液封光电直读水表的技术探讨

　　　　一、概述
　　　　近些年市场上推出的光电直读水表，因其具有抄读精度高，无源、无累计储存，抗抖动、抗电磁干扰等优点，逐渐被供水行业接受，成为市场上的主流产品。开创了供水行业计量抄表最可靠的远程抄表时代。
　　　　2004年光电直读水表产品问世之初，因为液封式光电直读水表的电路防水工艺不过关，现场使用问题多，曾经成为每个生产商烫手的山芋，客户需要但就是没有稳定的产品，只能生产干式结构的光电直读水表。
　　　　液封光电直读水表的技术难题
　　　　因光电直读水表模块需要与计数器密切配合安装在水表中，所以水表的计数器是光电直读水表的关键部件。液封式水表的计数器连同光电直读模块需要长期浸没水中工作，所以模块的防水至关重要。中石油安装的几十万只液封光电直读水表就是主要因模块的防水等问题没有解决，最后只能改为干式光电直读水表。
　　　　液封光电直读水表主要存在什么问题呢？
　　　　1、液封工艺过程
　　　　光电直读水表计数器由计数器盒、字轮、光电直读模块组成。在液封计数器中安装光电直读模块，字轮腔内需要灌液才能成为液封水表。
　　　　字轮腔中灌液后需对液体进行密封，就是灌入的液体不能向外流出，不然液封就会失去作用。字轮腔中密封的液体会增加机械传动的摩擦力，使得水表的始动流量Qs受到影响。降低水表的灵敏度。
　　　　光电器件工作时遇到的最大问题是液封液体中的气泡，发光管发射时遇到气泡光会折射、衍射，光电接收管接收时出现误判。所以液体灌满的光电直读计数器，如出现漏液就会产生气泡，这是影响光电直读水表读数准确的最大天敌。如何解决液封水表漏液问题是各生产厂家都面临的难题。
　　　　2、光电直读模块胶封
　　　　光电直读模块在水中工作需要长期的密封。早期光电直读模块在水表计数器中密封，采用一般的环氧树脂材料，实行一次胶封工艺。环氧树脂在水中长期浸泡，结晶面中的Na离子与水中游离的H2离子会发生互换，当置换到一定时间后，水分子逐步渗透入电路板部位，这样模块在抄表的瞬间就短路。此外，环氧树脂有热胀冷缩的特点，因温度不同，南方生产密封的光电直读计数器去北方就会出现收缩，北方生产密封的光电直读计数器到南方就会出现热胀。
　　　　由于早期生产的光电直读水表产品只重视解决技术问题，忽视了工艺要求、材料选择、地域差别等因素，所以才会在使用过程中出现大量的问题。
　　　　3、光电直读计数器盒
　　　　计数器盒是光电直读水表最关键的部件，这个部件的结构设计、模具加工、材料选择对光电直读模块能否在水表中可靠、安全的工作有着直接影响。
　　　　计数器盒一般采用透明材料注塑，如结构设计不合理，在脱模时就会在塑料件上会留下预应力，留下的预应力就是潜在的问题根源。有的甚至在脱模时就已经龟裂，胶封后字轮被灌胶胶死，无法转动。
　　　　最初，生产厂家是采用光电直读模块从字轮底部安装、胶封方法，但因胶封后会出现电路板短路，造成抄不到表读数的严重问题，便改为在字轮上面安装模块，成为湿式干装的光电直读计数器。但在实际安装使用中，液体从面上渗漏到模块，出现的问题更加严重。
　　　　由于上述技术和工艺问题没有得到解读，更没有人去寻找解决方案，行业内出现了液封光电直读水表做不好的错误观点，使其成为水表行业一个谁都不敢触及的雷区，大部分生产厂家开始转向生产干式光电直读水表。
　　　　那么液封光电直读水表的生产是不是真的就那么难？笔者以为，任何一个产品的开发、生产和使用中都会存在问题需要技术人员去解读、去发现、去解决，液封光电直读水表也一样，需要对出现的问题进行解读，了解问题的真相，然后采取针对性的方法彻底解决。以下就笔者简析如何解决上述问题。
　　　　计数器盒技术
　　　　液封过程对于普通水表来说很简单，不存在问题。但是对于液封光电直读水表来说却不简单。它存在几个方面的问题。第一，光电器件在工作时不允许水中有气泡；第二，液封后计数器盒不允许有变形；第三，计数器盒在液封后不能有龟裂。如何处理这些问题，笔者认为需要通过下例的方法来解决：
    　　消除气泡
　　　　消除气泡对光电直读水表计数器来说，是一个很棘手的问题，首先是工艺流程必须要正确，也就是说液封的时机。在什么时候进行最佳；其次是采用灌液的工艺，或者说采用什么方式；最后是液封后的检查。
　　　　消除气泡，对液封时的密封要求很高，一般在0.6MPa压力下进行，绝对不允许有漏液的现象出现。这就需要字轮轴的轴向密封有可靠的保证措施，这个措施的采取还不能使轴向转动的摩擦力增加。对于水表来说就是不能提高始动流量Qs的值，降低灵敏度，这与密封不漏液是矛盾的，因为密封好了，始动流量肯定会受到影响。相反始动流量灵敏度高了，密封性能不会有很好的效果。
　　　　为了解决这个问题，笔者做了试验。在轴向密封上采用了类似机械密封但不是机械密封的方式。由动环和定环的结构组成，却不是硬密封，采用了轴线密封方式，当有压力时，软密封就会变成硬密封，在没有压力的环境下，始终处于轴线密封。这样将转动摩擦系数降到最低限度，不会降低水表始动灵敏度。
　　　　防止变形
　　　　首先检查安装模块的计数器盒，其透明壁是否有微变形。微变形会改变光电器件光线发射的方向，严重时会出现误读字轮代码，造成读数错误。这个问题只能通过调整工艺顺序解决，即先灌液还是先胶封。
　　　　笔者在安装模块和胶封前预先灌液，灌液后对每个计数器盒中的液体进行检查，有气泡的重新灌液，这样气泡就完全可以排除，保证光电器件在一个绝对不会折射、衍射的环境工作，同时杜绝了灌胶后计数器盒壁产生变形的可能。
　　　　杜绝龟裂
　　　　龟裂最容易产生的位置是插光电器件的透明槽的直边与横边，这两处壁厚不一致。注塑后脱模时由于壁厚不一致，脱模时的拉力会使壁迅速产生应力，当冷却后塑料收缩龟裂就产生。这种龟裂不在明面，而是在夹角处，眼睛看不到，只有在胶封后龟裂处的环氧树脂漏到字轮，字轮被胶封不转，才会发觉。
　　　　笔者对模具进行了防止龟裂的改进：第一，尽可能的将壁厚改为一致；第二，将直角修正为R圆角，卸除交点应力。通过改进，计数器盒龟裂现象很明显减少，几乎没有了。
　　　　龟裂始终是光电直读计数器最大的天敌，为了做到万无一失，每个计数器盒还是要通过最直观的试验验证才可出厂。
　　　　胶封工艺
　　　　模块胶封是保证光电直读模块在水中长期浸泡不出问题的唯一手段，而模块能在水中长期密封涉及多方面因素，如胶封的材料、干燥的时间、胶封的方法等。
　　　　首先是胶封的材料选择，这是最关键的。材料在胶固后化学性能应稳定，被氢离子置换的时间长；第二，胶封的工艺。采用一次胶封还是分层胶封；第三，防止热胀、冷缩引起的龟裂；最后，胶封固化后的测试与检查。
　　　　笔者对上述的技术及工艺进行了细致的分析，查阅很多的技术文献，并通过验证和试验，获得了第一手的实验数据。将其运用在产品生产上获得了直接的效果，解决了模块在水中长期工作的防水问题。
　　　　产品质量保证措施
　　　　合格的液封光电直读水表不仅仅是将计数器盒做好，胶封好的事情。更需要合理的设计及完整的工艺和质量控制的手段。
　　　　抗自然环境危害
　　　　自然环境有雷雨天，南方还有梅雨季节，北方温度差可达到40℃或以上。一个产品要在各种自然环境正常工作，就需要具有以下的设计与工艺要求：
　　　　抗强电冲击的设计
　　　　抗强电冲击是在一个较高的电压环境下，在特定的时间内进行连续冲击时，能够抵御冲击带来的潜在威胁。这需要在电路中增加抗强电冲击功能的设计，增加防雷功能的电子元器件。虽然需要增加一定的成本。但是能够预防雷电带来的危害。
　　　　根据不同的季节采取不同胶封干燥时间
　　　　在不同环境进行胶封操作时，必须根据环境湿度来及时调整干燥的时间，没有足够的时间，就不能保证胶封体彻底干燥。
　　　　抗区域性气候变化引起的胶封体裂纹
　　　　a)中国的北方和南方温度差别很大，南方的温度一般在-10℃～40℃之间，而北方的温度在-30℃～40℃之间。水表虽不能安装在这样的环境，但在水表的运输过程出现这样的温差是很正常的。假如在这样的环境中，胶封体能保证不产生收缩的裂纹吗？笔者认为很难说，但这就是胶封会遇到的现实问题。针对这个问题，我们采取了预防抗裂的措施，保证在-30℃时不会因低温而将胶封体冻裂。
　　　　总线抄表时，故障表可单独识别
　　　　总线不会因出现一只表故障而瘫痪，这是总线制光电直读模块需要解决的重要问题之一。根本的解决方案是采用更可靠设计、选择优质的器件。
　　　　采用专用的芯片，价格高了，但是不会因出现单只表故障而导致该条总线瘫痪的情况发生，其它表可正常工作，同时故障表在操作系统中也很容易识别，方便更换故障表。
　　　　有的厂家为了贪图利润空间或采用低价销售策略，在这些细节上压缩成本，从而导致了不可想象的后果，为用户带来了不可弥补的损失。
　　　　引线保护及检查
　　　　液封光电直读水表的引线防护也是一个重要的问题。好不容易计数器加工完成，检测合格，但是在装入表壳锁紧罩子时，由于没有可靠的防护措施，罩子旋紧时将引线的塑料保护套损坏，造成线路短路。这个防护需要很可靠，同时安装完成后需要测量是否短路。我们在这个防护上下了很大的功夫，做了很多对比选择了一种最可靠的方式，加上后续测试，保证了引线的安全。
　　　　结束语
　　　　液封光电直读水表不是想象中的那么难做，但也不是那么简单好做。只要从原理出发，找到问题的根源，采用正确的解决方法，产品就一定能够做好。我们不断将光电直读模块技术精益求精的过程中，还根据流体力学的原理，将水表的Q3:Q1的比值做到R100倍，R120倍，甚至做到了R160倍。产品电性能提高的同时，其流量性能也随着产品同时升级。(笔者：杜幸浩；联系电话：13958183220；QQ：489445484)