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精密計(jì)量泵工作原理

點(diǎn)擊次數(shù):4068  更新時(shí)間:2010-08-09

 

一、概述
    作為流體精密計(jì)量與投加的理想設(shè)備,計(jì)量泵如今已被廣泛地應(yīng)用于包括制藥、食品飲料和石油化工行業(yè)在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域,在工藝過(guò)程擔(dān)負(fù)著強(qiáng)腐蝕性、毒害性、高粘性和高壓介質(zhì)的計(jì)量添加任務(wù)。
 
報(bào)告經(jīng)過(guò)超過(guò)半個(gè)世紀(jì)的實(shí)踐應(yīng)用和技術(shù)改進(jìn),現(xiàn)在計(jì)量泵已經(jīng)進(jìn)入其高速增長(zhǎng)期。
現(xiàn)在,成熟的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式和液體輸送端(泵頭)材料技術(shù)使得新型計(jì)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(duì)生產(chǎn)工藝過(guò)程指標(biāo)和自動(dòng)化程度要求的普遍提高,作為化學(xué)藥劑計(jì)量和添加環(huán)節(jié)的zui終執(zhí)行機(jī)構(gòu),計(jì)量泵的安全性和可控制性變得日益重要起來(lái)。
石油化工等行業(yè)向來(lái)以生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化而著稱,也是集散式、分布式和智能式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用zui廣泛的領(lǐng)域之一,因而要求與之相配套的執(zhí)行器——計(jì)量泵亦要具備靈活多樣的控制模式,可以方便地與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成各種控制回路,實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜更的過(guò)程控制。

為順應(yīng)這一新的趨勢(shì),上的計(jì)量泵制造商如德國(guó)普羅名特公司在保證其產(chǎn)品傳統(tǒng)性能繼續(xù)世界的同時(shí),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(jì)量泵中,真正實(shí)現(xiàn)了從沖程頻率到?jīng)_程長(zhǎng)度的雙維調(diào)節(jié),使其產(chǎn)品成為世界*的智能精密計(jì)量泵。

二、計(jì)量泵的基本工作原理
    *,計(jì)量泵主要由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、流體輸送和調(diào)節(jié)控制三部分組成。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置經(jīng)由機(jī)械聯(lián)桿系統(tǒng)帶動(dòng)流體輸送隔膜(活塞)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng):
    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(fù)運(yùn)動(dòng)頻率或每一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)的沖程長(zhǎng)度即可達(dá)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)被輸送介質(zhì)的精密計(jì)量。
    因其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和流體輸送方式的不同,機(jī)械計(jì)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(jì)量泵
    主要有普通有閥泵和無(wú)閥泵兩種。柱塞式計(jì)量泵因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。針對(duì)高粘度介質(zhì)在高壓力工況下普通柱塞泵的不足,一種無(wú)閥旋轉(zhuǎn)柱塞式計(jì)量泵受到愈來(lái)愈多的重視,被廣泛應(yīng)用于糖漿、巧克力和石油添加劑等高粘度介質(zhì)的計(jì)量添加。因被計(jì)量介質(zhì)和泵內(nèi)潤(rùn)滑劑之間無(wú)法實(shí)現(xiàn)*隔離這一結(jié)構(gòu)性缺點(diǎn),柱塞式計(jì)量泵在高防污染要求流體計(jì)量應(yīng)用中受到諸多限制。
    2.2、隔膜式計(jì)量泵
    顧名思義,隔膜式計(jì)量泵利用特殊設(shè)計(jì)加工的柔性隔膜取代活塞,在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng),完成吸入-排出過(guò)程。由于隔膜的隔離作用,在結(jié)構(gòu)上真正實(shí)現(xiàn)了被計(jì)量流體與驅(qū)動(dòng)潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)之間的隔離。
高科技的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fù)合材料優(yōu)異的耐腐蝕特性,隔膜式計(jì)量泵目前已經(jīng)成為流體計(jì)量應(yīng)用中的主力泵型。
在隔膜式計(jì)量泵家族成員里,液力驅(qū)動(dòng)式隔膜泵由于采用了液壓油均勻地驅(qū)動(dòng)隔膜,克服了機(jī)械直接驅(qū)動(dòng)方式下泵隔膜受力過(guò)分集中的缺點(diǎn),提升了隔膜壽命和工作壓力上限。
為了克服單隔膜式計(jì)量泵可能出現(xiàn)的因隔膜破損而造成的工作故障,有的計(jì)量泵配備了隔膜破損傳感器,實(shí)現(xiàn)隔膜破裂時(shí)自動(dòng)連鎖保護(hù);具有雙隔膜結(jié)構(gòu)泵頭的計(jì)量進(jìn)一步提高了其安全性,適合對(duì)安全保護(hù)特別敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。
    作為隔膜式計(jì)量泵的一種,電磁驅(qū)動(dòng)式計(jì)量泵以電磁鐵產(chǎn)生脈動(dòng)驅(qū)動(dòng)力,省卻了電機(jī)和變速機(jī)構(gòu),使得系統(tǒng)小巧緊湊,是小量程低壓計(jì)量泵的重要分支。
    現(xiàn)在,精密計(jì)量泵技術(shù)已經(jīng)非常成熟,其流體計(jì)量輸送能力zui大可達(dá)0-100,000l/h,工作壓力zui高達(dá)4000 bar,工作范圍覆蓋了工業(yè)生產(chǎn)所有領(lǐng)域的要求。
  
  三、計(jì)量泵的控制
    計(jì)量泵每一次的流體泵出量決定了其計(jì)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(zhǎng)度L和沖程頻率F:V∝A*F*L 
    在計(jì)量介質(zhì)和工作壓力確定情況下,通過(guò)調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度L和沖程頻率F即可實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量泵輸出的雙維調(diào)節(jié)。
    盡管沖程長(zhǎng)度和頻率都可以作為調(diào)節(jié)變量,但在工程應(yīng)用中一般將沖程長(zhǎng)度視為粗調(diào)變量,沖程頻率為細(xì)調(diào)變量:調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度至一定值,然后通過(guò)改變其頻率實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié),增加調(diào)節(jié)的靈活性。在相對(duì)簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合,亦可以手動(dòng)設(shè)置沖程長(zhǎng)度,僅將沖程頻率作為調(diào)節(jié)變量,從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置。
   
 3.1、常規(guī)模擬/開(kāi)關(guān)信號(hào)調(diào)節(jié)方式
    
過(guò)程控制應(yīng)用中廣泛采用0/4-20mA模擬電流信號(hào)作為傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間信號(hào)交換的標(biāo)準(zhǔn),具有外控功能的計(jì)量泵亦主要采用這種方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)沖程頻率和沖程頻率的外部調(diào)節(jié)。
    位置式伺服機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)沖程長(zhǎng)度調(diào)節(jié)的zui普遍方法。一體化的伺服機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)成能夠直接接受來(lái)自調(diào)節(jié)器或計(jì)算機(jī)的0/4-20mA控制信號(hào),從而自動(dòng)調(diào)節(jié)沖程長(zhǎng)度在0-100%范圍內(nèi)變化。
    相對(duì)而言實(shí)現(xiàn)沖程頻率調(diào)節(jié)的方法比較多樣,主要有變頻電機(jī)控制和直接繼電觸點(diǎn)控制兩種。經(jīng)由0/4-20mA電流信號(hào)控制的變頻調(diào)速器驅(qū)動(dòng)計(jì)量泵電動(dòng)機(jī)按所需速度運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)沖程頻率的調(diào)節(jié)。對(duì)于電磁驅(qū)動(dòng)和部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)的計(jì)量泵,亦可以利用外部觸點(diǎn)信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)沖程頻率。
  
  3.2、基地式控制方式 
    
在某些特殊場(chǎng)合,如ph值調(diào)節(jié),計(jì)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(jiǎn)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(jì)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(jì)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(yīng)用場(chǎng)合。
   
 3.3、設(shè)定程序式控制 
    
由于內(nèi)部集成了微處理計(jì)算機(jī),一些計(jì)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)量流量調(diào)節(jié)之外,還具有定量添加,時(shí)間序列觸發(fā)程序式添加,事件序列觸發(fā)程序式添加,時(shí)間-事件混合觸發(fā)程序式添加和自動(dòng)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(shè)定沖程長(zhǎng)度和其它相關(guān)的計(jì)量泵工作參數(shù)等有用信息。 
    時(shí)間序列觸發(fā)程序式工作方式令計(jì)量泵*依據(jù)實(shí)時(shí)時(shí)鐘,按預(yù)先規(guī)劃的任務(wù)清單,在時(shí)刻按設(shè)定的沖程次數(shù)或時(shí)間定量添加工作介質(zhì),時(shí)間可以以每小時(shí),天,工作日,公休日,一周和二周為周期靈活設(shè)定;而事件序列觸發(fā)程序式工作方式令計(jì)量泵*依據(jù)實(shí)時(shí)觸發(fā)事件,按預(yù)先規(guī)劃的任務(wù)清單,在特定事件發(fā)生時(shí)(觸點(diǎn)輸入)按設(shè)定的沖程次數(shù)或時(shí)間定量添加工作介質(zhì)。以上兩種方式可以有機(jī)混合,完成更復(fù)雜的時(shí)間-事件混合觸發(fā)工作模式。zui多可設(shè)定81個(gè)事件。
    一個(gè)簡(jiǎn)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(bǔ)充水流量比例添加;并按工藝要求,在比例添加過(guò)程當(dāng)中,每周還應(yīng)脈沖式大劑量添加一次消毒劑(如設(shè)定在周五12-13時(shí)),并要求此時(shí)暫停比例添加作用。整個(gè)編程十分簡(jiǎn)捷,令復(fù)雜多變的流體添加任務(wù)得以輕松而地實(shí)現(xiàn)。
    
3.4、現(xiàn)場(chǎng)總線ProFibus控制方式
    在石油化工等大規(guī)模高自動(dòng)化成度的應(yīng)用場(chǎng)合,利用數(shù)字通訊協(xié)議進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備之間數(shù)據(jù)的高速傳輸進(jìn)而組成網(wǎng)絡(luò)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(jì)九十年代初被納入德國(guó)DIN標(biāo)準(zhǔn)后,現(xiàn)場(chǎng)總線ProFibus于九十年代末又成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN50170),在世界范圍內(nèi)得到廣泛采用,已成為現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中代表性協(xié)議之一。 
    現(xiàn)場(chǎng)總線ProFibus由三種形勢(shì)組成。ProFibus-DP,ProFibus-PA和ProFibus-FMS。其中ProFibus-DP(Decentralized Periphery)定義為分散型外圍設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線,系專門為過(guò)程控制系統(tǒng)與分散的外圍設(shè)備之間高速數(shù)據(jù)信息交換而設(shè)計(jì)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(chǎng)總線ProFibus指令集精簡(jiǎn)凝練,編程非常方便。具有現(xiàn)場(chǎng)總線ProFibus通訊功能的計(jì)量泵,在具有所有手動(dòng)調(diào)節(jié)功能的同時(shí),可以方便地溶入的如集散式計(jì)算機(jī)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(jì)量泵的*。普羅名特公司計(jì)量泵家族中即有三大系列數(shù)十個(gè)型號(hào)的產(chǎn)品配置了現(xiàn)場(chǎng)總線功能。意大利seko計(jì)量泵也有多種型號(hào),大范圍精密計(jì)量泵產(chǎn)品,在世界上多種*項(xiàng)目中應(yīng)用.
  
  四、結(jié)束語(yǔ)
    今天,計(jì)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(shì)已經(jīng)成為世界主要計(jì)量泵生產(chǎn)商的共識(shí)。
 
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