Il compromesso tecnico dietro portata, pressione e rumore

Flusso, pressione e rumore rappresentano tre punti di vista di un compromesso anziché tre caratteristiche indipendenti. In una micropompa volumetrica il valore della portata assume una velocità, il valore della pressione presuppone un carico e il valore del rumore assume una distanza e un peso. Muovine uno qualsiasi e gli altri due cambieranno.

Cosa copre questa analisi

Legge i dati pubblicati per SC2201RPW e SC2301CPW come condizioni piuttosto che promesse, con l'unità e il test dietro ciascuno di essi.

Inserisce un numero sulle due cose tralasciate da una breve scheda tecnica: potenza in ingresso attraverso le varianti di tensione e potenza idraulica nel punto di lavoro pubblicato.

Normalizza due figure di rumore che portano la stessa etichetta 60 dB ma che sono state misurate a distanze diverse.

Stabilisce cosa contiene un test di durata e una routine da banco a quattro strumenti che riproduce ciascuna curva.

Vai a- 1 Inizia con il punto di lavoro|2 Portata e pressione sono pubblicate separatamente|3 La forma della curva|4 La tensione è il terzo asse|5 Dove vanno i watt|6 Rumore: un numero, tre condizioni mancanti|7 La corrente nominale non è la corrente di avviamento

Vai a (continua)- 8 La temperatura sposta l'intera curva|9 Cosa contiene un numero di durata della vita|10 La mappa dei trade-off|11 Verifica al banco|12 Domande sul campo|Riferimento rapido

1. Inizia con il punto di lavoro, non con i numeri

Un punto di lavoro è una combinazione di portata, pressione, tensione e ciclo di lavoro alla quale la pompa deve funzionare. Ogni valutazione pubblicata descrive uno di questi punti o una fascia, quindi un valore citato senza le sue condizioni non può essere confrontato con nessun altro valore, incluso un altro valore per la stessa pompa.

Tabella 1. I dati pubblicati per due famiglie di pompe e la condizione assunta da ciascuna

Non c'è nessuna curva da nessuna parte in quell'elenco. Ogni riga è un punto, una fascia o un soffitto e l'ultima colonna è l'unica cosa che rende utilizzabile una riga. Un parametro di prestazione di una micropompa senza quella colonna è un numero di marketing: sopravvive alla quotazione e non supera il confronto.

Nota sul campo: quando un fornitore cita una portata o una cifra di rumore, chiedere le tre condizioni dietro di essa: il carico, la distanza e la temperatura del fluido. Una figura che arriva con le sue condizioni allegate può essere controllata su una panchina; uno che non può essere controllato affatto.

2. Portata e pressione vengono pubblicate separatamente

Il flusso e la pressione vengono misurati alle estremità opposte della stessa curva, quindi una scheda tecnica che li elenca entrambi descrive due banchi di prova. La cifra del flusso proviene da uno scarico aperto o leggermente caricato; il valore della pressione proviene da una linea ristretta dove il flusso è già diminuito.

Figura 1. Le due bande pubblicate su una coppia di assi. L'ombreggiatura è quanto riportato nelle schede tecniche; lo spazio tra le bande non viene pubblicato come curva misurata.

Leggi la Figura 1 come una mappa dei sinistri, non una mappa delle prestazioni. Le bande corrispondono alle dichiarazioni pubblicate: pari o superiori a 100 ml/min con una pressione di esercizio compresa tra 40 e 150 kPa per il modello a 24 V e 20-50 ml/min con almeno 6 psi per le varianti a bassa tensione. Un circuito che richiede 100 ml/min contro 120 kPa richiede a una pompa di posizionarsi nella parte superiore di entrambe le bande contemporaneamente.

Perché la cifra del flusso è minima

Entrambi i valori del flusso sono fasce perché il flusso è impostato dallo spostamento per passaggio e dalla velocità. Un minimo significa che la pompa non scenderà al di sotto di tale valore alla tensione dichiarata con un carico leggero; ciò non significa che la pompa mantenga il flusso una volta aumentata la resistenza del circuito.

Perché la figura della pressione è una fascia

I valori di 40-150 kPa descrivono un intervallo di lavoro, non un picco. Il flusso diminuisce quando il carico sale tra le due estremità. Per le varianti a bassa tensione, "almeno 6 psi" è un valore minimo anziché una banda e deve essere letto come l'affermazione più debole.

L'unico numero che li collega

Flusso e pressione diventano un'unica curva solo quando con loro arriva una terza figura: lo scivolamento. Il flusso a una data velocità è pari allo spostamento meno tutto ciò che fuoriesce dall'elemento di tenuta. Lo scivolamento è piccolo mentre l'elemento di tenuta regge e cresce rapidamente quando non lo fa, e quel ginocchio è dove termina la gamma utilizzabile. È anche la figura più spesso assente in una breve scheda tecnica.

3. La forma della curva in una pompa volumetrica positiva

Una micropompa volumetrica mantiene il flusso quasi piatto quando la pressione aumenta, quindi lo perde rapidamente una volta che lo scorrimento supera lo spostamento. Il ginocchio, non l'uno o l'altro punto finale, decide se un circuito della stampante funziona e la posizione del ginocchio dipende interamente dall'elemento di tenuta.

Tabella 2. Da dove proviene il ginocchio in ciascuna famiglia di pompe

La conseguenza pratica è che una descrizione della curva copre due diverse durate di servizio. La curva delle prestazioni di una pompa peristaltica è stabile finché il tubo non invecchia, poi cambia forma rapidamente e può essere ripristinata con un materiale di consumo. La curva di una pompa a ingranaggi varia con la temperatura e l'usura e la parte soggetta ad usura è la pompa stessa.

Il comportamento di scivolamento a livello di componente è trattato nel nostroProfilo mandata pompa ad ingranaggi SC2301CPW, e il lato del tubo dello stesso compromesso nel nostroControllo pompa peristaltica SC2201RPWguida.

4. La tensione è il terzo asse della stessa curva

La tensione non aggiunge capacità a una pompa fissa; muove l'intera curva e con essa la corrente. Nelle varianti SC2201RPW, la corrente nominale aumenta da meno di 100 mA a 3 V a meno di 160 mA a 8 V, quindi la variante con la tensione più alta è anche quella che immette più calore nell'involucro.

Tabella 3. Corrente nominale nelle varianti di tensione pubblicate e potenza in ingresso che implica

La terza colonna rappresenta la tensione moltiplicata per la corrente nominale, quindi si tratta di un limite superiore anziché di un assorbimento misurato. Mostra ancora la forma del compromesso: da 3 V a 8 V la tensione aumenta di un fattore 2,7 mentre la potenza in ingresso aumenta di 4,3 e la corrente aumenta solo di 1,6. La corrente che cresce più lentamente della tensione è l'aspetto di un avvolgimento limitato dalla propria temperatura, ed è per questo che la variante da 8 V è più calda della variante da 3 V mentre entrambe guidano lo stesso tubo.

Figura 2. Corrente nominale per ciascuna variante di tensione pubblicata, con la potenza in ingresso che implica. I valori sono calcolati in base ai valori di tensione e corrente pubblicati, non misurati.

Per un costruttore di stampanti questo è un argomento a favore del controllo della corrente piuttosto che del controllo della tensione: far funzionare la variante da 8 V con un ciclo di lavoro del 60% dà all'incirca il flusso di un'impostazione media con un ingresso medio più vicino alla cifra di 5 V, e sia il motore che il tubo funzionano a temperature più basse. Il tempo di ciclo e il servizio minimo sono valori del firmware e sono documentati per le uscite commutate di Klipper. Se un'uscita della scheda madre può sopportare i transitori anziché la media viene elaborata nel nostroadattamento della tensione e della corrente della pompa della scheda madreguida.

5. Dove vanno i Watt

La potenza idraulica è una piccola frazione della potenza in ingresso in una micropompa. Al punto di lavoro pubblicato di 24 V, 100 mL/min contro 150 kPa, il fluido riceve circa 0,25 W da un ingresso fino a 4,80 W, quindi il caso migliore è circa il 5% dell'ingresso elettrico e tutto il resto diventa calore, rumore e perdite interne.

Tabella 4. Produzione idraulica rispetto all'assorbimento elettrico, calcolata in base ai dati pubblicati

Seguono due conclusioni. Una micropompa è una fonte di calore tanto quanto un motore di fluido, motivo per cui la temperatura dell'involucro è un parametro prestazionale piuttosto che un dettaglio ambientale. E il controllo del rumore e il controllo termico sono un problema, perché l’energia che non raggiunge mai il fluido deve andare da qualche parte.

L'aritmetica è un limite e non una misura. Entrambi i valori di portata sono minimi, quindi la quota idraulica reale è inferiore e notevolmente inferiore in un circuito che funziona ben al di sotto della pressione nominale.

6. Rumore: un numero, tre condizioni mancanti

Una figura di rumore non significa nulla senza la sua distanza, la sua ponderazione in frequenza e il suo carico. Entrambe le pompe di questa serie pubblicano un limite massimo di 60 dB, ma una è misurata a 30 cm e l'altra a 50 cm, il che rende la cifra di 50 cm la misurazione più silenziosa delle due.

Figura 3. Due massimali di rumore pubblicati rilevati a due distanze di misurazione, con il valore di 30 cm riferito a 50 cm per il confronto.

La pressione sonora diminuisce di circa 6 dB ogni volta che la distanza raddoppia, quindi la conversione tra due distanze significa applicare un rapporto di 20 log anziché sottrarre due numeri grezzi. Riferito a 50 cm, il dato di 30 cm diventa di circa 55,6 dB; riferito a 30 cm il valore di 50 cm diventa circa 64,4 dB. Le etichette pubblicate sono identiche e le misure no.

Due ulteriori condizioni mancano da qualsiasi cifra in dB. La ponderazione è importante, perché i dB(A) filtrano lo spettro per adattarlo all'udito, mentre una cifra grezza in dB conta anche l'energia a bassa frequenza che la custodia della stampante assorbe in modo diverso; la specifica del misuratore dietro quel filtro è IEC 61672-1. Anche il carico conta, perché il rumore aumenta con la velocità e le indicazioni del produttore collocano una pompa micro peristaltica con carico leggero nella regione dei 30-50 dB.

Controllo del rumore della pompa a ingranaggi: quattro percorsi per lo stesso reclamo

Tabella 5. Meccanismi di rumore nel circuito del fluido della stampante e a cosa risponde ciascuno

Leggere la tabella al contrario a partire dal sintomo: un segnale acustico che segnala la velocità è meccanico o elettrico, un sibilo che segue il flusso è idraulico e un picco che appare solo una volta montata la pompa è strutturale.

Le letture di rumore, corrente e pressione significano qualcosa solo quando provengono dallo stesso impianto, con lo stesso fluido e la stessa distanza. Se la pompa viene scelta rispetto a una fascia anziché a un punto, inviare il disegno del circuito, il fluido e lo schema di funzionamento tramite il nostrorichiesta di preventivo immediatoe confermeremo il punto operativo che gli viene effettivamente richiesto di mantenere.

7. La corrente nominale non è la corrente di avviamento

La corrente nominale pubblicata per una pompa dell'acqua per stampante 3D descrive un funzionamento costante con il carico dichiarato. Un motore CC con spazzole assorbe più volte tale valore nei primi istanti dopo l'accensione, e ancora di più se il rotore viene trattenuto, quindi un'alimentazione dimensionata solo in base alla potenza si abbasserà all'avvio e si presenterà come un guasto del fluido.

Tabella 6. A cosa si applica ciascuna figura elettrica

Per questa serie la cifra pubblicata è un limite massimo di corrente costante: sotto 100 mA, 120 mA e 160 mA per le tre varianti a bassa tensione, e 200 mA o meno a 24 V, che il produttore dichiara come inferiore a 5 W. Nessuno di questi numeri descrive il transitorio di avvio e nessuno è una valutazione del driver.

La prova pratica è una partenza a freddo. Adescare il circuito con fluido alla temperatura che la macchina vedrà in una mattina d'inverno e osservare il binario di alimentazione mentre la pompa accelera. Una guida che si abbassa abbastanza da ripristinare il controller significa che l'azionamento è dimensionato in base alla potenza nominale anziché al transitorio e il sintomo che segue, una pompa che non si adesca, appartiene al sistema elettrico piuttosto che al sistema dei fluidi.

8. La temperatura sposta l'intera curva

La viscosità è la variabile che sposta la curva della pompa tra due giorni di stampa. L'acqua scende da circa 1,00 mPa*s a 20 C a circa 0,55 mPa*s a 50 C, quindi la stessa pompa scivola di più in un circuito caldo e muore di più in uno freddo: due guasti opposti con due soluzioni diverse.

Tabella 7. Viscosità dell'acqua nell'intervallo operativo pubblicato e cosa cambia

Dalla stessa tabella conseguono due comportamenti. Sul lato ingranaggio, il fluido più fluido riduce l'effetto di tenuta sui giochi, quindi l'efficienza volumetrica diminuisce nel momento in cui il circuito è più difficile da spingere, motivo per cui il volume erogato appartiene a un registro accanto alla temperatura anziché al tempo trascorso. Sul lato peristaltico, l'occlusione imposta lo spostamento, quindi la viscosità sposta a malapena la figura del flusso ma aumenta la coppia che il motore deve fornire e il tubo trasporta quel carico sotto forma di calore e scorrimento.

Il secondo effetto si trova all'estremità di aspirazione. La pressione del vapore aumenta rapidamente con la temperatura - circa 2,3 kPa a 20 C contro circa 12 kPa a 50 C - quindi una linea di aspirazione fissa ha meno margine nella parte superiore dell'intervallo che nella parte inferiore e un circuito che si adesca in modo pulito quando è freddo può cavitare quando è caldo senza alcuna modifica.

9. Cosa contiene un numero di durata della vita

Un conteggio ciclico è un rapporto di prova piuttosto che una previsione. I 600.000 cicli pubblicati per le varianti a bassa tensione provengono da uno schema di pompaggio dell'acqua di 5 s acceso e 3 s spento all'interno di una finestra da 0 a 50 C, ovvero circa 1.300 ore di funzionamento - e lo schema è inseparabile dal numero.

600.000 cicli da 8 secondi ciascuno equivalgono a circa 1.333 ore. Con quattro ore di pompaggio al giorno, ovvero 1.800 cicli al giorno e circa 330 giorni di stampa; a otto ore al giorno, circa 165 giorni. Il numero non è cambiato, il dovere sì, ed è per questo che i test sulla durata della micropompa devono essere citati con il loro schema.

Tabella 8. Dati sulla resistenza per la stessa piattaforma di pompaggio e condizioni ad essa collegate

La terza riga è quella utile, perché è l'unica riga volutamente vaga. Nell'ambito di una gamma di pompe, lo stesso motore può durare alcune centinaia di ore in un servizio caldo e abrasivo e diverse migliaia in un servizio pulito e freddo, quindi una singola cifra oraria citata non fornisce quasi alcuna informazione. Un conteggio di cicli con uno schema di funzionamento e un fluido denominato è una misurazione; la durata della vita in anni è un'ipotesi con un punto decimale.

10. La mappa dei compromessi

Ogni aggiustamento che migliora una cifra pubblicata ne spende un'altra. La velocità acquista flusso e spende corrente, calore, rumore e vita del tubo; una linea più stretta acquista la risoluzione di misurazione e spende il margine di pressione; un modello di servizio più delicato acquista vita e spende produttività.

Tabella 9. Quale leva muove quale figura e quanto costa

Nessuna singola impostazione migliora il flusso, la pressione, il rumore e la durata insieme e una specifica che sembra offrirli tutti e quattro è il confronto di quattro diverse condizioni di test anziché di una pompa. La domanda utile non è quale pompa sia la migliore in astratto, ma dove una determinata pompa si trova su questa tabella per un circuito particolare, e questa è una misurazione da banco.

11. Verifica al banco: quattro strumenti, quattro numeri

Riprodurre la curva con quattro strumenti: un cilindro graduato o scala da 0,1 g, un manometro in linea nel punto di utilizzo, una pinza amperometrica con portata CC e un fonometro. Leggili tutti e quattro con lo stesso comando, fluido e temperatura, e registrali insieme.

Tabella 10. Cosa deposita ogni strumento e la trappola accanto ad esso

La routine è breve. Registra le quattro letture su un ciclo caldo e di nuovo su uno freddo e i due set diventano due punti su una curva, che è l'unico modo per costruire una curva da un foglio dati che pubblica gli endpoint. Quindi ripetere con una linea di scarico più lunga o più stretta: se il flusso scende oltre quanto consentito dal margine di pressione, il circuito richiede più di quanto supportato dalla fascia pubblicata e la soluzione è il layout piuttosto che una pompa più grande.

I difetti che compaiono durante le misurazioni stesse sono oggetto del nsGuida alla manutenzione del sistema dei fluidi della stampante 3D, e la disciplina di misurazione corrisponde alla nostraroutine di ispezione e verifica del flusso.

Nota sul campo: la guida al test del produttore per una pompa dell'acqua CC consiste nel variare la lunghezza e il diametro della linea di scarico e confermare che le letture rimangano all'interno della banda pubblicata. Una lettura valida solo con una lunghezza di tubo è un risultato dell'impianto piuttosto che un risultato della pompa.

12. Domande sul campo

Quale portata dovrei aspettarmi da una pompa dell'acqua per stampante 3D alla pressione di esercizio?

I dati pubblicati descrivono condizioni separate: 20-50 ml/min per le varianti a basso voltaggio e 100 ml/min o più per il modello a 24 V, con pressione misurata rispetto a un carico. Aspettatevi che il valore di lavoro si trovi tra queste affermazioni anziché su entrambe le estremità e confermatelo sul vostro ciclo alla temperatura di funzionamento della macchina.

Quanta corrente assorbe la pompa dell'acqua della stampante da 24 V?

Il modello a 24 V è pubblicato a 200 mA o meno, che il produttore dichiara inferiore a 5 W. Si tratta di un valore stabile alla tensione nominale durante il pompaggio dell'acqua. I transitori di avvio e di stallo assorbono di più, quindi il driver, il connettore e il fusibile devono essere dimensionati in base al transitorio anziché al valore nominale.

Perché due pompe con potenza nominale pari a 60 dB emettono un suono diverso sulla stessa macchina?

Poiché la distanza di misurazione è diversa. Un valore preso a 30 cm riferito a 50 cm diventa circa 55,6 dB, mentre un valore preso a 50 cm riferito a 30 cm diventa circa 64,4 dB, quindi le due etichette descrivono misure distanti circa 9 dB l'una dall'altra.

Una tensione più alta significa sempre più flusso?

All'interno di una famiglia, una maggiore tensione aumenta la velocità e il flusso e con esso aumenta la corrente e il calore: le varianti pubblicate passano da meno di 100 mA a 3 V a meno di 160 mA a 8 V e la potenza in ingresso aumenta più velocemente della tensione. Non esiste un confronto tra le famiglie, perché un modello a 24 V ha un design idraulico diverso.

A quante ore corrispondono 600.000 cicli?

Circa 1.333 ore, perché un ciclo a 5 secondi acceso e 3 secondi spento dura 8 secondi. In termini di calendario si tratta di circa 330 giorni con quattro ore di pompaggio al giorno e circa 165 giorni con otto ore al giorno.

Posso scegliere tra una pompa a ingranaggi e una pompa peristaltica solo in base alla cifra di rumore?

Non solo sulla cifra. Normalizzare prima la distanza e la ponderazione, quindi confrontare alla stessa velocità e carico, quindi chiedere se il meccanismo è importante: un impulso di occlusione del rullo e un tono di mesh dell'ingranaggio occupano parti diverse dello spettro e rispondono a correzioni diverse.

Riferimento rapido: lettura della scheda tecnica di una micropompa

Tratta ogni cifra pubblicata come un punto di lavoro e indica il carico, la distanza e la temperatura con esso o non indicarlo affatto.

Il flusso e la pressione sono misurati alle estremità opposte di una curva, quindi aspettati il ​​valore di lavoro tra di loro.

La corrente nominale implica una potenza in ingresso compresa tra 0,30 W e 1,28 W nelle varianti 3 V, 5 V e 8 V; il modello a 24 V è pubblicato sotto 5 W.

La produzione idraulica è solo circa il 5% della potenza in ingresso al punto di lavoro pubblicato, quindi pianificare sia il calore che il flusso.

Normalizzare prima le figure di rumore su una distanza: un rapporto di distanza di 20 logaritmi, non una sottrazione.

La corrente nominale è stazionaria; dimensionare il driver, il fusibile e il rail per il transitorio di avviamento.

La viscosità sposta la curva: circa 1,00 mPa*s a 20 C e 0,55 mPa*s a 50 C per l'acqua, con effetti opposti su scorrimento e coppia.

Convertire il conteggio di un ciclo in ore prima di confrontarlo: 8 secondi per ciclo a 5 s acceso e 3 s spento.

Se il layout del circuito, il fluido e il modello di servizio sono già stabiliti, inviali tramite il nsrichiesta di preventivo immediatoe confermeremo i valori di flusso, pressione e corrente che la pompa dovrà effettivamente mantenere, alla temperatura a cui funzionerà.