恒流泵串、并聯模式分析與對比

(上海舜宇恒平科學儀器有限公司，上海200000)

恒流泵串、并聯模式分析與對比

宋旭青

(上海舜宇恒平科學儀器有限公司，上海200000)

高效液相色譜儀及離子色譜儀是科學儀器中重要的設備，在醫藥、生化、石油、化工、環衛及食品安全等眾多領域，均有廣泛的應用。這兩種儀器的正常運用，都需要能以勻速輸出淋洗液流經色譜柱而產生樣品分離、洗脫的恒流裝置即恒流泵。恒流泵的恒流精度直接反映了儀器的水平。因此，恒流泵就是這兩種儀器的關鍵部件并可以作為其他需要恒流源儀器的重要配件。目前常用的恒流泵有兩種連接模式：串聯與并聯。本文就這兩種模式按工作中的經驗做了分析對比，希望對讀者在設計或者使用恒流泵時有所幫助。

恒流泵串聯模式并聯模式端面凸輪

高效液相色譜儀及離子色譜作為一種常規的分析儀器，目前已經有很多品牌和型號。根據其測定的對象不同，一般儀器有多種配置。恒流泵是其重要的部件之一。恒流泵的好壞會直接影響這臺儀器的測量結果及結果的可靠性。為使恒流泵能持續輸出恒流的液體，一般采用兩個柱塞泵互相輔助交替運動完成。柱塞泵是利用柱塞在泵體腔內運動實現吸液及輸出液體工作的。簡單地說，只要一個泵頭的柱塞勻速向前推動，則其輸出的液體就是恒流的，當一個泵頭柱塞走完行程后，原來泵頭的柱塞回程吸液，另一個泵頭的柱塞即以同樣的速度向前推進，實現恒流泵輸出。如此往復，似乎即可完成連續的恒流輸出，眾所周知，實際任何物體的運動不可能從速度為0瞬間提升到某一速度，也不能從某一前進速度中瞬間回復，因此，這兩個泵的柱塞往復運動必然存在變速的階段。兩個泵頭只有在相互推進、變速、回復等各種運動中有機的配合和互相輔助，才可能實現連續恒流輸出。當然，兩個泵頭不同的連接方式、互補的方式也不一樣。

1 兩種恒流泵連接模式結構對比

圖1和圖2所示的即是并聯恒流泵及串聯恒流泵的結構示意圖。

圖1 并聯泵結構圖

圖2 串聯泵結構圖

從圖1可見，并聯泵的兩個泵頭形式一樣，均在泵腔的輸出、吸入口安裝有單向閥。當柱塞在泵腔內向單向閥推進時，泵腔呈正壓狀態A1或B1單向閥關閉(即無液體吸入)。A2或B2單向閥開啟，泵腔內液體輸出，兩個泵腔的吸入口及排出口分別連接在吸液三通或排放三通上。實現恒流輸出的液體在排放三通的輸出口流出，這就是并聯恒流泵。

從圖2可見，B泵的吸液、輸液泵為同樣安裝有單向閥，即B柱塞在推進時單向閥1關閉(無液體輸入泵腔)，單向閥2開啟，輸出的液體并不直接作為恒流輸出，而是連接在A泵的吸液口，A泵吸液輸出口未裝單向閥， A泵的輸出直接作為恒流輸出口。B泵輸出的液體，不僅可作為恒流輸出的液流，還要完成A泵柱塞回縮時對A泵腔的液體存儲；當B泵柱塞回縮時，B泵腔呈現正壓狀態，單向閥2關閉，單向閥1開啟，B泵腔吸液，而A泵腔的柱塞腔將原儲存在泵腔內液體從輸出口送出，完成恒流輸出。其中無需存在輸出及吸液三通。這就是串聯恒流泵。

2 兩種恒流泵運動規律分析與對比

2.1 兩種模式的規律分析

這兩種恒流泵的兩泵頭柱塞用何種方式的變速、推進，回縮的運動規律實現恒流互補呢？見圖3及圖4所示的規律圖。

圖3 并聯恒流泵兩柱塞運動規律圖

圖3所示的是并聯恒流泵A、B柱塞的運動規律圖。圖中橫坐標是柱塞的運動周期，取360°為兩柱塞的一個推進、回縮的運動周期；縱坐標所示的是柱塞輸出流速。由圖可見，在0～30°工作時間中，A柱塞從初速度為0勻加速運動逐步形成Vc的末速度；同時B柱塞的推進速度為Vc的初速度以同值的勻減速的狀態變為末速度為0。參照圖1可見，此時二柱塞均是向前推進狀態，既兩個泵頭的A1、B1單向閥呈關閉狀態，A2、B2單向閥呈開啟狀態，兩個泵頭同時有液體經排放三通排出。在30°～180°時間段，A柱塞以Vc的勻速向前推進，而B柱塞以30°～55°、55°～155°、155°～180°三段分別以負的勻加速、勻速、勻減速狀態回縮。同樣參照圖1可見，A柱塞勻速向前推進，A1單向閥關閉，A2單向閥開啟，A泵液體經排放三通輸出；B柱塞呈回縮狀態，B1單向閥開啟，B2單向閥關閉，無液體輸出，B泵由吸液三通向腔內輔充液體。而后的180°～210°階段及210°～360°階段是A、B兩泵以互換的方式實現輸液工作。由此可見，并聯泵的兩個泵頭運動模式完全相同，柱塞行程也相同，只是相位差是180°。在0°～30°及180°～210°兩個階段。恒流泵輸出的流速是兩個泵頭輸出之和。即V總=V1+V2；在0°～30°階段V1=0+aα，V2=Vc-aα，則V總=Vc；在180°～210°階段V1=Vcaα，V總=Vc,在30°～180°及210°～360°階段，均有一個泵頭有Vc的輸出，另一個泵頭回縮狀態無輸出，既輸出總量均為Vc，由此可見，圖3所示的運動規律實現了泵的恒流輸出。

圖4 串聯恒流泵兩柱塞運動規律圖

圖4所示的是串聯恒流泵A、B兩柱塞的運動規律圖。參照圖2可見，串聯恒流泵在0°～210°的輸出狀態與并聯泵相同，恒流泵的輸出是A、B兩泵頭的推進輸出之和，只不過在30°～180°期間，B柱塞的回縮量較大(其回程長度應在A柱塞運動全程的兩倍)。而在210°～360°期間就與并聯泵大不相同了，A柱塞如同并聯泵一樣，分三階段回縮吸液，其吸存量全部來自B泵頭輸出，即這個階段的B柱塞推進量不僅要滿足恒流泵輸出的流量，還要補充A泵頭的存液。如圖4可見，A柱塞在210°～235°期間以初速度為0勻加速回縮達到末速度Vc2，在235°～335°期間，以Vc2勻速回縮，在235°～360°期間有勻減速運動方式從Vc2至0的狀態回縮。相對應，B柱塞在210°～235°階段，初速度為Vc以勻加速方式向前推進，其加速度大小與柱塞A的回縮加速度相同；在235°時其末速度為Vc′，則Vc′=Vc+Vc2，一直勻速推進到335°，在335°～360°期間，B柱塞以Vc′的初速度以與A柱塞回縮加速度相同的方式勻減速推進，到360°時，其推進的末速度為Vc。由此可見，串聯泵在210°～360°期間的恒流泵輸出量是B泵頭輸出量減去A泵頭的回縮貯液量的差。由于B柱塞在210°～360°期間的勻加速、勻速、勻減速3個變化模式完成相同與A柱塞勻加速、勻速、勻減速回縮模式，且B柱塞在此階段的初速度及末速度均為Vc，那末這階段兩者的差值應全為Vc，從而實現了輸出恒流。

2.2 并聯恒流泵中柱塞桿的活動規律

有了上述的模式，很容易就可以求得兩種恒流泵的A、B柱塞在泵腔內的位置關系及設計公式了。如果以實際需要及結構的可能性出發，確定A柱塞在泵腔內的沖程為Lmm，則并聯泵的B柱塞沖程也是Lmm，串聯泵的B柱塞沖程為2Lmm。

(1)0°～30°階段(圖5)：

圖5 并聯恒流泵兩柱塞運動規律圖0°～30°階段

(2)30°～180°階段(圖6)：

圖6 并聯恒流泵兩柱塞運動規律圖30°～180°階段

(3)180°～210°及210°～360°階段是A、B兩泵頭互換角色運動，其a、Vc、a1及Vc2的數據完全相同。

2.3 串聯恒流泵中柱塞桿的活動規律

如果確定A柱塞沖程為Lmm的話，B柱塞沖程應為2Lmm

(1)0°～30°階段(圖7)：

圖7 串聯恒流泵兩柱塞運動規律圖0°～30°階段

(2)30°～180°階段(圖8)：

圖8 串聯恒流泵兩柱塞運動規律圖30°～180°階段

(3)180°～210°階段(圖9)：

圖9 串聯恒流泵兩柱塞運動規律圖180°～210°階段

(4)210°～235°階段(圖10)：

圖10 串聯恒流泵兩柱塞運動規律圖210°～235°階段

(5)235°～335°階段(圖11)：

圖11 串聯恒流泵兩柱塞運動規律圖235°～335°階段

(6)335°～360°階段(圖12)：

圖12 串聯恒流泵兩柱塞運動規律圖335°～360°階段

如是整個周期兩柱塞完成運動要求。

了解了兩柱塞運動規律，就很方便進行泵頭的驅動設計了，既可以用凸輪驅動模式，也可以用直線馬達直接驅動柱塞(這兩種方式，筆者在工作中均實踐過)。筆者所在公司的LC1600高效液相色譜及IC1800離子色譜儀的恒流泵就是采用恒流并聯泵模式進行設計的，目前已經量產。在生產中隨機抽樣15臺橫流泵，進行恒流泵精度測試(測試流速為1mL/min)，其流速精度(RSD)最佳為0.0263%，最差為0.091%，平均為0.0632%。當前公認的著名品牌美國的Waters及HACH公司推的恒流泵，出廠精度分別是0.075%及0.06%，由此可見，用這種模式設計的恒流泵已經基本達到國際先進水平了。

3 恒流泵有并聯、串聯兩種模式對比結論

綜上所述，并聯泵兩柱塞的運動規律完全一樣。如果用凸輪驅動模式，兩個圓周凸輪形狀完全一致，只需在安裝時形成180°相位差即可，正因為這個原因，這兩個圓周凸輪完全可以用一個端面圖凸輪替代(作者所在公司的液相色譜儀即用此方法)，用在直線馬達驅動也一樣，只需設計一種驅動程序即可。由圖1可知并聯泵結構較復雜，與串聯泵相比多用了兩個單向閥及兩個三通，無疑成本就提高，而且在運行有故障時，由于有4個單向閥，較難找出故障源。

串聯恒流泵結構簡單，成本較低，也易于排除運行故障，但兩個泵頭運動方式不同，不可以用端面凸輪法，兩個凸輪曲線不同，安裝時應注意兩個凸輪的相位差。

致謝：本文在撰寫時，得到了教授級高工許生蛟指導，在此表示衷心感謝。

[1]朱良漪.分析儀器手冊. 北京：化學工業出版社，1997：3-15.

[2]朱巖.離子色譜儀器. 北京：化學工業出版社，2007：25-37.

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.06.011

2017-06-18

宋旭青，

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