Мембранные соленоидные дозирующие насосы

Дозирующие мембранные насосы относятся к группе объемных насосов с электрическим приводом. Их принципиальное устройство показано на рисунке 1. 

Рис. 1: устройство дозирующего соленоидного насоса.

Электромагнитный дозирующий насос состоит из рабочей камеры с эластичной мембраной, штока с металлическим якорем и катушки-соленоида. Также его неотъемлемыми частями являются клапаны, направляющие поток жидкости, и пружина, возвращающая шток в начальное положение. 

При подаче питания на катушку соленоида, в ней возникает магнитное поле, которое втягивает металлический якорь внутрь катушки. При этом шток смещается влево (относительно рисунка 1), сжимая возвращающую пружину, и прогибая эластичную мембрану внутрь рабочей камеры. Мембрана, в свою очередь, выталкивает перекачиваемую жидкость из рабочей камеры через выпускной клапан (верхний на рисунке 1). Когда напряжение на соленоиде, а за ним и магнитное поле, исчезают, пружина разжимается и возвращает шток обратно. Когда шток возвращается в исходное положение, он тянет за собой мембрану. В результате в рабочей камере создается разряжение, в которое и затягивается перекачиваемая жидкость через впускной (нижний на рисунке 1) клапан. Возможна и реверсивная схема работы насоса-дозатора: втягивание жидкости при подаче напряжения на соленоид и выталкивание ее в напорную линию под действием пружины. Реверсивная схема создает меньшее давление в напорной линии, поэтому используется редко (только в случае, если нужна большая сила самовсоса). 

Дозирующие мембранные насосы могут иметь как плоские клапаны, так и клапаны в виде шариков. Плоские клапаны быстрее закрываются, обеспечивая более высокую скорость дозирования, а шариковые клапаны менее требовательны к отсутствию в жидкости твердых включений и в целом более долговечны. 

Даже обычный, не дозировочный, диафрагменный насос подает в напорную линию один и тот же объем жидкости за каждый цикл.  Поэтому, в самом простом варианте управление насосами-дозаторами осуществляется через изменение частоты импульсов тока на катушку соленоида. Например, химический насос DLX 0115 за один такт отдает в напорную линию 0,14 мл раствора. Соответственно, если таких циклов будет 20 в минуту, то за минуту от подаст 2,8 мл раствора. С другой стороны, если на тот же насос подавать более 100 импульсов в минуту, то он уже сможет перекачивать в пять раз больше — от 14 миллилитров жидкости в минуту. 

Но, повышать частоту импульсов бесконечно — нельзя. В какой-то момент мембрана уже не будет успевать выдавливать из рабочей камеры всю жидкость и возвращаться обратно в исходное положение. Например, промышленный насос PKX MA/A 07-02 имеет предельную частоту 120 тактов в минуту, на которой он перекачивает до десяти литров в час. Если попытаться заставить этот насос работать на большей частоте, то производительность насоса резко снизится почти до нуля. С другой стороны — существует и специальная «скоростная» линейка насосов eONE от производителя Etatron — эти насосы могут отрабатывать до 300 импульсов в минуту. Следует понимать, что насос с большей предельной частотой тактов нужен не для того, чтобы перекачивать больше жидкости, а для того, чтобы делать это более плавно и точно. Например, насос eONE MA 0607 перекачивает чуть более 7 литров в минуту при своих трехстах импульсах, а вышеупомянутый PKX MA/A 07-02 — те же семь литров перекачивает за сто импульсов. В итоге, производительность этих насосов одинаковая, а вот точность — разная. В первом случае точность составит 7/300=±0,023 литра, а во втором —  ±0,07 литра.

Другой способ управлять дозированием — это изменить расстояние, на которое перемещается мембрана, В этом случае можно сохранить частоту следования импульсов на том же уровне, а менять объем жидкости, который подается насосом за один цикл. И сделать это не так сложно: на рисунке 1 в правой части расположен регулировочный винт, закручивая который можно ограничить движение штока. 

Самый простой (и наиболее дешевый) способ управления дозирующим насосом — аналоговый. У таких насосов на корпусе расположена поворотная ручка потенциометра или регулировочного винта. Ярким примером такого насоса может служить Seko Kompact AMS200. Его производительность можно регулировать в пределах от 0 до 100%, но при этом нельзя однозначно сказать, какой расход жидкости будет выдавать насос при текущем положении ручки и текущем давлении в напорной линии. Стоит обратить внимание, что все насосы с регулировочным винтом являются аналоговыми, но далеко не все аналоговые насосы имеют регулировочный винт. В частности, упомянутый Seko Kompact — это насос с изменяемой частотой импульсов и стабильным объемом единичного импульса. 

Рисунок 2:  Seko Kompact AMS200 — пример насоса с аналоговым управлением.

Главные недостатки аналоговых насосов — расход жидкости нужно подбирать опытным путем и нет очевидного способа подключить внешние датчики (кроме некоторых датчиков уровня, работающих по принципу реле). Для решения этой задачи были разработаны дозирующие мембранные насосы с микропроцессорным управлением. В таких насосах не используются регулировочные винты, а расход изменяется только изменением частоты движения штока. За частотой рабочих тактов следит управляющий чип. Цифровые насосы можно настраивать как на предварительно заданный расход жидкости, так и подключать к различным датчикам. Хорошим примером цифрового дозирующего насоса может служить Seko Tekna EVO TPG. В этом устройстве режим работы задается при помощи дисплея и управляющих кнопок. Такой дозировочный насос может получать и обрабатывать данные расходомеров, датчиков уровня, pH-метров и измерителей загрязненности жидкости. Микропроцессорные дозирующие мембранные насосы без дисплея также встречаются, но их функционал заметно меньше, чем у дозаторов с дисплеем. 

Рисунок 3: Seko Tekna EVO TPG-500— дозатор с цифровым управлением.

Управление насосами-дозаторами может осуществляться как вручную (оператор периодически корректирует дозирование), так и в автоматическом режиме. Именно автоматический режим мы и рассмотрим в этой главе. 

Самая простая (но не самая популярная) функция цифрового насоса-дозатора — счетчик импульсов. Например, насос APG способен на каждый полученный им импульс от внешнего датчика выдать заранее настроенное количество реагента. Такая функция может использоваться, например, для фасовки на конвейере: в каждую проезжающую банку насос будет добавлять одно и то же количество реагента. 

Следующая редкая, но полезная функция — таймер. Например, дозировочники серии DPT способны просыпаться в определенное время по таймеру, выдавать в напорную линию определенное количество жидкости и засыпать снова. На их основе можно организовать периодическое обновление воды в аквариуме, регулярное добавление коагулянта в бассейн или ежедневную подачу очистителя в механизм. 

Чуть более популярен релейный вход насоса — способность включаться и выключаться по внешнему сигналу. Например, дозировочный насос AML способен принимать сигналы от датчика уровня или от расходомера. Впрочем, удаленно включать и выключать насос может и другое оборудование: от локального микроконтроллера производственной линии, до сложной компьютеризированной системы. 

Удаленно можно не только управлять включением насосов, но и регулировать их производительность. Практически все дозирующие насосы способны принимать сигнал 4-20 мА и, в зависимости от уровня этого сигнала, изменять свою производительность. Имея этот вход можно не только подключать к насосу стандартные датчики, но и создать собственный датчик. 

Отдельно стоит упомянуть готовые датчики уровня кислотности (pH), окислительно-восстановительной активности (RedOx), датчики концентрации хлора и датчики электропроводности.  

Промышленные дозирующие насосы позволяют проводить фасовку и дозирование жидкостей в широком диапазоне плотностей и вязкостей. 

Дозаторы с небольшой подачей, типа DLX MA/MB 01-15, применяются для подачи в основной раствор загустителей, пластификаторов, красителей, эмульгаторов, консервантов и других присадок. 

Насосы с подачей от нескольких литров в минуту могут использоваться для фасовки готовой продукции. Можно выбрать модели, подходящие как для заполнения флаконов по 5 мл, так и для разлива жидкости по пятилитровым бутылям. 

Но наиболее часто дозирующие насосы применяются для очистки и подготовки воды: подачи хлора и жидких коагулянтов. Для этих целей приобретают насосы с датчиками RedOx и измерителями концентрации хлора, например eONE PLUS поддерживает все эти датчики. 

Первое и основное преимущество мембранного насоса — герметичность. Отсутствие динамических уплотнений гарантирует, что ни одна капля перекачиваемой жидкости не протечет мимо. Второе преимущество — меньший вес. Насосы с соленоидом вместо электродвигателя компактнее и легче. Более того, их КПД несколько выше, а дозирование — точнее. Да и цена на промышленный насос-дозатор относительно невысока. 

Так как идеальной техники не бывает, важно помнить, с какими трудностями можно столкнуться при эксплуатации промышленных дозирующих насосов. Вот основные особенности:

Любой мембранный насос создает пульсации на напорной линии. На высоких частотах это редко имеет значение. Тем не менее, если у вас большой насос, который подает жидкость в открытую емкость — примите во внимание возможное разбрызгивание и вспенивание жидкости. Для того, чтобы уменьшить пульсации в напорной линии, нужно использовать демпферы пульсаций. 

Также диафрагменные насосы довольно сильно вибрируют во время работы — их нужно закреплять на прочном основании и подключать к напорной линии через гибкие вставки. Данная проблема актуальна, в основном, для больших и массивных дозаторов, для моделей с подачей до 1 литра в минуту она не так актуальна. 

За редким исключением, мембраны не любят длительного сухого хода. Каждый изгиб слегка нагревает мембрану, и перекачиваемая жидкость должна отводить образующееся тепло. Это совсем небольшие количества тепла — нагреть жидкость они не способны. Но если жидкости нет, этого тепла хватает на то, чтобы разрушить структуру полимеров. 

Мембрана в дозировочном насосе — это расходный материал. Периодически она изнашивается и ее необходимо менять.

В большинстве дозаторов объем впрыска немного уменьшается с ростом давления в напорной линии. Поэтому, если для вас важна точность дозирования, а давление в напорной линии заранее не известно, нужно выбирать цифровые дозировочные насосы с функцией коррекции объема впрыска. 

• Определитесь с температурой и химическим составом перекачиваемой жидкости — от этого будет зависеть материал проточной части насоса. Внимательно изучите таблицы химической совместимости материалов. Для удобства, в нашем каталоге всегда указываются как материалы проточной части, так и материалы мембран. 
  Несколько общих советов. Наиболее универсальный материал головки — фторопласт поливинилденфторид (PVDF). Он устойчив к воздействию большинства химически активных веществ. Более простой вариант головки — PVC (поливинилхлорид), а самый недорогой - PP (полипропилен). Эти пластики также обычно подходят для многих  реагентов. Самый дорогой вариант - PTFE (тефлон). Это самый химически стойкий полимер. Насосы с головками из такого материала весьма дороги и изготавливаются производителями по отдельному запросу (их делают, например, Etatron, Prominent).
  Внешний корпус соленоидных насосов обычно изготавливается из пластика, устойчивого к воздействию агрессивных паров. А самый популярный материал рабочей мембраны — PTFE (политетрафторэтилен или тефлон). Уплотнительные кольца обычно изготавливаются из Viton (FKM), иногда из химстойкого каучука EPDM. Шариковые или плоские клапаны делают из PTFE, керамики или витона. Прочие материалы насосов обычно имеют второстепенное значение.
• Определите, какое минимальное и какое максимальное количество жидкости должен будет подавать дозировщик в линию. Обратите внимание, что чем выше потенциальная производительность дозатора, тем менее точно он будет дозировать небольшие объемы. Поэтому брать насосы с большим запасом по производительности — это плохая идея. 
• Подумайте о том, какие датчики могут быть полезны в вашем производстве. Переплата за неиспользуемые интерфейсы будет не такой большой в сравнении с общей стоимостью насоса, а сами датчики можно докупать по мере необходимости. Поэтому стоит сразу подумать о насосах с максимальным количеством интерфейсов. 
• Не забудьте о противодавлении: некоторые дозирующие системы могут работать при давлении в напорной линии до 20 атмосфер, но большинство насосов разрабатывалось на давление в одну-две атмосферы. 
• Ну, и самое главное — мнение профессионала ценнее любой инструкции. Заказывая у нас насос, не забудьте описать задачу, для которой вы его приобретаете. Специалисты отдела продаж проверят, насколько данный насос подходит для вашей ситуации и, при необходимости, предложат альтернативный вариант.