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一种水位检测方案的探针失效分析与研究

作者:施炜,杨丽,艾欧史密斯(中国)热水器有限公司时间:2020-10-20来源:电子产品世界收藏
编者按:一款带水位检测的产品在进行加速老化寿命测试的时候发现水位检测探针出现锈蚀、断裂的故障,严重的还出现了水位检测探针被锈蚀断开的现象。经过测试和分析,判断为水位检测电路设计缺陷,从而导致其中一根水位探针上电流过大引起的电解腐蚀和结垢问题。本文对失效原理进行了分析并对电路设计进行了改进,有效提高了探针寿命。


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202010/419389.htm

0   引言

具有储水容器的家电,厨卫电器一般都具有功能。因此对的准确性,可靠性有较高的要求。同时由于储水容器内的水质存在差异(可能是自来水、纯净水、收集废水等),因此对的寿命也有较高的要求。

1   问题发现

我司一款产品上市前进行的加速寿命测试中,发现有多台机器出现一根水位失效的现象。现象明确为严重生锈或锈蚀断开,同时还伴有温度严重的现象,且稳定复现,问题亟待分析解决。

2   失效原因分析

水位锈蚀,温度探头现象如图2.1所示。

严重的为温度探针,温度探针外壳为不锈钢金属此材质,在电路中作为公共参考电极。生锈严重并断掉一截的为水位检测探针。测试条件为自来水敞开式加热70°C,并不停补水,经过大约两个月左右的时间,水的值从自来水的150左右变为超过1000。

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图2.1 水位探针锈蚀和温度探针结垢

2.1电路分析

经过对水位检测电路的分析,并将新产品和老产品进行了对比,发现了一些不同点。

新老产品的检测基本原理是相似的,但是在信号处理上有不同点。老品对水位的检测方法为主电极施加正负5V的周期方波电压,三根检测探针分别通过检测流过探针的电流信号来检测高、中、低三种状态的水位,基本电路如图2.1.1和图2.1.2所示:三极管Q13的基极由MCU控制周期性开关,5V电压经过三极管Q13,再通过隔值电容C7转换为正负电压,施加到水中,经过水电阻之后再被二极管D4整流、电阻R24、R92、电容C20、C27进行RC滤波后变成一个模拟量电平信号给MCU的AD口检测。TVS管TVS1、TVS2和磁珠FB1、FB2用于静电和EFT改善。

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图2.1.1 水位检测电路信号施加端

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图2.1.2 水位检测电路信号检测端,三组

新产品考虑了对主电极的电位保护,防止钝化,对水位检测电路进行了优化:主电极和三个检测电极采用了导极的原理,同时施加周期相同,极性相反的5V方波信号,三个检测电极实时检测电极上的电压信号作为判断。电路方案如图2.1.3和图2.1.4所示:MCU控制主电极施加周期性5V电压,施加电压时正半周期主电极侧三极管Q13打开,三极管Q14关闭,5V电压通过三极管Q13接到电极经过水到达副电极,副电极的三极管Q17关闭,Q18打开,电流经过主电极Q13和副电极Q18到地;负半周期主电极Q13关闭,Q4打开,电极Q17打开,Q18关闭,电流流向为Q17到电极到水再到Q14回到地。三个副电极施加极性相反周期一致的5V电压, MCU进行检测,判断水位。R72和R73为限流电阻,将电极的电压信号提供给MCU检测判断水位。TVS1、TVS2为静电和EFT防护器件。

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图2.1.3信号施加端

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图2.1.4信号检测端,三组

2.2信号测量

对新老两种设计的水位检测电路的电极电压、电流值进行了测量,电流测量点为电极接入处,电压为电极两端。发现在同等条件下老品的检测主探针上流过的电流远远小于新电路主探针上的电流。

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图2.2.1 值为159的自来水两种设计测试结果

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图2.2.2 值为1639的盐水两种设计测试结果

用TDS值为159的自来水测试,新老对比,老品检测主电极探针的平均电流值为0.5mA,新品的平均电流值为1.5mA;在TDS值为1639的水质下测试,老品主电极探针施加电流为1mA左右,而新品施加电极电流达到了15mA左右。实际加严测试时采用的自来水持续加热(温度为70°C),且水位检测端持续施加电流。自来水在加热过程中容易形成水垢,水垢主要成分为钙、镁离子,主要自来水中,硬度越高的水中的钙镁离子越多[1]。自来水再加入过程中消耗后再度添加自来水,随着不停地添加水,其中的Ca、Mg离子也在不断累积。因为在高温下,水中的Ca、Mg盐的溶解度大幅度降低,且在持续的施加电流下,水中的钙、镁、等离子易在阴极形成结垢[2]。在新电路中,为了防止电极钝化,采用了导极的电压施加方式,施加电压的时候是不停变换极性的,正半周期施加端为正,检测端为负,负半周期检测端为正,施加端为负,也就是让原来的阴极变阳极,阳极变阴极[3],同时为了测试的准确性,又必须引入参考电位零点,将温度探针的外壳接地,这就使温度探针外壳电流也很大,导致了结垢严重。电压施加在水位检测探针的铁金属表面,而流过主电极的电流是三个检测电极的电流之和,使主电极加速电解,形成电解[4]。这就不难理解为什么新品的主电极会锈蚀、断裂,温度探针为什么会结垢。

3   改进措施及验证

3.1改进措施

经过分析,电路设计时对水阻的考虑不充分,设计串联电阻阻值偏小导致电路中电流偏大,引起和结垢。图2.1.3中R25,图2.1.4中R82,设计阻值为47欧姆,测试在高TDS值下电流值达到50mA(最大)。将改为主电极串联电阻,三个检测电极串联电阻都改为510K。

3.2效果验证

改进后分别采用了TDS值为7的纯净水、159的自来水、2198的高盐水进行了测试验证,验证效果如下:

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图3.2.1 TDS值为7 的纯净水

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图3.2.2 TDS值为159 的自来水

TDS值为7的纯净水测试,主电极电流值为0.5mA;用TDS值为159的自来水测试,主电极电流值为0.6mA;用TDS值为2198的盐水测试,主电极电流值为0.6mA;再对比老品在高TDS值水质下的测试结果约1.3mA,改进后测试结果优于老品。

经过软禁检测方法调整,在TDS值为0的屈臣氏纯净水到2000以上的盐水均可以准确测试三挡水位数据。经过1个月加速老化测试,达到优于老品的测试结果。

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图3.2.3 TDS值为2198 的盐水

4   结论

本文从问题的发现到失效机理、电路等方面的分析再通过充分的测试验证达到了解决问题的目的。整改方案思路清晰明确,具有一定参考价值。

参考文献:

[1] 张念龙.运城盐湖区域浅层地下水硬度特征及成因初步探讨[J].地下水,2015(6):36-38

[2]肖曾利,蒲春生,时宇等。油田水无机结垢及预测技术研究进展[J].断块油气田,2004,11(6):76278.

[3]徐萌,常明。利用导极的方法实现去除阴极结垢的研究[J].天津理工大学学报,2009,8(4期25卷)23-25。

[4]《海洋大辞典》编辑委员会;严宏谟;李龙章,王永保,邹德臣等.海洋大辞典 A Dictionary of Marine Science:辽宁人民出版社 出版时间:,1998

作者简介:

施炜,硕士学历,2006年毕业于南京理工大学测试计量技术及仪器专业。从事电子电路的硬件设计工作10余年。目前就职于A.O.Smith,负责电控部件的硬件设计工作。获得多项国家专利。

(注:本文来源于《电子产品世界》杂志2020年10月期)



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