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電子類水表外殼防護設計的誤區

時間:2012-01-17點擊數:2312

電子類水表通常由于具備了較為強大的管理功能和某些計量性能指標的提高,越來越受用戶的青睞。長期以來,我國的供水行業以使用機械式水表為主,特別是大口徑水表,通常安裝在戶外,遭受日曬、雨淋、水泡、風吹,工作環境較為惡劣,但是機械式水表能夠適應這樣的環境。然而,電子類水表則不然,電子元器件怕水,也怕溫度的極限變化,惡劣的環境對電子類水表是嚴重的挑戰。行業里似乎有一種共識,只有解決電子類水表的環境適應性問題,才能實現電子類水表代替機械水表的目標。
因此,電子類水表的防水能力是各個廠家極力試圖攻克的一個難關,可謂是前赴而后繼。應該說,至今為止,尚未有一個廠家敢拍著胸脯說——我已經完全攻克了。
水表行業將這個問題簡化為外殼防護設計,按照GB 4208-2008《外殼防護等級》確定外殼防護的IP等級。很多廠家認為,如果達到了IP68的防護等級,電子類水表就能夠實現持續在水下工作,滿足惡劣環境的使用要求。
IP68被認為是外殼防護等級中非常高級別了,通過IP68的試驗,產品理論上具備了抗持續潛水的能力。誠然,一些產品已經達到了IP68的外殼防護等級,一些廠家甚至做了持續潛水一年以上的試驗,也證明了產品仍然工作正常。但是,一旦到了實際應用,預想中的IP68等級卻完全不管用,這到底是什么原因?
任何的試驗都僅僅是模擬實際的使用工況,不可能完全達到實際工況的條件。試驗與實際工況的不同表明試驗要求仍然偏低,無法模擬實際工況,這是比較直觀的認識。但是我們需要從更深層次去認識這個問題。
外殼防護失效,表明水已經從防護外殼滲透進了內部電路,破壞了電路的工作特性,導致電路工作不正常。
許多人認為水能夠從外殼滲透進入內部,是因為密封的機械結構設計還存在缺陷。這種觀點也對也不對。為什么?說這樣的觀點對的原因是機械結構可能存在設計缺陷,說這個觀點不對的原因是機械結構可能并不定存在設計缺陷,而是忽略了材料特性的影響。
水從一處轉移到另一處,有兩種運動途徑,一是宏觀運動,二是微觀運動。良好的機構結構設計能夠很好地阻止水的宏觀運動,但未必能阻止水的微觀運動。水的微觀運動是分子級的熱運動,與材料的特性密切相關。要阻止水分子的熱運動,材料本身的分子間隙必須比水分子小。絕大多數的金屬材料有足夠小的分子間隙,能夠阻止水分子的熱運動滲漏,因此,金屬材料的吸水率指標幾乎為零。然而,在電子類水表的密封材料中,經常會使用塑料、橡膠等高分子材料。大多數的高分子材料都有一定的吸水率,并且有較大的體膨脹系數,相當一部分的水正是通過材料本身吸水轉移進去的,而這正是被很多機械設計工程師所疏忽的。
有一個現象可以佐證這個觀點。一個被認為外殼密封結構設計良好的線路板,打開外殼后發現線路板上凝結著一滴滴象汗水一樣的水珠。這個水珠是怎樣形成的?原因很簡單。水分子正是被高分子材料吸入,滲透進了內部空腔,這個過程是日積月累的。而電子水表的低功耗設計也正好助長了這個過程,由于電子線路板沒有足夠的發熱量,使得內部空腔的溫度始終低于外界,形成負壓,水分子進入后沒有足夠的能量再出來,足夠多的水分子形成水蒸汽,水蒸汽冷凝后形成了水滴。
那又怎么來理解長期浸水工作正常,反而到了一會兒浸水一會兒干燥的條件下卻出故障了呢?
要解釋為個現象,首先來了解一下物理學上的熱寂現象。當一個封閉的系統達到絕對的熱平衡后,這個系統會停止一切物理變化和化學變化,進入死寂狀態。也就是說系統越接近熱平衡狀態,它就越穩定。我們的世界之所以五彩繽紛,正是由于宇宙系統能量分布的不平衡。
長期浸水狀態與忽干忽濕的狀態相比,前者的熱平衡狀態顯然比后者更穩定,而忽干忽濕必然伴隨著強烈的熱量交換,無疑分子運動的強度也更加大。在忽干忽濕條件下,還會因為不同材料的膨脹系數不同而產生密封間隙,也加劇了水分子的滲漏。正是在這樣的綜合作用下,一個認為是已經很理想的密封結構設計,仍然產生了意想不到的結果。
感謝設計師們的努力。相信沒有達不到的目的,只有付不起的代價,努力終將會有結果的。
然而在未達到終極目標之前,我們是否可以換一種思路呢?老祖宗大禹治水的故事告訴我們,堵未必是好的選擇,疏堵結合也是一種可選擇的技術路線。電子線路怕水,但經過處理后卻并不怕潮。電子類水表適應不了的工作環境不妨就避開它,當然這需要說服用戶去接受這個現實。事物總會有它的兩面性,揚長而避短才是終極的選擇。


(作者:admin)

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