DE19546182A1

DE19546182A1 - Verfahren und Vorrichtung zur verbesserten Fluß- und Druck-Messung und -Steuerung

Info

Publication number: DE19546182A1
Application number: DE19546182A
Authority: DE
Inventors: Tak Kui Wang; Edwin E Wikfors
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1994-12-30
Filing date: 1995-12-11
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2015-12-12
Also published as: GB2296796A; JP3577379B2; JPH08233792A; GB9525578D0; DE19546182C2; US5524084A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Schaffen einer Verteilung, einer Überwa chung und einer Regelung von Fluids und insbesondere auf einen Temperatur-kompensierten Massenfluß- und Druck-Sensor zur Verwendung in einem pneumatischen Verteiler, um eine ge naue Erfassung und Steuerung des Fluid-Druckes und -Flusses zu liefern.

Auf dem Gebiet der Fluß- und Druck-Messung ist es gut be kannt, ein Heißdrahtanemometer zu verwenden, um Flußraten zu bestimmen. Ein Fluid wird typischerweise über einen einzel nen erwärmten Draht geleitet, was die Temperatur des Drahts reduziert. Die Änderung des Widerstands des erwärmten Drahts wird bestimmt und mit der Flußrate des Gases in Beziehung gesetzt. Eine fortschrittlichere Technik verwendet zwei Tem peratur-Erfassungselemente, die sich in einem festen und gleichen Abstand von einer Wärmequelle befinden. Das Fluid wird durch das System geleitet, was die Temperatur des strö mungsmäßig oberen Sensors reduziert und die Temperatur des strömungsmäßig unteren Sensors erhöht. Die Temperaturdiffe renz wird dann als ein Ausgangssignal aufgezeichnet.

Ein Hauptnachteil von Heißdrahtanemometern ist die nicht-li neare, Temperatur- und Fluid-abhängige Art und Weise, auf die dieselben auf einen Fluidfluß antworten. Eine Technik und ein Verfahren zum Linearisieren der Ausgangssignale der artiger Anemometer ist in der U.S. Patentanmeldung Serien nummer 07/611,425 der gleichen Anmelderin, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist, offenbart. Ungün stigerweise kompensiert diese Technik eine Drift in dem Aus gangssignal nicht ausreichend, die zu Schwankungen der Be triebs-Temperaturen und -Drücke gehört (obwohl diese typi scherweise als Umgebungs-Temperatur und -Druck bezeichnet werden, können sich die tatsächlichen Betriebs-Temperaturen und -Drücke mit dem Geräteaufbau ändern).

In analytischen Geräten besteht der Bedarf nach einem sehr genauen Fluidfluß, der bezüglich Änderungen der umgebenden oder der tatsächlichem Betriebs-, Temperatur und dem umge benden Druck kompensiert ist. Bei einem Gaschromatographen wird die Flußrate des Trägergases typischerweise durch Ein stellen des Drucks des Trägergases strömungsmäßig oberhalb eines Flußsensors gesteuert. Fig. 1 zeigt ein Steuerventil 5 zum Steuern des Flusses eines Fluids 10 von einer Quelle 15 (die als ein Zylinder eines unter Druck gesetzten Fluids 10 dargestellt ist, alternativ könnte der Fluidfluß durch einen negativen Druck auf der strömungsmäßig unteren Seite des Steuerventils 5′ bewirkt werden). Das Fluid 10 fließt durch einen Massenflußsensor 20, der eine Ausgangsspannung 25 er zeugt, die dem Massenfluß des Fluids 10 entspricht. Die Aus gangsspannung 25 liefert eine Rückkopplung, um das Öffnen und Schließen des Ventils 5 zu steuern. Wie in der Rückkopp lungssteuerungstechnik gut bekannt ist, ist die Fähigkeit des Massenflußsensors 20, die Ausgangsspannung 25 genau zu erfassen und zu liefern, sehr wichtig, um den Fluß und den Druck zu steuern.

Die Wiederholbarkeit der chromatographischen Ausgabe der Vorwärtsdruck-geregelten chromatographischen Vorrichtung 10, die in Fig. 2 gezeigt ist, hängt von der Ausgabe des Fluß sensors 16 ab. Der Sensor 16 kann sich in dem analytischen Gerät befinden, muß aber nicht. Der Computer oder Mikropro zessor 24 erzeugt dann ein Rückkopplungssteuerungssignal 26 zum Steuern des Öffnens und Schließens des Ventils 14 zum Regeln des Trägerfluidflusses. Das Einspritztor 12 liefert einen Teil der Trägerfluid/Proben-Kombination zu einer Säule 18, wobei der Rest durch einen nicht-analysierten Ausgang 20 geleitet wird. Ungünstigerweise driftet das Rückkopplungs signal, das durch den Flußsensor ausgegeben wird, bei Tempe raturschwankungen und macht es schwierig, das Ventil 14 und die entsprechende Flußrate genau zu steuern. Es existiert ein Bedarf nach einem stabileren Einlaßfluidfluß und redu zierten Verteiler-Temperaturschwankungen, um eine bessere Wiederholbarkeit des chromatographischen Bereichs zu lie fern, wie er durch den Detektor 30 am Ende der Säule 18 ge messen wird.

Ein Verfahren zum Eliminieren einer Temperaturempfindlich keit besteht darin, Flußerfassungsvorrichtungen in eine Tem peratur-gesteuerte Zone einzuschließen, beispielsweise eine "erwärmte Zone", die mit einem thermisch isolierenden Mate rial aufgebaut ist. Temperatursensoren und Heizer in der er wärmten Zone liefern eine Rückkopplung, um die Temperaturen der Flußbeschränkungsvorrichtung und des Drucksensors kon stant zu halten und dadurch die Temperatur als eine Fehler erzeugende Variable zu beseitigen.

Ungünstigerweise erhöht der Einbau einer erwärmten Zone die Herstellungskosten, die sich auf die Geräte-Kalibrierung und die Geräte-Komponenten beziehen. Außerdem ist die Zuverläs sigkeit des Gerätes reduziert, da die Komponenten, die er forderlich sind, um eine erwärmte Zone zu regeln, während eines durchgehenden Betriebs bei Verteilertemperaturen, die höher als die Umgebung sind, mit einer größeren Wahrschein lichkeit einem Ausfall unterliegen. Außerdem erfordert eine erwärmte Zone eine lange Anlauf-Zeit, um vor dem Gerätebe trieb zu stabilisieren.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrich tung und ein Verfahren zu schaffen, die es ermöglichen, Um gebungs-Temperatur und -Druck-Änderungen automatisch zu kom pensieren, ohne eine erwärmte Zone zu verwenden.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie Verfahren gemäß Anspruch 11 und Anspruch 17 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur genauen Messung eines Fluidflusses. Die Aus gangsspannung eines Flußsensors wird mittels einer Drift spannung modifiziert, um die Wirkung von Schwankungen von Betriebs-Temperatur und -Druck auf die Flußsensor-Ausgangs spannung zu kompensieren. Die Driftspannung wird bestimmt, indem zuerst eine Fluidfluß-Gleichung erzeugt wird, die die erwartete Flußsensor-Ausgangsspannung (Vo) hinsichtlich des Fluidflusses durch den Flußsensor charakterisiert. Die erste Ableitung der Fluidfluß-Gleichung (dVo/dT) kann dann verwen det werden, um die Wirkungen der Drift in Temperatur und Druck zu charakterisieren. Während des Betriebs des Flußsen sors werden die gemessenen Flußraten und die gemessenen Be triebs-Temperatur- und -Druck-Werte in die Driftgleichung eingesetzt, um die Driftspannung zu bestimmen. Die Drift spannung wird dann mit der Flußsensor-Ausgangsspannung kom biniert, um eine modifizierte Flußsensor-Ausgangsspannung zu erzeugen, die bezüglich Änderungen von Betriebs-Temperatur und -Druck kompensiert ist. Die Substitutionen in die Ablei tung der Flußgleichung und die nachfolgenden Berechnungen, die erforderlich sind, um die Driftspannung zu erhalten, werden häufig wiederholt, um den Sensor ständig bezüglich der momentanen Betriebstemperatur und des momentanen Be triebsdruckes zu aktualisieren.

Die Fluidfluß-Gleichung kann folgendermaßen dargestellt werden:

Vo=α _* [1-exp(βf)]+Voffset,

wobei die Konstante α proportional zu der elektronischen Verstärkung und der Temperatur einer Heizbrücke in dem Fluß sensor ist, und die Konstante β sich auf die Wärmeleitfähig keit des Fluids, das erfaßt wird, bezieht.

Eine Nachschlagtabelle, die vor dem Betrieb des Flußsensors erzeugt wird, kann als ein alternatives Ausführungsbeispiel verwendet werden, um die gegenwärtige Temperatur und den ge genwärtigen Druck in die Ableitung der Flußgleichung einzu geben, jedesmal, wenn der Driftstrom berechnet wird. Während des Betriebs werden die gegenwärtige Betriebstemperatur und der gegenwärtige Druck gemessen und verwendet, um aus der Nachschlagtabelle auf die entsprechende Driftspannung zuzu greifen.

Der Fluidfluß kann nun durch das Verwenden der modifizierten Ausgangsspannung als ein Rückkopplungssteuersignal zum Öff nen und Schließen eines Proportionalventils gesteuert wer den. Beispielsweise kann eine Vorwärtsdruck- und Rückwärts druck-Regelung von Einlaßflüssen eines Gaschromatographen durch die Verwendung eines Massenflußsensors erreicht wer den, der eine Umgebungs-Temperatur und -Druck-Kompensation aufweist, um eine Rückkopplung zu einem Proportional-Ventil oder -Ventilen zu liefern, ebenso wie durch die Verwendung eines Drucksensors mit einer Umgebungs-Temperatur und -Druck-Kompensation. Die Drucksensor-Driftspannung wird auf eine Art und Weise bestimmt, die ähnlich der der Flußsen sor-Driftspannung ist.

Jüngere Fortschritte beim Entwurf integrierter Schaltungs speicher, insbesondere elektronisch löschbarer programmier barer Speicher (EEPROM; EEPROM = Electronically Erasable Programmable Memory), liefern einen Speicher für Nachschlag tabellenwerte in nächster Nähe zu dem Flußsensor. Das Ein bauen eines EEPROM in Verbindung mit einem Flußsensor als ein Modul macht es möglich, das Modul in der Fabrik oder im Einsatzgebiet zu kalibrieren, und sicherzustellen, daß die richtigen Driftspannungen dem richtigen Flußsensor zugeord net sind. Wenn ein Flußsensor im Einsatzbereich gewechselt wird, wäre es möglich, neue Driftspannungen für eine Spei cherung in dem EEPROM zu kalibrieren und zu erzeugen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Flußregelgeräts ohne Temperaturkompensierung, das in der Technik gut bekannt ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Gaschromatogra phen, der einen Drucksensor zum Regeln des Träger gasflusses in den Einlaß verwendet, wie es in der Technik bekannt ist;

Fig. 3 ein Temperatur-kompensiertes Flußregelgerät gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 einen Gaschromatographen mit einem Füllkörpersäu len-Einlaß und einem Temperatur-kompensierten Fluß regelgerät;

Fig. 5 einen Gegendruck-geregelten Gaschromatographen mit einem Temperatur- und Druck-kompensierten Flußre gelgerät;

Fig. 6 einen Vorwärtsdruck-geregelten Gaschromatographen mit einem Temperatur- und Druck-kompensierten Vor wärtsfluß-Erfassungsgerät;

Fig. 7 das Steuersystem für die Gaschromatographen, die in den Fig. 5 und 6 dargestellt sind; und

Anhang A ein Flußdiagramm, das die erfindungsgemäßen Schrit te, die zum Kalibrieren des Flußsensors und des Drucksensors, die in den Fig. 5 und 6 dargestellt sind, verwendet werden, darstellt.

Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompensation der Umgebungs-Temperatur und des -Drucks sowohl von Fluß- als auch von Druck-Sensoren. Die Kompensation wird erhalten, indem die Fluß- und Druck- Sensor-Ausgangsspannungen gemäß einer Flußsensor-Driftspan nung und einer Drucksensor-Driftspannung modifiziert werden. Die Driftspannungen werden durch das Erzeugen von Modellen in der Firmware erhalten, welche die Fluß- und Druck-Antwort des Sensors charakterisieren. Die Modelle sind bei bekannten Flüssen und Drücken kalibriert, wobei während des Sensorbe triebs auf dieselben zugegriffen werden kann, um die Drift spannungen zu liefern. Alternativ kann vor dem Sensorbetrieb auf die Modelle zugegriffen werden, um eine Nachschlagtabel le der Driftspannungen über erwartete Betriebsbereiche zu erzeugen. Während des Betriebs wird gemäß der gemessenen Temperatur und dem gemessenen Druck auf die Nachschlagtabel le zugegriffen, um die entsprechende Driftspannung zu erhal ten.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der Erfindung, die ein Propor tionalventil 313 zeigt, das sich als Reaktion auf ein Tempe ratur- und Druck-kompensiertes Steuersignal 315 öffnet und schließt, welches von einem Prozessor 340 gemäß der Erfin dung erzeugt wird. Der Flußsensor 316 liefert eine Ausgangs spannung 317, die gemäß den gespeicherten Charakteristik gleichungen des Flußsensors modifiziert wird.

Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfin dung, das in einen Gaschromatographen mit einem Einlaß für eine Füllkörpersäule 418 eingebaut ist. Um eine chromatogra phische Trennung einer gegebenen Probenverbindung durchzu führen, wird die Probe durch ein Einspritztor 412 in ein un ter Druck gesetztes Trägerfluid eingespritzt. Das Träger fluid, das zu dem Einspritztor 412 geliefert wird, wird zu erst von einer Quelle (nicht gezeigt) zu einer Massenfluß- Steuerung 411 geliefert, welche ein Proportionalventil 414 und einen Temperatur- und Druck-kompensierten Flußsensor 416, der den gesamten Einlaßfluß regelt, aufweist. Der Ein laßdruck des Trägerfluids wird durch den Temperatur- und Druck-kompensierten Drucksensor 420 gemessen. Der Druck des Trägerfluids wird durch das Ventil 414 als Reaktion auf ein geeignetes Signal von der Steuerung, das bezugnehmend auf Fig. 7 beschrieben wird, gesteuert. Der Regler 419 ist ver wendet, um den Septum-Auslaßfluß zu steuern.

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm der Erfindung, die in Kombina tion mit einem Proportionalventil verwendet ist, um den Fluidfluß in den Einlaß eines Vorwärtsdruck-regulierten Gas chromatographen 510 zu steuern. Um eine chromatographische Trennung einer gegebenen Probenverbindung durchzuführen, wird die Probe durch ein Einspritztor 512 in ein unter Druck gesetztes Trägerfluid eingespritzt. Das Trägerfluid, das zu dem Einspritztor 512 geliefert wird, wird zuerst von einer Quelle (nicht gezeigt) zu einer Massenflußsteuerung 511 ge liefert, welche ein Proportionalventil 514 und einen Tempe ratur- und Druck-kompensierten Flußsensor 516 aufweist, die den gesamten Einlaßfluß steuern. Das Ventil 518 ist ein Ge gendruckregler und dient dazu, den Einlaßdruck des Träger fluids, wie er durch den Temperatur- und Druck-kompensierten Drucksensor 520 gemessen wird, zu steuern. Das gesamte Trä gerfluid wird von der Massensteuerung 511 direkt zu dem Ein spritztor 512 geliefert. Der Druck des Trägerfluids wird als Reaktion auf ein geeignetes Signal von der Steuerung, das bezugnehmend auf Fig. 7 beschrieben wird, durch das Ventil 520 gesteuert. Ein Regler 522 ist verwendet, um den Septum- Auslaßfluß zu steuern. Ein Ventil 524 ist ein An/Aus-Ventil, das während eines Teileinspritzens geöffnet ist.

Fig. 6 zeigt eine alternative Anordnung, bei der der Gas chromatograph 510 für eine ungeteilte Einspritzung initiali siert ist, bei der das Ventil 514 verwendet ist, um den Druck zu steuern, wie er durch den Temperatur- und Druck kompensierten Drucksensor 520 gemessen wird. Das Ventil 524 ist ausgeschaltet, derart, daß durch die Teillüftung kein Ausfluß stattfindet. Der Flußsensor 516 mißt den gesamten Fluß, steuert jedoch nicht das Ventil 514. Bei dieser Konfi guration ist der gesamte Fluß in den Einlaß 512 der Säulen fluß plus der Septum-Auslaßfluß. Das Einspritztor 512 lie fert einen Teil der Trägerfluid/Proben-Kombination zu der Säule 518, wobei der Rest durch einen nicht-analysierten Ausgang 522 tritt. Der Fluß, der den Ausgang 522 verläßt, ist als Septum-Auslaßfluß bekannt. Der Druck des Träger fluids wird durch das Ventil 514 als Reaktion auf eine Aus gabe von dem Sensor 520, der zum Erzeugen eines geeigneten Signals verwendet ist, wie bezugnehmend auf Fig. 7 beschrie ben wird, gesteuert.

Die elektronischen Schaltungen, die gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung verwendet sind, um die Chromato graphen, die in den Fig. 5 und 6 beschrieben sind, zu be treiben, werden nachfolgend hierin beschrieben. In Fig. 7 sind die elektronischen Steuerungen gezeigt, die drei Haupt komponenten, nämlich ein Tastenfeld 710, einen Computer 720 und eine Steuerung 730, einschließen. Der Computer 720 hält die Gesamtsteuerung aller Systeme, die zu dem Gaschromato graphen 510 gehören. Es ist offensichtlich, daß, obwohl der Computer 720 als ein einzelner Block gezeigt ist, ein sol cher Computer eine Zentralverarbeitungseinheit und alle pas send zusammengestellten peripheren Geräte aufweist, wie z. B. Direktzugriffsspeicher, Nur-Lese-Speicher, Eingabe/Ausgabe- Geräte und dazugehörige Komponenten. Alternativ kann der Computer ein Prozessor und ein Speicher auf einer Platine des Geräts sein, der das Geräte-Tastenfeld als die Benutzer schnittstelle verwendet. Derartige alleinstehende Geräte werden häufig in Verbindung mit einem PC betrieben, um eine zusätzliche Funktionalität zu liefern.

Eine Steuerschaltung 730 ist verwendet, um entweder das Ven til 514 oder 518, die in den Fig. 5 und 6 dargestellt sind, zu steuern. Die Steuerung 730 weist gemäß der Darstellung einen zweiten Computer 740 auf. Der Computer 740 erzeugt bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Steuersignal, das verwendet wird, um die Ventile 514 und 518 zu steuern. Da das erzeugte Steuersignal in einer digitalen Form vorliegt, wird es vor der Übertragung zu dem Ventil 514 und/oder 518 mittels eines Digital/Analog-Wandlers 745 in eine analoge Form umgewandelt und mittels eines Verstärkers 750 geeignet verstärkt. Der Trägerfluidfluß, wie er durch den Flußsensor 516 erfaßt wird, oder der Druck, wie er durch den Drucksen sor 520 erfaßt wird, wird zu dem Computer 740 geliefert, in dem zuerst das analoge Signal, das von den Sensoren erzeugt wird, mittels eines Wandlers 755 von einem analogen in ein digitales Signal umgewandelt wird. Das digitale Signal, das von dem Wandler 755 erzeugt wird, wird zu dem Computer 740 geliefert.

I. Erzeugung der Massenfluß-, Temperaturdrift- und Drucksensor-Modellgleichungen

Wie vorher umrissen wurde, kann die Kompensation für Ände rungen der gegenwärtigen Betriebstemperatur und des Drucks erhalten werden, indem Gleichungen gespeichert werden, die den Fluidfluß charakterisieren, und indem während des Be triebs auf dieselben zugegriffen wird, um Driftspannungen zur Modifikation der Fluß- und Druck-Sensorausgangsspannun gen zu liefern.

A. Massenflußgleichung

Eine charakteristische Gleichung des Fluidflusses durch den pneumatischen Verteiler hinsichtlich der Ausgangsspannung (Vo) des Flußsensors wird erzeugt und in der Firmware ge speichert. Speziell:

Vo = α _* [1-exp(βf)]+Voffset

wobei α proportional zu der elektronischen Verstärkung und der Temperatur der Heizbrücke ist, und β sich auf die Wärme leitfähigkeit des Fluids bezieht. Die charakteristische Gleichung besitzt drei Unbekannte, die sich auf jede aktive Komponente in dem pneumatischen Verteiler beziehen. Um diese unbekannten Spannungspegel zu identifizieren, wird der Ver teiler in einem pneumatischen Prüfstand bei einer Mehrzahl von unterschiedlichen Flußraten betrieben. Die Sensoraus gangsspannung kann in zwei Bereichen erhalten werden, indem eine Null-Flußrate, um Vdrift zu bestimmen, bei einer Fluß rate f, um die Sensorausgangsspannung Vo1 + Vdrift zu be stimmen, und bei einer Flußrate 3f, um die Sensorausgangs spannung Vo3 + Vdrift zu bestimmen, gemessen wird. Die Kon stanten können berechnet werden, indem die Sensorausgangs spannungen in die Flußsensorgleichung eingesetzt werden. So bald diese Konstanten bestimmt wurden, werden sie in der Firmware gespeichert.

B. Wärmedriftgleichung

Die Wirkung der Wärmedrift auf die Flußempfindlichkeit kann kompensiert werden, indem die Wärmedrift als die Ableitung der Flußsensorgleichung charakterisiert wird:

dVo/dT = (Von/α) (dα/dT)-α/β_*Ln[1-(Von/α)]_*[1-(Von/α)]dβ/dT +dVoffset/dT

wobei Vo die Sensorausgangsspannung und Von die Sensoraus gangsspannung minus die Null-Fluß-Sensorausgangsspannung ist. Die unbekannten Konstanten dα/dt (proportional zu der Drift der elektronischen Verstärkung und der Temperatur der Heizbrücke), dβ/dT (proportional zu der Drift der Wärmeleit fähigkeit des Gases) und DVoffset/dt (elektronische Drift spannung) können, sobald sie charakterisiert sind, durch das Messen der Temperaturdrift ohne Fluß und bei zwei anderen Flußeinstellungen berechnet werden.

C. Drucksensormodell

C_p = (A+B_*p₁) + (dC_p/dt_c)_*t_c

wobei:
C_p = Sensorantwort (A/D-Zählwert)
A = Drift bei 0° Celsius und 0 N/cm² (psig (psig = Überdruck in psi; psi = Pounds per Square Inch; 1 psi = 0,69 N/cm²)) (A/D-Zählwerte)
B = Druckempfindlichkeit (Zählwerte/psi)
p₁ = Quellenpegeldruck (N/cm²(psig)) = P_s-[atmosphä rischer Druck]
t_c = Thermistortemperatur (°Celsius)
dC_p/dt_c = C+D_*p₁
wobei:
C = Temperaturempfindlichkeit (A/D-Zählwerte pro °Celsius)
D = Druckempfindlichkeitsänderung mit der Temperatur (A/D-Zählwerte pro 0,69 N/cm² (psi) pro °Cel sius).

II. Kalibrierung

Jede Komponente des Systems (Flußbeschränkungsvorrichtung, Drucksensor, Verteiler, Temperatursensor) besitzt inhärente Variationen, derart, daß das gesamte System kalibriert wer den sollte. Ein pneumatischer Träger, der die realen Be triebsbedingungen reproduziert, wird zum Kalibrieren bei mehreren Temperaturen und Drücken verwendet. Durch die Kali brierung können die Konstanten, die in den Modellen, die in der Firmware gespeichert sind, dargestellt sind, bestimmt werden. Speziell für jeden Drucksensor müssen Daten gesam melt werden, die den Druck auf A/D-Zählwerte bei zwei Drücken (einer kann bei 0 N/cm² (psig) sein) beziehen, ge sammelt werden, wobei jeder von diesen bei zwei verschiede nen Temperaturen (eine Temperatur nominell 35° Celsius) durchgeführt wird. Für jede Flußbeschränkungsvorrichtung müssen Daten gesammelt werden, um den Fluidfluß über dem Druck an zwei Punkten (jeder mit einem Fluß) bei nominell 35° Celsius zu charakterisieren; erforderlich für jedes Fluid, das in dem Kanal verwendet wird. Für das Thermistor- Modell müssen Daten gesammelt werden, die Temperaturen über A/D-Zählwerten an zwei Punkten charakterisieren.

Die Mehrzahl der Flußraten, die zum Definieren der Konstan ten verwendet sind, kann eine Null-Fluß-Rate zum Bestimmen von Vdrift, eine Flußrate f zum Bestimmen der Sensoraus gangsspannung Vo1 + Vdrift und eine Flußrate 3f, um die Sen sorausgangsspannung Vo3 + Vdrift zu bestimmen, aufweisen. Um die Genauigkeit über einen größeren nicht-linearen Bereich von Flußraten beizubehalten, werden die Sensorausgangsspan nungen in zwei getrennten Bereichen berechnet, beispielswei se 0f und 3f und 3f bis 9f, indem die Sensorausgangsspannun gen bei drei Flußraten 0f, 3f und 9f erhalten werden.

Um die unbekannten Konstanten des Drucksensors zu bestimmen, wird der Verteiler bei einer Mehrzahl von bekannten Drücken in einem pneumatischen Prüfstand betrieben, derart, daß die Ausgabespannungen des Drucksensors gemessen werden können. Die Konstanten in jeder Gleichung werden erhalten, indem die Gleichungen, die durch das Einsetzen der gemessenen Druck sensor-Ausgangsspannungen und der bekannten Flußraten gebil det werden, verwendet werden und dieselben gleichzeitig auf gelöst werden, um die unbekannten Konstanten zu erhalten. Die Ableitung dieser Gleichung (einschließlich der Konstan ten) charakterisiert die Drucksensor-Driftspannung (dC_p/dt_c = C+D _* p₁). Durch Einfügen der gemessenen Umgebungs-Tempera tur- und -Druck-Werte in diese Gleichung während des Be triebs wird eine Drucksensor-Driftspannung erzeugt. Diese Driftspannung wird mit der Drucksensor-Ausgabespannung kom biniert, um eine modifizierte Drucksensor-Ausgangsspannung zu bilden. Alternativ wird vor dem Betrieb eine Nachschlag tabelle, die einem Bereich von erwarteten Fluiddrücken Aus gangsspannungen, ebenso wie Ausgangsspannungen einem Druck zuordnet, erzeugt, wobei während des Betriebs nach der Mes sung der gegenwärtigen Umgebungstemperatur und des Drucks auf dieselbe zugegriffen wird. Diese Schritte werden durch gehend wiederholt, um eine Steuerung mit geschlossener Schleife des gewünschten Flußratendrucks zu liefern.

III. Implementierung in einem Gaschromatographen

Beim Initialisieren eines Gaschromatographen werden eine Mehrzahl von Fluidflußraten und die entsprechenden Ausgangs spannungen in die charakterisierenden Gleichungen, die in der Firmware gespeichert sind, eingegeben, um Nachschlagta bellen zu erzeugen, die den Fluidfluß auf eine Ausgangsspan nung Vo und eine Ausgangsspannung Vo auf den Fluidfluß bei einer Mehrzahl von Umgebungs-Temperatur- und -Druck-Bedin gungen beziehen. Der Spannungspegel eines Steuersignals, das erforderlich ist, um eine gewünschte Flußrate bei einer Um gebungs-Temperatur und einem -Druck zu erhalten, wird zuerst bestimmt und in einem Speicher gespeichert. Während des Ge rätebetriebs werden die gegenwärtige Temperatur und der Druck konstant überwacht, derart, daß beim Aufruf einer ge wünschten Flußrate, auf die Nachschlagtabelle zugegriffen werden kann, um den geeigneten Driftspannungspegel, der zur Addition zu der Eingangsspannung Vo notwendig ist, zu be stimmen, um die Wirkungen, die durch Änderungen der Umge bungsbedingungen bewirkt werden, gleich Null zu machen und die gewünschte Flußrate zu liefern. Die Driftspannung wird dann zu Vo addiert, um die gewünschte Flußrate bei der Be triebs-Temperatur und dem -Druck zu erhalten. Diese Schritte werden durchgehend wiederholt, um eine Steuerung mit ge schlossener Schleife der gewünschten Detektorbedingungen zu schaffen.

Obwohl die Erfindung bezugnehmend auf spezifische Ausfüh rungsbeispiele in dem Bereich der Gaschromatographie be schrieben und dargestellt wurde, werden Fachleute erkennen, daß Modifikationen und Variationen derselben durchgeführt werden können, derart, daß die Erfindung gleichermaßen auf das Gebiet des Kraftfahrzeugmotorentwurfs oder andere Ge biete, bei denen die Kompensation von Änderungen der Umge bungs-Temperaturen und -Drücke zur Messung und Steuerung von Fluidzuführungen erforderlich ist, anwendbar ist. Beispiels weise kann das Kraftstoff/Luft-Gemisch eines Kraftfahrzeug motors typischerweise gesteuert werden, indem der Luftfluß durch einen Ansaugkrümmer gemessen wird, woraufhin die Kraftstoffmenge, die in den Ansaugkrümmer eingespritzt wird, gesteuert wird. Die Erfindung ist für diese Anwendung gut anwendbar und kann verwendet werden, um den Motorbetriebs- Wirkungsgrad und das Verhalten zu verbessern.

Anhang A Start

Charakterisiere Fluidfluß durch den pneumatischen Verteiler hinsichtlich der Ausgangsspannung (Vo) des Flußsensors, wo bei Vo = α _* [1-exp(βf)]+Voffset, wobei α proportional zu der elektronischen Verstärkung und der Temperatur der Heizbrücke ist, und sich β auf die Wärmeleitfähigkeit des Fluids be zieht
Betreibe den pneumatischen Verteiler in einem pneumatischen Träger bei einer Mehrzahl von bekannten Flußraten, um die entsprechenden Flußsensor-Ausgangsspannungen zu bestimmen
Berechne die Konstanten α und β durch Einsetzen der Flußra ten und der entsprechenden Sensorausgangsspannungen in die Flußsensorgleichung
Setze die berechneten Konstanten für die Unbekannten in der Fluidflußgleichung ein
Speichere die Fluidflußgleichung in einer Firmware, die zu dem Pneumatischen Verteiler gehört
Bestimme die Eingangsspannung, die erforderlich ist, um eine gewünschte Flußrate bei einer gegenwärtigen Betriebs-Tempe ratur und einem -Druck zu erhalten
Messen der gegenwärtigen Temperatur und des Drucks
Erzeuge eine Driftspannung durch Eingeben der gemessenen Temperatur und des Drucks in die Fluidflußgleichung
Addiere die Driftspannung zu Vo, um die gewünschte Flußrate bei der gegenwärtigen Betriebs-Temperatur und dem -Druck zu erhalten.

Claims

1. Analytisches Gerät mit einem elektronisch gesteuerten, pneumatischen Verteiler, in dem die Wirkungen gegenwär tiger Betriebs-Temperatur- und -Druck-Schwankungen auf einen Fluidfluß kompensiert sind, um eine genaue Steue rung von Einlaßfluidflüssen zu liefern, mit folgenden Merkmalen:
einer Fluidquelle,
einem Verteilerkörper, der aus einem wärmeleitfähigen Material gebildet ist, derart, daß der Verteiler auf einer gegenwärtigen Betriebstemperatur bleibt,
einem Fluiddrucksensor (420; 520), der in einem thermi schen Kontakt mit dem Verteilerkörper befestigt ist, um ein Fluiddrucksignal, das dem Druck des Fluids zwischen dem Druckregler (411; 511) und dem Einlaß (412; 512) entspricht, zu erzeugen,
einem Drucksensor, der in einem thermischen Kontakt mit dem Verteilerkörper befestigt ist, um ein Signal des gegenwärtigen Betriebsdruckes zu erzeugen, das dem ge genwärtigen Betriebsdruck entspricht,
einem Temperatursensor, der in einem thermischen Kon takt mit dem Verteilerkörper befestigt ist, um ein Tem peratursignal zu erzeugen, das der Temperatur des Ver teilers entspricht,
einer Mehrzahl von Gleichungen, die firmware-mäßig ge speichert sind, welche den Fluidfluß durch den Flußsen sor (416; 516), den Fluiddruck von der Fluidquelle, die Temperatur an dem Temperatursensor und die Wirkung des gegenwärtigen Betriebsdruckes auf den Fluidfluß model lieren,
einem Computer (720) zum Erzeugen eines Steuersignals basierend auf dem Temperatursignal, dem Fluiddrucksi gnal und dem Signal des gegenwärtigen Betriebsdruckes sowie der Mehrzahl von Modellgleichungen, die firmware mäßig gespeichert sind, und
einem elektronischen Steuerventil (414; 514; 518) in einem thermischen Kontakt mit dem Verteilerkörper, wel ches den Druck des Fluids zwischen der Fluidquelle und dem Einlaß (412; 512) als Reaktion auf das Steuersignal einstellt.

2. Analytisches Gerät gemäß Anspruch 1, bei dem die Glei chungen zum Modellieren des Fluidflusses durch den Mas senflußsensor (416; 516) folgende einschließen: Vo = α_*[1-exp(βf)]+Voffsetwobei α proportional zu der elektronischen Verstärkung und der Temperatur der Heizbrücke ist, und β sich auf die Wärmeleitfähigkeit des Fluids bezieht.

3. Analytisches Gerät gemäß Anspruch 1, das ferner eine Gleichung zum Modellieren des strömungsmäßig oberen Drucks aufweist: C_p = A+C_*t_c+(B+D_*t_c)_*p₁wobei:
C_p = Sensorantwort (A/D-Zählstände)
A = Drift bei 0° Celsius und 0 N/cm² (psig) (A/D-Zählstände)
B = Druckempfindlichkeit (Zählstände/0,69 N/cm² (psi))
p₁ = Quellenpegeldruck (N/cm² (psig) = P_s-[at mosphärischer Druck]
t_c = Thermistortemperatur (°Celsius).

4. Analytisches Gerät gemäß Anspruch 2, bei dem die Ablei tung der Fluidflußgleichung lautet: dVo/dT = (Von/α) (dα/dT)-α/β_*Ln[1-(Von/α)]_*[1-(Von/α)]dβ/dT+dVoffset/dTwobei Vo die Sensorausgangsspannung und Von die Sensor ausgangsspannung minus die Null-Fluß-Sensorausgangs spannung ist, und wobei die unbekannten Konstanten dα/dt (proportional zu der Drift der elektronischen Verstärkung und der Temperatur der Heizbrücke), dβ/dT (proportional zu der Drift der Wärmeleitfähigkeit des Gases) und dVoffset/dt (elektronische Driftspannung) berechnet werden, indem die Temperaturdrift ohne Fluß und bei zwei anderen Flußraten gemessen wird, derart, daß die Driftspannung des Flußsensors berechnet werden kann.

5. Analytisches Gerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zum Modellieren der Temperatur des Flußsensors C_t gleich E+F_*T_c ist, wobei die Thermistorantwort in A/D- Zählständen C_t gleich E+F_*T_c ist, E die Drift bei 0° Celsius (A/D-Zählstände) ist, F die Temperaturempfind lichkeit (A/D-Zählstände pro °Celsius) und T_c die Kali brierungstemperatur ist.

6. Analytisches Gerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner einen Sensor für den gegenwärtigen Betriebs druck aufweist, der ein Signal für den gegenwärtigen Betriebsdruck erzeugt, das proportional zu dem atmos phärischen Druck ist, gemäß der Beziehung Pa = j(Ca).

7. Analytisches Gerät gemäß Anspruch 2, bei dem gilt: die A/D-Spannung-zu-Zählstand-Beziehung Ca = k(Va) (A/D- Zählstände von dem Sensor für den gegenwärtigen Be triebsdruck), Cp = m(Vp) (A/D-Zählstände von dem Quel lendrucksensor), Ct = n(Vt) (A/D-Zählstände von der Temperatursensorspannung) und G = Fluideigenschaften, die in einem ROM gespeichert sind, Pa = gegenwärtiger Betriebsdruck und Ps = Quellendruck.

8. Analytisches Gerät gemäß Anspruch 2, bei dem die ther misch leitfähige Oberfläche aus Aluminium hergestellt ist.

9. Analytisches Gerät gemäß Anspruch 2, bei dem die Ablei tung der Druckgleichung, dC_p/dt_c = C+D_*p₁wobei:
C = Temperaturempfindlichkeit (A/D-Zählstände pro °Celsius)
D = Druckempfindlichkeitsänderung mit der Tem peratur (A/D-Zählstände pro 0,69 N/cm² (psi) pro °Celsius)
verwendet wird, um ein Druckdriftsignal zu erhalten.

10. Analytisches Gerät gemäß Anspruch 1, bei dem der Fluß sensor bei einem Druck von 0f, 3f und 9f kalibriert wird.

11. Verfahren zum Kompensieren der Ausgabe eines Flußsen sors (416; 516) mit einer Heizbrücke bezüglich Tempera tur- und Druck-Schwankungen, das folgende Schritte auf weist:
Charakterisieren eines Fluidflusses durch den Flußsen sor (416; 516) hinsichtlich der Flußsensor-Ausgangs spannung (Vo), wobei die Flußsensorgleichung wie folgt dargestellt ist: Vo = α _* [1-exp(βf)]+Voffsetwobei α proportional zu der elektronischen Verstärkung und der Temperatur der Heizbrücke ist, und sich β auf die Wärmeleitfähigkeit des Fluids bezieht,
Betreiben des pneumatischen Verteilers in einem pneu matischen Prüfstand bei einer Mehrzahl von bekannten Flußraten, um die entsprechenden Flußsensor-Ausgangs spannungen zu bestimmen,
Berechnen der Konstanten α und β durch Einsetzen der Flußraten und der entsprechenden Sensorausgangsspannun gen in die Flußsensorgleichung,
Einsetzen der berechneten Konstanten für die Unbekann ten in die Fluidflußgleichung,
Bilden der Ableitung der Fluidflußgleichung und Spei chern derselben in einem Computerspeicher, der zu dem pneumatischen Verteiler gehört,
Messen der gegenwärtigen Temperatur und des gegenwärti gen Drucks,
Erzeugen einer Driftspannung durch Eingeben der gemes senen Temperatur und des gemessenen Drucks in die Ab leitung der Fluidflußgleichung,
Addieren der Driftspannung zu der Flußsensor-Ausgangs spannung Vo, um eine Ausgangsspannung zu erhalten, die bezüglich Änderungen der gegenwärtigen Betriebs-Tempe ratur und des -Drucks kompensiert wurden.

12. Verfahren zum Kompensieren der Ausgabe eines Fluidfluß sensors (416; 516) gemäß Anspruch 11, bei dem der Schritt des Erzeugens einer Driftspannung folgende Schritte aufweist:
Erzeugen einer Mehrzahl von Nachschlagtabellen basie rend auf der Fluidflußgleichung, die den Fluidfluß auf die Ausgangsspannung Vo und die Ausgangsspannung Vo auf den Fluidfluß bezieht, und
Eingeben der gemessenen Temperatur und des Drucks in die Nachschlagtabelle, um die entsprechende Driftspan nung zu bestimmen.

13. Verfahren zum Kompensieren der Ausgabe eines Fluidfluß sensors (416; 516) gemäß Anspruch 11, bei dem der Schritt des Bildens der Ableitung der Fluidsensorglei chungen ferner folgende Schritte aufweist:
Ausdrücken der Ableitung als: dVo/dT = (Von/α)(dα/dT)-α/β _* Ln[1-(Von/α)] _* [1-(Von/α)]dβ/dT+dVoffset/dTwobei Vo die Sensorausgangsspannung und Von die Sensor ausgangsspannung minus die Null-Fluß-Sensorausgangs spannung ist,
Messen der Temperaturdrift ohne Fluß und bei zwei ande ren Flußeinstellungen,
Lösen der unbekannten Konstanten dα/dt, dβ/dT und dVoffset/dt durch Einsetzen der gemessenen Temperatur drifts in die Gleichung der thermischen Drift,
Eingeben der Temperatursensor-Ausgangsspannung in die Gleichung der thermischen Drift, um eine Temperatur driftspannung zu erzeugen,
Modifizieren der Temperatursensor-Ausgangsspannung durch Addieren der Spannung der thermischen Drift zu der Temperatursensor-Ausgangsspannung.

14. Verfahren zum Kompensieren der Ausgabe eines Fluidfluß sensors gemäß Anspruch 11, bei dem die Mehrzahl von Flußraten ferner eine Null-Fluß-Rate, um Vdrift zu be stimmen, eine Flußrate f, um die Sensorausgangsspannung Vo1 + Vdrift zu bestimmen, und eine Flußrate 2f, um die Sensorausgangsspannung Vo2 + Vdrift zu bestimmen, auf weist.

15. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die Sensoraus gangsspannungen Vo1 und Vo2 minus Vdrift bei Flußraten von f und 3f erhalten werden.

16. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem die Sensoraus gangsspannungen Vo1 und Vo2 minus Vdrift in zwei ge trennten Bereichen 0f und 3f und 3f bis 9f durch Erhal ten der Sensorausgangsspannungen bei drei Flußraten 0f, 3f und 9f berechnet werden.

17. Verfahren zum Regeln des Fluidflusses durch einen pneu matischen Verteiler mit folgenden Verfahrensschritten:
Eingeben einer gewünschten Fluidflußrate,
Berechnen der Steuersignal-Spannungspegel, die erfor derlich sind, um die gewünschte Flußrate bei einer ge genwärtigen Betriebs-Temperatur und einem gegen wärtigen -Druck zu erhalten,
Messen der gegenwärtigen Temperatur und des gegenwärti gen Drucks,
Berechnen der Änderung der Steuersignal-Spannungspegel, die erforderlich sind, um die gewünschte Flußrate bei der gegenwärtigen Temperatur und dem gegenwärtigen Druck gemäß der folgenden Gleichung zu erhalten: Vo = α _*[1-exp(-βf)]+Voffset, wobei α proportional zu der elektronischen Verstärkung und der Temperatur der Heiz brücke ist, und β sich auf die Wärmeleitfähigkeit des Fluids bezieht,
wobei der Flußsensor in einem pneumatischen Träger bei einer Null-Fluß-Rate kalibriert wurde, um Vdrift zu bestimmen, bei einer Flußrate f, um die Sensorausgangs spannung Vo1 + Vdrift zu bestimmen, und bei einer Fluß rate 2f, um die Sensorausgangsspannung Vo2 + Vdrift zu bestimmen, und
Berechnen der Konstanten α und β durch Einsetzen der Sensorausgangsspannungen in die Flußsensorgleichung.

18. Verfahren zum Kalibrieren der Massenfluß- und Druck- Sensoren eines pneumatischen Verteilers gemäß Anspruch 17, wobei der Verfahrensschritt des Nachschlagens einer Driftspannung ferner folgenden Schritt aufweist:
Interpolieren zwischen Nachschlagtabelleneinträgen, um eine genauere Driftspannung zu erhalten.