電導(dǎo)控水器的研制與模擬節(jié)水試驗

袁詩璞

（成都市武候區(qū)晉陽巷2號會所花園A3–02–202，四川 成都 610045）

【電鍍設(shè)備】

電導(dǎo)控水器的研制與模擬節(jié)水試驗

袁詩璞

（成都市武候區(qū)晉陽巷2號會所花園A3–02–202，四川 成都 610045）

簡要介紹了WWD-2型電導(dǎo)控水器的研制過程，包括電磁水閥的選擇，提高可靠性和靈敏度的措施，以及密封后機內(nèi)升溫問題的解決。模擬了光亮鍍鎳、光亮鍍銅、裝飾性鍍鉻和堿性鋅酸鹽鍍鋅工藝中的清洗節(jié)水效果。該電導(dǎo)控水器達到高可靠性、高耐蝕性、長壽命的要求，已正式批量生產(chǎn)。

電鍍；清洗；電導(dǎo)率；節(jié)水；可靠性；防蝕性；使用壽命

Author’s address:A3–02–202 Huisuo Residential Garden, No.2 Jinyang Street, Wuhou District, Chengdu 610045, China

1 前言

多級逆流漂洗與特種清洗方式只是理論上較好的節(jié)水方法，在工業(yè)化大生產(chǎn)中因諸多困難而難于實施：故實際上單槽漂洗仍占絕對優(yōu)勢。發(fā)達國家早已注意此點。經(jīng)研究，電導(dǎo)法自動控水被認為是單槽漂洗下的最佳節(jié)水方式，并于20世紀70年代末開始推廣應(yīng)用。筆者于1987年依據(jù)電導(dǎo)率測定基本原理，研制了電導(dǎo)控水器，手工制作的樣機在生產(chǎn)中多個清洗槽試驗，節(jié)水效果確很明顯，隨后申請并獲準國家發(fā)明專利。當(dāng)時的研制目的在于親自學(xué)習(xí)體會其節(jié)水效果，申請專利也旨在告訴世人，中國人能以低成本制出更適于中國國情的電導(dǎo)節(jié)水裝置，而未打算投入工業(yè)化生產(chǎn)。

國內(nèi)表面處理界有關(guān)電導(dǎo)控水技術(shù)的報道太少?！峨婂兣c精飾》2011年第7期上《大連市表面處理行業(yè)清潔生產(chǎn)參考方案匯總(I)》一文中表1的清潔生產(chǎn)方案中有“電導(dǎo)傳感器控制清洗水量”一條，但“費用類型”一欄標(biāo)有“中/高費”。的確，若采用進口設(shè)備，成本很高。筆者在1987年就注意到此點不適于中國國情，必須實現(xiàn)“低費”。關(guān)鍵之一是在工業(yè)測控中以工業(yè)純鈦片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉑片鍍鉑黑電極。只要前者的表面積遠大于后者，則靈敏度不低、且更利于電極片上贓物積聚后的清潔處理。這也是當(dāng)年申請專利要求保護的主要技術(shù)要點。今后，凡見有采用鈦電極且說明書上未加蓋筆者密記私章的產(chǎn)品均為仿冒產(chǎn)品。

如今，表面處理生產(chǎn)對節(jié)水與廢水處理的要求日益提高，工業(yè)化批量生產(chǎn)電導(dǎo)自動控水設(shè)備的時機已到且大生產(chǎn)有迫切要求，但從試驗到工業(yè)化生產(chǎn)還有很長一段路要走。本文簡述了實現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)中需克服的技術(shù)難題與筆者所受挫折，并介紹了模擬清洗試驗的結(jié)果。

2 產(chǎn)品研制

2. 1 配套電磁水閥的選擇

整套設(shè)備由傳感器、控制器、電磁水閥三大部分組成。任一部分不良，最終效果都差。

2. 1. 1 電磁水閥的重要性

在改進產(chǎn)品前，從中央電視臺科學(xué)·教育頻道(CCTV10)“創(chuàng)新無限”欄目見過這樣一件事。一個團隊花幾年時間投資百余萬元研制出一種無水箱的節(jié)水坐便器。采用電池供電、自來水自身壓力作沖力；按動一下開關(guān)，直流電磁水閥接通供水，2 s左右自動關(guān)機。經(jīng)測定，其沖力大，比一般坐便器節(jié)水 50%以上。滿以為成功了，在一高級賓館安裝了 500余臺。但一年后部分開始漏水，2年后全部漏水，節(jié)水馬桶變成了費水馬桶。賓館不但要求換裝高檔坐便器且提出經(jīng)濟賠償要求。整個開發(fā)團隊的精神幾近崩潰。后來有人提到，一定居中國的南韓老板家也安了一臺，但一直未反映有問題。電話問之，回答說一直用得很好。于是向該老板家提出用一高檔馬桶將其換回去找原因。這南韓老板聽說是為了研制節(jié)水器具，很是大方，說隨便買一臺低價馬桶暫用，原因找到后再換回即可。拿回去仔細研究，才發(fā)現(xiàn)系一工人在制作時僅此一臺“錯”用了一種材料。這一“錯”反而對了。節(jié)目中雖沒有講具體原因，但筆者分析極有可能是原設(shè)計自制的直流電磁水閥采用了抗老化性差的密封橡膠材料，而用錯的這一臺則剛相反。原因找到后皆大歡喜，不但挽回了在賓館的可能巨額損失，而且趕在2008年北京奧運之前，在鳥巢內(nèi)新安了 500余臺。該教訓(xùn)值得深思。

2. 1. 2 電磁水閥結(jié)構(gòu)的選擇

筆者認為國營企業(yè)產(chǎn)品更可靠，網(wǎng)上查知天津某廠有10支起售的6 V塑料直流水閥。購回一看，通徑僅1/8吋，為活塞式，根本無法用。補差價換購3/4吋閥體，卻因活塞式動鐵芯小，密封過流孔徑僅約2 mm，流量太小，全部報廢。后來才得知該產(chǎn)品是供農(nóng)業(yè)滴灌用的。

從本地購多支不同單位生產(chǎn)的220 V交流水閥，凡活塞式均流量小得很，不適合我國表面處理單位水塔低或上水設(shè)計不規(guī)范，生產(chǎn)線主供水管徑小，供水管末端水壓特別低的情況。只有橡膠拉膜式的能在低水壓下大流量供水。

2. 1. 3 交流電磁水閥的線圈問題

經(jīng)反復(fù)測試，國產(chǎn)電磁水閥的線圈不但體積大，且發(fā)熱快的情況嚴重。試驗采用丁腈橡膠拉膜片的，空載通電20 min后，拉膜片變形，冷卻后密封不嚴。

2. 1. 4 耐蝕性問題

除價格十分昂貴的聚四氟乙烯電磁閥外，低廉的普通工業(yè)水閥閥體均為雜黃銅鑄造件，不銹鋼材質(zhì)的則貴，而且無塑料材質(zhì)的。

2. 1. 5 最終結(jié)果

在白花了2 000元仍達不到滿意效果的情況下，最終在本地找到一專業(yè)研制生產(chǎn)、具百余個品種電磁閥的單位駐成都辦事處，有配套進口線圈(據(jù)稱進價即百多元)、全不銹鋼材質(zhì)的電磁水閥，采用了比一般丁腈橡膠貴但抗老化性強得多的、可自行拆換的氟橡膠拉膜片，然而價格昂貴，要 200多元一支。另外，其進口線圈無引出線，還須自配4 m余長引出線并對原鍍鋅件作防腐處理。筆者歷來堅持質(zhì)量第一，決定選用此產(chǎn)品。帶上紅外數(shù)字測溫儀、數(shù)字鉗形電流表、稀土永磁鐵至現(xiàn)場對樣品進行測試。證明：(1)進口線圈體積小、功耗低，空載雖也發(fā)熱，但溫度遠低于國產(chǎn)線圈；(2)除動鐵芯為具磁性的鐵素體不銹鋼外，其余均為無鐵磁性的1Cr18Ni9Ti(304)奧氏體不銹鋼。

2. 2 高可靠性與靈敏度問題

2. 2. 1 慘敗經(jīng)歷

1987年試制采用繼電器觸點輸出，但現(xiàn)今幾無國產(chǎn)帶復(fù)合銀觸點的繼電器，在交流220 V下很容易因打火打弧而損壞。一主營進口半導(dǎo)體器件30余年的老板告知，有一種新型日本產(chǎn)光耦合集成電路可實現(xiàn)低壓直流控制大功率交流器件通斷。購回幾支，用赫爾槽可調(diào)直流源，參照英文線路圖做了多種測試，的確不錯。于是定購500支并設(shè)計制作了1 000張印制電路板。樣機制出后試驗，雖電路是按試驗結(jié)果照搬組合，但無論如何都不靈了，大功率器件一直導(dǎo)通或一直不通，傾畢身之功也解決不了且無法解釋。該老板已很懂技術(shù)了，也覺得不可思議。于是，全無觸點控制最終以失敗告終，1 000張印制板與500件集成電路全部報廢。好在控制大功率半導(dǎo)體器件只需10 mA、10 mV左右的交流，用繼電器控制時觸點不會有拉弧燒蝕現(xiàn)象。先選用一種寧波產(chǎn)標(biāo)稱220 V交流3 A的微型繼電器，試用后剖開來看，觸點不足1 mm大，間距也不到1 mm，象征性的鍍銀也無，實不敢用。找到某臺資企業(yè)在上海合資生產(chǎn)的一種小型繼電器，標(biāo)稱10 A交流277 V。試用后解剖，觸點大且間隙大，觸點尚有一薄層復(fù)合銀層。但價高 4倍且因銷量少而無現(xiàn)貨。無奈之下，只能選用此產(chǎn)品。

2. 2. 2 提高可靠性的措施

(1) 除要求很低的二極管外，所有半導(dǎo)體器件都采用原裝進口集件，且留有數(shù)十上百倍功率余量。筆者自行研發(fā)的具有恒流特性功率場效應(yīng)控制的的赫爾槽電源輸出僅5 A、15 V，但選用進口30 A、400 V的VMOS(垂直型金屬氧化物半導(dǎo)體)管，使用近20年，未曾壞過。

(2) 決不用碳膜電阻。市售金屬膜電阻因質(zhì)量不同，價格可相差6倍，購最貴的且留有4倍功率余量。生產(chǎn)中有過教訓(xùn)：一臺廣州產(chǎn)高頻開關(guān)電源無輸出，幾經(jīng)周折，4個多月后才找到原因，竟是一個小電阻質(zhì)量不良。

2. 2. 3 提高控制靈敏度的措施

顯然，靈敏度越高，節(jié)水效果越好，但缺點是電磁水閥開關(guān)動作頻繁。

本設(shè)備的控制靈敏度主要取決于兩方面：一是探頭(傳感器)的設(shè)計與制作，二是控制器本身的線路設(shè)計與元器件選擇。其間涉及的技術(shù)問題很多，僅舉一例：關(guān)鍵的、起控制作用的集成電路雖為原裝進口，但仍感測控靈敏度不夠。找來7種同一類型的不同公司生產(chǎn)的進口產(chǎn)品，反復(fù)對比測試，發(fā)現(xiàn)其中一種靈敏度最高、性能最穩(wěn)定。售貨老板稱這是同類型集成電路中全世界質(zhì)量最好的一種，但也是價格最貴的一種。于是決定用這一種。

2. 3 密封后的機內(nèi)溫升問題

2. 3. 1 溫升原因

電子元器件，特別是帶功率性器件，使用過程中都會有發(fā)熱現(xiàn)象，故一般電器機箱均設(shè)散熱窗口，甚至加強制冷卻。但本控制器使用于濕度大且具腐蝕性氣氛的表面處理等化工場所，為保證使用可靠性與長壽命，必須作全密封防腐處理，機內(nèi)發(fā)熱難以散出，必然溫升。

2. 3. 2 早年發(fā)現(xiàn)及解決方法

1987年手工研制樣機時發(fā)現(xiàn)，溫升將造成直流飄移，而使測控失靈。當(dāng)時采取了兩項措施：(1)將發(fā)熱最嚴重的電源變壓背在白鐵皮密封機殼外面，從而大大減少了機內(nèi)溫升；(2)設(shè)計了一種簡易可調(diào)的自動溫度補償電路，可將直流溫飄控制在不影響高靈敏度測控的范圍內(nèi)。顯然，后一種做法不適于產(chǎn)品批量化生產(chǎn)。

2. 3. 3 對產(chǎn)品溫升問題的解決

2. 3. 3. 1 溫度測定方法

使用CA380型紅外數(shù)字式測溫儀，將發(fā)射出的激光紅點對準處于微電流工作下基本不發(fā)熱的控制用集成電路，室溫條件下(夏天在空調(diào)房內(nèi)進行)測定小型注塑密封機殼密封前與密封負載工作1 ～ 2 h后的平衡溫度。

2. 3. 3. 2 室溫測試結(jié)果

在室溫31 °C時，密封機箱負載工作1 ～ 2 h后，溫升至50 °C左右。開空調(diào)，降室溫至18 °C，密封工作后溫度升高至約30 °C。

2. 3. 3. 3 又一次失敗

購半導(dǎo)體、負溫系數(shù)與正溫系數(shù)熱敏電阻，反復(fù)做了各種試驗，發(fā)現(xiàn)：

(1) 溫度補償不呈線性關(guān)系，多圈電位器細調(diào)甚至呈波浪形；

(2) 無法調(diào)到恒定補償，要么過補償、要么欠補償；

(3) 清洗水的電導(dǎo)率影響補償效果。

在空調(diào)房高、低溫條件下試驗數(shù)天，自動溫度補償以失敗告終。

2. 3. 3. 4 問題的最終解決

采用示波器等儀表監(jiān)測，分析機內(nèi)溫升造成直流飄移的原因，通過對半導(dǎo)體器件的精選，電路工作狀態(tài)范圍的選擇，以及電阻、電容數(shù)值與件數(shù)的調(diào)整，終于實現(xiàn)了在“預(yù)置”調(diào)整到高靈敏度測控值不再動的情況下，23 ～ 65 °C溫度范圍內(nèi)的可靠測控。反而是從18 °C溫升到23 °C時本應(yīng)不亮(即電磁水閥不開通)的工作指示紅燈卻出現(xiàn)發(fā)亮的誤動作。于是又做了低溫工作試驗。

2. 3. 3. 5 低溫試驗及結(jié)果

我國幅圓遼闊，冬夏室溫差別很大。長江以南無冬季采暖供熱，沿江地區(qū)冬季車間溫度反而比北方還低。電導(dǎo)控水裝置要適應(yīng)中國國情，必須具有寬的適用溫度范圍。低溫試驗方法如下：

拆開密封機箱，將探頭等全部置于電冰箱的6 °C冷藏室內(nèi)冷卻0.5 h以上，于冰箱內(nèi)密封好后迅速取出，將探頭置于清洗水中，小心預(yù)置到紅燈滅，則不再出現(xiàn)紅燈亮的誤動作。而取出后調(diào)至紅燈剛亮，溫升后也不會出現(xiàn)燈滅的誤動作。

至此，溫升問題基本解決。只是現(xiàn)場工藝員應(yīng)加強責(zé)任心與巡察：當(dāng)氣溫低于25 °C時，若發(fā)現(xiàn)清洗水已清潔，而控水器紅燈仍繼續(xù)亮，則應(yīng)按使用說明書要求，用配套提供的專用小改刀，調(diào)整“預(yù)置”使紅燈滅。

3 模擬清洗節(jié)水效果試驗

盡管產(chǎn)品基本定型，但若不先做模擬試驗，證明節(jié)水效果確實明顯，則批量投產(chǎn)并無意義。

3. 1 模擬試驗方法

1 L玻璃燒杯裝滿水約1.4 L。將探頭(傳感器)夾于燒杯缺口液位之下(類似于清洗槽溢流板口位置)；塑料漏斗用硬聚丙烯(PP)管加長伸至燒杯底部，從漏斗中慢慢計量加入城市清潔自來水。用塑料注射針筒吸取生產(chǎn)正常的工作電鍍液，在輕微攪拌下慢慢滴加。

用45 W白熾電燈泡代替電磁水閥作假負載，以下“燈亮”即電磁水閥吸合、開始供水，“燈滅”即電磁水閥關(guān)閉、停止供水。下述電鍍液(除堿鋅外)與清洗水均取自成都市簇橋塑料電鍍廠自動生產(chǎn)線。

3. 2 試驗結(jié)果

3. 2. 1 光亮鍍鎳

生產(chǎn)流程為：鍍?nèi)饬伶嚛せ厥诈で逑?。生產(chǎn)現(xiàn)場觀察，清洗水透明無色、清澈見底。

1 L燒杯裝滿清洗水，調(diào)整“預(yù)置”多圈電位器至燈滅，再反時針回調(diào)約90°，燈未亮。

(1) 用注射針筒吸亮鎳液滴加約0.15 mL，攪勻，燈亮。

(2) 邊輕微攪拌，邊從漏斗中加城市自來水約160 mL，燈滅。

(3) 再加亮鎳液約0.15 mL，燈再亮。

(4) 再加自來水約160 mL，燈又滅。

3. 2. 2 光亮酸銅

生產(chǎn)流程為：鍍高染料型全光亮硫酸鹽酸銅─回收─活化脫膜─水洗……。生產(chǎn)現(xiàn)場的清洗水無色透明、清澈見底。

照前述，取工廠清洗水裝滿1 L燒杯及安放探頭等。調(diào)控水器“預(yù)置”從工作指示紅燈剛亮至剛滅，再反時針回調(diào)約90°。

(1) 加光亮酸銅鍍液約0.2 mL，燈亮。

(2) 加水約200 mL，燈滅。

(3) 再加酸銅液0.4 mL，燈亮。

(4) 加水約70 mL，燈滅。

(5) 又再加酸銅液0.2 mL，燈亮。

(6) 加水約60 mL，燈滅。

3. 2. 3 裝飾性鍍鉻液

裝飾性套鉻一級回收后水洗。水洗水呈透明橙黃色。按上述預(yù)置方法調(diào)至燈滅。

(1) 加0.1 mL鍍鉻液，燈亮。

(2) 加140 mL水，燈滅。

(3) 再加0.1 mL鍍鉻液，燈亮。

(4) 加70 mL水，燈滅。

(5) 再加0.1 mL鍍鉻液，燈亮；繼續(xù)破壞性地加鍍鉻液至1.4 mL(體積分數(shù)約1 mL/L)。

(6) 加約800 mL水后燈才滅。

3. 2. 4 堿性鋅酸鹽鍍鋅

于1.4 L城市自來水中先加入2.8 mL(即體積分數(shù)為2 mL/L)原試驗用過的新配鈉鹽型鋅酸鹽鍍鋅液，攪拌均勻，液色透明，略顯白色(水解產(chǎn)生少量氫氧化鋅)。調(diào)“預(yù)置”至燈滅。

(1) 加0.2 mL鍍液，燈亮。

(2) 加120 mL水，燈滅。

(3) 再加0.2 mL鍍液，燈亮。

(4) 加80 mL水，燈滅。

(5) 再加0.3 mL鍍液，燈亮。

(6) 加水140 mL，燈滅。

3. 3 討論

一、本裝置具有高的電導(dǎo)率測控靈敏度，并可依要求掌握。

生產(chǎn)現(xiàn)場看似無色、清澈見底的亮鎳、亮銅清洗水，實際上仍具有較高的電導(dǎo)率，尚有較大節(jié)水潛力可挖。本裝置經(jīng)過仔細地“預(yù)置”，可以靈活控制其靈敏度：當(dāng)緩慢而仔細地將“預(yù)置”調(diào)整到工作指示紅燈滅(停供水時)再反時針調(diào)約90°，則可提高測控靈敏度。若認為靈敏度過高不好，會造成電磁水閥開關(guān)過于頻繁而降低其使用壽命，則不必回調(diào)。確定靈敏度時應(yīng)考慮以下因素：

(1) 影響因素眾多的隨工件帶入清洗水中工藝液的量。若帶入量少，靈敏度可低一點；若帶入量大，則靈敏度應(yīng)調(diào)高一點。對裝飾性鍍鉻故意破壞性地多加鍍液的試驗證明，若清洗水很臟，要將其電導(dǎo)率恢復(fù)到原值，需一次供給大量的清洗水。

(2) 水壓與供水主管徑的影響。當(dāng)水壓低、供水主管徑小而供水速度低時，靈敏度應(yīng)調(diào)高，否則可能出現(xiàn)電磁水閥長時間開通的不良現(xiàn)象，節(jié)水效果不良。

(3) 清洗要求。當(dāng)工藝對清洗要求高時，應(yīng)調(diào)高靈敏度，否則因換水不勤而臟。

二、試驗的重現(xiàn)性問題。

上述模擬試驗中，加入同樣多的鍍液后要恢復(fù)為原電導(dǎo)率，有時用水多些，有時用水少些，似乎重現(xiàn)性不大好。其實這種模擬試驗與大生產(chǎn)差異較大：

(1) 生產(chǎn)中，清洗槽表平面較大卻并不深(燒杯則相反)。鍍液從清洗槽局部表層帶入，生產(chǎn)時工件在清洗水中上下提升，縱向立體引入，電解質(zhì)溶液的濃度易于均勻。模擬試驗時，間歇地從燒杯底供水以便計量；而生產(chǎn)時系連續(xù)供水、出水，清洗水上下濃度易于均衡，反應(yīng)較迅速。

(2) 攪拌效果的影響。從漏斗中向燒杯底供水，發(fā)現(xiàn)速度越快，向上沖力越大或注水時攪拌稍快，則用水少些。由于探頭測的是液位下面一點的電導(dǎo)率而較高，底部進水清潔而電導(dǎo)率低，因此有一定的滯后。

三、對已很清潔的清洗水仍長流水供水，則是多余的耗水，通過電導(dǎo)自控可以克服。

(1) 使用本設(shè)備時對清洗水實施無油壓縮空氣強制攪拌，不但能提高清洗效果，而且能提高節(jié)水效果。

(2) 安裝上此節(jié)水裝置后，可適當(dāng)提高進水水壓與流量，延長電磁水閥關(guān)閉的時間。這樣，一方面可增加進水沖力，另一方面可提高節(jié)水效果。

4 結(jié)語

改進后的電導(dǎo)控水器具有防蝕性好、可靠性高、壽命長的優(yōu)點，通過調(diào)整預(yù)置可提高靈敏度，已具有批量化工業(yè)生產(chǎn)與應(yīng)用的價值。

致謝

本設(shè)備在注塑件加工及試驗中，得到了成都市簇橋塑料電鍍廠李健廠長的大力支持，特此感謝！

Development of conductivity water controller and artificial water-saving test therewith //

YUAN Shi-pu

The development of WWD-2 conductivity water controller was briefly introduced. The selection of electromagnetic water valve, some measures for improving reliability and sensitivity, as well as the solution to the problem of temperature rise inside the device after sealing were described. The water saving effect was tested by simulating the rinsing in bright nickel plating, bright copper plating, decorative chromium plating, and alkaline zincate zinc plating processes. The conductivity water controller has been put into batch production due to its high reliability, excellent corrosion resistance, and long service life.

electroplating; rinsing; conductivity; water saving; reliability; corrosion resistance; service life

TQ153

A

1004 – 227X (2012) 01 – 0050 – 05

2011–09–08

袁詩璞（1944–），男，四川成都人，本科學(xué)歷，高級工程師，成都表面處理研究會秘書長，成都表面工程行業(yè)協(xié)會學(xué)術(shù)專業(yè)委員會主任。長期從事電鍍技術(shù)工作，有豐富的實踐經(jīng)驗。

作者聯(lián)系方式：(Tel) 028–87423973。

[ 編輯：溫靖邦 ]