DE102017119667B4

DE102017119667B4 - Messung eines Fluidflusses

Info

Publication number: DE102017119667B4
Application number: DE102017119667.6A
Authority: DE
Inventors: Gervin Ruegenberg; Martin RENDL
Original assignee: Dionex Softron GmbH
Current assignee: Dionex Softron GmbH
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2037-08-29
Also published as: US20190064125A1; CN109425394A; CN109425394B; DE102017119667A1; US10962394B2

Abstract

Verfahren zum Messen eines Flusses eines Fluids in einem Rohr (1), wobei das Verfahren in einem Flussmesssystem durchgeführt wird, wobei das Verfahren umfasst:ein Heizelement (10) erwärmt das Fluid im Rohr (1);ein erstes Temperaturfühlerelement (11a) misst ein erstes Signal, das eine erste Temperatur des Fluids im Rohr (1) an einem ersten Standort angibt;ein zweites Temperaturfühlerelement (11b) misst ein zweites Signal, das eine zweite Temperatur des Fluids im Rohr (1) an einem zweiten Standort angibt, wobei der zweite Standort sich vom ersten Standort unterscheidet;Berechnen von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal;Ableiten eines Flusses basierend auf dem mindestens einen Temperatursignal;wobei das Berechnen von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal umfasst:Berechnen eines Temperaturdifferenzsignals (100), basierend auf der Differenz zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal;wobei das Berechnen von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal weiterhin umfasst:Berechnen eines Temperatursummensignals (110), basierend auf der Summe aus dem zweiten Signal und dem ersten Signal;wobei bei dem Schritt des Ableitens eines Flusses:ein Fluss basierend auf einer ersten gewichteten Kombination aus dem Temperaturdifferenzsignal (100) und dem Temperatursummensignal (110) abgeleitet wird, wenn eine erste Bedingung erfüllt ist; undein Fluss basierend auf einer zweiten gewichteten Kombination aus dem Temperaturdifferenzsignal (100) und dem Temperatursummensignal (110) abgeleitet wird, wenn eine zweite Bedingung erfüllt ist;wobei die zweite Bedingung sich von der ersten Bedingung unterscheidet und wobei die zweite gewichtete Kombination sich von der ersten gewichteten Kombination unterscheidet;wobei das Verfahren weiterhin das Regeln oder Steuern einer Temperatur des Flussmesssystems umfasst und wobei das Verfahren weiterhin das Regeln oder Steuern der Temperatur des Fluids vor dem Eintritt des Fluids in das Rohr (1) umfasst; undwobei das Verfahren weiterhin das automatische Umschalten zwischen dem Ableiten des Flusses basierend auf verschiedenen gewichteten Kombinationen des Temperaturdifferenzsignals (100) und des Temperatursummensignals (110) umfasst.

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein das Messen eines Flusses eines Fluids in einem Rohr. Diese Erfindung wird beschrieben mit einem besonderen Schwerpunkt auf der Messung eines Fluidflusses (auch als Fluidstrom bezeichnet) in der Flüssigkeitschromatografie - und insbesondere der Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (HPLC).
Was bei HPLC zur Anwendung kommt, sind Pumpen, die einen Lösemittelstrom mit einer definierten Durchflussrate erzeugen (im Folgenden allgemein als Strom oder Fluss bezeichnet). Bei sogenannten isokratischen Anwendungen ist die Lösemittelzusammensetzung konstant. Im Gegensatz dazu werden bei Lösemittelgradienten (im Folgenden kurz als Gradienten bezeichnet) zwei oder mehr Lösemittel mit einem einstellbaren Mischungsverhältnis kombiniert, wobei das Mischungsverhältnis in einer definierten, vorgegebenen Weise in Abhängigkeit von der Zeit verändert wird. Die Verwendung von Gradienten bietet große Vorteile in Bezug auf die Chromatografie und wird daher bei HPLC sehr häufig eingesetzt, insbesondere im niedrigen Durchflussbereich.
Allgemein bezieht sich auf dem Gebiet der Flüssigkeitschromatografie (HPLC = High Performance Liquid Chromatography = Hochleistungsflüssigkeitschromatografie) der niedrige Durchflussbereich auf einen Durchflussbereich mit Durchflussraten zwischen einigen wenigen nl/min (Nanoliter pro Minute) bis zu ungefähr 100 µl/min (Mikroliter pro Minute). Häufig wird hier zwischen der Nano-HPLC mit Durchflussraten zwischen 10 nl/min (Nanoliter pro Minute) und ungefähr 2 µl/min, der Kapillar-HPLC mit Durchflussraten zwischen ungefähr 1 µl/min und ungefähr 10 µl/min und der Mikro-HPLC mit Durchflussraten zwischen ungefähr 5 µl/min und ungefähr 100 µl/min unterschieden.
Bei den meisten Anwendungen ist der Gesamtstrom von gemischtem Lösemittel konstant, aber er kann auch für spezielle Zwecke in einer definierten, vorgegebenen Weise in Abhängigkeit von der Zeit verändert werden. Der Einfachheit halber werden in der folgenden Erklärung sogenannte binäre Gradienten, d. h. Mischungen von 2 Lösemitteln, betrachtet. Die Beobachtungen gelten auch in analoger Weise für Gradienten, die mehr als 2 Lösemittel aufweisen.
Bei HPLC sind die Anforderungen in Bezug auf die Präzision der erzeugten Durchflussraten und auf die Mischungsverhältnisse sehr hoch. Noch wichtiger als absolute Präzision ist Reproduzierbarkeit. Hier führen Abweichungen im Promillebereich bereits zu inakzeptablen Änderungen bei der Verweilzeit.
Nach dem Stand der Technik werden die Gradienten für HPLC entweder von Niederdruck-Gradientenpumpen (Niederdruck-Gradient = Low Pressure Gradient = LPG) oder von Hochdruck-Gradientenpumpen (Hochdruck-Gradient = High Pressure Gradient = HPG) erzeugt. Unter anderem haben HPG-Pumpen den Vorteil, dass die Kombination der verschiedenen Lösemittelströme erst am Auslass der Pumpen stattfindet, so dass Änderungen in Mischungsverhältnissen unverzüglich wirksam werden. Das kann besonders vorteilhaft für den niedrigen Durchflussbereich sein. Bei LPG-Pumpen findet das Mischen am Pumpeneinlass statt. LPG-Pumpen werden bei der nachstehenden Betrachtung nicht ausführlicher betrachtet.
Wenn Gradienten nach dem HPG-Prinzip erzeugt werden, wird jedes Lösemittel durch einen speziellen Pumpenblock befördert, der den gewünschten Teilstrom bereitstellt. Die Teilströme (auch als Teilflüsse bezeichnet) werden innerhalb eines Mischers auf der Hochdruckseite kombiniert, d. h. in der Nähe des Auslasses der Pumpe, was zum Gesamtstrom führt. Das Mischungsverhältnis wird durch das Regeln oder Steuern der Pumpenblöcke auf eine geeignete Weise eingestellt.
Die folgenden Beobachtungen beziehen sich auf binäre Pumpen, die mit zwei Lösemitteln arbeiten. Dies ist der einfachste Fall, der im niedrigen Durchflussbereich am häufigsten verwendet wird. Pumpen mit mehr als zwei Lösemitteln können auf genau dieselbe Weise realisiert werden, nur dass in diesem Fall beinahe alle Komponenten, wie z. B. Pumpenblöcke und Durchflusssensoren, entsprechend mehr als zwei Mal bereitgestellt werden müssen.
Eine binäre HPG-Pumpe besteht aus zwei Pumpenblöcken, wobei der erste Block ein erstes Lösemittel befördert und der zweite Block ein zweites Lösemittel befördert, wobei diese zwei Teilströme am Pumpenauslass kombiniert und gemischt werden. Die Erzeugung von Lösemittelgradienten mit einer binären HPG-Pumpe wird basierend auf dem Beispiel eines linearen Gradienten von 0 bis 100 % erläutert. Hier soll der Gesamtstrom am Pumpenauslass konstant sein und die Konzentration des zweiten Lösemittels soll allmählich von 0 % auf 100 % erhöht werden.
Zu diesem Zweck befördert zunächst nur der erste Block das erste Lösemittel, während der zweite Block still steht. Dann wird die Fördergeschwindigkeit des ersten Blocks kontinuierlich reduziert, während die Fördergeschwindigkeit des zweiten Blocks im gleichen Maß erhöht wird, bis der erste Block schließlich still steht und der zweite Block den gesamten Strom bereitstellt. Die Summe der zwei Teilströme, und somit der Gesamtstrom, ist bei einem derartigen Gradienten konstant.
Es gibt einige allgemeine Probleme und Herausforderungen beim früheren Stand der Technik, die insbesondere bei niedrigen Durchflussbedingungen auftreten.
Bei der sogenannten analytischen HPLC liegen die erforderlichen Durchflussraten in der Größenordnung von einigen wenigen Millimetern pro Minute. Nach dem Stand der Technik werden derartige Flüsse durch Kolbenpumpen basierend auf dem Verdrängungsprinzip erzeugt. Hier werden die Kolbenbewegungen so gesteuert, dass das erforderliche Volumen pro Zeit verdrängt wird, was zum gewünschten Fluss führt. Normalerweise ist es nicht notwendig, die erzeugten Flüsse zu messen oder zu regeln bzw. steuern.
Im niedrigen Durchflussbereich besteht das Problem, dass die Kolbenbewegungen nicht immer in einer derart genauen Weise gesteuert werden können, dass genau die gewünschten Flüsse verdrängt werden. Zusätzlich dazu kann ein relevanter Teil des verdrängten Flusses aufgrund von unvermeidlichen Leckagen, zum Beispiel aus Pumpendichtungen oder den Ventilen, verloren gehen. Weiterhin kann die Menge der Flüssigkeit, die innerhalb der Pumpe vorhanden ist, variieren, zum Beispiel infolge von Änderungen bei Temperatur und Druck, die die Dichte der Flüssigkeit beeinflussen. Der Fluss, der am Ausgang der Pumpe bereitgestellt wird, wird im Laufe von derartigen Volumenveränderungen entsprechend erhöht oder reduziert. Im niedrigen Durchflussbereich, insbesondere im Bereich von Nano-HPLC, liegen die Durchflussfehler, die dadurch verursacht werden, in derselben Größenordnung wie die gewünschten Flüsse selbst und müssen daher kompensiert werden.
Der Fluss kann mithilfe von Durchflusssensoren geregelt oder gesteuert werden.
Bei Pumpen mit niedrigem Durchfluss nach dem Stand der Technik werden daher die Flüsse von einzelnen Pumpenblöcken mittels entsprechender Sensoren gemessen. Falls die Flüsse von den gewünschten Werten abweichen, werden die Fördergeschwindigkeiten der Pumpenblöcke von den entsprechenden Regelkreisen so eingestellt, dass sie die Fehler kompensieren.
Auf diese Weise können die vorstehend erwähnten störenden Effekte kompensiert werden. In diesem Fall wird die Präzision und Reproduzierbarkeit der Durchflusserzeugung hauptsächlich von der Präzision oder Reproduzierbarkeit der Sensoren bestimmt. Die Merkmale der Pumpenblöcke spielen nur eine untergeordnete Rolle, da sie mittels der Steuerung weitgehend kompensiert werden können.
Somit sind für Pumpen mit niedrigem Durchfluss Sensoren wünschenswert, die die Flüsse der Pumpenblöcke mit einer hohen Präzision und vor allem mit einem hohen Grad an Reproduzierbarkeit messen können.
Was normalerweise für die Messung der Flüsse bei Nano-HPLC und Kapillar-HPLC verwendet wird, sind thermische Durchflusssensoren oder Durchflusssensoren nach dem Shunt-Prinzip. Es gibt zahlreiche Veröffentlichungen zur Umsetzung derart geregelter Pumpen, insbesondere für den niedrigen Durchflussbereich.
US 7 674 375 B2 von Waters Company (siehe 1) beschreibt eine Lösung, bei der ein Regler 120 die zwei Pumpen 102 und 104, die die zwei Teilströme erzeugen, regelt. Sie passieren die zwei Strömungswiderstandselemente 108 und 114 und werden am Auslass vom Mischer 110 kombiniert. Der Druckabfall an jedem Widerstandselement ist proportional zum entsprechenden Fluss und stellt somit ein Maß für den tatsächlichen Teilstrom dar. Insgesamt werden 3 Drucksensoren 106, 112 und 116 zum Messen der Druckabfälle bereitgestellt, so dass der Regler 120 den Druckabfall an der oberen Kapillare als die Differenz zwischen den Signalen der Drucksensoren 106 und 116 ermitteln kann, und analog den Druckabfall an der unteren Kapillare als die Differenz zwischen den Signalen der Drucksensoren 112 und 116 ermitteln kann.
Die Teilströme werden durch Dividieren des Druckabfalls durch den (zuvor ermittelten) Flusswiderstand des entsprechenden Widerstandselements erhalten.
Genau dasselbe Messprinzip wird auch im US-Patent US 7 927 477 B2 von AB Sciex LLC Company sowie weiteren Mitgliedern dieser Patentfamilie beschrieben.
Die Messung mittels spezieller Durchflusssensoren ist bereits aus US 3 917 531 A von Spectra Physics Company (siehe 2) bekannt. Hier wird ein Durchflussmesswandler 23 oder 23', der den Istfluss misst, in jeder Strömungsbahn verwendet.
Die Signale der Sensoren, die als „Durchflussmesswandler“ bezeichnet werden, werden zu den Steuervorrichtungen 26 und 26' übermittelt, die die Motoren 16 und 16' derart steuern, dass die Flüsse den gewünschten Werten entsprechen.
Diese Lösung wird auch von mehreren wesentlich späteren Patenten, wie zum Beispiel US 8 679 333 B2 , beansprucht.
Thermische Durchflusssensoren nach dem Stand der Technik, die die Flüsse, die im niedrigen Durchflussbereich von Interesse sind, messen können, sind im Handel erhältlich, zum Beispiel von der Firma Bronkhorst BV, Niederlande, oder der Firma Sensirion AG, Schweiz.
Derartige Durchflusssensoren des früheren Stands der Technik weisen jedoch bestimmte Probleme und Begrenzungen auf.
Da Durchflussmessungen und Durchflussregelung mittels Durchflusssensoren auch von Interesse für die vorliegende Erfindung sein können, werden einige Aspekte dieser Technologie im Folgenden ausführlicher betrachtet.
Es gibt bestimmte Anforderungen für die Durchflusssensoren, welche von dem Gebiet, auf dem die Durchflusssensoren eingesetzt werden, abhängen können.
HPLC-Pumpen sollen einen Fluss- und Druckbereich abdecken, der so groß wie möglich ist, so dass sie vielseitig für einen breiten Bereich von verschiedenen HPLC-Säulen verwendet werden können. Für Pumpen mit niedrigem Durchfluss gilt diese Anforderung auch für die verwendeten Durchflusssensoren.
Hier ist es für HPLC vorteilhaft, dass die Präzision und vor allem die Reproduzierbarkeit aller Prozesse so hoch wie möglich ist. Somit werden sowohl der Gesamtfluss als auch das Mischungsverhältnis vorteilhafterweise aufrechterhalten, um besonders reproduzierbar zu sein.
Wie bereits erläutert, wird bei HPLC-Pumpen für den niedrigen Durchflussbereich nach dem Stand der Technik jeder Teilstrom von einem Durchflusssensor gemessen, und der entsprechende Pumpenblock wird von einem Regelkreis derart gesteuert, dass der gemessene Fluss dem gewünschten Wert so genau wie möglich entspricht. Falls Messfehler in den Durchflusssensoren auftreten, werden die tatsächlich bereitgestellten Teilströme entsprechend fehlerhaft geregelt. In diesem Fall können sowohl der Gesamtstrom als auch das Mischungsverhältnis fehlerhaft sein.
Wie bereits erwähnt, kommen Gradienten bei HPLC häufig zur Anwendung, d. h. das Mischungsverhältnis der Lösemittel wird im Bereich zwischen 0 und 100 % während jedem Messzyklus in Abhängigkeit von der Zeit verändert. Bei 0 oder 100 % wird einer der Teilströme null. Falls in diesem Fall der entsprechende Pumpenblock einfach angehalten wurde, würden Änderungen bei Druck und Temperatur sowie mögliche Leckagen zu unerwünschten Flüssen führen, wobei auch ein negativer Teilstrom, d. h. in der Richtung des Pumpenblocks, auftreten könnte. Um dies zu vermeiden, muss jeder Teilstrom immer aktiv geregelt werden.
Falls ein Teilstrom null ist, ist eine Vorgabe der Genauigkeit der prozentualen Angaben für den Durchflusssensor nicht möglich. In diesem Fall ist das, worauf man stattdessen achten kann, das Nullsignal im ungünstigsten Fall, das vom Sensor beim Istfluss = null bereitgestellt wird. Das Nullsignal umfasst einen Offsetfehler (Mittelwert) und Rauschen. Diese Werte ergeben den niedrigsten messbaren Fluss, der eben ausreicht, um zuverlässig vom Nullsignal unterschieden zu werden.
Im Folgenden wird das Verhältnis zwischen diesem niedrigsten und dem höchsten messbaren oder nutzbaren Fluss als der Dynamikbereich des Sensors bezeichnet.
Der Durchflussratenbereich, in dem die HPLC-Pumpe mit Durchflusssensoren zweckmäßig betrieben werden kann, wird vom Dynamikbereich der Durchflusssensoren bestimmt. Als Daumenregel für eine ausreichende Präzision und Reproduzierbarkeit sollte der Gesamtstrom der Pumpe um mindestens 2 Größenordnungen höher als der niedrigste messbare Fluss sein. Somit ist der Betriebsbereich der Pumpe (wobei der Bereich der Quotient aus der höchsten und niedrigsten Durchflussrate ist) um den Faktor 100 niedriger als der Dynamikbereich der verwendeten Durchflusssensoren.
Die vorstehenden Überlegungen gelten für alle Typen von Durchflusssensoren, seien es thermische Durchflusssensoren oder Durchflusssensoren nach dem Shunt-Prinzip oder jede andere Art von Durchflusssensoren.
Im Folgenden werden spezifische Begrenzungen der Durchflussmessung und Durchflussregelung nach dem Shunt-Prinzip betrachtet.
Die Durchflussmessung nach dem Shunt-Prinzip entspricht der Messung des elektrischen Stroms nach dem Shunt-Prinzip. Hier wird in den stromführenden Leiter ein bekannter Widerstand eingesetzt, und der Spannungsabfall am Widerstand wird gemessen. Der Strom ergibt sich dann als der Quotient aus der gemessenen Spannung und dem Widerstandswert.
Analog dazu wird der zu messende Teilstrom durch einen bekannten Strömungswiderstand geführt, und der Druckabfall am Widerstandselement wird gemessen. Dann ergibt sich die Durchflussrate des Teilstroms als der Quotient aus dem gemessenen Druckabfall und dem Strömungswiderstand.
Die Gesamtstruktur einer binären Gradientenpumpe mit Durchflussmessung und Regulierung nach dem Shunt-Prinzip ist in 1 (Stand der Technik) dargestellt. Die Teilströme, die von den zwei Pumpenblöcken 102 oder 104 bereitgestellt werden, passieren die Strömungswiderstandselemente 108 oder 114 und werden anschließend vom Mischer 110 kombiniert. Die zwei Drucksensoren 106 und 112 messen die Drücke an den Eingängen der Widerstandselemente oder an den Ausgängen der Pumpenblöcke. Im Folgenden werden sie als Primärdrücke bezeichnet. Der Drucksensor 116 misst den Druck hinter den Widerstandselementen oder am Ausgang der gesamten Pumpe. Im Folgenden wird er als Systemdruck bezeichnet.
Der Druckabfall am Widerstandselement 108 ist die Differenz zwischen dem Signal des Primärdrucksensors 106 und des Systemdrucksensors 116. Für das Widerstandselement 114 kann der Druckabfall aus den Signalen des Primärdrucksensors 112 und des Systemdrucksensors 116 erfasst werden. Der Systemcontroller ermittelt diese Druckabfälle, berechnet basierend auf ihnen die gemessenen Teilströme und steuert die Pumpenblöcke so, dass die gemessenen Teilströme den gewünschten Werten entsprechen.
Geeignete Strömungswiderstandselemente sind zum Beispiel Kapillaren mit einem relativ kleinen Innendurchmesser oder mit einer Füllung aus porösem Material. Die Flüssigkeit, die durch sie fließt, erzeugt einen Druckabfall, der von der Geometrie des Widerstandselements, der Viskosität der Flüssigkeit sowie von der Durchflussrate abhängt. Falls das Widerstandselement auf eine geeignete Weise konzipiert ist, ist die Beziehung zwischen dem Druckabfall und dem Strom ungefähr linear. Falls sowohl die Merkmale des Widerstandselements als auch die Viskositäten der Flüssigkeiten bekannt sind, können die Teilströme aus den Druckabfällen berechnet werden. Dazu müssen die Widerstandselemente so konzipiert sein, dass im Durchflussbereich von Interesse die Druckabfälle hoch genug sind, so dass sie mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden können. Andererseits dürfen die Widerstandselemente nicht zu viel Gegendruck erzeugen, da die Pumpenblöcke diesen zusätzlichen Druck bereitstellen müssen.
Übliche Drucksensoren für hohe Drücke, wie sie bei HPLC verwendet werden, sind so konstruiert, dass sie die Druckdifferenz zum Umgebungsdruck oder den absoluten Druck, falls erforderlich, messen. Was jedoch für die Ermittlung des Flusses von Interesse ist, ist der Druckabfall, d. h. die Druckdifferenz zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Widerstandselements. Differenzdrucksensoren, die eine relativ kleine Differenz zwischen zwei sehr hohen Drücken mit guter Präzision messen können, wären technisch extrem anspruchsvoll und sind nicht leicht zu vertretbaren Kosten erhältlich. Somit werden für die Durchflussmessung nach dem Shunt-Prinzip einzelne herkömmliche Drucksensoren verwendet, und die Differenzen werden entweder elektronisch oder mittels einer Software berechnet, wie in 1 gezeigt.
Wie bereits erläutert, müssen bei HPLC extrem hohe Anforderungen in Bezug auf die Präzision und insbesondere die Reproduzierbarkeit der Teilflüsse erfüllt werden. Aus diesem Grund müssen die Druckabfälle auf eine extrem präzise und reproduzierbare Weise gemessen werden. Gute und leicht erhältliche Drucksensoren erreichen Präzisionen in der Größenordnung von 0,1 % des maximalen Drucks. Was jedoch bei der Durchflussmessung nach dem Shunt-Prinzip wichtig ist, ist die (vergleichsweise niedrige) Druckdifferenz, die am Widerstandselement erzeugt wird. Auf diese Weise haben die Ungenauigkeiten der Drucksensoren entsprechend eine prozentual stärkere Auswirkung. Das wird basierend auf einem Beispiel erläutert.
Angenommen, Pumpenblöcke können Primärdrücke von bis zu 1000 bar bereitstellen und das System ist für einen Nennfluss von 500 nl/min und einen Nenndruck von 800 bar ausgelegt. Hier ist der Nenndruck der maximale Systemdruck, der beim Nennfluss erreicht werden kann.
Die Widerstandselemente sind so konzipiert, dass in ihnen unter Nennbedingungen ein maximaler Druckabfall von 200 bar auftritt. Dieser Druckabfall ist ein Maß für den Istfluss und wird mithilfe der Drucksensoren gemessen. Dazu müssen die Primärdruck- und Systemdrucksensoren für 1000 bar ausgelegt sein. Somit sind bei Drucksensoren mit einer Präzision von 0,1 % Messfehler von bis zu ±1 bar pro Sensor zu erwarten, was sich im ungünstigsten Fall auf bis zu ±2 bar summieren kann. Basierend auf einer Druckdifferenz von 200 bar entspricht dies einem Fehler von bis zu ±1 %, was zu einem Durchflussfehler von bis zu ±1 % führt. Dies ist für chromatografische Zwecke ausreichend, da die Messungsreproduzierbarkeit normalerweise um ca. 1 bis 2 Größenordnungen besser als die absolute Präzision ist, womit sie zwischen 0,01 % und 0,1 % liegt.
Falls gewünscht wird, mit demselben System mit einem niedrigeren Gesamtfluss zu arbeiten, zum Beispiel 100 nl/min statt 500 nl/min, beträgt die zu messende Druckdifferenz jetzt nur 40 bar. Nun hat der maximale Messfehler von ±2 bar bereits einen resultierenden Durchflussfehler von ±5 %. Falls die Durchflusseinstellung noch niedriger ist, erhöht sich der Fehler weiter.
Umgekehrt kann dasselbe System auch Flüsse bereitstellen, die höher als der Nennfluss sind. In diesem Fall erhöhen sich die Druckdifferenzen entsprechend an den Widerstandselementen, zum Beispiel auf 600 bar mit 1500 nl/min. Dementsprechend kann in diesem Fall das System nur einen maximalen Druck von 400 bar bereitstellen.
Somit ist der nutzbare Durchflussbereich des Systems am unteren Ende durch den sich erhöhenden Messfehler und am oberen Ende durch den verfügbaren Säulendruck begrenzt. Je nachdem, welche Anzahl von Durchflussfehlern und welche Einschränkungen bezüglich des Säulendrucks als akzeptabel gelten, hat die Durchflussmessung eines derartigen Systems einen Dynamikbereich in der Größenordnung von 1:1000 bis 1:2000. Das entspricht einem Pumpenbetriebsbereich von 1:10 bis 1:20.
Im Folgenden werden spezifische Begrenzungen der Durchflussmessung und Durchflussregelung von thermischen Durchflusssensoren betrachtet.
Thermische Durchflusssensoren für den niedrigen Durchflussbereich nach dem Stand der Technik arbeiten mit einer Kapillare, durch die der zu messende Strom geführt wird. Die Kapillare wird von mindestens einem Heizelement erwärmt, das außerhalb der Kapillare in der Mitte der Messzone angebracht ist. Temperatursensoren sind außen an der Kapillare an beiden Enden der Messzone, d. h. in Richtung der Kapillarachse, symmetrisch vor und hinter dem Heizelement angebracht. Falls kein Strom durch die Kapillare fließt, wird in der Messzone ein symmetrisches Temperaturprofil gebildet, da die Wärme gleichmäßig hin zu beiden Seiten abgegeben wird, d. h. beide Temperatursensoren haben dieselbe Temperatur. Falls ein Strom durch die Kapillare geführt wird, verursacht er einen zusätzlichen Wärmetransport in Durchflussrichtung. Auf diese Weise wird der Temperatursensor, der vor dem Heizelement angeordnet ist, abgekühlt, und der Temperatursensor hinter dem Heizelement wird erwärmt. Die Differenz zwischen den Temperaturen (im Folgenden als Temperaturdifferenz bezeichnet) ist ein Maß für den Strom. Die Temperaturdifferenz wird gemessen und mithilfe einer Kalibriertabelle in eine Durchflussrate umgewandelt. Verschiedene Ausführungsformen derartiger thermischer Sensoren sind bekannt, zum Beispiel aus US 5 036 701 A von der Firma Bronkhorst B.V., sowie aus EP 1144958 B1 von der Firma Sensirion AG. Die Funktion derartiger Durchflusssensoren wird im Folgenden ausführlicher erläutert werden.
Die US 2013/0319105 A1 offenbart einen Mikrodurchflusssensor, der einen Flusspfad, durch den ein zu messendes Fluid strömt, sowie eine Erfassungseinheit mit einem Heizer umfasst, wobei der Heizser so konfiguriert ist, dass er das zu messende Fluid in dem Durchflussweg erwärmt. Außerdem umfasst der Mikrodurchflusssensor Temperatursensoren, die so konfiguriert sind, dass sie die Temperatur eines zu messenden Fluids in dem Durchflussweg messen, eine Recheneinheit, die so konfiguriert ist, dass sie eine Druchflussrate des zu messenden Fluids auf Grundlage der Temperatur misst und einen verengten Abschnitt, der an einer stromaufwärtigen Seite der Erfassungseinheit in dem Durchflussweg angeordnet ist, um den Durchflussweg zu verengen.
Ein Problem dieses thermischen Messprinzips besteht darin, dass nicht nur die Temperaturprofile asymmetrisch werden, während der Strom zunimmt, sondern auch die Wärmeableitung durch die Flüssigkeit zunehmend relevant wird. Somit erhöht sich die von den Temperatursensoren gemessene Temperaturdifferenz bei einem zunehmenden Strom nur im niedrigen Durchflussbereich. Falls der Strom höher ist, wird die abgegebene Wärme des Heizelements immer besser abgeleitet, so dass die Temperatur von beiden Temperatursensoren sinkt, während der Strom zunimmt. Dieser Effekt überwiegt gegenüber einem bestimmten Strom, so dass die Temperaturdifferenz noch weiter sinkt. Folglich erhöht sich das Sensorsignal mit der Durchflussrate bei einem niedrigen Strom, geht dann in die Sättigung und fällt anschließend wieder ab, falls der Strom noch weiter erhöht wird. Da thermische Durchflusssensoren nach dem Stand der Technik die Temperaturdifferenz analysieren, fällt das Durchflusssignal, das vom Sensor berechnet wird, ebenfalls ab. Das kann innerhalb bestimmter Grenzen verhindert werden, indem die Wärmeabfuhr bei der Berechnung des Durchflusssignals berücksichtigt wird. Das kann zum Beispiel bewirkt werden, indem die Referenzspannung des Analog/Digital-Wandlers in Abhängigkeit von der Durchschnittstemperatur der zwei Temperatursensoren geändert wird, wie im Patentdokument US 7 490 511 B2 beschrieben.
Selbst mit dieser Verbesserung ist der Dynamikbereich, in dem eine korrekte und ausreichend genaue Durchflussmessung möglich ist, bei thermischen Durchflusssensoren begrenzt. Was erreicht werden kann, ist ein Dynamikbereich von ungefähr 1:5000, das heißt, ein derartiger thermischer Durchflusssensor kann Flüsse zum Beispiel im Bereich zwischen 1 nl/min und 5000 nl/min messen.
Dies ist ein erheblich größerer Dynamikbereich als bei der Durchflussmessung nach dem Shunt-Prinzip, und es ermöglicht die Herstellung von Pumpen mit niedrigem Durchfluss mit einem Betriebsbereich von ungefähr 1:50 und somit einem breiteren Anwendungsgebiet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die thermischen Durchflusssensoren nur einen kleinen Druckabfall verursachen; somit müssen die Primärdrücke nur leicht höher als der Systemdruck sein. Je nach Auslegung des Systems ist es somit möglich, entweder Systemdrücke bereitzustellen, die im Vergleich zum Shunt-Prinzip höher sind, oder man kann einen vorgegebenen Systemdruck mittels Pumpenblöcken erreichen, die einen niedrigeren Bemessungsdruck haben und somit billiger sind.
Die Durchflussmessung nach dem Stand der Technik hat jedoch bestimmte Nachteile.
Ein allgemeiner Nachteil der Durchflussmessung nach dem Stand der Technik ist, dass der Dynamikbereich immer noch relativ begrenzt ist. Aus diesem Grund können Pumpen mit einem niedrigen Durchfluss mit dieser Technologie nur in einem begrenzten Durchflussbereich verwendet werden. Falls der gewünschte Strom unterhalb dieses Bereichs liegt, werden Störeinflüsse der Sensoren, wie z. B. Rauschen und Drifterscheinungen, relevant. Das führt zu Messungenauigkeiten, so dass der sehr hohe Grad an Reproduzierbarkeit des Gesamtstroms (auch Gesamtfluss) und der Lösemittelzusammensetzung, wie es in der Chromatografie erforderlich ist, nicht erreicht werden kann. Bei der Durchflussmessung nach dem Shunt-Prinzip wird der Druckabfall an den Strömungswiderstandselementen, die für das Messen verwendet werden, am oberen Ende des Dynamikbereichs zu hoch, so dass die Pumpe keinen ausreichend hohen Systemdruck mehr erzeugen kann. Wenn es sich um thermische Durchflusssensoren handelt, ist eine korrekte Messung nur bis zu einem bestimmten maximalen Strom möglich, da das Messsignal in die Sättigung geht.
Es hat einige Versuche gegeben, diese Probleme zu lösen.
Ein Versuch bedient sich austauschbarer Komponenten.
Da der begrenzte Durchflussbereich durch die Auslegung der Durchflussmessungskomponenten verursacht wird, besteht eine Maßnahme darin, diese Komponenten in einem austauschbaren Modul unterzubringen und verschiedene Module anzubieten, die dazu konzipiert sind, für verschiedene spezifische Durchflussbereiche geeignet zu sein. Falls der Benutzer in einem anderen Durchflussbereich arbeiten will, muss er nur das entsprechende Modul einbauen.
Was die Durchflussmessung nach dem Shunt-Prinzip betrifft, ist es sogar nur notwendig, die (vergleichsweise günstigen) Strömungswiderstandselemente auszutauschen, um den Durchflussbereich zu verändern. Auf diese Weise kann der Hersteller einer derartigen Pumpe mit niedrigem Durchfluss mehrere austauschbare Widerstandselemente anbieten, so dass der gesamte Durchflussbereich von Interesse abgedeckt werden kann.
Was die Durchflussmessung mit thermischen Durchflusssensoren betrifft, müssen die Sensoren selbst ausgetauscht werden. Da die Sensoren teuer sind, ist dies nicht wünschenswert.
Der Nachteil dieser einfachen Lösungen ist, dass ein derartiger Austausch von empfindlichen Komponenten durch den Benutzer ein erhöhtes Fehlerrisiko mit sich bringt. Zu diesem Zweck müssen die Widerstandselemente so konzipiert sein, dass ein Austausch auf eine einfache und funktionssichere Weise ausgeführt werden kann. Dies ist im niedrigen Durchflussbereich besonders schwierig, da die Fluidverbindungen hier besonders kritisch sind. Zum Beispiel können während des Austausches Schmutzteilchen in das System gelangen, was beispielsweise zu Verstopfen oder Leckagen führen kann. Darüber hinaus ist der Austausch ein zusätzlicher Arbeitsschritt für den Benutzer, der vermieden werden sollte.
Systeme mit niedrigem Durchfluss mit austauschbaren Komponenten, die nach dem Shunt-Prinzip arbeiten, sind auf dem Markt erhältlich. Das System NanoLC 400 von Sciex Company arbeitet mit austauschbaren Strömungsmodulen, die die Widerstandselemente enthalten und für drei verschiedene Durchflussbereiche angeboten werden. Beim System RSLCnano, das vom Anmelder angeboten wird, sind die Widerstandselemente ebenfalls austauschbar. Zusätzlich dazu ist es bei diesem System sogar möglich, das gesamte Durchflussmesssystem durch ein Modul zu ersetzen, das mit thermischen Durchflusssensoren statt nach dem Shunt-Prinzip arbeitet.
Ein weiterer Versuch, die Nachteile zu überwinden, bedient sich umschaltbarer Komponenten.
Um die mit dem Austausch von Komponenten zusammenhängenden Probleme zu vermeiden, ist auch ein manuelles oder automatisches Umschalten der Durchflussbereiche denkbar. Zu diesem Zweck müssten mehrere Durchflussmesssysteme, deren Ausgänge entweder mittels des Herstellens der entsprechenden Kapillarverbindungen oder durch Hochdruck-Umschaltventile geschaltet werden können, parallel vorhanden sein.
Dies würde jedoch zu einem hohen Aufwand und hohen Platzanforderungen für die Komponenten führen.
Eine weitere Lösung bezieht sich auf einen Durchflusssensor mit einem erweiterbaren linearen Messbereich.
WO 2011/075571 A1 schlägt einen Durchflusssensor vor, der einen erweiterten Dynamikbereich hat (siehe 3). Die Messung wird basierend auf demselben Prinzip wie bei den thermischen Durchflusssensoren, die bereits vorstehend beschrieben wurden, durchgeführt. Die Kapillare (404), durch die der zu messende Strom fließt, wird durch ein zentrales Heizelement (406) erwärmt. Zwei Temperatursensoren (402a und 402b) sind an der Kapillare symmetrisch zum Heizelement angebracht und ermitteln die Temperaturen vor und nach dem Heizelement. Die Differenz zwischen diesen Temperaturen stellt ein Maß für den Strom dar.
Ein weiterer Temperatursensor (402c) ist am Heizelement angebracht und erfasst die Temperatur des Heizelements direkt. Die Temperatur des Heizelements wird über einen geschlossenen Regelkreis auf den geeigneten Wert (Heizvorrichtungssollwert) geregelt.
Auf diese Weise wird vermieden, dass die Temperatur des Heizelements bei einem hohen Strom sinkt. Somit steigt die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren 402a und 402b auch bei hohen Durchflussraten weiter, wenn die Durchflussrate steigt. Ein derartiger Durchflusssensor kann immer noch präzise Messungen sowohl von niedrigen als auch von hohen Durchflussraten bereitstellen und hat somit einen erheblich höheren Dynamikbereich als herkömmliche thermische Durchflusssensoren. Bei noch höheren Durchflussraten wird jedoch der thermische Widerstand zwischen dem Heizelement und der Flüssigkeit relevant. In diesem Fall sinkt die Temperatur der Flüssigkeit mit einem zunehmenden Strom, obwohl die Temperatur des Heizelements konstant bleibt. Innerhalb bestimmter Grenzen kann man dem durch eine höhere Temperatur des Heizelements entgegenwirken, oder / und dieser Effekt kann beim Umwandeln der Temperaturdifferenz in den Strom berücksichtigt werden.
Ein schwierigeres Problem dieser Lösung ist, dass die geregelte Heizleistung, und folglich auch die zu messende Temperaturdifferenz, umso kleiner ist, je höher die Temperatur der einströmenden Flüssigkeit wird. Dies kann man leicht verstehen, indem man sich den extremen Fall ansieht, dass die Temperatur der Flüssigkeit gleich der Solltemperatur der Heizvorrichtung ist, oder dass sie diese überschreitet. In diesem Fall wird die abgegebene Wärme null, d. h. die gemessene Temperaturdifferenz bleibt ebenfalls null unabhängig von der Durchflussrate, so dass offensichtlich keine Durchflussmessung möglich ist.
Solange die Temperatur der einströmenden Flüssigkeit unterhalb der Solltemperatur des Heizelements bleibt, kann der Effekt durch Einbeziehen der erforderlichen Heizleistung bei der Berechnung kompensiert werden, zum Beispiel durch Multiplizieren der Temperaturdifferenz mit dem Kehrwert der Heizleistung.
Das bringt jedoch den Nachteil mit sich, dass der Regelkreis für die Heizleistung relativ langsam reagiert. Falls es Änderungen des Flusses gibt, dauert es einige Zeit, bis der Controller eingeschwungen ist und der Sensor wieder korrekt die Durchflussrate anzeigt. Somit erfasst ein derartiger Sensor Durchflussänderungen nur mit einer gewissen Verzögerung.
Falls ein derart langsamer Durchflusssensor in einer HPLC-Pumpe zur Regelung des Flusses verwendet wird, muss der Durchflussregelkreis dazu ausgelegt werden, sehr langsam zu sein sowie Instabilitäten zu vermeiden. Ein derart langsamer Regelkreis beseitigt Durchflussschwankungen nicht schnell genug; somit bleibt das Verhalten der gesamten Pumpe suboptimal.
Unter Ausklammerung dieser Probleme kann mit einem derart verbesserten Durchflusssensor nach dem Stand der Technik ein Dynamikbereich von bis zu ungefähr 1:10000 erreicht werden, entsprechend einem Betriebsbereich der Pumpe von 1:100. Dies ist erheblich besser als bei herkömmlichen thermischen Durchflusssensoren, deckt jedoch noch nicht den gesamten niedrigen Durchflussbereich ab.
Angesichts der vorstehenden Erläuterungen ist es ein Ziel, die Unzulänglichkeiten und Nachteile des früheren Standes der Technik zu überwinden oder mindestens zu mildern. Spezieller ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Technologie bereitzustellen, die eine Messung eines Fluidflusses über einen breiten Bereich von Fluidflüssen hinweg ermöglicht. Die Technologie sollte genaue und reproduzierbare Ergebnisse bringen und sollte einfach und leicht anzuwenden sein. Nach einigen Ausführungsformen sollte ihre Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ausreichend für eine Verwendung bei HPLC sein.
Diese Ziele werden durch diese Erfindung erreicht.
In einem ersten Aspekt bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zum Messen eines Flusses eines Fluids in einem Rohr, wobei das Verfahren umfasst: ein Heizelement erwärmt das Fluid im Rohr; ein erstes Temperaturfühlerelementmisst ein erstes Signal, das eine erste Temperatur des Fluids im Rohr an einem ersten Standort angibt; ein zweites Temperaturfühlerelementmisst ein zweites Signal, das eine zweite Temperatur des Fluids im Rohr an einem zweiten Standort angibt, wobei sich der zweite Standort vom ersten Standort unterscheidet; Berechnen von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal; und Ableiten eines Flusses basierend auf dem mindestens einen Temperatursignal.
Es versteht sich, dass das Fluid eine Flüssigkeit sein kann. Vereinfacht ausgedrückt ermittelt diese Erfindung die Temperaturen (oder ein Signal, das die Temperatur angibt, z. B. ein Spannungssignal) in einem Rohr an verschiedenen Standorten. Diese Temperaturen werden dann zur weiteren Verarbeitung und zum Erhalten eines Maßes des Flusses verwendet. Das kann zu einer stabilen und leicht anwendbaren Messung des Flusses im Rohr führen.
Der Schritt des Berechnens von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal umfasst das Berechnen eines Temperaturdifferenzsignals basierend auf der Differenz zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal.
Der Schritt des Berechnens von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal umfasst das Berechnen eines Temperatursummensignals basierend auf der Summe des zweiten Signals und des ersten Signals.
Es versteht sich, dass das mindestens eine Temperatursignal (sowie das Temperaturdifferenzsignal und/oder das Temperatursummensignal) ein transformiertes Signal sein kann.
Im Schritt des Ableitens eines Flusses wird ein Fluss basierend auf einer ersten gewichteten Kombination aus dem Temperaturdifferenzsignal und dem Temperatursummensignal abgeleitet, wenn eine erste Bedingung erfüllt ist, und ein Fluss wird basierend auf einer zweiten gewichteten Kombination aus dem Temperaturdifferenzsignal und dem Temperatursummensignal abgeleitet, wenn eine zweite Bedingung erfüllt ist, wobei die zweite Bedingung sich von der ersten Bedingung unterscheidet und wobei die zweite gewichtete Kombination sich von der ersten gewichteten Kombination unterscheidet.
Mit anderen Worten kann diese Erfindung ein Signal basierend auf der Differenz der gemessenen Temperaturen, d. h. ein Temperaturdifferenzsignal, und ein Signal basierend auf der Summe der gemessenen Temperaturen, d. h. ein Temperatursummensignal, einsetzen. Dieses Temperaturdifferenzsignal und Temperatursummensignal kann dazu verwendet werden, einen Strom durch das Rohr zu erhalten.
Es versteht sich, dass die vorliegende Technologie das folgende Konzept verwendet: Das Heizelement erwärmt das Fluid, z. B. die Flüssigkeit, im Rohr und erhöht die Temperatur. Die Temperaturfühlerelemente messen Temperaturen der Flüssigkeit. Allgemein ist die Temperatur, die die Temperaturfühlerelemente messen, umso höher, je näher sie am Heizelement sind. Weiterhin hängt die Temperatur, die sie messen, auch vom Strom ab. Allgemein sind die Temperaturen, die sie messen, umso kleiner, je höher der Fluss ist. Zum Beispiel wird bei einem Fluss von null keine Wärme vom Fluss abtransportiert, weshalb die vom Temperaturfühlerelement gemessene Temperatur bei ihrem Maximum liegt. Je höher der Fluss, umso mehr Wärme wird vom Fluss abtransportiert, und umso niedriger ist die Temperatur. Diese allgemeine Rationale gilt für beide Temperaturfühlerelemente, weshalb die Temperatursumme zum Ermitteln des Flusses im Rohr verwendet werden kann.
Weiterhin versteht es sich auch, dass die von den Temperaturfühlerelementen gemessenen Temperaturen verschieden sind. Betrachten wir den Fall, dass die Temperaturfühlerelemente symmetrisch zum Heizelement angebracht sind, d. h. eines ist prozessaufwärts des Heizelements angeordnet und das andere ist prozessabwärts des Heizelements in derselben Entfernung vom Heizelement angeordnet. Wenn das Heizelement das Fluid erwärmt, wird die in das Fluid eingetragene Wärme zu einem größeren Temperaturanstieg im prozessabwärts gelegenen Temperaturfühlerelement als im prozessaufwärts gelegenen Temperaturfühlerelement führen.
Somit kann die Temperaturdifferenz gemessen werden, um den Fluss zu ermitteln.
Diese Technologie kann sowohl das Temperatursummensignal als auch das Temperaturdifferenzsignal dazu einsetzen, den Fluss im Rohr zu erhalten. Spezifischer kann sie jedem von ihnen Gewichtungen (z. B. im Bereich von 0 bis 1, und so dass die Summe der beiden Gewichte gleich 1 ist) zuordnen und den Fluss basierend auf diesen Gewichtungen ermitteln, wobei die Gewichtungen von bestimmten Bedingungen abhängen.
Das kann zu einer besonders stabilen und ausfallsicheren Ermittlung des Flusses basierend auf den gemessenen Temperaturen führen.
Vorstehend wurde beschrieben, dass dem Temperatursummensignal und dem Temperaturdifferenzsignal Gewichte zugewiesen werden. Der Fachmann wird verstehen, dass bei Ausführungsformen, in denen das Temperatursummensignal und das Temperaturdifferenzsignal transformiert und/oder linearisiert werden, das Zuweisen von Gewichtungen bei jedem Schritt ausgeführt werden kann. Das heißt, es kann möglich sein, zuerst die Gewichtungen zuzuweisen und dann die Signale zu transformieren und/oder zu linearisieren. Umgekehrt ist es auch möglich, zuerst die Signale zu transformieren und/oder zu linearisieren und ihnen dann Gewichtungen zuzuweisen.
Im Schritt des Ableitens eines Flusses kann ein Fluss basierend auf dem Temperaturdifferenzsignal abgeleitet werden, wenn die erste Bedingung erfüllt ist; und ein Fluss kann basierend auf dem Temperatursummensignal abgeleitet werden, wenn die zweite Bedingung erfüllt ist.
Mit anderen Worten entspricht in dieser Ausführungsform die erste gewichtete Kombination dem Gewichten des Temperaturdifferenzsignals mit einem Gewichtungsfaktor von 1 und des Temperatursummensignals mit einem Gewichtungsfaktor von 0; und die zweite gewichtete Kombination entspricht dem Gewichten des Temperatursummensignals mit einem Gewichtungsfaktor von 1 und des Temperaturdifferenzsensors [sic!] mit einem Gewichtungsfaktor von 0. Dies kann eine besonders einfache Ausführungsform sein, da sie einfach das Temperatursummensignal in bestimmten Regionen und das Temperaturdifferenzsignal in anderen Regionen einsetzt.
Das Rohr kann eine Kapillare sein.
Der zweite Standort kann vom Heizelement in einer dem ersten Standort entgegengesetzten Richtung beabstandet sein. Mit anderen Worten kann eines der Temperaturfühlerelemente „prozessaufwärts“ vom Heizelement angeordnet sein und das andere kann „prozessabwärts“ vom Heizelement angeordnet sein.
Mit anderen Worten können sich der erste und der zweite Standort auf gegenüberliegenden Seiten des Heizelements befinden.
Der Schritt des Berechnens von mindestens einem Temperatursignal und der Schritt des Ableitens eines Flusses können von einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden.
Das Verfahren umfasst weiterhin das automatische Umschalten zwischen dem Ableiten des Flusses basierend auf verschiedenen gewichteten Kombinationen des Temperaturdifferenzsignals und des Temperatursummensignals.
Das heißt, dieses Umschalten erfolgt mittels eines Systems, in dem das Verfahren ausgeführt wird, ohne dass ein Benutzer mit dem System interagieren muss.
Das Temperaturdifferenzsignal und das Temperatursummensignal können gleichzeitig oder praktisch gleichzeitig erfasst werden.
Eine praktisch gleichzeitige Erfassung bedeutet, dass beide Signale wiederholt und nacheinander erfasst werden. Z. B. schaltet das System, das das Verfahren ausführt, zwischen dem Erfassen des Temperaturdifferenzsignals und dem Erfassen des Temperatursummensignals in Zeitintervallen im Bereich von 0,1 ms bis 1000 ms, vorzugsweise 1 ms bis 500 ms, hin und her.
Das gleichzeitige oder praktisch gleichzeitige Erfassen dieser Signale kann besonders vorteilhaft sein, da es somit möglich ist, relativ schnell zwischen den verschiedenen Modi (oder den verschiedenen Gewichtungen) hin- und herzuschalten, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens verbessert wird.
Die erste Bedingung und die zweite Bedingung können vom Temperatursummensignal abhängen.
Das heißt, das Temperatursummensignal kann dazu verwendet werden, zu ermitteln, welches Maß (und in welchem Umfang) die Basis für das Berechnen des Flusses bilden (bildet).
Betrachten wir z. B. einen sehr kleinen Fluss. In einem derartigen Fall wird das Temperatursummensignal nahe an seinem Maximum liegen und wird daher eine relativ flache Flanke haben. Das heißt, eine Zunahme des Flusses wird sich nur geringfügig auf das Temperatursummensignal auswirken.
Das heißt, dass das Temperatursummensignal keine erheblichen Hinweise auf eine Änderung des Flusses in dieser Region gibt.
Andererseits hat das Temperaturdifferenzsignal eine sehr steile Flanke bei Flüssen nahe null. Das heißt, die Temperaturdifferenz an den Temperaturfühlerelementen wird ein gutes Maß sein, um den Fluss zu ermitteln, wenn die Flüsse klein sind. Das heißt, man kann dem Temperaturdifferenzsignal eine große Gewichtung bei derartig kleinen Flüssen zuweisen.
Da das Verfahren zum Ermitteln des Flusses verwendet wird, kennt man jedoch den Fluss zu Beginn der Durchführung des Verfahrens nicht genau, und man benötigt eventuell ein Maß, um zu ermitteln, welche(s) Temperatursignal(e) (Temperatursummensignal und Temperaturdifferenzsignal) zum Ermitteln des Flusses und in welchem Umfang, d. h. mit welchem Gewichtungsfaktor, verwendet wird(werden). Das Temperatursummensignal kann ein Maß für diese Feststellung sein. Wie behandelt, ist das Temperatursummensignal normalerweise umso kleiner, je größer der (absolute Wert des) Fluss(es) ist. Das heißt, es kann als ein ungefähres Maß für den Fluss verwendet werden, um dadurch zu ermitteln, welche(s) Temperatursignal(e) verwendet wird (werden) und in welchem Umfang.
Eine Temperatursummengewichtung kann dem Temperatursummensignal zugewiesen werden und eine Temperaturdifferenzgewichtung kann dem Temperaturdifferenzsignal zugewiesen werden, wobei die Summe dieser Gewichtungen 1 ergibt, und wobei der Fluss basierend auf diesen Gewichtungen abgeleitet wird. Die genannten Gewichtungen können vom Temperatursummensignal oder vom Temperaturdifferenzsignal abhängen.
Wenn die Temperatursumme eine Wendepunkt-Schwelle überschreitet, kann die Gewichtung der Temperaturdifferenz mindestens 0,7, vorzugsweise mindestens 0,9, betragen.
Das folgt der vorstehend beschriebenen Rationale: wenn die Temperatursumme relativ groß ist, d. h. relativ nahe bei ihrem Maximum liegt, ist das Temperatursummensignal evtl. nicht sehr indikativ für den Fluss, da sich in dieser Region Änderungen im Fluss nur geringfügig auf die Temperatursumme auswirken. Andererseits kann die Temperaturdifferenz eine sehr steile Flanke in dieser Region aufweisen. Somit kann es vorteilhaft sein, dem Temperaturdifferenzsignal in dieser Region eine hohe Gewichtung und dem Temperatursummensignal nur eine niedrige Gewichtung zuzuweisen.
Wenn sich das Temperatursummensignal im Bereich zwischen einer ersten steilen Schwelle und einer zweiten steilen Schwelle befindet, kann die Gewichtung der Temperatursumme mindestens 0,7, vorzugsweise mindestens 0,9 betragen.
Diese Region kann eine Region bezeichnen, in der es eine relativ steile Flanke in der Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperatursummensignal gibt. Das Temperatursummensignal gibt somit erhebliche Hinweise auf eine Änderung im Fluss in dieser Region, weshalb es vorteilhaft sein kann, diesem Signal in dieser Region eine hohe Gewichtung zuzuweisen.
Wenn das Temperatursummensignal eine flache Schwelle unterschreitet, kann die Gewichtung der Temperaturdifferenz mindestens 0,7, vorzugsweise mindestens 0,9 betragen.
Das basiert auf der folgenden Rationale: Wenn man sehr große Flüsse betrachtet, wird die Temperatursumme zunehmend flach. Bei sehr großen Flüssen wird die Wärme vom Fluss sehr schnell abtransportiert, was der Grund dafür ist, dass das Temperatursummensignal zunehmend flach wird. Dies trifft nur teilweise für das Temperaturdifferenzsignal zu, da hier der vorstehend beschriebene Effekt, dass die Gesamtwärme von den Temperaturfühlerelementen abtransportiert wird, eine Rolle spielt, sich aber auch der Effekt auswirkt, dass die Wärme asymmetrisch abtransportiert wird, und sich beide Effekte mit zunehmendem Fluss verstärken. Deshalb kann es für sehr große Flüsse, die Temperatursummen unterhalb einer bestimmten Schwelle entsprechen, vorteilhaft sein, der Temperaturdifferenz eine hohe Gewichtung zuzuweisen.
Es ist anzumerken, dass die vorstehenden Bezeichnungen der Schwellen (z. B. Wendepunkt-Schwelle, erste und zweite steile Schwelle und flache Schwelle) nur dazu dienen, sie besser voneinander unterscheiden zu können. Insbesondere sollten die angegebenen Bezeichnungen nicht ihren Umfang einschränken. Die Schwellen können auch als erste Schwelle (= Wendepunkt-Schwelle), zweite Schwelle (= erste steile Schwelle), dritte Schwelle (= zweite steile Schwelle) und vierte Schwelle (= flache Schwelle) bezeichnet werden.
Die zugrundeliegende Rationale für die Bezeichnungen der Schwellen ist die Kurve, in der das Temperatursummensignal gegen den Fluss aufgetragen ist. Es versteht sich, dass diese Kurve ein Maximum bei Fluss = 0 hat (da keine Wärme vom Fluss des Fluids abtransportiert wird) und dann asymptotisch auf ein Minimum absinkt, während der Fluss erhöht wird (da immer mehr Wärme durch den Fluss abtransportiert wird). Das heißt, diese Kurve hat einen maximalen Wendepunkt bei Fluss = 0.
Die Wendepunkt-Schwelle ist die am nächsten zu diesem Wendepunkt gelegene Schwelle, d. h. sie ist die Schwelle, die das höchste Temperatursummensignal hat. Oberhalb dieses Punkts ist die beschriebene Kurve relativ flach, weshalb vorzugsweise nur das Temperaturdifferenzsignal für das Ableiten des Flusses oberhalb dieser Schwelle verwendet werden sollte.
Da sich die beschriebene Kurve bei hohen Durchflussraten asymptotisch einem Minimum annähert, während der Fluss erhöht wird, versteht es sich, dass die Kurve zunehmend flach wird, wenn der Fluss erhöht wird. Dies ist die Grundlage für die „flache Schwelle“. Wenn das Temperatursummensignal eine derart flache Schwelle unterschreitet, ist die beschriebene Kurve relativ flach, d. h. die Temperatursumme verändert sich nur marginal mit dem Fluss. Deshalb sollte unterhalb der flachen Schwelle bevorzugt das Temperaturdifferenzsignal verwendet werden.
Erneut unter Bezugnahme auf die beschriebene Kurve (Fluss vs. Temperatursummensignal) versteht es sich weiterhin, dass es in einem Abschnitt zwischen Fluss = 0 (wo die Kurve einen maximalen Wendepunkt aufweist) und sehr hohen Flüssen (wo die Kurve flach wird) einen relativ steilen Abschnitt gibt. Dieser steile Abschnitt kann dazu verwendet werden, den Fluss basierend auf dem Temperatursummensignal abzuleiten. Dieser Abschnitt kann durch die beschriebene erste und zweite steile Schwelle definiert werden.
Es versteht sich, dass von den vier beschriebenen Schwellen allgemein die flache Schwelle die kleinste (d. h. die mit dem kleinsten Temperatursummensignal) sein wird, gefolgt von der ersten steilen Schwelle, der zweiten steilen Schwelle und der Wendepunkt-Schwelle.
Wenn sich das Temperatursummensignal zwischen der zweiten steilen Schwelle und der Wendepunkt-Schwelle befindet, kann die Gewichtung der Temperaturdifferenz umso höher sein, je näher sich das Temperatursummensignal bei der Wendepunkt-Schwelle befindet, und die Gewichtung der Temperatursumme kann umso höher sein, je näher sich das Temperatursummensignal bei der zweiten steilen Schwelle befindet.
Wenn sich das Temperatursummensignal zwischen der flachen Schwelle und der ersten steilen Schwelle befindet, kann die Gewichtung der Temperaturdifferenz umso höher sein, je näher sich das Temperatursummensignal bei der flachen Schwelle befindet, und das Temperatursummensignal kann umso höher sein, je näher sich das Temperatursummensignal bei der ersten steilen Schwelle befindet.
Wiederum kann das Zuweisen derartiger Gewichtungen vorteilhaft sein, da es bessere Ergebnisse liefern kann.
Die von der Beziehung der Gewichtung der Temperaturdifferenz zum Temperatursummensignal definierte Funktion kann eine glatte (d. h. stetige) Funktion sein, und vorzugsweise eine stetig differenzierbare Funktion.
Wenn das Temperatursummensignal eine Wendepunkt-Schwelle überschreitet, kann der Fluss basierend auf dem Temperaturdifferenzsignal abgeleitet werden.
Dies (und auch die nachstehend behandelten Merkmale) folgt der vorstehend behandelten Rationale. In den hier behandelten Ausführungsformen kann der Fluss jedoch vollständig basierend auf dem Temperaturdifferenzsignal (oder dem Temperatursummensignal) je nach der Region abgleitet werden.
Dies kann eine besondere einfache Art sein, ein Maß für den Fluss zu erhalten.
Wenn sich das Temperatursummensignal im Bereich zwischen einer ersten steilen Schwelle und einer zweiten steilen Schwelle befindet, kann der Fluss basierend auf dem Temperatursummensignal abgeleitet werden.
Wenn das Temperatursummensignal eine flache Schwelle unterschreitet, kann der Fluss basierend auf dem Temperaturdifferenzsignal abgeleitet werden.
Im Bereich zwischen der zweiten steilen Schwelle und der Wendepunkt-Schwelle kann es eine lineare Beziehung zwischen den Gewichtungen und dem Temperatursummensignal geben.
Im Bereich zwischen der zweiten steilen Schwelle und der Wendepunkt-Schwelle können die Gewichtungen erfüllen: $Gewichtung der Temperaturdifferenz = \frac{Temperatursummensignal - zweite steile Schwelle}{Wendepunkt - Schwelle - zweite steile Schwelle};$
und $Gewichtung der Temperatursumme = 1 - Gewichtung der Temperaturdifferenz$
Alternativ kann es im Bereich zwischen der zweiten steilen Schwelle und der Wendepunkt-Schwelle auch eine nicht-lineare Beziehung zwischen den Gewichtungen und dem Temperatursummensignal geben.
Im Bereich zwischen der flachen Schwelle und der ersten steilen Schwelle kann es eine lineare Beziehung zwischen den Gewichtungen und dem Temperatursummensignal geben.
Im Bereich zwischen der flachen Schwelle und der ersten steilen Schwelle können die Gewichtungen erfüllen: $Gewichtung der Temperatursumme = \frac{Temperatursummensignal - flache Schwelle}{erste steile Schwelle - flache Schwelle};$
und $Gewichtung der Temperaturdifferenz = 1 - Gewichtung der Temperatursumme$
Alternativ kann es im Bereich zwischen der flachen Schwelle und der ersten steilen Schwelle eine nicht-lineare Beziehung zwischen den Gewichtungen und dem Temperatursummensignal geben.
Das Verfahren kann weiterhin das Linearisieren einer Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperaturdifferenzsignal umfassen; und das Linearisieren einer Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperatursummensignal.
Im Schritt des Linearisierens einer Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperatursummensignal kann das Temperaturdifferenzsignal berücksichtigt werden.
Es versteht sich, dass das Temperatursummensignal keinen Hinweis auf die Richtung des Flusses gibt. Das heißt, zwei Flüsse, die dieselbe Stärke, aber entgegengesetzte Flussrichtungen (auch Strömungsrichtungen) haben, können zu demselben Temperatursummensignal führen. Um auch die Flussrichtung anzugeben, kann das Temperaturdifferenzsignal ebenfalls berücksichtigt werden.
Die Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperatursummensignal kann nur im Temperatursummenbereich von der flachen Schwelle bis zur Wendepunkt-Schwelle linearisiert werden.
Dies kann das Verfahren besonders einfach und effizient gestalten.
Die Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperaturdifferenzsignal kann nur in den Temperatursummenbereichen unterhalb der ersten steilen Schwelle und oberhalb der zweiten steilen Schwelle linearisiert werden.
Das Verfahren wird in einem Flussmesssystem (auch als Durchflusssystem bezeichnet) ausgeführt und umfasst das Regeln oder Steuern einer Temperatur des Flussmesssystems umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann dies das Regeln oder Steuern einer Referenztemperatur des ersten Temperaturfühlerelements und des zweiten Temperaturfühlerelements beinhalten.
Eine derartige Steuerung der Referenztemperatur der Temperaturfühlerelemente kann aus verschiedenen Gründen vorteilhaft sein.
Insbesondere können die Temperaturfühlerelemente als thermische Elemente, auch als Thermoelemente bezeichnet, ausgeführt sein. Sie können die Temperatur des Fluids durch Vergleichen mit der Referenztemperatur messen. Es versteht sich, dass eine Änderung der Referenztemperatur des Temperaturfühlerelements direkt das Ausgangssignal eines derartigen Sensors verändern wird. Vorausgesetzt, dass die Referenztemperaturen von beiden Temperaturfühlerelementen gleich sind, verändert dies nicht die Temperaturdifferenz, aber es wird direkt das gemessene Temperatursummensignal und somit das Flusssignal des Flussmesssystems modifizieren.
Alternativ können die Temperaturfühlerelemente als temperaturabhängige Widerstandselemente, wie z. B. NTC (Negative Temperature Coefficient Negativer Temperaturkoeffizient)-Widerstand oder Pt100 (Platin)-Temperatursensoren, ausgeführt sein. Es versteht sich, dass eine Änderung des Flussmesssystems die Gesamttemperatur seiner internen Komponenten verändern und somit wiederum die gemessene Temperatursumme verändern wird.
Das oben angeführte Merkmal trägt dazu bei, dass durch Regeln oder Steuern einer Temperatur des Flussmesssystems eine höhereGenauigkeit und ein besseres Gesamtverhalten des beschriebenen Verfahrens erreicht werden kann.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Regeln oder Steuern der Temperatur des Fluids vor dem Eintritt des Fluids in das Rohr.
Es versteht sich, dass das Temperatursummensignal von der Erwärmung aufgrund des Heizelements und des Flusses abhängt. Es versteht sich jedoch auch, dass dieses Signal ebenfalls von der Gesamttemperatur des Fluids im Rohr abhängt, oder anders ausgedrückt, von der Temperatur, die das Fluid beim Eintritt in das Rohr hat. Je höher diese Temperatur ist, umso höher ist das Temperatursummensignal.
Wenn die Fluidtemperatur beim Eintritt in das Rohr nicht geregelt wird, kann dies zu einem Fehler des beschriebenen Verfahrens führen. Es kann daher besonders vorteilhaft sein, ebenfalls die Temperatur des Fluids zu regeln oder steuern, um zuverlässigere Ergebnisse für die Durchflussmessung zu erhalten.
Die Temperatur des Flussmesssystems und die Temperatur des Fluids vor dem Eintritt in das Rohr können so geregelt oder gesteuert werden, dass sie einander gleich sind. Dies kann eine besonders stabile und vorteilhafte Einstellung der Temperaturen ermöglichen und damit eine besonders robuste Messung des Durchflusses.
Diese Erfindung bezieht sich auch auf ein Flussmesssystem zum Messen eines Fluidflusses in einem Rohr, wobei das System umfasst: ein Rohr; ein Heizelement, das dazu konfiguriert ist, das Fluid im Rohr zu erwärmen; ein erstes Temperaturfühlerelement, das dazu konfiguriert und angeordnet ist, ein erstes Signal zu messen, das eine erste Temperatur des Fluids im Rohr an einem ersten Standort angibt; und ein zweites Temperaturfühlerelement, das dazu konfiguriert und angeordnet ist, ein zweites Signal zu messen, das eine zweite Temperatur des Fluids im Rohr an einem zweiten Standort angibt, wobei sich der zweite Standort vom ersten Standort unterscheidet.
Es versteht sich, dass dieses System Vorteile haben kann, die den oben im Zusammenhang mit dem Verfahren behandelten Vorteilen entsprechen.
Das Flussmesssystem kann weiterhin eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung dazu konfiguriert ist, mindestens ein Temperatursignal basierend auf dem ersten und dem zweiten Signal zu berechnen und einen Fluss basierend auf dem mindestens einen Temperatursignal abzuleiten.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann weiterhin dazu konfiguriert sein, die oben angeführten Schritte in Bezug auf das behandelte Verfahren auszuführen.
Das Flussmesssystem kann weiterhin mindestens ein Temperatursteuerelement umfassen, das dazu angepasst ist, eine Temperatur des Flussmesssystems zu regeln oder zu steuern.
Dies wiederum kann Vorteile haben, wie sie vorstehend in Bezug auf die Temperaturregelung des Flussmesssystems behandelt wurden.
Das mindestens eine Temperatursteuerelement kann eine Heizvorrichtung oder ein Peltier-Element umfassen.
Das System kann weiterhin ein Wärmeübertragungselement umfassen, das dazu konfiguriert und angeordnet ist, Wärme zwischen dem mindestens einen Temperatursteuerelement und anderen Komponenten des Flussmesssystems zu leiten.
In Ausführungsformen, bei denen die Temperaturfühlerelemente Referenztemperaturabschnitte beinhalten, kann das Wärmeübertragungselement auch dazu konfiguriert und angeordnet sein, Wärme zu und von den Referenztemperaturabschnitten der Temperaturfühlerelemente zu leiten.
Das Wärmeübertragungselement kann aus einem Material ausgebildet sein, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W / (m·K), bevorzugt mindestens 50 W / (m·K), bevorzugter mindestens 100 W / (m·K), wie z. B. mindestens 200 W / (m·K), hat.
Das Wärmeübertragungselement kann aus Metall, wie z. B. Aluminium, hergestellt sein.
Das Rohr kann eine Kapillare, wie z. B. eine Metallkapillare oder Kieselglaskapillare, sein.
Die Kapillare kann einen Innendurchmesser von 1 µm bis 1500 µm, bevorzugt 10 µm bis 1000 µm, bevorzugter 15 µm bis 500 µm aufweisen.
Das System kann weiterhin mindestens ein Fluidtemperatursteuerelement umfassen, das dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des Fluids zu regeln oder zu stuern.
Es versteht sich, dass das Fluidtemperatursteuerelement ein Teil des mindestens einen Temperatursteuerelements sein kann. In einigen Ausführungsformen kann es jedoch auch ein gesondertes Teil getrennt von dem behandelten mindestens einen Temperatursteuerelement sein.
Das Fluidtemperatursteuerelement kann einen Eluentvorwärmer umfassen.
Das Fluidtemperatursteuerelement kann ein Gehäuse und eine fluidführende Leitungsbahn im Gehäuse umfassen.
Die fluidführende Leitungsbahn kann eine Länge von 5 cm bis 50 cm, bevorzugt 10 cm bis 30 cm, bevorzugter 15 cm bis 25 cm, wie z. B. 20 cm, aufweisen.
Das Wärmeübertragungselement kann weiterhin dazu konfiguriert und angeordnet sein, Wärme zwischen dem mindestens einen Temperatursteuerelement und dem Fluidtemperatursteuerelement zu leiten.
Das System kann weiterhin einen Temperatursensor umfassen, der dazu konfiguriert und angeordnet ist, eine Temperatur des Wärmeübertragungselements zu messen.
Das Flussmesssystem kann weiterhin ein Gehäuse umfassen, das das übrige System umschließt.
Weiterhin kann ein derartiges Gehäuse das System nach außen hin isolieren und somit auch zur Temperaturregelung des Systems beitragen.
Das Gehäuse kann aus einem Material hergestellt sein, das eine Wärmeleitfähigkeit von unter 10 W / (m·K), bevorzugt unter 5 W / (m·K), bevorzugter unter 1 W / (m·K) aufweist.
Das System kann ein Gehäuse-Temperiersystem zum Einstellen der Temperatur des Gehäuses umfassen.
In einer derartigen Ausführungsform kann es möglich sein, dass das Gehäuse aus einem Material hergestellt ist, das eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. mindestens 10 W / (m·K), bevorzugt mindestens 50 W / (m·K), bevorzugter mindestens 100 W / (m·K),wie z. B. mindestens 200 W / (m·K), hat.
Das erste und das zweite Temperaturfühlerelement kann symmetrisch zum Heizelement angeordnet sein.
Die Temperaturfühlerelemente können thermische Elemente sein.
Diese Erfindung bezieht sich auch auf ein Pumpensystem, umfassend mindestens eine Pumpe; mindestens ein Flussmesssystem wie die vorstehend behandelten Systemausführungen; und ein Pumpensteuergerät, das dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das den Fluss durch das mindestens eine Flussmesssystem anzeigt, und eine Einstellung der mindestens einen Pumpe einzustellen.
Dies kann wiederum zu Vorteilen führen, die dem vorstehend in Bezug auf das Flussmesssystem behandelten entsprechen.
Das System kann umfassen eine Vielzahl von Pumpen; eine Vielzahl von Flussmesssystemen nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen; und ein Pumpensteuergerät, das dazu konfiguriert ist, Signale zu empfangen, die die Flüsse durch die Vielzahl von Flussmesssystemen anzeigen, und Einstellungen der Vielzahl von Pumpen einzustellen.
Das Pumpensystem kann weiterhin mindestens eine Lösemittelzufuhr pro Pumpe umfassen.
Das Pumpensystem kann weiterhin einen Drucksensor pro Pumpe umfassen.
Das Pumpensystem kann weiterhin einen Systemdrucksensor umfassen.
Das Pumpensystem kann weiterhin einen Mischer zum Mischen von durch die Vielzahl von Pumpen erzeugten Flüssen umfassen.
Jedes Flussmesssystem kann zwischen einer Pumpe und dem Mischer angeordnet sein.
Das vorstehend behandelte Verfahren kann das System wie vorstehend behandelt oder das Pumpensystem wie vorstehend behandelt verwenden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf einen Gebrauch wie vorstehend behandelt, das System wie vorstehend behandelt oder das Pumpensystem wie vorstehend behandelt, für Flüssigkeitschromatografie.
Der Gebrauch kann für die Hochleistungsflüssigkeitschromatografie erfolgen.
Der Gebrauch kann das Zuführen des Fluids auf einem Druck von mindestens 100 bar, bevorzugt mindestens 500, noch bevorzugter mindestens 1.000 bar, wie z. B. mindestens 1.500 bar, umfassen.
Der Gebrauch kann das Messen eines Flusses im Bereich von 1 nl/min bis 10 nl/min umfassen.
Der Gebrauch kann das Messen eines Flusses im Bereich von 10 nl/min bis 100 nl/min umfassen.
Der Gebrauch kann das Messen eines Flusses im Bereich von 1 µl/min bis 10 µl/min umfassen.
Der Gebrauch kann das Messen eines Flusses im Bereich von 10 µl/min bis 100 µl/min umfassen.
Insbesondere kann der Gebrauch ebenfalls alle vorstehend genannten Bereiche umfassen. Das heißt, diese Erfindung kann den Benutzer dazu befähigen, Flüsse in allen vorstehenden Bereichen mit einem einzigen Verfahren und einer einzigen Vorrichtung zu messen.
Das heißt, die Erfindung betrifft auch Pumpen, die derartige niedrige Durchflussraten mit einer hohen Präzision und Reproduzierbarkeit erzeugen können. Es ist möglich, den erzeugten Fluss mittels Durchflusssensoren zu messen und zu regulieren. Es versteht sich auch, dass sich die Erfindung auch auf Durchflusssensoren bezieht, die für diesen Zweck geeignet sind und die den niedrigen Durchflussbereich abdecken. Während diese Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf LC und HPLC beschrieben wird, sollte sich auch verstehen, dass die beschriebene Technologie und die beschriebenen Durchflusssensoren auch für andere technische Gebiete von Interesse sein können, in denen niedrige Flüssigkeitsvolumenströme mit hoher Präzision gemessen werden müssen.
Es ist allgemein anzumerken, dass die beschriebene Technologie auf das Gebiet der HPLC anwendbar sein kann. Pumpen für HPLC sollen universell für verschiedene Chromatografiesäulen einsetzbar sein. Idealerweise sollte ein Pumpenbereich für HPLC mit niedrigem Durchfluss den gesamten Durchflussbereich von nur einigen wenigen nl/min bis ungefähr 100 µl/min abdecken. Aufgrund der speziellen Merkmale im niedrigen Durchflussbereich ist es wünschenswert, Durchflusssensoren zu haben, die einen Dynamikbereich von ungefähr 1:100000 abdecken. Dieser Dynamikbereich kann mit Durchflusssensoren nach dem derzeitigen Stand der Technik nicht erreicht werden. Diese Erfindung kann eine Lösung bereitstellen, mittels derer eine schnelle und genaue Durchflussmessung und Durchflussregelung im gesamten niedrigen Durchflussbereich mit der bei Chromatografie erforderlichen Präzision und Reproduzierbarkeit möglich ist. Die hier beschriebene Lösung ist kosteneffektiv und nutzerfreundlich, und kann den identifizierten Durchflussratenbereich abdecken, ohne dass Komponenten ausgetauscht oder zwischen verschiedenen Komponenten hin- und hergeschaltet werden müsste.
Allgemein gesprochen basiert die beschriebene Technologie auf der Tatsache, dass die thermischen Durchflusssensoren Signale bereitstellen können, die im gesamten niedrigen Durchflussbereich von Interesse analysiert werden können und vom Fluss abhängig sind. Nach der beschriebenen Technologie werden diese Signale verwendet, um einen neuen thermischen Durchflusssensor zu erstellen, der eine genaue Durchflussmessung im gesamten niedrigen Durchflussbereich einschließlich Nano-HPLC, Kapillar-HPLC und Mikro-HPLC ermöglicht. Dieser neue thermische Durchflusssensor kann zusätzliche Komponenten enthalten, wodurch die Präzision in der Analyse der Temperatursumme derart verbessert wird, dass sie für HPLC-Anwendungen ausreicht. Weiterhin werden die Temperatursumme und die Temperaturdifferenz gleichzeitig oder in einer alternierenden Weise ausgelesen und in einem einzigen Signal kombiniert, so dass ein zusammenhängender Messbereich ohne irgendwelche Diskontinuitäten geschaffen wird.
Das Messsignal von einem derartigen Durchflusssensor nach den Ausführungsformen der Erfindung kann zum Regeln des von einem Pumpenblock bereitgestellten Flusses auf einen Referenzwert mittels eines geschlossenen Regelkreises verwendet werden, so dass genau der gewünschte Fluss bereitgestellt wird.
Die Kombination von zwei oder mehr derartigen Pumpenblöcken einschließlich der erfindungsgemäßen Durchflusssensoren und Regelkreise führt zu einer Gradientenpumpe, die im gesamten niedrigen Durchflussbereich verwendet werden kann. Eine derartige Gradientenpumpe kann zwei oder mehr Lösemittel mit einem einstellbaren Mischungsverhältnis mischen, und somit Lösemittelgradienten für HPLC-Anwendungen herstellen.
Aufgrund des großen Durchflussbereichs der Durchflusssensoren nach Ausführungsformen der Erfindung eignet sich eine derartige HPLC-Pumpe für einen breiteren Bereich von verschiedenen HPLC-Anwendungen, wobei der Durchfluss und die gewünschte Lösemittelzusammensetzung mit hoher Präzision im gesamten Bereich aufrechterhalten werden.
Diese Erfindung bezieht sich ebenfalls auf die folgenden nummerierten Ausführungsformen.
Nachstehend werden die Verfahrensausführungsformen behandelt. Jene Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „M“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf Verfahrensausführungsformen Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.
M1. Verfahren zum Messen eines Flusses eines Fluids in einem Rohr, wobei das Verfahren umfasst:

ein Heizelement, das das Fluid im Rohr erwärmt;
ein erstes Temperaturfühlerelement, das ein erstes Signal misst, das eine erste Temperatur des Fluids im Rohr an einem ersten Standort angibt;
ein zweites Temperaturfühlerelement, das ein zweites Signal misst, das eine zweite Temperatur des Fluids im Rohr an einem zweiten Standort angibt, wobei der zweite Standort sich vom ersten Standort unterscheidet;
Berechnen von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal;
Ableiten eines Flusses basierend auf dem mindestens einen Temperatursignal.

M2. Verfahren nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei das Berechnen von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal umfasst
Berechnen eines Temperaturdifferenzsignals basierend auf der Differenz zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal.
M3. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Berechnen von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal umfasst
Berechnen eines Temperatursummensignals basierend auf der Summe des zweiten Signals und des ersten Signals.
M4. Verfahren nach der Ausführungsform M3 mit den Merkmalen von M2, wobei im Schritt des Ableitens eines Flusses
ein Fluss basierend auf einer ersten gewichteten Kombination aus dem Temperaturdifferenzsignal und dem Temperatursummensignal abgeleitet wird, wenn eine erste Bedingung erfüllt ist; und
ein Fluss basierend auf einer zweiten gewichteten Kombination aus dem Temperaturdifferenzsignal und dem Temperatursummensignal abgeleitet wird, wenn eine zweite Bedingung erfüllt ist;
wobei die zweite Bedingung sich von der ersten Bedingung unterscheidet und wobei die zweite gewichtete Kombination sich von der ersten gewichteten Kombination unterscheidet.
M5. Verfahren nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei im Schritt des Ableitens eines Flusses
ein Fluss abgeleitet wird basierend auf dem Temperaturdifferenzsignal, wenn die erste Bedingung erfüllt ist; und
ein Fluss abgeleitet wird basierend auf dem Temperatursummensignal, wenn die zweite Bedingung erfüllt ist.
Mit anderen Worten entspricht in dieser Ausführungsform die erste gewichtete Kombination dem Gewichten des Temperaturdifferenzsignals mit einem Gewichtungsfaktor von 1 und des Temperatursummensignals mit einem Gewichtungsfaktor von 0; und die zweite gewichtete Kombination entspricht dem Gewichten des Temperatursummensignals mit einem Gewichtungsfaktor von 1 und des Temperaturdifferenzsensors [sic!] mit einem Gewichtungsfaktor von 0.
M6. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Rohr eine Kapillare ist.
M7. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei der zweite Standort vom Heizelement in einer dem ersten Standort entgegengesetzten Richtung beabstandet ist.
Mit anderen Worten können sich der erste und der zweite Standort auf gegenüberliegenden Seiten des Heizelements befinden.
M8. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei der Schritt des Berechnens von mindestens einem Temperatursignal und der Schritt des Ableitens eines Flusses von einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden.
M9. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M4, wobei das Verfahren weiterhin das automatische Umschalten zwischen dem Ableiten des Flusses basierend auf verschiedenen gewichteten Kombinationen des Temperaturdifferenzsignals und des Temperatursummensignals umfasst.
Das heißt, dieses Umschalten erfolgt mittels eines Systems, in dem das Verfahren ausgeführt wird, ohne dass ein Benutzer mit dem System interagieren muss.
M10. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M4, wobei das Temperaturdifferenzsignal und das Temperatursummensignal gleichzeitig oder praktisch gleichzeitig erfasst werden.
Eine praktisch gleichzeitige Erfassung bedeutet, dass beide Erfassungen wiederholt und nacheinander ausgeführt werden. Z. B. schaltet das System, das das Verfahren ausführt, zwischen dem Erfassen des Temperaturdifferenzsignals und dem Erfassen des Temperatursummensignals in Zeitintervallen im Bereich von 0,1 ms bis 1000 ms, vorzugsweise 1 ms bis 500 ms, hin und her.
M11. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M4, wobei die erste Bedingung und die zweite Bedingung vom Temperatursummensignal abhängen.
M12. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M4, wobei dem Temperatursummensignal eine Temperatursummengewichtung zugewiesen wird und dem Temperaturdifferenzsignal eine Temperaturdifferenzgewichtung zugewiesen wird, und wobei die Summe dieser Gewichtungen 1 ergibt, und wobei der Fluss basierend auf diesen Gewichtungen abgeleitet wird.
M13. Verfahren nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei,
wenn die Temperatursumme eine Wendepunkt-Schwelle überschreitet, die Gewichtung der Temperaturdifferenz mindestens 0,7, vorzugsweise mindestens 0,9, beträgt.
M14. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M12, wobei,
wenn sich das Temperatursummensignal im Bereich zwischen einer ersten steilen Schwelle und einer zweiten steilen Schwelle befindet, die Gewichtung der Temperatursumme mindestens 0,7, vorzugsweise mindestens 0,9, beträgt.
M15. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M12, wobei,
wenn das Temperatursummensignal eine flache Schwelle unterschreitet, die Gewichtung der Temperaturdifferenz mindestens 0,7, vorzugsweise mindestens 0,9, beträgt.
Es ist anzumerken, dass die vorstehenden Bezeichnungen der Schwellen (z. B. Wendepunkt-Schwelle, erste und zweite steile Schwelle und flache Schwelle) nur dazu dienen, sie besser voneinander unterscheiden zu können. Insbesondere sollten die angegebenen Bezeichnungen nicht ihren Umfang einschränken. Die Schwellen können auch als erste Schwelle (= Wendepunkt-Schwelle), zweite Schwelle (= erste steile Schwelle), dritte Schwelle (= zweite steile Schwelle) und vierte Schwelle (= flache Schwelle) bezeichnet werden.
Die zugrundeliegende Rationale für die Bezeichnungen der Schwellen ist die Kurve, in der das Temperatursummensignal gegen den Fluss aufgetragen ist. Es versteht sich, dass diese Kurve ein Maximum bei Fluss = 0 hat (da jetzt Wärme vom Fluss des Fluids abtransportiert wird) und dann asymptotisch auf ein Minimum absinkt, während der Fluss erhöht wird (da immer mehr Wärme durch den Fluss abtransportiert wird). Das heißt, diese Kurve hat einen maximalen Wendepunkt bei Fluss = 0.
Die Wendepunkt-Schwelle ist die am nächsten zu diesem Wendepunkt gelegene Schwelle, d. h. sie ist die Schwelle, die das höchste Temperatursummensignal hat. Oberhalb dieses Punkts ist die beschriebene Kurve relativ flach, weshalb vorzugsweise nur das Temperaturdifferenzsignal für das Ableiten des Flusses oberhalb dieser Schwelle verwendet werden sollte.
Da sich die beschriebene Kurve asymptotisch einem Minimum annähert, während der Fluss erhöht wird, versteht es sich, dass die Kurve zunehmend flach wird, wenn der Fluss erhöht wird. Dies ist die Grundlage für die „flache Schwelle“. Wenn das Temperatursummensignal eine derart flache Schwelle unterschreitet, ist die beschriebene Kurve relativ flach, d. h. die Temperatursumme verändert sich nur marginal mit dem Fluss. Deshalb sollte unterhalb der flachen Schwelle bevorzugt das Temperaturdifferenzsignal verwendet werden. Es versteht sich, dass dies auch von den Merkmalen des Sensors und dem verwendeten Lösemittel abhängen kann. In einigen Ausführungsformen kann auch das Temperatursummensignal für hohe Durchflussraten verwendbar sein.
Erneut unter Bezugnahme auf die beschriebene Kurve (Fluss vs. Temperatursummensignal) versteht es sich weiterhin, dass es in einem Abschnitt zwischen Fluss = 0 (wo die Kurve einen maximalen Wendepunkt aufweist) und sehr hohen Flüssen (wo die Kurve flach wird) einen relativ steilen Abschnitt gibt. Dieser steile Abschnitt kann dazu verwendet werden, den Fluss basierend auf dem Temperatursummensignal abzuleiten. Dieser Abschnitt kann durch die beschriebene erste und zweite steile Schwelle definiert werden.
Es versteht sich, dass von den vier beschriebenen Schwellen allgemein die flache Schwelle die kleinste (d. h. die mit dem kleinsten Temperatursummensignal) sein wird, gefolgt von der ersten steilen Schwelle, der zweiten steilen Schwelle und der Wendepunkt-Schwelle.
M16. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M13 und M14, wobei,
wenn sich das Temperatursummensignal zwischen der zweiten steilen Schwelle und der Wendepunkt-Schwelle befindet, die Gewichtung der Temperaturdifferenz umso höher ist, je näher sich das Temperatursummensignal bei der Wendepunkt-Schwelle befindet, und die Gewichtung der Temperatursumme umso höher ist, je näher sich das Temperatursummensignal bei der zweiten steilen Schwelle befindet.
M17. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M14 und M15, wobei,
wenn sich das Temperatursummensignal zwischen der flachen Schwelle und der ersten steilen Schwelle befindet, die Gewichtung der Temperaturdifferenz umso höher ist, je näher sich das Temperatursummensignal bei der flachen Schwelle befindet, und das Temperatursummensignal umso höher ist, je näher sich das Temperatursummensignal bei der ersten steilen Schwelle befindet.
M18. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M12, wobei die von der Beziehung der Gewichtung der Temperaturdifferenz zum Temperatursummensignal definierte Funktion eine glatte Funktion, vorzugsweise eine stetig differenzierbare Funktion, ist.
M19. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M5, wobei,
wenn das Temperatursummensignal eine Wendepunkt-Schwelle überschreitet, der Fluss basierend auf dem Temperaturdifferenzsignal abgeleitet wird.
M20. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M5, wobei,
wenn sich das Temperatursummensignal im Bereich zwischen einer ersten steilen Schwelle und einer zweiten steilen Schwelle befindet, der Fluss basierend auf dem Temperatursummensignal abgeleitet wird.
M21. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M5, wobei,
wenn das Temperatursummensignal eine flache Schwelle unterschreitet, der Fluss basierend auf dem Temperaturdifferenzsignal abgeleitet wird.
M22. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen und mit den Merkmalen von Ausführungsform M12, M19 und M20, wobei es im Bereich zwischen der zweiten steilen Schwelle und der Wendepunkt-Schwelle eine lineare Beziehung zwischen den Gewichtungen und dem Temperatursummensignal gibt.
M23. Verfahren nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei die Gewichtungen im Bereich zwischen der zweiten steilen Schwelle und der Wendepunkt-Schwelle erfüllen: $Gewichtung der Temperaturdifferenz = \frac{Temperatursummensignal - zweite steile Schwelle}{Wendepunkt - Schwelle - zweite steile Schwelle};$
und $Gewichtung der Temperatursumme = 1 - Gewichtung der Temperaturdifferenz$
M24. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen M1 bis M21 und mit den Merkmalen von Ausführungsform M12, M19 und M20, wobei es im Bereich zwischen der zweiten steilen Schwelle und der Wendepunkt-Schwelle eine nicht-lineare Beziehung zwischen den Gewichtungen und dem Temperatursummensignal gibt.
M25. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M12, M20 und M21, wobei es im Bereich zwischen der flachen Schwelle und der ersten steilen Schwelle eine lineare Beziehung zwischen den Gewichtungen und dem Temperatursummensignal gibt.
M26. Verfahren nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei die Gewichtungen im Bereich zwischen der flachen Schwelle und der ersten steilen Schwelle erfüllen: $Gewichtung der Temperatursumme = \frac{Temperatursummensignal - flache Schwelle}{erste steile Schwelle - flache Schwelle};$
und $Gewichtung der Temperaturdifferenz = 1 - Gewichtung der Temperatursumme .$
M27. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen M1 bis M24 mit den Merkmalen von Ausführungsform M12, M20 und M21, wobei es im Bereich zwischen der flachen Schwelle und der ersten steilen Schwelle eine nicht-lineare Beziehung zwischen den Gewichtungen und dem Temperatursummensignal gibt.
M28. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsform M4, wobei das Verfahren weiterhin umfasst:

Linearisieren einer Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperaturdifferenzsignal; und
Linearisieren einer Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperatursummensignal.

M29. Verfahren nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei im Schritt des Linearisierens einer Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperatursummensignal das Temperaturdifferenzsignal berücksichtigt wird.
Es versteht sich, dass das Temperatursummensignal keinen Hinweis auf die Richtung des Flusses gibt. Das heißt, zwei Flüsse, die dieselbe Stärke, aber entgegengesetzte Flussrichtungen haben, können zu demselben Temperatursummensignal führen. Um auch die Flussrichtung anzugeben, kann das Temperaturdifferenzsignal ebenfalls berücksichtigt werden.
M30. Verfahren nach einer der 2 vorstehenden Ausführungsformen und mit den Merkmalen von Ausführungsformen M13 und M15, wobei die Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperatursummensignal nur im Temperatursummenbereich von der flachen Schwelle bis zur Wendepunkt-Schwelle linearisiert wird.
M31. Verfahren nach einer der 3 vorstehenden Ausführungsformen und mit den Merkmalen von Ausführungsformen M15, wobei die Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperaturdifferenzsignal nur in den Temperatursummenbereichen unterhalb der ersten steilen Schwelle und oberhalb der zweiten steilen Schwelle linearisiert wird.
M32. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen und mit den Merkmalen von Ausführungsform M12, wobei die genannten Gewichtungen vom Temperatursummensignal abhängen.
M33. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen M1 bis M32 und mit den Merkmalen von Ausführungsform M12, wobei die genannten Gewichtungen vom Temperaturdifferenzsignal abhängen.
M34. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren in einem Flussmesssystem ausgeführt wird und wobei das Verfahren weiterhin das Regeln oder Steuern einer Temperatur des Flussmesssystems umfasst.
M35. Verfahren nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren weiterhin das Regeln oder Steuern der Temperatur des Fluids vor dem Eintritt des Fluids in das Rohr umfasst.
M36. Verfahren nach der vorstehenden Ausführungsform bei Abhängigkeit von der vorletzten Ausführungsform, wobei die Temperatur des Flussmesssystems und die Temperatur des Fluids vor dem Eintritt in das Rohr so geregelt odre gesteuert werden, dass sie einander gleich sind.
Nachstehend werden die Systemausführungsformen behandelt. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „S“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf Systemausführungsformen Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.
S1. Flussmesssystem zum Messen eines Flusses eines Fluids in einem Rohr, wobei das System umfasst
ein Rohr;
ein Heizelement, das dazu konfiguriert ist, das Fluid im Rohr zu erwärmen;
ein erstes Temperaturfühlerelement, das dazu konfiguriert und angeordnet ist, ein erstes Signal zu messen, das eine erste Temperatur des Fluids im Rohr an einem ersten Standort angibt;
ein zweites Temperaturfühlerelement, das dazu konfiguriert und angeordnet ist, ein zweites Signal zu messen, das eine zweite Temperatur des Fluids im Rohr an einem zweiten Standort angibt, wobei der zweite Standort sich vom ersten Standort unterscheidet.
S2. Flussmesssystem nach der vorstehenden Ausführungsform und weiterhin umfassend
eine Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung dazu konfiguriert ist,
mindestens ein Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal zu berechnen, und
einen Fluss basierend auf dem mindestens einen Temperatursignal abzuleiten.
S3. Flussmesssystem nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung weiterhin dazu konfiguriert ist, die in einer der Ausführungsformen M2 bis M5, M9 bis M33 angeführten Schritte auszuführen.
S4. Flussmesssystem nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen, wobei das System weiterhin umfasst:

mindestens ein Temperatursteuerelement, das dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des Flussmesssystems zu regeln oder steuern.

S5. Flussmesssystem nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei das mindestens eine Temperatursteuerelement eine Heizvorrichtung oder ein Peltier-Element umfasst.
S7. Flussmesssystem nach einer der Ausführungsformen S4 und S5, wobei das System weiterhin ein Wärmeübertragungselement umfasst, das dazu konfiguriert und angeordnet ist, Wärme zwischen dem mindestens einen Temperatursteuerelement und anderen Komponenten des Flussmesssystems zu leiten.
S8. Flussmesssystem nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei das Wärmeübertragungselement aus einem Material hergestellt ist, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W / (m·K), bevorzugt mindestens 50 W / (m·K), bevorzugter mindestens 100 W / (m·K), wie z. B. mindestens 200 W / (m·K), hat.
S19. Flussmesssystem nach einer der zwei vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Wärmeübertragungselement aus Metall, wie z. B. Aluminium, hergestellt ist.
S10. Flussmesssystem nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen, wobei das Rohr eine Kapillare ist und vorzugsweise Metall oder Kieselglas umfasst.
S11. Flussmesssystem nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen, wobei die Kapillare einen Innendurchmesser von 5 µm bis 1500 µm, bevorzugt 10 µm bis 1000 µm, bevorzugter 15 µm bis 500 µm, hat.
S12. Flussmesssystem nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen, wobei das System weiterhin umfasst:

ein Fluidtemperatursteuerelement, das dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des Fluids zu regeln oder steuern.

S13. Flussmesssystem nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei das Fluidtemperatursteuerelement einen Eluentvorwärmer umfasst.
S14. Flussmesssystem nach einer der 2 vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Fluidtemperatursteuerelement ein Gehäuse und eine fluidführende Leitungsbahn im Gehäuse umfasst.
S15. Flussmesssystem nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei die fluidführende Leitungsbahn eine Länge von 5 cm bis 50 cm, bevorzugt 10 cm bis 30 cm, bevorzugter 15 cm bis 25 cm, wie z. B. 20 cm, hat.
S16. Flussmesssystem nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen mit den Merkmalen von Ausführungsformen S7 und S12, wobei das Wärmeübertragungselement weiterhin dazu konfiguriert und angeordnet ist, Wärme zwischen dem mindestens einen Temperatursteuerelement und dem Fluidtemperatursteuerelement zu leiten.
S17. Flussmesssystem nach einer der vorstehenden Ausführungsformen und mit den Merkmalen von Ausführungsform S7, wobei das System weiterhin einen Temperatursensor umfasst, der dazu konfiguriert und angeordnet ist, eine Temperatur des Wärmeübertragungselements zu messen.
S18. Flussmesssystem nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen und weiterhin umfassend ein Gehäuse, das den Rest des Systems umschließt.
S19. Flussmesssystem nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei das Gehäuse aus einem Material hergestellt ist, das eine Wärmeleitfähigkeit von unter 10 W / (m·K), bevorzugt unter 5 W / (m·K), bevorzugter unter 1 W / (m·K) hat.
S20. Flussmesssystem nach den vorletzten Ausführungsformen, wobei das System ein Gehäuse-Temperiersystem zum Einstellen der Temperatur des Gehäuses umfasst.
S21. Flussmesssystem nach den vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Gehäuse aus einem Material hergestellt ist, das eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 10 W / (m·K), bevorzugt mindestens 50 W / (m·K), bevorzugter mindestens 100 W / (m·K), wie z. B. mindestens 200 W / (m·K), hat.
S22. Flussmesssystem nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen, wobei das erste und das zweite Temperaturfühlerelement symmetrisch zum Heizelement angeordnet sind.
S23. Flussmesssystem nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen, wobei die Temperaturfühlerelemente thermische Elemente sind.
Nachstehend werden die Pumpenausführungsformen behandelt. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „P“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf Pumpenausführungsformen Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.
P1. Pumpensystem umfassend
mindestens eine Pumpe;
mindestens ein Flussmesssystem nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen; und
ein Pumpensteuergerät, das dazu konfiguriert ist,
ein Signal zu empfangen, das den Fluss durch das mindestens eine Flussmesssystem anzeigt; und
eine Einstellung der mindestens einen Pumpe einzustellen.
P2. Pumpensystem nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei das System umfasst
eine Vielzahl von Pumpen;
eine Vielzahl von Flussmesssystemen nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen; und
ein Pumpensteuergerät, das dazu konfiguriert ist,
Signale zu empfangen, die die Flüsse durch die Vielzahl von Flussmesssystemen anzeigen;
Einstellungen der Vielzahl von Pumpen einzustellen.
P3. Pumpensystem nach einer der vorstehenden Pumpenausführungen, weiterhin umfassend mindestens eine Lösemittelzufuhr pro Pumpe.
P4. Pumpensystem nach einer der vorstehenden Pumpenausführungen, weiterhin umfassend einen Drucksensor pro Pumpe.
P5. Pumpensystem nach einer der vorstehenden Pumpenausführungen, weiterhin umfassend einen Systemdrucksensor.
P6. Pumpensystem nach einer der vorstehenden Pumpenausführungen mit den Merkmalen von Ausführungsform P2, weiterhin umfassend einen Mischer zum Mischen der von der Vielzahl von Pumpen erzeugten Flüssen.
P7. Pumpensystem nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei jedes Flussmesssystem zwischen einer Pumpe und dem Mischer angeordnet ist.
M37. Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsform [sic!], wobei das Verfahren das System nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen oder das Pumpensystem nach einer der vorstehenden Pumpenausführungsformen verwendet.
Nachstehend werden die Gebrauchsausführungsformen behandelt. Diese Ausführungsformen werden durch den Buchstaben „U“ mit nachfolgender Nummer abgekürzt. Wann immer in diesem Schriftstück auf Gebrauchsausführungsformen Bezug genommen wird, sind diese Ausführungsformen gemeint.
U1. Gebrauch des Verfahren nach einer der vorstehenden Verfahrensausführungsformen, des Systems nach einer der vorstehenden Systemausführungsformen oder des Pumpensystems nach einer der vorstehenden Pumpenausführungsformen für Flüssigkeitschromatografie.
U2. Gebrauch nach der vorstehenden Ausführungsform, wobei der Gebrauch für Hochleistungsflüssigkeitschromatografie erfolgt.
U3. Gebrauch nach einer der vorstehenden Gebrauchsausführungsformen, wobei der Gebrauch das Zuführen des Fluids auf einem Druck von mindestens 100 bar, bevorzugt mindestens 500, bevorzugter mindestens 1.000 bar, wie z. B. mindestens 1.500 bar, umfasst.
U4. Gebrauch nach einer der vorstehenden Gebrauchsausführungsformen, wobei der Gebrauch das Messen eines Flusses im Bereich von 1 nl/min bis 10 nl/min umfasst.
U5. Gebrauch nach einer der vorstehenden Gebrauchsausführungsformen, wobei der Gebrauch das Messen eines Flusses im Bereich von 10 nl/min bis 100 nl/min umfasst.
U6. Gebrauch nach einer der vorstehenden Gebrauchsausführungsformen, wobei der Gebrauch das Messen eines Flusses im Bereich von 1 µl/min bis 10 µl/min umfasst.
U7. Gebrauch nach einer der vorstehenden Gebrauchsausführungsformen, wobei der Gebrauch das Messen eines Flusses im Bereich von 10 µl/min bis 100 µl/min umfasst.
Insbesondere kann der Gebrauch ebenfalls alle vorstehend genannten Bereiche umfassen. Das heißt, diese Erfindung kann den Benutzer dazu befähigen, Flüsse in allen vorstehenden Bereichen mit einem einzigen Verfahren und einer einzigen Vorrichtung zu messen.
Ausführungsformen dieser Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben. Es sollte sich verstehen, dass diese Ausführungsformen der Veranschaulichung dienen sollen, und den Umfang dieser Erfindung nicht einschränken sollen.

1 zeigt ein System zum Fluss-Messen und -Regeln nach dem früheren Stand der Technik;
2 zeigt ein anderes System zum Fluss-Messen und -Regeln nach dem früheren Stand der Technik;
3 zeigt ein weiteres System zum Fluss-Messen nach dem früheren Stand der Technik;
4 zeigt ein beispielhaftes System zum Messen des Flusses in einer Konfiguration, bei der der Fluss null ist;
5 zeigt das System nach 4 in einer Konfiguration mit einem niedrigen Fluss ungleich null;
6 zeigt das System nach 4 in einer Konfiguration mit einem Fluss, der höher ist als der Fluss in 5;
7 zeigt das System nach 4 in einer Konfiguration mit einem sehr hohen Fluss;
8 zeigt Kurven der Temperatursummen und -differenzen gegenüber dem Fluss;
9 zeigt ein in den Ausführungsformen dieser Erfindung einzusetzender Vorwärmer;
10 zeigt ein Durchflusssensorsystem nach Ausführungsformen dieser Erfindung;
11 zeigt Kurven, die den Temperatursummen und -differenzen gegenüber dem Fluss entsprechen, in denen verschiedene Flussabschnitte identifiziert sind;
12 zeigt linearisierte Korrelationen zwischen dem Fluss und linearisierten Temperatursignalen;
13 veranschaulicht, wie eine Übergangskurve dazu eingesetzt werden kann, verschiedene linearisierte Temperatursignale mit einem überlappenden Durchflussbereich nach den Ausführungsformen dieser Erfindung zu verbinden.
14 zeigt Kurven, die den Temperatursummen und -differenzen gegenüber dem Fluss entsprechen, die dazu verwendet werden, verschiedene Abschnitte des Flusssignals zu definieren;
15 entspricht 14 und zeigt auch einen Graphen mit Gewichtungen für die Verwendung eines Temperaturdifferenzsignals und eines Temperatursummensignals nach einer Ausführungsform dieser Erfindung;
16 entspricht 14 und zeigt auch einen Graphen mit Gewichtungen für die Verwendung eines Temperaturdifferenzsignals und eines Temperatursummensignals nach einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung;
17 zeigt ein HPLC-System nach Ausführungsformen dieser Erfindung;
18 veranschaulicht die Transformation eines Temperatursummensignals;
19 zeigt ein transformiertes Temperatursummensignal und ein transformiertes Temperaturdifferenzsignal
20 zeigt die Signale aus 19 mit einer beispielhaften Gewichtungsfunktion; und
21 zeigt ein zusammengesetztes Signal.

Im Folgenden werden das Funktionsprinzip und Verhalten von thermischen Durchflusssensoren basierend auf einem Beispiel ausführlich erläutert. Einige Komponenten des tatsächlichen Sensorelements (auch als Flussmesssystem bezeichnet) eines derartigen Durchflusssensors sind in 4 dargestellt. 4 zeigt einen thermischen Durchflusssensor bei Null-Fluss.
Das Sensorelement umfasst ein Rohr 1, das in der abgebildeten Ausführungsform eine längliche Kapillare 1 ist. Die Kapillare 1 hat eine Wand 2, die hergestellt ist (z. B. besteht) aus einem ausreichend druckbeständigen Material, vorzugsweise Glas, Keramik oder Metall. Das Fluid oder die Flüssigkeit, deren Fluss zu messen ist, befindet sich in der Kapillare.
Am äußeren Ende der Wand 2 der Kapillare 1 ist ein Heizelement 10 angebaut, und zwei Temperaturfühlerelemente 11a und 11b (auch als Temperatursensoren 11a, 11b bezeichnet) sind links und rechts davon, vorzugsweise in demselben Abstand, angeordnet.
Als Beispiel werden Temperatursensoren 11a, 11b auf der Grundlage von thermischen Elementen (d. h. Thermoelementen) verwendet, da sie ein ungefähr lineares Signal bereitstellen und nicht eine absolute Temperatur, sondern die Differenz zwischen der Temperatur an der Kapillarwand 2 und der Vergleichsstelle, die ungefähr dieselbe Temperatur wie das Gehäuse des Sensors aufweist, messen. Auf diese Weise werden Änderungen in der Umgebungstemperatur automatisch kompensiert.
Falls das Fluid/die Flüssigkeit in der Kapillare 1 stagniert, d. h. falls der Fluss in der Kapillare 1 gleich null ist, breitet sich die Wärme des Heizelements 10 gleichmäßig in alle Richtungen aus. Was dadurch erzeugt wird, ist ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Temperaturprofil, das durch Isothermen 20a dargestellt ist. Das Temperaturprofil ist insbesondere symmetrisch zum Heizelement 10 und den zwei Temperatursensoren 11a und 11b. Somit sind die Temperaturen von beiden Temperatursensoren 11a, 11b dieselben, oder die Temperaturdifferenz zwischen ihnen ist null.
Das Temperaturdifferenzsignal wird üblicherweise in einer Auswerteschaltung linearisiert. Dazu wird die Temperaturdifferenz in eine Durchflussrate basierend auf einer aufgezeichneten Kalibrierungskurve oder Nachschlagtabelle, zum Beispiel in Nanoliter pro Minute (nl/min), umgewandelt.
In einer Analyse der Temperatursumme, die für die Messung von höheren Durchflussraten geeignet ist, wird anstatt der Differenz zwischen den Temperaturen die Summe der zwei Temperaturen analysiert. Sie erreicht ihr Maximum, wenn die Flüssigkeit stagniert, da die Wärmeableitung in diesem Fall am geringsten ist.
5 zeigt den Fall, dass sich das Fluid/die Flüssigkeit in der Kapillare 1 von links nach rechts bewegt, was im Folgenden als ein positiver Fluss (das heißt, Fluss > 0) bezeichnet wird.
Der Innendurchmesser der Kapillare 1 ist so groß, dass ein laminarer Fluss innerhalb der Kapillare 1 erzeugt wird. In einer geraden länglichen Kapillare 1 wird in diesem Fall ein parabelförmiges Geschwindigkeitsprofil erzeugt, das durch die Pfeile (Geschwindigkeitsvektoren) 3b angezeigt wird.
Dieses parabelförmige Geschwindigkeitsprofil verzerrt das vom Heizelement 10 in Flussrichtung erzeugte Temperaturprofil. Dies ist an der veränderten Form der Isothermen 20b zu sehen. Der Fluss transportiert die vom Heizelement 10 erwärmte Flüssigkeit in Flussrichtung, was zu einem Anstieg der Temperatur des Temperatursensors 11b führt, der prozessabwärts angeordnet ist. Andererseits wird die Flüssigkeit, die am Temperatursensor 11a erwärmt wird, ständig durch neue Flüssigkeit ersetzt, so dass ihre Temperatur sinkt. Somit kommt es zu einer Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren 11a und 11b, die ein Maß für den Fluss durch den Sensor ist, und nach der Linearisierung in der Auswerteschaltung als ein Durchflussratensignal bereitgestellt wird. Bei einem niedrigen Fluss wird die Temperatursumme von der Durchflussrate nur in einem geringen Maß beeinflusst und kann nicht in irgendeiner brauchbaren Weise in diesem Bereich analysiert werden.
Bei einem höheren Fluss, der in 6 durch längere Geschwindigkeitsvektoren 3c angezeigt wird, wird das Durchflussprofil noch unsymmetrischer. Wie der Form der Isothermen 20c zu entnehmen ist, wird der prozessaufwärts gelegene Temperatursensor 11a jetzt kaum vom Heizelement 10 erwärmt. Infolgedessen steigt die Temperaturdifferenz zwischen den Sensoren 11a und 11b ständig. Sie wird wiederum linearisiert und als das Durchflussratensignal bereitgestellt.
Bei einem noch höheren Fluss wird immer mehr Wärme durch die Flüssigkeit abgeleitet, so dass die Temperaturdifferenz ein Maximum erreicht und anschließend wieder sinkt. In diesem Bereich ist keine aussagekräftige Analyse der Temperaturdifferenz mehr möglich. Stattdessen können die Temperatursummen der Sensoren 11a und 11b analysiert werden. Da bei einem höheren Fluss mehr Wärme abgeleitet wird, nimmt die Wärme bei einer steigenden Durchflussrate stark ab und kann bereits linearisiert und dann als ein Maß für den Fluss verwendet werden.
Bei einem sehr hohen Fluss wird noch mehr Wärme durch die Flüssigkeit abgeleitet, so dass allgemein niedrigere Temperaturen erreicht werden. Dies wird in 7 durch eine niedrigere Anzahl der Isothermen im Vergleich zu 6 angezeigt.
Bereits in 6 war der Temperatursensor 11a kaum erwärmt, und dies ändert sich auch nicht durch den weiter erhöhten Fluss. Aufgrund der erhöhten Wärmeabfuhr wird der Temperatursensor 11b bei noch höheren Durchflussraten (siehe 7) ebenfalls zu einem geringeren Grad erwärmt, so dass die Temperaturdifferenz ähnlich niedrig ist, wie wenn der Fluss gering ist.
Somit kann es zu einer sehr niedrigen Temperaturdifferenz entweder infolge eines sehr niedrigen oder eines extrem hohen Flusses kommen. Daher ist die Beziehung zwischen der Temperaturdifferenz und dem Fluss nun nicht eindeutig. Bei einem mittleren bis hohen Fluss zeigt die Temperatursumme einen eindeutigen und klaren Zusammenhang mit der Durchflussrate. Daher kann dieses Signal als ein gutes Maß für den Fluss verwendet werden.
Die Abhängigkeiten zwischen Fluss und Temperaturdifferenz sowie Temperatursumme sind in 8 aufgetragen. Die Horizontalachse entspricht der Durchflussrate, die Y-Achse entspricht der gemessenen Temperaturdifferenz oder Temperatursumme.
Die gestrichelte Kurve 110 zeigt die Temperatursumme. Die Kurve erstreckt sich symmetrisch zur X-Achse, d. h. negative Flüsse führen zu derselben Temperatursumme wie positive Flüsse von demselben Wert. Die Kurve hat ihr Maximum 110a bei Fluss = null, da in diesem Fall keine Wärme durch die Flüssigkeit abgeleitet wird. Bei niedrigen positiven oder negativen Flüssen ist die Wärmeabfuhr durch die Flüssigkeit vernachlässigbar; deshalb bleibt die Form der Kurve zunächst fast horizontal, so dass in diesem Bereich keine genaue Analyse möglich ist. Bei geringfügig höheren Flüssen beginnt die Kurve schnell steil zu fallen, so dass sie in diesem Bereich sehr gut analysiert werden kann. Bei sehr hohen Flüssen wird die Kurve immer flacher.
Die durchgezogene Linie 100 zeigt die Temperaturdifferenz. Um die Darstellung klarer zu machen, wurde die Kurve so skaliert, dass ihr Maximum so hoch ist wie in Kurve 110. In Wirklichkeit sind die Temperaturdifferenzen wesentlich niedriger als die Temperatursummen; daher würde die Kurve tatsächlich in vertikaler Richtung wesentlich kleiner sein. Die Temperaturdifferenz erstreckt sich in einer punktsymmetrischen Weise zum Ursprung, d. h. negative Flüsse führen zu einer Temperaturdifferenz, die so hoch ist wie bei positiven Flüssen, nur mit umgekehrtem Vorzeichen. Bei niedrigen Flüssen hat die Kurve anfänglich eine ungefähr lineare und sehr steile Form im Bereich 100a. Bei höheren Flüssen wird die Kurve zunehmend nicht-linear und erreicht schließlich einen Sättigungspunkt 100b. Hier fängt der Effekt der Wärmeabfuhr an, dominant zu werden. Bei noch höheren Flüssen fällt die Kurve im Bereich 100c weiter, und wird letztendlich flacher.
Eine allgemeine Herausforderung bei thermischen Messprinzipien ist der Einfluss der Umgebungstemperatur oder der Sensortemperatur, sowie der Temperatur der einströmenden Flüssigkeit. Da diese Einflüsse in derselben Weise auf beide Temperatursensoren 11a und 11b im Durchflusssensor wirken, ändert sich die Temperaturdifferenz in der Folge davon nicht, d. h. die Kurve 100 wird fast nicht beeinflusst durch die Änderungen in der Umgebungstemperatur oder in der einströmenden Flüssigkeit.
Im Gegensatz dazu wirken sich Änderungen in der Umgebungstemperatur direkt auf das Temperatursummensignal aus. Folglich verschiebt sich die gesamte Kurve 110 in der vertikalen Richtung. Zum Beispiel ist, falls die Umgebungstemperatur gesenkt wird, das Ergebnis eine Kurve (Kurve 111), die nach unten verschoben ist.
Da die Kurve eine sehr flache Form hat, wenn der Fluss hoch ist, entspricht eine derartige vertikale Verschiebung einem extrem großen Fehler des gemessenen Flusses.
Thermische Elemente (Thermoelemente) können für die Temperatursensoren 11a und 11b verwendet werden. Aufgrund ihres Funktionsprinzips messen Thermoelemente immer die Differenz der Temperaturen zwischen einem Messort und einem Referenzort. Der Referenzort ist innerhalb des Sensors 11a, 11b so angeordnet, dass er im Wesentlichen die Temperatur des Sensorgehäuses misst, und der Messort misst die Temperatur an der Kapillarwand 2. Da sich beide Temperaturänderungen gleichermaßen verändern, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, wird der Einfluss der Umgebungstemperatur auf das Sensorsignal auf diese Weise weitgehend eliminiert. Die Temperatur am Messort, d. h. der Kapillarwand 2, wird auch erheblich beeinflusst durch die Temperatur des/der einströmenden Fluids/Flüssigkeit oder des Mediums, die im Folgenden als die Medientemperatur bezeichnet wird. Dieser Einfluss kann durch die Verwendung von Thermoelementen nicht eliminiert werden. Aufgrund der flachen Form der Kurve 110 führen bereits kleine Veränderungen in der Medientemperatur zu großen Veränderungen des Sensorsignals.
Aus diesen Gründen ist die Präzision von Durchflusssensoren nach dem Stand der Technik erheblich geringer bei der Analyse der Temperatursumme, insbesondere bei sehr hohen Durchflussraten, als bei niedrigen Durchflussraten und bei der Analyse der Temperaturdifferenz. Messfehler von 10 % und mehr können schnell auftreten bei Systemen nach dem früheren Stand der Technik, was für übliche HPLC-Anwendungen nutzlos ist.
Z. B. wird zum Erstellen eines Sensors mit einem breiten Durchflussbereich, der eine genaue Durchflussmessung im gesamten, von den Kurven abgedeckten Bereich misst, der Einfluss der Umgebungstemperatur oder der Medientemperatur auf das Temperatursummensignal vorteilhafterweise beseitigt.
Nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Einfluss der Umgebungstemperatur und der Medientemperatur dadurch beseitigt werden, dass die Temperatur des Durchflusssensors und die Medientemperatur konstant gehalten werden. Im Folgenden wird dies als Temperaturregelung bezeichnet.
Bei Durchflusssensoren, die ein Gehäuse mit guter Wärmeleitfähigkeit, zum Beispiel ein Metallgehäuse, aufweisen, kann die Temperaturregelung des Sensors durch das Verbinden des Gehäuses mit einer temperaturgeregelten Oberfläche, zum Beispiel einer Metallplatte, auf eine Weise bewirkt werden, die eine gute Wärmeleitfähigkeit ermöglicht. Die temperaturgeregelte Oberfläche kann auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Eine Lösung besteht in der Verwendung von Heizelementen, die in thermischem Kontakt mit der temperaturgeregelten Oberfläche stehen, und einem oder mehreren Temperatursensoren, die ebenfalls in thermischem Kontakt mit der temperaturgeregelten Oberfläche stehen, wobei die Heizleistung durch einen Regelkreis so eingestellt wird, dass die Temperatur einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Hier kann die temperaturgeregelte Oberfläche auch das Sensorgehäuse selbst sein, oder die Steuerung kann teilweise oder vollständig in den Sensor integriert sein.
Bei einer derartigen Temperaturregelung mittels einfacher Heizelemente ist keine aktive Kühlung möglich. Deshalb muss in diesem Fall der Temperatursollwert höher als die erwartete höchste Umgebungstemperatur der Anordnung gewählt werden. Falls anstelle der Heizelemente Peltier-Kühler verwendet werden, können sie zum Beispiel dazu verwendet werden, sowohl eine aktive Heizung als auch eine aktive Kühlung bereitzustellen, solange eine ausreichende Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr an der anderen Seite des Peltier-Kühlers sichergestellt wird. In diesem Fall ist ebenfalls eine Temperaturregelung auf eine normale Umgebungstemperatur oder sogar darunter möglich. Diese Lösung bringt jedoch einen erheblich höheren Aufwand mit sich als eine Temperaturregelung mittels Heizelementen.
Nach den Ausführungsformen der Erfindung wird die Medientemperatur ebenfalls konstant gehalten. Z. B. kann zu diesem Zweck ein Eluentvorwärmer in Flussrichtung direkt vor dem Durchflusssensor angeordnet sein, wobei der Eluentvorwärmer das Medium auf die gewünschte Temperatur bringt. Es sind aktive und passive Eluentvorwärmer in verschiedenen Bauweisen erhältlich.
9 zeigt beispielhaft einen einfachen Eluentvorwärmer 220, der ein passiver Vorwärmer 220 sein kann, in einem geöffneten Zustand. Er umfasst eine durchgehende Kapillare 223, die im zusammengebauten Zustand so zwischen den Gehäusehälften 221 und 222 eingepasst ist, dass eine gute Wärmeübertragung zwischen der Kapillare 223 und den Gehäusehälften 221, 222 sichergestellt wird.
Der Bereich 224 der Kapillare, der sich im Inneren des Gehäuses befindet, ist mäanderförmig gebogen. In der Folge verändern sich die Strömungsbedingungen in der Kapillare derart, dass sich ein besonders guter Wärmeaustausch zwischen dem Medium und der Kapillare ergibt. Zusätzlich erlaubt dies, eine größere Kapillarlänge innerhalb des Gehäuses unterzubringen.
Z. B. um eine konstante Medientemperatur zu erreichen, wird das Gehäuse des Eluentvorwärmers auf einer konstanten Temperatur gehalten. Da die zwei Gehäusehälften 221 und 222 miteinander verbunden sind, um im zusammengebauten Zustand eine gute thermische Kopplung zu haben, reicht es aus, wenn eine der Gehäusehälften in gutem Wärmekontakt mit einer temperaturgeregelten Oberfläche ist. In diesem Fall ist der thermische Widerstand zwischen der Flüssigkeit und der temperaturgeregelten Oberfläche sehr klein, so dass die Medientemperatur am Ausgang des Eluentvorwärmers praktisch gleich der Temperatur der temperaturgeregelten Oberfläche ist.
Hier kann es vorteilhaft sein, eine übliche temperaturgeregelte Oberfläche zu verwenden, die in thermischem Kontakt sowohl mit dem Durchflusssensor als auch mit dem Eluentvorwärmer 220 steht. In diesem Fall wird die Flüssigkeit praktisch auf dieselbe Temperatur wie der Sensor gebracht, d. h. die Flüssigkeit, die vom Eluentvorwärmer 220 in den Sensor fließt, hat dieselbe Temperatur wie der Sensor selbst. Auf diese Weise wird ein Wärmeaustausch zwischen der Flüssigkeit und dem Sensorgehäuse, der das Sensorsignal verfälschen würde, vermieden.
Eine derartige Anordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung ist in 10 dargestellt. Der Durchflusssensor 5 und der Eluentvorwärmer 220 (der auch allgemein als Fluidtemperatursteuerelement bezeichnet werden kann) sind auf einer gemeinsamen temperaturgeregelten Oberfläche 212 (die auch als Wärmeübertragungselement 212 bezeichnet werden kann) mit einer guten Wärmeleitfähigkeit montiert. Die Temperaturregelung wird durch zwei Heizelemente 210a und 210b sowie den Temperatursensor 211 bewirkt. Die elektrischen Anschlüsse dieser Komponenten werden im Hinblick auf eine klarere Darstellung nicht gezeigt. Während des Betriebs wird vom Temperatursensor 211 die Temperatur der temperaturgeregelten Oberfläche 212 erfasst, und die Heizleistung der Heizelemente 210a und 210b wird vom elektronischen Regelkreis so geregelt, dass die Temperatur dem Sollwert entspricht. Dieser Regelkreis kann als ein separater Kreis ausgeführt werden, oder kann in die Steuerung der Gesamtvorrichtung integriert werden, und ist ebenfalls im Hinblick auf eine klarere Darstellung nicht gezeigt.
Temperaturdifferenzen können auch mit einer derartigen Temperaturregelung immer noch auftreten, da sogar Materialien mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Aluminium, nur eine begrenzte Wärmeleitfähigkeit haben. Somit können Änderungen der Umgebungstemperatur die lokale Temperaturverteilung innerhalb der Anordnung beeinflussen und somit die Reproduzierbarkeit der Durchflussmessung beeinträchtigen. Um dies zu vermeiden, kann es vorteilhaft sein, die gesamte in 10 dargestellte Anordnung mit wärmedämmendem Material (z. B. mit einem derartigen Gehäuse) zu umgeben, um Wärmeflüsse zwischen der Anordnung und der Umgebung, oder die daraus resultierenden Temperaturdifferenzen innerhalb der Anordnung, zu reduzieren. Diese Wärmedämmung ist in 10 nicht dargestellt, damit die inneren Komponenten der Struktur sichtbar sind. Alternativ ist es auch möglich, die gesamte Anordnung innerhalb eines Gehäuses zu installieren, das wiederum ebenfalls temperaturgeregelt ist. Diese Lösung ist platzsparend und sehr effektiv, erfordert aber zusätzlichen technischen Aufwand.
Da alle in 10 dargestellten Komponenten miteinander auf eine Weise verbunden sind, die eine gute Wärmeleitfähigkeit sicherstellt, weisen sie während des Betriebs fast genau dieselbe Temperatur auf. Diese Temperatur wird im Folgenden als die Solltemperatur bezeichnet.
Das Medium oder die Flüssigkeit erreicht über eine Einlasskapillare 223a zunächst den Eluentvorwärmer 220, wo es/sie auf Solltemperatur gebracht wird. Die Verbindungskapillare 223b leitet das Medium in den Durchflusssensor 5. Auch bei sehr niedrigen Durchflussraten gibt es keine erhebliche Temperaturänderung innerhalb der Kapillare 223b, da die Kapillare mittels Wärmeleitung vom Eluentvorwärmer 220 einerseits und vom Durchflusssensor 5 andererseits auf Solltemperatur gehalten wird. Der Durchflusssensor 5 selbst ist auch auf der temperaturgeregelten Oberfläche 212 montiert, und wird somit gleichermaßen auf Solltemperatur gehalten.
Auf diese Weise werden die Einflüsse der Umgebungstemperatur und der Medientemperatur weitgehend eliminiert.
Anstatt den Durchflusssensor 5 und den Eluentvorwärmer 220 durch eine gemeinsame temperaturgeregelte Oberfläche auf die Solltemperatur zu bringen, kann dies auch mittels getrennter Temperatursteuervorrichtungen für beide Komponenten bewirkt werden. In diesem Fall wären auch unterschiedliche Solltemperaturen für den Eluentvorwärmer 220 und den Durchflusssensor 5 möglich. Davon wäre jedoch kein relevanter Vorteil zu erwarten, so dass die gemeinsame Temperaturregelung die bevorzugte Ausführungsform ist.
Die Anordnung der in 10 dargestellten Komponenten ist nur als Ausführungsbeispiel zu verstehen. In Abhängigkeit von der Gesamtstruktur können die Komponenten auch in einer anderen Weise angeordnet werden.
Zum Beispiel kann, falls eine ausreichend gute thermische Isolierung bereitgestellt wird, nur ein einziges Heizelement 210 ausreichend sein. Umgekehrt ist es auch möglich, mehr als zwei Heizelemente 210a, 210b verteilt anzuordnen, um eine gleichmäßigere Temperaturverteilung zu erreichen. Gleichermaßen können auch mehrere Temperatursensoren 211 verwendet werden.
Nach Ausführungsformen der Erfindung kann die Messgenauigkeit des Durchflusssensors 5 durch eine Temperaturregelung des Durchflusssensors 5 und des Mediums, das in den Durchflusssensor 5 einströmt, so verbessert werden, dass eine für HPLC-Anwendungen ausreichende Reproduzierbarkeit sowohl bei der Temperaturdifferenzanalyse als auch bei der Temperatursummenanalyse erreicht wird.
Die gesamte Anordnung 200 einschließlich aller in 10 dargestellten Komponenten sowie die thermische Isolierung, die nicht dargestellt ist, werden im Folgenden als temperaturgeregelter Durchflusssensor bezeichnet.
Weiterhin können in Ausführungsformen dieser Erfindung verschiedene Messbereiche kombiniert werden, wie nachstehend beschrieben.
Bei derzeit verfügbaren Durchflusssensoren stellen Temperaturdifferenzanalyse und Temperatursummenanalyse zwei verschiedene Betriebsmodi dar, falls diese Möglichkeiten denn überhaupt angeboten werden. Derartige Sensoren können nur in dem einen oder dem anderen Betriebsmodus arbeiten.
Wie im Folgenden erläutert, wird nach Ausführungsformen der Erfindung durch Kombinieren beider Betriebsmodi ein einziger zusammenhängender Messbereich einschließlich des gesamten niedrigen Durchflussbereichs erzeugt. Zu diesem Zweck werden sowohl das Temperaturdifferenzsignal als auch das Temperatursummensignal analysiert, d. h. beide Signale stehen parallel oder praktisch gleichzeitig zur Verfügung, d. h. durch Auslesen beider Signale in rascher Aufeinanderfolge in einer alternierenden Weise. Es versteht sich jedoch, dass Durchflusssensoren auch mit einer geeigneten Hardware ausgestattet werden können, um beide Signale gleichzeitig verfügbar zu machen.
Bei typischen HPLC-Anwendungen ist der Gesamtstrom in den meisten Fällen konstant, und umfasst zwei oder mehr Teilströme mit einem variablen Mischungsverhältnis. Hier werden das Mischungsverhältnis und somit die Teilströme während der üblichen Gradienten im Bereich von 0 bis 100 % des Gesamtstroms variiert. Jeder Durchflusssensor ist für einen dieser Teilströme zuständig. Zum Regulieren der Teilströme sollten die Durchflusssensoren idealerweise ein unterbrechungsfreies und genaues Flusssignal (auch Durchflusssignal) im gesamten Bereich zwischen 0 und 100 % des Gesamtstroms bereitstellen.
Z. B. um einen Durchflusssensor nach den Ausführungsformen der Erfindung mit einem zusammenhängenden, unterbrechungsfreien und genauen Messbereich, der den gesamten niedrigen Durchflussbereich abdeckt, zu erstellen, wird zunächst überlegt, welche Art von Informationen sich aus den Temperaturdifferenz- und den Temperatursummensignalen in welchem Durchflussbereich ergibt.
11 zeigt erneut das Temperaturdifferenzsignal (Kurve 100) und das Temperatursummensignal (Kurve 110) des Durchflusssensors. Zusätzlich ist eine Anzahl von Bereichen I bis VI oberhalb und unterhalb der X-Achse abgebildet.
Die Temperaturdifferenz, d. h. die Kurve 100, stellt ein Signal mit dem richtigen Vorzeichen im gesamten positiven und negativen Durchflussbereich bereit. Im Abschnitt I ist die Form der Kurve sehr steil, so dass hier eine sehr genaue Analyse möglich ist. In den Abschnitten II passiert die Kurve das Maximum 101 oder das Minimum 102, wo die Steigung der Kurve einen Nulldurchgang aufweist. Somit ist in den Abschnitten II keine Analyse oder nur eine ungenaue Analyse möglich. In den Abschnitten III weist die Temperaturdifferenz wieder eine ausreichend hohe Steigung auf, so dass eine Analyse möglich ist.
Die Temperatursumme, d. h. die Kurve 110, verläuft symmetrisch zur Y-Achse und steigt für negative Durchflussraten monoton an und fällt für positive Durchflussraten monoton ab. Daher stellt die Kurve in den Abschnitten V und VI ein Signal bereit, das ein Maß für den Wert der Durchflussrate ist. Hier ist keine Differenzierung zwischen positivem und negativem Fluss möglich. In der Umgebung des Maximums 111 ist die Kurvenform sehr flach oder sogar horizontal bei einer Null-Durchflussrate. Daher ist im Abschnitt IV nur eine ungefähre Aussage über die Durchflussrate möglich. In den Abschnitten V weist die Kurve 110 eine sehr steile Form auf, so dass hier eine relativ genaue Analyse möglich ist. In den Abschnitten VI wird die Kurve 110 zunehmend flach, so dass die Analyse bei höheren positiven oder negativen Durchflussraten zunehmend ungenau wird. In diesem Bereich stellt die Kurve 100 ein genaueres Flusssignal bereit, insbesondere da die Temperaturdifferenz weitgehend unempfindlich gegenüber Änderungen in Umgebungs- und Medientemperatur ist.
Somit stellt die Temperaturdifferenz 100 im gesamten Bereich ein Signal mit dem richtigen Vorzeichen bereit, während die Temperatursumme 110 den Wert der Durchflussrate zumindest ungefähr im gesamten Bereich widerspiegelt. Durch Analysieren dieser zwei Signale kann bereits ermittelt werden, ob der Fluss positiv oder negativ ist, und in welchem der Bereiche I bis III oder IV bis VI er liegt. In Abhängigkeit vom entsprechenden Bereich wird die Durchflussrate dann entweder basierend auf der Temperaturdifferenz 100, der Temperatursumme 110 oder einer Kombination der beiden ermittelt.
Bei einer niedrigen Durchflussrate, d. h. im Bereich I, wird die Kurve 100 verwendet. Im Bereich II stellt die Kurve 100 kein genaues Signal bereit, stattdessen können die Kurve 110 oder der Bereich V hier zu diesem Zweck verwendet werden. Falls die Durchflussrate noch höher ist, nimmt die Präzision der Kurve 110 ab, so dass hier erneut die Kurve 100 oder der Bereich III verwendet wird.
Da alle definierten Bereiche für Kurve 100 und Kurve 110 überlappen, ist eine genaue Analyse für den gesamten positiven und negativen Durchflussbereich möglich.
Die Korrelationen zwischen den Temperaturdifferenzen oder -summen (Kurve 100 oder 110, im Folgenden als Temperatursignale bezeichnet) und der Durchflussrate sind beide nicht-linear, wie in 11 zu sehen ist. Somit ist eine Linearisierung erforderlich, um ein lineares Signal zu erhalten, das die gemessene Durchflussrate widerspiegelt. Zahlreiche Methoden für die Linearisierung von Signalen sind bekannt. Im einfachsten Fall wird eine Nachschlagtabelle aufgezeichnet, die die Korrelation zwischen dem Temperatursignal und der Durchflussrate für eine Anzahl von Abtastpunkten angibt. Falls das Temperatursignal nicht genau auf einen der Abtastpunkte fällt, wird die Durchflussrate durch Interpolation zwischen benachbarten Abtastpunkten berechnet. Alternativ ist es auch möglich, die funktionale Korrelation zwischen den Temperatursignalen und der Durchflussrate durch geeignete mathematische Funktionen, zum Beispiel Polynome, Exponentialfunktionen oder Spline-Funktionen, abzubilden. Falls diese Funktionen so berechnet werden, dass die X-Werte dem Temperatursignal entsprechen und die Y-Achse der Durchflussrate entspricht, muss einfach das Temperatursignal in die Funktion eingesetzt werden, um das Flusssignal zu erhalten. Aus mathematischen Gründen muss in diesem Fall die Funktion bei Bedarf abschnittsweise berechnet werden.
Unabhängig von der verwendeten Funktionsart muss die Nachschlagtabelle oder Funktion durch Kalibrieren des Sensors ermittelt werden. Hier wird zum Beispiel eine bekannte Durchflussrate durch den Sensor für jeden Abtastpunkt geleitet, und das zugehörige Temperatursignal wird analysiert. Die Abtastpunkte oder die Parameter der verwendeten Funktionen werden gespeichert. Je nach den Produktionstoleranzen des Sensors kann es ausreichen, diese Kalibrierung nur einmal durchzuführen und sie dann für alle Sensoren des entsprechenden Typs zu verwenden, oder es kann notwendig sein, jeden einzelnen Sensor einzeln zu kalibrieren. Die Linearisierung kann im Sensor selbst bzw. im weiteren Signalweg durchgeführt werden.
Wie bereits vorstehend beschrieben, können sowohl die Temperaturdifferenz als auch die Temperatursumme nur in bestimmten Abschnitten analysiert werden. Aus diesem Grund ist eine Linearisierung nur in diesen Abschnitten notwendig. Eine derartige abschnittsweise Linearisierung ist erheblich einfacher aus mathematischer Sicht und zudem genauer als eine Linearisierung der gesamten Kurve 100 oder 110.
Die Temperaturdifferenz (Kurve 100) wird nur in den analysierbaren Abschnitten I und III linearisiert, die Temperatursumme (Kurve 110) wird nur in den Abschnitten V linearisiert.
Hier wird die Temperatursumme mit dem Vorzeichen des Temperaturdifferenzsignals multipliziert, um ein Temperatursummensignal mit dem korrekten Vorzeichen zu erhalten.
Im Hinblick auf die Linearisierung der verschiedenen Abschnitte der Temperatursignale wird auf 12 verwiesen. 12 zeigt die Form der analysierbaren linearisierten Kurvenabschnitte I und III der Temperaturdifferenz (Kurve 100') als Doppellinie, und zeigt die Form der Kurvenabschnitte V der Temperatursumme (Kurve 110'), die bezüglich ihres Vorzeichens korrigiert wird, als einfache fettgedruckte Linie. Die linearisierten Kurven 100' oder 110' liegen alle auf derselben Geraden, die die Steigung 1 aufweist.
Die Abschnitte I und V überlappen in einem relativ kleinen Bereich. Es gibt eine (wesentlich größere) Überlappung zwischen den Abschnitten V und III. Wie im Folgenden erläutert, können diese Überlappungen dazu verwendet werden, irgendwelche Signalsprünge aufgrund möglicher Ungenauigkeiten zu vermeiden.
Eine allgemeine Herausforderung beim Umschalten zwischen Messbereichen oder Betriebsmodi von Sensoren und Messvorrichtungen besteht darin, dass infolge von unvermeidlichen Ungenauigkeiten und Drifteffekten Messfehler auftreten, die verschiedene Auswirkungen auf die einzelnen Messbereiche oder Betriebsmodi haben. Diese Herausforderung ist besonders ausgeprägt bei den in diesem Schriftstück behandelten Durchflusssensoren, da die Analyse der Temperatursumme ein anderes Messprinzip darstellt als die Analyse der Temperaturdifferenz.
Infolge der Ungenauigkeiten werden die linearisierten Kurvenabschnitte von Artefakten, wie z. B. Rauschen, Nicht-Linearitäten oder Nullpunktfehlern überlagert, die darüber hinaus verschiedene Auswirkungen in den einzelnen Abschnitten haben. In diesem Fall würde bei derselben Ist-Durchflussrate eine Analyse der Temperaturdifferenz zu einem leicht unterschiedlichen Flusssignal als eine Analyse der Temperatursumme führen. Falls man einfach zwischen der Analyse der Temperaturdifferenz und der Analyse der Temperatursumme an einem bestimmten Punkt umschalten würde, würde ein Signalsprung auftreten.
In einem geschlossenen Regelkreis, der dazu konzipiert ist, die Durchflussrate auf einen vorgegebenen Wert zu regulieren, führen derartige Signalsprünge zu einer Instabilität des Controllers, da Letzterer versucht, der ostensiven Änderung der Durchflussrate entgegenzuwirken. Folglich wird die Ist-Durchflussrate in der umgekehrten Richtung geändert, was wiederum einen neuen Signalsprung in der Gegenrichtung verursacht. Ein derartiges unerwünschtes Verhalten wird vorteilhafterweise vermieden.
Nach Ausführungsformen der Erfindung geschieht dies durch Verwenden der Überlappungsbereiche zwischen den Abschnitten I und V, oder V und III in 12. In diesen Überlappungsbereichen sind sowohl ein linearisiertes Temperaturdifferenzsignal als auch ein linearisiertes Temperatursummensignal gleichzeitig vorhanden. Basierend auf diesen zwei Signalen wird ein Gesamtsignal berechnet, das die zwei einzelnen Signale mit unterschiedlichen Gewichtungen umfasst.
Das wird im Folgenden basierend auf 13 erläutert.
13 zeigt beispielhaft ein linearisiertes Temperaturdifferenzsignal 100", das den Durchflussbereich bis zu 5 µl/min abdeckt, und typische Fehler wie Offset-Verschiebung und Rauschen beinhaltet. Aufgrund der Ungenauigkeiten weist das Signal keine geradlinige Form auf und verläuft nicht genau durch den Ursprung des Koordinatensystems. Weiterhin ist ein ähnliches ungenaues Temperatursummensignal 110" dargestellt, das den Durchflussbereich von 3 µl/min aufwärts abdeckt. Im Überlappungsbereich zwischen 3 und 5 µl/min stehen beide Signale zur Verfügung. Sie stimmen jedoch infolge der Ungenauigkeiten nicht überein. Bei einer niedrigen Durchflussrate kann nur das Temperaturdifferenzsignal verwendet werden. Falls die Durchflussrate zunimmt, steht das Temperaturdifferenzsignal ab 5 µl/min nicht mehr zur Verfügung, so dass spätestens an diesem Punkt auf das Temperatursummensignal umgeschaltet werden muss. Das Ergebnis in diesem Fall ist ein Signalsprung von ungefähr 4,2 µl/min auf ungefähr 5,0 µl/min.
In diesem Beispiel ist ein Überlappungsbereich von 3 µl/min bis 5 µl/min vorhanden, in dem sowohl das Temperaturdifferenzsignal als auch das Temperatursummensignal zur Verfügung steht. Nach der Erfindung wird in diesem Überlappungsbereich eine Übergangskurve 120 berechnet, wobei diese Übergangskurve 120 einen kontinuierlichen Übergang von Kurve 100" zu Kurve 110" darstellt. Somit wird die linearisierte Kurve 100" im Durchflussbereich von bis zu 3 µl/min verwendet, die Übergangskurve 120 wird zwischen 3 und 5 µl/min verwendet, und die linearisierte Kurve 110" wird oberhalb von 5 µl/min verwendet.
Nach der Erfindung wird die Berechnung der Übergangskurve mittels einer variablen Gewichtung der linearisierten Kurven 100" und 110" ausgeführt. Es können verschiedene Gewichtungsfunktionen verwendet werden. Normalerweise ist eine einfache lineare Gewichtung ausreichend, was basierend auf dem folgenden Beispiel erläutert wird. Durch die Verwendung von komplizierteren Gewichtungsfunktionen kann erreicht werden, dass die Übergangskurve mit sogar denselben Steigungen wie die benachbarten linearisierten Kurven beginnt und endet. In der Praxis ist der theoretische Vorteil jedoch von untergeordneter Bedeutung.
Als Beispiel wird eine Gewichtungsfunktion verwendet, die einen Wert null bei 3 µl/min hat und linear ansteigt, bis sie den Wert 1 bei 5 µl/min erreicht. Das entspricht der folgenden linearen Gleichung, wobei FI die Durchflussrate in µl/min angibt: $g = (Fl - 3 μ l / min) / (5μ l / min −3μ l / min)$
Die Kurve 110" ist mit dem Faktor g gewichtet, und die Kurve 110" ist mit 1-g gewichtet. Bei 3 µl/min ist die Kurve 110" somit mit dem Faktor 0 gewichtet, und die Kurve 100" ist mit dem Faktor 1 gewichtet. Bei 5 µl/min ist es umgekehrt: Die Kurve 110" ist mit dem Faktor 1 gewichtet, und die Kurve 100" ist mit dem Faktor 0 gewichtet. Im Bereich dazwischen ändert sich die Gewichtungsfunktion linear mit der Durchflussrate. Somit ist zum Beispiel bei 3,5 µl/min die Kurve 110" mit dem Faktor 0,25 gewichtet, und die Kurve 100" ist mit dem Faktor 0,75 gewichtet. Die Funktionswerte der Übergangskurve 120 werden durch Multiplizieren des Funktionswertes der Kurven 100" und 110" mit den Gewichtungen und durch anschließendes Addieren der Ergebnisse erhalten.
Die Übergangskurve 120 erscheint nicht „glatt“, da das Grundrauschen von den Sensorsignalen immer noch eingeschlossen ist.
Übergangskurven können auch für alle anderen Überlappungen auf dieselbe Weise berechnet werden.
Die Überlappung zwischen den Bereichen V und III ist sehr groß, d. h. sowohl die Temperaturdifferenz als auch die Temperatursumme können in einem sehr großen Durchflussbereich analysiert werden. Obwohl es einfach möglich wäre, die Übergangskurve in diesem gesamten Bereich zu berechnen, sollte berücksichtigt werden, dass in diesem Bereich die Temperaturdifferenz genauere Ergebnisse als die Temperatursumme ergibt. Daher ist es zweckmäßiger, nur die Temperaturdifferenz in einem relativ großen Teil dieses Bereichs zu analysieren und den Übergangsbereich entsprechend kleiner zu wählen.
Angesichts der vorstehenden Überlegungen wird das Ermitteln der analysierbaren Abschnitte und auch das Berechnen der Übergangskurven immer basierend auf der Durchflussrate ausgeführt. Die Ist-Durchflussrate ist jedoch an diesem Punkt noch nicht bekannt, da sie genau das ist, was mittels dieser Analysen ermittelt werden soll.
Somit wird zum Ermitteln der Bereiche und zum Berechnen der Übergangskurven das nicht-linearisierte Summensignal verwendet. 13 zeigt dieselben Signale und Abschnitte wie 11. Da die Kurve 110 symmetrisch zur X-Achse ist, genügt es, sich den 1. Quadranten anzusehen.
Das Temperatursummensignal (Kurve 110) fällt im gesamten 1. Quadranten monoton ab. Aus diesem Grund kann jeder der Übergänge zwischen den Abschnitten I/II, II/III, IV/IV [sic!] und V/VI eindeutig einem entsprechenden Temperatursummensignal bzw. einem Punkt auf der Y-Achse zugewiesen werden. Hier entspricht Punkt I' dem Übergang I/II, Punkt II' entspricht dem Übergang II/III, Punkt IV' entspricht dem Übergang IV/V und Punkt V' entspricht dem Übergang IV/V. Es versteht sich, dass diese Punkte bestimmte Werte für Schwellen des Temperatursummensignals 110 bezeichnen. Das Temperatursummensignal am Punkt IV' wird auch als Wendepunkt-Schwelle IV' bezeichnet (da es sich um den dem Wendepunkt nächstgelegenen Punkt handelt); Punkt II' wird auch als erste steile Schwelle II' bezeichnet; Punkt I' wird auch als zweite steile Schwelle I' bezeichnet (da diese Schwellen auf dem Abschnitt der Kurve von Temperatursumme vs. Fluss liegen, der relativ steil ist); und Punkt V' wird auch als flache Schwelle V' bezeichnet (da diese Schwelle auf dem Abschnitt der Kurve von Temperatursumme vs. Fluss liegt, der relativ flach ist).
Basierend auf dem Temperatursummensignal kann somit eindeutig ermittelt werden, ob das Temperatursummensignal, das Temperaturdifferenzsignal oder eine Übergangskurve zum Ermitteln der Durchflussrate zu verwenden ist. Die Gewichtungsfunktion der Übergangskurve kann ebenfalls direkt aus dem Temperatursummensignal berechnet werden. In diesem Fall wird sie in Bezug auf die Durchflussrate nicht-linear sein, aber das macht keinen nennenswerten Unterschied aus.

Tabelle 1 zeigt ein Beispiel einer derartigen Analyse. Tabelle 1

gemessene Temperatursumme	Erläuterung der Analyse	Gewichtung
gemessene Temperatursumme	Erläuterung der Analyse	Temperatursumme	Temperaturdifferenz
>IV'	Abschnitt IV	0	1
I'..IV'	Übergang I/V	(ST-IV')/(I'-IV')	1-(ST-IV')/(I'-IV')
II'..I'	Abschnitt II	1	0
V'..II'	Übergang V/III	1-(ST-II')/(V'-II')	(ST-II')/(V'-II')
<V'	Abschnitt III	0	1

Um das Gesamtsignal des Durchflusssensors nach der Erfindung zu erhalten, wird zunächst die nicht-linearisierte Temperatursumme ST ermittelt. Anschließend wird basierend auf der ersten Tabellenspalte überprüft, in welchem der angegebenen Bereiche sich der Wert ST befindet. Die Gewichtungsfaktoren für die Temperatursumme und die Temperaturdifferenz werden in Übereinstimmung mit den zwei rechten Spalten in der entsprechenden Tabellenzeile ermittelt.
Dann werden die linearisierten Temperatursummen und -differenzen mit den entsprechenden Gewichtungsfaktoren multipliziert, und die zwei Produkte werden addiert.
Dies ergibt das Messsignal des Durchflusssensors nach Ausführungsformen der Erfindung.
Das vorstehend beschriebene Umschalten zwischen den Messmodi und den Gewichtungsfaktoren nach Tabelle 1 kann auch als die Verwendung einer einzelnen Gewichtungsfunktion für den vollständigen Messbereich angesehen werden, wie in 15 beispielhaft dargestellt ist.
15 zeigt eine globale oder vollständige Messfunktion als Linie 150. Die X-Werte dieser Funktion sind die Temperatursummen, weshalb die X-Achse in 15 vertikal dargestellt ist. Nach Tabelle 1 hat die Gewichtungsfunktion den Wert 1 für Temperatursummen > IV' und < V'. D. h. hier wird nur die Temperaturdifferenz verwendet. Für die Temperatursummen zwischen II' und I' hat die Gewichtungsfunktion den Wert 0, d. h. es wird nur die Temperatursumme verwendet. In den dazwischenliegenden Bereichen, d. h. I' bis IV' und V' bis II', entspricht die Gewichtungsfunktion, die auch als die „vollständige“ oder „globale“ Gewichtungsfunktion bezeichnet werden kann, den vorstehend beschriebenen Übergangsfunktionen. Die vollständige Gewichtungsfunktion (Linie 150) umfasst auch die geraden Segmente und ist stetig, aber nicht stetig differenzierbar.
Wie beschrieben, ermittelt die Gewichtungsfunktion, ob das linearisierte Temperaturdifferenzsignal, das linearisierte Temperatursummensignal oder eine Kombination/Mischung von diesen für die Bewertung verwendet wird. In diesem Dokument verwendet die vorliegende Technologie normalerweise das Signal, das besser analysiert werden kann. Die Analysierbarkeit der Signale verändert sich nicht abrupt, sondern allmählich. Zum Beispiel ist die Temperatursumme (Kurve 110) auch im Wesentlichen analysierbar und verwendbar bei kleinen Flüssen, d. h. in Region IV. Nur wenn sich der Fluss 0 nähert, kann das Signal nicht länger analysiert werden, da die Steigung der Kurve 100 sich 0 nähert.
Das bedeutet, dass die globale oder vollständige Gewichtungsfunktion nicht auf die in 15 dargestellte Linie 150 beschränkt ist. Vielmehr kann die globale Gewichtungsfunktion auch anders realisiert werden. Somit kann die Gewichtungsfunktion bei Betrachtung aller technischen Überlegungen auf eine optionale Weise definiert werden.
Insbesondere kann eine glatte Gewichtungsfunktion verwendet werden, die keine plötzlichen oder abrupten Veränderungen in der Steigung umfasst und somit stetig differenzierbar ist. Eine derartige Gewichtungsfunktion ist beispielhaft als Kurve 151 in 16 dargestellt. Die Kurve ist der Kurve 150 in 15 ähnlich. Die Kurve 160 umfasst jedoch gekrümmte Übergangsfunktionen und glatte Übergänge zwischen den verschiedenen Regionen. Weiterhin müssen auch die in Kurve 151 als gerade Abschnitte dargestellten Abschnitte nicht notwendigerweise gerade sein, da es nicht erforderlich ist, dass die Gewichtungsfunktion genau 0 oder 1 ist.
Wie für die Gewichtungsfunktion in 15 ist auch für die Gewichtungsfunktion in 16 das Gewichten des linearisierten Temperatursummensignals und Temperaturdifferenzsignals typischerweise komplementär, d. h. die Gewichtungsfunktion liegt im Bereich 0 bis 1 und die Summe der Gewichtungsfunktion ist 1. D. h., wenn die Temperatursumme mit der Funktion w gewichtet wird, wird die Temperaturdifferenz mit der Funktion 1-w gewichtet.
Während das vorstehend beschriebene Verfahren dafür geeignet sein kann, den Fluss zu erhalten, wird der Fachmann verstehen, dass auch andere Verfahren eingesetzt werden können.
Vorstehend wurden vom Durchflusssensor erhaltene Signale für beide Messbereiche (d. h. Temperatursummensignal und Temperaturdifferenzsignal) mittels Kalibrierierungskurven linearisiert. Die Kalibrierungskurven wurden aus entsprechenden Messungen und einem Vergleich mit der Ist-Durchflussrate ermittelt. Dann wurden die linearisierten Messsignale kombiniert zu einem einzigen Messsignal, das den gesamten Durchflussbereich abdeckt.
In dem nachstehenden Verfahren, das nun beschrieben wird, werden die Sensorsignale von beiden Messbereichen zunächst durch Anlegen (verschiedener) mathematischer Funktionen transformiert, um in einem Überlappungsabschnitt in gewissem Umfang miteinander übereinzustimmen. In den Überlappungsabschnitten werden Transformationsfunktionen zwischen den transformierten Sensorsignalen (transformiertes Temperaturdifferenzsignal und transformiertes Temperatursummensignal) berechnet, um ein einziges, kontinuierliches Signal zu erhalten. Die Linearisierung dieses Signals wird wiederum mittels einer Kalibriermessung ausgeführt.
Das nun beschriebene Verfahren hat erneut seinen Ursprung an den in 11 abgebildeten Sensorsignalen 100 (Temperaturdifferenz) und 110 (Temperatursumme). Diese Signale werden so transformiert, dass sie auf einfache Weise zu einem kontinuierlichen Signal zusammengesetzt werden können.
Das wird mittels eines einfachen Beispiels weiterhin veranschaulicht:

Das Temperatursummensignal 100 wird zunächst vertikal versetzt und neu skaliert. Weiterhin wird das resultierende Signal mit dem Vorzeichen des Temperaturdifferenzsignals multipliziert, so dass eine negative Durchflussrate zu einem negativen Signal führen [sic!].

Diese Transformation folgt der folgenden Gleichung: $s_{1} (ƒ) = (s (ƒ) - s h i f t_{s}) \cdot s c a l e_{s} \cdot s i g n (d (ƒ))$
wobei

s(f): Summensignal des Sensors in Abhängigkeit von der Durchflussrate f;
s1(f): Transformation der Funktion s(f);
shifts: vertikaler Versatz;

scales: Faktor;
sign(x): Funktion für das Vorzeichen (-1 für x<0, 0 für x=0, 1 für x>0);
d(f): Temperaturdifferenzsignal des Sensors in Abhängigkeit von der Durchflussrate f.

Kurve 113 in 18 stellt die resultierende Funktion s₁(f) dar. Aufgrund der Multiplikation mit dem Vorzeichen des Temperaturdifferenzsignals nimmt das Signal 113 für jeden Fluss zu. Bei Durchflussrate 0 gibt es eine Diskontinuität (einen Signalsprung). Dies ist nicht problematisch, da dieser Bereich im Folgenden nicht verwendet wird.
Der Parameter shift_s=80 wurde so gewählt, dass der negative und der positive Anteil der Kurve nahezu durch den Ursprung gehen, wenn der vom Abflachen des Signals bei sehr niedrigen Flüssen erzeugte Abschnitt nicht berücksichtigt wird. Dieser Wert kann durch Anlegen einer Tangente an die Kurve 110 an den steilsten Abschnitten der Kurve 110 ermittelt werden. Die Tangenten des negativen und positiven Abschnitts schneiden sich in diesem Wert.
Der Parameter scale_s=-1 ist negativ, so dass das Signal mit einer steigenden Durchflussrate zunimmt. Dieser absolute Wert kann ermessensabhängig bestimmt werden, so dass die Werte von s₁(f) in einem angemessenen Bereich liegen.
Analog zum Temperatursummensignal s(f) wird auch das Temperaturdifferenzsignal d(f) transformiert. Da das Vorzeichen dieses Signals bereits dasselbe ist wie das Vorzeichen des Flusses, ist keine Korrektur des Vorzeichens notwendig: $d_{1} (ƒ) = (d (ƒ) - s h i f t_{D}) \cdot s c a l e_{D}$
wobei

d(f): Temperaturdifferenzsignal des Sensors in Abhängigkeit von der Durchflussrate f;
d1(f): Transformation der Funktion d(f);
shiftD: vertikaler Versatz;
scaleD: Faktor.

Kurve 103 in 19 stellt die resultierende Funktion d₁(f) dar. Zusätzlich ist die transformierte Temperatursummenfunktion (Kurve 113) dargestellt. Der Wert shift_D kann dazu verwendet werden, potenzielle Nullpunktfehler des Temperaturdifferenzsignals auszugleichen. Da im vorliegenden Aufbau keine derartigen Fehler vorhanden waren, wurde shift_D=0 verwendet. Der Wert scale_D=0,22 wurde so gewählt, dass die Steigungen der ungefähr linearen Abschnitte der Kurven 103 und 113 ungefähr gleich sind, zumindest für einige Überlappungsbereiche 115. Somit werden möglichst große Überlappungsabschnitte 115 erzeugt, in denen das transformierte Temperaturdifferenzsignal 103 und das transformierte Temperatursummensignal 113 gut miteinander übereinstimmen.
Wie in 19 dargestellt, stimmen die transformierten Funktionen (Kurven 103 und 113) in den Überlappungsabschnitten 115 gut miteinander überein. Dies ist nicht zufällig der Fall, sondern wurde durch Transformieren des Temperatursummensignals erreicht, so dass es ungefähr proportional zur Durchflussrate in den Überlappungsbereichen 115 ist. Bei niedrigen Durchflussraten ist das Temperaturdifferenzsignal ohnehin fast linear zur Durchflussrate. Dieses Signal wurde so transformiert, dass seine Steigung dem Temperatursummensignal in diesen Abschnitten entspricht.
Für die Parameter scales, shifts, scale_D und shift_D können keine allgemein anwendbaren Bereiche bereitgestellt werden. Es hängt von der Signalskalierung und der Signalform ab, sowie von den Herstellungstoleranzen des verwendeten Durchflusssensors, welche Werte zweckmäßig sind. Die Parameter werden daher auf eine geeignete Weise wie vorstehend beschrieben ermittelt.
Um ein zusammengesetztes Sensorsignal, das im gesamten Durchflussbereich relevant ist, zu erhalten, ist eine Gewichtungsfunktion mit glatten Übergängen zwischen den Kurven in den Überlappungsabschnitten 115 selbst bei einer nicht perfekten Übereinstimmung der beiden Kurven im Überlappungsbereich 115 wünschenswert. Diese Gewichtungsfunktion wird ähnlich berechnet wie vorstehend behandelt, indem man mit dem transformierten Temperatursummensignal 113 beginnt.
Im behandelten Beispiel wurden der Verständlichkeit halber sehr einfache Transformationen für die Sensorsignale verwendet. Auf diese Weise ist der Übergang von einem transformierten Temperaturdifferenzsignal 103 zu einem transformierten Temperatursummensignal 113 nur in den behandelten Überlappungsabschnitten 115 möglich. Bei höheren Durchflussraten gibt es keine weitere Überlappung, so dass ein Übergang zurück zum Temperaturdifferenzsignal nicht möglich ist. Weiterhin nimmt das Temperaturdifferenzsignal bei höheren Durchflussraten ab, während das transformierte Temperatursummensignal 113 zunimmt, so dass die Steigung eines kombinierten Signals ihr Vorzeichen ändern würde. Somit würde die Beziehung zwischen dem Signal und der Durchflussrate nicht eindeutig sein.
Um diese Probleme zu vermeiden und die folgende Beschreibung zu vereinfachen, wird in der vorliegenden Ausführungsform das transformierte Temperatursummensignal 113 auch noch bei höheren Durchflussraten analysiert, d. h. im Vergleich zu 15 bleibt die Gewichtung des transformierten Temperaturdifferenzsignals bei höheren Durchflussraten 0. Praktische Tests haben gezeigt, dass das völlig ausreichend ist. Somit wird eine Gewichtungsfunktion benötigt, die für kleine positive von [sic!] negative Durchflussraten im transformierten Temperaturdifferenzsignal 103 resultiert, und für hohe positive oder negative Durchflussraten im transformierten Temperatursummensignal 113 resultiert, und in einem glatten Übergang für die Überlappungsabschnitte resultiert.
20 stellt das transformierte Temperatursummensignal 113, das transformierte Temperaturdifferenzsignal 103 und die Gewichtungsfunktion w dar. Anders als bei den vorausgehenden Figuren wurde die Skalierung so angepasst, dass der den Ursprung umgebende Abschnitt vergrößert ist.
Zum Ermitteln der Gewichtungsfunktion w werden zwei Umschaltschwellen th_H und th_L definiert, um dem transformierten Temperatursummensignal am Anfang und Ende des gewünschten Übergangsabschnitts zu entsprechen. In 20 sind sie als die mit th_H und th_L gekennzeichneten Linien dargestellt.
Solange die transformierte Temperatursumme 113 unterhalb von th_H liegt, sollte nur die Temperaturdifferenz berücksichtigt werden, die Gewichtungsfunktion ist somit 1. Falls die transformierte Temperatursumme 113 oberhalb von th_H und th_L liegt, sollte nur die Temperatursumme berücksichtigt werden, die Gewichtungsfunktion ist dann 0. Es versteht sich, dass die Schwelle th_L der vorstehend behandelten Wendepunkt-Schwelle entsprechen kann, und dass die Schwelle th_H der vorstehend behandelten zweiten steilen Schwelle entsprechen kann, obwohl die Schwellenwerte aufgrund der Transformation andere sein können.
Zwischen th_H und th_L könnte die Gewichtungsfunktion einfach linear verlaufen (wie ebenfalls vorstehend behandelt). Als weiteres Beispiel für eine stetig differenzierbare Funktion wird ein cosinusförmiger Übergang verwendet.
Die Gewichtungsfunktion ist somit in Abschnitten wie folgt definiert:

für s₁(f) < th_L : W=1

für th_L ≤ s₁(f) ≤ th_H : $w = \frac{1}{2} \cdot (cos (\frac{t h_{L} - s_{1} (ƒ)}{t h_{H} - t h_{L}} \cdot π) + 1)$

für s₁(f) > th_H : w = 0
Die Gewichtungsfunktion ist als Kurve 130 in 20 dargestellt.
Die berechnete Gewichtungsfunktion w wird nun auf die transformierten Temperatursignale d₁(f) und s₁(f) angewandt, um ein kombiniertes Sensorsignal c(f) zu erhalten: $c (ƒ) = w \cdot d (ƒ) + (1 - w) \cdot s (ƒ)$
Dieses kombinierte Sensorsignal ist als Kurve 140 in 21 dargestellt. Das Signal steigt über den gesamten Messbereich hinweg stetig an, so dass die Signalwerte immer eindeutig einer Durchflussrate zugewiesen werden können.
Die Beziehung zwischen den kombinierten Sensorsignalen 140 und dem Fluss ist jedoch nicht linear, da bisher keine Linearisierung durchgeführt worden ist.
Um die gemessene Durchflussrate basierend auf dem kombinierten Sensorsignal zu erhalten, wird die Umkehrfunktion von c(f) benötigt.
Diese Funktion wird durch eine Kalibrierung bestimmt. Hier werden verschiedene bekannte Durchflussraten durch den Sensor geleitet, wobei der Istfluss geprüft wird, z. B. mittels eines kalibrierten Durchflusssensors oder mittels einer Skala. Für jede Durchflussrate wird das kombinierte Sensorsignal so ermittelt, dass die einzelnen Messpunkte auf der Kurve 140 liegen. Die Umkehrfunktion wird durch Vertauschen der x- und y-Achsen erhalten. Diese Funktion kann gespeichert werden, z. B. mittels einer Nachschlagtabelle. Eine weitere Option besteht darin, die Werte der Umkehrfunktion mittels einer geeigneten mathematischen Funktion, z. B. einer Polynomfunktion, näherungsweise zu bestimmen.
Diese Funktion kann in der Analysensteuerung des Sensors gespeichert werden. Während des Betriebs muss nur das kombinierte Sensorsignal eingesetzt werden, um die gemessene Durchflussrate zu erhalten.
Die Kalibrierung ist aufgrund des nicht-linearen Verhaltens des Sensors wünschenswert. Je nachdem wie groß die durch Herstellungstoleranzen verursachten beispielhaften Abweichungen der Sensoren sind, können sich einzelne Sensoren unterschiedlich verhalten. In einem derartigen Fall kann es vorteilhaft sein, jeden Sensor einzeln zu kalibrieren.
Falls der Sensor mit verschiedenen Lösemitteln verwendet wird, kann es vorteilhaft sein, eine Kalibrierung mit jedem einzelnen Lösemittel durchzuführen.
Nun werden noch weitere Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben.
Wie beschrieben, kann bei hohen Durchflussraten das Temperaturdifferenzsignal anstelle des Temperatursummensignals verwendet werden. Je nach dem Verhalten des Durchflusssensors kann dies vorteilhaft sein.
In der soeben beschriebenen Ausführungsform wurde auf eine derartige Verwendung des Temperaturdifferenzsignals bei hohen Durchflussraten der Einfachheit der Beschreibung halber verzichtet. Es versteht sich jedoch, dass eine derartige Verwendung des Temperaturdifferenzsignals auch für die soeben beschriebene Ausführungsform möglich ist.
In einem derartigen Fall kann es vorteilhaft sein, dass die Transformation des Temperaturdifferenzsignals so erfolgt, dass die Steigung bei hohen Flüssen dasselbe Vorzeichen hat wie das transformierte Temperatursummensignal, und so, dass es zu Überlappungsabschnitten kommt, in denen beide Signale ungefähr dieselben sind.
Dies kann durch ein schrittweises Transformieren des Temperaturdifferenzsignals erfolgen, d. h. die Transformation erfolgt für hohe Durchflussraten auf eine andere Weise als für niedrige Durchflussraten. Der Abschnittswechsel erfolgt in einem Abschnitt, in dem das Temperatursummensignal gut analysierbar ist, d. h. in einem Abschnitt, wo die Verwendung des Temperaturdifferenzsignals nicht erforderlich ist.
Die behandelte Transformation der Signale waren [sic!] sehr einfach (aber doch funktionsfähig). Dies geschah, um das Verständnis zu erleichtern. Da die Transformation nur eine mathematische Abbildung ist, können auch völlig verschiedene Transformationen verwendet werden. Zum Beispiel kann für die Transformation der Temperatursummenfunktion ein exponentieller Teil der Temperatursummenfunktion addiert werden, um eine bessere Linearität bei hohen Durchflussraten zu erhalten.
In einem derartigen Fall würde die transformierte Temperatursummenfunktion wie folgt lauten: $s_{2} (ƒ) = (c_{1} \cdot e^{(s (ƒ) - c_{2}) \cdot c_{3}} + (s (ƒ) - c_{2}) \cdot c_{4} + c_{5}) \cdot s i g n (d (ƒ))$
Hier sind c₁ bis c₅ Konstanten, die so bestimmt werden können, dass das resultierende Temperatursummensignal s₂ monoton steigt, und so, dass die Signale gut kombiniert werden können.
Es mag überraschen, dass die Transformation auf fast jede Weise ausgeführt werden kann. Der Grund dafür ist, dass die Verwendung eines anderen Transformationsprozesses zu einem anderen kombinierten Sensorsignal führt; dies wird jedoch mittels der Kalibrierung wieder rückgängig gemacht.
Für jedes kombinierte Sensorsignal ist es wünschenswert, dass es eine relevante und monoton steigende oder fallende Beziehung zum Istfluss hat. Wenn dies erfüllt ist, sind [sic!] die Kombination von verschiedenen Transformationsfunktionen mathematisch äquivalent, wenn sie mit den geeigneten Kalibrierungsfunktionen kombiniert werden.
Auch völlig verschiedene mathematische Verfahren, wie z. B. zweidimensionale Transformationsfunktionen, können verwendet werden. Es ist jedoch allgemein wünschenswert, dass sie eine kombinierte Funktion ergeben, die die vorstehend behandelten Merkmale erfüllt.
Es ist auch möglich, die Gewichtungsfunktion bereits beim Transformieren der Signale zu berücksichtigen. In den Abschnitten, in denen eines der Signale nicht relevant ist, wurde es nach den vorstehend behandelten Rationalen mit der Gewichtungsfunktion 0 multipliziert. Falls z. B. eine Transformation so verwendet wird, dass das transformierte Signal ungefähr konstant in diesen Abschnitten ist, haben Änderungen des Sensorsignals in diesen Abschnitten auch keine Auswirkung auf das kombinierte Signal. Auf diese Weise können Gewichtungsfunktionen in die Transformation integriert werden.
Indem eine zweidimensionale Transformation verwendet wird, können das Temperatursummensignal und das Temperaturdifferenzsignal gleichzeitig berücksichtigt werden, und somit ein kombiniertes Signal ohne explizite Verwendung einer Gewichtungsfunktion erzeugen.
Alle diese Kombinationen von Temperatursummen- und -differenzsignalen sind nach Ausführungsformen dieser Erfindung möglich.
Die beschriebenen Ausführungsformen können in einer HPLC-Pumpe verwendet werden. In dieser Hinsicht wird auf 17 verwiesen. 17 zeigt beispielhaft den Gebrauch der beschriebenen Ausführungsform in einer binären HPLC-Pumpe, die zwei Lösemittelkanäle aufweist.
Über die Saugrohre 300a und 300b saugen zwei Pumpenblöcke 302a und 302b das Lösemittel aus den Lösemittelbehältern 301a und 301b an. Drucksensoren 303a und 302b erfassen die Drücke an den Auslässen der Pumpenblöcke 302a, 302b. Über Verbindungsleitungen 310a und 310b erreichen die Lösemittel temperaturgeregelte Durchflusssensoren 200a und 200b nach den Ausführungsformen der Erfindung, und von dort werden sie durch Verbindungskapillaren 311a und 311b zu einem Mischer 305 transportiert. Letzterer fasst die zwei Teilflüsse zusammen und macht sie für den Rest des HPLC-Systems am Auslass 306 der Pumpe verfügbar.
Die temperaturgeregelten Durchflusssensoren 200a und 200b nach Ausführungsformen der Erfindung messen konstant die zwei Teilflüsse und leiten die Messwerte zu einem Steuergerät 320 weiter, was durch die zwei Effektpfeile angezeigt wird. Das Steuergerät 320 vergleicht die gemessenen Teilflüsse mit den entsprechenden Referenzwerten, die sich aus der an einem vorgegebenen Zeitpunkt erwünschten Lösemittelzusammensetzung und der gewünschten Gesamtdurchflussrate ergeben. Das Steuergerät 320 ist dazu konzipiert, die Abweichungen zwischen den Referenz- und Istwerten so klein wie möglich zu halten, indem die Betriebsgeschwindigkeiten der zwei Pumpenblöcke 302a und 302b entsprechend geregelt oder gesteuert werden. Das wird durch die Effektpfeile zwischen dem Steuergerät 320 und den Pumpenblöcken 302a, 302b angezeigt. Mindestens eine der zwei Verbindungen 311a oder 311b hat vorteilhafterweise einen bestimmten Mindestdurchflusswiderstand, um die zwei Lösemittelkanäle voneinander aus kybernetischer Sicht zu entkoppeln und den Regelkreis zu dämpfen. Die erforderliche Höhe dieses Durchflusswiderstands hängt von der Umsetzung des Gesamtsystems und insbesondere von den eingestellten Regelparametern ab. Ein höherer Durchflusswiderstand ermöglicht eine schnellere und genauere Regelung, erzeugt aber andererseits einen relevanten Druckverlust bei hohen Durchflussraten, wodurch der am Ausgang verfügbare maximale Druck entsprechend reduziert wird.
Zum Messen der Drücke am Ausgangsauslass wird ein Systemdrucksensor 304 bereitgestellt. Im Prinzip ist das kein notwendiges Merkmal für die Funktionsfähigkeit des Systems, und ebensowenig sind dies die Drucksensoren 303a und 303b; somit sind sie als optionale Merkmale zu betrachten.
Die beschriebenen Ausführungsformen erweitern den nutzbaren Messbereich so stark durch die thermischen Durchflusssensoren, dass der gesamte niedrige Durchflussbereich abgedeckt wird.
Die Erweiterung wird unter anderem durch das Kombinieren verschiedener Messmodi in einen einzigen zusammenhängenden Messbereich erreicht. Dazu werden mindestens in den Überlappungsbereichen die Signale der verschiedenen Messmodi gleichzeitig oder praktisch gleichzeitig aufgezeichnet und zu einem einzigen kontinuierlichen Signal kombiniert.
Z. B. um die extrem hohen Anforderungen in Bezug auf Präzision und Reproduzierbarkeit zu erfüllen, wie sie bei den Anwendungen der Erfindung bei HPLC gelten, können sowohl der thermische Durchflusssensor selbst als auch das in den Sensor einströmende Lösemittel temperaturgeregelt sein.
Infolge dieser Maßnahmen wird ein wesentlich größerer Messbereich als die herkömmlichen thermischen Durchflusssensoren abgedeckt, während gleichzeitig ein höherer Grad an Präzision geboten wird.
Insbesondere können Durchflusssensoren nach Ausführungsformen der Erfindung eine hoch präzise Messung von Durchflussraten zwischen einigen wenigen nl/min bis zu mindestens 100 µl/min innerhalb eines einzigen zusammenhängenden Messbereichs ermöglichen.
Dank der Anwendung des Durchflusssensors nach Ausführungsformen der Erfindung in einer HPLC-Pumpe mit einer aktiven Durchflussregelung kann der Dynamikbereich oder der Bereich der nutzbaren Durchflussraten erweitert werden, um den gesamten niedrigen Durchflussbereich zwischen einigen wenigen nl/min bis zu ungefähr 100 µl/min abzudecken.
Im gesamten erwähnten Bereich können eine Präzision und Reproduzierbarkeit erreicht werden, die HPLC-Anforderungen erfüllen. Dies wird in einem einzigen kontinuierlichen Betriebsbereich ohne irgendeinen Austausch oder Umschalten von Komponenten erreicht.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung kann sein, dass im Vergleich zu einer Durchflussregelung nach dem Stand der Technik, die mit herkömmlichen thermischen Durchflusssensoren arbeitet, nur sehr wenig zusätzlicher Aufwand erforderlich ist.
Während bestimmte bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben worden sind, versteht es sich, dass diese Ausführungsformen den Umfang dieser Erfindung nicht einschränken sollen. Was in diesem Dokument erläutert wurde, ist das grundlegende Prinzip der Ausführungsformen der Erfindung mit leicht verfügbaren Komponenten. Es wurde die zweckmäßigste Ausführungsform aus der derzeitigen technischen Perspektive beschrieben. Abgesehen davon sind verschiedene andere Ausführungsformen denkbar. Derartige andere Ausführungsformen können möglicherweise je nach dem technischen Gesamtkonzept und den Merkmalen der verwendeten Komponenten zweckmäßiger sein.
Bei der Behandlung der Struktur und des Funktionsprinzips des Durchflusssensors (siehe zum Beispiel den in 10 dargestellten Durchflusssensor) wurde eine Ausführungsform gewählt, in der das Heizelement und die Temperatursensoren alle auf derselben Seite der Kapillaren angeordnet sind. Es sind zahlreiche andere Ausführungsformen denkbar, insbesondere derartige Ausführungsformen, bei denen das Heizelement und/oder die Temperatursensoren die Sensorkapillaren umschließen, wie zum Beispiel eine Heizschicht, die auf der Außenwand der Kapillaren aufgetragen wird. In diesem Fall würden sich Temperaturprofile ergeben, die zum Beispiel rotationssymmetrisch zur Kapillarachse sind. Dies würde jedoch die zugrundeliegende Funktionsfähigkeit des Durchflusssensors und die Umsetzung nach der Erfindung nicht beeinflussen.
Es wurde beschrieben, dass das Temperaturdifferenzsignal bei niedrigen Durchflussraten analysiert wird, das Temperatursummensignal bei leicht höheren Durchflussraten analysiert wird, und das Temperaturdifferenzsignal erneut bei hohen Durchflussraten analysiert wird, da Letzteres eine höhere Präzision in diesem Bereich bietet. Je nach der spezifischen technischen Umsetzung oder den Merkmalen des Sensors kann das Temperatursummensignal auch eine gute Präzision bei hohen Durchflussraten erreichen. In diesem Fall könnte das Temperaturdifferenzsignal nur bei niedrigen Durchflussraten analysiert werden.
Aktuelle Durchflusssensoren analysieren das Temperatursummensignal bei höheren Durchflussraten, insoweit sie überhaupt verschiedene Analysemodi aufweisen. Das Temperatursummensignal spiegelt die Wärmemenge wider, die vom Sensorelement durch die Flüssigkeit abgeleitet wird, und zwar unabhängig von der Richtung des Flusses. Alternativ würde es auch möglich sein, das Temperatursummensignal nur aus einem der zwei Temperatursensoren zu erhalten, die im Sensor vorhanden sind, obwohl das mehrere Nachteile hat, wie zum Beispiel, dass das Signal richtungsabhängig wird.
Die gezeigte Ausführungsform des Eluentvorwärmers ist nur als ein Ausführungsbeispiel zu verstehen. Bei Verwendung eines passiven Eluentvorwärmers ohne eigene aktive Temperaturregelung ist nicht der Konstruktionstyp von Bedeutung, sondern es ist vielmehr nur wichtig, dass ein ausreichend kleiner thermischer Widerstand zwischen der temperaturgeregelten Oberfläche und dem Medium erreicht wird.
Statt einen passiven Eluentvorwärmer zu verwenden, kann die Temperaturregelung des Mediums auch mittels aktiven Erwärmens einer Komponente, durch die das Medium fließt, mit Hilfe eines geregelten Heizelements ausgeführt werden. In diesem Fall misst ein Temperatursensor die Isttemperatur der Flüssigkeit vorzugsweise prozessabwärts vom Heizelement und ein Regelkreis regelt die Heizleistung so, dass die Temperatur gleich einem eingestellten Wert ist. Bei dieser Lösung ist der thermische Widerstand zwischen der Temperaturregelung und dem Medium nicht kritisch.
Es ist auch möglich, den Einfluss der Temperatur auf das Signal des Durchflusssensors im gesamten Betriebsbereich des Sensors und über den erwarteten Temperaturbereich hinweg zu erfassen, und eine mathematische Korrektur vorzunehmen. Auf diese Weise wäre es nicht mehr nötig, die Temperatur des Sensors und / oder das Mediums selbst zu regeln.
In der beschriebenen Ausführungsform für die Temperaturregelung ist das gesamte Gehäuse des Sensors und des Eluentvorwärmers temperaturgeregelt. Auf diese Weise kann die Erfindung mit im Handel verfügbaren Komponenten umgesetzt werden. Stattdessen ist es auch möglich, einen Sensor zu haben, bei dem die Temperaturregelung bereits integriert ist. Der Eluentvorwärmer kann auch in das Gehäuse des Sensors integriert werden. Auf diese Weise wird ein kleinerer Konstruktionstyp möglich, so dass weniger Leistung für die Temperaturregelung nötig ist. Das wiederum ermöglicht eine Temperaturregelung mittels Peltier-Elementen, die auch eine aktive Kühlung bereitstellen können, so dass es nicht mehr nötig ist, die Temperatur auf einen Wert zu regeln, der höher ist als die höchste Betriebstemperatur, die zu erwarten ist.
Der Durchflusssensor kann derart konzipiert sein, dass sowohl das Temperaturdifferenzsignal als auch das Temperatursummensignal gleichzeitig ausgelesen werden können. Es ist auch möglich, die Linearisierung und Kombination von Modi in den Sensor zu integrieren, so dass der Sensor selbst dazu in die Lage versetzt wird, ein korrektes Signal im gesamten Bereich bereitzustellen.
Hinsichtlich der Anwendung der Erfindung bei HPLC wurde die Beschreibung implizit auf Pumpenblöcken basiert, die einen kontinuierlichen Lösemittelstrom erzeugen können. Insbesondere im niedrigen Durchflussbereich jedoch werden manchmal sogenannte Spritzenpumpen verwendet, die entweder in vorgegebenen Abständen oder spätestens zu dem Zeitpunkt, wenn die Spritze leer ist, wieder aufgefüllt werden müssen. Die Erfindung kann in diesem Fall ebenfalls auf dieselbe Weise verwendet werden.
Wann immer in dieser Spezifikation ein relativer Begriff wie „ungefähr“, „im Wesentlichen“ oder „ca.“ verwendet wird, sollte dieser Begriff auch so ausgelegt werden, dass er den genauen Begriff mit einschließt. Das bedeutet z. B., dass „im Wesentlichen gerade“ so ausgelegt werden sollte, dass es auch „(genau) gerade“ einschließt.
Wann immer Schritte im Vorstehenden und auch in den angehängten Ansprüchen genannt wurden, ist anzumerken, dass die Reihenfolge, in der die Schritte in diesem Text genannt werden, nebensächlich sein kann. Das bedeutet, sofern nicht etwas anderes angegeben ist oder sofern dies nicht dem Fachmann klar ist, dass die Reihenfolge, in der die Schritte genannt werden, nebensächlich sein kann. Das bedeutet, wenn das vorliegende Dokument z. B. feststellt, dass ein Verfahren die Schritte (A) und (B) umfasst, so bedeutet dies nicht zwangsläufig, dass Schritt (A) vor Schritt (B) stattfindet, sondern es ist auch möglich, dass Schritt (A) (mindestens teilweise) gleichzeitig mit Schritt (B) stattfindet oder dass Schritt (B) vor Schritt (A) stattfindet. Wenn weiterhin ausgesagt ist, dass ein Schritt (X) vor einem weiteren Schritt (Z) stattfindet, impliziert dies nicht, dass zwischen den Schritten (X) und (Z) kein weiterer Schritt stattfindet. Das bedeutet, dass der Umstand, dass Schritt (X) vor Schritt (Z) erfolgt, die Situation beinhaltet, dass Schritt (X) unmittelbar vor Schritt (Z) erfolgt, aber auch die Situation, dass (X) vor einem oder mehreren der Schritte (Y1), ..., gefolgt von Schritt (Z), erfolgt. Entsprechende Erwägungen gelten, wenn Begriffe wie „nach“ oder „vor“ verwendet werden.
Während im Vorstehenden bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurden, wird der Fachmann verstehen, dass diese Ausführungsform nur zu Zwecken der Veranschaulichung dargestellt wurde und keineswegs als Einschränkung des Geltungsbereichs dieser Erfindung, die durch die Ansprüche definiert ist, ausgelegt werden sollte.

Claims

Verfahren zum Messen eines Flusses eines Fluids in einem Rohr (1), wobei das Verfahren in einem Flussmesssystem durchgeführt wird, wobei das Verfahren umfasst: ein Heizelement (10) erwärmt das Fluid im Rohr (1); ein erstes Temperaturfühlerelement (11a) misst ein erstes Signal, das eine erste Temperatur des Fluids im Rohr (1) an einem ersten Standort angibt; ein zweites Temperaturfühlerelement (11b) misst ein zweites Signal, das eine zweite Temperatur des Fluids im Rohr (1) an einem zweiten Standort angibt, wobei der zweite Standort sich vom ersten Standort unterscheidet; Berechnen von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal; Ableiten eines Flusses basierend auf dem mindestens einen Temperatursignal; wobei das Berechnen von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal umfasst: Berechnen eines Temperaturdifferenzsignals (100), basierend auf der Differenz zwischen dem zweiten Signal und dem ersten Signal; wobei das Berechnen von mindestens einem Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal weiterhin umfasst: Berechnen eines Temperatursummensignals (110), basierend auf der Summe aus dem zweiten Signal und dem ersten Signal; wobei bei dem Schritt des Ableitens eines Flusses: ein Fluss basierend auf einer ersten gewichteten Kombination aus dem Temperaturdifferenzsignal (100) und dem Temperatursummensignal (110) abgeleitet wird, wenn eine erste Bedingung erfüllt ist; und ein Fluss basierend auf einer zweiten gewichteten Kombination aus dem Temperaturdifferenzsignal (100) und dem Temperatursummensignal (110) abgeleitet wird, wenn eine zweite Bedingung erfüllt ist; wobei die zweite Bedingung sich von der ersten Bedingung unterscheidet und wobei die zweite gewichtete Kombination sich von der ersten gewichteten Kombination unterscheidet; wobei das Verfahren weiterhin das Regeln oder Steuern einer Temperatur des Flussmesssystems umfasst und wobei das Verfahren weiterhin das Regeln oder Steuern der Temperatur des Fluids vor dem Eintritt des Fluids in das Rohr (1) umfasst; und wobei das Verfahren weiterhin das automatische Umschalten zwischen dem Ableiten des Flusses basierend auf verschiedenen gewichteten Kombinationen des Temperaturdifferenzsignals (100) und des Temperatursummensignals (110) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt des Ableitens eines Flusses: ein Fluss abgeleitet wird basierend auf dem Temperaturdifferenzsignal (100), wenn die erste Bedingung erfüllt ist; und ein Fluss abgeleitet wird basierend auf dem Temperatursummensignal (110), wenn die zweite Bedingung erfüllt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Temperaturdifferenzsignal (100) und das Temperatursummensignal (110) gleichzeitig oder praktisch gleichzeitig erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Bedingung und die zweite Bedingung vom Temperatursummensignal (110) abhängig sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei dem Temperatursummensignal (110) eine Temperatursummengewichtung zugewiesen wird und dem Temperaturdifferenzsignal (100) eine Temperaturdifferenzgewichtung zugewiesen wird, und wobei die Summe dieser Gewichtungen 1 ergibt, und wobei der Fluss basierend auf diesen Gewichtungen abgeleitet wird; wobei, wenn die Temperatursumme (110) eine Wendepunkt-Schwelle überschreitet, die Gewichtung der Temperaturdifferenz mindestens 0,7, vorzugsweise mindestens 0,9 beträgt; wenn sich das Temperatursummensignal (110) im Bereich zwischen einer ersten steilen Schwelle und einer zweiten steilen Schwelle befindet, die Gewichtung der Temperatursumme mindestens 0,7, vorzugsweise mindestens 0,9 beträgt; und wenn das Temperatursummensignal (110) eine flache Schwelle unterschreitet, die Gewichtung der Temperaturdifferenz mindestens 0,7, vorzugsweise mindestens 0,9 beträgt.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei, wenn sich das Temperatursummensignal (110) zwischen der flachen Schwelle und der ersten steilen Schwelle befindet, die Temperaturdifferenzbewertung umso höher ist, je näher sich das Temperatursummensignal (110) bei der flachen Schwelle befindet, und das Temperatursummensignal umso höher ist, je näher sich das Temperatursummensignal (110) bei der ersten steilen Schwelle befindet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Linearisierung einer Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperaturdifferenzsignal; und Linearisierung einer Beziehung zwischen dem Fluss und dem Temperatursummensignal.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des Flussmesssystems und die Temperatur des Fluids vor dem Eintritt in das Rohr so geregelt oder gesteuert werden, dass sie einander gleich sind.
Flussmesssystem zum Messen eines Flusses eines Fluids in einem Rohr (1), wobei das System umfasst: ein Rohr (1); ein Heizelement (10), das dazu konfiguriert ist, das Fluid im Rohr (1) zu erwärmen; ein erstes Temperaturfühlerelement (11a), das dazu konfiguriert und angeordnet ist, ein erstes Signal zu messen, das eine erste Temperatur des Fluids im Rohr (1) an einem ersten Standort angibt; ein zweites Temperaturfühlerelement (11b), das dazu konfiguriert und angeordnet ist, ein zweites Signal zu messen, das eine zweite Temperatur des Fluids im Rohr (1) an einem zweiten Standort angibt, wobei der zweite Standort sich vom ersten Standort unterscheidet; und eine Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung dazu konfiguriert ist, mindestens ein Temperatursignal basierend auf dem ersten Signal und dem zweiten Signal zu berechnen, und einen Fluss basierend auf dem mindestens einen Temperatursignal abzuleiten, wobei das System weiterhin dazu konfiguriert ist, die in einem der vorstehenden Ansprüche genannten Schritte durchzuführen; wobei das System weiterhin umfasst mindestens ein Temperatursteuerelement (210a, 210b, 220), das dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des Flussmesssystems zu regeln oder steuern, und ein Fluidtemperatursteuerelement (210), das dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des Fluids zu regeln oder steuern.
Flussmesssystem nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das mindestens eine Temperatursteuerelement (210a, 210b) eine Heizvorrichtung oder ein Peltier-Element umfasst.
Flussmesssystem nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei das System weiterhin ein Wärmeübertragungselement (212) umfasst, das dazu konfiguriert und angeordnet ist, Wärme zwischen dem mindestens einen Temperatursteuerelement (210a, 210b) und anderen Komponenten des Flussmesssystems zu leiten.
Flussmesssystem nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Wärmeübertragungselement (212) weiterhin dazu konfiguriert und angeordnet ist, Wärme zwischen dem mindestens einen Temperatursteuerelement (201a, 210b) und dem Fluidtemperatursteuerelement (220) zu leiten.
Pumpensystem, umfassend mindestens eine Pumpe (302a, 302b); mindestens ein Flussmesssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12; und ein Pumpensteuergerät (320), das dazu konfiguriert ist, ein Signal zu empfangen, das den Fluss durch das mindestens eine Flussmesssystem anzeigt; und eine Einstellung der mindestens einen Pumpe (302a, 302b) einzustellen.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, oder des Systems nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Verwendung für Hochleistungs-Flüssigkeitschromatografie ist.