CN104033348A - 数字定量连续注液泵 - Google Patents
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Abstract
数字定量连续注液泵，包括动力源、传动系统、执行机构、控制系统，所述动力源输出旋转运动，传动系统对动力源输出的旋转运动进行变速，然后转化为直线运动，进而驱动执行机构将容器内的液体吸入装置里，再在出液口排出，控制系统用于控制整个装置，通过控制脉冲频率实现无级变速，通过控制脉冲数量实现定量注液，通过引入流量反馈提高注液精度，通过引入压力开关实现过载保护。通过调节步进电机的转速控制流体的流动速度，使系统的工作压力处于液体的空气分离压和饱和蒸汽压之上，防止发生气穴现象，大大地提高了系统工作的稳定性和装置的使用寿命。
Description
技术领域：
本发明涉及一种利用机械——电子——液压控制手段实现连续、定量注液的技术，属于注液、进样、清洗仪器领域。
背景技术：
在化工、采矿、冶金、造纸、食品、医疗器械、石油、水处理、制药等领域，经常需要用到注液、进样、清洗等溶液转移仪器。这类仪器在工作的过程中，往往都会产生气穴现象。
气穴现象可解释为:在流动的液体内部，如果流体的压力变化范围大，气泡会在流体的低压区析出,然后在高压区被压缩，压缩到一定程度时，气泡会破裂，产生高达150MPA-200MPA的瞬时高压，瞬时压力会以压力波的形式向四周传播，使液压系统产生振动和噪声，破坏液压元件。由此可见，如要避免流体产生气穴现象，就必须控制液体流动过程中的压力。液体在流动过程中，存在着动能、重力势能、压力势能三种能量。如果是等高度流动，重力势能就不发生变化，又根据总能量守恒定律，流体的动能和压力势能的总和就不发生变化，也就是说流体的动能和压力势能是呈此消彼长的相反关系，流体的动能越大，压力势能就越小；流体的动能越小，压力势能就越大。也即是说，流体的流动速度越快，压力越小；流动速度越慢，压力越大。由此观之，对流动过程的压力控制可以通过控制流体的流动速度来实现。
除了防止气穴现象外，能否完成长时间连续注液以及注液精度的高低也是评价一个注液或进样仪器性能的两个重要指标。目前，市场上已有一些同类装置，如数字注射泵和蠕动泵。数字注射泵虽然注液精度高，但是只能完成短时间连续注液，如要长时间注液，就必须分多次注液，累积误差会很大，注液精度很低，并且数字注射泵只能用于注射。蠕动泵虽然能够完成长时间连续注液，但是蠕动泵的流速慢，效率低，不是恒流速泵。
发明内容:
本发明旨在提供一种能够实现无级变速、定量、连续注液的装置，通过控制流体的流动速度，使系统的工作压力处于液体的空气分离压和饱和蒸汽压之上，防止发生气穴现象，提高系统工作的稳定性和装置的使用寿命。
数字定量连续注液泵，包括动力源、传动系统、执行机构、控制系统，所述动力源输出旋转运动，传动系统对动力源输出的旋转运动进行变速，然后转化为直线运动，进而驱动执行机构将容器内的液体吸入装置里，再在出液口排出，控制系统用于控制整个装置，通过控制脉冲频率实现无级变速，通过控制脉冲数量实现定量注液，通过引入流量反馈提高注液精度，通过引入压力开关实现过载保护。
进一步的，所述动力源为步进电机。
进一步的，所述传动系统为减速系统，包括两个降速齿轮传动副，第二级齿轮副的传动比大于第一级齿轮副的传动比。
进一步的，所述传动系统的最后一级传动轴上安装有至少两个凸轮，两个凸轮的相位相差180°。
进一步的，所述传动系统的最后一级传动轴上安装有两个飞轮，飞轮安装在传动轴的两端，使系统运行更平稳，振动更小。
进一步的，所述执行机构包括两个柱塞泵，柱塞泵并联在一起，柱塞泵的进、出管路上均有单向阀，柱塞泵中安装有弹簧，柱塞端头上安装有滚子，滚子在弹簧作用下紧贴在传动机构的凸轮上。
进一步的，所述控制系统包括流量计、压力表、计算机、脉冲信号发生器、环形分配器、功率驱动器，流量计和压力表安装在执行机构的出液管路上并与计算机相连，计算机通过脉冲信号发生器与环形分配器、功率驱动器相连，控制系统用于控制整个装置，通过控制脉冲频率实现无级变速，通过控制脉冲数量实现定量注液，通过引入流量反馈提高注液精度。
进一步的，所述计算机上安装有控制软件，能够进行流速设定，输出液体总量设定，安全工作压力设定。
进一步的，所述流量计为瞬时流量计，所述脉冲信号发生器用于产生频率可变的脉冲信号串，所述功率驱动器采用单极性功率驱动器，流量计用于在线检测出液口处的瞬时流量，再将流量数据传给计算机。
进一步的，所述环形分配器用于将脉冲信号串按步进电机所要求的规律分配给步进电机的功率驱动器的各相输入端。
所述压力表用于在线检测出口处的液体压力。
进一步的，所述执行机构的出液管路上安装有压力开关，当出液口处的压力低于或者高于设定压力时，压力开关会自动切断电机的电源，使电机停止转动。
所述功率驱动器与步进电机的各个绕组相连，它能将环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进控制绕组所需的脉冲电流及所需的脉冲波形，再驱动电机转动。
本装置就是通过调节步进电机的转速来控制流体的流动速度，使系统的工作压力处于液体的空气分离压和饱和蒸汽压之上，防止发生气穴现象，大大地提高了系统工作的稳定性和装置的使用寿命。
本装置通过两个相差为180゜的凸轮实现双脉冲连续注液，注液时间无限制；又在出液口处设置流量计，引入流量反馈回路，用于补偿传动系统的误差，注液精度非常高。本装置还通过控制脉冲数量来控制电机转动的角度，进而控制输出液体的总量，具有定量输出能力。
本发明具有以下优点：
1.本发明能够实现无时间限制连续注液。
2.本发明能够实现电机的无极变速，出液口处液体的流速可调。
3.本发明能够在线检测出液口处的压力，降低操作人员因误操作致使系统产生气穴现象而破坏元器件的概率。
4.本发明可以不在溶液中加入抑泡剂就能防止气穴现象，能避免抑泡剂污染溶液。
5.本发明通过引入输出流量反馈环节，能够实现定量注液，且注液精度高、注液量可设定。
6.本发明的传动系统设计采用最小转角误差原则和最小等效转动惯量原则，传动精度更高，系统运行更加平稳，轻快。
7.本发明使用飞轮，系统的动平衡性更好，振动更小，噪音更低。
8.本发明应用面广，适用于绝大部分非腐蚀性的液体。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图2是两个凸轮的相对位置示意图。
图3是柱塞15和柱塞16在一个运动周期内的运动规律图。
图4是控制软件的界面。
图中：1-步进电机，2-轴、3-齿轮，4-轴，5-齿轮，6-齿轮，7-轴，8-齿轮，9-凸轮，10-凸轮，11-飞轮，12-飞轮，13-滚子，14-滚子，15-柱塞，16-柱塞，17-弹簧，18-弹簧，19-柱塞泵，20-柱塞泵，21-密封圈，22-密封圈，23-单向阀，24单向阀，25-单向阀，26-单向阀，27-手动关断阀，28-容器，29-流量计，30-压力表，31-压力开关，32-计算机，33-脉冲信号发生器，34环形分配器，35-功率驱动器，36-动力源，37-传动系统，38-执行机构，39-控制系统。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，数字定量连续注液泵，包括动力源36、传动系统37、执行机构38、控制系统39，所述动力源36输出旋转运动，传动系统37对动力源输出的旋转运动进行变速，然后转化为直线运动，进而驱动执行机构38将容器28内的液体吸入装置里，再在出液口排出，控制系统39用于控制整个装置，通过控制脉冲频率实现无级变速，通过控制脉冲数量实现定量注液，通过引入流量反馈提高注液精度，通过引入压力开关实现过载保护。
进一步的，所述动力源36为步进电机1，电动机1采用步距角为1.2゜，保持转矩为15N.M，转子惯量为20000g.cm2，步距精度为5％的三相步进电机，轴2是步进电机的输出轴。
进一步的，所述传动系统37为减速系统，包括两个降速齿轮传动副，第二级齿轮副6、8的传动比大于第一级齿轮副3、5的传动比。齿轮3安装在轴2上，齿轮5、6安装在轴4上，齿轮8安装在轴7上
进一步的，所述传动系统37的最后一级传动轴7上安装有至少两个凸轮9、10，两个凸轮9、10的相位相差180°。凸轮9、凸轮10的外缘轮廓曲线函数根据解析法求出，各个参数都一样，安装相位相差180゜，其相对位置示意图如图2所示。
进一步的，所述传动系统37的最后一级传动轴7上安装有两个飞轮11、12，飞轮11、12安装在传动轴7的两端，使系统运行更平稳，振动更小。
进一步的，所述执行机构38包括两个柱塞泵19、20，柱塞泵19、20并联在一起，柱塞泵19、20的进、出管路上均安装有单向阀，柱塞泵中安装有弹簧17、18，柱塞15、16端头上安装有滚子13、14，滚子13、14在弹簧17、18作用下紧贴在传动机构的凸轮9、10上。单向阀23、24安装在进液管路上，单向阀25、26安装在出液管路上。柱塞泵上安装有密封圈21、22。
柱塞15在柱塞泵19中做直线运动，在一个推程或者回程内，柱塞15先做正弦加速增速运动，后做匀速运动，最后做正弦加速减速运动。柱塞16在柱塞泵20内的运动规律与柱塞15在柱塞泵19内的运动规律相同，但是，任意时刻，它们的运动方向相反。这样的运动规律，既能保证柱塞在绝大部分时间内做匀速运动，又能保证柱塞的加速度不产生突变，凸轮受到的反作用力不产生突变，系统运行更加平稳，使用寿命更长。图3是柱塞15和柱塞16在一个运动周期内的运动规律示意图。
所述弹簧17和弹簧18采用圆形截面圆柱螺旋压缩弹簧。弹簧17和弹簧18一直处于压缩状态，弹簧的压缩力使柱塞上的滚子的外圆柱面与凸轮的外缘轮廓表面紧贴。
所述柱塞泵19和柱塞泵20的进液口和排液口在端面。缸体内壁上面开环形凹槽。
所述密封圈21和密封圈22采用动密封圈，其目的是密封柱塞与缸体之间的间隙，防止漏液。
所述单向阀23、单向阀24、单向阀25、单向阀26均采用开启压力为0的单向阀。单向阀23的作用是防止在柱塞15做推程运动的过程中，液体流回容器28。单向阀24的作用是防止在柱塞16做推程运动过程中，液体流回容器28。单向阀25的作用是防止在柱塞16做推程运动的过程中，柱塞泵20的排液口排出的液体流入柱塞泵19内。单向阀26的作用是防止在柱塞15做推程运动的过程中，柱塞泵19的排液口排出的液体流入柱塞泵20内。
手动关断阀27用于控制容器28的开和闭，容器28用于盛放溶液，管道用于连接各个液压元器件，管道的直径无太大突变。
进一步的，所述控制系统39包括流量计29、压力表30、计算机32、脉冲信号发生器33、环形分配器34、功率驱动器35，流量计29和压力表30安装在执行机构38的出液管路上并与计算机32相连，计算机32通过脉冲信号发生器33与环形分配器34、功率驱动器35相连，控制系统39用于控制整个装置，通过控制脉冲频率实现无级变速，通过控制脉冲数量实现定量注液，通过引入流量反馈提高注液精度。
进一步的，所述计算机32上安装有控制软件，能够进行流速设定，输出液体总量设定，安全工作压力设定。
优选的，所述计算机32采用工控机。工控机上安装有注液泵的控制软件，用户可以通过控制软件进行流速设定，输出液体总量设定，安全工作压力设定。其界面如图4所示。
进一步的，所述流量计29为瞬时流量计，所述脉冲信号发生器33用于产生频率可变的脉冲信号串，所述功率驱动器35采用单极性功率驱动器，流量计29用于在线检测出液口处的瞬时流量，再将流量数据传给计算机。
进一步的，所述环形分配器34用于将脉冲信号串按步进电机所要求的规律分配给步进电机的功率驱动器的各相输入端。
所述压力表30用于在线检测出口处的液体压力。压力表30选用膜盒压力表。
进一步的，所述执行机构38的出液管路上安装有压力开关31，当出液口处的压力低于或者高于设定压力时，压力开关31会自动切断电机的电源，使电机停止转动。压力开关31选用智能压力开关，能够实现压力测量、显示、输出、控制等功能。
所述功率驱动器35与步进电机1的各个绕组相连，它能将环形分配器的输出信号进行功率放大，得到步进控制绕组所需的脉冲电流及所需的脉冲波形，再驱动电机转动。
显然，以上实施方式仅仅是对本发明所作的举例，而并非对本发明实施方式的限定。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.数字定量连续注液泵，其特征在于：包括动力源(36)、传动系统(37)、执行机构(38)、控制系统(39)，所述动力源(36)输出旋转运动，传动系统(37)对动力源(36)输出的旋转运动进行变速，然后转化为直线运动，进而驱动执行机构(38)将容器(28)内的液体吸入装置里，再在出液口排出，控制系统(39)用于控制整个装置。
2.根据权利要求1所述的数字定量连续注液泵，其特征在于：所述动力源(36)为步进电机(1)。
3.根据权利要求1所述的数字定量连续注液泵，其特征在于：所述传动系统(37)为减速系统，包括两个降速齿轮传动副，第二级齿轮副(6、8)的传动比大于第一级齿轮副(3、5)的传动比。
4.根据权利要求3所述的数字定量连续注液泵，其特征在于：所述传动系统(37)的最后一级传动轴(7)上安装有至少两个凸轮(9、10)，两个凸轮(9、10)的相位相差180°。
5.根据权利要求1所述的数字定量连续注液泵，其特征在于：所述传动系统(37)的最后一级传动轴(7)上安装有两个飞轮(11、12)，飞轮(11、12)安装在传动轴(7)的两端。
6.根据权利要求1所述的数字定量连续注液泵，其特征在于：所述执行机构(38)包括两个柱塞泵(19、20)，柱塞泵(19、20)并联在一起，柱塞泵(19、20)的进、出管路上均有单向阀，柱塞泵(19、20)中安装有弹簧(17、18)，柱塞(15、16)端头上安装有滚子(13、14)，滚子(13、14)在弹簧(17、18)作用下紧贴在传动机构(37)的凸轮(9、10)上。
7.根据权利要求1所述的数字定量连续注液泵，其特征在于：所述控制系统(39)包括流量计(29)、压力表(30)、计算机(32)、脉冲信号发生器(33)、环形分配器(34)、功率驱动器(35)，流量计(29)和压力表(30)安装在执行机构(38)的出液管路上并与计算机(32)相连，计算机(32)通过脉冲信号发生器(33)与环形分配器(34)、功率驱动器(35)相连，控制系统(39)用于控制整个装置，通过控制脉冲频率实现无级变速，通过控制脉冲数量实现定量注液，通过引入流量反馈提高注液精度，通过引入压力开关实现过载保护。
8.根据权利要求7所述的数字定量连续注液泵，其特征在于：所述计算机(32)上安装有控制软件，能够进行流速设定，输出液体总量设定，安全工作压力设定。
9.根据权利要求7所述的数字定量连续注液泵，其特征在于：所述流量计(29)为瞬时流量计，所述脉冲信号发生器(33)用于产生频率可变的脉冲信号串，所述功率驱动器(35)采用单极性功率驱动器。
10.根据权利要求7所述的数字定量连续注液泵，其特征在于：所述环形分配器(34)用于将脉冲信号串按步进电机(1)所要求的规律分配给步进电机的功率驱动器的各相输入端。
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