精密計量泵的基本原理及其控制方法
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、食品飲料和石油化工行業(yè)在內的各個(gè)領(lǐng)域，在工藝過(guò)程擔負著(zhù)強腐蝕性、毒害性、高粘性和高壓介質(zhì)的計量添加任務(wù)。經(jīng)過(guò)超過(guò)半個(gè)世紀的實(shí)踐應用和技術(shù)改進(jìn)，現在計量泵已經(jīng)進(jìn)入其高速增長(cháng)期�，F在，成熟的動(dòng)力驅動(dòng)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和特殊介質(zhì)的要求，其工作壓力和容量亦能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的絕大多數要求。隨著(zhù)人們對生產(chǎn)工藝過(guò)程指標和自動(dòng)化程度要求的普遍提高，作為化學(xué)藥劑計量和添加環(huán)節的最終執行機構，計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(zhù)稱(chēng)，也是集散式、分布式和智能式計算機控制系統應用最廣泛的領(lǐng)域之一，因而要求與之相配套的執行器——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構成各種控制回路，實(shí)現更復雜更精確的過(guò)程控制。為順應這一新的趨勢，國際上著(zhù)名的計量泵制造商如德國普羅名特公司在保證其產(chǎn)品傳統性能繼續領(lǐng)先世界的同時(shí)，借助于嵌入式微處理器系統，將多種調節控制功能和數據通訊協(xié)議整合到計量泵中，真正實(shí)現了從沖程頻率到?jīng)_程長(cháng)度的雙維調節，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(dòng)力驅動(dòng)、流體輸送和調節控制三部分組成。動(dòng)力驅動(dòng)裝置經(jīng)由機械聯(lián)桿系統帶動(dòng)流體輸送隔膜（活塞）實(shí)現往復運動(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，改變沖程的往復運動(dòng)頻率或每一次往復運動(dòng)的沖程長(cháng)度即可達至調節流體輸送量之目的。精密的加工精度保證了每次泵出量進(jìn)而實(shí)現被輸送介質(zhì)的精密計量。 因其動(dòng)力驅動(dòng)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(lèi)。 2.1、柱塞式計量泵 主要有普通有閥泵和無(wú)閥泵兩種。柱塞式計量泵因其結構簡(jiǎn)單和耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應用于石油化工領(lǐng)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(wú)閥旋轉柱塞式計量泵受到愈來(lái)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)和泵內潤滑劑之間無(wú)法實(shí)現完全隔離這一結構性缺點(diǎn)，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，在驅動(dòng)機構作用下實(shí)現往復運動(dòng)，完成吸入－排出過(guò)程。由于隔膜的隔離作用，在結構上真正實(shí)現了被計量流體與驅動(dòng)潤滑機構之間的隔離。高科技的結構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，液力驅動(dòng)式隔膜泵由于采用了液壓油均勻地驅動(dòng)隔膜，克服了機械直接驅動(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量泵可能出現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(shí)現隔膜破裂時(shí)自動(dòng)連鎖保護；具有雙隔膜結構泵頭的計量進(jìn)一步提高了其安全性，適合對安全保護特別敏感的應用場(chǎng)合。 作為隔膜式計量泵的一種，電磁驅動(dòng)式計量泵以電磁鐵產(chǎn)生脈動(dòng)驅動(dòng)力，省卻了電機和變速機構，使得系統小巧緊湊，是小量程低壓計量泵的重要分支。 現在，精密計量泵技術(shù)已經(jīng)非常成熟，其流體計量輸送能力最大可達0-100,000l/h，工作壓力最高達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(cháng)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(guò)調節沖程長(cháng)度L和沖程頻率F即可實(shí)現對計量泵輸出的雙維調節。 盡管沖程長(cháng)度和頻率都可以作為調節變量，但在工程應用中一般將沖程長(cháng)度視為粗調變量，沖程頻率為細調變量：調節沖程長(cháng)度至一定值，然后通過(guò)改變其頻率實(shí)現精細調節，增加調節的靈活性。在相對簡(jiǎn)單的應用場(chǎng)合，亦可以手動(dòng)設置沖程長(cháng)度，僅將沖程頻率作為調節變量，從而簡(jiǎn)化系統配置。 3.1、常規模擬/開(kāi)關(guān)信號調節方式 過(guò)程控制應用中廣泛采用0/4-20mA模擬電流信號作為傳感器、控制器和執行機構間信號交換的標準，具有外控功能的計量泵亦主要采用這種方式，實(shí)現對沖程頻率和沖程頻率的外部調節。 位置式伺服機構是實(shí)現沖程長(cháng)度調節的最普遍方法。一體化的伺服機構被設計成能夠直接接受來(lái)自調節器或計算機的0/4-20mA控制信號，從而自動(dòng)調節沖程長(cháng)度在0-100％范圍內變化。 相對而言實(shí)現沖程頻率調節的方法比較多樣，主要有變頻電機控制和直接繼電觸點(diǎn)控制兩種。經(jīng)由0/4-20mA電流信號控制的變頻調速器驅動(dòng)計量泵電動(dòng)機按所需速度運行，從而實(shí)現沖程頻率的調節。對于電磁驅動(dòng)和部分電機驅動(dòng)的計量泵，亦可以利用外部觸點(diǎn)信號來(lái)調節沖程頻率。
