一种电子液体泵
技术领域
本发明涉及液体泵领域，尤其涉及一种基于气压和传感器控制的电子液体泵。
背景技术
生产生活中使用的液体泵种类很多。根据工作原理可分为容积水泵、叶片泵、喷射式泵、水锤泵、气升泵(即空气水扬机)、螺旋泵、内燃泵等，其中容积水泵和叶片泵是主要的两种类型。【[1]刘家春，杨鹏志，刘军号，马艳丽.水泵运行原理与泵站管理[M].北京：中国水力水电出版社，2009：4-5.】。容积泵根据运动部件运动方式的不同又分为往复泵(分为活塞泵、柱塞泵)、回转泵(分为螺杆泵、齿轮泵、括板泵、径向柱塞泵、轴向柱塞泵)；根据泵的叶轮和流道结构特点的不同叶片泵又分为：离心泵、混流泵、轴流泵、旋涡泵、水环泵(即真空泵)。【[2]查森.叶片泵原理及水力设计[M].北京：机械工业出版社，1988：1-2.】
现有技术中液体泵多采用机械传动完成液体泵入泵出的目的，但现有技术中传统的机械液体泵对极小量液体、超缓流速、极大压强等应用领域常常束手无策，而且很难实现远程和自动化控制。
有鉴于此，如何设计一种电子液体泵，以消除现有技术中的上述缺陷和不足，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
为了克服现有技术中传统机械泵精密度低以及控制困难的技术问题，本发明的目的在于设计一种能精密控制液体流量的电子液体泵，通过精确调节气压提高了对液体泵出泵入控制的精密度以及简化控制操作。
为了实现上述发明目的，所述液体泵包括控制电路模块，所述泵体腔上包括贯穿所述泵体腔的第一气体管、第二气体管、第三液体管、液体排出口、第一传感器及第二传感器，所述液体泵还包括控制阀，所述第一传感器和所述第二传感器将检测信号传输至所述控制电路模块，所述电路模块根据接收的检测信号调节所述控制阀。
更进一步地，所述第一气体管、所述第二气体管的端口位于所述泵体腔的上半部分，所述第三液体管的液体入口端位于泵体腔的上半部分。
更进一步地，所述第一气体管呈倒L型或U型或其他弯折结构，且倒L型或U型端口朝上，所述第一气体管通过导入高压气体使泵内压强增大，从而排出泵体腔内液体，所述第一气体管的形式可以为多进一出或一进多出。
更进一步地，所述第二气体管呈倒L型或U型或其他弯折结构，且倒L型或U型端口朝上，所述第二气体管通过外加真空在泵体腔中产生负压，从而泵入液体，所述第二气体管的形式可以为多进一出或一进多出。
更进一步地，所述第三液体管用于将液体输入至泵体腔内，所述第三液体管呈L型或其他弯折结构，且端口朝下，所述第三液体管形式可以为一进多出或多进一出或多进多出。
更进一步地，所述泵体腔底部设一液体出口，且安装液体流量传感器。
更进一步地，所述第一传感器为气体压力传感器，用于检测泵体腔中气压，并将检测到的气压信号发送至所述控制电路模块。所述第一传感器位于泵体腔的顶部，或上半部、泵体设计最高液面以上任何适当位置。
更进一步地，所述第二传感器为气液体存在传感器，用于分辨周围环境为气体或液体，安装在所述第一气体管和所述第二气体管开口的下方，并将检测信号实时发送至控制电路模块，控制电路模块控制所述第三液体管上的所述控制阀。
更进一步地，所述控制阀包括控制所述第一气体管和第二气体管中气体流量的电动阀、第三液体管开关的电磁阀或电动阀以及液体排出口控制液体流量的电磁阀或电动阀。
更进一步地，所述泵体腔还包括一第三传感器，所述第三传感器为液体流量传感器，所述第三传感器安装在所述泵体腔下端一液体流出管道上。
与现有技术相比，本发明具有的优势：1)体积小，现代精巧的电子阀门技术使得此液体泵体积非常小，和需要处理的液体体积相当，可以安装到非常狭小的空间。传统种类的液体泵由于采用机械驱动，所以体积比较大。
2)全自动化，通过集成电路板实现远程控制和程序控制。传统的液体泵操作很多依靠继电电路甚至手动控制，一般自动化程度不高。
3)精度高，由电路板协调控制高精密的传感器对气体/液体的流入流出实时监控并调节流量，所以可以实现例如超大压强、超缓流速、超微体积等效果。传统的机械驱动泵很难实现类似的精确控制。
4)多种附加功能，如可以在高温或低温下运行，也可以对高污染、高放射的液体进行泵入或泵出。需要手动或近距离操作的传统液体泵不适合这类工作。
5)对生物样品和凝胶类没有破坏性。如果需要泵入泵出的液体是活生物或其他颗粒悬浮液，使用传统设计的泵会破坏颗粒的完整性，而本案的设计没有破坏性的机械碾压、剪切力或高湍流等。
6)适用范围广，可以混入多种气体、液体，可用于医药领域，也可用于实验、环境保护等领域。传统的泵种类繁多，就是为适应不同需要而设计的结果，所以针对不同要求，要是用不同种类的泵。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图得到进一步的了解。
图1是本发明所提供的电子液体泵的结构示意图；
图2是本发明所提供的中部设有开口的小型电子液体泵的结构示意图；
图3是本发明锁提供的侧面设有开口的中型或大型电子液体泵的结构示意图；
图4是基于气压由传感器控制的电子液体泵控制流程图。泵循环往复工作，每个循环分四个步骤。
【符号说明】
1-电动阀；2-电磁阀；21-真空气体管；22-高压气体管；23-第三液体管；24-液体排出管；31-气压压力传感器(第一传感器)；32-液体存在传感器(第二传感器)；33-液体存在传感器(第二传感器)；5-液体流量传感器(第三传感器)
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
在以下具体实施例的说明中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“轴向”、“径向”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
在以下具体实施例的说明中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的规定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。其中，对部分术语解释如下：
一进多出是指：所述液体排出管形式可以为一根管道在进入泵体腔前分开成多个子管，连接泵体腔的不同位置开口；
多进一出是指：多根管道在进入泵体腔前汇聚，连通泵体腔上的同一个出口；
多进多出是指：多根管道中的一部分在进入泵体腔前汇聚或者分流，汇聚、分流或不汇聚、不分流的管道连接泵体腔上的不同出口。
下面结合附图1-3详细说明本发明的具体实施例。
本发明提供的基于气压由传感器控制的电子液体泵工作原理：通过抽取泵腔内的气体，吸入所需液体，封闭泵腔后再压入高压气体将液体泵出。整个过程精密度的控制在于气体压力传感器和液体存在传感器检测泵体腔内部的气体压强和液体体积(液面所在位置)，并将其转换成电信号，并将检测信号传递至控制电路模块，控制电路模块根据检测到的信号发出指令，控制各个控制阀，从而实现气体和液体泵入泵出的自动化以及精密控制、计算。
电子液体泵包括泵体腔以及控制电路模块，泵体腔包括贯穿所述泵体腔的连接真空的第二气体管是气体排出管21、连接高压气体的第一气体管是气体进入管22、吸入液体的第三液体管是液体进入管23、以及排出液体的液体排出管24、第一传感器(气压压力传感器)31及第二传感器(液体存在压力传感器)32和33、第三传感器(液体流量传感器)5，所述液体泵还包括流量调节的电动阀1以及开关功能的电磁阀2，所述第一传感器31和所述第二传感器32将检测信号传输至所述控制电路模块，所述电路模块根据接收的检测信号调节所述流量调节的电动阀1和开关功能的电磁阀2，从而实现气体和液体泵入泵出的精密控制。
泵体腔包括贯穿所述泵体腔的连接真空的气体排出管21用于产生负压，从而该负压是将液体泵入泵体腔的动力，也即真空气体管21；连接高压气体的气体进入管22用于产生正压，该正压是将液体排出泵体腔的动力，也即高压气体管22。
真空气体管21和高压气体管22均位于泵体腔的上半部分，其中真空气体管21和高压气体管22的结构可以选择设计为倒L型、U型或其他弯折形态，其中真空气体管21和高压气体管22贯穿泵体腔，真空气体管21和高压气体管22位于泵体腔内部的端口朝上。这样避免泵入液体后，液体流入、阻塞真空气体管21和高压气体管22。真空气体管21和高压气体管22位于泵体腔外部的端口附近安装有流量调节功能和开关功能的电动阀1，用于控制流入泵体腔和流出泵体腔中的气体流量。其中，用于调节气体(包括真空)流量的流量调节的电动阀1可以包括闸阀、挡板阀、塞阀、旋转阀、滑阀、蝶阀、挤压阀、薄膜阀和缸式阀等等，可以接收控制电路模块的指令，通过电子信号控制电动阀1的开闭以及气体流量大小和真空强度。
真空气体管21的在泵体腔内的开口(连接真空泵或其他产生低气压的装置)可以是一个或多个，真空气体管21可以设计为一出多路或多出一路或多出多路。多个真空出口可以使泵内迅速减压时压力分布更均匀，尤其是泵体腔容积较大时需要考虑选择多个真空出口；而离泵后分流可以实现实时气体采样等辅助功能，从而实现例如对挥发性液体成分的分析等。真空气体管21开闭以及开启的大小由流量调节的电动阀1调节。电动阀1的数量可以选择一个或多个，具体数量和位置依实际需要而定。
高压气体管22的入口可以是一个或多个，也可以采用一进多出(主管分流后在泵体壁上有多个出口)或多进一出(不同气体在进入泵体前混合)。在需要混合气体时也可以采取多进多出(有的气体在进泵前混合，有的气体在泵腔中混合)的方式。高压气体管22的开关和流量由流量调节的电动阀1控制和调节。流量调节的电动阀门1的数量可以是一个或多个，具体的数量和位置依实际需要而定。
液体进入管23贯穿泵体腔，液体进入管23可以设计为倒L形或U形，倒L形或U形弯折部分位于泵体腔的内部，且弯折部分开口朝下，泵体腔内部的开口位于泵体腔的侧壁中部偏上位置，同时位于真空气体管21和高压气体管22的下方。当然，弯折形状不限于上述的倒L形或U形，可以是任何弧形或角度弯折。液体进入管23位于泵体腔外侧的入口端设置一开关功能的电磁阀2。
根据不同的应用场景，液体入口可以是一个或多个。此液体为需要泵入的目标液体。液体入口可以是一进多出，即泵体腔壁上采用多开口，从而使液体流入放缓，避免激射。缓缓沿腔壁流入有助于保护样品，免受机械损伤。在需要混合液体时可以采取多进一出或多进多出。这样多种液体可先后混合并同时泵入。
液体排出管24位于泵体腔的底部。根据不同的应用场景，液体出口可以是一个或多个。可选择一出多路，便于同时采集用于不同用途；也可采取多出一路或多出多路，多个均匀分布的出口可以减小泵体腔底部湍流，实现保护样品的功能。必要时可以安装防倒流装置。液体的开关由电磁阀2控制。电磁阀门的数量可以是一个或多个，具体位置依实际需要而定。
其中，开关控制功能的电磁阀2，电磁阀2可以采用任何方式的机械设计，例如可以选择直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构等等，可以接收控制电路模块的指令，通过电子信号控制电磁阀2的开关。
第一传感器31为气体压力传感器，气体压力传感器31设置在所述泵体腔的顶部，灵敏感受泵体腔中的气压。气体压力传感器31检测泵体腔内部气压，并将检测的信号发送至控制电路模块，控制电路模块进而发送指令给电动阀1进行开闭和调节流量的控制，并发指令给电磁阀2适时开闭。首先是控制真空气体管21的电动阀打开，当气压低于所需阈值后，控制液体进入管23的电磁阀2即行打开，液体开始泵入；泵入过程中气压保持在固定值，根据传感器信号调节真空流量。液体需要排出时，首先是控制高压气体管22的电动阀打开，当气压升到所需阈值后，控制液体排出管24的电磁阀2即行打开，液体开始泵出；泵出过程中气压保持在固定值，根据传感器信号调节气体流量。
第二传感器32和33为检测周围环境是气体还是液体的传感器。第二传感器(液体存在传感器)32和33可以是采取测量电阻变化(resister)，电感变化(electrically-induced)、电容变化(electric capacity)、霍尔效应(Hall)、光电效应(photoelectricity)、压电效应(piezoelectric)、热电效应(thermoelectric)、位移变化(Displacement variation)、温度变化(barometer)，透光率变化(photometer)，氧化还原电位(oxygen electrode)、电化学反应(electrochemical)等方式。该传感器通过测定上述物理参数确定周围环境是否是液体。比如基于电阻变化的传感器，其位于泵体腔中的两个金属电极之间的阻值在空气中和在浸没在液体中时会明显不同。
所述第二传感器32和33安装在泵体腔的下半部分，也即所述气体进入管和气体排出管开口的下方。液体存在传感器32位于泵体中下部，其功能是确定泵体腔中液面的位置，从而界定该泵一次吸入液体时的最大液体体积；其位置低于泵体腔体内液体进入管23开口的位置，在达到所需液体体积时关闭液体入口电动阀2。液体存在传感器33位于泵体腔的底部，其功能是确定泵体腔中液面的最小值。在液面低于液体存在传感器33后关闭位于液体排出管24的电动阀2。上面的第二传感器32确定泵体腔内允许的最大液体高度，下面的第二传感器33确定泵体腔内最小液体量，防止泵体腔内液体被抽干。上述两个第二传感器32和33将检测信号实时发送至控制电路模块，控制电路模块控制液体进入管23上的所述控制阀2和液体排出管24的控制阀的开关。从而界定液体往复泵入泵出时，每次通过泵体的液体体积。
若实际中，仅需实现传统的注射器泵(syringe pump)的功能,只进行一次泵入泵出，无需循环往复，则设计中可以省略泵体腔底部的液体存在传感器33。本领域技术人员可以根据实际需求考虑液体存在传感器是否安装。
更优的实施例可以在液体泵的泵体腔底部设计液体流量传感器5，其中液体流量传感器5可以选择一个或多个。由于用于驱动液体流动的气体具有可压缩性，而液体没有，所以在小型和微型液体泵上，气体可压缩性对泵的表现影响相对较弱，可不需使用液体流量传感器5；而处理大量液体的时候，气压控制难度增大，在出口处使用液体流量传感器5有助于液体泵出的精密控制。
泵体腔可以由任何能够承受足够正压和负压的材料构成，例如能承受较大压力的不锈钢，相对柔软的铝合金，硬度更低的各种合成材料等。一般而言，硬度低的材料质地轻且便于加工。选择时只要能承受该泵的设计压力就可以。泵体腔的形状可以设计为柱形、棱柱形、球形、椭球形、立方形、锥形、菱形、圆盘形等任意三维几何形体。若有保温、屏蔽或防腐等需要时，可以采用双层、多层和夹层结构。若需要实时观测泵内液体情况，可采用透明材质，或者在泵体上开透明窗的方式。
为了方便打开进行内部清洗和维护，小型泵可以在中间设定丝扣或O形密封圈加外部螺栓和其他适当方式锁定；大型泵可以采用侧壁或任何适当位置开窗，窗口加密封圈并在外部由螺栓、抱闸等方式锁定，以便于内部清洗和维护，大型泵液体排出管24可以设置。
所有涉及到的气体压力传感器、液体存在传感器、液体流量传感器等都将检测信号传递到控制电路模块(图中未标出)。控制电路模块根据需要对各个电动阀门和电磁阀门进行控制、调节。控制电路模块可独自运行，也可连接电脑或其他终端设备，从而获取指令并输出工作状态。
泵体腔内还可根据需要安装其他辅助设备，如温度计，配合外部的加热或制冷系统控制泵体温度；或者紫外线装置，可以实现自动消毒等功能。
上述基于气压由传感器控制的电子液体泵控制流程。泵循环往复工作，每个循环分四个步骤，电子液体泵的工作流程如下：
主要分为四步，S1：建立负压；S2：泵入液体；S3：建立正压；S4：泵出液体。
S1：建立负压：
S101：确认泵体腔各个阀门，尤其是液体排出管电磁阀处于关闭状态。
S102:主控电路板发送指令，打开气体排出电动阀；
S103:气体压力传感器检测气体压力数据；
S104：主控电路板根据接收到气体压力数据对气体排出电动阀进行控制，使泵内负压不断增大直到阈值。
S2：泵入液体
S201：主控电路板接收到泵内负压达到阈值后，打开液体进入电磁阀，开始泵入液体；
S202：主控电路板继续接受上述气体压力传感器的数据对气体排出电动阀进行控制；
S203：主控电路板不断调节气体排出电动阀的工作状态，保证泵内负压维持不变；液体不断泵入泵体腔。
S204:液体存在传感器32探测到液面位置达到最大值。
S3：建立正压
S301：主控电路板接收液体存在传感器32的数据，关闭液体进入电磁阀，液体泵入终止；
S302：主控电路板判断接收到的气体压力数据是否为阈值；
S303：主控电路板下发指令，关闭气体排出电动阀并打开气体进入电动阀；
S304：主控电路板检测增高泵内不断增加的气压正压值直到阈值。
S4：泵出液体
S401：主控电路板检测下发指令打开液体排出电磁阀；
S402：主控电路板实时接收气体压力传感器数据信息；
S403：判断接收到的气体压力数据信息是否达到设定的阈值；若上述步骤中检测到的数值达到了设定的阈值，则主控电路板会调节气体电动阀的大小，保证泵内正压维持不变；
S404：主控电路板实时接收液体存在传感器检测的数据，判断液面是否已经达到最小设定值，若达到最小设定值则关闭液体排出电磁阀，开始一个新的循环。
本发明提供的技术方案具有广泛的市场应用前景。在需要处理少量和微量液体，并需要特别高压的液流或超缓慢液流的生物医药领域尤其如此，势必将取代目前市场上广泛应用的的注射泵和蠕动泵等泵种。这些已有泵种体积大，不便于操作和运输；注射泵无法往复循环使用；蠕动泵产生波动液流，且可控性差。它也适合需要准确计量液体体积的常量和大量液体处理，以及高危险性的具有毒性、放射性液体的处理，便于实现远程控制和自动控制。
本发明相较于现有技术的优势在于：1、液体泵入泵出时操作简便，只要对控制电路模块发出指令，即可以实现液体的自动泵入泵出；2、在控制液体泵入泵出时，控制精度高，通过各个传感器对气压和液体的流入流出实时监控并将信号传输至控制电路模块，进而控制各个控制阀实现流量的调节；3、体积小，并适合陪陪多种附加功能，可以对泵体加热、冷却、消毒等；4、由于容易远程和程序化作业，方便处理高污染、高放射的液体；5、本申请中的液体泵适用范围广，可以实现多种气体、液体的混入，也可用于医药、实验、环境保护等领域。
如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中即可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
