精密計量泵的基本原理和控制方法
時間：2012/5/23 來源：浙江揚子江泵業(yè)有限公司
一、概述
作為流體精密計量與投加的理想設備，計量泵如今已被廣泛地應用于包括制藥、食品飲料和石油化工行業(yè)在內(nèi)的各個領域，在工藝過程擔負著強腐蝕性、毒害性、高粘性和高壓介質(zhì)的計量添加任務。經(jīng)過超過半個世紀的實踐應用和技術(shù)改進，現(xiàn)在計量泵已經(jīng)進入其高速增長期。現(xiàn)在，成熟的動力驅(qū)動方式和液體輸送端（泵頭）材料技術(shù)使得新型計量泵幾乎可以完成輸送任何常規(guī)和特殊介質(zhì)的要求，其工作壓力和容量亦能滿足工業(yè)生產(chǎn)的絕大多數(shù)要求。
隨著人們對生產(chǎn)工藝過程指標和自動化程度要求的普遍提高，作為化學藥劑計量和添加環(huán)節(jié)的終執(zhí)行機構(gòu)，計量泵的安全性和可控制性變得日益重要起來。石油化工等行業(yè)向來以生產(chǎn)過程的高度自動化而著稱，也是集散式、分布式和智能式計算機控制系統(tǒng)應用廣泛的領域之一，因而要求與之相配套的執(zhí)行器——計量泵亦要具備靈活多樣的控制模式，可以方便地與計算機系統(tǒng)構(gòu)成各種控制回路，實現(xiàn)更復雜更精確的過程控制。為順應這一新的趨勢，國際上著名的計量泵制造商如德國普羅名特公司在保證其產(chǎn)品傳統(tǒng)性能繼續(xù)領先世界的同時，借助于嵌入式微處理器系統(tǒng)，將多種調(diào)節(jié)控制功能和數(shù)據(jù)通訊協(xié)議整合到計量泵中，真正實現(xiàn)了從沖程頻率到?jīng)_程長度的雙維調(diào)節(jié)，使其產(chǎn)品成為世界首創(chuàng)的智能精密計量泵。
二、計量泵的基本工作原理
眾所周知，計量泵主要由動力驅(qū)動、流體輸送和調(diào)節(jié)控制三部分組成。動力驅(qū)動裝置經(jīng)由機械聯(lián)桿系統(tǒng)帶動流體輸送隔膜（活塞）實現(xiàn)往復運動：
隔膜（活塞）于沖程的前半周將被輸送流體吸入并于后半周將流體排出泵頭；所以，改變沖程的往復運動頻率或每一次往復運動的沖程長度即可達至調(diào)節(jié)流體輸送量之目的。精密的加工精度保證了每次泵出量進而實現(xiàn)被輸送介質(zhì)的精密計量。
因其動力驅(qū)動和流體輸送方式的不同，計量泵可以大致劃分成柱塞式和隔膜式兩大種類。
2.1、柱塞式計量泵
主要有普通有閥泵和無閥泵兩種。柱塞式計量泵因其結(jié)構(gòu)簡單和耐高溫高壓等優(yōu)點而被廣泛應用于石油化工領域。針對高粘度介質(zhì)在高壓力工況下普通柱塞泵的不足，一種無閥旋轉(zhuǎn)柱塞式計量泵受到愈來愈多的重視，被廣泛應用于糖漿、巧克力和石油添加劑等高粘度介質(zhì)的計量添加。因被計量介質(zhì)和泵內(nèi)潤滑劑之間無法實現(xiàn)完全隔離這一結(jié)構(gòu)性缺點，柱塞式計量泵在高防污染要求流體計量應用中受到諸多限制。
2.2、隔膜式計量泵
顧名思義，隔膜式計量泵利用特殊設計加工的柔性隔膜取代活塞，在驅(qū)動機構(gòu)作用下實現(xiàn)往復運動，完成吸入－排出過程。由于隔膜的隔離作用，在結(jié)構(gòu)上真正實現(xiàn)了被計量流體與驅(qū)動潤滑機構(gòu)之間的隔離。高科技的結(jié)構(gòu)設計和新型材料的選用已經(jīng)大大提高了隔膜的使用壽命，加上復合材料優(yōu)異的耐腐蝕特性，隔膜式計量泵目前已經(jīng)成為流體計量應用中的主力泵型。在隔膜式計量泵家族成員里，液力驅(qū)動式隔膜泵由于采用了液壓油均勻地驅(qū)動隔膜，克服了機械直接驅(qū)動方式下泵隔膜受力過分集中的缺點，提升了隔膜壽命和工作壓力上限。為了克服單隔膜式計量泵可能出現(xiàn)的因隔膜破損而造成的工作故障，有的計量泵配備了隔膜破損傳感器，實現(xiàn)隔膜破裂時自動連鎖保護；具有雙隔膜結(jié)構(gòu)泵頭的計量進一步提高了其安全性，適合對安全保護特別敏感的應用場合。
作為隔膜式計量泵的一種，電磁驅(qū)動式計量泵以電磁鐵產(chǎn)生脈動驅(qū)動力，省卻了電機和變速機構(gòu)，使得系統(tǒng)小巧緊湊，是小量程低壓計量泵的重要分支。
現(xiàn)在，精密計量泵技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其流體計量輸送能力大可達0-100,000l/h，工作壓力高達4000 bar，工作范圍覆蓋了工業(yè)生產(chǎn)所有領域的要求。
三、計量泵的控制
計量泵每一次的流體泵出量決定了其計量容量。在一定的有效隔膜面積下，泵的輸出流體的體積流量正比與沖程長度L和沖程頻率F：V∝A*F*L
在計量介質(zhì)和工作壓力確定情況下，通過調(diào)節(jié)沖程長度L和沖程頻率F即可實現(xiàn)對計量泵輸出的雙維調(diào)節(jié)。
盡管沖程長度和頻率都可以作為調(diào)節(jié)變量，但在工程應用中一般將沖程長度視為粗調(diào)變量，沖程頻率為細調(diào)變量：調(diào)節(jié)沖程長度至一定值，然后通過改變其頻率實現(xiàn)精細調(diào)節(jié)，增加調(diào)節(jié)的靈活性。在相對簡單的應用場合，亦可以手動設置沖程長度，僅將沖程頻率作為調(diào)節(jié)變量，從而簡化系統(tǒng)配置。
3.1、常規(guī)模擬/開關(guān)信號調(diào)節(jié)方式
過程控制應用中廣泛采用0/4-20mA模擬電流信號作為傳感器、控制器和執(zhí)行機構(gòu)間信號交換的標準，具有外控功能的計量泵亦主要采用這種方式，實現(xiàn)對沖程頻率和沖程頻率的外部調(diào)節(jié)。
位置式伺服機構(gòu)是實現(xiàn)沖程長度調(diào)節(jié)的普遍方法。一體化的伺服機構(gòu)被設計成能夠直接接受來自調(diào)節(jié)器或計算機的0/4-20mA控制信號，從而自動調(diào)節(jié)沖程長度在0-100％范圍內(nèi)變化。
相對而言實現(xiàn)沖程頻率調(diào)節(jié)的方法比較多樣，主要有變頻電機控制和直接繼電觸點控制兩種。經(jīng)由0/4-20mA電流信號控制的變頻調(diào)速器驅(qū)動計量泵電動機按所需速度運行，從而實現(xiàn)沖程頻率的調(diào)節(jié)。對于電磁驅(qū)動和部分電機驅(qū)動的計量泵，亦可以利用外部觸點信號來調(diào)節(jié)沖程頻率。
3.2、基地式控制方式
在某些特殊場合，如ph值調(diào)節(jié)，計量泵作為執(zhí)行器，在調(diào)節(jié)器的控制下添加酸或堿。為簡化系統(tǒng)配置和提高可靠性，以微處理器為核心的嵌入式控制系統(tǒng)被直接集成到計量泵內(nèi)，如此只需外接一支pH傳感器，即可構(gòu)成完整的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種基地式智能計量泵概念也適用于控制其它工藝參數(shù)，如氧化還原電位(ORP)和余氯濃度調(diào)節(jié)等應用場合。
3.3、設定程序式控制
由于內(nèi)部集成了微處理計算機，一些計量泵產(chǎn)品的調(diào)控性能和操作性能得到了充分提升，在跟隨外部控制命令實現(xiàn)實時計量流量調(diào)節(jié)之外，還具有定量添加，時間序列觸發(fā)程序式添加，事件序列觸發(fā)程序式添加，時間－事件混合觸發(fā)程序式添加和自動校正等多種工作模式，并可以提供以泵出流體總量，剩余沖程次數(shù)和待輸送流體容量，設定沖程長度和其它相關(guān)的計量泵工作參數(shù)等有用信息。
時間序列觸發(fā)程序式工作方式令計量泵完全依據(jù)實時時鐘，按預先規(guī)劃的任務清單，在指定時刻按設定的沖程次數(shù)或時間定量添加工作介質(zhì)，時間可以以每小時，天，工作日，公休日，一周和二周為周期靈活設定；而事件序列觸發(fā)程序式工作方式令計量泵完全依據(jù)實時觸發(fā)事件，按預先規(guī)劃的任務清單，在特定事件發(fā)生時（觸點輸入）按設定的沖程次數(shù)或時間定量添加工作介質(zhì)。以上兩種方式可以有機混合，完成更復雜的時間－事件混合觸發(fā)工作模式。多可設定81個事件。
一個簡單的例子是冷卻塔循環(huán)水消毒滅藻系統(tǒng)。消毒劑以特定濃度根據(jù)補充水流量比例添加；并按工藝要求，在比例添加過程當中，每周還應脈沖式大劑量添加一次消毒劑（如設定在周五12-13時），并要求此時暫停比例添加作用。整個編程十分簡捷，令復雜多變的流體添加任務得以輕松而精確地實現(xiàn)。
3.4、現(xiàn)場總線ProFibus控制方式
在石油化工等大規(guī)模高自動化成度的應用場合，利用數(shù)字通訊協(xié)議進行自動化設備之間數(shù)據(jù)的高速傳輸進而組成網(wǎng)絡式控制系統(tǒng)，容量大，可靠性高，已成為發(fā)展的主流。繼二十世紀九十年代初被納入德國DIN標準后，現(xiàn)場總線ProFibus于九十年代末又成為歐洲標準(EN50170)，在世界范圍內(nèi)得到廣泛采用，已成為現(xiàn)場總線技術(shù)中代表性協(xié)議之一。
現(xiàn)場總線ProFibus由三種形勢組成。ProFibus－DP，ProFibus－PA和ProFibus－FMS。其中ProFibus－DP(Decentralized Periphery)定義為分散型外圍設備現(xiàn)場總線，系專門為過程控制系統(tǒng)與分散的外圍設備之間高速數(shù)據(jù)信息交換而設計的。其傳輸介質(zhì)為雙絞線或光纖聯(lián)接的RS485傳輸制式，波特率9.6-12Mb/s，系統(tǒng)構(gòu)成成本低，高速可靠。
現(xiàn)場總線ProFibus指令集精簡凝練，編程非常方便。具有現(xiàn)場總線ProFibus通訊功能的計量泵，在具有所有手動調(diào)節(jié)功能的同時，可以方便地溶入高級的如集散式計算機控制系統(tǒng)中，使其各種功能得以更充分地發(fā)揮，已經(jīng)成為現(xiàn)代精密計量泵的佼佼者。普羅名特公司計量泵家族中即有三大系列數(shù)十個型號的產(chǎn)品配置了現(xiàn)場總線功能。
四、結(jié)束語
今天，計量泵的研發(fā)已經(jīng)超越了其傳統(tǒng)意義上單純追求容量和材質(zhì)的范疇，轉(zhuǎn)而面向高精度，多功能和智能化的發(fā)展方向，這一趨勢已經(jīng)成為世界主要計量泵生商的共識。
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