隔膜計量泵的排量誤差分析和遠程補償*

陶奇鈞，余世明

(浙江工業大學信息工程學院，浙江杭州310023)

0 引 言

計量泵作為往復泵的分支，廣泛運用于石油、化工、水處理、食品、制藥、環保、醫療器械等行業的流體定量投加和比例投加(簡稱流體定比投加)，已成為流程工業的心臟和發動機［1］。

對于一個工業系統來說，研究者往往需要對液體排量進行嚴格的控制，例如在工業尾氣處理中，處理液使用過少，達不到處理作用，而處理液使用過多往往又會造成另一種污染的產生。這樣的工業系統便對計量泵的排量控制提出了很高的精度要求。

由于受制造工藝、作業環境等因素的影響，計量泵的實際排量和理論排量會產生一定的偏差，需要調節和補償。而計量泵常常被用來傳輸有毒液體、腐蝕性液體、易燃易爆液體等，在許多危險的環境下，工作人員很難進入現場對計量泵排量進行手工調節，這就使得計量泵的應用受到了很大的限制［2］。

在實際工業現場，有時更需要幾臺或者更多的計量泵組成計量泵組進行協同作業，完成精確的排量任務。顯然這樣的協同工作若是由工作人員手動完成，其精準度必然會受到一定的影響。

為了彌補上述計量泵的缺陷，本研究對計量泵排量的誤差進行了具體分析，并通過設計計量泵遠程控制系統對計量泵排量進行遠程控制和補償。

1 理論排量值的計算

計算排量的誤差首先要計算出排量的理論值，再與實際排量值相減，才能得出排量誤差值，并對其進行補償。

隔膜計量泵結構如圖1所示，它主要由3部分組成:電機、傳動機構和泵頭。減速機是一種傳動機構，通過利用齒輪轉換速度，將電機的回轉數降下來，減到所需的回轉數，從而得到較大轉矩。通過該減速機便把電機所產生的旋轉運動轉變成了柱塞的往復運動［3］。圖1中的柱塞和隔膜實際上是相連接的，這里為了更加形象地描述工作原理而把它們分開。隔膜的凹變化和凸變化是隨著柱塞的往復運動產生的，這種交替的變化能夠使得泵缸內的壓強進行改變，當壓強減小時，從下面吸進流體，反之則從上面排出流體。

圖1 隔膜計量泵結構

設電機旋轉n0圈，經減速機后驅動活塞往復一次，那么傳動比為n0，當電機的轉速為 n(單位:r/min)時，每秒活塞的往復次數(沖程頻率)f可用下式表示:

電機轉速可以根據脈沖數進行計算，在電機軸上設置一個霍爾傳感器并均勻安裝了4個磁鋼，當電機運轉一周，則檢測到4個脈沖，當活塞往復一次時，檢測到的脈沖數nm為4n0。將nm代入上式，得:

在一定的有效隔膜面積下，泵的輸出流體的體積流量與沖程長度和沖程頻率成正比。因此，當使用往復式隔膜計量泵時，其有效隔膜面積A是確定的，只需考慮另外兩個因素對流體排量的影響:

令沖程長度為S，沖程頻率為f，可以把流體的理論排量Q1(單位:m3/h)表示成一個函數:

式中:λ—比例系數;A—有效隔膜面積，m3;S—沖程長度，m;f—沖程頻率。

將式(2)代入式(3)，可得理論排量Q1(單位:m3/h)與電機轉速n(單位:r/min)的關系式:

柱塞的往復運動，帶動隔膜運動做凹凸變化，令凹變化的最大彎曲曲面與凸變化的最大彎曲曲面所圍成的體積為V1，即一次理論沖程排量為V1，則流體的理論排量Q1(單位:m3/h)可以表示為:

由公式(4，5)可得:

2 排量誤差分析

導致隔膜計量泵的排量誤差的因素有很多［4］，包括制造精度引起的誤差、出口壓力引起的誤差、流體粘度不同造成的誤差、工作磨損引起的誤差等［5］。其中制造進度以及流體粘度引起的誤差較為顯著。以下便對這兩處進行詳細分析。

2.1 制造精度排量誤差

本研究將因制作精度引起的誤差記為ΔV(ξ)，實際排量用V1，可表示為:

筆者根據實際情況使其他因素穩定，測出可靠的實驗數據，確定每臺泵的ΔV(ξ)。

設k為實驗次數，檢測到的脈沖數為nms1，nms2，…，nmsk，測得的流體體積為 Q'11，Q'12，…，Q'1k，將誤差記作 ΔV1(ξ)，ΔV2(ξ)，...，ΔVk(ξ)，那么:

可得:

2.2 流體粘度排量誤差

流體的粘度系數η不同，在其他條件全都相同的情況下，其實際排量將存在誤差［6］。本研究用函數x(η)表示粘度系數η不同帶來的誤差影響，可將一次實際排量表示成:

所以:

該數據的獲得需要研究者對測量進行必要的控制，使得其他因素不影響理論排量的大小;本研究設定所用流體均為清水，可得清水所對應的函數x(η)值為1。

對 η，取一些典型的值:η1，η2，…，ηn通過實驗確定 x(ηi)(i=1，2，…，m)，對于 η 的非典型值 ηα，通過線性差值可求得相對應的x(ηα)。

3 系統結構

由于計量泵的控制有著很高的實時性要求，而基于TCP/IP的以太網采用的是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議(CSMA/CD)，無法保證數據傳輸的實時性要求。而CAN網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權(取決于報文標識符)采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據，且CAN協議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼，這可使不同的節點同時接收到相同的數據，這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性。

但是CAN總線無論是其通信距離還是通信速率都無法和以太網相比，且不易于與上位控制機直接接口，現有的CAN接口卡與以太網網卡相比大都價格昂貴。因此該系統設計了協議轉換器這個中間環節，來連接以太網和CAN網絡，使得兩者的優劣能夠形成互補［7］。

計量品泵遠程控制系統結構如圖2所示，分為3個部分:監控平臺及其服務器、協議轉換器、CAN網絡組成的計量泵組。

圖2 計量泵遠程控制系統結構

協議轉換器的實現原理較為簡單，筆者將接收到的CAN數據幀分離出數據部分，然后對數據打包成以太網協議棧格式，發送到以太網，以太網到CAN的數據轉換過程正好和CAN到以太網的數據轉換過程相反。

4 排量補償方法

在上述計量泵遠程控制系統中，每一臺計量泵可以把自身集成的傳感器采集到的流量、轉速、流體粘度等數據通過網絡轉發給主機。控制主機可以把計量泵組實時傳遞上來的工業現場數據放入對應的數據庫中。這樣工作人員便可以在控制室，通過數據庫的監控和管理，來實時得調節不同區域、不同排放任務的計量泵組的轉速，并實時監控排量情況。

通過這樣一個遠程計量泵組網絡控制系統，本研究可以對不同工作情況下的計量泵組進行對應的排量誤差的補償。在實際的操作中，研究者并不能對排量進行直接的控制，而是通過改變控制芯片輸出PWM占空比的配置，來改變三相異步電機的轉速，從而改變了計量泵柱塞運動的頻率，來達到排量控制的目的［8］。由于各種誤差的存在，同樣的PWM占空比配置在不同的單臺計量泵控制系統中所產生的排量并不相同。此時就需要研究者通過網絡遠程地更改PWM占空比的配置，使得排量能夠精確地達到理想值。

在排量補償的過程中可以引入模糊規則，對排量補償進行智能控制［9-11］。根據計量泵的運行特點和使用情況，本研究把排量誤差和誤差變化的語言值取為{負極大，負非常大，負很大，負較大，負微大，零，正微大，正較大，正很大，正非常大，正極大}，并用數字來表示，即{－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5}。而同樣的，對于PWM占空比配置變化的模糊化也可以用相同的數字來表示。根據圖3所示模糊規則隸屬度函數，產生的模糊規則控制表如表1所示，在實際的排量補償中，本研究便可以通過模糊規則表來進行解模糊化，來控制PWM占空比配置的智能調節，從而達到對排量調節的智能調節。

圖3 隸屬度函數

表1 模糊規則控制表

5 結束語

針對實際工業中計量泵運行的狀況，以及目前國內外相關研究的欠缺，本研究詳盡地分析了計量泵的排量及其誤差計算，并根據工業現場的實際情況提出了對計量泵組進行網絡控制其排量補償的方法，搭建了基于以太網以及CAN總線的遠程控制系統。在補償的過程中，筆者加入了模糊控制器，來對補償過程進行智能控制。

對計量泵的排量進行補償對有著精確排量要求的工業控制將有很大的幫助作用，網絡化的排量補償使得大規模的計量泵組的排量精度都得到了保障。

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