Рубрика: Системы дозирования

Мы представляем системный подход для точного дозирование при низких затратах. Высокоинтегрированная система работает при скорости потока 0 — 10мл/мин и противодавлении 0 — 75кПа. Она обеспечивает поток со значительно уменьшенными пульсациями и максимальное отклонение 1,5%. Реализация системы основана на разумном сочетании коммерчески доступных недорогих жидкостных компонентов с тепловым датчиком массового расхода.

Во многих приложениях требуется контролируемая дозировка жидких сред. Пример этого можно увидеть в установках риформинга топливных элементов, где продукты должны быть доставлены с регулируемыми скоростями с низкой пульсацией.

Типы насосов для дозирующих систем

Измерение жидкостей можно разделить на 3 различных типа систем. Низкопроизводительные насосы используются для перекачивания жидкостей без определения расхода. Обычно они сочетаются с датчиком уровня жидкости и имеют простое управление включением/выключением. В настоящее время использование недорогих насосов нецелесообразно для измерительных задач, потому что они очень неточны и вызывают значительную пульсацию потока. Примерами являются перистальтические или диафрагменные насосы.

Высокоточные насосы (насосы-дозаторы), например, поршневые или шестеренчатые насосы с повышенной дозировкой и точностью (рисунок 1) за счет эксплуатации прецизионной механики. Многие из них описаны с точностью до 1%. Небольшие промежутки между движущимися смещенными деталями помогли добиться высоких давлений. Технические усилия влекут за собой недостаток, что эти насосы дороги в производстве.

Третья группа включает дозирование с замкнутым контуром системы. В отличие от насосов-дозаторов, скорость потока дополнительно измеряется, и насос приводится в действие для достижения уставки. Следовательно, точность этих систем улучшена. Зависимость от противодавления и вязкости сведена к минимуму. Примерами являются регуляторы массового расхода и несколько других устройств, которые в настоящее время обычно имеют большие размеры, высокие энергетические затраты, востребованы и дороги.

Требования к системе дозирования жидкости

Дозирующая система должна иметь следующие характеристики. Начнем с того, что точность должна быть настолько высокой, насколько это необходимо. Затем следует достижение широкого динамического диапазона скоростей потока в зависимости от противодавления и вязкости. Кроме того, низкая пульсация и постоянная скорость потока желательна. Наконец, соотношение между затратами и производительностью должна быть адекватной.

В масляной гидравлике, например, используются насосы на несколько л/мин. Эти насосы считаются постоянными, это объемные поршневые насосы. Это предположение можно сделать как утечку через уплотнения, так и в предохранительных клапанах, которыми можно пренебречь по сравнению с измеряемой жидкостью.

Первый метод, который можно использовать для уменьшения этого потока. Скорость должна минимизировать объем смещения. Однако эта процедура имеет ограничения. Примером этого ограничения является превышение в небольших пьезодиафрагменных насосах где скорость потока сильно зависит от жидкостной нагрузки. Другая возможность заключается в снижении частоты смещения, но это противоречит утверждению при низкой пульсации и постоянной скорости потока. Кроме того, требуется обширное демпфирование низкочастотных пульсаций. Поэтому несколько дополнительных методов уменьшения расхода используются. Самый простой способ — увеличить давление насоса с регулирующими клапанами. Но для объемных насосов это не рекомендуется.

Другой подход заключается в использовании байпаса и, таким образом, разделении потока на часть, текущую к выходу, и остальную часть течет обратно в бак. Клапан регулировки давления расположен в байпасе (параллельно насосу) и регулирует противодавление до фиксированного значения. Когда есть дополнительный регулирующий клапан последовательно к насосу на выходе скорость потока можно контролировать.

Однако обходной подход имеет несколько недостатков. Во-первых, он ведет обратно к баку, поэтому полная динамическая и потенциальная энергия движущейся жидкости в байпасе преобразуется в тепло. Во-вторых, две трубки нужны. Только с одной трубкой, подсоединенной к баку характеристика самовсасывания нарушена, потому что воздух идет в обход. Наконец, перепад давления на байпасе учитывается, так как это влияет на максимальное давление нагрузки. Это приводит к высокой потребности в энергии и короткому сроку службы насоса.

Концепция системы дозирования

Представленную систему можно рассматривать как улучшенную для обходного решения. Большинство недостатков классического подхода и обходные пути устранены. Как видно двухходовой регулирующий клапан подключается параллельно насосу. Следовательно, поток делится. Одна часть поступает в нагрузку, а другие потоки обратно через клапан прямо на всасывание в сторону насоса. Следовательно, только энергия давления тратится впустую, но жидкость продолжает двигаться. Соотношение между двумя потоками можно регулировать с помощью клапана с помощью импульса с широтной модуляцией (PWM) и с постоянным жидкостным сопротивлением. Падение давления на клапане автоматически регулируется в зависимости от нагрузки. Если регулирующий клапан полностью закрыт, байпаса нет и насос остается самовсасывающим.

Массовый расход на выходе измеряется датчиком. А микроконтроллер считывает фактическую скорость потока и управляет клапаном, чтобы отрегулировать скорость потока до заданного значения. Расширяя динамический диапазон системы дозирования, контроллер также изменяет частоту насоса.

Реализация системы дозирования с помощью объемных насосов

Для подачи используется недорогой насос. Жидкость из резервуара поступает в нагрузку. Этот насос слишком большой с точки зрения скорости потока. По сравнению с меньшей низкой стоимостью насосы, однако он имеет максимальное противодавление 100 кПа. Демпфирует импульсы давления, используется жидкостная емкость. Это устройство состоит из круглой мембраны с деформируемой пеной на тыльной стороне. Поскольку насос приводится в действие с частотой между 30 Гц и 40 Гц время отклика около 1 мс, чтонужно датчику. Для этого мы использовали очень быстрый датчик теплового потока на основе для измерения и контроля расхода всей системы.

Для управления с обратной связью используется промышленный контроллер, который измеряет выходной сигнал датчика и управляет клапаном и насосом. Во избежание взаимодействия между насосом и клапаном (биение выходного потока из-за помех) оба синхронизированы по частоте. Функциональные компоненты реализованы для различных слоев для достижения высокой степени интеграции. Компонент I включает клапан, вход и выход порты и байпас. Он подключается непосредственно к насосу. Компонент II содержит круглую пену и мембрану из жидкостного конденсатора и, с другой стороны, поток канал над сенсорным чипом. Компонент III включает чипа датчика расхода и полную электронику. Компонент IV включает только уплотнительное кольцо.

Прямоугольный проточный канал, используемый в качестве гидравлического сопротивления, позволяет легко заменить резистор. В будущем, в другие устройства этот резистор может быть реализован как закрытый канал или в качестве стальной капиллярной трубки внутри компонента I для уменьшения количества компонентов.

Расчет потока дозирования

Из-за теплового принципа датчик потока должен быть откалиброван. Целевой расход был создан с помощью шприцевого насоса, а выход датчика записан. Одна примерная калибровочная кривая показана для примера. С помощью этой кривой соответствия была создана «справочная таблица», которая связывает скорость потока в мл/мин со всеми возможными целочисленными шагами аналого-цифрового преобразователя.

Из-за нелинейности калибровочной кривой недостаточно для усреднения необработанных данных датчика. Это могло бы привести к ошибке в расчете скорости потока. Вместо 32 г. н.э. показания датчика записываются во время каждого хода насоса, преобразованный в проточный и встроенный. Результирующая частота дискретизации составляет около 1 кГц. С помощью этой процедуры интегрированное значение расхода за один ход насоса может быть точно рассчитанным, даже если поток частично отрицательный. На основании этого результата время открытия клапана для следующего хода насоса рассчитывается с закрытым контурным ПИД-регулятором. Хотя сам насос неточный и объем смещения немного меняется с каждым ходом, уставка достигается при среднем значении контроллера.

Результаты экспериментов дозирования

В качестве весов использовались прецизионные весы. Показано сравнение между шприцевым насосом и весы соответственно на выходе сигнала датчика расхода (без насоса, клапана и обхода). Видно, что шприцевой насос тоже можно использовать в качестве эталона, поскольку отклонение между расходом и скоростью, создаваемое шприцевым насосом, и скорость потока, измеренная с помощью весов, составляет около 0,1% и, таким образом, около и на порядок ниже требуемой точности датчика потока. Сам датчик расхода (откалиброван шприцевым насосом) показывает точность около 1%.

Затем система дозирования использовалась для дозирования воды из шкалы в резервуар. В этом баке давление регулируемое. Таким образом, могут быть очень быстрые изменения противодавления. Уставка регулируется через RS232. Видно, как изменяется скорость потока в соответствии с заданным значением. Через 5 с новое значение достигается 5 мл/мин. Сильные изменения противодавления также влияют на скорость потока. Это нарушение компенсируется в максимум 5 с. Коэффициент вариации расхода (уставка: 2 мл/мин, противодавление: 25 кПа). Точность дозирования зависит от противодавления и отклонения, находится в пределах 1,5% от заданного значения. Точность соответствует с точностью датчика.

Мы продемонстрировали новую систему дозирования жидкости. Точность и прецизионность не достигаются с дорогим насосом-дозатором, но с помощью очень быстрого тепловой датчика массового расхода в сочетании с модифицированным и улучшенным обходным решением. Так что негабаритный и неточный насос может быть использован. Преимущества этого насоса — это достижимое высокое давление, зависимость от давления по сравнению с меньшими насосами и наконец низкая цена. Точность дозирования и прецизионность почти не зависят от самого насоса. Они соединены с элементом датчика расхода. Это можно рассматривать как недостаток, потому что точность измерения ограничена датчиком.

Целью этого системного подхода является замена насосов-дозаторов в приложениях, где управление технологическим процессом бюджетное. На данный момент — это не предусмотрено ни одним насосом, так как отсутствует датчик расхода. Благодаря использованию недорогих компонентов целевая цена ниже диапазона насосов точного дозирования.