CN108361168A - 基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，其特征是包括控制单元、两个驱动机构、两个活塞泵、两个光电位置传感器、两个活塞杆、两个活塞、四个单向阀和底座；其中，活塞泵均具有中空的腔体、出油口和进油口，出油口和进油口处均安装有单向阀，两个活塞泵与两个驱动机构分别连接成两套相互独立的装备设置在底座上，当一个活塞换向减小流量时，另一个活塞对流量进行完全补偿，确保换向时流量连续且平稳。优点：1）基于双重活塞错时补偿策略，出油流量连续且平稳；驱动机构运动步骤简单，易于控制单元控制。2）通过光电位置传感器对活塞位置进行初始化定位以及安全限制保护，提高装置控制的可靠性。

Description

基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵

技术领域

本发明是一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，属于计量泵技术领域。

背景技术

计量泵是一种流量可调节的容积式泵，大多数计量泵都是往复式的，比如活塞泵。计量泵的工作原理决定了其在完成一个排油过程后，需要反向吸油，所以计量泵供油往往是不连续的。目前市场上也存在双向活塞泵可以实现连续工作，但是连续工作的过程中会出现断流现象，无法实现均匀出油，出油速度控制不精确。

针对计量泵的这些问题，公布号为CN106523318A的中国专利公开了一种双向活塞泵及其控制方法，该专利提出的活塞泵具有两组单向活塞计量泵，采用运动控制卡或者PLC控制这两组活塞泵一组进油一组出油，交替运行，从而实现了活塞泵的连续出油。

但是该专利的控制方法是等其中一组活塞泵出油完成后，另一组活塞泵才开始出油，这种控制方法虽然能保证连续供油，但是在两组活塞泵切换出油的时候会存在很大的流量脉动，无法实现平稳供油。该专利采用电磁阀切换油路，结构复杂，且电磁阀切换控制存在延迟。另外，电磁阀的材质对于计量流体可能产生污染，不太适合制药或生化试剂的输送。

公布号为CN205714622U的实用新型公开了一种恒流连续注射泵，该实用新型提出的恒流连续注射泵包括驱动机构、壳体以及三个以上的注射器，其驱动机构利用偏心轮结构与均匀分布在壳体周侧的注射器活塞杆相铰接，每个注射器的进口和出液口均装有止逆阀，利用电机带动偏心轮机构旋转即可带动注射器吸液出液，实现注射泵连续无间断输液。

但是该实用新型利用偏心轮结构推动活塞杆，活塞杆的速度类似正弦曲线，虽然能保证注射泵连续无间断输液，但是流量无法保持稳定，存在较大流量脉动。通过增加注射器的数量可以较少流量脉动，但是过多的注射器会造成注射泵结构复杂，可靠性降低，不易于生产制造。

发明内容

本发明提出了一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，旨在解决现有的双向活塞计量泵存在的供油不连续或者供油流量脉动量较大的问题，在保证结构简单的前提下实现计量泵连续平稳供油。

本发明的技术解决方案：一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，包括控制单元1、第一驱动机构2、第二驱动机构2’、第一活塞泵3、第二活塞泵3’、第一光电位置传感器4、第二光电位置传感器4’、 第一活塞杆5、第二活塞杆5’、 第一活塞6、第二活塞6’、第一进油口单向阀7、第二进油口单向阀7’、第一出油口单向阀8、第二出油口单向阀8’和底座9；其中，第一活塞泵3为中空的腔体，腔体上有出油口和进油口，出油口处安装有第一出油口单向阀8，进油口处安装有第一进油口单向阀7，第一光电位置传感器4安装于第一驱动机构2上，所述控制单元与第一驱动机构2连接，第一驱动机构2与活塞杆5连接，活塞杆5带动活塞6沿着第一活塞泵3的腔体做往复运动，第一驱动机构2与第一活塞泵3连接组成一套装备安装在底座9上；第二活塞泵3’为中空的腔体，腔体上有出油口和进油口，出油口处安装有第二出油口单向阀8’，进油口处安装有第二进油口单向阀7’，第二光电位置传感器4’安装于第二驱动机构2’上，所述控制单元与第二驱动机构2’连接，第二驱动机构2’与活塞杆5’连接，活塞杆5’带动活塞6’沿着第二活塞泵3’的腔体做往复运动，第一驱动机构2’与第一活塞泵3’连接组成一套装备安装在底座9上；所述控制单元控制第一驱动机构2和第二驱动机构2’，从而分别控制第一活塞杆5、第二活塞杆5’的运动。

其使用方法，包括以下步骤：

1）控制单元控制第一驱动机构运转，拉动第一活塞泵的活塞杆，第一活塞泵吸油口处的单向阀自动打开，第一活塞泵开始吸油；

2）第一活塞泵完成吸油后，控制单元控制第一驱动机构反转，第一活塞泵出油口处的单向阀自动打开，第一活塞泵开始出油，同时控制单元控制第二驱动机构运转，拉动第二活塞泵的活塞杆，第二活塞泵吸油口处单向阀自动打开，第二活塞泵开始吸油；

3）在第一活塞泵平稳出油过程中，第二活塞泵完成吸油，第一活塞泵出油即将结束时，控制单元控制第一驱动机构减速，同时控制单元控制第二驱动机构加速，对第一活塞泵的出油量进行完全补偿，保证流量连续平稳；

4）第一驱动机构减速为零后开始反转，第一活塞泵吸油口处的单向阀自动打开，第一活塞泵开始吸油，此时第二活塞泵平稳出油；

5）在第二活塞泵平稳出油过程中，第一活塞泵完成吸油，第二活塞泵出油即将结束时，控制单元控制第二驱动机构减速，同时控制单元控制第一驱动机构加速，对第二活塞泵的出油量进行完全补偿，保证流量连续平稳；

6）第二驱动机构减速为零后开始反转，第二活塞泵吸油口处的单向阀自动打开，第二活塞泵开始吸油，此时第一活塞泵平稳出油；

7）不断重复3）~6）步，实现连续稳定的供油。

本发明的有益效果：

1）基于双重活塞错时补偿策略，确保出油流量连续且平稳；驱动机构运动步骤简单，易于控制单元控制。

2）通过驱动机构的运转，调节泵体行程以及活塞杆的推进速度，增强泵体流速的可调节性。

3）通过光电位置传感器对活塞位置进行初始化定位以及安全限制保护，提高装置控制的可靠性。

4）通过流体的流动自动实现单向阀的自动通断切换，不需要专门的电磁阀及控制。

附图说明

附图1是基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵结构示意图。

附图2是两个活塞杆的速度曲线。

附图3是出口流量仿真曲线图。

图中1、1’是控制单元，2、2’是驱动机构，3、3’是活塞泵，4、4’是光电位置传感器，5、5’是活塞杆，6、6’是活塞，7、7’、8、8’是单向阀、9是底座。

具体实施方式

一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，包括控制单元1、第一驱动机构2、第二驱动机构2’、第一活塞泵3、第二活塞泵3’、第一光电位置传感器4、第二光电位置传感器4’、 第一活塞杆5、第二活塞杆5’、 第一活塞6、第二活塞6’、第一进油口单向阀7、第二进油口单向阀7’、第一出油口单向阀8、第二出油口单向阀8’和底座9；其中，第一活塞泵3为中空的腔体，腔体上有出油口和进油口，出油口处安装有第一出油口单向阀8，进油口处安装有第一进油口单向阀7，第一光电位置传感器4安装于第一驱动机构2上，所述控制单元与第一驱动机构2连接，第一驱动机构2与活塞杆5连接，活塞杆5带动活塞6沿着第一活塞泵3的腔体做往复运动，第一驱动机构2与第一活塞泵3连接组成一套装备安装在底座9上；第二活塞泵3’为中空的腔体，腔体上有出油口和进油口，出油口处安装有第二出油口单向阀8’，进油口处安装有第二进油口单向阀7’，第二光电位置传感器4’安装于第二驱动机构2’上，所述控制单元与第二驱动机构2’连接，第二驱动机构2’与活塞杆5’连接，活塞杆5’带动活塞6’沿着第二活塞泵3’的腔体做往复运动，第一驱动机构2’与第一活塞泵3’连接组成一套装备安装在底座9上；所述控制单元控制第一驱动机构2和第二驱动机构2’，从而分别控制第一活塞杆5、第二活塞杆5’的运动；第一活塞泵3的出油口和第二活塞泵3’的出油口通过管道相连，管道上设有出油口，第一活塞泵3的进油口和第二活塞泵3’的进油口通过管道相连，管道上设有进油口。

所述第一驱动机构2和第二驱动机构2’之间相互独立控制、独立运行，两者运动互不影响。

所述第一驱动机构2和第二驱动机构2’为步进电机滚珠丝杆滑台，第一驱动机构2步进电机滚珠丝杆滑台和第二驱动机构2’步进电机滚珠丝杆滑台通过滑块分别和第一活塞杆5、第二活塞杆5’连接。

所述控制单元1包括一个计量泵控制器和两个步进电机驱动器，第一光电位置传感器的信号输出端与计量泵控制器的第一信号输入端相连，计量泵控制器的第一信号输出端和第一步进电机驱动器的信号输入端相连相连，第一步进电机驱动器的信号输出端与第一驱动机构的信号输入端相连；第二光电位置传感器的信号输出端与计量泵控制器的第二信号输入端相连，计量泵控制器的第二信号输出端和第二步进电机驱动器的信号输入端相连相连，第二步进电机驱动器的信号输出端与第二驱动机构的信号输入端相连；所述计量泵控制器用于生成基于错时补偿策略的控制指令，并将指令发送到步进电机驱动器，步进电机驱动器根据接收的指令驱动步进电机运转。

所述光电位置传感器用于感知活塞的位置，对活塞位置进行初始化定位以及安全限制保护，以提高控制可靠性。

所述活塞杆吸油速度v _i 大于出油速度v _o ，所述活塞杆吸油行程S _i 等于出油行程S _o ，所述驱动机构加减速的加速度绝对值设为恒定值a，驱动机构吸油时间，其中加速和减速时间都为，驱动机构出油时间为，其中加速和减速时间都为；为了确保在一个活塞泵平稳供油时，另一个活塞泵完成吸油过程，需满足 。

其使用方法，包括以下步骤：

1）控制单元控制第一驱动机构运转，拉动第一活塞泵的活塞杆，第一活塞泵吸油口处的单向阀自动打开，第一活塞泵开始吸油；

2）第一活塞泵完成吸油后，控制单元控制第一驱动机构反转，第一活塞泵出油口处的单向阀自动打开，第一活塞泵开始出油，同时控制单元控制第二驱动机构运转，拉动第二活塞泵的活塞杆，第二活塞泵吸油口处单向阀自动打开，第二活塞泵开始吸油；

3）在第一活塞泵平稳出油过程中，第二活塞泵完成吸油，第一活塞泵出油即将结束时，控制单元控制第一驱动机构减速，同时控制单元控制第二驱动机构加速，对第一活塞泵的出油量进行完全补偿，保证流量连续平稳；

4）第一驱动机构减速为零后开始反转，第一活塞泵吸油口处的单向阀自动打开，第一活塞泵开始吸油，此时第二活塞泵平稳出油；

5）在第二活塞泵平稳出油过程中，第一活塞泵完成吸油，第二活塞泵出油即将结束时，控制单元控制第二驱动机构减速，同时控制单元控制第一驱动机构加速，对第二活塞泵的出油量进行完全补偿，保证流量连续平稳；

6）第二驱动机构减速为零后开始反转，第二活塞泵吸油口处的单向阀自动打开，第二活塞泵开始吸油，此时第一活塞泵平稳出油；

7）不断重复3）~6）步，实现连续稳定的供油。

下面结合附图对本发明技术方案进一步说明

如附图1所示，一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵结构示意图，包括控制单元1、第一驱动机构2、第二驱动机构2’、第一活塞泵3、第二活塞泵3’，两个光电位置传感器4和4’以及底座9。两个光电位置传感器分别固定两个驱动机构上，用于感知活塞6和活塞6’的位置。第一、第二活塞泵3、3’分别与第一、第二驱动机构2、2’连接组成两套装备设置在所述底座9上，这两套装备完全相同但是独立控制独立运行互不影响。

所述活塞泵3具有中空的腔体、出油口和进油口，所述出油口和进油口处均安装有单向阀7、8。所述驱动机构2为步进电机滚珠丝杆滑台，丝杆滑台通过滑块与活塞杆5连接，所述活塞杆5带动活塞6沿着腔体往复运动。所述控制单元1只需要控制驱动机构2的正反转即可实现活塞泵3的吸油和出油。所述光电位置传感器4固定在驱动机构2上，其功能是对活塞6位置进行初始化定位以及安全限制保护，以提高控制器控制效果。

所述活塞泵3具有中空的腔体、出油口和进油口，所述出油口和进油口处均安装有单向阀7、8。所述驱动机构2为步进电机滚珠丝杆滑台，丝杆滑台通过滑块与活塞杆5连接，所述活塞杆5带动活塞6沿着腔体往复运动。所述控制单元1只需要控制驱动机构2的正反转即可实现活塞泵3的吸油和出油。所述光电位置传感器4固定在驱动机构2上，其功能是对活塞6位置进行初始化定位以及安全限制保护，以提高控制器控制效果。

如附图2所示，为本发明的技术方案设计的两个活塞杆的速度曲线，满足活塞泵吸油总时间小于活塞泵平稳出油的时间

如附图3所示，为本发明的技术方案仿真出的出口流量曲线图，本发明的技术方案仿真得出的出口流量脉动极小，流量脉动小于0.005%。

实施例1

一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，包括控制单元1、第一驱动机构2、第二驱动机构2’、第一活塞泵3、第二活塞泵3’，两个光电位置传感器4和4’以及底座9。两个光电位置传感器分别固定两个驱动机构上，用于感知活塞6和活塞6’的位置。第一、第二活塞泵3、3’分别与第一、第二驱动机构2、2’连接组成两套装备设置在所述底座9上，这两套装备完全相同但是独立控制独立运行互不影响。

所述活塞泵3具有中空的腔体、出油口和进油口，所述出油口和进油口处均安装有单向阀7、8。所述驱动机构2为步进电机滚珠丝杆滑台，丝杆滑台通过滑块与活塞杆5连接，所述活塞杆5带动活塞6沿着腔体往复运动。所述控制单元1只需要控制驱动机构2的正反转即可实现活塞泵3的吸油和出油。所述光电位置传感器4固定在驱动机构2上，其功能是对活塞6位置进行初始化定位以及安全限制保护，以提高控制器控制效果。

本发明实施例选取活塞泵3的活塞6直径为29.1mm，活塞杆5的行程为84mm，活塞杆5平稳出油时的速度为0.04m/s，活塞杆5平稳吸油时的速度为0.08m/s，活塞泵3平稳出油时的流量为2.0033L/min，单向阀7、8的开启压力为0.3Bar。如图2所示，为本实例设计的两个活塞杆的速度曲线，满足活塞泵吸油总时间小于活塞泵平稳出油的时间，具体的控制方法包括以下步骤：

（1）控制单元1控制第一驱动机构2以恒定的加速度-0.4 m/s ² 加速到-0.08 m/s 并拉动活塞杆5，第一活塞泵3吸油口处的单向阀7自动打开，第一活塞泵3开始吸油；

（2）第一活塞泵3完成吸油后第一驱动机构2减速到静止并待命，随后控制单元1控制第一驱动机构2以恒定的加速度0.4 m/s ² 加速到0.04 m/s 并推动活塞杆5，第一活塞泵3出油口处的单向阀8自动打开，第一活塞泵3开始出油，同时控制单元1控制第二驱动机构2’以恒定的加速度-0.4 m/s ² 加速到-0.08 m/s并拉动活塞杆5’，第二活塞泵3’吸油口处单向阀7’自动打开，第二活塞泵3’开始吸油；

（3）在第一活塞泵3平稳出油过程中，第二活塞泵3’完成吸油，第二驱动机构2’ 以恒定加速度-0.4 m/s ² 减速到静止并待命，第一活塞泵3出油即将结束时，控制单元1控制第一驱动机构2以恒定的加速度-0.4 m/s ² 开始减速，同时控制第二驱动机构2’以恒定的加速度0.4 m/s ² 开始加速，对第一活塞泵3的出油量进行完全补偿，保证第一活塞泵3换向时流量连续平稳；

（4）第一驱动机构2减速为零后开始反转，第一活塞泵3吸油口处的单向阀7自动打开，第一活塞泵3开始吸油，第一驱动机构2以恒定加速度-0.4 m/s ² 加速到-0.08 m/s，此时第二活塞泵3’平稳出油；

（5）在第二活塞泵3’平稳出油过程中，第一活塞泵3完成吸油，第二活塞泵出油3’即将结束时，控制单元1控制第二驱动机构2’以恒定加速度-0.4 m/s ² 开始减速，同时控制单元1控制第一驱动机构2以恒定加速度0.4 m/s ² 开始加速，对第二活塞泵2’的出油量进行完全补偿，保证第二活塞泵2’换向时流量连续平稳；

（6）第二驱动机构2’减速为零后开始反转，第二活塞泵吸油口处的单向阀7’自动打开，第二活塞泵3’开始吸油，第二驱动机构2’以恒定加速度-0.4 m/s ² 加速到-0.08 m/s，此时第一活塞泵3平稳出油；

（7）此后不断重复（3）~（6）步，可以实现连续稳定的出油。

利用仿真软件AMESim对本实例进行仿真，图3所示，从本实例仿真出的出口流量曲线图可以看到，基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵的出口流量脉动特别小，流量脉动小于0.005%。

Claims (7)

1.一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，其特征是包括控制单元、第一驱动机构、第二驱动机构、第一活塞泵、第二活塞泵、第一光电位置传感器、第二光电位置传感器、 第一活塞杆、第二活塞杆、 第一活塞、第二活塞、第一进油口单向阀、第二进油口单向阀、第一出油口单向阀、第二出油口单向阀和底座；基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵有两套独立模块并联连接而成，其中，第一驱动机构与第一活塞泵连接组成一套装备安装在底座上，第一活塞泵为中空的腔体，腔体上有出油口和进油口，出油口处安装有第一出油口单向阀，进油口处安装有第一进油口单向阀，第一光电位置传感器安装于第一驱动机构上，所述控制单元与第一驱动机构连接，第一驱动机构与活塞杆连接，活塞杆带动活塞沿着第一活塞泵的腔体做往复运动；第一驱动机构与第一活塞泵连接组成一套装备安装在底座上，第二活塞泵为中空的腔体，腔体上有出油口和进油口，出油口处安装有第二出油口单向阀，进油口处安装有第二进油口单向阀，第二光电位置传感器安装于第二驱动机构上，所述控制单元与第二驱动机构连接，第二驱动机构与活塞杆连接，活塞杆带动活塞沿着第二活塞泵的腔体做往复运动；所述控制单元控制第一驱动机构和第二驱动机构，从而分别控制第一活塞杆、第二活塞杆的运动；第一活塞泵的出油口和第二活塞泵的出油口通过管道相连，管道上设有油出口，第一活塞泵的进油口和第二活塞泵的进油口通过管道相连，管道上设有油进口。

2.根据权利要求1所述的一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，其特征在于所述第一驱动机构和第二驱动机构之间相互独立控制、独立运行，两者运动互不影响。

3.根据权利要求1所述的一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，其特征在于所述第一驱动机构和第二驱动机构为步进电机滚珠丝杆滑台，第一驱动机构步进电机滚珠丝杆滑台和第二驱动机构步进电机滚珠丝杆滑台通过滑块分别和第一活塞杆、第二活塞杆连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，其特征在于所述控制单元包括一个计量泵控制器和两个步进电机驱动器，第一光电位置传感器的信号输出端与计量泵控制器的第一信号输入端相连，计量泵控制器的第一信号输出端和第一步进电机驱动器的信号输入端相连相连，第一步进电机驱动器的信号输出端与第一驱动机构的信号输入端相连；第二光电位置传感器的信号输出端与计量泵控制器的第二信号输入端相连，计量泵控制器的第二信号输出端和第二步进电机驱动器的信号输入端相连相连，第二步进电机驱动器的信号输出端与第二驱动机构的信号输入端相连；所述计量泵控制器用于生成基于错时补偿策略的控制指令，并将指令发送到步进电机驱动器，步进电机驱动器根据接收的指令驱动步进电机运转。

5.根据权利要求1所述的一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，其特征在于所述光电位置传感器用于感知活塞的位置，对活塞位置进行初始化定位以及安全限制保护，提高控制可靠性。

6.根据权利要求1所述的一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵，其特征在于所述活塞杆吸油速度v _i 大于出油速度v _o ，所述活塞杆吸油行程S _i 等于出油行程S _o ，所述驱动机构加减速的加速度绝对值设为恒定值a，驱动机构吸油时间，其中加速和减速时间都为，驱动机构出油时间为，其中加速和减速时间都为；为了确保在一个活塞泵平稳供油时，另一个活塞泵完成吸油过程，需满足 。

7.如权利要求1所述的一种基于双重活塞错时补偿策略的连续平稳型计量泵的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

1）控制单元控制第一驱动机构运转，拉动第一活塞泵的活塞杆，第一活塞泵吸油口处的单向阀自动打开，第一活塞泵开始吸油；

2）第一活塞泵完成吸油后，控制单元控制第一驱动机构反转，第一活塞泵出油口处的单向阀自动打开，第一活塞泵开始出油，同时控制单元控制第二驱动机构运转，拉动第二活塞泵的活塞杆，第二活塞泵吸油口处单向阀自动打开，第二活塞泵开始吸油；

3）在第一活塞泵平稳出油过程中，第二活塞泵完成吸油，第一活塞泵出油即将结束时，控制单元控制第一驱动机构减速，同时控制单元控制第二驱动机构加速，对第一活塞泵的出油量进行完全补偿，保证流量连续平稳；

4）第一驱动机构减速为零后开始反转，第一活塞泵吸油口处的单向阀自动打开，第一活塞泵开始吸油，此时第二活塞泵平稳出油；

5）在第二活塞泵平稳出油过程中，第一活塞泵完成吸油，第二活塞泵出油即将结束时，控制单元控制第二驱动机构减速，同时控制单元控制第一驱动机构加速，对第二活塞泵的出油量进行完全补偿，保证流量连续平稳；

6）第二驱动机构减速为零后开始反转，第二活塞泵吸油口处的单向阀自动打开，第二活塞泵开始吸油，此时第一活塞泵平稳出油；

7）重复3）~6）步，实现连续稳定供油。