理、電路等方面的分析再通過充分的測試驗證達到了解決問題的目的。整改方案思路清晰明確，具有一定參考價值。

參考文獻：

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[4]《海洋大辭典》編輯委員會;嚴宏謨;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 出版時間：，1998

作者簡介：

施煒，碩士學歷，2006年畢業(yè)于南京理工大學測試計量技術(shù)及儀器專業(yè)。從事電子電路的硬件設(shè)計工作10余年。目前就職于A.O.Smith，負責電控部件的硬件設(shè)計工作。獲得多項國家專利。

（注：本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）