在线分析样品处理技术中的多种泵类型及工作原理

样品系统所用的泵，其体积流量远小于工艺装置中所用的泵，泵送效率和动力消耗相对而言是不太重要的，而高可靠性、样品不受污染、耐腐蚀性则是重要的问题。样品系统中使用的泵有隔膜泵、喷射泵、膜盒泵、电磁泵、活塞泵、离心泵、齿轮泵、蠕动泵等多种类型。

一般来说，对于压力不大于0.01 MPa（G）的微正压或负压气体样品的取样需要使用泵抽吸的方法，使样品达到分析仪要求的流量，隔膜泵和喷射泵是常用的两种抽吸泵。在样品（包括气体和液体样品）增压排放系统中，常采用离心泵、活塞泵、隔膜泵、齿轮泵等进行输送，具体选型根据排放流量和升压要求而定。在液体分析仪的加药计量系统中，多采用小型精密的活塞泵、隔膜泵、蠕动泵等。在气液分离系统中，也可采用蠕动泵替代气液分离阀起阻气排液作用。

（1）隔膜泵

隔膜泵通过隔膜将泵的机械传动部分和润滑系统与样品隔离开来，增加或减小泵腔的体积，通过入口和出口止回阀的定位，迫使样品流体只朝一个方向流动。泵腔体积的增加或减小是通过偏心轮驱动轴来完成，而带连接杆的驱动轴与隔膜底部连接。隔膜泵工作时，通过机械冲程活塞或由连接杆移动，使软隔膜扩张和收缩来抽取气体。隔膜往复运动，当隔膜向下运动时，空腔的体积变大，入口止阀打开，出口止回阀关闭，允许工艺流体进入空腔。当隔膜向上运动时，空腔体积减小，入口止回阀关闭，出口止回阀打开，工艺气体从泵中排出。因为只有泵腔、隔膜和阀门与气体接触，故气体被污染的可能性很小。样品不会受到污染，选用合适的隔膜材料也可解决腐蚀性样品带来的问题，因此，隔膜泵是最适用于样品系统的泵。隔膜泵的工作原理示意图见图3.20，隔膜泵的结构见图3.21。

图3.20　隔膜泵工作原理示意图

图3.21　隔膜泵结构简图

隔膜泵中的止回阀和泵壳可由许多不同的防腐材料制成，包括不锈钢、合金钢以及各种氯聚合树脂。隔膜大多为圆形，由软金属片、聚四氟乙烯、聚氨酯或其合成橡胶制成，这类泵的维护量低，没有轴密封，需要定期对隔膜和止回阀进行更换，隔膜泵是无油泵，避免了油蒸气污染的问题。

（2）喷射泵

喷射泵也叫喷射器或空气吸气器，其工作原理基于伯努利效应。它是利用高速第二流体（水、空气或蒸汽，又称工作流体）在文丘里管中产生的低压把样品抽吸出来的装置。

喷射泵的结构如图3.22所示。以水、压缩空气、蒸汽作为动力，这些流体经喷嘴进入腔体，形成低压区，从而把低压样品吸入，再经扩压管中的喉管将混合流体升压后排出，控制第二流体入口压力，就能控制样品的吸入量。

图3.22　喷射泵（文丘里抽吸器）的结构(www.xing528.com)

喷射泵的工作原理是以伯努利方程为基础的。伯努利方程如下：

式中　P——第二流体的静压力；

ρ——第二流体的密度；

ν——第二流体的流速；

C——常数。

由流体流动的连续性原理可知，流体在管道内各点的流速必然随管道截面积的变化而变化。第二流体流经截面积小的管道处时，其流速必然增大，引起该处动压能ν2/2急剧增大。由伯努利方程可知，该处静压P急剧下降。当流速增大到其静压小于样品的静压时，样品便会被源源不断吸入，这样便实现了低压样品的抽吸取样。

喷射泵的体积小，结构简单，材质可用不锈钢、工程塑料或聚四氟乙烯。由于样品经过泵后与第二流体发生混合，因而喷射泵应位于分析仪之后。使用喷射泵需要注意的主要问题是分析仪之前的样品管线和部件必须严格密封，以防环境空气被吸入。

（3）蠕动泵

蠕动泵输送液体的原理是靠一对辊轮转动，挤压泵室的蠕动泵管排出液体，蠕动泵的结构通常由电机与泵头组成，泵头由转子和泵室两部分组成。转子和泵室之间是一根有弹性、耐腐蚀的泵管，泵转子分布有间隔均匀的辊轮，从转子向泵室方向挤压泵管，辊轮和泵室之间的泵管中，就会有一段段的液体，当新的一段液体从泵的一边进入泵中时，前一段的液体就会从泵另一边的出口排出。蠕动泵工作过程见图3.23。

图3.23　蠕动泵工作过程示意图

蠕动泵适用于输送液体，其输出脉动、不连续。蠕动泵是通过小内径、具有弹性的泵管来输送少量液体，包括浆液，都可以很容易地通过蠕动泵输送。蠕动泵是在线气体分析系统的样品处理系统的常用部件，主要用于气溶胶过滤器以及冷凝除湿器，收集冷凝液体并及时排放。其优点是可以及时将冷凝的液体排放，又可以保证被冷凝的气体管路的密封，能提供流动速率非常稳定、体积小而精确的样品。长期、连续的挤压很容易造成泵管的损坏，一般要求60天左右就要对蠕动泵的泵管进行预防性更换。如果液体中含有固体颗粒物，泵管的损耗会更加严重。蠕动泵是系统中维护量最大的部件。