CN106404272B - 一种高压输液泵压力缓冲传感器及压力缓冲方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高压输液泵技术领域，特指高压输液泵压力缓冲传感器及压力缓冲方法，包括有传感器本体，在传感器本体的一端设置有压力感应件、另一端设置有旁路腔，旁路腔内设置有放空阀旋钮，在传感器本体内设置有缓冲腔，内芯设置在缓冲腔内，缓冲腔与旁路腔之间通过管路连通，内芯与压力感应件之间设置有压力感应腔，内芯的流液孔连通压力感应腔与旁路腔，在内芯的外柱面上设置有流体流道，在传感器本体上还设置有进样接头、与后续系统连接的接头及排液接头，进样接头连通流体流道，与后续系统连接的接头与通过管路与旁路腔连通，排液接头与旁路腔连通；本发明减少零部件数量，使系统结构更为紧凑，并减少了漏液点。

Description

一种高压输液泵压力缓冲传感器及压力缓冲方法

技术领域：

本发明属于高压输液泵技术领域，特指一种高压输液泵压力缓冲传感器及压力缓冲方法。

背景技术：

现代社会对于物质检测方面的需求越来越高，食品、药物和环境等方面都需要使用大量的化学物质检测设备进行甄别。然而，检测中遇到的样品多是混合物，因此需要将混合物分离后，才能对单一组分进行化验。分离常用的方法就是色谱，而液相色谱是分离大部分低沸点有机化合物的首选色谱方法。

液相色谱发展至今已有数年，对于液相色谱而言，几个必须的设备分别是提供分离动力的输液泵、提供分离场所的色谱柱和最后反映分离结果的检测器。三个必须设备都会影响到最终的实验效果，因此要对三者进行逐一优化。

现有的输液泵结构如图1所示，图中的1和2是一套偏心凸轮。1作为主凸轮，带动主泵3进行往复运动；2作为副凸轮，带动副泵4进行前后往复运动。系统从泵离开之后有一段弯管5作为缓冲之用。流体从缓冲管5出来之后，进入压力传感器6，压力传感器6将系统的压力信号以电压形式传送到工作站或者控制设备中。流体离开压力传感器6后进入旁路阀7，旁路阀7属于一进两出，流体进入后，可借由旁路阀旋钮控制流体是从废液一路流出还是从流路一路流出。

现有技术对于压力波动最小化采用的方法是安装缓冲器。目前市面上的缓冲器主要有这几种，一种是直接延长管路增加流路体积以减小压力波动，一种是流体式缓冲器。

对于采用延长管路增加体积的缓冲器来说，这种方法的效果并不是特别明显，需要增加非常大量体积才可以达到预期的压力波动要求，就像图1中所示的缓冲管5。市面上曾出现过体积高达7mL的管路式缓冲器。这种缓冲器增加的体积量和改善效果之比过低，而且在更换溶剂时需要更大体积量的流动相才可置换完毕。此外，如果将其应用在低压梯度系统中，对于梯度程序的整体变化更是有不利的影响，它会减缓整个梯度压力变化的过程，导致系统反应时间大为延长。

对于流体式缓冲器而言，现在市面上的流体缓冲器大多以二甲基硅油或正己烷等压缩性溶剂为载体，再设计一个体积较大的阻尼室，通过阻尼隔膜封闭来吸收液流的压力脉动。这种方式和延长管路体积存在同样的不足之处，就是大大增加了系统死体积。更为不利的是，这种方式的管路连接器和管路更多，除了系统反应时间和稳定时间延长之外，还增加了一个压力的不确定性。就是连接器和管路增加后，输液泵的漏液点也同时增加了，对泵的保压性存在不小的隐患。此外，阻尼隔膜内封闭着压缩溶剂，这些溶剂都是高压高腐蚀性的化学溶剂。在这些溶剂的长期作用下，阻尼隔膜极易破损。破损后流体渗漏，会污染色谱仪器，如果渗漏时仪器正在运行，那么渗漏后产生的后果将更为严重，对系统的安全性评估也是一个很大的问题。

此外还有另一个问题，就是压力传感器。

对于高效液相色谱来说，压力传感器是必须存在的组件，它可以实时反映系统的压力大小和压力波动大小，使用户对系统的稳定状况、输液泵的运行状况做一个初步的评估。

传统的压力传感器是作为一个独立的元件串联在系统之中。为了压力测量的准确性，除了少数经过特殊处理的压力传感器，大部分压力传感器都要预留一定的体积使其与管路中的带压流体充分接触。这段体积通常都是在0.3～1mL之间。这对输液泵来说，无疑又是引入了一段死体积，不利于溶剂置换和系统反应时间。

发明内容：

本发明的目的是提供一种安全性强、系统死体积小、漏液点少的高压输液泵压力缓冲传感器。

本发明是这样实现的：

一种高压输液泵压力缓冲传感器，包括有传感器本体，在传感器本体的一端设置有压力感应件、另一端设置有旁路腔，旁路腔内设置有放空阀旋钮，在传感器本体内设置有缓冲腔，内芯设置在缓冲腔内，缓冲腔与旁路腔之间通过管路连通，内芯与压力感应件之间设置有压力感应腔，所述内芯内部轴向设置有一个以上的流液孔，流液孔连通压力感应腔与旁路腔，在内芯的外柱面上设置有流体流道，在传感器本体上还设置有进样接头、与后续系统连接的接头及排液接头，进样接头连通流体流道，与后续系统连接的接头与通过管路与旁路腔连通，排液接头与旁路腔连通，流体从进样接头进入流体流道后进入压力感应腔，并通过流液孔流至旁路腔，由放空阀旋钮控制流体由与后续系统连接的接头排出或由排液接头排出。

在上述的一种高压输液泵压力缓冲传感器中，所述压力感应件与压力感应腔相应的内壁之间设置有密封圈。

在上述的一种高压输液泵压力缓冲传感器中，所述流体流道为螺旋凹槽，或间隔设置在内芯外柱面的环形凹槽，各环形凹槽之间通过连接通道相连。

在上述的一种高压输液泵压力缓冲传感器中，所述螺旋凹槽为单向或多向流路。

在上述的一种高压输液泵压力缓冲传感器中，所述内芯的外柱面与缓冲腔内壁紧密连接。

在上述的一种高压输液泵压力缓冲传感器中，所述进样接头通过设置在传感器本体上的进液口与流体流道连通。

在上述的一种高压输液泵压力缓冲传感器中，所述进样接头与进液口之间设置有在线过滤垫片。

在上述的一种高压输液泵压力缓冲传感器中，所述与后续系统连接的接头与管道之间通过出液通道连接，在出液通道与该接头之间设置有在线过滤垫片。

在上述的一种高压输液泵压力缓冲传感器中，所述内芯为固体弹性材料制成。

本发明的另一个目的是提供一种高压输液泵压力缓冲传感器的压力缓冲方法，包括如下步骤：

(1)流体从进样接头进入内芯的流体流道，内芯被压缩或者膨胀，系统的压力波动特别是短期压力波动被内芯充分吸收；

(2)流体从內芯的流体流道进入压力感应腔，由压力感应件实时感应通过压力感应腔内的流体的压力波动，并通过调整高压输液泵的输液速度降低压力波动，特别是长期压力波动。

本发明相比现有技术突出的优点是：

1、本发明采用固体弹性材料制成的内芯，内芯与传感器本体内壁之间密封连接，不存在流体渗漏的问题。

2、本发明的系统死体积是具有相同缓冲效果的传统压力缓冲传感器的1/5，有效地减少了系统滞后体积。

3、本发明采用在固体弹性材料上雕刻流体流路的方式，节约了不锈钢管路的材料，降低了成本。

4、本发明将现有的放空阀、缓冲器和压力感应件一体化设计，减少零部件数量，使系统结构更为紧凑，并减少了漏液点。

5、本发明与流路完全接触且接触体积较小，可以及时反应系统即时压力，反馈信息更便于压力脉动的调节。

附图说明：

图1是背景技术输液泵的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的剖面结构示意图；

图4是本发明内芯的剖面图。

具体实施方式：

下面以图例对本发明作进一步描述，具体内容参见图2—4：

本发明可以替换现有输液泵的缓冲管、压力感应件和旁路放空阀三者的功能，且只在传感器本体10外保留一个进液口和两个出液口，使管路连接器与漏液点大为减少。

发明的具体结构如图2和图3所示，图3为剖面图，主要展示本发明的内部结构和内部流路流动情况；图2是为了展示本发明的外部形状和接头位置。

一种高压输液泵压力缓冲传感器，包括有传感器本体10，在传感器本体10的一端设置有压力感应件20、另一端设置有旁路腔30，旁路腔30内设置有放空阀旋钮40。在传感器本体10内设置有缓冲腔，内芯60设置在缓冲腔内，缓冲腔与旁路腔30之间通过通道100连通，内芯60与压力感应件20之间设置有压力感应腔70。压力感应件20实时监测压力感应腔70的压力并将压力信号传送到输液泵控制系统中，控制系统根据接收的压力信号和自带修正程序自动调整压力参数，形成一个闭环控制，动态控制压力波动至当前系统最小值。在内芯60的外柱面上设置有流体流道80，在传感器本体10上还设置有进样接头90，进样接头90连通流体流道80，在传感器本体10上还设置有与后续系统连接的接头110，该接头110通过与旁路腔30连通，在传感器本体10上还设置有排液接头120，排液接头120与旁路腔30连通，流体从进样接头90进入流体流道80后进入压力感应腔70，并通过流液孔601流至旁路腔30，由放空阀旋钮40控制流体由与后续系统连接的接头110排出或排液接头120排出。其中，后续系统为检测系统或分离系统或进样系统等。

本发明以固体弹性材料作为内芯60，以减少安全性问题。固体弹性材料如：三氟氯乙烯或聚偏氟乙烯等含氟聚合物等。固体弹性材料在常温下的弹性模量要求在1.0～4.0Gpa之间，材料的泊松比(反映材料横向变形的弹性常数)在0.1～0.4之间，材料玻璃化温度＞100℃，材料可以不被大部分液相溶剂所腐蚀，材料在常温下不会和所使用的液相溶剂发生化学反应。

具体地，内芯60采用可压缩的树脂材料制成。其压缩量和压力成正比，在压力升高时，形变量也将增加，因此可有效地吸收流体的压力脉动，特别是高频率压力脉动峰。理论上，在相同的压力增量下形变量越大的弹性材料缓冲效果越好，但也要综合考虑材料与流动相之间是否会产生化学作用。由于固体弹性材料的特性，流动相必须要与弹性材料接触，因此材料必须耐腐蚀、耐有机溶剂，且在液相色谱的压力范围内不会发生化学性质的变化。

弹性材料用以缓冲压力靠的不是管路体积而是材料本身的形变量，所以可以在材料形变允许范围内，流路的雕刻半径应尽量小。通常，一个整体体积(以圆柱体的体积近似计算)为6立方厘米的弹性材料，在雕刻流体流道80为300微升时，就可以起到很好的缓冲的效果，而达到同等效果的普通管路式缓冲器，则需要1.5毫升的体积。

流体从输液泵流出之后，进入进样接头90。进样接头90是泵和本发明的连接点，属于有漏液可能性的潜在点。但进样接头90除与流路连通的部分外，其余部分均已密封。

流体进入进样接头90后，通过内芯60上刻的流体流道80，进入到压力感应腔70之中。流体流道80为螺旋凹槽，或在内芯60外柱面的环形凹槽，各环形凹槽之间通过连接通道相连。其中，环形凹槽的间隔采用等距或变距，螺旋凹槽选用单向流路或多向流路。

流体流道80主要有两个作用，一是利用流道本身的螺旋形状，起到减小压力波动的作用；另一个是将流道的压力均匀分布在弹性材料(即内芯60)表面。压力感应件20通过压力感应腔70中的流体实时监测高效液相色谱系统的压力大小和压力波动。

在内芯60的内部(如图4中所示)有一条以上的流液孔601，图中只显示出了一条流液孔601可能处于的位置，实际情况中会根据内芯的底面半径设计流液孔601的数量，具体数目可自行调整。但不管数量是多少，这个流液孔601起到的作用都是一样的，所以介绍的时候仅以一条流液孔601作为示例。

流液孔601有三个作用，第一个作用是连通压力感应腔70和旁路腔30；第二个作用是保护压力感应件20，如果流体流道80被杂质堵塞，压力还可以通过流液孔601释放，以免压力过大损坏压力感应件20；第三个作用是向内芯60施加一个内部压力。

根据本发明的设计理念，压力波动的减小主要是因为内芯60在受压时产生形变，继而产生相应抗力，这一部分抗力抵消了流液孔601一部分的压力波动。因此，内芯60的可形变量越大，缓冲效果越好。在内部压力(由流液孔601施加)和外部压力(由流体流道80施加)的双向共同作用下，内芯60的弹性形变将被发挥到极限。如果不增加流液孔601，那内芯60能产生弹性形变的部分只有流体流道80流经的表面；增加流液孔601后，内芯60整个体积都可以产生弹性形变，由此带来的缓冲效果将大大优于不增加流液孔601时的状况。此外，内芯60的好处在于，随着系统压力(流液孔601对材料施加的压力)的增加，内芯60的形变量也会增加，同时所起到的减小压力波动的作用也会增强，这样可以对系统的压力脉动进行适当的动态补偿，不会因为压力的增加而使系统压力脉动变化过大，也减少了计算压力补偿系数的步骤。

流体经由流液孔601从压力感应腔70到达旁路腔30，之后由放空阀旋钮40决定流体流出口。如果放空阀旋钮40拧紧，流体将从与后续系统连接的接头110流出，后面与色谱柱或系统相连；如果放空阀旋钮40处于放松状态，由于旁路腔30内的压力小于与后续系统连接的接头10的压力，因此，流体将会从排液接头120流出，直接通向废液瓶。

为了确保流体是通过流体流道80进入压力感应腔70，并保证流体可以从压力感应腔70通过流液孔601进入旁路腔30，所述内芯60的外柱面与缓冲腔紧密连接。

为了防止流体从压力感应腔70与压力感应件20之间泄漏，在压力感应件20与压力感应腔70相应的内壁之间设置有密封圈。

更具体地，所述传感器本体10上设置有进样流路，在进样流路上设置有进样接头90，进样流路与进液口130连通，在进液口130与进样接头90之间的进样流路上设置有在线过滤垫片140，可滤过流体中的微量杂质，保护压力缓冲传感器和后续设备。

同样地，与后续系统连接的接头110通过出液管路与管路100连通，在与后续系统连接的接头110与出液管路之间设置有在线过滤垫片。可滤过流体中的微量杂质，保护色谱系统。

本发明的排液接头120与旁路腔30之间通过废液管路50连通，废液管路50与出液管路之间的夹角呈90°±5°设置。

本发明的一种高压输液泵压力缓冲传感器的压力缓冲方法，包括如下步骤：

(1)流体从进样接头90进入内芯60的流体流道80，内芯60被压缩或者膨胀，系统的压力波动特别是短期压力波动被内芯60充分吸收，有效降低压力波动。

(2)流体从内芯60的流体流道80进入压力感应腔70，由压力感应件20通过压力感应腔70内的流体的压力波动，并通过调整高压输液泵的输液速度降低压力波动，特别是长期压力波动。

压力感应件20监测实时压力并将压力信号传送到输液泵控制系统中，控制系统根据接收的压力信号和自带修正程序自动调整压力参数，形成一个闭环控制，动态控制压力波动至当前系统最小值。

在进行压力感应后，压力感应腔70内的流体通过设置在内芯60内的一个以上的流液孔流至旁路腔。最后由设置在旁路腔内的放空阀旋钮决定流体流出口：

当放空阀旋钮拧紧时，通道与旁路腔不连通，流体从与后续系统连接的接头排出；

当放空阀旋钮放松时，通道与旁路腔连通，流体从排液接头排出。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例之一，并非以此限制本发明的实施范围，故：凡依本发明的形状、结构、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高压输液泵压力缓冲传感器，其特征在于：包括有传感器本体，在传感器本体的一端设置有压力感应件、另一端设置有旁路腔，旁路腔内设置有放空阀旋钮，在传感器本体内设置有缓冲腔，内芯设置在缓冲腔内，缓冲腔与旁路腔之间通过管路连通，内芯与压力感应件之间设置有压力感应腔，所述内芯内部轴向设置有一个以上的流液孔，流液孔连通压力感应腔与旁路腔，在内芯的外柱面上设置有流体流道，在传感器本体上还设置有进样接头、与后续系统连接的接头及排液接头，进样接头连通流体流道，与后续系统连接的接头通过管路与旁路腔连通，排液接头与旁路腔连通，流体从进样接头进入流体流道后进入压力感应腔，并通过流液孔流至旁路腔，由放空阀旋钮控制流体由与后续系统连接的接头排出或由排液接头排出，所述内芯为固体弹性材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种高压输液泵压力缓冲传感器，其特征在于：所述压力感应件与压力感应腔相应的内壁之间设置有密封圈。

3.根据权利要求1所述的一种高压输液泵压力缓冲传感器，其特征在于：所述流体流道为螺旋凹槽，或间隔设置在内芯外柱面的环形凹槽，各环形凹槽之间通过连接通道连通。

4.根据权利要求3所述的一种高压输液泵压力缓冲传感器，其特征在于：所述螺旋凹槽为单向或多向流路。

5.根据权利要求1所述的一种高压输液泵压力缓冲传感器，其特征在于：所述内芯的外柱面与缓冲腔内壁紧密连接。

6.根据权利要求1所述的一种高压输液泵压力缓冲传感器，其特征在于：所述进样接头通过设置在传感器本体上的进液口与流体流道连通。

7.根据权利要求6所述的一种高压输液泵压力缓冲传感器，其特征在于：所述进样接头与进液口之间设置有在线过滤垫片。

8.根据权利要求1所述的一种高压输液泵压力缓冲传感器，其特征在于：所述与后续系统连接的接头与管路之间通过出液通道连接，在出液通道与该接头之间设置有在线过滤垫片。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种高压输液泵压力缓冲传感器的压力缓冲方法，其特征在于：包括如下步骤： （1）流体从进样接头进入内芯的流体流道，内芯被压缩或者膨胀，系统的短期压力波动被内芯充分吸收； （2）流体从內芯的流体流道进入压力感应腔，由压力感应件实时感应通过压力感应腔内的流体的压力波动，并通过调整高压输液泵的输液速度降低长期压力波动。

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