袁诗璞

（成都市武候区晋阳巷2号会所花园A3–02–202，四川 成都 610045）

【电镀设备】

电导控水器的研制与模拟节水试验

袁诗璞

（成都市武候区晋阳巷2号会所花园A3–02–202，四川 成都 610045）

简要介绍了WWD-2型电导控水器的研制过程，包括电磁水阀的选择，提高可靠性和灵敏度的措施，以及密封后机内升温问题的解决。模拟了光亮镀镍、光亮镀铜、装饰性镀铬和碱性锌酸盐镀锌工艺中的清洗节水效果。该电导控水器达到高可靠性、高耐蚀性、长寿命的要求，已正式批量生产。

电镀；清洗；电导率；节水；可靠性；防蚀性；使用寿命

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

1 前言

多级逆流漂洗与特种清洗方式只是理论上较好的节水方法，在工业化大生产中因诸多困难而难于实施：故实际上单槽漂洗仍占绝对优势。发达国家早已注意此点。经研究，电导法自动控水被认为是单槽漂洗下的最佳节水方式，并于20世纪70年代末开始推广应用。笔者于1987年依据电导率测定基本原理，研制了电导控水器，手工制作的样机在生产中多个清洗槽试验，节水效果确很明显，随后申请并获准国家发明专利。当时的研制目的在于亲自学习体会其节水效果，申请专利也旨在告诉世人，中国人能以低成本制出更适于中国国情的电导节水装置，而未打算投入工业化生产。

国内表面处理界有关电导控水技术的报道太少。《电镀与精饰》2011年第7期上《大连市表面处理行业清洁生产参考方案汇总(I)》一文中表1的清洁生产方案中有“电导传感器控制清洗水量”一条，但“费用类型”一栏标有“中/高费”。的确，若采用进口设备，成本很高。笔者在1987年就注意到此点不适于中国国情，必须实现“低费”。关键之一是在工业测控中以工业纯钛片代替传统的铂片镀铂黑电极。只要前者的表面积远大于后者，则灵敏度不低、且更利于电极片上赃物积聚后的清洁处理。这也是当年申请专利要求保护的主要技术要点。今后，凡见有采用钛电极且说明书上未加盖笔者密记私章的产品均为仿冒产品。

如今，表面处理生产对节水与废水处理的要求日益提高，工业化批量生产电导自动控水设备的时机已到且大生产有迫切要求，但从试验到工业化生产还有很长一段路要走。本文简述了实现其工业化生产中需克服的技术难题与笔者所受挫折，并介绍了模拟清洗试验的结果。

2 产品研制

2. 1 配套电磁水阀的选择

整套设备由传感器、控制器、电磁水阀三大部分组成。任一部分不良，最终效果都差。

2. 1. 1 电磁水阀的重要性

在改进产品前，从中央电视台科学·教育频道(CCTV10)“创新无限”栏目见过这样一件事。一个团队花几年时间投资百余万元研制出一种无水箱的节水坐便器。采用电池供电、自来水自身压力作冲力；按动一下开关，直流电磁水阀接通供水，2 s左右自动关机。经测定，其冲力大，比一般坐便器节水 50%以上。满以为成功了，在一高级宾馆安装了 500余台。但一年后部分开始漏水，2年后全部漏水，节水马桶变成了费水马桶。宾馆不但要求换装高档坐便器且提出经济赔偿要求。整个开发团队的精神几近崩溃。后来有人提到，一定居中国的南韩老板家也安了一台，但一直未反映有问题。电话问之，回答说一直用得很好。于是向该老板家提出用一高档马桶将其换回去找原因。这南韩老板听说是为了研制节水器具，很是大方，说随便买一台低价马桶暂用，原因找到后再换回即可。拿回去仔细研究，才发现系一工人在制作时仅此一台“错”用了一种材料。这一“错”反而对了。节目中虽没有讲具体原因，但笔者分析极有可能是原设计自制的直流电磁水阀采用了抗老化性差的密封橡胶材料，而用错的这一台则刚相反。原因找到后皆大欢喜，不但挽回了在宾馆的可能巨额损失，而且赶在2008年北京奥运之前，在鸟巢内新安了 500余台。该教训值得深思。

2. 1. 2 电磁水阀结构的选择

笔者认为国营企业产品更可靠，网上查知天津某厂有10支起售的6 V塑料直流水阀。购回一看，通径仅1/8吋，为活塞式，根本无法用。补差价换购3/4吋阀体，却因活塞式动铁芯小，密封过流孔径仅约2 mm，流量太小，全部报废。后来才得知该产品是供农业滴灌用的。

从本地购多支不同单位生产的220 V交流水阀，凡活塞式均流量小得很，不适合我国表面处理单位水塔低或上水设计不规范，生产线主供水管径小，供水管末端水压特别低的情况。只有橡胶拉膜式的能在低水压下大流量供水。

2. 1. 3 交流电磁水阀的线圈问题

经反复测试，国产电磁水阀的线圈不但体积大，且发热快的情况严重。试验采用丁腈橡胶拉膜片的，空载通电20 min后，拉膜片变形，冷却后密封不严。

2. 1. 4 耐蚀性问题

除价格十分昂贵的聚四氟乙烯电磁阀外，低廉的普通工业水阀阀体均为杂黄铜铸造件，不锈钢材质的则贵，而且无塑料材质的。

2. 1. 5 最终结果

在白花了2 000元仍达不到满意效果的情况下，最终在本地找到一专业研制生产、具百余个品种电磁阀的单位驻成都办事处，有配套进口线圈(据称进价即百多元)、全不锈钢材质的电磁水阀，采用了比一般丁腈橡胶贵但抗老化性强得多的、可自行拆换的氟橡胶拉膜片，然而价格昂贵，要 200多元一支。另外，其进口线圈无引出线，还须自配4 m余长引出线并对原镀锌件作防腐处理。笔者历来坚持质量第一，决定选用此产品。带上红外数字测温仪、数字钳形电流表、稀土永磁铁至现场对样品进行测试。证明：(1)进口线圈体积小、功耗低，空载虽也发热，但温度远低于国产线圈；(2)除动铁芯为具磁性的铁素体不锈钢外，其余均为无铁磁性的1Cr18Ni9Ti(304)奥氏体不锈钢。

2. 2 高可靠性与灵敏度问题

2. 2. 1 惨败经历

1987年试制采用继电器触点输出，但现今几无国产带复合银触点的继电器，在交流220 V下很容易因打火打弧而损坏。一主营进口半导体器件30余年的老板告知，有一种新型日本产光耦合集成电路可实现低压直流控制大功率交流器件通断。购回几支，用赫尔槽可调直流源，参照英文线路图做了多种测试，的确不错。于是定购500支并设计制作了1 000张印制电路板。样机制出后试验，虽电路是按试验结果照搬组合，但无论如何都不灵了，大功率器件一直导通或一直不通，倾毕身之功也解决不了且无法解释。该老板已很懂技术了，也觉得不可思议。于是，全无触点控制最终以失败告终，1 000张印制板与500件集成电路全部报废。好在控制大功率半导体器件只需10 mA、10 mV左右的交流，用继电器控制时触点不会有拉弧烧蚀现象。先选用一种宁波产标称220 V交流3 A的微型继电器，试用后剖开来看，触点不足1 mm大，间距也不到1 mm，象征性的镀银也无，实不敢用。找到某台资企业在上海合资生产的一种小型继电器，标称10 A交流277 V。试用后解剖，触点大且间隙大，触点尚有一薄层复合银层。但价高 4倍且因销量少而无现货。无奈之下，只能选用此产品。

2. 2. 2 提高可靠性的措施

(1) 除要求很低的二极管外，所有半导体器件都采用原装进口集件，且留有数十上百倍功率余量。笔者自行研发的具有恒流特性功率场效应控制的的赫尔槽电源输出仅5 A、15 V，但选用进口30 A、400 V的VMOS(垂直型金属氧化物半导体)管，使用近20年，未曾坏过。

(2) 决不用碳膜电阻。市售金属膜电阻因质量不同，价格可相差6倍，购最贵的且留有4倍功率余量。生产中有过教训：一台广州产高频开关电源无输出，几经周折，4个多月后才找到原因，竟是一个小电阻质量不良。

2. 2. 3 提高控制灵敏度的措施

显然，灵敏度越高，节水效果越好，但缺点是电磁水阀开关动作频繁。

本设备的控制灵敏度主要取决于两方面：一是探头(传感器)的设计与制作，二是控制器本身的线路设计与元器件选择。其间涉及的技术问题很多，仅举一例：关键的、起控制作用的集成电路虽为原装进口，但仍感测控灵敏度不够。找来7种同一类型的不同公司生产的进口产品，反复对比测试，发现其中一种灵敏度最高、性能最稳定。售货老板称这是同类型集成电路中全世界质量最好的一种，但也是价格最贵的一种。于是决定用这一种。

2. 3 密封后的机内温升问题

2. 3. 1 温升原因

电子元器件，特别是带功率性器件，使用过程中都会有发热现象，故一般电器机箱均设散热窗口，甚至加强制冷却。但本控制器使用于湿度大且具腐蚀性气氛的表面处理等化工场所，为保证使用可靠性与长寿命，必须作全密封防腐处理，机内发热难以散出，必然温升。

2. 3. 2 早年发现及解决方法

1987年手工研制样机时发现，温升将造成直流飘移，而使测控失灵。当时采取了两项措施：(1)将发热最严重的电源变压背在白铁皮密封机壳外面，从而大大减少了机内温升；(2)设计了一种简易可调的自动温度补偿电路，可将直流温飘控制在不影响高灵敏度测控的范围内。显然，后一种做法不适于产品批量化生产。

2. 3. 3 对产品温升问题的解决

2. 3. 3. 1 温度测定方法

使用CA380型红外数字式测温仪，将发射出的激光红点对准处于微电流工作下基本不发热的控制用集成电路，室温条件下(夏天在空调房内进行)测定小型注塑密封机壳密封前与密封负载工作1 ～ 2 h后的平衡温度。

2. 3. 3. 2 室温测试结果

在室温31 °C时，密封机箱负载工作1 ～ 2 h后，温升至50 °C左右。开空调，降室温至18 °C，密封工作后温度升高至约30 °C。

2. 3. 3. 3 又一次失败

购半导体、负温系数与正温系数热敏电阻，反复做了各种试验，发现：

(1) 温度补偿不呈线性关系，多圈电位器细调甚至呈波浪形；

(2) 无法调到恒定补偿，要么过补偿、要么欠补偿；

(3) 清洗水的电导率影响补偿效果。

在空调房高、低温条件下试验数天，自动温度补偿以失败告终。

2. 3. 3. 4 问题的最终解决

采用示波器等仪表监测，分析机内温升造成直流飘移的原因，通过对半导体器件的精选，电路工作状态范围的选择，以及电阻、电容数值与件数的调整，终于实现了在“预置”调整到高灵敏度测控值不再动的情况下，23 ～ 65 °C温度范围内的可靠测控。反而是从18 °C温升到23 °C时本应不亮(即电磁水阀不开通)的工作指示红灯却出现发亮的误动作。于是又做了低温工作试验。

2. 3. 3. 5 低温试验及结果

我国幅圆辽阔，冬夏室温差别很大。长江以南无冬季采暖供热，沿江地区冬季车间温度反而比北方还低。电导控水装置要适应中国国情，必须具有宽的适用温度范围。低温试验方法如下：

拆开密封机箱，将探头等全部置于电冰箱的6 °C冷藏室内冷却0.5 h以上，于冰箱内密封好后迅速取出，将探头置于清洗水中，小心预置到红灯灭，则不再出现红灯亮的误动作。而取出后调至红灯刚亮，温升后也不会出现灯灭的误动作。

至此，温升问题基本解决。只是现场工艺员应加强责任心与巡察：当气温低于25 °C时，若发现清洗水已清洁，而控水器红灯仍继续亮，则应按使用说明书要求，用配套提供的专用小改刀，调整“预置”使红灯灭。

3 模拟清洗节水效果试验

尽管产品基本定型，但若不先做模拟试验，证明节水效果确实明显，则批量投产并无意义。

3. 1 模拟试验方法

1 L玻璃烧杯装满水约1.4 L。将探头(传感器)夹于烧杯缺口液位之下(类似于清洗槽溢流板口位置)；塑料漏斗用硬聚丙烯(PP)管加长伸至烧杯底部，从漏斗中慢慢计量加入城市清洁自来水。用塑料注射针筒吸取生产正常的工作电镀液，在轻微搅拌下慢慢滴加。

用45 W白炽电灯泡代替电磁水阀作假负载，以下“灯亮”即电磁水阀吸合、开始供水，“灯灭”即电磁水阀关闭、停止供水。下述电镀液(除碱锌外)与清洗水均取自成都市簇桥塑料电镀厂自动生产线。

3. 2 试验结果

3. 2. 1 光亮镀镍

生产流程为：镀全光亮镍─回收─清洗。生产现场观察，清洗水透明无色、清澈见底。

1 L烧杯装满清洗水，调整“预置”多圈电位器至灯灭，再反时针回调约90°，灯未亮。

(1) 用注射针筒吸亮镍液滴加约0.15 mL，搅匀，灯亮。

(2) 边轻微搅拌，边从漏斗中加城市自来水约160 mL，灯灭。

(3) 再加亮镍液约0.15 mL，灯再亮。

(4) 再加自来水约160 mL，灯又灭。

3. 2. 2 光亮酸铜

生产流程为：镀高染料型全光亮硫酸盐酸铜─回收─活化脱膜─水洗……。生产现场的清洗水无色透明、清澈见底。

照前述，取工厂清洗水装满1 L烧杯及安放探头等。调控水器“预置”从工作指示红灯刚亮至刚灭，再反时针回调约90°。

(1) 加光亮酸铜镀液约0.2 mL，灯亮。

(2) 加水约200 mL，灯灭。

(3) 再加酸铜液0.4 mL，灯亮。

(4) 加水约70 mL，灯灭。

(5) 又再加酸铜液0.2 mL，灯亮。

(6) 加水约60 mL，灯灭。

3. 2. 3 装饰性镀铬液

装饰性套铬一级回收后水洗。水洗水呈透明橙黄色。按上述预置方法调至灯灭。

(1) 加0.1 mL镀铬液，灯亮。

(2) 加140 mL水，灯灭。

(3) 再加0.1 mL镀铬液，灯亮。

(4) 加70 mL水，灯灭。

(5) 再加0.1 mL镀铬液，灯亮；继续破坏性地加镀铬液至1.4 mL(体积分数约1 mL/L)。

(6) 加约800 mL水后灯才灭。

3. 2. 4 碱性锌酸盐镀锌

于1.4 L城市自来水中先加入2.8 mL(即体积分数为2 mL/L)原试验用过的新配钠盐型锌酸盐镀锌液，搅拌均匀，液色透明，略显白色(水解产生少量氢氧化锌)。调“预置”至灯灭。

(1) 加0.2 mL镀液，灯亮。

(2) 加120 mL水，灯灭。

(3) 再加0.2 mL镀液，灯亮。

(4) 加80 mL水，灯灭。

(5) 再加0.3 mL镀液，灯亮。

(6) 加水140 mL，灯灭。

3. 3 讨论

一、本装置具有高的电导率测控灵敏度，并可依要求掌握。

生产现场看似无色、清澈见底的亮镍、亮铜清洗水，实际上仍具有较高的电导率，尚有较大节水潜力可挖。本装置经过仔细地“预置”，可以灵活控制其灵敏度：当缓慢而仔细地将“预置”调整到工作指示红灯灭(停供水时)再反时针调约90°，则可提高测控灵敏度。若认为灵敏度过高不好，会造成电磁水阀开关过于频繁而降低其使用寿命，则不必回调。确定灵敏度时应考虑以下因素：

(1) 影响因素众多的随工件带入清洗水中工艺液的量。若带入量少，灵敏度可低一点；若带入量大，则灵敏度应调高一点。对装饰性镀铬故意破坏性地多加镀液的试验证明，若清洗水很脏，要将其电导率恢复到原值，需一次供给大量的清洗水。

(2) 水压与供水主管径的影响。当水压低、供水主管径小而供水速度低时，灵敏度应调高，否则可能出现电磁水阀长时间开通的不良现象，节水效果不良。

(3) 清洗要求。当工艺对清洗要求高时，应调高灵敏度，否则因换水不勤而脏。

二、试验的重现性问题。

上述模拟试验中，加入同样多的镀液后要恢复为原电导率，有时用水多些，有时用水少些，似乎重现性不大好。其实这种模拟试验与大生产差异较大：

(1) 生产中，清洗槽表平面较大却并不深(烧杯则相反)。镀液从清洗槽局部表层带入，生产时工件在清洗水中上下提升，纵向立体引入，电解质溶液的浓度易于均匀。模拟试验时，间歇地从烧杯底供水以便计量；而生产时系连续供水、出水，清洗水上下浓度易于均衡，反应较迅速。

(2) 搅拌效果的影响。从漏斗中向烧杯底供水，发现速度越快，向上冲力越大或注水时搅拌稍快，则用水少些。由于探头测的是液位下面一点的电导率而较高，底部进水清洁而电导率低，因此有一定的滞后。

三、对已很清洁的清洗水仍长流水供水，则是多余的耗水，通过电导自控可以克服。

(1) 使用本设备时对清洗水实施无油压缩空气强制搅拌，不但能提高清洗效果，而且能提高节水效果。

(2) 安装上此节水装置后，可适当提高进水水压与流量，延长电磁水阀关闭的时间。这样，一方面可增加进水冲力，另一方面可提高节水效果。

4 结语

改进后的电导控水器具有防蚀性好、可靠性高、寿命长的优点，通过调整预置可提高灵敏度，已具有批量化工业生产与应用的价值。

致谢

本设备在注塑件加工及试验中，得到了成都市簇桥塑料电镀厂李健厂长的大力支持，特此感谢！

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

袁诗璞（1944–），男，四川成都人，本科学历，高级工程师，成都表面处理研究会秘书长，成都表面工程行业协会学术专业委员会主任。长期从事电镀技术工作，有丰富的实践经验。

作者联系方式：(Tel) 028–87423973。

[ 编辑：温靖邦 ]