基于計(jì)量泵的自動(dòng)化學(xué)供酸系統(tǒng)

王 玉，郭帝江，常 志，張 峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

1 概述

以前，濕法清洗設(shè)備所需的化學(xué)液都是采用人工手動(dòng)方式進(jìn)行供給，然而這種方式對人本身以及設(shè)備都存在著比較大的安全隱患，并且由于人為因素的影響大，供液的精度比較低［1］。因此，出于對操作人員跟設(shè)備的安全考慮，本文設(shè)計(jì)了一種以計(jì)量泵為基礎(chǔ)的自動(dòng)化學(xué)供酸系統(tǒng)，本系統(tǒng)既能解決之前存在的一些問題，同時(shí)還能夠在一定程度上滿足操作人員對自動(dòng)化程度提高的要求。

2 供酸系統(tǒng)簡介

供酸系統(tǒng)主要由四部分組成，分別為:供液柜、供液源、輸送系統(tǒng)，控制系統(tǒng)。

本系統(tǒng)供酸原理如圖1 所示。

圖1 強(qiáng)酸化學(xué)供液系統(tǒng)原理圖

3 供液柜

柜體為全封閉結(jié)構(gòu)，防止酸液揮發(fā)污染環(huán)境;采用耐酸堿腐蝕的PP(聚丙烯)板組合焊接而成;柜體前后裝有設(shè)備維修門，且后部為透明PVC 材質(zhì)的可拆卸門，可看到設(shè)備內(nèi)部管路，以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障進(jìn)行維修。

由于強(qiáng)酸溶液具有很強(qiáng)的揮發(fā)性，因此柜體上安裝有抽風(fēng)系統(tǒng)，可將揮發(fā)性腐蝕氣體及時(shí)地排出供液柜，并且裝有風(fēng)量調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié);同時(shí)排風(fēng)口安裝有差壓表，用于檢測抽風(fēng)壓力，當(dāng)排風(fēng)出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)發(fā)出警報(bào)，便于維護(hù)人員及時(shí)維修。

在柜體的底部安裝有傳動(dòng)輥?zhàn)酉到y(tǒng)，并配有移液小車，方便供液桶的更換。

柜內(nèi)設(shè)有PFA 材質(zhì)的純水槍以及氮?dú)鈽?，用于進(jìn)行柜體殘留腐蝕液的沖洗及干燥。

柜體中放有供液桶的腐蝕性區(qū)域與供液泵、控制系統(tǒng)之間采用物理方式隔離，以避免控制元器件以及金屬零件等被揮發(fā)性酸霧腐蝕。

柜體的采樣區(qū)安裝有采樣閥，可進(jìn)行酸液的采樣分析。

柜體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 柜體結(jié)構(gòu)三維模型圖

4 供液源

本系統(tǒng)采用一種化學(xué)液，配備兩只供液桶的方式，可以實(shí)現(xiàn)不間斷供液，兩只供液桶一備一用。

5 輸送系統(tǒng)

輸送系統(tǒng)包括供液泵、過濾器、除泡器、供液管道等。

5.1 供液泵

計(jì)量泵作為流體精密計(jì)量的理想設(shè)備，在化工工藝過程中可以承擔(dān)強(qiáng)腐蝕性溶液的計(jì)量添加任務(wù)，目前已廣泛地用于化工工藝過程中輔料的定量或配比供給［2］。因此，本系統(tǒng)選用計(jì)量泵來輸送強(qiáng)酸溶液。

計(jì)量泵在實(shí)際使用中計(jì)量精度會(huì)有一定的誤差，實(shí)際流量可以由以下方法進(jìn)行測定:

1)定容法:定容法是將計(jì)量泵泵出的溶液注入到已知容積的容器，同時(shí)監(jiān)測計(jì)量泵的轉(zhuǎn)數(shù)，計(jì)量泵的流量可以通過下面的公式求出:

式中:Q 為計(jì)量泵流量，cm3/r;V 為容器容積，cm3;n 為計(jì)量泵轉(zhuǎn)數(shù)，r。

2)直接法:直接法是通過采用流量傳感器來獲得計(jì)量泵的流量，根據(jù)計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速，也能比較方便地計(jì)算出計(jì)量泵每轉(zhuǎn)的流量。計(jì)算方法如下:

式中:Q 為計(jì)量泵流量，cm3/r;q 為流量傳感器測得流量，cm3/min;w 為計(jì)量泵轉(zhuǎn)速，r/min。

計(jì)量泵實(shí)現(xiàn)流量的計(jì)量和控制主要是通過改變沖程長度和頻率，其中頻率調(diào)節(jié)是目前計(jì)量泵控制器流量計(jì)量和控制的主要方式［3］。本系統(tǒng)對計(jì)量泵的計(jì)量精度具有較高的要求，因此需要對決定計(jì)量泵計(jì)量精度的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。其中，確定合適的控制算法，從而真實(shí)地反映實(shí)際流量與頻率之間的關(guān)系，是決定計(jì)量精度的關(guān)鍵問題。

通過牛頓插值、拉格朗日插值、分段插值3 種算法，對計(jì)量泵實(shí)際流量與頻率的關(guān)系進(jìn)行理論研究，并用線性回歸分析法對所得的結(jié)果進(jìn)行了分析。最終的分析結(jié)果表明，分段插值算法所得的標(biāo)準(zhǔn)誤差比其他兩種小，能夠更真實(shí)地反映實(shí)際流量與頻率之間的關(guān)系，可大大提高計(jì)量泵的計(jì)量精度。因此，最適合用作計(jì)量泵控制器流量控制的算法為分段差值算法。

5.2 過濾器

濕法清洗設(shè)備對于所需的化學(xué)溶液有較高的潔凈度要求。因此本系統(tǒng)中加入了循環(huán)過濾系統(tǒng)，由于輸送溶液為強(qiáng)酸，所以選擇PFA 材質(zhì)的過濾器，并且從使用和更換方便的角度考慮，選用的過濾器為殼體與濾芯分離式。

5.3 除泡器

由于采用計(jì)量泵輸送溶液時(shí)有震動(dòng)，易釋出微粒子，產(chǎn)生氣泡，所以需要加裝除泡器。

5.4 供液管道

系統(tǒng)供液管道主要由閥門和管件組成。

出于防腐性和輸送安全性的考慮，供液管道一般采用雙套管方式。并且，為了便于漏液的偵測，管道的鋪設(shè)具有一定傾斜角度，當(dāng)溶液在內(nèi)管道輸送時(shí)內(nèi)管泄漏，化學(xué)液就會(huì)順著內(nèi)外管之間的空隙流到供液柜，安裝在供液柜體底部的漏液檢測傳感器就會(huì)監(jiān)測到，從而發(fā)出報(bào)警以便及時(shí)處理，可以防止發(fā)生安全事故。

本系統(tǒng)采用PFA 材質(zhì)的氣動(dòng)隔膜閥和管件，由于PFA材料的雜質(zhì)析出量極少，并且具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。表1為輸送不同溶液時(shí)適合使用的管道材質(zhì)。

表1 不同溶液管路材質(zhì)

6 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)由PLC 進(jìn)行控制，運(yùn)行方式有兩種模式:自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)運(yùn)行。

自動(dòng)模式下，當(dāng)供液系統(tǒng)接收到設(shè)備發(fā)出的供液需求信號(hào)后，自動(dòng)運(yùn)行供液程序，完成配液操作。手動(dòng)模式下，可選擇進(jìn)行單步的手動(dòng)操作。

本系統(tǒng)還具有漏液偵測應(yīng)急處理、系統(tǒng)故障診斷和溶液用量統(tǒng)計(jì)等功能。

7 結(jié)束語

以計(jì)量泵為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化學(xué)供酸系統(tǒng)，有較高的自動(dòng)化程度，在實(shí)際應(yīng)用中能實(shí)現(xiàn)溶液的自動(dòng)定量添加，計(jì)量誤差較小，并且可以避免由于人為誤操作或疏忽而導(dǎo)致的安全事故發(fā)生。

［1］祝福生.LED 濕法清洗設(shè)備CDS 設(shè)計(jì)［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2013(6):43－45.

［2］傅鵬，廖富迎.過氧乙酸自動(dòng)添加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.研制與開發(fā)，2011，17(6):32－34.

［3］鄧鴻英，張生昌，牟介剛.基于插值法的計(jì)量泵流量控制算法研究［J］.機(jī)電工程，2010，27(7):116－118.