Теория дозирования

Автор: Cидоров И.А., студент, Донецкий национальный технический университет

Дозирование - технологическая операция, при которой отмеряется заданное количество материала с требуемой точностью. Степень точности определяется технологическими, производственными и экономическими требованиями.

Дозаторы - устройства для автоматического отмеривания заданной массы или объема твердых сыпучих материалов, паст, жидкостей, газов. Дозаторы обеспечивают выдачу дозы одного или нескольких продуктов (одно- и многокомпонентные дозаторы) одному или разным потребителям (одно- и многоканальные дозаторы); изменяют количество компонентов в заданном соотношении с изменяющимся количеством других дозируемых компонентов (дозаторы соотношения); дозируют вещества в заданной временной или логической последовательности (программные дозаторы).

В соответствии с принятым способом дозирования дозаторы подразделяются на объемные и массовые, а по характеру протекания процесса - на порционные и непрерывного действия. Дозатор при многократном дозировании должен обеспечивать минимальное отклонение фактического объёма (массы) материала от проектной величины и максимальную долговременную её стабильность. Выполнение этих требований обеспечивает высокую точность и стабильность дозирования. По типу рабочих органов дозаторы подразделяются на барабанные, тарельчатые, шнековые, ленточные, плунжерные, грейдерные, платформенные, вибрационные, штифтовые, секторные, шиберные. Конструкция рабочих органов должна учитывать физико-механические свойства дозируемой среды. Объемные дозаторы применяют для дозирования газов, жидкостей, паст, реже твердых сыпучих материалов. Эти дозаторы просты по конструкции и достаточно надежны. Недостатки: зависимость объема дозы от температуры и давления (особенно для газов), значительная погрешность при дозировании пенящихся сред. Дозаторы дискретного действия в простейшем случае состоят из одной калиброванной емкости, снабженной датчиком уровня, двух клапанов на входе в емкость и выходе из нее и блока управления - двухпозиционного автоматического регулятора. Наименьшие погрешность и габариты имеют дозаторы дискретного действия (рис. 1) на основе объемных счетчиков продукта. Угол поворота ротора, соответствующий объему прошедшего продукта, преобразуется в сигнал, поступающий в блок управления, который вычисляет общий объем прошедшего продукта, сравнивает его с заданием и формирует сигнал на прекращение подачи продукта.

Для повышения точности дозирования при достижении 90-95% дозы вентиль 4 закрывают, а расход продукта уменьшают в 4-5 раз с помощью вентиля 5. Для стабилизации или программного изменения расхода блок управления определяет и устанавливает требуемый расход посредством вентиля 6. Для надежной работы таких дозаторов дозируемую среду тщательно очищают от твердых и газообразных примесей, не допускают кристаллизацию или полимеризацию продуктов в полостях счетчиков, для вращения ротора создают достаточный перепад давлений между входом и выходом. При дозировании в ёмкости, работающие под давлением, равным или превышающем давление среды на входе, а также для дозирования вязких и пастообразных продуктов применяют дозаторы на основе насосов вытеснения (поршневых, плунжерных, шестеренчатых, диафрагменных). При равенстве задания и фактической дозы блок управления отключает насос, перекрывая поток продукта, показывает и регистрирует величину дозы. Весовые дозаторы применяют для дозирования твердых сыпучих материалов, реже - жидкостей. Дозы от нескольких г до сотен кг, погрешность дозирования от 0,1 до 0,5%. Из дозаторов дискретного действия наиболее распространены такие, в которых загружаемая емкость установлена на силоизмерительных преобразователях - тензометрических или платформенных весах. Сигнал от преобразователя 2 (рис. 2) поступает в блок управления 3, с помощью которого автоматически взвешивается емкость 1 и формируется команда для управления устройствами загрузки 4 и выгрузки 5. В открытых емкостях с жидкостями массу продукта при дозировании определяют по пропорциональной ей высоте слоя жидкости. Достоинство таких дозаторов - компактность датчиков давления; недостаток - необходимость предварительной градуировки (определение зависимости гидростатического давления от веса продукта в емкости).

В дозаторах непрерывного действия регулируется скорость потока материала или площадь поперечного сечения его слоя. Схема такого дозатора представлена на рис. 3(а). Дозируемый материал поступает на силоизмерительный транспортер. Вес материала на ленте, пропорциональный производительности, измеряется силоизмерительным преобразователем и сравнивается в регуляторе с сигналом задания. В результате устройство 7 вырабатывает корректирующий сигнал, регулирующий высоту слоя материала на ленте.

Проточная часть мембранных дозировочных насосов у большинства производителей мало отличается по конструкции. Она представляет собой замкнутый объем (камеру), отделенный от привода герметичной мембраной (как правило, покрытой тефлоном и армированной) и систему клапанов на входе и выходе из камеры. На входе и выходе могут устанавливаться один или два шариковых или тарельчатых клапана. В зависимости от задач стоящих перед насосом они могут быть подпружиненными или опускаться под собственным весом (кроме силы тяжести на шарики клапана также действует перепад давления, который создается при работе насоса).

Рис. Подпружиненный и не подпружиненный шариковые клапаны

Также в проточной части насоса может быть предусмотрен воздушный клапан для выпуска воздуха в момент запуска насоса (для облегчения заливки) и при завоздушивании дозирующей головки.

У насосов работающих в ответственных областях могут устанавливаться дополнительные мембраны, которые вступают в работу при разрыве основной мембраны, и датчики разрыва мембраны, которые оповещают обслуживающий персонал о разрыве.

В целом, данная конструкция проточной части обеспечивает герметичность дозирующей головки и препятствуют попаданию перекачиваемой жидкости в окружающую среду или подсасыванию воздуха в дозировочную систему.

Управление насосами, как правило, также отвечает общепринятым стандартам. Существует возможность ручного управления с помощью ручки (либо кнопок на панели управления), импульсное управление (например, от расходомера) и управление по токовому сигналу 4-20 мА в различных комбинациях (0-20, 20-0, 4-20, 20-4 мА). У наиболее передовых производителей, существует возможность установки в насос шины связи для обмена данными по протоколам Profibus либо Genibus. Сам процесс дозирования обеспечивается либо чисто механически (в случае асинхронного двигателя с червячным приводом), либо с помощью электронных контроллеров различной степени сложности (электромагнитные насосы и насосы с шаговым двигателем). Следует отметить, что в случае применения контроллера, управление насосом существенно облегчается. Так, на данный момент уже существуют дозировочные насосы, у которых текущая производительность отображается непосредственно на дисплее в литрах/час либо в миллилитрах/час.

Наиболее существенные отличия мембранных дозировочных насосов различных производителей лежит в области привода.

Здесь необходимо сказать несколько слов о теории дозирования.

Технологические процессы, в большинстве случаев требуют стабильного снабжения такими химикатами, как кислоты, щелочи, красители, ароматизаторы, коагулянты и т.п. Термин "стабильное" относится, строго говоря, к непрерывной, равномерной подаче вышеназванных веществ (наиболее близкая аналогия, которая здесь напрашивается, это "равномерно вытекающая вода из водопроводного крана"). Для техпроцессов, время реакции или производственного цикла которых составляет от нескольких минут до нескольких часов, секундные колебания в целом не создают существенной проблемы. Таким образом, вопрос о том, следует ли рассматривать процесс дозирования как стабильный или нестабильный, является, в сущности, вопросом длительности цикла дозирования. Если, в общем цикл дозирования занимает всего лишь несколько секунд, то отклонения процесса дозирования в течение секунды были бы недопустимы. Однако если эти колебания оказываются очень кратковременными по сравнению со временем всего процесса дозирования и результаты соответствуют стабильному процессу дозирования, можно говорить о "квазистабильном" дозировании. Квазистабильное дозирование можно рассматривать как стабильное в том случае, когда обеспечены условия, при которых в момент контрольного испытания поданное дозирующим устройством количество вещества соответствует требуемому объему дозирования.

Электромагнитный привод.

Рис. Принципиальная схема электромагнитного привода

Мембрана дозировочного насоса приводится в движение электромагнитом, который при подаче напряжения на обмотки "выстреливает" шток, который упирается в мембрану. Возврат штока с мембраной осуществляется с помощью пружины. Данный тип приводов получил широкое распространение благодаря своей дешевизне и надежности. Некоторое время назад насосы с электромагнитным приводом были наиболее удобным вариантом при дозировании до 100 л/час и получили широкое распространения по всему миру и, в частности, в России.

Рис. 2. Дозировочный насос с электромагнитным приводом в разрезе

Регулирование производительности насосов с данным приводом осуществляется, как правило двумя способами - изменением частоты ходов и изменением длинны хода. Благодаря использованию этих механизмов можно достичь требуемой производительности при приемлемом уровне пульсаций, в случае, если требуемая производительность близка к максимальной производительности насоса. Некоторое сложности начинаются при уменьшении производительности. При этом вы вынуждены либо увеличивать задержку между импульсами, что соответственно приводит к увеличению "мертвых зон" в потоке (в которые не попал реагент), либо уменьшать длину хода штока, что приводит к уменьшению точности дозирования и увеличивает возможность загазовывания дозирующей головки насоса. Одной из особенностей данного типа привода является необходимость перекалибровки насоса при изменении производительности, противодавления или любого другого параметра системы. Такой тип привода также достаточно "жестко" относится к мембране насоса и гидросистеме, так как в момент цикла нагнетания возникают ударные нагрузки на мембрану и трубопровод, что может приводить к повреждению нагнетающей линии и вызывает ускоренный выход мембраны из строя.

Ведущим производителем насосов с данным типом привода является компания Prominent. Более подробную информацию по данным насосам можно получить на сайте производителя www.prominent.de

Возьмем случай работы насоса на 30% максимальной производительности (при таком режиме, наиболее просто оценить принципиальные отличия). Рассмотрим графики характеризующие работу насоса:

Рис. Работа дозировочного насоса с электромагнитным приводом при полной длине рабочего хода

Общее время цикла складывается из времени всасывания (Твсас= const), времени нагнетания (Тнагн= const) и времени задержки между циклами (Тзадержк= var). Основной поток в трубопроводе идет непрерывно, в то время как реагент попадает в поток с пульсациями. Строго говоря, реагент отсутствует в потоке во время цикла всасывания и задержки между циклами (Твсас+ Тзадержк), и присутствует в потоке во время цикла нагнетания (Тнагн). Несмотря на то, что течение в потоке как правило турбулентное и можно дополнительно использовать смесители потока, распределение реагента в потоке остается неравномерным.

Для данного случая (Тнагн << Твсас + Тзадержк), т.е. большую часть времени реагент в поток не подается.

В качестве частичного решения используется уменьшение длины хода штока, для того, чтобы увеличить частоту ходов и соответственно уменьшить неравномерность распределения реагента.

Рис. Работа дозировочного насоса с электромагнитным приводом при 50% длине рабочего хода

В данном случае время нагнетания постоянно (Тнагн= const), время цикла всасывания (Твсас= const) + время задержки между циклами (Тзадержк= var) сравнимы. Тем не менее, время нагнетания все равно остается меньше суммы времен всасывания и задержки (Тнагн < Твсас + Тзадержк). По логике, при регулировании производительности только изменением длинны хода штока, с сохранением максимальной частоты ходов, мы можем получить практически непрерывный процесс, в котором время задержки стремится к нулю (Тзадержк> 0) но, к сожалению возможности данного типа регулирования ограничены принципом работы мембранного насоса и уменьшение длины хода штока более 50% приводит к резкому падению точности дозирования и увеличению вероятности загазовывания дозирующей головки.

Асинхронный привод.

Рис. Принципиальная схема асинхронного привода

Данный привод получил широкое распространение, как в России, так и за рубежом, благодаря простоте конструкции и отсутствию жестких требований к технологии изготовления насосов с данным типом привода. Например, таким приводом оснащены широко известные насосы марки НД. Зарубежные аналоги имеют более сложную конструкцию и могут в т.ч. быть мембранными. Основной принцип работы насоса на котором построено движение плунжера или диафрагмы остается постоянным. Редукторы обычных насосов-дозаторов чаще всего сконструированы таким образом, что частота вращения электродвигателя привода через одноступенчатую червячную передачу снижается до оборотов, обеспечивающих требуемую частоту ходов, преобразуясь в осциллирующее движение. Осциллирующее, т.е. возвратно-поступательное движение формируется с помощью эксцентрика. У таких насосов и у насосов с более низкой подачей в диапазоне до 1000 л/ч с эксцентриком контактирует подпружиненный толкатель, который в свою очередь приводит в движение плунжер или диафрагму. Для регулирования производительности насосы-дозаторы оснащаются подвижным упором, устанавливаемым в требуемое положение для ограничения величины обратного хода толкателя. Это позволяет плавно регулировать длину хода в диапазоне от 0 до 100%. Правда на практике количественное регулирование следует применять только при длине хода свыше 10%, так как при установке меньших значений подача начинает сильно зависеть от противодавления. Привод с подпружиненным толкателем работает по синусоидальной характеристике лишь при 100%-ной длине хода, а при пониженной производительности его замедление или ускорение происходит почти мгновенно. В результате получаем почти импульсный характер дозирования. Преимущество перед другими типами приводов состоит в невысокой стоимости конструкции и большей передаваемой мощности.

Рис. Привод с толкателем, отрегулированный на 43% производительность дозирования

При изменении производительности для таких насосов также необходима калибровка. Кроме того, для того, чтобы получить возможность дистанционного управления данным типом насосов, необходимо применять дополнительное оборудование, например частотные преобразователи или сервопривод.

Рис. Характеристика подачи привода с толкателем

Для асинхронного двигателя ситуация с работой при полной длине рабочего хода несколько иная. В случае использования частотного регулирования, двигатель уменьшает скорость вращения. Таким образом, время всасывания (Твсас=var) и время нагнетания увеличиваются (Тнагн=var). Т.е. при максимальной длине хода штока, время задержки равно нулю (Тзадержк = 0).

Рис. Работа дозировочного насоса с асинхронным приводом при полной длине рабочего хода

В связи с замедлением двигателя увеличивается время нагнетания (Тнагн> ?) но более равномерного распределения реагента в потоке не происходит, так как время всасывания (Твсас> ?) также увеличивается. При изменении длины хода штока мы получаем такую же ситуацию, как и с описанным выше электромагнитным приводом (см. Работа дозировочного насоса с электромагнитным приводом при 50% длине рабочего хода).

В общем случае, при использовании традиционных типов привода, задача технолога следящего за процессом или подбирающего насос выбрать "из двух зол".

Шаговый привод.

Рис. Принципиальная схема шагового привода

Данный тип привода является одной из последних разработок в дозировочной технике. В данном приводе мембрана и шток жестко связанны с двигателем и ход мембраны контролируется двигателем в любой момент времени. Несмотря на то, что стоимость насосов с таким приводом несколько выше стоимости насосов с электромагнитным приводом, это полностью оправдывается дополнительными возможностями, которые позволяет реализовать шаговый двигатель.

У шагового двигателя существует возможность изменять скорость вращения в любой момент времени. Изменение производительности насоса осуществляется за счет изменения скорости вращения двигателя в цикле нагнетания. При этом длина хода мембраны и скорость всасывания остается постоянной. Это дает возможность при уменьшении производительности насоса существенно сужать зоны в которые не попал реагент, гарантируя при этом высокую точность дозирования и снижать вероятность завоздушивания дозировочной головки.

Рис. Дозировочный насос с шаговым приводом в разрезе

Благодаря возможности изменения скорости вращения двигателя в широком диапазоне, данный тип привода позволяет изменять подачу от 100% до 0,1% (диапазон регулирования 1:1000) при сохранении постоянной высокой точности дозирования. При изменении значения подачи (например, при управлении от расходомера) или при изменении противодавления, насос не требует перекалибровки и сохраняет точность на уровне 1% автоматически компенсируя появившиеся отклонения.

К сожалению, насосы с таким типом привода недостаточно широко распространены на Российском рынке, но, тем не менее они начинают применяться все чаще в различных областях промышленности. Впервые, шаговый привод для дозировочных насосов применен компанией Grundfos.

При использовании шагового привода, мы получаем принципиальное отличие вида графика. Шаговый привод всегда использует максимальную длину хода штока. Таким образом для насоса с шаговым приводом время задержки всегда равно нулю (Тзадержк = 0).

Рис. Работа дозировочного насоса с шаговым приводом

Так как насос меняет скорость вращения электродвигателя только во время цикла нагнетания, время всасывания остается постоянным* (Твсас= const), а время нагнетания существенно увеличивается (Тнагн > ? ). Таким образом, с уменьшением производительности насоса, происходит все более равномерное распределение реагента в потоке (Тнагн >> Твсас+ Тзадержк).

Таким образом, при дозировании в поток, шаговый привод обеспечивает гораздо более равномерное распределение реагента в потоке.

Общее сравнение типов приводов

Несомненно, существуют различные способы снижения пульсаций потока для насосов с традиционными типами приводов (такие как демпферы пульсаций или гидроаккумуляторы), но данные решения существенно удорожают дозировочную систему в целом и не всегда позволяют полностью снять проблему пульсаций.

Сводная таблица различных типов привода мембранного насоса.

• Функция "антикавитация" - для работы с высоковязкими и загазованными жидкостями при использовании которой, скорость движения мембраны в цикле всасывания можно уменьшать для предотвращения разрыва сплошности жидкости;
• Отсутствие "ударной" нагрузки на линию нагнетания и мембрану в момент начала цикла нагнетания;
• Глубина регулирования 1:1000, т.е. изменение производительности насоса в процессе работы без перекалибровки от 100% до 0,1% максимальной производительности насоса.

Список источников:

Гуревич А. Л., Соколов М. В. «Импульсные системы автоматического дозирования агрессивных жидкостей», М., 1973;
Абилов А. Г., Лютфалиев К. А. «Автоматические микродозаторы для жидкостей», М., 1975.