CN110426095A - 工业计量泵的一种无传感器流量估算方法 - Google Patents

工业计量泵的一种无传感器流量估算方法 Download PDF

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余世明
何德峰
仇翔
吴根忠
宋秀兰
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    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B13/00Pumps specially modified to deliver fixed or variable measured quantities
    • GPHYSICS
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    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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Abstract

本发明公开了工业计量泵的一种无传感器流量估算方法,属于工业计量泵领域。基于无速度传感器矢量控制,根据定子绕组的相电流,通过坐标变换,估计反电动势,再利用反电动势估计电机转速。建立流量与转速和出口压力的数学模型。为了便于实际应用,通过采取一定的技术措施,将出口压力视作近似不变,流量近似为转速的函数。为了克服非线性和未建模误差,采用多点标点法确定流量Q。本发明不需要安装流量计和转速传感器即可估计得到工业计量泵的流量,在无速度传感器和流量计的情况下,可将传统机械式计量泵转变成流量自动可调的高精度流量计,节约了成本,提高了流量的测量精度。

Description

工业计量泵的一种无传感器流量估算方法
技术领域
本发明涉及工业计量泵领域,具体涉及工业计量泵的一种无传感器流量估算方法。
技术背景
我国流程工业的产值占全部工业总产值的60%以上,而液态介质的投加则是流程工业生产制备过程中以连续或间歇方式精确定量或精确配比添加各种化学药剂、确保产品质量的关键性生产工艺环节。液态介质投加装置以工业计量泵为核心,广泛应用于石油、化工、水处理、热力发电、制药、食品、造纸等流程工业领域。在流程工业中输送和投加的液体大多为强酸、强碱等腐蚀性介质,通常采用具有防腐功能的隔膜计量泵输送、投加。如图3所示,隔膜计量泵主要由三相异步电机、行程调节手轮、防腐隔膜泵头及内部蜗轮蜗杆传动机构等组成。现有隔膜计量泵存在的主要问题:其一是通过手轮以离线方式大致调节流量大小,无法实现在线精准调节和真正意义上的流量计量,既不利于节能降耗,也难以保证产品质量;其二是工作现场存在强酸、强碱和有毒气体,环境恶劣,不便人工操作。因此,为了提高产品质量、实现节能降耗和绿色制造以及改善操作环境,迫切需要实现强腐蚀性液态介质流量的自动精确测量和自动化调节。
工业计量泵专用数字变频控制器主要由主控模块和驱动模块构成。驱动模块分为整流和逆变两部分,如图4所示。整流部分将50Hz单相或三相正弦交流电变换成单相直流电,逆变部分将单相直流电转变成频率可变的三相交流电,该三相交流电控制计量泵驱动电机以不同的转速旋转,流量与转速之间存在一定的函数关系。通过控制转速就可控制流量。为了降低成本,工业计量泵通常采用三相异步电机驱动,而转速与正弦波的频率和三相异步电机的转差率有关,也与出口压力有关。
为了准确测量转速,可在电机驱动轴上安装转速传感器,如光电编码器,但这会显著增加成本,用户难以接受,同时也影响和改变计量泵的结构和尺寸,不便安装。另一种办法是采用价格低廉的霍尔元件测速,但安装比较麻烦,如果安装不当,则容易丢失信号,测量不准。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提出了工业计量泵的一种无传感器流量估算方法。本发明基于无速度传感器矢量控制原理,通过估计反电动势,估算驱动电机的转速,建立流量与转速及出口压力之间的数学模型,再通过技术处理和简易标定确定计量泵的流量,从而将将传统机械式计量泵转变成流量自动可调的高精度流量计。
工业计量泵的一种无传感器流量估算方法,通过检测定子绕组相电流,基于矢量控制的坐标变换,估计转子转速,通过转子转速和出口压力p估计工业计量泵的流量
Q=f(ω,p)
其中ω为转子转速,p为出口压力,采用多点标点法确定流量Q,不需要安装流量计和转速传感器。
进一步的,通过在工业计量泵的出口处安装阻尼器和背压阀,将出口压力视作近似不变,视为常量,流量近似为转速的函数
Q=f(ω)。
进一步的,为了克服非线性和未建模误差,采用多点标点法确定流量Q,具体如下:
(1)基于计量泵专用数字变频控制器,通过速度闭环控制将转速分别调节到稳态值ω0ω1,…,ωm,在固定的时间Δt内,通过取样口取样,并换算成每小时流量,设其分别为Q0Q1,…,Qm
(2)根据估算的转速ω,按下式计算流量:
进一步的,所述估计方法适用于工业计量泵专用数字变频控制器的正常工作频率范围。
进一步的,所述的工业计量泵在无速度传感器和流量计的情况下,可转变成流量自动可调的高精度流量计。
本发明不需要安装流量计和转速传感器即可估计得到工业计量泵的流量,在无速度传感器和流量计的情况下,可将传统机械式计量泵转变成流量自动可调的高精度流量计,节约了成本,提高了流量的测量精度。
附图说明
图1为转子位置、转速估计器示意图;
图2为阻尼器与背压阀安装示意图;
图3为隔膜计量泵;
图4为整流与逆变原理图;
其中:1-入口;2-出口;3-阻尼器;4-背压阀;5-工业计量泵。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明。
无速度传感器矢量控制用一个估计器来估计转子的位置(转角)θ和转速ω,如图1所示。图1中,Iα,Iβ为CLARK变换求得的二轴坐标下的正弦交变电流,Vα,Vβ为反PARK变换求得的二轴坐标下的正弦交变电压。
为了求转子的转速,需要估计转子磁通在定子绕阻中产生的反电动势,首先计算α-β坐标系下的反电动势,然后变换到d-q坐标系下,设反电动势在d-q坐标系下的q分量为Eq,则转子的转速可按下式估算:
式中,ψR为转子磁通,δR为与转子有关的常数。
对于工业计量泵而言,流量Q与转速ω和出口压力p有关,ω增加,Q增加,p增加,泄漏回流增加,Q减小。因此有如下数学模型
Q=f(ω,p) (2)
即Q是关于转速ω和出口压力p的二维函数。
(2)式中,当出口压力变化时,对流量Q造成扰动,使得流量不稳定。另一方面采用(2)式估算流量比较复杂,不便使用。因此,需使压力p保持基本不变,近似看作常量,这时流量Q即为转速ω的一元函数,于是有
Q=f(ω) (3)
为了使压力p基本保持不变,可采取一定的技术措施,例如,液体从入口1流入工业计量泵5,在工业计量泵5的出口2处安装阻尼器3和背压阀4如图2所示。
图2中,阻尼器3用于缓冲往复泵的压力波动,背压阀4是一个单向阀,它有两个作用,其一是防止液体回流,其二是通过调节出口压力pout,可以确保计量泵的出口压力保持不变,这样不管外部压力如何变化,出口压力始终不变,从而可消除出口压力变化对流量Q的影响。
为了防止液体回流,要求pout>pmax,这里pmax为外部最大压力。
根据(1)式,驱动电机转速与转子旋转磁场产生的反电动势有关,当转速太小时,无法检测到反电动势,因此,无法估算转速,为此需确定能检测到反电动势的最低转速ωmin,同时,转速太低时,三异步电机发热严重,对应于低频工作,一般要求三相异步电机的工作频率≥30Hz,对应的电机转速为880r/min左右,而一般当ω≥600r/min时可检测到反电势。因此,在工业计量泵专用数字变频控制器的正常工作频率范围内,可以检测到反电动势并估计电机转速。
考虑(3)式具有一定的非线性特性和未建模误差,可采用多点标点法确定流量Q,具体如下:
(1)基于计量泵专用数字变频控制器,通过速度闭环控制将转速分别调节到稳态值ω0ω1,…,ωm,在固定的时间Δt内,通过取样口取样,并换算成每小时流量,设其分别为Q0Q1,…,Qm
(2)根据估算的转速ω,按下式计算流量:

Claims (5)

1.工业计量泵的一种无传感器流量估算方法,其特征在于通过检测定子绕组相电流,基于矢量控制的坐标变换,估计转子转速,通过转子转速和出口压力p估计工业计量泵的流量
Q=f(ω,p)
其中ω为转子转速,p为出口压力,采用多点标点法确定流量Q。
2.根据权利要求1所述的工业计量泵的一种无传感器流量估算方法,其特征在于通过在工业计量泵(5)的出口处安装阻尼器(3)和背压阀(4),将出口压力视作近似不变,视为常量,流量近似为转速的函数
Q=f(ω)。
3.根据权利要求2所述的工业计量泵的一种无传感器流量估算方法,其特征在于为了克服非线性和未建模误差,采用多点标点法确定流量Q,具体如下:
(1)基于计量泵专用数字变频控制器,通过速度闭环控制将转速分别调节到稳态值ω0ω1,…,ωm,在固定的时间Δt内,通过取样口取样,并换算成每小时流量,设其分别为Q0Q1,…,Qm
(2)根据估算的转速ω,按下式计算流量:
4.根据权利要求1所述的工业计量泵的一种无传感器流量估算方法,其特征在于所述估计方法适用于工业计量泵专用数字变频控制器的正常工作频率范围。
5.根据权利要求1所述的工业计量泵的一种无传感器流量估算方法,其特征在于所述的工业计量泵在无速度传感器和流量计的情况下,可转变成流量自动可调的高精度流量计。
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