DE102014110061A1

DE102014110061A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung des Einflusses schwankender Umgebungs- und Betriebsbedingungen auf die Stabilität, Genauigkeit und/oder Präzision eines Prüf- und/oder Messgerätes

Info

Publication number: DE102014110061A1
Application number: DE102014110061.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Hilmer; Christoph Kessler; Jonathan Derix
Original assignee: Dionex Softron GmbH
Current assignee: Dionex Softron GmbH
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2034-07-18
Also published as: DE102014110061B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des Einflusses schwankender Umgebungs- und Betriebsbedingungen auf die Stabilität, Genauigkeit und/oder Präzision eines Prüf- und/oder Messgerätes, bei dem das Prüf- und/oder Messgerät Verlustwärme wenigstens einer in einer Einheit 1 angeordneten Komponente freisetzt, die von der Einheit 1 freigesetzte Wärme über eine Kühlvorrichtung 7 von der Einheit 1 abgeführt wird, die Temperatur der Einheit 1 gemessen wird, die Kühlleistung der Kühlvorrichtung 7 gemessen wird, die Kühlleistung P der Kühlvorrichtung 7 über eine Stellgröße N beeinflusst wird und mit Hilfe der zeitlichen Verläufe der gemessenen Kühlleistung und der gemessenen Temperatur der Einheit 1 die Stellgröße N so eingestellt wird, dass die Temperatur der Einheit 1 im Wesentlichen konstant einem vordefinierbaren oder ermittelten Sollwert T1 entspricht. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Prüf- und/oder Messgerät zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verringerung des Einflusses schwankender Umgebungs- und Betriebsbedingungen, insbesondere von Temperaturschwankungen oder einem geänderten Luftwiderstand in einem Kühlluftzweig auf die Stabilität, Genauigkeit und/oder Präzision eines Prüf- oder Messgeräts.
Die von der Erfindung betroffenen Prüf- oder Messgeräte weisen wenigstens eine Komponente auf, die Verlustwärme freisetzt und die gegenüber schwankender Temperatur empfindlich ist.
Derartige Prüf- oder Messgeräte sind daher thermisch so isoliert, dass die Auswirkungen von Schwankungen der Umgebungs- und Betriebsbedingungen auf empfindliche Komponenten deutlich verringert werden. Dagegen kann die von einem derartigen Prüf- oder Messgerät freigesetzte Wärme über eine Kühlvorrichtung von dem Prüf- oder Messgerät abgeführt werden.
Beispielsweise werden Geräte zum Messen des Zeitverlaufs der optischen Absorptionseigenschaften von Stoffen in der Flüssigkeitschromatographie, insbesondere in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), als sogenannte Detektoren eingesetzt.
Im Detektor wird die zu untersuchende Probe mit Licht durchstrahlt und die Abschwächung des Lichtes durch die Probe gemessen. Das Licht für die Durchstrahlung der Probe wird von einer elektrischen Lampe erzeugt, welche neben dem Nutzlicht auch Abwärme erzeugt, die abgeführt werden muss.
Die Temperatur des Messaufbaus beeinflusst und verfälscht hierbei nachteiligerweise den Messwert für die Absorption über verschiedene Wirkmechanismen.
So hängt die von der Lampe abgestrahlte Lichtleistung von deren Temperatur ab. Zudem verändern durch thermische Verformung erzeugte Abweichungen der Ausrichtung der optischen Komponenten im Strahlengang den Anteil des in die Probe geleiteten Lichts. Weiterhin sind die Effizienz und das Dunkelsignal des Sensors für die Messung der Lichtleistung nach der Probe temperaturabhängig.
Bei den vorstehend beschriebenen Prüf- oder Messgeräten, insbesondere Detektoren, wirken sich Änderungen der Umgebungsbedingungen (Temperatur oder veränderliche Luftströmungen z.B. durch Klimaanlagen) ohne Abschwächung auf die Temperatur der empfindlichen Bereiche des Detektors aus und beeinflussen so nachteiligerweise das Messergebnis.
Zur Verringerung oder gar Vermeidung von Einflüssen wird im einfachsten Fall die Wärme erzeugende Lampe im Detektor durch Luftkonvektion passiv gekühlt. Die Optik ist nicht thermisch isoliert. Ein Beispiel hierfür sind die Detektoren UVD340 von Dionex Softron GmbH.
Für eine möglichst genaue Messung des zeitlichen Verlaufs der Absorption muss die Temperatur des Messaufbaus möglichst konstant gehalten werden. Des Weiteren sollte die Temperatur im Hinblick auf die Betriebssicherheit und die Lebensdauer des Detektors begrenzt werden und nach dem Einschalten des Detektors möglichst schnell die Zieltemperatur für den weiteren Betrieb erreichen.
Die Temperatur des Messaufbaus kann hierzu gezielt durch eine einstellbare Abführvorrichtung für die Verlustwärme und/oder durch eine zusätzliche steuerbare Heizung im Messaufbau beeinflusst werden.
Die Temperatur des Messaufbaus wird aber auch durch zumindest nicht vollständig kontrollierbare Umweltgrößen beeinflusst, wie z.B. die Umgebungstemperatur oder Luftströmungen. Diese Umweltgrößen können sowohl direkt über die passive Oberfläche des Messaufbaus wirken als auch indirekt über die Beeinflussung der einstellbaren Abführvorrichtung für die Verlustwärme. Des Weiteren kann auch eine Änderung der Verlustleistung der Wärmequelle(n) im Messaufbau die Temperatur des Messaufbaus beeinflussen.
Es existieren verschiedene aufwändige Lösungen, um die Temperatur von Mess- und/oder Prüfgeräten konstant zu halten, bei welchen gleichzeitig thermische Verlustleistung abgeführt werden muss.
Eine Lösung besteht aus einem im Bereich der Wärmequelle angebrachten Kühlkörper, welcher von einem Lüfter mit einstellbarem Luftstrom durchblasen wird. Die Temperatur der Optik wird gemessen und die Lüfterdrehzahl wird von einem Regler so eingestellt, dass die Temperatur der Optik möglichst konstant auf einem vorgegebenen Zielwert bleibt. Ein Beispiel hierfür sind die Detektoren Ultimate VWD-3400 von Dionex Softron GmbH.
Bei dieser Lösung wirken insbesondere schnelle Änderungen der Umgebungsbedingungen vorwiegend kurzfristig auf die Temperatur der empfindlichen Bereiche des Detektors, da der Regelkreis für die Temperaturregelung der Optik aufgrund der hohen thermisch trägen Masse der Optik nicht beliebig schnell ausgelegt werden kann. Des Weiteren kann sich auch langfristig die Temperatur von Bereichen der Optik ändern, welche örtlich vom Messpunkt der Temperatur entfernt sind, insbesondere wenn auch Wärmeleistung von anderen Bereichen der Optik als dem Kühlkörper mit der Umwelt ausgetauscht wird.
Eine gegenüber der vorgenannten Lösung verbesserte Version stellen die Detektoren Ultimate DAD-3000 von Dionex Softron GmbH dar. Bei diesen Detektoren wird die Optik durch zusätzliche Maßnahmen so thermisch isoliert, dass ein Wärmeaustausch mit der Umwelt im Wesentlichen nur noch über den Kühlkörper stattfinden kann. Dies hilft, die vorstehend beschriebenen langfristigen Änderungen zu reduzieren, ändert aber nichts am Durchgriff der schnellen Änderungen der Umgebungsbedingungen.
Ein weiter verbessertes Verfahren besteht darin, dass an der Optik zusätzlich ein oder mehrere regelbare Heizelemente und Temperatursensoren angebracht sind. Diese können verwendet werden, um die Zeit zum Erreichen einer stabilen Betriebstemperatur zu verkürzen und die Betriebstemperatur in der gesamten räumlichen Ausdehnung der Optik möglichst konstant zu regeln. Der Durchgriff der schnellen Änderungen der Umgebungsbedingungen wird dadurch nicht signifikant reduziert. Ein ähnliches Verfahren ist beispielsweise in der Patentanmeldung WO 2012176851 A1 beschrieben.
Eine weitere Verbesserung dieses Verfahrens ist in der WO 2013145112 A1 beschrieben. Sie besteht darin, dass die Temperatur der Kühlluft gemessen und anhand eines Modells für die Regelung der Temperatur der Optik verwendet wird. Damit können auch schnelle Änderungen der Umgebungstemperatur erfasst und ihr Einfluss auf die Temperaturregelung der Optik kompensiert werden. Dieses Verfahren wirkt allerdings nur begrenzt. So werden Umgebungseinflüsse, welche den Luftdurchsatz beeinflussen (z.B. Luftströmungen, Änderungen am Luftweg durch teilweise Blockade), nicht erfasst. Diese können weiterhin die Temperatur der Optik beeinflussen.
Ein grundsätzlich anderer Ansatz wird dagegen in der US 6788402 B2 verfolgt. Grundlage dieses Konzeptes ist es, dass die Kühlluft über einen Heizer geheizt werden kann. Die Temperatur der geheizten Kühlluft wird mit einem Temperatursensor gemessen und mit einer Solltemperatur verglichen. Über einen Regelkreis wird die Heizleistung so geregelt, dass die Temperaturdifferenz möglichst gering ist. Bei dieser Umsetzung wirken auch schnelle Schwankungen der Umgebungstemperatur nur sehr gering auf die Temperatur der empfindlichen Bereiche des Detektors, da die Regelung der Temperatur der vorgeheizten Kühlluft wesentlich schneller auf Temperaturänderungen reagieren kann als die Regelung der Optiktemperatur.
Dieses Verfahren hat allerdings mehrere Nachteile. So werden Umgebungseinflüsse, welche den Luftdurchsatz beeinflussen (z.B. Luftströmungen, Änderungen am Luftweg durch teilweise Blockade), durch die Heizung nicht verringert. Diese können weiterhin die Temperatur der Optik beeinflussen. Die Heizung der Kühlluft führt zu einer höheren Temperatur der Optik und kostet zusätzlich Energie. Da auch deshalb die maximale Heizleistung begrenzt ist, können nur relativ kleine Änderungen der Umgebungstemperatur durch die Heizung ausgeglichen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Einflüsse auf den Mess-/Prüfaufbau bzw. das Prüf- und/oder Messgerät, insbesondere Temperaturschwankungen des Mess-/Prüfaufbaus, zu verringern, welche durch schnelle Änderungen von Umweltgrößen (indirekt) über die einstellbare Abführeinrichtung der Verlustwärme auf die Temperatur des Prüf- und/oder Messgerätes wirken. Dabei sollen nicht nur Änderungen der Umgebungstemperatur, sondern auch Änderungen des Luftdurchsatzes und der Wärmekapazität der Luft kompensiert werden. Des Weiteren soll die Erfindung auch in der Lage sein, große Änderungen der Umgebungsbedingungen mit verhältnismäßig geringem Energieeinsatz zu kompensieren. Zudem sollen sowohl die Temperatur des Messaufbaus als auch die Geräuschentwicklung der Kühlung möglichst gering gehalten werden.
Direkt wirkende Änderungen der Umgebungstemperatur können entsprechend dem Stand der Technik durch thermische Isolation des restlichen Aufbaus minimiert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.
Schnelle Änderungen der Kühlwirkung der Verlustwärme-Abführeinrichtung wirken aufgrund der thermischen Widerstände und der thermischen Kapazitäten im Aufbau zeitlich verzögert und auch zeitlich nachlaufend auf die Temperatur einer Einheit des Prüf- und/oder Messgerätes (bzw. wenigstens einer darin angeordneten Komponente), von welcher Verlustwärme erzeugt wird.
Bei der nach dem Stand der Technik üblichen Messung der Temperatur der Einheit des Prüf- und/oder Messgerätes und Regelung dieser Temperatur durch Einstellen der (Nominal-)Kühlwirkung der Verlustwärme-Abführeinrichtung beeinflussen nachteiligerweise schnelle Änderungen die Temperatur des Prüf- und/oder Messgerätes. Dies ist insbesondere auch deshalb der Fall, weil eine Regelvorrichtung bzw. Regelung aufgrund der zeitlich trägen Temperaturmessung nur relativ langsam ausgelegt werden kann.
Die Kühlwirkung bzw. Kühlwirkungsleistung wird im Sinne der Erfindung als Kühlleistung verstanden, welche mehrere Parameter, nämlich Temperatur, Luftdurchsatz, Wärmekapazität (Luftdruck und Luftfeuchtigkeit) der Luft umfasst. Die Kühlleistungsmessung (im Sinne der Erfindung ist hiervon insbesondere die Messung der Änderung der Kühlleistung umfasst) erfolgt hierbei direkt als Leistungsmessung oder näherungsweise durch Messung wenigstens eines der vorgenannten Parameter (oder beliebiger Kombination hiervon). Beispielsweise kann näherungsweise eine Änderung der Kühlwirkung bzw. Kühlleistung der Kühlvorrichtung über die Temperatur des Kühlmediums ermittelt werden. Vorzugsweise wird jedoch (wenigstens) ein anderer Parameter statt dieser Temperatur oder in Kombination mit ihr zur Ermittlung der Kühlleistung bzw. deren Änderung verwendet. Im Folgenden wird für die Kühlwirkung, insbesondere deren Änderung, der Begriff Kühlleistung verwendet. Insbesondere kann die Kühlleistung über eine Messung der Temperatur wenigstens eines Bereiches eines Kühlkörpers der Kühlvorrichtung erfolgen.
Nach der Erfindung wird eine zusätzliche Messeinrichtung für die effektive Kühlwirkung bzw. Kühlwirkungsleistung (im Folgenden Kühlleistung genannt) einer außerhalb der – vorzugsweise mit einer Wärmdämmung versehenen – Einheit angeordneten Kühlvorrichtung vorgesehen. Die Kühlvorrichtung ist mit ihrem Kühlkörper mittels einer Verbindungsfläche bzw. eines Übergangs thermisch an die Einheit angebunden. Die zusätzliche Messeinrichtung misst die Wärmeleistung und insbesondere deren Änderungen, welche die Kühlvorrichtung der (Verlustwärme erzeugenden) Einheit des Prüf- und/oder Messgerätes entzieht. Diese Messeinrichtung ist so ausgelegt, dass sie wesentlich schneller auf Änderungen der Kühlleistung reagiert als die zu regelnde Temperatur der Einheit des Prüf- und/oder Messgerätes. Dieses schnelle Messsignal wird zur Verbesserung der Regelung der Temperatur der Einheit des Prüf- und/oder Messgerätes verwendet.
Die Kühlleistung der Kühlvorrichtung wird dabei über eine Stellgröße der Kühlvorrichtung, beispielsweise Änderung der Parameter zur Förderung des flüssigen oder gasförmigen Kühlmediums, insbesondere Lüfterdrehzahl, Stellung von Rotorblättern, Änderung der Luftein- und/oder -auslässe, Änderung (Bypassventil) des Strömungsweges des Kühlmediums, etc., beeinflusst.
Zur Verringerung des Einflusses schwankender Umgebungs- und Betriebsbedingungen, insbesondere von Temperaturschwankungen oder einem geänderten Luftwiderstand, im Kühlluftzweig auf die Stabilität, Genauigkeit und/oder Präzision des Prüf- und/oder Messgerätes wird nach der Erfindung die Kühlleistung der Kühlvorrichtung gemessen und mit Hilfe der zeitlichen Verläufe der gemessenen Kühlleistung und der gemessenen Temperatur der Einheit eine Stellgröße (der Kühlleistung) der Kühlvorrichtung derart eingestellt (gesteuert bzw. geregelt), dass die Temperatur der Einheit im Wesentlichen bzw. möglichst konstant einem vordefinierbaren oder ermittelten Sollwert entspricht.
Der Sollwert kann hierzu beispielsweise ermittelt werden, indem in einer Einlaufphase des Aufbaus (beispielsweise Aufheizphase des Detektors) die Stellgröße während dieser Einlaufphase konstant gehalten wird und die sich einstellende Temperatur (gemessene Temperatur der Einheit) als Sollwert definiert wird. Wird die Stellgröße hierzu aus einem mittleren Bereich gewählt, kann vorteilhafterweise die Stellgröße möglichst weit (maximaler Abstand zu ihren maximalen Endpositionen) in beide Richtungen verändert werden. Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, die Stellgröße aus einem anderen Bereich zu wählen, insbesondere wenn die zu erwartende Änderungsrichtung und/oder Beträge von Änderungen vorbekannt sind. Damit sich die Einheit schneller aufheizt, kann der Detektor in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zunächst auch ganz ohne Kühlung (wohl aber mit Zusatzheizung) betrieben werden. Mit der hier beschriebenen Einlaufphase wird dann beispielsweise erst fortgesetzt, wenn die Temperatur der Einheit auf einen vorgegebenen geschätzten Wert des Sollwertes angestiegen ist.
Bei Prüf- und/oder Messgeräten kann zusätzlich eine geregelte Heizvorrichtung innerhalb der Einheit angeordnet sein, um zum Beispiel eine bestimmte erforderliche Mindestbetriebstemperatur zu erreichen, und/oder um Verluste innerhalb der Einheit auszugleichen, ein gleichmäßiges Hochfahren zu ermöglichen und/oder die Aufheizphase (insbesondere bis zum Erreichen einer Mindestbetriebstemperatur) zu verkürzen. Hierdurch kann beispielsweise im Falle eines HPLC-Detektors die Aufheizphase auf unter eine Stunde, insbesondere auf unter 0,5 Stunden, verkürzt werden. Eine derartige Heizvorrichtung kann ebenfalls in Abhängigkeit des (zu erreichenden) Sollwertes geregelt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird zur Messung der Kühlleistung ein erster Temperatursensor zum Messen der Temperatur einer ersten Messstelle im Bereich (bzw. in entsprechender Nähe für eine wirksame Messung) des Übergangs zwischen dem Kühlkörper und der Einheit und ein zweiter Temperatursensor zum Messen der Temperatur einer zweiten Messstelle (des Kühlkörpers) in einem gekühlten Bereich des Kühlkörpers verwendet. Eine Schwankung der Kühlwirkung hat eine Temperaturänderung des Kühlkörpers zur Folge. Diese wird (mit einer allenfalls sehr geringen Verzögerung) über die Temperatur der zweiten Messstelle durch den zweiten Temperatursensor erfasst. Die beiden Temperaturmessstellen bzw. Bereiche sind hierbei thermisch derart verbunden, dass die Verbindung einen von Null verschiedenen, im Wesentlichen (bzw. möglichst) konstanten thermischen Widerstand aufweist und die (zu messende) Kühlleistung im Wesentlichen aus der Differenz der beiden gemessenen Temperaturen ermittelt wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird mittels eines ersten langsamen Reglers aus der gemessenen Temperatur der Einheit und der Solltemperatur der Sollwert für die Kühlleistung ermittelt und mittels eines zweiten, im Vergleich zum ersten Regler schnelleren Reglers aus dem Sollwert für die Kühlleistung und der ermittelten Kühlleistung die Stellgröße ermittelt.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Kühlleistung mittels eines elektrisch beheizten Temperatursensors im Kühlluftstrom gemessen und die Kühlleistung aus der gemessenen Temperatur und der Heizleistung des Temperatursensors ermittelt.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird als Prüf- und/oder Messgerät ein Detektor eines HPLC-Systems verwendet.
Das erfindungsmäße Prüf- und/oder Messgerät weist neben einer Kühlvorrichtung, mittels welcher die von einer Einheit freigesetzte Wärme von der Einheit abgeführt wird, und einer Regelvorrichtung, mittels welcher die Temperatur in der Einheit auf einen Sollwert geregelt wird, eine zusätzliche Einrichtung zum Messen der Kühlleistung der Kühlvorrichtung auf. Wie vorstehend erläutert, kann mit dieser zusätzlichen Einrichtung die Kühlleistung schnell gemessen werden. Die Daten (gemessene Temperaturwerte bzw. der Temperaturverlauf) werden erfindungsgemäß zur Unterstützung der Temperaturregelung einer mit einem Medium, insbesondere Umgebungsluft, gekühlten und thermostatisierten Wärme abgebenden Einheit des Mess- und/oder Prüfgerätes verwendet.
Die Temperaturregelung weist hierzu einen Temperatursensor auf, welcher innerhalb der Einheit oder im Bereich des Übergangs bzw. der Verbindungsfläche zwischen Einheit und Kühlkörper angeordnet ist, um die Temperatur der Einheit zu messen und diese Daten (Temperaturwerte bzw. -verlauf) an die Regelvorrichtung zu übergeben.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Einheit mittels einer Wärmedämmung thermisch isoliert. Hierdurch können vorteilhafterweise durch Schwankungen der Umgebungs- und Betriebsbedingungen bedingte Einflüsse auf die Einheit, insbesondere auf deren temperaturempfindliche Komponenten, verhindert oder zumindest deutlich verringert werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Einheit des Prüf- und/oder Messgerätes als ein Detektor eines HPLC-Systems ausgebildet. Die Einheit kann vorzugsweise als Optikeinheit eines Absorptionsdetektors ausgebildet sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht die Kühlvorrichtung aus einem Kühlkörper und einem Lüfter mit (über das Ausgangssignal der Regelvorrichtung) steuerbarer Drehzahl.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlleistungsmesseinrichtung einen ersten Temperatursensor zum Messen der Temperatur einer ersten Messstelle im Bereich (also in einer nahen Umgebung, welche eine Temperaturmessung des Übergangs zulässt) des Übergangs zwischen dem Kühlkörper und der Einheit und eines zweiten Temperatursensor zum Messen der Temperatur einer zweiten Messstelle in einem gekühlten Bereich des Kühlkörpers auf. Die beiden Temperaturmessstellen sind hierbei thermisch derart verbunden, dass die Verbindung einen von Null verschiedenen, im Wesentlichen (möglichst) konstanten thermischen Widerstand aufweist und die (zu ermittelnde) Kühlleistung im Wesentlichen aus der Differenz der beiden gemessenen Temperaturen ermittelt werden kann. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise die Kühlleistung, insbesondere eine Änderung der Kühlleistung, exakt ermittelt werden.
Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, die Kühlleistungsmesseinrichtung, insbesondere zur Messung einer Änderung der Kühlleistung, auf andere Art auszubilden. Beispielsweise kann diese auch aus einem elektrisch beheizten Temperatursensor bestehen, welcher im Kühlmediumstrom, insbesondere im Kühlluftstrom, angeordnet ist. Die Kühlleistung, insbesondere deren Änderung, kann dann aus der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur und der (gemessenen) Heizleistung des Temperatursensors ermittelt (berechnet) werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Regelvorrichtung die Topologie eines kaskadierten Reglers, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Regler bzw. Regelkreis, auf. Der erste Regler ist hierbei als ein im Vergleich zum zweiten Regler langsamerer Regler ausgebildet, um aus der gemessenen Temperatur und der Solltemperatur der Einheit den Sollwert für die Kühlleistung zu ermitteln. Der zweite Regler ist dagegen als ein im Vergleich zum ersten Regler schnellerer Regler ausgebildet, um aus dem Sollwert für die Kühlleistung und der ermittelten Kühlleistung die Stellgröße der Kühlvorrichtung zu berechnen.
Die Regelung und Reaktionszeiten (langsam, schnell) werden mit Hilfe des ersten und zweiten Regelkreises sowie deren Reaktion anhand des nachfolgenden Beispiels kurz erläutert.
Im Falle einer eingebrachten, sprunghaften Störung, wie plötzliches teilweises Blockieren des Lufteinlasses, ergeben sich zwei Phasen der Regelung der Stellgröße, insbesondere der Lüfterdrehzahl.
Der schnelle zweite Regelkreis versucht, die Kühlleistung konstant zu halten bzw. auf dem vom langsameren Regler vorgegebenen Wert zu halten und reagiert innerhalb von einigen Sekunden, beispielsweise 10 s (0 .. 63%-Anstiegszeit), insbesondere ca. 18s (0 .. 63%-Anstiegszeit).
Auch wenn die gemessene Kühlleistung nahezu konstant gehalten wird kann sich die Temperatur der Einheit geringfügig ändern. Ursache hierfür können z.B. kleine Messfehler – insbesondere von den Umweltbedingungen abhängige – der Kühlleistungsmessung sein, oder Änderungen der erzeugten Verlustleistung der Einheit oder Änderungen der über einen anderen Weg abgeführten Wärmeleistung – zum Beispiel über die Isolation – der Einheit. (Zudem können sich auch Temperaturgradienten im Kühlkörper ändern.) Dies wird durch den ersten, im Vergleich zum zweiten wenigstens um den Faktor 3 langsameren, Regelkreis ausgeregelt, so dass dieser beispielsweise innerhalb von ca. 100 s (0–63% Anstiegszeit), insbesondere von 90s (0–63% Anstiegszeit) reagiert.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass je nach Aufbau und Umsetzung vorgenannte Werte aber auch um bis zu eine Größenordnung (Zehnerpotenz) nach oben oder unten abweichen, wobei das Verhältnis der Zeiten aber dennoch mindestens 3:1 beträgt.
Nach der Erfindung können gegenüber bekannten Lösungen vorteilhafterweise Abweichungen der Temperatur des Prüf- und/oder Messgerätes aufgrund von schnellen Änderungen sowohl der Lufttemperatur als auch des Luftstromes signifikant reduziert werden. Hierbei können selbst schnelle Änderungen des Luftstromes durch äußere Einflüsse (wie zum Beispiel Öffnen der Gerätetür) ausgeglichen werden, die bei bekannten Lösungen stattdessen zeitweilige Abweichungen der Temperatur der (empfindlichen) Einheit des Prüf- und/oder Messgerätes zur Folge haben.
Als weiterer Vorteil kann nach der Erfindung ein größerer Temperaturbereich von Schwankungen kompensiert werden, als es beispielsweise durch eine Beheizung der Kühlluft möglich wäre. Zudem würde eine derartige Heizung zusätzlich eine signifikante Leistung benötigen, welche nach der Erfindung vorteilhafterweise nicht anfällt. Zudem wird nach der Erfindung die Temperatur des Prüf- und/oder Messgerätes durch die Heizung nicht in unerwünschter Weise erhöht. Weiterhin können durch die erfindungsgemäße Lösung auch Kosten in der Herstellung für zusätzliche Einrichtungen, wie insbesondere einer Heizung der Kühlluft, vermieden werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1 einen schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Prüf- und Messgeräts und
2 einen schematischen Aufbau einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Prüf- und Messgeräts.
Die in 1 dargestellte erste Ausführungsform zeigt schematisch eine mögliche Umsetzung einer Einrichtung 15 zum Messen der Kühlleistung bzw. Kühlwirkungsleistung eines Prüf- und/oder Messgerätes, insbesondere eines HPLC-Detektors.
Das Prüf- und/oder Messgerät umfasst eine in einem Gehäuse 11 angeordnete Einheit 1, die von einer thermisch isolierenden Hülle 2 umgeben ist. In dieser Einheit befindet sich beispielsweise eine Optikeinheit eines Absorptionsdetektors eines HPLC-Systems. Im Inneren der Einheit 1 befindet sich ein Temperatursensor 3, welcher die Temperaturwerte bzw. den Temperaturverlauf T_M der Einheit 1 misst und (als Signal) einer Regelvorrichtung 6 an deren Eingang 4 zuführt.
Die Regelvorrichtung ist als kaskadierter Regler mit zwei Reglern bzw. Regelkreisen PID1 und PID2 ausgebildet. Der Temperaturverlauf T_M liegt dabei an dem Eingang 4 des im Vergleich zum zweiten Regler PID2 langsameren Reglers PID1 an, und wird auf einen vorgegebenen oder – wie nachstehend erläutert – ermittelten, an Eingang 5 anliegenden Sollwert bzw. eine Solltemperatur T₁ geregelt. Die Reaktionszeiten liegen als Reaktion auf eine eingebrachte, sprunghafte Störung – wie vorstehend erläutert – im Bereich von 10 s (0–63% Anstiegszeit) für den schnellen Regelkreis PID2 und 100 s (0–63% Anstiegszeit) für den langsamen Regelkreis PID1 bzw. bis zu einer Zehnerpotenz darüber oder darunter, wobei jedoch das Verhältnis höchstens 1:3 beträgt.
Weiterhin weist das Prüf- und/oder Messgerät eine Kühlvorrichtung 7 auf, die einen Kühlkörper 10 und einen Lüfter 8 zur Erzeugung eines (mit Pfeilen dargestellten) Luftstroms umfasst, um Wärme vom Kühlkörper in die (äußere) Umgebung abzuführen. Die Luft 9 wird hierzu durch die Gehäuseöffnungen 16 (von der äußeren Umgebung) angesaugt, als Luftstrom über den Kühlkörper 10 geleitet und über Öffnungen 17 im Gehäuse nach außen geführt bzw. geblasen. Der Kühlkörper 10 ist thermisch über eine Verbindungsfläche bzw. einen Übergang (19) an die Einheit 1 angebunden. Die Temperatur T_M der Einheit 1 ist im Normalbetriebsfall, insbesondere nach einer Einlaufphase, höher als die (Umgebungs-)Temperatur der angesaugten Luft 9, so dass der Luftstrom den Kühlkörper 10 und somit auch die Einheit 1 kühlt.
In bzw. innerhalb des Kühlkörpers 10 oder auf dem Kühlkörper 10 befindet sich die Kühlwirkungsmesseinrichtung 15. Diese besteht aus einem (ersten) Temperatursensor 13, welcher die Temperatur(werte) T_K des Kühlkörpers 10 nahe an der Verbindungsstelle 19 (erste Messstelle) zur Einheit 1 misst und einem (zweiten) Temperatursensor 18, welcher die Temperatur(werte) T_P in einem vom Luftstrom 9 gekühlten Bereich 20 (zweite Messstelle) des Kühlkörpers 10 außerhalb der Einheit 1 misst. Dieser Bereich 20 ist thermisch mit der Verbindungsstelle 19 derart verbunden, dass ein thermischer Widerstand R_Th (größer als Null) zwischen beiden Bereichen besteht.
Weiterhin umfasst die Kühlwirkungsmesseinrichtung 15 eine – in der Zeichnung nicht näher dargestellte – Signalverarbeitung, welche im Wesentlichen die Differenz der beiden Temperaturen T_K – T_P bildet und mit einem Faktor k multipliziert. Das Ergebnis entspricht zumindest annähernd der Kühlleistung P der gesamten Kühleinrichtung.
Dabei wird davon ausgegangen, dass:

– Der thermische Widerstand R_Th konstant ist
– Die Kühlwirkung bzw. Kühlleistung im Bereich 20 sich proportional zur gesamten Kühlleistung (der Kühlvorrichtung) verhält: P = P₂₀·k_rel
– Der Wärmestrom in den Bereich 20 und damit auch die Kühlleistung im Bereich 20 proportional zum Temperaturabfall über den thermischen Widerstand R_Th ist: P₂₀ = k₂₀·(T_K – T_P)/R_Th
– Der Faktor k sich entsprechend berechnet: k = k_rel·k₂₀/R_Th. In der Praxis kann man k auch durch Versuche und/oder Simulationen ermitteln.

Die gemessene und berechnete Kühlwirkung P wird zur Verbesserung der Regelung der Temperatur T_M der Einheit 1 in der Regelvorrichtung 6 verwendet.
Eine mögliche Implementierung der Regelvorrichtung 6 zeigt die in 1 dargestellte Umsetzung als kaskadierter Regler. Der Regler PID1 berechnet bzw. ermittelt aus der gemessenen Temperatur T_M und der Solltemperatur T₁ den Sollwert P_S der Kühlleistung bzw. Kühlwirkung. Der Regler PID2 berechnet bzw. ermittelt aus dem Sollwert P_S der Kühlwirkung und der gemessenen Kühlwirkung P den Stellwert N für den Lüfter 8. Die Regelvorrichtung 6 bzw. der Regler PID2 ist ausgangsseitig mit dem Lüfter 8 derart verbunden, dass die Drehzahl N des Lüfters 8 durch die Regelvorrichtung 6 gesteuert wird.
Selbstverständlich ist es aber auch denkbar, die Kühlwirkung auf andere Art über einen Stellwert N zu beeinflussen. Beispielsweise können die Öffnungen 16, 17 (Lufteinlässe und/oder Luftauslässe) in ihrem Öffnungsquerschnitt oder die Stellung der Rotorblätter verändert werden. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Kühlwirkung statt mit einem gasförmigen Kühlmedium (beispielsweise Luft) mit einem flüssigen Kühlmedium zu erzeugen. Eine Änderung der Kühlwirkung über eine Stellgröße N kann hierbei entsprechend über Parameter wie Drehzahl der Pumpe, Ventilstellung für den Durchsatz bzw. Durchlass des Kühlmediums, Stellung eines Bypass-Ventils für das Umleiten in einen Bypass-Weg, etc. realisiert werden.
Der Regelkreis mit dem Regler PID2 ist wesentlich schneller (wenigstens dreimal so schnell) ausgelegt als der Regelkreis mit dem Regler PID1. Damit können durch verschiedene äußere Einflüsse verursachte (schnelle) Änderungen der Kühlwirkung viel schneller kompensiert werden, als dies durch die Regelung der Temperatur T_M ohne Kühlwirkungsmessung erreicht werden könnte. Änderungen der Kühlwirkung können zum Beispiel durch eine Änderung der Temperatur der Kühlluft 9 (Umgebungstemperaturänderung) oder durch eine Änderung des Luftdurchsatzes, wie im Fall des Öffnens einer Tür 12 des Gehäuses 11, hervorgerufen werden.
Die in 2 dargestellte vereinfachte Umsetzung eines Prüf- und/oder Messgerätes nach der Erfindung benötigt nur zwei Temperatursensoren 18 und 13‘, statt wie im ersten Ausführungsbeispiel drei Temperatursensoren 3, 13, 18. In dieser zweiten Ausführungsform sind die Temperatursensoren 3 und 13 zu einem Sensor 13‘ kombiniert. Dies ist insbesondere anwendbar, wenn der thermische Widerstand zwischen der Kühlvorrichtung 7 und der Einheit 1 klein ist und die Temperatur T_M im Wesentlichen der Temperatur T_K entspricht. Alternativ kann die Regelvorrichtung 6 (im Vergleich zur ersten Ausführungsform) zudem auch so ausgelegt sein, dass der langsame Regler bzw. Regelkreis PID1 – wie in 2 dargestellt – aus der Differenz zwischen Zieltemperatur bzw. Sollwert T₁ und Ist-Temperatur T_M die Zieltemperatur T_Pt für den Kühlkörper einstellt. Diese Zieltemperatur T_Pt wird von dem zweiten, schnellen, Regler bzw. Regelkreis PID2 (vorzugsweise ebenfalls ein PID-Regler) durch Variation der Lüfterleistung N eingestellt.
Auch mittels der zweiten Ausführungsform lassen sich vorgenannte Vorteile realisieren, insbesondere schnelle Änderungen bzw. Schwankungen der Temperatur der Kühlluft 9 (Umgebungstemperaturänderung) oder eine Änderung des Luftdurchsatzes, wie im Fall des Öffnens einer Tür 12 des Gehäuses 11, ausgleichen.
Die PID-Parameter der vereinfachten Umsetzung (zweite Ausführungsform) nach 2 lassen sich in PID- und k-Parameter der Umsetzung gemäß 1 (erste Ausführungsform) umrechnen. Eine Differenzbildung zwischen dem gekühlten Sensor 18 und dem ungekühlten Sensor 13‘ geschieht in der zweiten Ausführungsform in der Regelvorrichtung 6 bzw. in den Regelkreisen PID1, PID2.
Bezugszeichenliste

1: Einheit mit wenigstens einer Verlustwärme erzeugenden Komponente
2: thermisch isolierende Hülle bzw. Wärmedämmung
3: Temperatursensor
4: Eingang der Regelvorrichtung für den Temperaturverlauf von T_M
5: Eingang der Regelvorrichtung für Solltemperatur T₁
6: Regelvorrichtung für Drehzahl N
7: Kühlvorrichtung
8: Lüfter
9: Umgebungsluft
10: Kühlkörper
11: Gehäuse
12: Tür des Gehäuses 11
13: erster Temperatursensor, welcher die Temperatur T_K misst
13‘: kombinierter Temperatursensor (statt 3 und 13)
14: Eingang für Kühlwirkung P an Regler 6
15: Einrichtung zum Messen der Kühlleistung bzw. Kühlwirkungsleistung
16: Gehäuseöffnung (zum Ansaugen der Luft)
17: Öffnung (Ausgang für Luft)
18: zweiter Temperatursensor (18), welcher die Temperatur T_P misst
19: Verbindungsfläche bzw. Übergang
20: gekühlter Bereich
k: Faktor
k₂₀: Faktor im Bereich 20
k_rel: relativer Faktor
N: Drehzahl des Lüfters 8
P: Kühlleistung der gesamten Kühleinrichtung
P_S: Sollwert der Kühlleistung
P₂₀: Kühlleistung im Bereich 20
PID1: Regler für Berechnung des Sollwertes der Kühlwirkung P_S
PID2: Regler für Berechnung des Stellwertes bzw. der Drehzahl N
R_Th: thermischer Widerstand zwischen beiden Bereichen (20, 19)
T₁: Solltemperatur
T_K: Temperatur des Kühlkörpers nahe an der Verbindungsstelle 19
T_P: Temperatur in einem vom Luftstrom 9 gekühlten Bereich 20 des Kühlkörpers
T_M: Temperatur des Mess-/Prüfaufbaus bzw. der Einheit 1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012176851 A1 [0017]
WO 2013145112 A1 [0018]
US 6788402 B2 [0019]

Claims

Verfahren zur Verringerung des Einflusses schwankender Umgebungs- und Betriebsbedingungen auf die Stabilität, Genauigkeit und/oder Präzision eines Prüf- und/oder Messgerätes, bei dem a) das Prüf- und/oder Messgerät Verlustwärme wenigstens einer in einer Einheit (1) angeordneten Komponente freisetzt, b) die von der Einheit (1) freigesetzte Wärme über eine Kühlvorrichtung (7) von der Einheit (1) abgeführt wird, c) die Temperatur der Einheit (1) gemessen wird, d) die Kühlleistung der Kühlvorrichtung (7) gemessen wird, e) die Kühlleistung der Kühlvorrichtung (7) über eine Stellgröße (N) beeinflusst werden kann und f) mit Hilfe der zeitlichen Verläufe der gemessenen Kühlleistung (P) und der gemessenen Temperatur der Einheit (1) die Stellgröße (N) so eingestellt wird, dass die Temperatur der Einheit (1) im Wesentlichen konstant einem vordefinierbaren oder ermittelten Sollwert (T₁) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung der Kühlleistung ein erster Temperatursensor (13) zum Messen der Temperatur (T_K) einer ersten Messstelle im Bereich des Übergangs (19) zwischen einem Kühlkörper (10) der Kühlvorrichtung (7) und der Einheit (1) und ein zweiter Temperatursensor (18) zum Messen der Temperatur (T_P) einer zweiten Messstelle in einem gekühlten Bereich (20) des Kühlkörpers (10) verwendet werden, wobei die beiden Temperaturmessstellen (19, 20) thermisch derart verbunden sind, dass die Verbindung einen von Null verschiedenen, im Wesentlichen konstanten thermischen Widerstand (R_Th) aufweist und die Kühlleistung (P) im Wesentlichen aus der Differenz der beiden gemessenen Temperaturen (T_P, T_K) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein langsamer Regler (PID1) aus der gemessenen Temperatur (T_M) der Einheit (1) und der Solltemperatur (T₁) der Einheit (1) den Sollwert (P_S) für die Kühlleistung ermittelt und ein im Vergleich zum ersten Regler (PID1) schnellerer Regler (PID2) aus dem Sollwert (P_S) für die Kühlleistung und der ermittelten Kühlleistung (P) die Stellgröße (N) ermittelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung (P) mittels eines elektrisch beheizten Temperatursensors im Kühlmittelstrom gemessen wird und die Kühlleistung aus der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur und der Heizleistung des Temperatursensors ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Prüf- und/oder Messgerät ein Detektor eines HPLC-Systems verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (T₁) in einer Einlaufphase des Systems ermittelt wird, wobei die Stellgröße N für diese Einlaufphase aus einem mittleren Bereich gewählt wird und konstant gehalten wird.
Prüf- und/oder Messgerät zur Durchführung eines Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, a) wobei ein Prüf- und/oder Messgerät in einer Einheit (1) wenigstens eine Komponente aufweist, die Verlustwärme freisetzt, b) das Prüf- und/oder Messgerät eine Kühlvorrichtung (7) aufweist, mittels welcher die von der Einheit (1) freigesetzte Wärme von der Einheit (1) abgeführt wird, c) das Prüf- und/oder Messgerät einen Temperatursensor (3, 13‘) aufweist, der innerhalb der Einheit (1) oder im Bereich des Übergangs (19) angeordnet ist, d) das Prüf- und/oder Messgerät eine Kühlvorrichtung (7) aufweist, deren Kühlleistung (P) über eine Stellgröße (N) beeinflusst werden kann, e) das Prüf- und/oder Messgerät eine Einrichtung (15) zum Messen der Kühlleistung der Kühlvorrichtung (7) aufweist, und f) das Prüf- und/oder Messgerät eine Regelvorrichtung (6) aufweist, welche mit Hilfe der zeitlichen Verläufe der gemessenen Kühlleistung und der gemessenen Temperatur der Einheit (1) die Stellgröße N so einstellt, dass die Temperatur der Einheit (1) im Wesentlichen konstant dem Sollwert (T₁) entspricht.
Prüf- und/oder Messgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (1) mittels einer Wärmedämmung (2) thermisch isoliert ist, so dass Schwankungen der Umgebungs- und Betriebsbedingungen – außer über die Kühlvorrichtung (7) – im Wesentlichen keinen Einfluss auf temperaturempfindliche Komponenten der Einheit (1) haben können.
Prüf- und/oder Messgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (3) im Innenraum der Einheit (1) angeordnet ist.
Prüf- und/oder Messgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüf- und/oder Messgerätes als ein Detektor eines HPLC-Systems ausgebildet ist.
Prüf- und/oder Messgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (1) als Optikeinheit eines Absorptionsdetektors ausgebildet ist.
Prüf- und/oder Messgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (7) aus einem Kühlkörper (10) und einem Lüfter (8) mit beeinflussbarer Drehzahl (N) besteht.
Prüf- und/oder Messgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (15) zum Messen der Kühlleistung (P) der Kühlvorrichtung (7) einen ersten Temperatursensor (13) zum Messen der Temperatur (T_K) einer ersten Messstelle im Bereich des Übergangs (19) zwischen dem Kühlkörper (10) und der Einheit (1) und einen zweiten Temperatursensor (18) zum Messen der Temperatur (T_P) einer zweiten Messstelle in einem gekühlten Bereich (20) des Kühlkörpers (10) aufweist, wobei die beiden Temperaturmessstellen (19, 20) thermisch derart verbunden sind, dass die Verbindung einen von Null verschiedenen, im Wesentlichen konstanten thermischen Widerstand (R_Th) aufweist und die Kühlleistung (P) im Wesentlichen aus der Differenz der beiden gemessenen Temperaturen (T_K, T_P) ermittelt werden kann.
Prüf- und/oder Messgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (6) die Topologie eines kaskadierten Reglers bestehend aus einem ersten Regler (PID1) und einem zweiten Regler (PID2) aufweist, wobei der erste Regler (PID1) als langsamer Regler ausgebildet ist, um aus der gemessenen Temperatur (T_M) der Einheit (1) und der Solltemperatur (T₁) der Einheit (1) den Sollwert (P_S) für die Kühlleistung zu ermitteln und der zweite Regler (PID2) als ein im Vergleich zum ersten Regler (PID1) schnellerer Regler ausgebildet ist, um aus dem Sollwert (P_S) für die Kühlleistung und der ermittelten Kühlleistung (P) die Stellgröße (N) der Kühlvorrichtung (7) zu ermitteln.
Prüf- und/oder Messgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (15) zum Messen der Kühlleistung der Kühlvorrichtung (7) aus einem elektrisch beheizten Temperatursensor im Kühlluftstrom besteht, um die Kühlleistung (P) aus der mit dem Temperatursensor gemessenen Temperatur und der Heizleistung des Temperatursensor zu berechnen.