CN107076711A - 使用多个温度传感器的气相色谱（gc）柱加热器控制 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于加热GC柱的装置。装置包括第一和第二温度传感器。温度数据用来设置被提供给装置的加热元件的功率。

Description

使用多个温度传感器的气相色谱（GC）柱加热器控制

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年10月31日递交的、将Paul Dryden等人署名为发明人的美国临时申请No.62/073,394的优先权。美国临时专利申请No.62/073,394的全部公开内容通过引用具体结合于此。

背景技术

在GC系统中，化合物穿过分离柱(“柱”)的整个长度所需的时间量被称为其保留(retention)时间。贡献于化合物的保留时间的一个因素是分离柱的温度。对于各次分析精确地控制柱的温度有益于提供特定化合物或分析物的保留时间的可重复性。此外，在样品分析物迁移通过柱时程序化地改变柱温度可有利地提供较短的分析时间并减少峰展宽。

当然，柱的温度的精确控制对于GC测量的总体性能是重要的。在许多柱温度控制系统中，温度传感器不测量实际的柱温度，这是由于温度传感器由于各种原因而远离柱。尽管期望柱温度沿其长度是恒定的，但没有柱加热系统提供完全等温的环境。对于GC装置的用户，重要的是沿着GC柱的长度的热梯度较小，并且迁移通过柱的分析物经历了提供期望的保留特性的有效温度。

因此，需要的是至少克服上面所讨论的已知GC柱加热器的缺点的装置。

发明内容

根据代表性实施例，一种装置包括：柱加热装置；第一温度传感器，该第一温度传感器被布置为邻近于气相色谱柱；以及第二温度传感器，该第二温度传感器被布置在柱加热装置内或柱加热装置上方。基于来自第一和第二温度传感器的温度数据来改变气相色谱柱的温度。

根据代表性实施例，该装置还包括被布置在柱加热装置下方的第一绝热层，以及第二绝热层。第二温度传感器被布置在第二绝热层之上、内部、或下方。

根据代表性实施例，柱加热装置包括：第一衬底；加热元件，该加热元件被布置在第一衬底之上；以及第二衬底，该第二衬底被布置在柱加热装置之上。第二衬底具有第一侧和第二侧。第二侧被配置为使气相色谱柱与其相接触。来自柱加热装置的热量通过第二衬底被传递，并基本上均匀地加热与第二衬底相接触的气相色谱柱。

根据另一代表性实施例，一种装置包括：第一温度传感器，该第一温度传感器被布置为邻近于气相色谱柱；以及第二温度传感器，该第二温度传感器被布置在柱加热装置内部或柱加热装置之上。基于来自第一和第二温度传感器的温度数据来改变气相色谱柱的温度。该装置还包括控制器，该控制器被配置为从第一和第二温度传感器接收温度数据。电源被配置为从控制器接收控制信号，并调整对柱加热装置的电功率。

根据又一代表性实施例，公开了一种非暂态计算机可读介质，该非暂态计算机可读介质存储有控制器可执行的、用于控制柱加热装置的程序。该计算机可读介质包括：接收代码段，用于从第一温度传感器和第二温度传感器接收温度数据；加权平均代码段，用于从温度数据确定加权平均；比较代码段，用于将加权平均和当前设定点进行比较；比例、积分微分代码段，用于确定温度误差；以及设置代码段，用于从温度误差设置要施加于加热元件的功率水平。

根据又一代表性实施例，公开了一种用于控制柱加热装置的装置。该装置包括：控制器，该控制器被配置为从第一温度传感器和第二温度传感器接收温度数据。控制器还被配置为执行编程操作。该编程操作包括：从温度数据确定温度数据的加权平均；将温度数据的加权平均和当前设定点温度进行比较；从温度数据的加权平均和当前设定点温度的比较确定温度误差；以及基于所确定的温度误差来调整要施加于加热元件的功率水平。

附图说明

当与附图一起阅读时，可以从下列详细描述最好地理解本教导。特征不一定是按比例绘制的。在可能的情况下，相同的参考标号指代相同的特征。

图1是根据代表性实施例的GC系统的简化框图。

图2A根据代表性实施例示出了柱加热组件的分解图。

图2B根据代表性实施例示出了柱加热装置的分解图。

图2C根据代表性实施例示出了柱加热装置的分解图。

图3根据代表性实施例示出了控制器的简化框图。

图4根据代表性实施例示出了控制GC柱的温度的方法的流程图。

定义术语

应当理解，本文所使用的术语仅为了描述具体实施例的目的，并且不旨在是限制性的。所定义的术语附加于本文的技术领域中所通常理解和接受的所定义的术语的技术和科学含义。

说明书和所附权利要求中使用的冠词‘一’以及‘该’包括单数和复数指示物二者，除非上下文另外明确指出。因此，例如，‘设备’包括一个设备或多个设备。

如在说明书和所附权利要求中使用的，并且除了它们的普通意义之外，术语‘基本’或‘基本上’表示具有可接受的限度或程度。例如，‘基本上抵消’表示本领域技术人员将认为抵消是可接受的。

如在说明书和所附权利要求中使用的并且除了其普通意义之外，术语‘大约’表示在本领域普通技术人员的可接受的限度或数量之内。例如，‘大约相同’表示本领域普通技术人员将认为所比较的项是相同的。

具体实施方式

在下列详细描述中，为了解释和非限制的目的，阐述了公开特定细节的代表性实施例以便提供本教导的透彻的理解。可能省略已知系统、设备、材料、操作方法以及制造方法的描述，以便避免模糊示例实施例的描述。然而，可根据代表性实施例来使用本领域普通技术人员的能力范围内的系统、设备、材料以及方法。

诸如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“上部”以及“下部”之类的相对术语可能被用来描述附图所示各个元件的彼此关系。这些相对术语旨在包含除了附图中所描述的定向之外的设备和/或元件的不同定向。例如，若设备关于附图中的视图被倒置，则被描述为在另一元件“上方”的元件例如现在将在该元件“下方”。类似地，若设备关于附图中的视图被旋转90°，则被描述为在另一元件“上方”或“下方”的元件现在将“邻近”另一元件；其中，“邻近”表示与另一元件邻接，或在这些元件之间具有一个或多个层、材料、结构等。本文使用的“布置在另一元件之上”或“布置在另一元件下方”的元件表示“邻近于”另一元件的元件。“直接邻近”表示与另一元件邻接。

某些代表性实施例针对的是气相色谱(GC)柱加热组件。根据代表性实施例，GC柱加热组件包括：第一温度传感器，被布置为邻近于气相色谱柱；第二温度传感器，被布置在柱加热装置内部或柱加热装置上方。基于来自第一和第二温度传感器的温度数据来改变气相色谱柱的温度。该系统还包括：控制器，被配置为从第一和第二温度传感器接收温度数据；电源，被配置为从控制器接收控制信号并调整对柱加热装置的电功率，以将GC柱的温度基本上维持在期望值。

图1是根据代表性实施例的GC系统100的简化框图。GC系统100的许多方面对于本领域普通技术人员是已知的。因此，GC系统100的某些已知组件的细节被省略。在某些实例中，已知组件被标记为可被实现的代表性示例，但这些示例是为了说明而被呈现的，并且绝不旨在是限制性的。

GC系统100包括样品入口101。样品入口101被流体地耦接到污染物阱102。污染物阱102被流体地耦接到柱103，该柱103可以是在气相色谱中有用的各种柱中的一种。在实施例中，污染物阱102可以如被同时递交的、共同拥有的美国专利申请No.14/057,022(2013年10月18日递交)中所描述，该美国专利申请的公开内容通过引用具体结合于此。污染物阱102是微流体污染物阱，被配置为从捕获来自样品入口101的样品中的污染物，并防止所捕获的污染物到达柱103。注意的是，包括污染物阱102 仅是说明性的，并且本教导被考虑用在不包括污染物阱，或不包括如上面刚刚引用的申请中所描述的微流体污染物阱的GC系统中。

柱103分离化学样品的组分。柱103可以是包括一段熔石英或金属管(未示出)的毛细管柱，该管在管的内部上具有涂层或填充有与来自样品入口101的样品进行交互的颗粒，以分离化学样品的组分。

柱103被提供为与柱温度控制装置104相接触，这将在下文中结合代表性实施例被更全面地描述。借助于柱温度控制装置104，保留时间受到控制，并相对改善了柱103的加热的均匀性。此外，在某些实施例中，可以以相对彻底的方式冷却柱103，与已知GC系统相比，最终改善了分析物的保留时间的可重复性以及分析周期时间。柱温度控制装置104的这些及其他益处将在下文中结合代表性实施例被更全面地描述。

柱103被连接到检测器105，该检测器105检测柱103所分离的组分的存在，经常也检测组分的量。通常，检测器105是已知的GC检测器，例如，火焰离子化检测器(FID)、质谱仪检测器(MSD)、热传导检测器(TCD)、电子捕获检测器(ECD)、氮磷检测器(NPD)、硫化学发光检测器(SCD)、氮化学发光检测器(NCD)、脉冲火焰光度检测器(PFPD)、氦离子化检测器(HID)、或火焰光度检测器(FPD)。

GC系统100还包括控制器106和电源107。控制器106可以是GC系统100的多个控制器(未示出)中的一个控制器，或可以是GC系统的唯一控制器。目前，描述了控制器106的关于通过柱温度控制装置104来维护柱103的加热的功能。控制器106或其它控制器的其它功能与本教导关系并不密切，并且未被描述。

通常，可以以许多方式(例如，利用专用硬件)来实现控制器106以执行本文讨论的各种功能。采用一个或多个微处理器的“处理器”是控制器的一个示例，该一个或多个微处理器可使用计算机可读介质(软件(例如，微码))来编程以执行本文讨论的各种功能。控制器106可采用或不采用处理器来实现，并还可被实现为执行某些功能的专用硬件和执行其他功能的处理器(例如，一个或多个编程微处理器及相关联的电路)的组合。本公开的各个实施例中可以采用的控制器组件的示例包括但不限于：传统微处理器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、以及现场可编程门阵列(FPGA)。

在各个实现方式中，控制器106可以与一个或多个存储介质(本文统称为“存储器”，例如，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、通用串行总线(USB)驱动器、软盘、紧致盘、光盘、磁带等之类的易失性和非易失性计算机存储器)相关联。在某些实现方式中，存储介质可编码有一个或多个程序，当该一个或多个程序在控制器106上被执行时，至少执行本文讨论的功能中的一些功能。各个存储介质可被固定在控制器106内或可以是可移动的，以便其上所存储的一个或多个程序可被加载到处理器或控制器内以实现本文讨论的本教导的各个方面。术语“程序”或“计算机程序”在本文用于在一般意义上指代可用来对控制器106进行编程的任意类型的计算机代码(例如，软件或微码)。

如结合图3和4在下面被更全面地描述的，控制器106被配置为从至少两个温度传感器(图1中未示出)接收温度数据，并且基于温度数据，被配置为向电源107提供控制信号。电源107是多个已知电源中的一个电源，并被配置为调整柱温度控制装置104的功率以便将柱103的温度维持在大约期望的温度。

图2A根据代表性实施例示出了柱温度控制装置200(有时称为“装置”)的分解图。注意的是，本实施例的柱温度控制装置200被考虑用作本文所描述的GC系统100中的柱温度控制装置104。

柱温度控制装置200包括柱加热装置201，该柱加热装置201被配置为将GC柱202布置在表面207之上。GC柱202被考虑用作结合图1的代表性实施例所描述的柱103。

柱温度控制装置200还包括第一温度传感器203和第二温度传感器204。第一温度传感器203被布置在第一柱加热装置201内。替代地，第一温度传感器203可以被布置在第一柱加热装置201之上。第一温度传感器203例如被嵌入在柱加热装置201中，例如，结合图2B的代表性实施例在下面所描述的，以及共同拥有的共同未决美国临时申请62/050,125(2014年9月13日递交，将Sammye E.Traudt等人署名为发明人)中所描述的。该申请的全部公开内容通过引用具体结合于此。

图2A描绘了第二温度传感器204的两个不同的代表性定向。第一绝热层205被布置在柱加热装置201下方，并且绝热层206被布置在GC柱202和第二温度传感器204上方。在一个实施例中，如所示出的，第二温度传感器204可被布置在GC柱202上方以及绝热层206下方。在另一实施例中，第二温度传感器204可被布置在绝热层206上方。这些温度传感器位置被设计以反映现有技术GC系统中未获取的实时温度梯度。

优选地，第一温度传感器203和第二温度传感器204为诸如热电偶或铂电阻温度计(PRT)之类的设备。第一和第二温度传感器203、204必须足够快地响应以检测它们的热环境中的变化。注意的是，第一温度传感器203必须向控制器提供跟踪柱加热装置中的相对快速温度变化的数据。取决于加热元件的位置及其相对于第二温度传感器204的相对位置，第二温度传感器204可能处于经历较慢温度变化的热环境中。因此，在第二温度传感器204处的检测之前，GC柱环境中的温度变化可被反映在来自第一温度传感器203的测量结果中。

第一和第二绝热层205、206由适于在不干扰GC系统的性能的情况下提供足够的热隔离的材料制成。例如，第一和第二绝热层205、206由厚度为大约0.25英寸的玻璃织物材料制成，并可被提供为“毯”以改善第一和第二绝热层205、206相对于它们接触的柱加热装置201和GC柱202的外表面的一致性(conformance)。替代地，第一和第二绝热层205、206可包括其他类型的隔离，包括但不限于：玻璃纤维、玻璃布、玄武岩等。针对第一和第二绝热层205、206所选的材料通常需要在GC运行期间提供柱加热装置201和周围环境之间的足够的热障，并在GC运行之后能够被彻底和快速地冷却。

如在本公开中被更全面地描述的，第一和第二温度传感器203、204向控制器106提供数据，由电源107提供给柱温度控制装置104的功率被确定，该柱温度控制装置104包括柱加热装置201。通过基于来自第一和第二温度传感器203、204二者的温度值来控制被提供给柱加热装置201的功率，相比于已知方法，可以更精确地控制GC柱202的温度。注意的是，通过将第一温度传感器203定位在柱加热装置201内部或顶部，可以向控制器106提供关于柱加热装置201的温度的相对快速反馈。在一个实施例中，第一温度传感器203与柱加热装置201物理接触，该柱加热装置201被设计为响应于被施加到包含在柱加热装置201中的加热元件213(图2A中未示出)的功率的变化来促进温度的快速变化。相比之下，由于与加热元件213的相对距离较大，第二温度传感器204更加热隔离。因此，仅在温度信息流经GC柱202以及加热元件和第二温度传感器204之间的任意中间层之后，第二温度传感器将检测到来源于加热元件的功率调制的温度变化。

此外，将第二温度传感器204定位在GC柱202和第二层绝热层206的界面处允许测量GC柱202的、与GC柱邻近表面207那侧相反一侧的温度，来自柱加热装置201的加热元件213(图2A中未示出)的热量通过该表面207来流动。因此，如图2A的代表性实施例所描绘来定位第一和第二温度传感器203、204提供了从柱加热装置201到距离柱加热装置201最远的GC柱202那侧的热梯度的实时指示。图2B示出柱加热装置201的分解图，该分解图描绘了第一温度传感器203在柱加热装置201内的两个代表性位置。柱加热装置201包括基本上是平面的第一衬底208。分隔件层209可选地被布置在第一衬底208之上。

在分隔件层209中提供凹槽210，凹槽在某些实施例中接收第一温度传感器203。在其他实施例中，第一温度传感器203可被定位在中间层204和第二衬底215之间。尽管可通过将第一温度传感器203安装在GC柱温度控制装置200内的其他地方来实现一定程度的益处，但将第一温度传感器203紧靠加热元件213来定位对于加热器控制是有益的。

优选地，第一温度传感器203被定位在GC柱202和加热元件213之间。例如，第一温度传感器203可被定位在中间层214和第二衬底215之间。替代地，第一温度传感器203可被定位在“外”侧(即，在第一衬底208下方或在第二衬底215上方)。

加热元件213被布置在可选的中间层212和可选的中间层214(以下称为中间层214)之间。中间层212、214通常由相同的材料制成。中间层212、214还可被选为用作加热元件213和第一衬底208以及第二衬底215之间的电绝缘体。与第一衬底208类似，第二衬底215基本上是平面的。第二衬底215被配置为使GC柱(图2B中未示出)与其热接触。例如，GC柱被布置在第二衬底215的表面207之上，并且来自加热元件213的热量通过第二衬底215被传递到GC柱。如从图2B的视图可以理解的，表面207基本上是平面的。

第一和第二衬底208、215可包括单层或多层相同或不同的材料。如在下面被更全面地描述的，柱加热装置201基本上均匀地加热与第二衬底215相接触的GC柱。

如本领域普通技术人员应当理解的，物体的“热质量”是其存储热能(即，热量)的能力的量度。因此，与具有相对高的热质量的材料相比，具有相对低的热质量的材料改变温度所需的热量会更少。如在下面被更全面地描述的，为了能够较快的加热和冷却，针对柱加热装置201的第一和第二衬底208、215所选的材料具有相对低的热质量。

热质量(单位J/K)是材料的比热c_p和物体的质量m的乘积。为了方便，热质量还可被指定为材料的密度ρ、表面积A_s、以及垂直于表面积的厚度t的乘积。结合在一起，热质量可被表示为：

热质量＝(ρc_ptA_s)

由于柱加热装置201的表面积基于待加热的柱的尺寸是固定的，因此对于该讨论表面积可被视为常数。进一步检查其余项。项ρc_p也被称为材料的体积热容并且是材料的固有性质。为了最小化热质量，该项应被最小化。根据代表性实施例，第二衬底215或第一和第二衬底208、215的材料在25℃具有小于大约的体积热容。

用于第二衬底215或第一和第二衬底208、215的材料的选择还被机械刚度、低热梯度、以及热变形抗性所约束。这些约束在确定第二衬底215或第一和第二衬底208、215所需的材料的最小厚度时特别重要。它们和热质量不是独立的特性，因此考虑所有这些特性来选择材料。最终目标是实现横跨第二衬底215的表面207的低热梯度，并实现第一和第二衬底208和215的相对低热质量以使能较快的加热和冷却。

跨第二衬底215或跨第一和第二衬底208、215的热梯度是由于衬底的不同部分处于不同热环境中。例如，加热元件213不具有完全均匀的热分布。此外，第一和第二衬底208、215的外边缘通常会更多地暴露于周围温度环境。因此，跨第一和第二衬底208、215可存在热梯度。当针对第一和第二衬底所选的材料具有低热流抗性(也就是说，高热导率k)时，梯度被减小。因此，期望具有相对高热导率的材料(尤其是对于第二衬底215)，以便接触GC柱的表面207的温度基本均匀。根据代表性实施例，第二衬底215或第一和第二衬底208、215的材料在25℃具有大于大约的热导率。

第一和第二衬底208和215为柱加热装置201提供机械结构。注意的是，第一和第二衬底208、215为柱加热装置201的各种相对非刚性组件以及GC柱202和第二温度传感器204提供了足够的支撑。有益地，针对第一和第二衬底208、215所选的材料是足够坚硬的以提供这类充分的支撑。材料的刚度与其弹性模量(或杨氏模量)E相关。若材料具有高弹性模量，则只需较少的该材料(例如，其薄片)来提供与具有较低弹性模量的材料相同的刚度。因此，具有高弹性模量的材料是有益的，以便要求较少(热)质量的材料来实现充分的刚度。根据代表性实施例，第一和第二衬底208、215的材料具有大于大约100GPa的杨氏模量。除了刚度之外，第一和第二衬底208和215必须维持表面平坦性以便保持加热元件213与第二衬底215相接触，以及保持GC柱202与表面207直接接触，或与表面207间接接触(即，GC柱202与表面207之间具有中间层(未示出))。平坦性问题可能由于来自快速温度变化的变形或“屈曲”而发生。若组件中存在大热梯度，例如，当组件被不对称地冷却时，组件的一些地方将由于热膨胀而想要增长，而其他截面将想要保持固定。在最坏的情况下，这可导致屈曲或破裂。

可通过选择具有高热导率k、低热膨胀系数α、或同时具有二者的材料来最小化归因于热膨胀的机械变形的可能性。具有高热导率的材料抵抗在材料中形成大热梯度。具有低热膨胀的材料即使在显著的热梯度下也不会增长太多。选择具有高热导率、低热膨胀系数、或两者的材料允许使用较少的材料(例如，其薄片)以及因此较少的热质量，并提供足够的抗屈曲性。根据代表性实施例，第二衬底215或第一和第二衬底208、215的材料在25℃具有大于大约的热导率对热膨胀系数的比率。

在选择第二衬底215、或第一和第二衬底208、215的材料时的另一考虑是材料的电绝缘属性。有益地，材料是基本上电绝缘的，以避免不得不在柱加热装置201的层叠中添加额外的材料以执行该功能。

最后，重要的是为第二衬底215、或第一和第二衬底208、215选择在高于大约450℃的温度下能够在柱加热装置201中工作的材料。

表1展示了在第二衬底215、或第一和第二衬底208、215的材料的选择中将要考虑的一些因素的总结。

表1

在代表性实施例中，第二衬底215包括硅。通常，形成第二衬底215的硅层例如是单晶硅或多晶硅，并且厚度为大约0.3到1.5mm。例如，第二衬底215包括厚度为大约0.675mm的＜1，0，0＞硅。在代表性实施例中，第一衬底208例如是单晶硅或多晶硅。第一衬底208可包括厚度为大约0.675mm的＜1，0，0＞硅片，并且第二衬底215包括厚度各自为大约0.675mm的两个＜1，0，0＞硅片。针对第二衬底215使用两个片提供了稍微改善的保留时间可重复性。注意的是，第二衬底215不要求专门的抛光或掺杂。第一衬底208可以用与第二衬底215相同的材料和相同的规格来制成。

注意的是，针对第二衬底215、或第一和第二衬底208、215使用硅仅是示例性的。更一般地，针对第二衬底215、或第一和第二衬底208、215所选的材料被选为：在25℃具有小于大约的体积热容(ρc_p)；在25℃具有大于大约的热导率(k)；在25℃具有大于大约的热导率对热膨胀系数的比率以及大于大约100GPa的杨氏模量(E)。

期望这些物理特性以便在若干约束条件内实现柱加热装置201的较快加热和冷却，这些约束条件包括低热质量、机械刚度、低热梯度以及变形抗性。表2比较了一系列材料的这四个特性。

表2

基于以上所述，针对第二衬底215、或第一和第二衬底208、215所选的材料在25℃应具有小于大约的体积热容。因此，铜、氧化铝、镍铬合金、不锈钢、镍、蓝宝石、氮化硅、碳化钨、氧化铍、黄铜、青铜、铝黄铜、铁以及铍不是第二衬底215、或第一和第二衬底208、215的优选材料。

针对第二衬底215、或第一和第二衬底208、215所选的材料在25℃应具有大于大约的热导率。本说明书额外的消除。因此，Pyrex玻璃、云母、钛、石英玻璃、砷化镓、锗、氮化硼、氧化锆、碳化硼、磷化铟、铌、铼以及钽不是第二衬底215、或第一和第二衬底208、215的优选材料。

针对第二衬底215、或第一和第二衬底208、215所选的材料在25℃(在25℃)还应具有大于大约的热导率(k)对热膨胀系数(α)的比率。因此，铝、镁、银、锌以及金不是第二衬底215、或第一和第二衬底208、215的优选材料。

针对第二衬底215、或第一和第二衬底208、215所选的材料还应具有大于大约100GPa的杨氏模量。因此，石墨不是第二衬底215、或第一和第二衬底208、215的优选材料。

基于以上分析，可用于第二衬底215、或第一和第二衬底208、215的示例性的材料包括硅、氮化铝、金刚石、碳化硅、钨、钼、钨(特别是与铜的)合金、钼(特别是与铜的)合金、以及其组合。

在一个代表性实施例中，加热元件213被布置在中间层212、214之间。中间层212、214通常由相同的材料制成，并且各自具有第二相对低的热质量。此外，中间层212、214各自由电绝缘的材料制成。注意的是，若第一和第二衬底208、215是电绝缘的，则可以省略中间层212、214。然而，若中间层212、214的材料在相对高的温度下可以变得更导电(例如，硅)，则在加热元件和第一和第二衬底208、215之间需要电绝缘。因此，在第一和第二衬底包括硅的代表性实施例中，可能需要中间层212、214。然而，注意的是，在不包括中间层212、214的另一代表性实施例中，第一和第二衬底208、215的面向加热元件的那侧可涂覆一层玻璃或其他电介质以执行该绝缘功能。

在代表性实施例中，中间层212、214各自包括云母，该云母为片状硅酸盐(页硅酸盐)矿物。通常，云母材料为X₂Y_4-6Z₈Ｏ₂₀(OH，F)₄，其中，X为K、Na、或Ca或较不常见的Ba、Rb、或Cs；Y为Al、Mg、或Fe或较不常见的Mn、Cr、Ti、Li等；Z主要为Si或Al，但也可包括Fe³⁺或Ti。针对中间层212、214使用云母仅是示例性的，并且还可考虑具有与云母相类似的热质量、导电性、以及对归因于快速温度变化的机械变形的抗性的其他材料。例如，提供期望属性的织物(例如，玻璃纤维)和玄武岩。

加热元件213例如是电阻加热元件，例如，线加热器或箔加热器。也可考虑其它类型的加热元件。如应理解的，加热元件有利地是非常薄的，并因此基本上不会干扰柱加热装置200的每个层的期望的平面性质。利用已知的薄膜制造方法，还可考虑本领域普技术人员的能力范围之内的这类相对薄的加热元件。

图2C根据另一代表性实施例示出了柱加热装置201的分解图。柱加热装置201的许多方面基本上与结合图2B在上面所描述的柱加热装置201的那些方面相同。因此，不再重复与图2B中的柱加热装置201所共有的各个特征的许多细节。注意的是，柱加热装置201的这些共有元件的各个特性是相同的。例如，当由相同的材料(例如，硅)制成时，第一和第二衬底208、215相对于柱加热装置201的其他组件的热质量的相对大小与上述相同。

柱加热装置201包括第一衬底208，在第一衬底208之上布置有加热元件213。然而，注意的是，图2C的柱加热装置201不包括分隔件以及中间层209、212、214，它们在上面已被标记为是可选的。

图2C描绘了柱加热装置201的替代实施例中的其他第一温度传感器的两个代表性位置。在一个实施例中，第一温度传感器203被布置在第一衬底208之上并且在加热元件213下方。在另一个实施例中，第一温度传感器203被定位在加热元件213和第二衬底215之间。如上所述，尽管可通过将第一温度传感器203安装在GC柱温度控制装置200内的其他地方来实现一定程度的益处，但将第一温度传感器203紧靠加热元件213来定位对于加热器控制是有益的。

柱加热装置201还包括被布置在加热元件213之上的第二衬底215。第二衬底215被配置为使GC柱(图2C中未示出)与其直接接触或与其间接接触(即，在GC柱和第二衬底215之间具有中间层(未示出))。例如，GC柱被布置在第二衬底215的表面207之上，并且来自加热元件213的热量通过第二衬底215被传递，如结合图2B的代表性实施例在上面所描述的。第一和第二衬底208、215可包括单层或多层相同或不同的材料。通过上述第二衬底215的热量分布，装置201基本上均匀地加热与第二衬底215相接触的GC柱。

GC柱温度控制装置200包括第一温度传感器203，该第一温度传感器203被布置在柱加热装置201内部或直接邻近于柱加热装置201，该柱加热装置201包括如图2B和2C所示的加热元件213。将第一温度传感器203布置在加热元件213内部或邻近于加热元件213使得能够给控制器106提供关于加热元件213的温度的相对快速的反馈。此外，将第二温度传感器204定位在GC柱的与加热元件相反那侧获取实时温度梯度。

图3根据代表性实施例示出了控制器106的简化框图。简化框图描绘了控制器106的下述组件：这些组件可用于确定要被提供给加热元件213以便将GC柱的温度或GC柱的直接环境基本上维持在期望的水平所需的功率。注意的是，控制器106的其他组件(包括与GC柱的温度控制无关的其他硬件和固件)未被示出或描述。

控制器106包括比例-积分-微分(PID)控制器301。PID控制器301可由软件、微控制器或可编程逻辑器件(PLD)(例如，现场可编程门阵列(FPGA))、或其他类似设备实现。利用PID控制器算法来实现PID控制器301，该PID控制器算法涉及三个分别的常数参数并常被称为三项控制：比例、积分以及微分值。该算法以软件或固件、或这二者的组合的形式被呈现。如在下面被更全面地描述的，程序(指令代码)形式的PID控制器算法可被存储在存储器302或其他计算机可读介质中，并可使得PID控制器301确定电源的设定点以将GC柱(例如，GC柱202)加热到期望水平。注意的是，在由软件实现PID控制器301的代表性实施例中，该PID控制器301可被存储在存储器302中。

控制器106还包括数学处理组件或算法303，该数学处理组件或算法303被配置为从第一温度传感器203和第二温度传感器204接收温度数据，并计算真实柱温度的估计，这种估计与第一温度传感器203和第二温度传感器204单独可能提供的估计相比获得了改善。算法框303例如包括处理器，该处理器由硬件、固件、或软件、或其组合来实现。替代地，算法框303包括模拟电路，例如，电阻对。在一种优选实施例中，算法用于确定这两个温度传感器的加权平均。计算来自第一和第二温度传感器的数据的加权平均可通过将来自第一温度传感器203的温度乘以值(X)并将来自第二温度传感器204的温度乘以值(1-X)来实现。注意的是，X的值通过优化环境排斥(ambient rejection)来确定，并在下面更全面地描述。加权平均提供了GC柱202附近的温度的估计，并且通过适当地选择X的值，通过对来自第一和第二温度传感器203、204的数据的连续采集和解释，该估计可以在一个时间段内基本上是精确的。尽管描述了加权平均算法，但也可考虑处理温度输入数据并获得估计柱温度的其他方法。

算法框303大体上被配置为在一系列条件下确定尽可能接近实际柱温度的温度值。在现实世界环境中将变化的一个条件是环境温度。第一温度传感器203和GC柱202处的温度可随环境温度变化而不同地变化。当仅使用第一温度传感器203的值作为输入时，PID控制器301仅能补偿第一温度传感器203的位置附近的环境温度漂移的影响。由于系统中的热阻，所做的补偿将不能精确地补偿GC柱202处的环境温度的影响。这将导致柱温度中的轻微总体变化。当样品峰穿过柱时，它将因此看到稍微不同的平均温度，并且所得的峰洗脱时间将稍微变化。柱温度变化通常将是环境温度变化的一部分。为了维持可重复的峰洗脱时间(这将允许最容易的分析物鉴定)，最好保持该部分尽可能小。“环境排斥”是为了描述环境温度变化和有效柱温度变化之间的关系而给出的术语，并且通过把环境温度变化除以所得的柱温度变化来给出。环境排斥可以是正的或负的。在任意情况下，期望的是最大化环境排斥的绝对值。良好的GC系统中的环境排斥通常是100：1的数量级。

通过使用第一温度传感器203和第二温度传感器204的适当选择的加权平均，PID控制器301可以更精确地补偿柱处的环境漂移，这是由于实际柱温度被更好地近似。在变化的环境条件下，通过在化合物通过GC柱202的整个洗脱时间测量实际柱温度，可以确定将第二温度传感器204包括在内对于改善环境排斥有多大效果。

有益地，选择X的值以便使得环境温度变化对化合物保留没有影响。在实验上，可通过在相同的标称GC条件(例如，烘箱、入口、检测器温度以及压力设定点)下重复注入相同的样品并观察当X和环境温度变化时保留时间或保留指数(retention index)的漂移来显著优化X。保留指数是针对给定分析物的保留的相对测度，可用来确定有效柱温度。环境温度变化除以有效柱温度变化给出了热系统的环境排斥。

控制器106包括温度设定点模块304，该温度设定点模块304向PID控制器301提供当前功率设定点。算法框303将来自最近的计算的加权平均值提供给PID控制器301。PID控制器301计算来自温度设定点模块304的设定点温度和加权平均值之间的差异以确定温度误差。PID控制器算法将下列项相加：P乘以温度误差、I乘以温度误差在从第一和第二温度传感器203、204接收到最后的温度数据以来的时间上的积分、以及D乘以温度误差的微分。存在各种方法来针对计算温度误差的每次迭代确定有用的P、I以及D值，并最终由确定电源107施加给加热元件213的功率值。

温度误差是瞬时误差，因此，温度误差与其此前的值或之后的值无关。然而，积分是自特定时间点以来的所有温度误差的累加和，该特定时间点例如，当区域(zone)被开启或当温度接近设定点的时间。微分基于当前测量结果和一个或多个之前的测量结果。在一个实施例中，微分可以是以固定时间间隔测量的最近的温度误差和前一个温度误差之间的温度变化除以这两个温度误差的确定之间的时间差异。然而，可能需要更复杂的计算微分的方法(本教导所考虑的)以减少噪声的影响。注意的是，尽管可以从在时间上偏移的两个测量之前的差异来计算微分，但该简单的技术对于测量中的噪声可能是过于敏感的，并且可能给出不理想的控制。存在计算更加噪声免疫的微分值的许多方法。例如，可以对多个数据点执行函数的最小二乘法拟合函数，并从该函数计算微分。即使多个数据点覆盖了引起当前计算的时间段，所计算的微分将是针对该时间段内的特定时间的估计，该特定时间例如，时间段的中间。有益地，应针对尽可能接近最近的温度测量时间的时间做出微分的估计，通过使用少量的数据点来拟合函数，或通过在与最近的测量的时间相对应的时间对函数进行评估。

一旦PID控制器301确定用于由电源107提供给加热元件213的新的功率水平，则电源107施加该新的功率水平。然后从第一和第二温度传感器203、204收集额外的数据并重复该过程。通常，在开始下一次测量之前重复该过程。特别地，迭代之间的时间间隔(温度测量之间经过的时间)需要是足够短的以匹配热区域的热响应的速度。如已知的，热响应表示当所施加的功率变化，以及在第一和第二温度传感器203、204中感测到该变化的时间之间的延迟。热响应产生自尤其是加热器和传感器之间的热阻的组合效应，以及与系统相关联的各种热质量。快速系统将具有低热阻或低热质量、或二者。

每次测量温度，则执行PID计算并且加热器功率被适配于该新的值。当然，这可全部在模拟电路中完成，在这种情况下，所有操作是连续的而不是离散的，并且不存在时间间隔。

图4根据代表性实施例示出了控制GC柱的温度的方法400的流程图。方法400说明性地结合根据图1-3在上面所描述的实施例被实现。注意的是，可以通过控制器106的硬件、软件或固件以多种方式来执行方法400。在代表性实施例中，在控制器中(例如，在存储器302中)提供存储有程序的非暂态计算机可读介质。该程序包括用于实施该方法的代码。在下面的方法的每个部分中，公开了代码的不同的方面。这类代码容易地由本领域普通技术人员确定，并且为了本实施例的描述的清楚性而不再重复。

在S401处，方法包括测量温度。如上所述，由第一和第二温度传感器203、204来完成温度测量。在计算机可读介质中提供接收代码段以便从第一温度传感器203和第二温度传感器204接收温度数据。

在S402处，如上所述在控制器106中确定柱温度估计。在优选实施例中，在计算机可读介质中提供加权平均代码段以便从温度数据确定加权平均温度。

在S403处，在控制器106处做出柱温度估计和当前设定点之间的比较。在计算机可读介质中提供比较代码段以便将柱温度估计和当前设定点温度进行比较。基于该比较，在PID控制器301处确定温度误差。在计算机可读介质中提供比例、积分微分代码段以便确定温度误差。

在S404处，如上所述，PID算法确定施加给加热元件213所需的新的功率水平。在计算机可读介质中提供设置代码段以便从温度误差设置施加给加热元件的功率水平。

在S405处，如上所述，电源107基于来自PID控制器的功率水平输入来调整被施加给加热元件213的功率水平。在计算机可读介质中提供调整代码段以便基于温度误差来调整施加给加热元件213的功率水平。

如所示出的，从S401开始重复该过程。如上所述，这取决于热区域响应的速度有多快。说明性地，代表性实施例的热区域每秒被服务50次。如已知的，服务包括测量温度；使用温度数据在PID控制器301中执行PID计算，以及将控制信号提供给电源107，以改变被提供给如上所述的GC系统100中的柱温度控制装置104的功率。

鉴于本公开，注意的是，可以根据本教导来实现方法和设备。此外，各种组件、材料、结构以及参数仅以说明和示例的方式被包括，并且不具有任何限制性意义。鉴于本公开，可以在其他应用中实现本教导，并且可以确定实现这些应用所需的组件、材料、结构以及设备，并保持在所附权利要求的范围之内。

示例实施例

结合目前公开的主题所提供的示例性实施例包括，但不限于，权利要求以及下列实施例：

A1.一种气相色谱柱温度控制装置，包括：

柱加热装置；

第一温度传感器，该第一温度传感器位于柱加热装置内部或直接邻近于柱加热装置；

第二温度传感器，该第二温度传感器被布置在柱加热装置上方；以及

气相色谱柱，该气相色谱柱被布置在第一温度传感器和第二温度传感器之间，其中，气相色谱柱的温度基于来自第一和第二温度传感器的温度数据而被改变。

A2.如实施例A1所述的装置，还包括：第一绝热层，该第一绝热层被布置在柱加热装置下方，以及第二绝热层，第二温度传感器被布置在第二绝热层之上、内部、或下方。

A3.如任意前述实施例所述的装置，其中，柱加热装置包括：第一衬底；加热元件，该加热元件被布置在第一衬底之上；以及第二衬底，该第二衬底被布置在柱加热元件之上，第二衬底具有第一侧和第二侧，第二侧被配置为使气相色谱柱与其相接触，其中，来自柱加热装置的热量通过第二衬底被传递，并基本上均匀地加热与第二衬底相接触的气相色谱柱。

A4.如任意前述实施例所述的装置，其中，第二衬底包括硅。

A5.如任意前述实施例所述的装置，其中，第二衬底包括单晶硅或多晶硅。

A6.如任意前述实施例所述的装置，其中，第一衬底包括硅。

A7.如任意前述实施例所述的装置，其中，第一衬底包括单晶硅或多晶硅。

A8.如任意前述实施例所述的装置，第二衬底：在25℃具有小于的体积热容；在25℃具有大于的热导率；在25℃具有大于大约的热导率对热膨胀系数的比率；以及大于100GPa的机械刚度。

A9.如任意前述实施例所述的装置，第二衬底包括下列项中的一项：氮化铝、金刚石、碳化硅、钨、钼、钨合金、钼合金、或其组合。

A10.如任意前述实施例所述的装置，还包括：分隔件层，该分隔件层被布置在加热元件和第一衬底之间，该层被适配以接收第一温度传感器并维持第一温度传感器邻近于加热元件。

B1.一种温度控制系统，包括：

第一温度传感器，该第一温度传感器被布置为邻近于气相色谱柱；以及

第二温度传感器，该第二温度传感器被布置在柱加热装置内部或上方；

控制器，该控制器被配置为从第一和第二温度传感器接收温度数据，并输出基于来自第一和第二温度传感器的温度数据的控制信号；以及

电源，该电源被配置为从控制器接收控制信号，并调整对柱加热装置的电功率以改变气相色谱柱的温度。

B2.如实施例B1所述的系统，其中，控制器包括比例、积分、微分(PID)控制器。

B3.如实施例B1或B2所述的系统，其中，PID控制器被配置为基于来自第一温度传感器的温度数据来实现第一PID计算，并基于来自第二温度传感器的温度数据来实现第二PID计算。

B4.如实施例B1、B2、或B3所述的系统，其中，第二PID计算用来计算和改变第一PID计算。

B5.如实施例B1到B4中的任一项所述的系统，其中，基于经改变的第一PID计算的控制信号被提供给电源。

B6.如实施例B1到B5中的任一项所述的系统，其中，PID控制器被配置为基于来自第一和第二温度传感器的温度数据的加权平均来实现PID计算。

C1.一种用于控制柱加热装置的系统，该装置包括：

控制器，该控制器被配置为从第一温度传感器和第二温度传感器接收温度数据，该控制器还被配置为执行编程操作，包括：

从温度数据确定估计的柱温度；

将估计的柱温度与当前设定点温度进行比较；

从估计的柱温度和当前设定点温度的比较确定温度误差；以及

基于所确定的温度误差来调整要施加到加热元件的功率水平。

C2.如实施例C1所述的系统，其中，估计的柱温度是使用来自第一和第二温度传感器二者的数据来计算的。

C3.如实施例C1或C2所述的系统，其中，第一温度传感器比第二温度传感器更靠近加热元件。

C4.如实施例C1、C2、或C3所述的系统，其中，当前设定点温度是气相色谱柱的期望温度的函数。

Claims (20)

1.一种气相色谱柱温度控制装置，包括：

柱加热装置；

第一温度传感器，所述第一温度传感器位于所述柱加热装置内部或直接邻近于所述柱加热装置；

第二温度传感器，所述第二温度传感器被布置在所述柱加热装置上方；以及

气相色谱柱，所述气相色谱柱被布置在所述第一温度传感器和所述第二温度传感器之间，其中，所述气相色谱柱的温度基于来自所述第一和第二温度传感器的温度数据而被改变。

2.如权利要求1所述的装置，还包括：第一绝热层，所述第一绝热层被布置在所述柱加热装置下方，以及第二绝热层，所述第二温度传感器被布置在所述第二绝热层之上、内部、或下方。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述柱加热装置包括：第一衬底；加热元件，所述加热元件被布置在所述第一衬底之上；以及第二衬底，所述第二衬底被布置在所述柱加热元件之上，所述第二衬底具有第一侧和第二侧，所述第二侧被配置为使所述气相色谱柱与所述第二侧相接触，其中，来自所述柱加热装置的热量通过所述第二衬底被传递，并基本上均匀地加热与所述第二衬底相接触的所述气相色谱柱。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述第二衬底包括硅。

5.如权利要求3所述的装置，其中，所述第二衬底包括单晶硅或多晶硅。

6.如权利要求3所述的装置，其中，所述第一衬底包括硅。

7.如权利要求3所述的装置，其中，所述第一衬底包括单晶硅或多晶硅。

8.如权利要求3所述的装置，所述第二衬底：在25℃具有小于的体积热容；在25℃具有大于的热导率；在25℃具有大于大约的热导率对热膨胀系数的比率；以及大于100GPa的机械刚度。

9.如权利要求3所述的装置，所述第二衬底包括下列项中的一项：氮化铝、金刚石、碳化硅、钨、钼、钨合金、钼合金、或其组合。

10.如权利要求3所述的装置，还包括：分隔件层，所述分隔件层被布置在所述加热元件和所述第一衬底之间，所述层适于接收所述第一温度传感器并维持所述第一温度传感器邻近于所述加热元件。

11.一种温度控制系统，包括：

第一温度传感器，所述第一温度传感器被布置为邻近于气相色谱柱；以及

第二温度传感器，所述第二温度传感器被布置在所述柱加热装置内部或上方；

控制器，所述控制器被配置为从所述第一和第二温度传感器接收温度数据，并输出基于来自所述第一和第二温度传感器的温度数据的控制信号；以及

电源，所述电源被配置为从所述控制器接收控制信号，并调整对所述柱加热装置的电功率以改变所述气相色谱柱的温度。

12.如权利要求8所述的系统，其中，所述控制器包括比例、积分、微分(PID)控制器。

13.如权利要求9所述的系统，其中，所述PID控制器被配置为基于来自所述第一温度传感器的温度数据来实现第一PID计算，并基于来自所述第二温度传感器的温度数据来实现第二PID计算。

14.如权利要求10所述的系统，其中，所述第二PID计算用来计算和改变所述第一PID计算。

15.如权利要求11所述的系统，其中，基于所述经改变的第一PID计算的控制信号被提供给所述电源。

16.如权利要求9所述的系统，其中，所述PID控制器被配置为基于来自所述第一和第二温度传感器的温度数据的加权平均来实现PID计算。

17.一种用于控制柱加热装置的系统，所述装置包括：

控制器，所述控制器被配置为从第一温度传感器和第二温度传感器接收温度数据，所述控制器还被配置为执行编程操作，包括：

从所述温度数据确定估计的柱温度；

将所述估计的柱温度与当前设定点温度进行比较；

从所述估计的柱温度和所述当前设定点温度的比较确定温度误差；以及

基于所确定的温度误差来调整要施加到加热元件的功率水平。

18.如权利要求17所述的系统，其中，所述估计的柱温度是使用来自所述第一和第二温度传感器二者的数据来计算的。

19.如权利要求17所述的系统，其中，所述第一温度传感器比所述第二温度传感器更靠近所述加热元件。

20.如权利要求17所述的系统，其中，所述当前设定点温度是气相色谱柱的期望温度的函数。