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(shè)備，計量泵如今已被廣泛地應(yīng)用于包括制、食品飲料和石油化工行業(yè)在內(nèi)的各個領(lǐng)域，在工藝過程擔(dān)負(fù)著強腐蝕性、毒害性、高粘性和高壓介質(zhì)的計量添加任務(wù)。經(jīng)過超過半個世紀(jì)的實踐應(yīng)用和技術(shù)改進，現(xiàn)在計量泵已經(jīng)進入其高速增長期�，F(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(biāo)和自動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(jié)的最終執(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(yīng)用最廣泛的領(lǐng)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(fù)雜更精確的過程控制。為順應(yīng)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(lǐng)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(fù)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(fù)運動頻率或每一次往復(fù)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(yīng)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，一種無閥旋轉(zhuǎn)柱塞式計量泵受到愈來愈多的重視，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(yīng)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(shè)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(fù)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(shè)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用中一般將沖程長度視為粗調(diào)變量，沖程頻率為細(xì)調(diào)變量：調(diào)節(jié)沖程長度至一定值，然后通過改變其頻率實現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)，增加調(diào)節(jié)的靈活性。在相對簡單的應(yīng)用場合，亦可以手動設(shè)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，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)的最普遍方法。一體化的伺服機構(gòu)被設(shè)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。
