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(shí)由于儲水容器內的水質(zhì)存在差異（可能是自來(lái)水、純凈水、收集廢水等），因此對水位檢測的壽命也有較高的要求。

1   問(wèn)題發(fā)現

我司一款產(chǎn)品上市前進(jìn)行的加速壽命測試中，發(fā)現有多臺機器出現一根水位探針失效的現象?，F象明確為嚴重生銹或銹蝕斷開(kāi)，同時(shí)還伴有溫度探針嚴重結垢的現象，且穩定復現，問(wèn)題亟待分析解決。

2   失效原因分析

水位探針銹蝕，溫度探頭結垢現象如圖2.1所示。

結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(lái)水敞開(kāi)式加熱70°C，并不停補水，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蝕和溫度探針結垢

2.1電路分析

經(jīng)過(guò)對水位檢測電路的分析，并將新產(chǎn)品和老產(chǎn)品進(jìn)行了對比，發(fā)現了一些不同點(diǎn)。

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(diǎn)。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?lè )謩e通過(guò)檢測流過(guò)探針的電流信號來(lái)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(kāi)關(guān)，5V電壓經(jīng)過(guò)三極管Q13，再通過(guò)隔值電容C7轉換為正負電壓，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(jìn)行了優(yōu)化：主電極和三個(gè)檢測電極采用了導極的原理，同時(shí)施加周期相同，極性相反的5V方波信號，三個(gè)檢測電極實(shí)時(shí)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(shí)正半周期主電極側三極管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，電流流向為Q17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，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

對新老兩種設計的水位檢測電路的電極電壓、電流值進(jìn)行了測量，電流測量點(diǎn)為電極接入處，電壓為電極兩端。發(fā)現在同等條件下老品的檢測主探針上流過(guò)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(lái)水兩種設計測試結果

圖2.2.2 TDS值為1639的鹽水兩種設計測試結果

用TDS值為159的自來(lái)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(shí)際加嚴測試時(shí)采用的自來(lái)水持續加熱（溫度為70°C），且水位檢測端持續施加電流。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(zhù)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，且在持續的施加電流下，水中的鈣、鎂、等離子易在陰極形成結垢^[2]。在新電路中，為了防止電極鈍化，采用了導極的電壓施加方式，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，檢測端為負，負半周期檢測端為正，施加端為負，也就是讓原來(lái)的陰極變陽(yáng)極，陽(yáng)極變陰極^[3]，同時(shí)為了測試的準確性，又必須引入參考電位零點(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，導致了結垢嚴重。電壓施加在水位檢測探針的鐵金屬表面，而流過(guò)主電極的電流是三個(gè)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(huì )銹蝕、斷裂，溫度探針為什么會(huì )結垢。

3   改進(jìn)措施及驗證

3.1改進(jìn)措施

經(jīng)過(guò)分析，電路設計時(shí)對水阻的考慮不充分，設計串聯(lián)電阻阻值偏小導致電路中電流偏大，引起腐蝕和結垢。圖2.1.3中R25，圖2.1.4中R82，設計阻值為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(gè)檢測電極串聯(lián)電阻都改為510K。

3.2效果驗證

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(lái)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(lái)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)下的測試結果約1.3mA，改進(jìn)后測試結果優(yōu)于老品。

經(jīng)過(guò)軟禁檢測方法調整，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據。經(jīng)過(guò)1個(gè)月加速老化測試，達到優(yōu)于老品的測試結果。

圖3.2.3 TDS值為2198 的鹽水

4   結論

本文從問(wèn)題的發(fā)現到失效機理、電路等方面的分析再通過(guò)充分的測試驗證達到了解決問(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)測試計量技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè)。從事電子電路的硬件設計工作10余年。目前就職于A(yíng).O.Smith，負責電控部件的硬件設計工作。獲得多項國家專(zhuān)利。

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