CN108167171B - 一种输液泵压力脉动自动校正的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种输液泵压力脉动自动校正的控制方法，在设定条件下，通过改变电机加减速的位置得到一个压力脉动最小的电机运转步数A0；根据使用的溶剂计算对应的压缩系数C；根据压缩系数C比对变速位置表，选择对应的变速位置公式；根据系统压力P，通过变速位置公式计算最佳的相对变速位置A01；不同仪器间的差异通过校正系数K进行校正，得出最终的最佳变速位置A＝A01/K。本发明提供了一种在较大压力范围，自动补偿由于不同的溶剂、流量等因素造成的压力变化而产生较大压力脉动的技术与控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及高效液相色谱领域，主要涉及输液泵的压力脉动自动校正的控制方法。
背景技术
高效液相色谱仪是一种高效的分离和分析技术，能够将各种样品中的不同组分迅速分离，然后逐一加以定性和定量分析。高效液相色谱仪主要由输液泵、进样器、色谱柱、检测器构成，输液泵的主要作用是将样品带入色谱柱中，使样品在色谱柱填料和流动相之间作用并实现分离，而平稳的压力脉动是保证分离重复性的基础。随着检测器的灵敏度越来越高，输液脉动的增加会影响基线噪音，降低检测灵敏度，对于示差折光检测器、电化学检测器以及要求低分散系统的细内径色谱柱等尤为重要。因此，本发明探索了一种压力脉动补偿技术及控制方法。
目前液相色谱中使用最多的输液泵是柱塞泵，它是由单向阀、柱塞杆、密封圈、凸轮和驱动组成，通常是电机驱动凸轮运转使柱塞杆在泵腔内往复运动，从而实现周期性的吸液和送液。为了改善输液的稳定性，降低压力脉动，通常有以下几种方式：第一种方式是在输液泵和色谱柱之间增加缓冲器，但该方式通常需要较大的缓冲体积，这样就会增加系统的滞后体积；第二种方式是降低每次冲程的排液量，提高柱塞杆的运动频率，但这会导致仪器易损耗件的磨损，比如单向阀、密封圈，同时该方式只对特定溶剂在较小压力范围内有效。比如水在10MPa时压力脉动很小，但换成甲醇时，压力变成了4MPa左右，此时，压力脉动会明显增大，这是由于甲醇的压缩系数远远大于水的压缩系数，从而两个溶剂每次冲程的最佳排液量也会不一样；第三种方式是改进驱动方式，在主柱塞杆输液前进行溶剂预压缩，使主泵的压力与系统压力相等或稍高，但这种方式对电机驱动的控制精度较高。
在上述的三种方式中，虽然在一定程度上能够降低压力脉动，但只能在较小范围的某一段压力范围(8-12MPa)适用，当流动相改变或流量改变使压力发生变化的时候，压力脉动也会随之变大，为此，本文提出了一种在大范围不受溶剂和压力影响的，能够自动进行压力脉动补偿的控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种在较大压力范围，自动补偿由于不同的溶剂、流量等因素造成溶剂可压缩性变化而导致的输液压力变化进而产生较大压力脉动的技术与控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种输液泵压力脉动自动校正的控制方法，其特征在于：
输液泵在设定条件下，通过改变电机加减速的位置得到一个压力脉动最小的电机运转步数A0；
根据使用的溶剂计算对应的压缩系数C；
根据压缩系数C比对变速位置表，选择对应的变速位置公式；
根据系统压力P，通过变速位置公式计算最佳的相对变速位置A01；
不同仪器间的差异通过校正系数K进行校正，得出最终的最佳变速位置A＝A01/K。
其中，所述输液泵是由步进电机、凸轮、主柱塞杆、副柱塞杆、主泵腔和副泵腔组成；步进电机通过传动机构带动凸轮转动，凸轮分别驱动主柱塞杆和副柱塞杆交替往复运动，主泵腔容积是副泵腔容积的两倍，副泵腔的入口连接主泵腔的出口。
其中，所述设定条件为设定压力和设定溶剂，设定压力范围为5Mpa-15Mpa，设定溶剂为水、甲醇或者乙腈。
其中，所述压缩系数C为溶剂本身可被压缩的大小；如溶剂为混合溶液，则压缩系数C＝a*c1+b*c2+c*c3+d*c4，其中a、b、c、d为混合溶液中各个溶剂所占的百分比，溶剂不局限数量。c1、c2、c3、c4为混合溶液中各个溶剂对应的压缩系数。
其中，不同压缩系数对应不同的变速位置公式，变速位置公式根据实际系统压力计算得出对应的电机变速位置点。
其中，所述变速位置表如下：
| 压缩系数C所属范围值 | 变速位置 |
| [45,105) | A01＝k1*P+b1 |
| [105,115] | A01＝k2*P+b2 |
| (115,120] | A01＝k3*P+b3 |
其中，k1的范围是4-8，k2的范围是8-9，k3的范围是9-11，b1的范围是50-70，b2的范围是70-80，b3的范围是80-100。
其中，在步骤①的设定条件下，根据变速位置公式得出步骤一设定条件下的相对变速位置A01’，所述校正系数K＝A01’/A0。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的适用范围广，不受溶剂、压力、流量等因素的影响，在等度、梯度模式下均能实现压力脉动自动补偿；
本发明无需增加额外的设备，生产成本低；
本发明对体系无副作用且对步进电机以及加工精度要求低。
附图说明
图1是本发明输液泵结构示意图；
图2是本发明压力脉动自动补偿控制方法的流程图；
图3是本发明案例的效果图。
具体实施方式
下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步描述，参见图1—3：
一种输液泵压力脉动补偿控制方法，其中输液泵的具体结构如图1所示，包括步进电机、凸轮、主柱塞杆、副柱塞杆、主泵腔和副泵腔。其中，步进电机通过传动机构带动凸轮转动，凸轮分别驱动主柱塞杆和副柱塞杆交替往复运动；
主泵腔容积是副泵腔容积的两倍，副泵腔的入口连接主泵腔的出口；主柱塞杆前进时将液体送入副泵腔内，副柱塞杆后退吸入主泵腔一半液体，另一半则由副泵腔输出到其它模块；主柱塞杆后退吸入容器内液体进入主泵腔，副柱塞杆前进将从主泵腔吸入的一半液体输出到其它模块。
当主柱塞杆和副柱塞杆两者与凸轮的非圆周段接触时，通过改变步进电机的转动速度使副泵腔平稳排出液体，进而减小压力脉动。其中，具体的控制步进电机转动速度的方法参考附图2，其具体操作步骤如下：
假设在水为流动相，压力为10MPa下，通过改变步进电机加减速的位置使压力脉动达到最小，得到一个变速位置也就是电机运转步数A0＝130。
改变流动相(变为混合液)，这里以30％甲醇70％水为例，启动输液泵，软件程序根据设置的溶剂开始计算对应的压缩系数C。甲醇对应的压缩系数是120，水对应的压缩系数是46，在本例中是30％甲醇70％水的混合溶液，那么混合溶液的压缩系数为120×30％+46×70％＝68.2。
将计算所得的压缩系数C＝68.2与内置的变速位置表比对，选择对应的变速位置公式为A01＝7*P+65(在本实施例中，假设k1＝7，b1＝65)，再根据系统压力P进行计算最佳的相对变速位置A01，假设当前压力P为15MPa，那么A01就为7*15+65＝170。所述的变速位置表如下：
| 压缩系数C所属范围值 | 变速位置 |
| [45,105) | A01＝k1*P+b1 |
| [105,115] | A01＝k2*P+b2 |
| (115,120] | A01＝k3*P+b3 |
不同仪器间的差异通过校正系数K进行校正，在本实例中校正系数K＝A01’/A0＝(7*10+65)/130＝1.04，校正后得到最终的最佳变速位置A＝A01/K＝170/1.04＝163，也就是说，步进电机在第163步的时候开始进行加减速控制。
同样，当所使用的溶剂或流量或压力发生变化的时候，软件控制程序会自动根据实时的压力重复上述步骤对压力脉动进行调整。
可参见图3对比使用本发明的效果，图中上侧曲线为未使用本发明的压力脉动，下侧曲线为使用本发明后的压力脉动，可明显的看出使用本发明后压力脉动大大减小。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、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 (7)
1.一种输液泵压力脉动自动校正的控制方法，其特征在于：
①、输液泵在设定条件下，通过改变电机加减速的位置得到一个压力脉动最小的电机运转步数A0；
②、根据使用的溶剂计算对应的压缩系数C；
③、根据压缩系数C比对变速位置表，选择对应的变速位置公式；
④、根据系统压力P，通过变速位置公式计算最佳的相对变速位置A01；
⑤、不同仪器间的差异通过校正系数K进行校正，得出最终的最佳变速位置A＝A01/K。
2.根据权利要求1所述的一种输液泵压力脉动自动校正的控制方法，其特征在于：所述输液泵包括步进电机、凸轮、主柱塞杆、副柱塞杆、主泵腔和副泵腔，步进电机通过传动机构带动凸轮转动，凸轮分别驱动主柱塞杆和副柱塞杆交替往复运动，主泵腔容积是副泵腔容积的两倍，副泵腔的入口连接主泵腔的出口。
3.根据权利要求1所述的一种输液泵压力脉动自动校正的控制方法，其特征在于：所述设定条件为设定压力和设定溶剂，设定压力范围为5Mpa-15Mpa，设定溶剂为水、甲醇或者乙腈。
4.根据权利要求1所述的一种输液泵压力脉动自动校正的控制方法，其特征在于：所述压缩系数C为溶剂本身可被压缩的大小；如溶剂为混合溶液，则压缩系数C＝a*c1+b*c2+c*c3+d*c4；a、b、c、d为混合溶液中各个溶剂所占的百分比，溶剂不局限数量；c1、c2、c3、c4为混合溶液中各个溶剂对应的压缩系数。
5.根据权利要求1所述的一种输液泵压力脉动自动校正的控制方法，其特征在于：不同压缩系数对应不同的变速位置公式，变速位置公式根据实际系统压力计算得出对应的电机变速位置点。
6.根据权利要求5所述的一种输液泵压力脉动自动校正的控制方法，其特征在于：所述变速位置表如下：
k1的范围是4-8，k2的范围是8-9，k3的范围是9-11，b1的范围是50-70，b2的范围是70-80，b3的范围是80-100。
7.根据权利要求1所述的一种输液泵压力脉动自动校正的控制方法，其特征在于：在步骤①的设定条件下，根据变速位置公式得出步骤① 设定条件下的相对变速位置A01’，所述校正系数K＝A01’/A0。
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