带电子装置水表的外壳防护

作者:赵建亮来源:环球表计

01


从机械式水表到带电子装置的水表,再到电子装置外壳防护性能

水表伴随着自来水工业的发展,在全世界的应用有近 200 年的历史。回顾我国水表产业快速发展的 40 年历史,从曾经的机械式水表一统天下,到带电子装置的机械式水表占有一席之地,再到电子式水表开始崭露头角,水表电子化方向发展的脉络非常清晰。未来,随着传感器、材料、电子、电池和算法等技术的进步,电子测量原理的水表代替机械测量原理的水表将是不可逆转的趋势。这一判断不仅仅是基于技术发展的逻辑,也是基于商业竞争的逻辑。机械产品的直观性决定了具有更容易被仿制的特点,产品技术性能的差异化会被逐渐填平,竞争聚焦于价格,行业领先者,包括国内和国际企业,终将难以保持持久的领先优势,势必需要另辟蹊径转移竞争焦点。

与机械式水表相比,带电子装置的水表(包括带电子装置的机械式水表和电子式水表) 除了计量主功能外,还可以实现更多的基于智能化和信息化管理需求的辅助功能,电子式水表还能借助于电子修正技术实现更好的计量性能。然而事物总会有正反二重性,机械式水表虽然功能单一,但具有较高的可靠性和环境适应性——除了需要考虑冰冻和极其罕见的高温环境等个别因素之外,几乎不需要对环境条件提出额外的要求,包括可以反复浸泡在水中工作。带电子装置的水表是比机械式水表更为复杂的系统,电子电路天然地对环境条件敏感, 其可靠性依赖于针对特定场景应用需求的设计,任何偏离保证设计性能的工作条件都可能导致电子装置出现故障。

我国供水部门长期以来习惯于使用机械式水表,在推广应用带电子装置水表的过程中尚未对工作环境条件的适应性引起足够的重视,普遍存在设计标准和材料标准偏低、施工管理规范性差等问题,并习惯于将问题责任转嫁给水表制造企业。水表制造企业也往往基于商业利益考虑,没有有效地说服、指导供水部门合理使用水表,有的原因可能来自于认识不足, 有的原因则可能来自于故意夸大和误导。

水表制造企业为了迎合供水部门埋地安装、浸水泡水使用等要求,极力提高电子装置的外壳防护等级,纷纷声称能够达到 IP67 乃至IP68 等级,更有甚者声称本水表经过长达 1 年、2 年乃至 3 年的持续浸水试验,以此证明外壳防护性能的优越性远超标准要求。然而实际应用过程中电子装置外壳防护性能引发的质量纠纷已经成为当前的一个关注焦点。本文旨在以通俗方式阐述带电子装置水表外壳防护的结构机理、存在问题以及解决方案。


02


带电子装置水表外壳防护的结构机理


(1)外壳防护

外壳防护的概念来源于国家标准 GB/T 4208-2017《外壳防护等级(IP 代码)》(等同采用国际标准 IEC   60529:2001),是指具有一定工作危险性的电气设备保护性外壳所具备的防护能力,包括:
①防止人体接近壳内危险部件的能力;
②防止固体异物进入壳内设备的能力,
③防止由于水进入壳内对设备造成有害影响的能力。

国家标准将这种防护能力以 IP 代码(International Protection 的缩略)的形式由低到高分级表示,即为外壳防护等级。由于 IP 代码为国际通行的防护等级表示方法,逐渐由电气设备延伸推广至各类电工电子产品普遍采用,甚至一些机械产品的结构密封性能也参照采用。

外壳防护等级的 IP 代码表示方法如图 1 所示。

图 1 IP 代码的表示方法

GB/T 4208-2017 将 IP 代码按防护能力由低到高如表 1 所示分成了 9 个等级。


图片


需要注意的是GB/T 4208-2017 界定的外壳防护能力是指防止宏观或亚宏观的液态水进入设备内部的能力,并不包括防止水以微观分子态进入的能力。

液态水是指水分子之间由氢键相互作用而凝聚在一起的液相水分子群,如图 2 所示,其尺度远远大于单个水分子。


图片

图 2 氢键作用下的液态水模拟图


因此只要物体的密封间隙小于液态水分子群的尺度,液态水是无法进入物体内部的,除非有外部能量破坏液态水分子之间的氢键,形成更小的液相水分子群乃至单个水分子。由此我们可以解释为什么有的电子装置浸泡在水中一年乃至更长的时间,电子部件未明显受到水的侵害,其根本原因就在于电子部件密封外壳的间隙很小,足以阻止液态水的进入。这也意味着如果水以游离态的单个水分子形态存在时,同时物体的结合间隙或分子间隙大于单个水分子的尺度时,是完全有可能进入物体内部的。事实上这样的例子很多,水分子进出细胞膜的过程,水的膜滤过程等都说明了这一判断的成立。


(2)水分的迁移


水分作为一种物质在其它物质(介质)中的迁移主要有宏观和微观两种途径。宏观途径即为液相或汽相形态的流动,微观途径则是一种游离态的分子热运动。下文着重讨论微观迁移途径。
德国科学家菲克(Adolf Fick)于 1855 年建立了物质从高浓度区向低浓度区迁移的扩散方程,见式(1)。
图片

式中 J 表示扩散通量,单位为 kg/(m2﹒s);D 为扩散系数,取决于扩散物质和扩散介质的种类及其温度和压力,单位为 m2/s;c 为物质的体积浓度,单位为 kg/m3;i、j、k 分别表示 x、y、z 三个方向的单位向量,图片分别表示 x、y、z 三个方向的浓度梯度。

扩散总质量如式(2)所示。
图片

式中 m 为扩散总质量,A 为扩散面积,t 为扩散时间。扩散总质量与扩散面积和扩散时间成正比。

扩散运动在微观上表现为无规则的分子热运动,宏观上则表现为分子群的整体定向迁移。

扩散物质、扩散介质及其所处的环境条件组成扩散系统。由式(1)可知,扩散运动的发生必须同时满足两个条件,一是扩散系数不为零,二是浓度梯度不为零。只要扩散系统不满足上述任一条件,扩散运动即可停止。

当扩散系统没有外来能量的作用时,所发生的扩散运动称为自由扩散。浓度梯度形成的化学势使得分子具有自由能,实现从高浓度区向低浓度区迁移。随着浓度逐渐均匀,梯度趋向于零,化学势也趋向于零,扩散运动也趋向于停止。这一现象可以解释电子装置长期浸泡在水中时仍具有很好防护效果的原因。如图 3 所示,当电子装置浸入水中以后,由于电子装置的防护外壳具备防止宏观液态水进入的能力,故水只能以游离分子形态进入内部,防护外壳外部的水分子在浓度差的作用下以自由扩散的方式向内部迁移。当外壳材料饱和吸收水, 也即壳体材料中水的浓度梯度趋向于零,即形成了(动态)平衡态,则水的扩散运动也趋于停止。在一定的时间内,由于防护外壳内部没有进入足够多的水分子来形成液态水,使得电子元器件和电子线路未受到水的显著影响,故仍呈现为防护有效的表象。


图片

图 3 长期浸在水中的电子装置


当扩散系统有外来能量作用时,扩散物质会形成增强扩散效应,乃至在能量的作用下形成定向漂移。外来能量的形态有重力场、温度场、压力场、电场、辐射场等。如果在扩散系统的末端进一步发生相变,使汽相变成液相,则增强扩散或定向漂移的物质迁移过程会持续或者循环进行。在这种情形下,物质迁移平衡态的建立依赖于外部能量的强度以及持续时间的长度,电子装置的外壳防护能力将面临更严酷的考验。


03


带电子装置水表外壳防护的存在问题及解决方案

绝大多数带电子装置水表的防护外壳采用高分子材料(塑料、树脂)制造,有的还会采用高分子密封胶进行辅助密封。众多的电子元器件,包括集成电路,也通常采用高分子材料(塑料、树脂)进行封装。具有一定的吸水率是高分子材料的一项基本物理特性,也即意味着由于高分子材料的致密性不足,无法阻止水在其中扩散、迁移。
采用高分子材料的防护外壳即便外壳防护等级达到 IP67 乃至 IP68,在特定的环境条件 下仍然大量地出现防护失效的情形,最为典型且较为恶劣的工作条件如图 4 所示的安装场景。
图片

图 4 安装在地下表井中的带电子装置水表


地下表井相对密闭,通常长期处于阴暗潮湿状态。当外界温度较高时,井内温度会随之升高,井中的积水或渗透水发生蒸发,形成水蒸汽。当外界温度降低时,井内温度也会随之降低,水蒸汽凝露形成水珠,吸附在防护外壳表面,以扩散运动的方式向壳内迁移。当外界温度再次升高时,外壳吸收热量,温度升高,与壳内的温度梯度增大,形成增强扩散,水分逐渐迁移至壳内,与电子线路板接触。与此同时井内继续形成水蒸汽,继续凝露,扩散运动继续发生。随着外界温度的循环变化,井内也持续发生“蒸发→凝露→扩散→再蒸发→再凝露→再扩散”的循环,而井内阴暗密闭的空间也为扩散运动持续发生提供了充足的水源。当壳内空腔中的空气达到一定湿度时,即发生凝露,形成液态水吸附在电子线路板表面。

由于电子线路板通常采用低功耗设计,电路的发热量几乎可忽略,壳内温度较低,难以对吸附在表面的液态水形成蒸发作用。在这种情况下,壳外的水在外界能量的作用下会源源不断地向壳内输送,而壳内的水则因为没有足够的能量作用而无法向外输送,形成了由外到内的单向迁移。虽然这个过程非常缓慢,但可以持续不断地发展,时间越长,内部的液态水积累越多。

电子线路板表面积累了一定的水量后即会发生故障。故障发生的原因包括(不限于):
①导致电子线路的分布参数发生改变,快速消耗电池,甚至产生短路;
②导致电子元器件的特性参数发生变化,引发功能错误;
③与金属材料发生电化学反应,产生腐蚀,严重时产生断路;
④滋生细菌,形成霉变,损坏电子线路和电子元器件。
当电子装置处于通风环境时,表面凝露只是偶然发生的事件。加之防护外壳长期暴露在大气环境中,壳内还会因热传导和吸收光辐射能量而升高温度,可以形成逆向浓度梯度,使水分向外迁移,达到干燥效果。

根据式(1)的扩散方程,改善防护效果最有效的方法是防护外壳采用致密性很高的材料制造,使扩散系数趋向于零,阻止扩散运动的发生。金属材料的致密性足以阻止水分子的渗透,是防护外壳可供选择的理想材料之一,除此之外可供选择的人工材料极少。考虑到金属外壳装配工艺的可行性,一般不宜采用硬密封措施,装配结合面可辅之以软密封,如采用高分子密封圈或高分子密封胶。由式(2)可知,在一定的时间内扩散面积越大,扩散总量也越大,故应尽可能减少软密封的暴露面积,使之减少与水接触的机会。此外,防护外壳的内部空腔填充吸水率低于空气的高分子绝缘胶也有一定的效果,通过延缓内部水蒸汽的凝露过程起到一定程度的保护效果。


04


带电子装置水表外壳防护的狭义和广义含义

带电子装置水表的外壳防护有狭义和广义两个层面的含义。狭义的外壳防护是按照国家标准GB/T 4208-2017 界定的有限能力的宏观防护,而超越狭义的外壳防护要求以满足特定场景应用要求的外壳防护则是一种广义层面的微观防护,需要由用户自行定义具体的防护能力要求,类似的情形包括辐射、高温、高压、冰冻、运输等等的专门防护。

电子装置广义层面的外壳防护失效是外部环境条件和防护外壳内在特性共同作用的结果。只有准确识别外部环境条件的特点,防护外壳的材料和结构针对性地采取相应措施,才能保证防护措施的有效性。