计量泵的基本工作原理及其控制方法

计量泵的基本工作原理及其控制方法一、概述

作为流体精密计量与投加的理想设备，计量泵如今已被广泛地应用于包括制药、食品饮料和石油化工行业在内的各个领域，在工艺过程担负着强腐蚀性、毒害性、高粘性和高压介质的计量添加任务。经过超过半个世纪的实践应用和技术改进，现在计量泵已经进入其高速增长期。现在，成熟的动力驱动方式和液体输送端（泵头）材料技术使得新型计量泵几乎可以完成输送任何常规和特殊介质的要求，其工作压力和容量亦能满足工业生产的绝大多数要求。随着人们对生产工艺过程指标和自动化程度要求的普遍提高，作为化学药剂计量和添加环节的最终执行机构，计量泵的安全性和可控制性变得日益重要起来。石油化工等行业向来以生产过程的高度自动化而著称，也是集散式、分布式和智能式计算机控制系统应用最广泛的领域之一，因而要求与之相配套的执行器——计量泵亦要具备灵活多样的控制模式，可以方便地与计算机系统构成各种控制回路，实现更复杂更精确的过程控制。为顺应这一新的趋势，国际上著名的计量泵制造商如德国普罗名特公司在保证其产品传统性能继续领先世界的同时，借助于嵌入式微处理器系统，将多种调节控制功能和数据通讯协议整合到计量泵中，真正实现了从冲程频率到冲程长度的双维调节，使其产品成为世界首创的智能精密计量泵。

二、计量泵的基本工作原理

众所周知，计量泵主要由动力驱动、流体输送和调节控制三部分组成。动力驱动装置经由机械联杆系统带动流体输送隔膜（活塞）实现往复运动：

隔膜（活塞）于冲程的前半周将被输送流体吸入并于后半周将流体排出泵头；所以，改变冲程的往复运动频率或每一次往复运动的冲程长度即可达至调节流体输送量之目的。精密的加工精度保证了每次泵出量进而实现被输送介质的精密计量。

因其动力驱动和流体输送方式的不同，计量泵可以大致划分成柱塞式和隔膜式两大种类。

2.1 、柱塞式计量泵

主要有普通有阀泵和无阀泵两种。柱塞式计量泵因其结构简单和耐高温高压等优点而被广泛应用于石油化工领域。针对高粘度介质在高压力工况下普通柱塞泵的不足，一种无阀旋转柱塞式计量泵受到愈来愈多的重视，被广泛应用于糖浆、巧克力和石油添加剂等高粘度介质的计量添加。因被计量介质和泵内润滑剂之间无法实现完全隔离这一结构性缺点，柱塞式计量泵在高防污染要求流体计量应用中受到诸多限制。

2.2 、隔膜式计量泵

顾名思义，隔膜式计量泵利用特殊设计加工的柔性隔膜取代活塞，在驱动机构作用下实现往复运动，完成吸入－排出过程。由于隔膜的隔离作用，在结构上真正实现了被计量流体与驱动润滑机构之间的隔离。高科技的结构设计和新型材料的选用已经大大提高了隔膜的使用寿命，加上复合材料优异的耐腐蚀特性，隔膜式计量泵目前已经成为流体计量应用中的主力泵型。在隔膜式计量泵家族成员里，液力驱动式隔膜泵由于采用了液压油均匀地驱动隔膜，克服了机械直接驱动方式下泵隔膜受力过分集中的缺点，提升了隔膜寿命和工作压力上限。为了克服单隔膜式计量泵可能出现的因隔膜破损而造成的工作故障，有的计量泵配备了隔膜破损传感器，实现隔膜破裂时自动连锁保护；具有双隔膜结构泵头的计量进一步提高了其安全性，适合对安全保护特别敏感的应用场合。

作为隔膜式计量泵的一种，电磁驱动式计量泵以电磁铁产生脉动驱动力，省却了电机和变速机构，使得系统小巧紧凑，是小量程低压计量泵的重要分支。

现在，精密计量泵技术已经非常成熟，其流体计量输送能力最大可达 0-100,000l/h ，工作压力最高达 4000 bar ，工作范围覆盖了工业生产所有领域的要求。

三、计量泵的控制

计量泵每一次的流体泵出量决定了其计量容量。在一定的有效隔膜面积下，泵的输出流体的体积流量正比与冲程长度 L 和冲程频率 F ：V ∝ A*F*L 在计量介质和工作压力确定情况下，通过调节冲程

长度 L 和冲程频率 F 即可实现对计量泵输出的双维调节。

尽管冲程长度和频率都可以作为调节变量，但在工程应用中一般将冲程长度视为粗调变量，冲程频率为细调变量：调节冲程长度至一定值，然后通过改变其频率实现精细调节，增加调节的灵活性。在相对简单的应用场合，亦可以手动设置冲程长度，仅将冲程频率作为调节变量，从而简化系统配置。3.1 、常规模拟 / 开关信号调节方式

过程控制应用中广泛采用 0/4-20mA 模拟电流信号作为传感器、控制器和执行机构间信号交换的标准，具有外控功能的计量泵亦主要采用这种方式，实现对冲程频率和冲程频率的外部调节。

位置式伺服机构是实现冲程长度调节的最普遍方法。一体化的伺服机构被设计成能够直接接受来自调节器或计算机的 0/4-20mA 控制信号，从而自动调节冲程长度在 0-100 ％范围内变化。

相对而言实现冲程频率调节的方法比较多样，主要有变频电机控制和直接继电触点控制两种。经由

0/4-20mA 电流信号控制的变频调速器驱动计量泵电动机按所需速度运行，从而实现冲程频率的调节。对于电磁驱动和部分电机驱动的计量泵，亦可以利用外部触点信号来调节冲程频率。

3.2 、基地式控制方式

在某些特殊场合，如 ph 值调节，计量泵作为执行器，在调节器的控制下添加酸或碱。为简化系统配置和提高可靠性，以微处理器为核心的嵌入式控制系统被直接集成到计量泵内，如此只需外接一支 pH 传感器，即可构成完整的调节系统。这种基地式智能计量泵概念也适用于控制其它工艺参数，如氧化还原电位 (ORP) 和余氯浓度调节等应用场合。

3.3 、设定程序式控制

由于内部集成了微处理计算机，一些计量泵产品的调控性能和操作性能得到了充分提升，在跟随外部控制命令实现实时计量流量调节之外，还具有定量添加，时间序列触发程序式添加，事件序列触发程序式添加，时间－事件混合触发程序式添加和自动校正等多种工作模式，并可以提供以泵出流体总量，剩余冲程次数和待输送流体容量，设定冲程长度和其它相关的计量泵工作参数等有用信息。

时间序列触发程序式工作方式令计量泵完全依据实时时钟，按预先规划的任务清单，在指定时刻按设定的冲程次数或时间定量添加工作介质，时间可以以每小时，天，工作日，公休日，一周和二周为周期灵活设定；而事件序列触发程序式工作方式令计量泵完全依据实时触发事件，按预先规划的任务清单，在特定事件发生时（触点输入）按设定的冲程次数或时间定量添加工作介质。以上两种方式可以有机混合，完成更复杂的时间－事件混合触发工作模式。最多可设定 81 个事件。

一个简单的例子是冷却塔循环水消毒灭藻系统。消毒剂以特定浓度根据补充水流量比例添加；并按工艺要求，在比例添加过程当中，每周还应脉冲式大剂量添加一次消毒剂（如设定在周五 12-13 时），并要求此时暂停比例添加作用。整个编程十分简捷，令复杂多变的流体添加任务得以轻松而精确地实现。

3.4 、现场总线 ProFibus 控制方式

在石油化工等大规模高自动化成度的应用场合，利用数字通讯协议进行自动化设备之间数据的高速传输进而组成网络式控制系统，容量大，可靠性高，已成为发展的主流。继二十世纪九十年代初被纳入德国 DIN 标准后，现场总线 ProFibus 于九十年代末又成为欧洲标准 (EN50170) ，在世界范围内得到广泛采用，已成为现场总线技术中代表性协议之一。

现场总线 ProFibus 由三种形势组成。 ProFibus － DP ， ProFibus － PA 和 ProFibus － FMS 。其中 ProFibus － DP(Decentralized Periphery) 定义为分散型外围设备现场总线，系专门为过程控制系统与分散的外围设备之间高速数据信息交换而设计的。其传输介质为双绞线或光纤联接的

RS485 传输制式，波特率 9.6-12Mb/s ，系统构成成本低，高速可靠。

现场总线 ProFibus 指令集精简凝练，编程非常方便。具有现场总线 ProFibus 通讯功能的计量泵，在具有所有手动调节功能的同时，可以方便地溶入高级的如集散式计算机控制系统中，使其各种功能得以更充分地发挥，已经成为现代精密计量泵的佼佼者。普罗名特公司计量泵家族中即有三大系列数十个型号的产品配置了现场总线功能。

四、结束语

今天，计量泵的研发已经超越了其传统意义上单纯追求容量和材质的范畴，转而面向高精度，多功能和智能化的发展方向，这一趋势已经成为世界主要计量泵生商的共识。

计量泵的维护与故障解决

如何更换计量泵的隔膜？

1. 取下固定泵头的4个螺丝。螺丝位置在计量泵的背面。

2. 在泵头松动之后，取下泵头之前，调节冲程长度到0%位置。可以保证电磁轴有足够的压力，保持其连接稳固，这样就可以旋下隔膜。

3. 向外拉液力端使螺丝从插孔内脱离。抓住液体端逆时针旋转。稍有些阻力，可以旋下隔膜。

4. 一旦隔膜被取下，检查计量泵的安全隔膜，确保其是完好的，没有任何损坏。安装新的隔膜，顺时针旋转背板和隔膜直到贴紧。调节背板，使漏液排出孔位于泵的最底端。

5. 在隔膜安装完毕、并且背板漏液排出孔置于垂直位置之后，安装泵头。确保吸液阀与漏液排出孔对齐，液力端的螺丝与相应的4个孔对齐。

6. 旋转到冲程长度100%位置。这样可以使整套部件旋转至背板漏液排出孔与泵的最底端对齐。在泵运行过程中调整液力端和隔膜至合适的位置。

7. 当液力端连同背板位置调好之后，4个螺栓以对角方式拧紧，直到合适为止。完成这项工作时应用力均匀。

我收到了一个备件包，在取下旧的隔膜时遇到了麻烦。能否就如何拆下旧的隔膜提供一些额外的建议？

通过松开4个泵头螺丝，移动液力端。旋转冲程长度到0%并抓住液力端，然后从螺丝孔滑出，那么螺丝不与它们接触，但是还把持着背板和隔膜。然后逆时针旋转此部件，稍有些阻力，隔膜会从电磁轴松动下来。如果隔膜还没有松动，在隔膜和电磁轴的接触表面用些润滑油。放置几分钟后，用一塑胶小锤轻轻敲打隔膜。然后在按照以上描述再次进行。

当采用自吸方式计量过氧化氢时，系统内产生气穴。如何解决这个问题？

计量泵安装自排气泵头，采用自灌式吸液。保持吸液管线尽可能短。

计量泵安装、运行之后不计量药液?

1. 是否安装了排泄管并且排泄阀闭合？在计量泵引液阶段排泄阀需要打开。注意：并不是所有的计量泵都有排泄阀。

2. 在计量泵的吸入端可能有气体泄漏。液力端吸入侧连接件可能缺少O型圈或吸入阀连接松动。

3. 计量泵底阀可能阻塞，计量的药液不能通过。

4. 计量泵的冲程长度设定不合适。

5. 计量的化学药品可能在液力端结晶，致使单向阀阀球和阀座不能正常工作。

我正在使用流量监视计量一种高粘度介质，在引液过程中收到了流量故障指示信号，怎么做可以解决这个问题?

对反应时间来说，脉冲持续时间可能不足够长。相对于标准的脉冲宽度80msec，流量监视器脉冲宽度扩展可以被激活，增加脉冲宽度至300msec。激活智能转换开关，取下固定电路板的护盖，移走跳线X-1。这样就激活了扩展功能，在故障指示之前允许有更多的时间。

如何防止冲程定位马达烧毁?

在调节冲程位置时，确保计量泵的电机始终在运转。如果计量泵电机没有运转，冲程长度调节杆要抵抗压缩弹簧的张力，这样会导致冲程定位马达过早损坏。

泵用机械密封维修方案及其泄漏点分析泵用机械密封种类繁多，型号各异，但泄漏点主要有五处：

（l）轴套与轴间的密封；

（2）动环与轴套间的密封；

（3）动、静环间密封；

（4）对静环与静环座间的密封；

（5）密封端盖与泵体间的密封。

一般来说，轴套外伸的轴间、密封端盖与泵体间的泄漏比较容易发现和解决，但需细致观察，特别是当工作介质为液化气体或高压、有毒有害气体时，相对困难些。其余的泄漏直观上很难辩别和判断，须在长期管理、维修实践的基础上，对泄漏症状进行观察、分析、研判，才能得出正确结论。

一、泄漏原因分析及判断

1．安装静试时泄漏。机械密封安装调试好后，一般要进行静试，观察泄漏量。如泄漏量较小，多为动环或静环密封圈存在问题；泄漏量较大时，则表明动、静环摩擦副间存在问题。在初步观察泄漏量、判断泄漏部位的基础上，再手动盘车观察，若泄漏量无明显变化则静、动环密封圈有问题；如盘车时泄漏量有明显变化则可断定是动、静环摩擦副存在问题；如泄漏介质沿轴向喷射，则动环密封圈存在问题居多，泄漏介质向四周喷射或从水冷却孔中漏出，则多为静环密封圈失效。此外，泄漏通道也可同时存在，但一般有主次区别，只要观察细致，熟悉结构，一定能正确判断。

2．试运转时出现的泄漏。泵用机械密封经过静试后，运转时高速旋转产生的离心力，会抑制介质的泄漏。因此，试运转时机械密封泄漏在排除轴间及端盖密封失效后，基本上都是由于动、静环摩擦副受破坏所致。引起摩擦副密封失效因素主要有：

（l）操作中，因抽空、气蚀、憋压等异常现象，引起较大的轴向力，使动、静环接触面分离；（2）对安装机械密封时压缩量过大，导致摩擦副端面严重磨损、擦伤；

（3）动环密封圈过紧，弹簧无法调整动环的轴向浮动量；

（4）静环密封圈过松，当动环轴向浮动时，静环脱离静环座；

（5）工作介质中有颗粒状物质，运转中进人摩擦副，探伤动、静环密封端面；

（6）设计选型有误，密封端面比压偏低或密封材质冷缩性较大等。上述现象在试运转中经常出现，有时可以通过适当调整静环座等予以消除，但多数需要重新拆装，更换密封。

3．正常运转中突然泄漏。离心泵在运转中突然泄漏少数是因正常磨损或已达到使用寿命，而大多数是由于工况变化较大或操作、维护不当引起的。

（1）抽空、气蚀或较长时间憋压，导致密封破坏；

（2）对泵实际输出量偏小，大量介质泵内循环，热量积聚，引起介质气化，导致密封失效；

（3）回流量偏大，导致吸人管侧容器（塔、釜、罐、池）底部沉渣泛起，损坏密封；

（4）对较长时间停运，重新起动时没有手动盘车，摩擦副因粘连而扯坏密封面；

（5）介质中腐蚀性、聚合性、结胶性物质增多；

（6）环境温度急剧变化；

（7）工况频繁变化或调整；

（8）突然停电或故障停机等。离心泵在正常运转中突然泄漏，如不能及时发现，往往会酿成较大事故或损失，须予以重视并采取有效措施。

二、泵用机械密封检修中的几个误区

1．弹簧压缩量越大密封效果越好。其实不然，弹簧压缩量过大，可导致摩擦副急剧磨损，瞬间烧损；过度的压缩使弹簧失去调节动环端面的能力，导致密封失效。

2．动环密封图越紧越好。其实动环密封圈过紧有害无益。一是加剧密封圈与轴套间的磨损,过早泄漏;二是增大了动环轴向调整、移动的阻力,在工况变化频繁时无法适时进行调整;三是弹簧过度疲劳易损坏;四是使动环密封圈变形,影响密封效果。

3．静环密封圈越紧越好。静环密封圈基本处于静止状态，相对较紧密封效果会好些，但过紧也是有害的。一是引起静环密封因过度变形，影响密封效果；二是静环材质以石墨居多，一般较脆，过度受力极易引起碎裂；三是安装、拆卸困难，极易损坏静环。

4．叶轮锁母越紧越好。机械密封泄漏中，轴套与轴之间的泄漏（轴间泄漏）是比较常见的。一般认为，轴间泄漏就是叶轮锁母没锁紧，其实导致轴间泄漏的因素较多，如轴间垫失效，偏移，轴间内有杂质，轴与轴套配合处有较大的形位误差，接触面破坏，轴上各部件间有间隙，轴头螺纹过长等都会导致轴间泄漏。锁母锁紧过度只会导致轴间垫过早失效，相反适度锁紧锁母，使轴间垫始终保持一定的压缩弹性，在运转中锁母会自动适时锁紧，使轴间始终处于良好的密封状态。

5．新的比旧的好。相对而言，使用新机械密封的效果好于旧的，但新机械密封的质量或材质选择不当时，配合尺寸误差较大会影响密封效果；在聚合性和渗透性介质中，静环如无过度磨损，还是不更换为好。因为静环在静环座中长时间处于静止状态，使聚合物和杂质沉积为一体，起到了较好的密封作用。

6．拆修总比不拆好。一旦出现机械密封泄漏便急于拆修，其实，有时密封并没有损坏，只需调整工况或适当调整密封就可消除泄漏。这样既避免浪费又可以验证自己的故障判断能力，积累维修经验提高检修质量。