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家用无线智能燃气表的三防防护

  摘要:城市进程的加快同时也对燃气行业提出了更高的要求,如何有效地降低运行故障率成为行业内有待解决的问题。文章主要讲述了如何通过加强燃气表的三防防护工作,有效降低控制部分的运行故障率。其中通过列举一款智能表的材料优选、工艺防护和结构防护三方面进行的具体三防防护处理措施,以及投入市场使用后所取得的效果,从而验证了经过三防处理的燃气表在恶劣环境下稳定运行的寿命可以得到很大的提高。
  关键词:电路板;元器件选型;三防胶;三防喷涂工艺;硅橡胶;结构防护
  中图分类号:TB21文献标识码:A文章编号:1009-3044(2011)20-4986-02
  Cordless Intelligent Household Gas Meter of Three Proofing Protection
  LIU Yu-nan, LI You-neng
  (Zhengzhou Anran I&C Equipment Co.,Ltd, Zhengzhou 450006, China)
  Abstract: The acceleration of city process makes the higher demand of the gas industry. How to decrease the operation failture rate effectively become the problem to be solved within such industry. The article mainly tell how to strengthen the gas meter's 3 proofing protection, in order to decrease the operation failture rate of control system effectively. Through the processing measures of 1 type intelligent meter’s material select, process protection and structure protection, and the obtained achievement of marketed use, both to verified the stable operation life of gas meter which is after processing by the 3 proofing protection can be improved greatly under the bad environment.
  Key words: PCB; components selection; three proofing glue; three proofing coating process; silicone rubber; structure protection
  1 概述
  随着社会的进步、科技的发展以及城市燃气行业的快速发展,目前城市的燃气用户数量逐年增加,而用户对于燃气公司的服务质量以及处理故障及时性要求越来越高。GB/T 6968-1997膜式煤气表标准规定,对于使用天然气的膜式表强检周期为10年,耐久性实验为2000h,那么对于加装有电子部分的燃气表,因为要长期运行在厨房高温高湿的环境下,所以对电子部分的三防(防潮、防霉、防盐雾)处理至关重要。根据我公司多年的产品设计、生产及维护经验,整机长期处在潮热的环境下,可能会造成整机的技术指标下降甚至导致整机最终不能正常工作,影响到整机的运行寿命。整机的电路板受潮后,会出现无线模块工作效率降低,元器件失效,整机性能下降,甚至使整机不能正常工作。目前燃气表的安装位置基本上是在户外燃气表箱内或是用户的厨房内,这些地方的环境相对来说都比较恶劣,环境因素是对产品质量的一个长期考验,因此三防工作的全面实施会对提高产品质量、减少燃气表维修的工作量有很好的帮助。
  2 三防措施
  通常人们把军用电子设备的防潮、防霉、防盐雾性能称为三防。但是随着电子产品应用范围不断扩展,三防技术覆盖的内涵发生了很大的变化,它已经成为系统、整机的重要技术指标之一。同时三防工作是一个长期的工作,它关系到产品的整个设计过程、加工过程、产品的储存和运输、使用过程。从设计阶段一开始,就应对产品在寿命期内可能遇到的各种环境条件及其影响有全面的分析,进而采取相应的三防设计和工艺措施,确保产品可靠性和环境适应性。在确定产品的指标时,应当规定产品将会遇到的并且能够影响故障概率的所有环境条件,并规定产品所处的存储和工作条件,即达到所要求指标时的所有已知的使用条件,包括温度、湿度、振动、安装位置等。因此,准确和完整地确定任务事件和预期的使用环境条件,是设计人员能否设计出满足使用要求的产品的必要条件。同时要把三防设计思想贯彻到设计中去,无论是电路设计、软件设计、结构设计,还是工艺防护,不仅要考虑到长期环境气候条件的影响,还要考虑到选材、加工工艺时的三防防护,只有在设计、加工过程中充分考虑到三防防护,才能确保整个产品的三防防护。
  此次在做三防设计时,是根据公司以往产品的使用情况,以及此次产品设计的结构空间和环境等各方面的需求,将整个产品设计过程中的三防设计重点放到了材料优选、工艺防护和结构防护上。通过有效的三防防护,尽可能减少环境因素对电路板以及电源的影响。
  2.1材料优选
  材料优选这方面主要牵涉到元器件选型、三防胶、密封材料以及控制器外壳材料。
  2.1.1外壳选材
  目前公司的产品外壳均采用的是ABS,这种材料是一种最常用的塑料制品外壳材料,它具有优良的力学特性,电绝缘性能、耐化学腐蚀性、尺寸稳定性好,最高长期使用温度在90~115℃。同时从模具加工工艺来看,ABS的流动性好有助于壳体成形,并且通过以往产品的长时间使用,也证明这种材料完全可以满足产品的需要,所以壳体材料仍然选定ABS。
  2.1.2元器件选型
  在元器件选型上,每种元器件的参数都必须达到整机要求的工作、存储条件。元器件必须通过样品性能测试,常规测试及环境模拟测试等等,最终在合格品中再选择质量体系完整的生产厂家,并配合严谨地入厂检验,确保每批次的元器件性能一致性、参数一致性良好。
  2.1.3密封材料的选择
  在设计初期已经决定要采用密封垫来增加整机的密封性,但是由于厨房内潮气较大,特别是在南方的梅雨季节,而且又考虑到在沿海地区,空气中又含有盐雾等腐蚀性物质,所以在选择橡胶的材质时经过了多种材料的对比,最终选择了硅橡胶。这种材料具有极佳的耐热、耐寒、耐臭氧、热氧、光、大气老化性能,耐电晕、电弧性好,介电特性优异,具有较小的吸水性和良好的防霉性,使用温度范围:-70~260℃,加上产品本身采用的是静态密封,所以这款材料很适合做密封垫。
  2.1.4三防胶的选型
  三防胶的选定十分重要,它是电路板的主要防护措施,所以在选定三防胶方面做了大量的工作,首先经过市场调查及对比,选用了6种口碑较好的国外及国产三防胶,将经过严格检验的电路板分别喷涂不同品牌的三防胶,进行多次的对比试验。实验具体情况如下:
  实验工具: 高低温试验箱
  实验环境: 温度(40℃±2℃)湿度:90%~95%RH
  实验时间: 48小时
  试验箱空间内的温度和湿度要求均匀,并且稳定。试验箱内壁和顶部的凝结水不应滴落到试验样品上。在这样环境条件下的对比试验一共进行了6次,经过集中统计试验结果如表1。
  通过实验数据对比,从中选出了A类三防胶,这款胶的主要成分是有机硅树脂,而有机硅树脂电性能优良,损耗和介质系数值比其它类涂料低,耐湿热性能好,适合于高频、微波板涂覆;也适合于在高温下工作的电路板涂覆。同时这款胶的防护性在实验过程中一直表现的很可靠也很稳定。
  2.2 工艺防护
  选择到了合适的三防材料并不意味着三防效果就没有问题了,影响电路板的主要是凝露和粉尘,当凝露的水分蒸发后,污染物就会残留在电路板上,这些污染物将是吸附水分,腐蚀电路板的源头。同时水分子很小,足以能通过涂层的针孔而达到底层电路板产生腐蚀。只有靠准确严格的工艺要求保障以及完善的结构保障,才能发挥最好的三防效果。
  喷涂三防胶的主要目的是为了在工作和贮存期间能抵御恶劣环境对电路和元器件的影响,同时增加器件的抗冲击振动性,达到防潮、防霉、防盐雾腐蚀的能力。防止由于温度骤变产生的 “ 凝露 ” 使焊点间漏导增加、短路甚至于击穿。所以三防胶的喷涂工艺非常重要,每一个工艺环节都应该严格按照工艺要求来执行。首先选择合适的清洗剂在焊接之后最短的时间内进行清洗, 防止焊垢难以清洗。然后用防静电纸胶带保护喷涂后需要焊接的焊盘,和一些指定需要保护的器件。经过加工的电路板经过5个小时的驱潮后送到喷涂室进行三防喷涂。三防喷涂必须进行两遍,在第一遍喷涂结束后进行表干,直到喷涂表面干结后再进行第二遍的喷涂,这么做主要是因为三防胶在第一遍的喷涂、表干过程中会有很微小的孔洞,所以需要进行第二遍的喷涂将涂覆层进行修补。喷涂工序结束后进行检验,看是否有不合格的喷涂,例如涂层厚度是否合格、元器件的引线及焊点是否被涂层覆盖、应涂敷的区域是否已被涂层覆盖以及涂层有无气泡、空白区域或其它。如果有不合格品需要进行返工。
  由于三防涂层较薄,因此不能期望它提供一个很高的抗冲击振动和完全抗水蒸汽穿透能力。同时也不要期望通过保护涂敷来提高绝缘性,无论涂层多厚,仅能延缓电路板受潮,不能提高其自身防潮性能。所以通过合理的外壳三防结构设计才能更好地使三防涂层发挥作用。
  2.3外壳设计
  目前的产品智能度越来越高,设计整体越来越紧凑,所以结构上的三防措施主要就集中在了整机的密封性上。出于对产品使用的基表结构考虑,将密封的重点放到了控制器上下盖之间、控制器与基表计数仓之间以及透明窗与控制器之间。
  在设计中,为了满足密封的需要并没有过多地追求产品的轻薄,而是将底座的四周壁厚加厚,为合适的密封槽宽留出足够的空间。目前市场上主流采用的是O型横截面的密封条,这种方式价格便宜而且可以用于不同的产品外壳,受局限性很小,但是这种方式存在的弊端是密封条的接口处不是一体的,会大大削减整体的密封性。因为设计的三防要求比较高,而且产品的整体外形不大且造型简单,预留橡胶圈的直径为2mm,这样就避免了因开模或是橡胶条过细而造成的橡胶圈变形,无法放入橡胶槽的情况,所以这里采用的硅橡胶圈是开模一次成型的O型圈(见图1a处)。在基表的计数仓上表面和控制器底座的下平面采用了平橡胶垫,因为底座与计数仓的固定连接是采用4个M4的机制钉,所以橡胶平垫有了限位和足够的锁闭力,而使基表与控制器达到较好的密封效果(见图1中b处)。
  公司几年前早已开始采用了透明窗超声波焊的技术,这种超声波焊接是一种溶接热塑性塑料制品的技术,它是通过换能系统,把信号转换为高频机械振动,加于塑料制品工件上,通过工作表面及内在分子间的磨擦而使传导到接口的温度升高,当温度达到此工件本身的熔点时,使工件焊接口迅速溶化,继而填充于接口间的空隙,当振动停止,工件同时在一定的压力下冷却定型,便达成完美的焊接。经过几年的使用发现这种焊接方式比较可靠,而且密封性好,同时又有利于提高生产效率,所以在设计中均采用超声波焊接加工透明窗。
  3 效果
  通过下面的图片将以往由于受潮而造成腐蚀的电路板与经过三防改进并使用了较长时间的电路板做一下比较,可以很明显地看到图2以及图3中,电路板由于长时间受潮,线路被腐蚀或是三防胶的防护层大面积受损,图4中的电路板是经过严格三防措施后使用过的电路板,基本上没有受到潮气的侵蚀。这就证明了通过各种有效三防措施提高整机的结构密封性,以及电路板严格的三防处理,即使整机在梅雨季节存储、工作也不会因为外界环境因素而对产品性能造成影响。
  4 结束语
  总而言之三防防护已逐步被整个机械、电子行业所关注,有效的三防措施会在更多领域得到推广。通过合理的三防技术管理,使三防工作贯穿到产品的各个阶段,确保提高产品环境适应性和可靠性。
  参考文献:
  [1] 电子科学研究院.电子设备三防技术手册[M].北京:兵器工业出版社,2000.
  [2] 王健石,吴克全,吴传志.电子设备结构设计手册[M].北京:电子工业出版社,1993.
  [3] GB/T 2423.3-93 电工电子产品基本环境试验规程试验.Ca:恒定湿热试验方法.
  注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文


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