精密計量泵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藥、食品飲料和石油化工行業在內的各個領域，在工藝過程擔負著強腐蝕性、毒害性、高粘性和高壓介質的計量添加任務。經過超過半個世紀的實踐應用和技術改進，現在計量泵已經進入其高速增長期。現在，成熟的動力驅動方式和液體輸送端（泵頭）材料技術使得新型計量泵幾乎可以完成輸送任何常規和特殊介質的要求，其工作壓力和容量亦能滿足工業生產的絕大多數要求。

        隨著人們對生產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。石油化工等行業向來以生產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應用最廣泛的領域之一，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，實現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品傳統性能繼續領先世界的同時，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議整合到計量泵中，真正實現了從沖程頻率到沖程長度的雙維調節，使其產品成為世界首創的智能精密計量泵。

二、計量泵的基本工作原理

        眾所周知，計量泵主要由動力驅動、流體輸送和調節控制三部分組成。動力驅動裝置經由機械聯桿系統帶動流體輸送隔膜（活塞）實現往復運動：

        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而實現被輸送介質的精密計量。

        因其動力驅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構簡單和耐高溫高壓等優點而被廣泛應用于石油化工領域。針對高粘度介質在高壓力工況下普通柱塞泵的不足，一種無閥旋轉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的計量添加。因被計量介質和泵內潤滑劑之間無法實現完全隔離這一結構性缺點，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，在驅動機構作用下實現往復運動，完成吸入－排出過程。由于隔膜的隔離作用，在結構上真正實現了被計量流體與驅動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大大提高了隔膜的使用壽命，加上復合材料優異的耐腐蝕特性，隔膜式計量泵目前已經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，液力驅動式隔膜泵由于采用了液壓油均勻地驅動隔膜，克服了機械直接驅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，實現隔膜破裂時自動連鎖保護；具有雙隔膜結構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，電磁驅動式計量泵以電磁鐵產生脈動驅動力，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，精密計量泵技術已經非常成熟，其流體計量輸送能力最大可達0-100,000l/h，工作壓力最高達4000bar，工作范圍覆蓋了工業生產所有領域的要求。

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

        在計量介質和工作壓力確定情況下，通過調節沖程長度L和沖程頻率F即可實現對計量泵輸出的雙維調節。

        盡管沖程長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度視為粗調變量，沖程頻率為細調變量：調節沖程長度至一定值，然后通過改變其頻率實現精細調節，增加調節的靈活性。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節變量，從而簡化系統配置。

        3.1、常規模擬/開關信號調節方式

        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現沖程長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自調節器或計算機的0/4-20mA控制信號，從而自動調節沖程長度在0-100％范圍內變化。

        相對而言實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控制兩種。經由0/4-20mA電流信號控制的變頻調速器驅動計量泵電動機按所需速度運行，從而實現沖程頻率的調節。對于電磁驅動和部分電機驅動的計量泵，亦可以利用外部觸點信號來調節沖程頻率。

        3.2、基地式控制方式

        在某些特殊場合，如ph值調節，計量泵作為執行器，在調節器的控制下添加酸或堿。為簡化系統配置和提高可靠性，以微處理器為核心的嵌入式控制系統被直接集成到計量泵內，如此只需外接一支pH傳感器，即可構成完整的調節系統。這種基地式智能計量泵概念也適用于控制其它工藝參數，如氧化還原電位(ORP)和余氯濃度調節等應用場合。

        3.3、設定程序式控制

        由于內部集成了微處理計算機，一些計量泵產品的調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實時計量流量調節之外，還具有定量添加，時間序列觸發程序式添加，事件序列觸發程序式添加，時間－事件混合觸發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，剩余沖程次數和待輸送流體容量，設定沖程長度和其它相關的計量泵工作參數等有用信息。

 

        時間序列觸發程序式工作方式令計量泵完全依據實時時鐘，按預先規劃的任務清單，在指定時刻按設定的沖程次數或時間定量添加工作介質，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；而事件序列觸發程序式工作方式令計量泵完全依據實時觸發事件，按預先規劃的任務清單，在特定事件發生時（觸點輸入）按設定的沖程次數或時間定量添加工作介質。以上兩種方式可以有機混合，完成更復雜的時間－事件混合觸發工作模式。最多可設定81個事件。

        一個簡單的例子是冷卻塔循環水消毒滅藻系統。消毒劑以特定濃度根據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。

        3.4、現場總線ProFibus控制方式

        在石油化工等大規模高自動化成度的應用場合，利用數字通訊協議進行自動化設備之間數據的高速傳輸進而組成網絡式控制系統，容量大，可靠性高，已成為發展的主流。繼二十世紀九十年代初被納入德國DIN標準后，現場總線ProFibus于九十年代末又成為歐洲標準(EN50170)，在世界范圍內得到廣泛采用，已成為現場總線技術中代表性協議之一。

        現場總線ProFibus由三種形勢組成。ProFibus－DP，ProFibus－PA和ProFibus－FMS。其中ProFibus－DP(DecentralizedPeriphery)定義為分散型外圍設備現場總線，系專門為過程控制系統與分散的外圍設備之間高速數據信息交換而設計的。其傳輸介質為雙絞線或光纖聯接的RS485傳輸制式，波特率9.6-12Mb/s，系統構成成本低，高速可靠。

        現場總線ProFibus指令集精簡凝練，編程非常方便。具有現場總線ProFibus通訊功能的計量泵，在具有所有手動調節功能的同時，可以方便地溶入高級的如集散式計算機控制系統中，使其各種功能得以充分地發揮，已經成為現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十個型號的產品配置了現場總線功能。

 

四、結束語

 

        今天，計量泵的研發已經超越了其傳統意義上單純追求容量和材質的范疇，轉而面向高精度，多功能和智能化的發展方向，這一趨勢已經成為世界主要計量泵生商的共識。

 

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