Conceptions de pompes doseuses : les pompes et les systèmes regardent en arrière

La pompe doseuse est un dispositif de dosage chimique à déplacement positif avec la capacité de faire varier la capacité en fonction des conditions de traitement. La pompe est conçue pour fournir un débit très précis et reproductible dans une plage de capacité spécifiée. La capacité peut être ajustée manuellement ou automatiquement via un signal de commande externe. Il présente une précision et une linéarité élevées sur toute sa plage de rangeabilité, généralement 10:1.

Les types de pompes les plus courants reposent sur un piston alternatif à entraînement mécanique (les petites pompes peuvent utiliser un entraînement par solénoïde), qui agit directement sur le fluide de traitement, comme dans une conception à piston garni, ou agit sur un fluide hydraulique, qui actionne un diagramme.

Le diaphragme, à son tour, déplace le produit chimique de procédé dans la chambre de fin liquide d'une quantité fixe par course. Le résultat est une dose dosée de produit chimique pratiquement non affectée par les changements de pression. La capacité est modifiée soit en ajustant la longueur de course, ce qui modifie la quantité de fluide pompé par course, soit en modifiant la vitesse de course. Cela modifie la quantité de doses de fluide délivrées dans une période de temps donnée. La longueur de course peut être modifiée par un bouton micrométrique manuel ou par un actionneur pneumatique. La vitesse de course est réglée à l'aide d'un moteur à vitesse variable.

La longueur de course peut être ajustée par une variété de moyens, y compris le mouvement perdu hydraulique, le mouvement perdu mécanique et les entraînements à manivelle polaire. Le terme "mouvement perdu" fait référence au fait que pendant une partie de la course du piston, aucun fluide n'est déplacé. La partie "perdue" de la course est variée pour obtenir le débit souhaité. Dans une pompe hydraulique à mouvement perdu, le piston a une course constante et agit sur le fluide hydraulique. La capacité est ajustée en ouvrant un orifice de ventilation hydraulique à un point donné de la course du piston, en contournant l'huile de la chambre. Pendant cette période, aucun travail n'est effectué sur la membrane et aucun fluide de traitement n'est déplacé. En faisant varier la position de l'orifice de dérivation dans la course, la capacité de la pompe peut être ajustée.

Les pompes mécaniques à mouvement perdu utilisent un excentrique ou une came entraîné par engrenage à vis sans fin pour entraîner le piston. Une vis de positionnement micrométrique limite le mouvement du piston lorsqu'il suit la came d'entraînement en empêchant le contact du piston et de la came pendant une partie de la course. Cela agit pour raccourcir la course effective du piston.

Dans un entraînement à manivelle polaire, un ensemble d'engrenages à vis sans fin entraîne une bielle, qui entraîne ensuite une traverse à l'autre. Une vis de réglage micrométrique modifie l'angle de la manivelle, modifiant la distance de déplacement du piston. Avec la manivelle en position verticale, aucun mouvement de va-et-vient n'est communiqué au piston et le débit de la pompe est nul. Avec la manivelle à son angle maximum, la course du piston et le débit de la pompe sont maximaux.

Les pompes à mouvement perdu hachent l'impulsion de débit par course pour faire varier la capacité. Cela a tendance à produire un choc hydraulique car le fluide hydraulique est soudainement contourné à chaque course. En revanche, les entraînements à manivelle polaire diminuent l'amplitude de l'impulsion et éliminent le choc hydraulique généralement rencontré dans les pompes à mouvement perdu.

Les pompes doseuses à vitesse variable ajustent la capacité en faisant varier la vitesse du moteur d'entraînement, qui à son tour fait varier la vitesse de course de la pompe, généralement à une longueur de course constante.

Ceci est accompli avec l'utilisation d'un moteur et d'un contrôleur à vitesse variable AC ou DC. Une réduction à vis sans fin et un excentrique sont normalement utilisés pour réduire la vitesse du moteur et développer un mouvement alternatif. Une pratique courante consiste à monter simplement un moteur à vitesse variable sur une pompe doseuse à course variable.

Malheureusement, cette configuration ne fournit pas le niveau de performance attendu. La plage de variation maximale est normalement de 10:1, et au mieux de 30:1, pour la plupart des moteurs à vitesse variable disponibles dans le commerce. Les pompes qui utilisent une réduction à vis sans fin nécessitent un moteur d'entraînement dimensionné pour la plage de fonctionnement à basse vitesse où le jeu d'engrenages fonctionne à faible rendement. Les rendements mécaniques de l'engrenage à vis sans fin sont jusqu'à un tiers inférieurs à 175 tr/min qu'à 1 750 tr/min (rapport de variation 10:1). Le résultat est une augmentation du coût et de la taille du disque. De plus, la mauvaise lubrification à bas régime augmente la maintenance du train d'engrenages.

Pour augmenter la marge de manœuvre et éliminer d'autres inconvénients des conceptions à vitesse variable, certains fabricants combinent le fonctionnement à course variable et à vitesse variable dans un seul système. Ceci est généralement accompli en accouplant simplement un moteur à vitesse variable à une pompe doseuse à course variable. Théoriquement, la variation de course variable de 10:1 multipliée par la variation de vitesse de 10:1 devrait donner un rapport de variation de 100:1. La réalité, cependant, est que les inconvénients des deux systèmes limitent la marge de manœuvre à moins de 100:1. De telles pompes sont également plus complexes et coûteuses.

Les conceptions traditionnelles décrites ci-dessus présentent un certain nombre d'inconvénients inhérents, dont certains ont été discutés. Les utilisateurs se tournent de plus en plus vers des systèmes de dosage entièrement automatisés, dotés d'instruments sophistiqués qui surveillent en temps réel et fournissent des informations presque instantanément aux systèmes de contrôle automatique des processus. Le système de contrôle signale alors aux pompes doseuses de régler le débit. La réponse et la précision de la pompe doseuse sont généralement le maillon faible de ces systèmes de contrôle de processus.

Les pompes doseuses traditionnelles peuvent prendre plusieurs minutes pour atteindre des débits corrects, un décalage de plusieurs ordres de grandeur plus lent que la réponse des autres composants du système.

Les conceptions typiques sont précises à seulement +/- 1 %. Les systèmes de contrôle avec une instrumentation appropriée peuvent tirer parti d'une plus grande précision en régime permanent.

Les conceptions avancées surmontent ces lacunes. Par exemple, au lieu de simplement coupler un moteur à vitesse variable à une pompe doseuse à course variable, les fabricants proposent désormais des conceptions qui correspondent de manière optimale au moteur d'entraînement, à l'entraînement mécanique et aux technologies de tête doseuse.

Le résultat est des pompes doseuses avec une précision, un temps de réponse et des rapports de variation compatibles avec les systèmes de contrôle automatique. De nouvelles conceptions à vitesse variable remplacent les engrenages à vis sans fin par des ensembles d'engrenages hélicoïdaux pour fournir une efficacité constante sur toute la plage de vitesse de la pompe. La technologie avancée de moteur CC sans balais offre des rapports de réduction de 100:1, une précision en régime permanent de +/- 0,5 % et des temps de réponse très rapides.

La combinaison de systèmes de contrôle automatisés et de pompes doseuses à réponse rapide et très précises permet aux utilisateurs de contrôler étroitement les processus pour un dosage chimique et une qualité de processus optimaux.

George Halfinger était ingénieur marketing produit pour Milton Roy Flow Control Division à Ivyland, Pennsylvanie. Il a siégé au comité consultatif de rédaction de Pumps & Systems.