隔膜计量泵的排量误差分析和远程补偿*

陶奇钧，余世明

(浙江工业大学信息工程学院，浙江杭州310023)

0 引 言

计量泵作为往复泵的分支，广泛运用于石油、化工、水处理、食品、制药、环保、医疗器械等行业的流体定量投加和比例投加(简称流体定比投加)，已成为流程工业的心脏和发动机［1］。

对于一个工业系统来说，研究者往往需要对液体排量进行严格的控制，例如在工业尾气处理中，处理液使用过少，达不到处理作用，而处理液使用过多往往又会造成另一种污染的产生。这样的工业系统便对计量泵的排量控制提出了很高的精度要求。

由于受制造工艺、作业环境等因素的影响，计量泵的实际排量和理论排量会产生一定的偏差，需要调节和补偿。而计量泵常常被用来传输有毒液体、腐蚀性液体、易燃易爆液体等，在许多危险的环境下，工作人员很难进入现场对计量泵排量进行手工调节，这就使得计量泵的应用受到了很大的限制［2］。

在实际工业现场，有时更需要几台或者更多的计量泵组成计量泵组进行协同作业，完成精确的排量任务。显然这样的协同工作若是由工作人员手动完成，其精准度必然会受到一定的影响。

为了弥补上述计量泵的缺陷，本研究对计量泵排量的误差进行了具体分析，并通过设计计量泵远程控制系统对计量泵排量进行远程控制和补偿。

1 理论排量值的计算

计算排量的误差首先要计算出排量的理论值，再与实际排量值相减，才能得出排量误差值，并对其进行补偿。

隔膜计量泵结构如图1所示，它主要由3部分组成:电机、传动机构和泵头。减速机是一种传动机构，通过利用齿轮转换速度，将电机的回转数降下来，减到所需的回转数，从而得到较大转矩。通过该减速机便把电机所产生的旋转运动转变成了柱塞的往复运动［3］。图1中的柱塞和隔膜实际上是相连接的，这里为了更加形象地描述工作原理而把它们分开。隔膜的凹变化和凸变化是随着柱塞的往复运动产生的，这种交替的变化能够使得泵缸内的压强进行改变，当压强减小时，从下面吸进流体，反之则从上面排出流体。

图1 隔膜计量泵结构

设电机旋转n0圈，经减速机后驱动活塞往复一次，那么传动比为n0，当电机的转速为 n(单位:r/min)时，每秒活塞的往复次数(冲程频率)f可用下式表示:

电机转速可以根据脉冲数进行计算，在电机轴上设置一个霍尔传感器并均匀安装了4个磁钢，当电机运转一周，则检测到4个脉冲，当活塞往复一次时，检测到的脉冲数nm为4n0。将nm代入上式，得:

在一定的有效隔膜面积下，泵的输出流体的体积流量与冲程长度和冲程频率成正比。因此，当使用往复式隔膜计量泵时，其有效隔膜面积A是确定的，只需考虑另外两个因素对流体排量的影响:

令冲程长度为S，冲程频率为f，可以把流体的理论排量Q1(单位:m3/h)表示成一个函数:

式中:λ—比例系数;A—有效隔膜面积，m3;S—冲程长度，m;f—冲程频率。

将式(2)代入式(3)，可得理论排量Q1(单位:m3/h)与电机转速n(单位:r/min)的关系式:

柱塞的往复运动，带动隔膜运动做凹凸变化，令凹变化的最大弯曲曲面与凸变化的最大弯曲曲面所围成的体积为V1，即一次理论冲程排量为V1，则流体的理论排量Q1(单位:m3/h)可以表示为:

由公式(4，5)可得:

2 排量误差分析

导致隔膜计量泵的排量误差的因素有很多［4］，包括制造精度引起的误差、出口压力引起的误差、流体粘度不同造成的误差、工作磨损引起的误差等［5］。其中制造进度以及流体粘度引起的误差较为显著。以下便对这两处进行详细分析。

2.1 制造精度排量误差

本研究将因制作精度引起的误差记为ΔV(ξ)，实际排量用V1，可表示为:

笔者根据实际情况使其他因素稳定，测出可靠的实验数据，确定每台泵的ΔV(ξ)。

设k为实验次数，检测到的脉冲数为nms1，nms2，…，nmsk，测得的流体体积为 Q'11，Q'12，…，Q'1k，将误差记作 ΔV1(ξ)，ΔV2(ξ)，...，ΔVk(ξ)，那么:

可得:

2.2 流体粘度排量误差

流体的粘度系数η不同，在其他条件全都相同的情况下，其实际排量将存在误差［6］。本研究用函数x(η)表示粘度系数η不同带来的误差影响，可将一次实际排量表示成:

所以:

该数据的获得需要研究者对测量进行必要的控制，使得其他因素不影响理论排量的大小;本研究设定所用流体均为清水，可得清水所对应的函数x(η)值为1。

对 η，取一些典型的值:η1，η2，…，ηn通过实验确定 x(ηi)(i=1，2，…，m)，对于 η 的非典型值 ηα，通过线性差值可求得相对应的x(ηα)。

3 系统结构

由于计量泵的控制有着很高的实时性要求，而基于TCP/IP的以太网采用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)，无法保证数据传输的实时性要求。而CAN网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。

但是CAN总线无论是其通信距离还是通信速率都无法和以太网相比，且不易于与上位控制机直接接口，现有的CAN接口卡与以太网网卡相比大都价格昂贵。因此该系统设计了协议转换器这个中间环节，来连接以太网和CAN网络，使得两者的优劣能够形成互补［7］。

计量品泵远程控制系统结构如图2所示，分为3个部分:监控平台及其服务器、协议转换器、CAN网络组成的计量泵组。

图2 计量泵远程控制系统结构

协议转换器的实现原理较为简单，笔者将接收到的CAN数据帧分离出数据部分，然后对数据打包成以太网协议栈格式，发送到以太网，以太网到CAN的数据转换过程正好和CAN到以太网的数据转换过程相反。

4 排量补偿方法

在上述计量泵远程控制系统中，每一台计量泵可以把自身集成的传感器采集到的流量、转速、流体粘度等数据通过网络转发给主机。控制主机可以把计量泵组实时传递上来的工业现场数据放入对应的数据库中。这样工作人员便可以在控制室，通过数据库的监控和管理，来实时得调节不同区域、不同排放任务的计量泵组的转速，并实时监控排量情况。

通过这样一个远程计量泵组网络控制系统，本研究可以对不同工作情况下的计量泵组进行对应的排量误差的补偿。在实际的操作中，研究者并不能对排量进行直接的控制，而是通过改变控制芯片输出PWM占空比的配置，来改变三相异步电机的转速，从而改变了计量泵柱塞运动的频率，来达到排量控制的目的［8］。由于各种误差的存在，同样的PWM占空比配置在不同的单台计量泵控制系统中所产生的排量并不相同。此时就需要研究者通过网络远程地更改PWM占空比的配置，使得排量能够精确地达到理想值。

在排量补偿的过程中可以引入模糊规则，对排量补偿进行智能控制［9-11］。根据计量泵的运行特点和使用情况，本研究把排量误差和误差变化的语言值取为{负极大，负非常大，负很大，负较大，负微大，零，正微大，正较大，正很大，正非常大，正极大}，并用数字来表示，即{－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5}。而同样的，对于PWM占空比配置变化的模糊化也可以用相同的数字来表示。根据图3所示模糊规则隶属度函数，产生的模糊规则控制表如表1所示，在实际的排量补偿中，本研究便可以通过模糊规则表来进行解模糊化，来控制PWM占空比配置的智能调节，从而达到对排量调节的智能调节。

图3 隶属度函数

表1 模糊规则控制表

5 结束语

针对实际工业中计量泵运行的状况，以及目前国内外相关研究的欠缺，本研究详尽地分析了计量泵的排量及其误差计算，并根据工业现场的实际情况提出了对计量泵组进行网络控制其排量补偿的方法，搭建了基于以太网以及CAN总线的远程控制系统。在补偿的过程中，笔者加入了模糊控制器，来对补偿过程进行智能控制。

对计量泵的排量进行补偿对有着精确排量要求的工业控制将有很大的帮助作用，网络化的排量补偿使得大规模的计量泵组的排量精度都得到了保障。

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