一种基于单片机控制的真空自吸泵研究∗

1 引言

自吸泵属于特殊离心泵，它是指那些首次启动前只需向泵体内加入一定量的水，无需将进水管充满水，启动后经一定时间可将进水管中的气体排光，进入正常工作的一类水泵［1～2］。自吸泵的泵体中设有储水室（或称气水分离室）与止流阀，停泵之后会有一部分液体存留于泵腔内，作为下次启泵的引水［2］，所以，除第一次的手动灌泵外，自吸泵之后的使用都不需人工灌泵。但是，由于这样的设计，自吸泵停泵之后泵腔内存留液体，在低温环境下，经常出现泵腔内的液体冻结，冻裂泵腔，影响自吸泵的再次使用，特别的液体冻结会冻结泵腔中的叶轮，与叶轮相连的电机转子继而被固定，如果电机通电开机，短时间内会造成电机烧坏。当前，对于自吸泵泵腔防冻，主要有三类措施，一是于泵腔外加保暖层，如棉絮，稻草等；二是往泵腔内加入高温液体或在泵腔外加热融化泵腔内的冻结液体；三是每次使用时，进行人工注水，使用完毕后放掉泵腔中的水［3］，三类方法都较为麻烦，且第一类方法可靠性差。

泵站在解决离心泵水力损失与引水困难问题上，常设计真空引水系统与离心泵搭配使用［4］，其可实现离心泵自动引水，相比自吸泵，取消底阀，减少了水力损失，提高了离心泵的效率。目前，真空引水系统主要为大中型离心泵设计［4］，用于大型输水。有鉴于此，本设计中借鉴市面上的真空引水系统，将其应用于小型自吸泵上，同时设计回流管，解决自吸泵在低温环境下使用出现的上述情况；同时，由于当前成熟的真空引水系统往往是由真空泵与真空罐组成，空间占用较大，投入成本较多不适用于小型引水，且真空泵与自吸泵电机不共用，对于资源是种浪费。所以，本设计提出了一种新结构的真空引水系统与自吸泵结合，减小了体积、缩减了成本。

自吸泵与普通离心泵相比，能够实现自吸，便于远程集中控制，实行自动化操作，因此应用十分广泛［5～6］，尤其在流动灌溉和消防系统上运用最为广泛，也最为适合［7～10］。本设计中加入引水系统，将大大缩减自吸时间，对于消防来说，自吸泵启动不受低温影响且启动时间短，有助于及早的灭火，减少损失［11］；对于流动灌溉来说，低温下自吸泵在间隔输送水时，可免除清除泵腔冻体的困扰，提高了自吸泵的适用性。未来，如在研究冻体消融或者防冻方面取得比较大的进步时，应用于自吸泵，使其低温下泵腔中引水不会冻结或者短时间内消融泵腔中的冻体，则自吸泵的使用将非常的便捷，可极大地提高生产生活质量。

2 系统设计

本设计是通过在自吸泵的基础上设置抽气装置，在启泵阶段排出泵腔内的气体、使泵腔对外界成负压状态，进而使进水管口的液体在外界大气压的作用下流向泵腔，实现自动灌泵［12］；在泵腔的下方安装回流管，保证停泵之后泵腔中无残留液体，避免了在低温环境下、自吸泵泵腔中由于存留引水冻结，导致其无法立即使用，及冻裂泵体，毁坏电机的现象。

装置原理简化如图1所示，主要有泵腔，电机，抽气装置，引气管，回流管、电磁阀、电磁离合器及进水、出水管。

装置的工作过程为：通电后，控制电路控制阀门1关闭，阀门3打开，同时控制离合器7闭合，紧接着，电机8通电运转，带动叶轮转动，同时带动抽气装置6运作，通过引气管4抽取泵腔9中的空气，使泵腔9对外呈现出负压，外界大气压促使进水管11口的液体进入到泵腔9中，在泵腔9的顶端设有浮球开关，当泵腔9中充满一定量的液体时，浮球上浮，浮球开关打开，控制电路接收到此变化量，切断电磁离合器7，则抽气装置6停止工作，同时打开阀门1，关闭阀门3，电机8的动力全部输出至叶轮之上，叶轮高速旋转，带动液体流出出水管2，之后，自吸泵正常输送液体。当停机后，泵腔9中存留的液体会经由下方的回流管10回到水源，使的泵腔9中无残留液体，则在低温环境下泵腔9中不存在冻体，继而不会存在叶轮被冻体固定、而导致自吸泵无法立即使用的窘境，同时也避免了冻裂泵体隐患及人工消融冻体的问题。

图1 原理示意图

2.1 机械结构设计

机械结构各部件如图2所示。其连接为：泵腔10与电机3固接，电机3驱动轴的一端通过联轴器与泵腔10中的叶轮9连接，一端与电磁离合器6的吸盘连接，在电机3的侧边安装有控制电路5板，电磁离合器6的驱动盘轴连抽气装置7，辅设轴承座，在泵腔10的顶端与抽气装置7的进气口之间连接有引气管4，管路上设有电磁阀2与气压传感器，气压传感器位于电磁阀2与泵腔10顶端之间的引气管4路上。在出水管13上设有电磁阀1，在泵腔10的底部与进水管11处设有回流管14，方向水平。泵腔10的顶端还设有浮球开关12，在电磁离合器6吸盘的下方设有光电计速器8，用于采集电机3转速，机械结构中还有底座，用于固定。

图2 装置机械结构示意图（正视图与侧视图）

2.2 电子电路设计

电子电路承担着控制机械结构的职能，以Msp430F149为控制中心，其他模块有，电源模块，采集模块，报警模块，电磁继电器组模块，其中电源模块为220V交流转直流24V及24V直流转5V直流，24V供电电磁离合器，5V为其他模块供电。采集模块为液位采集及气压采集，采集泵腔中的液位与气压，报警模块为声光报警，通过单片机控制。电路原理连接如图3。

图3 电路原理连接图

2.3 软件原理

软件编写采用C语言，编写及编译环境采用IAR软件，软件的编写依照流程图，结合硬件电路，软件流程图如图4。

图4 软件流程图

3 实物组建

图5 装置外观图

实物组建参照图2进行，在电机上安装有电路模块，包括电源模块、单片机模块、电磁继电器模块，电路罩采用3D打印技术打印，安装于模块电路上。实物如图5。

4 自吸时间计算

自吸时间主要与待排气空间大小和抽气装置的抽气速率有关。

粗算本装置排气末期时，泵腔中的压强。

已知，大气压强为P0=1.01325×105Pa，水的密度为ρ=1×103Kg/m3，重力加速度g=9.8N/kg，抽水高度h=1.05m，忽略液体进入进水管，而导致的水源液面下降，设抽气末期泵腔压强为P1，结合图6，由公式P0-P1=ρgh，计算得P1=9.1035×104Pa，即液体充满泵腔时，抽气装置进气口的气压为9.1035×104Pa。

本装置中的抽气设备属于油封机械真空泵，而油封机械真空泵的实际抽速S随其入口压强的降低而降低［13］。研究其抽速特性曲线发现，其实际抽速Q与其名义抽速Q1的近似关系是Q=Q1/M，式中系数M在不同压力区间的取值如表1［13］。

表1 系数M在不同压力区间的取值

结合计算可得出，当抽水高度在1.05m的范围内时，抽气设备的抽气速率比较恒定且可取名义抽速。

根据公式［14］

计算自吸泵自吸时间。

式（1）中：V1为所需抽气的管道和泵壳内气体总体积（m3）；S为管道的水平截面积（m2）；H1为1个标准大气压强下的水柱高（m）；H2为抽水末期管内压强下的水柱高（m）；K为考虑漏气损失的备用系数，取K=1.6；T为抽气所需时间（s）；Q为单位时间内以压强P通过抽气装置进气管截面的气体体积（m3/s）。

在式（1）中，包含了管道水平截面积S这一项，本设计装置中，水管与泵腔的截面积不同，不能直接采用本公式计算，采用以下分段计算的方式计算抽气时间［14］。其中S1、S2为截面积不同的管道。

自吸泵的泵腔形状非规则，通过向泵腔注水，测水的体积确定泵腔容积，同时为计算方便，对泵腔与进水管进行了等体积代换，代换如图6，从左到右依次为代换图，3与2的区别在于将泵腔放置与进水管的上方，此做法与2相比忽略泵腔中空气质量带来的重力（经计算其值微小可忽略）而只考虑泵腔中空气的压强，做3的代换主要为适应以上的自吸时间计算公式，所有的代换的前提为泵腔与水管的相对竖直高度和小于当地一个大气压下的水柱高。

图6 泵腔等体积代换图

垂直水管的截面积

泵腔的形状不太规则，下半部分与上半部分相差较大，为简化计算，泵腔的水平截面积，用泵腔的容积除以泵腔的高度得

各压力下需要抽气的容积为

不同截面积下对应的水柱高

抽气装置的名义抽速为3.6m3/h，

采用式（2）计算液体填满进水管所用的时间

液体填满泵腔所用的时间

所以自吸时间T=T1+T2=2.9s

通过实验测试自吸时间，同时与理论计算进行比对，实验中通过改变进水管的容积（泵腔容积不变），进行多组数据比对。

理论与实测数据的差异主要来源有以下几方面：

1）液体在进入装置时，会引起水源液面下降，则液面到泵腔进水口的距离变大，所要抽气的体积变大，实际自吸时间变长。

表2 自吸时间的理论与实验值

2）抽气装置与泵腔之间的连接管，对气体流动具有阻力，当吸气速率很大时，会有压力损失，相关资料称其为流阻［15］。

3）抽气装置的结构采用油封旋片式，其本身的泵油内泄、油膜间隙的回气通道和油蒸汽的返流都会降低抽速，而其中的油蒸汽返流是造成抽速大幅度下降的主要根源［15］。

4）对泵腔体积进行模拟代换，这部分为简化计算，实际情况较为复杂，存在理论计算与实际情况的差异。

5）大气通过各种真空密封的连接处，通过各种漏隙通道泄漏进入真空室的漏气，预估的漏气备用系数与实际漏气有差异［13］。

6）实际抽气过程中，抽气装置的抽气速率会随着进口压强的变化，抽气速率会有一定量的变

化［16］。

5 结语

本文采用微机控制、弱电控制强电，实现自吸泵启泵阶段的排气动作、正常输液动作及突发缺水情况的断电停泵动作，其在低温环境下的使用不受影响，提升了自吸泵的实用性。