基于计量泵的自动化学供酸系统

王 玉，郭帝江，常 志，张 峰

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 概述

以前，湿法清洗设备所需的化学液都是采用人工手动方式进行供给，然而这种方式对人本身以及设备都存在着比较大的安全隐患，并且由于人为因素的影响大，供液的精度比较低［1］。因此，出于对操作人员跟设备的安全考虑，本文设计了一种以计量泵为基础的自动化学供酸系统，本系统既能解决之前存在的一些问题，同时还能够在一定程度上满足操作人员对自动化程度提高的要求。

2 供酸系统简介

供酸系统主要由四部分组成，分别为:供液柜、供液源、输送系统，控制系统。

本系统供酸原理如图1 所示。

图1 强酸化学供液系统原理图

3 供液柜

柜体为全封闭结构，防止酸液挥发污染环境;采用耐酸碱腐蚀的PP(聚丙烯)板组合焊接而成;柜体前后装有设备维修门，且后部为透明PVC 材质的可拆卸门，可看到设备内部管路，以便于及时发现故障进行维修。

由于强酸溶液具有很强的挥发性，因此柜体上安装有抽风系统，可将挥发性腐蚀气体及时地排出供液柜，并且装有风量调节阀来进行风量的调节;同时排风口安装有差压表，用于检测抽风压力，当排风出现故障时会发出警报，便于维护人员及时维修。

在柜体的底部安装有传动辊子系统，并配有移液小车，方便供液桶的更换。

柜内设有PFA 材质的纯水枪以及氮气枪，用于进行柜体残留腐蚀液的冲洗及干燥。

柜体中放有供液桶的腐蚀性区域与供液泵、控制系统之间采用物理方式隔离，以避免控制元器件以及金属零件等被挥发性酸雾腐蚀。

柜体的采样区安装有采样阀，可进行酸液的采样分析。

柜体结构如图2 所示。

图2 柜体结构三维模型图

4 供液源

本系统采用一种化学液，配备两只供液桶的方式，可以实现不间断供液，两只供液桶一备一用。

5 输送系统

输送系统包括供液泵、过滤器、除泡器、供液管道等。

5.1 供液泵

计量泵作为流体精密计量的理想设备，在化工工艺过程中可以承担强腐蚀性溶液的计量添加任务，目前已广泛地用于化工工艺过程中辅料的定量或配比供给［2］。因此，本系统选用计量泵来输送强酸溶液。

计量泵在实际使用中计量精度会有一定的误差，实际流量可以由以下方法进行测定:

1)定容法:定容法是将计量泵泵出的溶液注入到已知容积的容器，同时监测计量泵的转数，计量泵的流量可以通过下面的公式求出:

式中:Q 为计量泵流量，cm3/r;V 为容器容积，cm3;n 为计量泵转数，r。

2)直接法:直接法是通过采用流量传感器来获得计量泵的流量，根据计量泵的转速，也能比较方便地计算出计量泵每转的流量。计算方法如下:

式中:Q 为计量泵流量，cm3/r;q 为流量传感器测得流量，cm3/min;w 为计量泵转速，r/min。

计量泵实现流量的计量和控制主要是通过改变冲程长度和频率，其中频率调节是目前计量泵控制器流量计量和控制的主要方式［3］。本系统对计量泵的计量精度具有较高的要求，因此需要对决定计量泵计量精度的关键因素进行分析。其中，确定合适的控制算法，从而真实地反映实际流量与频率之间的关系，是决定计量精度的关键问题。

通过牛顿插值、拉格朗日插值、分段插值3 种算法，对计量泵实际流量与频率的关系进行理论研究，并用线性回归分析法对所得的结果进行了分析。最终的分析结果表明，分段插值算法所得的标准误差比其他两种小，能够更真实地反映实际流量与频率之间的关系，可大大提高计量泵的计量精度。因此，最适合用作计量泵控制器流量控制的算法为分段差值算法。

5.2 过滤器

湿法清洗设备对于所需的化学溶液有较高的洁净度要求。因此本系统中加入了循环过滤系统，由于输送溶液为强酸，所以选择PFA 材质的过滤器，并且从使用和更换方便的角度考虑，选用的过滤器为壳体与滤芯分离式。

5.3 除泡器

由于采用计量泵输送溶液时有震动，易释出微粒子，产生气泡，所以需要加装除泡器。

5.4 供液管道

系统供液管道主要由阀门和管件组成。

出于防腐性和输送安全性的考虑，供液管道一般采用双套管方式。并且，为了便于漏液的侦测，管道的铺设具有一定倾斜角度，当溶液在内管道输送时内管泄漏，化学液就会顺着内外管之间的空隙流到供液柜，安装在供液柜体底部的漏液检测传感器就会监测到，从而发出报警以便及时处理，可以防止发生安全事故。

本系统采用PFA 材质的气动隔膜阀和管件，由于PFA材料的杂质析出量极少，并且具有优良的化学稳定性。表1为输送不同溶液时适合使用的管道材质。

表1 不同溶液管路材质

6 控制系统

本系统由PLC 进行控制，运行方式有两种模式:自动运行和手动运行。

自动模式下，当供液系统接收到设备发出的供液需求信号后，自动运行供液程序，完成配液操作。手动模式下，可选择进行单步的手动操作。

本系统还具有漏液侦测应急处理、系统故障诊断和溶液用量统计等功能。

7 结束语

以计量泵为基础设计的自动化学供酸系统，有较高的自动化程度，在实际应用中能实现溶液的自动定量添加，计量误差较小，并且可以避免由于人为误操作或疏忽而导致的安全事故发生。

［1］祝福生.LED 湿法清洗设备CDS 设计［J］.电子工业专用设备，2013(6):43－45.

［2］傅鹏，廖富迎.过氧乙酸自动添加系统的设计与应用［J］.研制与开发，2011，17(6):32－34.

［3］邓鸿英，张生昌，牟介刚.基于插值法的计量泵流量控制算法研究［J］.机电工程，2010，27(7):116－118.