DE102009042992A1

DE102009042992A1 - Prozess-Gaschromatograph

Info

Publication number: DE102009042992A1
Application number: DE102009042992A
Authority: DE
Inventors: Peter Berghäuser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2029-09-26
Also published as: DE102009042992B4; WO2011036279A1

Abstract

Prozess-Gaschromatograph, bestehend aus Chromatographiemodulen (3, 4, 5, 6) mit fluidischen und elektrischen Schnittstellen, einem Modulträger (1), der mit Fluidik-Anschlüssen (8) versehene Montageplätze (2) zur Aufnahme von mindestens zwei Chromatographiemodulen (3, 4, 5, 6) aufweist, einem vorzugsweise in dem Modulträger (1) integrierten elektrischen Bus (11) mit Busanschlüssen (9) für die mindestens zwei Chromatographiemodule (3, 4, 5, 6), der die elektrischen Schnittstellen (19) der auf dem Modulträger (1) montierten Chromatographiemodule (3, 4, 5, 6) mit vorzugsweise in einem weiteren Modul (7) untergebrachten übergeordneten Steuerungs- und Auswertemitteln (20) verbindet, die dazu ausgebildet sind, die von den Chromatographiemodulen (3, 4, 5, 6) gelieferten Messwerte zu einem Messergebnis zusammenzuzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Prozess-Gaschromatograph.
In vielen Bereichen der chemischen und petrochemischen Industrie werden Prozess-Gaschromatographen zur automatischen Bestimmung der Stoffzusammensetzung unterschiedlicher Produktströme eingesetzt. Das können sowohl gasförmige als auch flüssige Proben sein. Durch die große Vielfalt der möglichen Komponentenzusammensetzungen entsteht die Notwendigkeit einen Prozess-Gaschromatographen möglichst flexibel an jede Messaufgabe (Applikation) anzupassen. Die Bandbreite von verschiedenen möglichen Applikationen lässt sich zwar für bestimmte, weniger komplexe Messaufgaben in Kategorien einteilen, jedoch erfordern auch diese Kategorien die Notwendigkeit einer individuellen Anpassung und damit einen gewissen Grad an Flexibilität. Das alles erfordert einen hohen Aufwand bei der gerätetechnischen Konfiguration und der anschließenden Parametrierung eines Prozess-Gaschromatographen.
Heute wird ein Prozess-Gaschromatograph für eine bestimmte Applikation aus vielen Einzelkomponenten individuell zusammengestellt. Dazu steht für jede Teilfunktion innerhalb des Prozess-Gaschromatographen eine Bausteinauswahl zur Verfügung, die sich mit den Bausteinen anderer Teilfunktionen kombinieren lässt. Die Teilfunktionen umfassen im Wesentlichen:

– Dosierung
– Trennung (Trennsäulen oder Trennsäulenschaltung),
– Detektion (ggf. Mehrfachdetektion),
– Temperierung des Analysatorteiles (Ofen),
– Elektronische Steuerung und Auswertung,
– Signalaus- und -eingänge,
– Datenübertragung.

Für spezielle einfache Applikationen gibt es bereits Gaschromatographen bei denen vorgefertigte standardisierte Analysenmodule eingesetzt werden. Ein solches Analysenmodul ist beispielsweise aus der DE 103 01 601 B3 bekannt. Das bekannte Analysenmodul besteht aus einer einzigen Platine und enthält alle Kernkomponenten eines Gaschromatographen wie Injektor, Trennsäule und Detektor. Ein auf der Platine vorhandener Mikroprozessor übernimmt die Steuerung des Moduls sowie die Speicherung und Übermittlung der Daten über eine industrieübliche Kommunikations-Schnittstelle. Eine Gas-Schnittstelle dient zur Zu- und Abfuhr von Proben- und Trägergas.
Mit solchen Analysenmodulen lässt sich nur ein eingeschränkter Bereich von möglichen Applikationen realisieren, wobei die Größe des Bereichs davon abhängt, mit welchem Trennleistungsüberschuss die bereits fest integrierten Trennsäulen ausgelegt worden sind. In der Regel wird jedoch mit dem verwendeten Analysenmodul eine Spezialaufgabe gelöst, wie z. B. die Brennwertbestimmung von Erdgas. In jedem Prozess-Gaschromatograph lässt sich nur ein Analysenmodul verwenden.
Komplexe chromatographische Analysen werden heute oft in mehrere einfache Analysen aufgeteilt, die gleichzeitig parallel durchgeführt werden (Parallel-Chromatographie). Dazu werden die einzelnen Applikation in sogenannten Analysentrains realisiert, die in dem Ofen des Gaschromatographen aus den oben genannten Einzel-Komponenten aufgebaut werden.
Aus der DE 199 54 855 C1 ist ein modulares System zur automatisierten Behandlung, z. B. Analyse, von Fluiden bekannt, das aus einzelnen aneinanderreihbaren und austauschbaren Prozessmodulen besteht, die modulspezifische Prozessfunktionen ausüben. Die Prozessmodule weisen jeweils eine Steuerungseinheit und eine von dieser zur Durchführung der modulspezifischen Prozessfunktion steuerbare Fluideinheit auf. Die Steuerungseinheiten sind über einen den Prozessmodulen gemeinsamen Datenbus und die Fluideinheiten über einen mehrere Kanäle aufweisenden Fluidbus miteinander verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gerätetechnischen Aufwand für Parallel-Chromatographie mittels eines Prozess-Gaschromatographen zu verringern und dessen Flexibilität in Bezug auf verschiedene Messaufgabe zu erhöhen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch den in Anspruch 1 definierten Prozess-Gaschromatographen gelöst, von dem vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Prozess-Gaschromatograph

– mit einem Chromatographiemodul, das einen Injektor, eine Trenneinrichtung, mindestens einen Detektor, eine Temperiereinrichtung für die Trenneinrichtung und den mindestens einen Detektor, eine Steuerungs- und Auswerteeinheit, eine fluidische Schnittstelle und eine elektrische Schnittstelle aufweist,
– mit Mitteln zur Zu- und Abfuhr von Proben- und Trägergas über die fluidische Schnittstelle an das oder von dem Chromatographiemodul und
– mit übergeordneten Steuerungs- und Auswertemittel, die zum Erhalt von Messwerten des Chromatographiemoduls über dessen elektrische Schnittstelle mit der Steuerungs- und Auswerteeinheit verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,
– dass die Mittel zur Zu- und Abfuhr von Proben- und Trägergas in Form von Kanälen in einem Modulträger ausgebildet sind, der mit Fluidik-Anschlüssen versehene Montageplätze zur Aufnahme von mindestens zwei Chromatographiemodulen aufweist,
– dass ein elektrischer Bus mit Busanschlüssen für die mindestens zwei Chromatographiemodule vorhanden ist, der die elektrischen Schnittstellen der auf dem Modulträger montierten Chromatographiemodule mit den übergeordneten Steuerungs- und Auswertemittel verbindet, und
– dass die übergeordnete Steuerungs- und Auswertemittel dazu ausgebildet sind, die von den Chromatographiemodulen gelieferten Messwerte zu einem Messergebnis zusammenzuführen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht also in der Bereitstellung eines standardisierten Bausteinsystems, das es ermöglicht einen in seiner Leistungsfähigkeit (Applikationsfähigkeit) auf einfache Weise skalierbaren Prozess-Gaschromatographen zu bauen.
Das Bausteinsystem besteht aus standardisierten Chromatographiemodulen, die jeweils die komplette Funktion eines einfachen Gaschromatographen umfassen. Das mechanische, pneumatische, fluidische und elektrische Interface der Chromatographiemodule ist in den Schnittstellen bzw. Anschlüssen standardisiert und hat einen Standardformfaktor. Mehrere Chromatographiemodule lassen sich so zu einem Prozess-Gaschromatographen kombinieren. So entsteht auf einfache Weise ein breites Angebot von Prozess-Gaschromatographen unterschiedlichster Leistungsfähigkeit. Die zentralen übergeordneten Steuerungs- und Auswertemittel steuern in übergeordneter Weise die einzelnen Chromatographiemodule, werten die Messwerte der Chromatographiemodule aus und kommunizieren mit der Außenwelt. Die übergeordneten Steuerungs- und Auswertemittel haben vorzugsweise ebenfalls das Standardinterface (ohne die fluidischen Anschlüssen) und werden wie ein Chromatographiemodul auf dem Modulträger montiert.
Der Modulträger bildet ein standardisiertes Verbindungssystem für die Chromatographiemodule, das kostengünstig produzierbar ist, weil die bisher übliche diskrete Verrohrung mit allen Fittings und Verschraubungen entfällt. Dadurch ergibt sich außerdem eine Reduktion der Montagezeiten und Fehlermöglichkeiten durch Undichtigkeit, Verkabelungsfehler etc. In den Kanälen des Modulträgers werden Proben, Kalibrier- und Hilfsmedien wie z. B. Instrumentenluft und Trägergase geführt, während über den elektrischen Bus Daten (z. B. Messwerte), Steuersignale und elektrische Hilfsenergie geführt werden.
Der elektrische Bus kann als Rückwandbus ausgeführt oder vorzugsweise in dem Modulträger integriert sein.
Die Chromatographiemodule können in einem Plug&Plag-Verfahren Prozess-Gaschromatographen hinzugefügt werden. Die Chromatographiemodule enthalten vorzugsweise Speichermittel, in denen Informationen über die Charakteristiken oder Eigenschaften der Chromatographiemodule abgespeichert sind; die übergeordneten Steuerungs- und Auswertemittel können dann diese Informationen auslesen und zur Steuerung der einzelnen Chromatographiemodule und/oder Zusammenführung der von ihnen gelieferten Messwerte zu dem Gesamt-Messergebnis herziehen.
Die einzelnen Chromatographiemodule unterscheiden sich z. B. durch Trennsäulenmaterialien, Dosiermöglichkeiten und/oder Detektortypen, wobei die Dosierung, Trennsäule oder ggf. Trennsäulenschaltung und Detektoren vorzugsweise miniaturisiert, z. B. mittels mikromechanischer Bauelemente realisiert sind. Sie lassen sich daher aufgrund eines hohen Anteils gleicher Teile und der Möglichkeit eines relativ hohen Fertigungsautomatisierungsanteils kostengünstig produzieren.
Neben den Analytik-Funktonen enthält das Chromatographiemodul auch eine Steuerungs- und Auswerteeinheit, ggf. ein pneumatisches bzw. fluidisches Supportsystem (z. B. Druckregler) und eine Temperierung für die Trenneinrichtung und die Detektoren. Die moduleigene Steuerungs- und Auswerteeinheit erfasst die Detektorsignale und steuert den Analyseprozess in dem Chromatographiemodul.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prozess-Gaschromatographen,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prozess-Gaschromatographen und
3 ein Ausführungsbeispiel eines Chromatographiemoduls.
1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung einen modularen Prozess-Gaschromatographen mit einem Platten- oder leistenförmigen Modulträger 1, der auf einer Seite mehrere Montageplätze 2 für unterschiedliche Chromatographiemodule 3, 4, 5, 6 und ein zentrale übergeordnete Steuerungs- und Auswertemittel 20 enthaltendes Modul 7 aufweist. Im Bereich der Montageplätze 2 sind Fluidik-Anschlüsse 8 zur Zu- und Abfuhr von Proben- und Trägergas in bzw. aus dem dort jeweils platzierten Chromatographiemodul, z. B. 4, sowie Busanschlüsse 9 zur Übertragung von Daten (z. B. Messwerten), Steuersignalen und elektrischer Hilfsenergie angeordnet. Innerhalb des Modulträgers 1 werden die Fluide durch Kanäle 10 und die Daten, Steuersignale und elektrische Hilfsenergie über einen elektrischen Bus 11 geführt.
Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel des Prozess-Gaschromatographen unterscheidet sich von dem nach 1 dadurch, dass der Modulträger 1 aus miteinander verbindbaren Trägerabschnitten 12 besteht, von denen jeder Trägerabschnitt 12 jeweils einen Montageplatz 2 für eines der Module 3 bis 7 aufweist.
3 zeigt schließlich ein Ausführungsbeispiel eines der Chromatographiemodule, z. B. 4, das einen Injektor 13, eine Trenneinrichtung 14, einen Detektor 15, eine Temperiereinrichtung 16 für die Trenneinrichtung 14 und den Detektor 15, eine Steuerungs- und Auswerteeinheit 17, eine fluidische Schnittstelle 18 und eine elektrische Schnittstelle 19 aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10301601 B3 [0004]
DE 19954855 C1 [0007]

Claims

Prozess-Gaschromatograph – mit einem Chromatographiemodul (3, 4, 5, 6), das einen Injektor (13), eine Trenneinrichtung (14), mindestens einen Detektor (15), eine Temperiereinrichtung (16) für die Trenneinrichtung (14) und den mindestens einen Detektor (15), eine Steuerungs- und Auswerteeinheit (17), eine fluidische Schnittstelle (18) und eine elektrische Schnittstelle (19) aufweist, – mit Mitteln zur Zu- und Abfuhr von Proben- und Trägergas über die fluidische Schnittstelle (18) an das oder von dem Chromatographiemodul (3, 4, 5, 6) und – mit übergeordneten Steuerungs- und Auswertemittel (20), die zum Erhalt von Messwerten des Chromatographiemoduls (3, 4, 5, 6) über dessen elektrische Schnittstelle (19) mit der Steuerungs- und Auswerteeinheit (17) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, – dass die Mittel zur Zu- und Abfuhr von Proben- und Trägergas in Form von Kanälen (10) in einem Modulträger (1) ausgebildet sind, der mit Fluidik-Anschlüssen (8) versehene Montageplätze (2) zur Aufnahme von mindestens zwei Chromatographiemodulen (3, 4, 5, 6) aufweist, – dass ein elektrischer Bus (11) mit Busanschlüssen (9) für die mindestens zwei Chromatographiemodule (3, 4, 5, 6) vorhanden ist, der die elektrischen Schnittstellen (19) der auf dem Modulträger (1) montierten Chromatographiemodule (3, 4, 5, 6) mit den übergeordneten Steuerungs- und Auswertemittel (20) verbindet, und – dass die übergeordnete Steuerungs- und Auswertemittel (20) dazu ausgebildet sind, die von den Chromatographiemodulen (3, 4, 5, 6) gelieferten Messwerte zu einem Messergebnis zusammenzuführen.
Prozess-Gaschromatograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Bus (11) mit den Busanschlüssen (9) in dem Modulträger (1) integriert ist.
Prozess-Gaschromatograph nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulträger (1) aus miteinander verbindbaren Trägerabschnitten (12) besteht, von denen jeder Trägerabschnitte (12) jeweils einen Montageplatz (2) für ein Chromatographiemodul (3, 4, 5, 6) aufweist.
Prozess-Gaschromatograph nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordneten Steuerungs- und Auswertemittel (20) in einem auf dem Modulträger (1) montierbaren Modul (7) enthalten ist.
Prozess-Gaschromatograph nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromatographiemodule (3, 4, 5, 6) Speichermittel enthalten, in denen Informationen über die Eigenschaften der Chromatographiemodule (3, 4, 5, 6) abgespeichert sind, und dass die übergeordneten Steuerungs- und Auswertemittel (20) dazu ausgebildet sind, diese Informationen auszulesen und zur Zusammenführung der Messwerte zu heranzuziehen.