A compensação técnica por trás da vazão, pressão e ruído

Fluxo, pressão e ruído são três visões de uma compensação, em vez de três características independentes. Em uma microbomba de deslocamento positivo, o valor do fluxo assume uma velocidade, o valor da pressão assume uma carga e o valor do ruído assume uma distância e um peso. Mova qualquer um deles e os outros dois mudam.

O que esta análise cobre

Lê os números publicados para SC2201RPW e SC2301CPW como condições e não como promessas, com a unidade e o teste por trás de cada um.

Coloca um número nas duas coisas que uma pequena folha de dados deixa de fora: potência de entrada nas variantes de tensão e saída hidráulica no ponto de operação publicado.

Normaliza dois valores de ruído que possuem o mesmo rótulo de 60 dB, mas foram medidos em distâncias diferentes.

Define o que um teste de vida útil contém e uma rotina de bancada de quatro instrumentos que reproduz cada curva.

Ir para- 1 Comece com o ponto de serviço|2 Fluxo e pressão são publicados separadamente|3 A forma da curva|4 Tensão é o terceiro eixo|5 Para onde vão os watts|6 Ruído: um número, três condições faltantes|7 Corrente nominal não é corrente de partida

Ir para (continuação)- 8 A temperatura move toda a curva|9 O que contém um número de vida útil|10 O mapa de trade-offs|11 Verificação de bancada|12 questões de campo|Referência rápida

1. Comece com o ponto de serviço, não com os números

Um ponto de funcionamento é uma combinação de vazão, pressão, tensão e ciclo de funcionamento no qual a bomba é solicitada a trabalhar. Cada classificação publicada descreve um desses pontos ou uma faixa, portanto um valor citado sem as suas condições não pode ser comparado com qualquer outro valor - incluindo outro valor para a mesma bomba.

Tabela 1. Os valores publicados para duas famílias de bombas e a condição que cada uma assume

Não há curva em nenhum lugar dessa lista. Cada linha é um ponto, uma faixa ou um teto, e a última coluna é a única coisa que torna uma linha utilizável. Um parâmetro de desempenho de microbomba sem essa coluna é um número de marketing: sobrevive à cotação e falha na comparação.

Nota de campo - quando um fornecedor cita um valor de vazão ou ruído, pergunte as três condições por trás disso: a carga, a distância e a temperatura do fluido. Uma figura que chega com suas condições anexadas pode ser conferida em uma bancada; aquele que não pode ser verificado.

2. Fluxo e pressão são publicados separadamente

O fluxo e a pressão são medidos em extremidades opostas da mesma curva, portanto, uma folha de dados listando ambos descreve dois bancos de teste. O valor do fluxo vem de uma descarga aberta ou levemente carregada; o valor da pressão vem de uma linha restrita onde o fluxo já caiu.

Figura 1. As duas bandas publicadas em um par de eixos. O sombreamento é o que indicam as folhas de dados; o espaço entre as bandas não é publicado como uma curva medida.

Leia a Figura 1 como um mapa de reivindicações, não como um mapa de desempenho. As faixas são as declarações publicadas: igual ou superior a 100 mL/min com pressão de trabalho entre 40-150 kPa para o modelo de 24 V e 20-50 mL/min com pelo menos 6 psi para as variantes de baixa tensão. Um loop solicitando 100 mL/min contra 120 kPa está solicitando que uma bomba fique no topo de ambas as bandas ao mesmo tempo.

Por que o valor do fluxo é mínimo

Ambas as figuras de fluxo são faixas porque o fluxo é definido pelo deslocamento por passagem e pela velocidade. Um mínimo significa que a bomba não cairá abaixo da tensão indicada contra uma carga leve; isso não significa que a bomba retém esse fluxo quando a resistência do circuito aumenta.

Por que o valor da pressão é uma banda

Os valores de 40-150 kPa descrevem uma faixa de trabalho, não um pico. O fluxo cai à medida que a carga sobe entre as duas extremidades. Para as variantes de baixa tensão, “pelo menos 6 psi” é um piso, e não uma banda, e deve ser lido como a afirmação mais fraca.

O único número que os conecta

O fluxo e a pressão só se tornam uma única curva quando uma terceira figura chega com eles: o escorregamento. O fluxo a uma determinada velocidade é o deslocamento menos o vazamento que passa pelo elemento de vedação. O deslizamento é pequeno enquanto o elemento de vedação se mantém e cresce rapidamente quando isso não acontece, e esse joelho é onde termina a faixa utilizável. É também o número mais frequentemente ausente de uma pequena folha de dados.

3. A forma da curva em uma bomba de deslocamento positivo

Uma microbomba de deslocamento positivo mantém o fluxo quase plano à medida que a pressão aumenta e, em seguida, perde-o rapidamente quando o deslizamento ultrapassa o deslocamento. O joelho, e não qualquer extremidade, decide se um laço de impressora funciona, e onde o joelho fica depende inteiramente do elemento de vedação.

Tabela 2. De onde vem o joelho em cada família de bombas

A consequência prática é que uma descrição de curva cobre duas vidas úteis diferentes. A curva de desempenho da bomba peristáltica é estável até o tubo envelhecer, depois muda de forma rapidamente e pode ser redefinida com um consumível. A curva de uma bomba de engrenagens varia com a temperatura e o desgaste, e a peça de desgaste é a própria bomba.

O comportamento de deslizamento no nível do componente é abordado em nossoPerfil de entrega da bomba de engrenagem SC2301CPW, e o lado do tubo da mesma compensação em nossoControle de bomba peristáltica SC2201RPWguia.

4. A tensão é o terceiro eixo da mesma curva

A tensão não adiciona capacidade a uma bomba fixa; ele move toda a curva e a corrente junto com ela. Nas variantes do SC2201RPW, a corrente nominal sobe de menos de 100 mA a 3 V para menos de 160 mA a 8 V, portanto, a variante de tensão mais alta também é aquela que coloca mais calor no gabinete.

Tabela 3. Corrente nominal nas variantes de tensão publicadas e a potência de entrada que isso implica

A terceira coluna é a tensão multiplicada pela corrente nominal, portanto é um limite superior e não um consumo medido. Ele ainda mostra a forma da compensação: de 3 V para 8 V, a tensão aumenta por um fator de 2,7, enquanto a potência de entrada aumenta 4,3 e a corrente aumenta apenas 1,6. A corrente crescendo mais lentamente que a tensão é a aparência de um enrolamento limitado por sua própria temperatura, e é por isso que a variante de 8 V funciona mais quente do que a variante de 3 V, enquanto ambas acionam o mesmo tubo.

Figura 2. Corrente nominal para cada variante de tensão publicada, com a potência de entrada que ela implica. Os valores são calculados a partir dos valores publicados de tensão e corrente, não medidos.

Para um fabricante de impressoras, este é um argumento a favor do controle de corrente em vez do controle de tensão: operar a variante de 8 V em um ciclo de trabalho de 60% fornece aproximadamente o fluxo de uma configuração intermediária com uma entrada média mais próxima do valor de 5 V, e tanto o motor quanto o tubo funcionam mais frios. O tempo de ciclo e o serviço mínimo são valores de firmware e estão documentados para as saídas comutadas do Klipper. Se uma saída da placa-mãe pode transportar o transitório em vez da média, é resolvido em nossoTensão da bomba da placa principal e correspondência de correnteguia.

5. Para onde vão os Watts

A saída hidráulica é uma pequena fração da potência de entrada em uma microbomba. No ponto de operação publicado de 24 V, 100 mL/min contra 150 kPa, o fluido recebe cerca de 0,25 W de uma entrada de até 4,80 W, então o melhor caso é aproximadamente 5% da entrada elétrica e todo o resto se transforma em calor, ruído e vazamento interno.

Tabela 4. Produção hidráulica versus entrada elétrica, calculada a partir dos números publicados

Seguem duas conclusões. Uma microbomba é tanto uma fonte de calor quanto um movimentador de fluidos, e é por isso que a temperatura do gabinete é um parâmetro de desempenho e não um detalhe do ambiente. E o controle de ruído e o controle térmico são um problema, porque a energia que nunca chega ao fluido precisa ir para algum lugar.

A aritmética é um limite e não uma medida. Ambos os valores de vazão são mínimos, portanto a participação hidráulica real é menor e consideravelmente menor em um circuito que funciona bem abaixo da pressão nominal.

6. Ruído: um número, três condições ausentes

Uma figura de ruído não significa nada sem a sua distância, a sua ponderação de frequência e a sua carga. Ambas as bombas desta série publicam um teto de 60 dB, mas uma é medida em 30 cm e a outra em 50 cm, o que torna o valor de 50 cm a medida mais silenciosa das duas.

Figura 3. Dois limites máximos de ruído publicados obtidos em duas distâncias de medição, com o valor de 30 cm referido a 50 cm para comparação.

A pressão sonora cai cerca de 6 dB cada vez que a distância dobra, portanto, converter entre duas distâncias significa aplicar uma razão logarítmica de 20 em vez de subtrair dois números brutos. Referido a 50 cm, o valor de 30 cm passa a ser cerca de 55,6 dB; referido a 30 cm, o valor de 50 cm passa a ser cerca de 64,4 dB. Os rótulos publicados são idênticos e as medidas não.

Duas condições adicionais estão faltando em qualquer valor de dB simples. A ponderação é importante, porque o dB(A) filtra o espectro para corresponder à audição, enquanto um valor bruto de dB também conta a energia de baixa frequência que o gabinete da impressora absorve de maneira diferente; a especificação do medidor por trás desse filtro é IEC 61672-1. A carga também é importante, porque o ruído aumenta com a velocidade, e a orientação do próprio fabricante coloca uma microbomba peristáltica com carga leve na região de 30-50 dB.

Controle de ruído da bomba de engrenagens: quatro caminhos para a mesma reclamação

Tabela 5. Mecanismos de ruído em um circuito de fluido de impressora e a que cada um deles responde

Leia a tabela de trás para frente a partir do sintoma: um tom que rastreia a velocidade é mecânico ou elétrico, um chiado que segue o fluxo é hidráulico e um pico que aparece apenas quando a bomba é montada é estrutural.

As leituras de ruído, corrente e pressão só significam alguma coisa quando vêm da mesma plataforma, com o mesmo fluido e a mesma distância. Se a bomba estiver sendo escolhida contra uma faixa e não um ponto, envie o desenho do circuito, o fluido e o padrão de serviço através do nossosolicitação de cotação instantâneae confirmaremos o ponto operacional que realmente está sendo solicitado a manter.

7. A corrente nominal não é a corrente inicial

A corrente nominal publicada para uma bomba de água de impressora 3D descreve o funcionamento constante sob a carga declarada. Um motor CC escovado consome várias vezes esse valor nos primeiros momentos após a ligação, e mais novamente se o rotor for mantido, de modo que uma alimentação dimensionada apenas na classificação cairá na partida e se apresentará como uma falha de fluido.

Tabela 6. A que se aplica cada figura elétrica

Para esta série, o valor publicado é um teto para corrente constante: abaixo de 100 mA, 120 mA e 160 mA para as três variantes de baixa tensão, e 200 mA ou menos a 24 V, que o fabricante declara como abaixo de 5 W. Nenhum desses números descreve o transitório de inicialização e nenhum é uma classificação do driver.

O teste prático é uma partida a frio. Prepare o circuito com fluido na temperatura que a máquina verá em uma manhã de inverno e observe o trilho de abastecimento enquanto a bomba acelera. Um trilho que desce o suficiente para redefinir o controlador significa que o inversor é dimensionado de acordo com a classificação e não com o transitório, e o sintoma a seguir - uma bomba que não escorva - pertence ao sistema elétrico e não ao sistema de fluido.

8. A temperatura move toda a curva

A viscosidade é a variável que muda a curva da bomba entre dois dias de impressão. A água cai de cerca de 1,00 mPa*s a 20 C para cerca de 0,55 mPa*s a 50 C, então a mesma bomba escorrega mais em um circuito quente e passa mais fome em um circuito frio - duas falhas opostas com duas correções diferentes.

Tabela 7. Viscosidade da água em toda a faixa operacional publicada e o que ela muda

Dois comportamentos decorrem da mesma tabela. No lado da engrenagem, o fluido mais fino reduz o efeito de vedação nas folgas, de modo que a eficiência volumétrica cai no momento em que o circuito é mais difícil de empurrar, e é por isso que o volume fornecido pertence a um registro ao lado da temperatura e não ao lado do tempo decorrido. No lado peristáltico, a oclusão define o deslocamento, de modo que a viscosidade mal move o valor do fluxo, mas aumenta o torque que o motor deve fornecer, e o tubo carrega essa carga na forma de calor e fluência.

O segundo efeito fica na extremidade de sucção. A pressão do vapor aumenta acentuadamente com a temperatura - cerca de 2,3 kPa a 20 C contra cerca de 12 kPa a 50 C - portanto, uma linha de sucção fixa tem menos margem no topo da faixa do que na parte inferior, e um circuito que prepara de forma limpa quando frio pode cavitar quando quente sem nada alterado.

9. O que contém um número de vida útil

Uma contagem de ciclos é um relatório de teste e não uma previsão. Os 600.000 ciclos publicados para as variantes de baixa tensão vêm de um padrão de 5 s ligado e 3 s desligado, bombeando água dentro de uma janela de 0-50 C, o que equivale a cerca de 1.300 horas de funcionamento - e o padrão é inseparável do número.

600.000 ciclos de 8 segundos cada equivalem a cerca de 1.333 horas. Com quatro horas de funcionamento da bomba por dia, isso equivale a 1.800 ciclos por dia e aproximadamente 330 dias de impressão; oito horas por dia, cerca de 165 dias. O número não mudou, o dever sim, e é por isso que o teste de vida útil da microbomba deve ser citado com seu padrão.

Tabela 8. Valores de resistência para a mesma plataforma de bomba e as condições associadas a cada

A terceira linha é útil porque é a única linha deliberadamente vaga. Em toda a linha de bombas, o mesmo motor pode durar algumas centenas de horas em condições quentes e abrasivas e vários milhares em condições limpas e frias, portanto, um único número de horas citado quase não contém informações. Uma contagem de ciclos com um padrão de funcionamento e um fluido nomeado é uma medição; uma expectativa de vida em anos é uma estimativa com uma vírgula decimal.

10. O Mapa de Compensações

Cada ajuste que melhora um valor publicado gasta outro. A velocidade compra fluxo e gasta corrente, calor, ruído e vida útil do tubo; uma linha mais estreita compra resolução de medição e gasta margem de pressão; um padrão de serviço mais suave compra vida e gasta rendimento.

Tabela 9. Qual alavanca move qual figura e quanto custa

Nenhuma configuração melhora o fluxo, a pressão, o ruído e a vida útil em conjunto, e uma especificação que parece oferecer todos os quatro é comparar quatro condições de teste diferentes em vez de uma bomba. A questão útil não é qual bomba é melhor em abstrato, mas onde uma determinada bomba fica nesta mesa para um circuito específico, e isso é uma medição de bancada.

11. Verificação de bancada: quatro instrumentos, quatro números

Reproduza a curva com quatro instrumentos: um cilindro graduado ou escala de 0,1 g, um manômetro em linha no ponto de uso, uma pinça amperimétrica com faixa DC e um medidor de nível sonoro. Leia todos os quatro com o mesmo comando, fluido e temperatura, e registre-os juntos.

Tabela 10. O que cada instrumento assenta e a armadilha ao lado dele

A rotina é curta. Registre as quatro leituras em um loop quente e novamente em um loop frio, e os dois conjuntos se tornam dois pontos em uma curva – que é a única maneira de construir uma curva a partir de uma folha de dados que publica pontos finais. Em seguida, repita com uma linha de descarga mais longa ou mais estreita: se o fluxo cair além do permitido pela margem de pressão, o circuito está pedindo mais do que a banda publicada suporta, e a solução é o layout, em vez de uma bomba maior.

As falhas que aparecem durante as mesmas medições são objeto de nossaGuia de manutenção do sistema de fluidos da impressora 3D, e a disciplina de medição corresponde ao nossorotina de inspeção e verificação de fluxo.

Nota de campo - a orientação de teste do próprio fabricante para uma bomba de água CC é oscilar o comprimento e o diâmetro da linha de descarga e confirmar se as leituras permanecem dentro da faixa publicada. Uma leitura válida apenas com um comprimento de mangueira é um resultado de equipamento e não de bomba.

12. Perguntas de campo

Que vazão devo esperar de uma bomba d'água de impressora 3D na pressão de trabalho?

Os números publicados descrevem condições separadas: 20-50 mL/min para as variantes de baixa tensão e 100 mL/min ou mais para o modelo de 24 V, com pressão citada em relação a uma carga. Espere que o valor de trabalho fique entre essas declarações, e não em ambas as extremidades, e confirme-o em seu próprio loop na temperatura de funcionamento da máquina.

Quanta corrente uma bomba d'água de impressora de 24 V consome?

O modelo de 24 V é publicado com 200 mA ou menos, o que o fabricante afirma ser inferior a 5 W. Esse é um valor constante na tensão nominal durante o bombeamento de água. Os transientes de inicialização e parada consomem mais, portanto o driver, o conector e o fusível devem ser dimensionados no transiente e não na classificação.

Por que duas bombas com classificação de 60 dB soam diferentes na mesma máquina?

Porque a distância de medição é diferente. Um valor obtido a 30 cm referido a 50 cm torna-se cerca de 55,6 dB, enquanto um valor obtido a 50 cm referido a 30 cm torna-se cerca de 64,4 dB, pelo que as duas etiquetas descrevem medições com aproximadamente 9 dB de distância.

Uma tensão mais alta sempre significa mais fluxo?

Dentro de uma família, mais tensão aumenta a velocidade e o fluxo e aumenta a corrente e o calor com ela: as variantes publicadas passam de menos de 100 mA a 3 V para menos de 160 mA a 8 V, e a potência de entrada aumenta mais rápido que a tensão. Entre famílias não é uma comparação, porque um modelo de 24 V tem um projeto hidráulico diferente.

Quantas horas equivalem a 600.000 ciclos?

Cerca de 1.333 horas, porque um ciclo de 5 segundos ligado e 3 segundos desligado dura 8 segundos. Em termos de calendário, isso equivale a aproximadamente 330 dias com quatro horas de uso da bomba por dia e cerca de 165 dias com oito horas por dia.

Posso escolher entre uma bomba de engrenagens e uma bomba peristáltica apenas com base no ruído?

Não apenas na figura. Normalize primeiro a distância e a ponderação, depois compare com a mesma velocidade e carga e, em seguida, pergunte se o mecanismo é importante: um pulso de oclusão de rolo e um tom de malha de engrenagem ocupam diferentes partes do espectro e respondem a diferentes correções.

Referência rápida: lendo uma folha de dados de uma microbomba

Trate cada valor publicado como um ponto de serviço e cite a carga, a distância e a temperatura com ele ou não.

O fluxo e a pressão são medidos em extremidades opostas de uma curva, portanto, espere o valor de trabalho entre eles.

A corrente nominal implica 0,30 W a 1,28 W de potência de entrada nas variantes de 3 V, 5 V e 8 V; o modelo de 24 V é publicado em 5 W.

A produção hidráulica é apenas cerca de 5% da potência de entrada no ponto de funcionamento publicado, portanto planeje tanto o calor quanto o fluxo.

Normalize primeiro os números de ruído para uma distância: uma razão de distância de 20 log, não uma subtração.

A corrente nominal está em estado estacionário; dimensionar o driver, fusível e trilho para o transitório de inicialização.

A viscosidade move a curva: cerca de 1,00 mPa*s a 20 C e 0,55 mPa*s a 50 C para água, com efeitos opostos no escorregamento e no torque.

Converta uma contagem de ciclos em horas antes de compará-la: 8 segundos por ciclo com 5 segundos ligado e 3 segundos desligado.

Se o layout do loop, o fluido e o padrão de serviço já estiverem definidos, envie-os através do nossosolicitação de cotação instantâneae confirmaremos os valores de vazão, pressão e corrente que a bomba deverá realmente manter, na temperatura em que funcionará.