JP2633005B2

JP2633005B2 - 定流量ポンプ用流量計

Info

Publication number: JP2633005B2
Application number: JP3573489A
Authority: JP
Inventors: 悟工藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1989-02-15
Filing date: 1989-02-15
Publication date: 1997-07-23
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: JPH02213729A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、微量の液体を間欠的に送液する際に精度よ
くその流量を計測するための定流量ポンプ用流量計、及
び当該流量計を用いた定流量ポンプの制御方法並びに定
流量ポンプシステムに関する。

［従来の技術］例えば、液体クロマトグラフ装置のように、1ml/min
程度以下の微量の液体を間欠的に一定量ずつ送液する必
要のある装置等においては、その送液の流量を精度よく
検出することが装置全体の精度並びに信頼性を高める上
で非常に重要な要素となっている。

しかしながら、その流量計としては、検出流量が上記
のように1ml/min程度以下と微量であるため、容積流量
計、羽根車流量計では誤差が大きく、また電磁流量計や
越音波流量計等では低流量域で感度が低いためにこれら
も誤差が大きく不適当である。また、熱式流量計、絞り
流量計のように、低流量域で感度の高い流量計もある
が、液体クロマトグラフ装置のように液組成が時間の経
過とともに変化するような場合では、測定液体の熱伝導
率、粘性率等が時間経過と共に変化していくため、流量
との相関はとれない。また、特に熱式流量計の場合には
大きな死容積と熱応答の遅れにより応答性が悪いという
問題点がある。

このため、液組成に関係なくその流量を高精度で検出
するためには、流路最終端で実際に流出してくる液体を
メスシリンダー等に受け、一定時間経過した後に流量を
知る非即時非自動測定を行っているのが現状であるが、
このような手法では１サイクルずつ遅れた流量を検知す
ることになるため、当然のことながら応答性が悪く、高
精度の装置には適用できないものである。

また、別の手法として、液体を間欠的に送液する場合
に流量が変動する要因が主に圧力変動によることに鑑
み、送液圧力を検出し、当該圧力検出値に基づいて流量
を計算によって求めるものもある。これを、第６図、第
７図に基づいて説明する。

第６図は、定流量ポンプの構成を示す図、第７図は当
該定流量ポンプにおける工程図並びに圧力変化図であ
る。

第６図において、プランジャ61をシリンダ室62内で往
復動させると、吸入弁63側から液体がシリンダ室62に一
旦吸入された後、吐出弁64側から吐出される。このとき
のプランジャ61の往復動工程と、送液圧力が高い場合及
び低い場合それぞれの圧力変化及び実際の吸入・吐出工
程の関係を示したのが第７図である。

第７図において、時刻t_O1でプランジャ61が吐出工程
に入り、時刻t_I1で吐出工程を終了し、同時に吸入工程
に入り、時刻t_O2で吸入工程を終了して１回の往復動を
完了するものとする。このとき、送液相力が０（無加
圧）であるならば、プランジャ61の動きと液体の流動が
１対１に対応するから、プランジャ61の機械的寸法と往
復動距離とから一義的に液体の流量を算出することがで
きる。

しかしながら、実際には送液圧力は０でなく、液体の
圧縮現象の発生、弁の過渡応答特性等により、プランジ
ャ61の動きと液体の流動とは１対１には対応しない。

すなわち、時刻t_O1でプランジャ61が吐出工程に入っ
てシリンダ室62内の液体を押圧し、吐出弁64を開こうと
しても、吐出弁64は外圧を受けているためにすぐには開
かず、まず第７図の破線ｃに示すようなシリンダ室62の
内圧の上昇が起こる。そして、このシリンダ室62の内圧
が吐出弁64にかかっている外圧を越えた時に初めて吐出
弁64が開き、液体が流動し始めるのである。

したがって、送液圧力が低圧の場合は、前記破線ｃが
同図のグラフｂと交差した時刻t_OL1に吐出弁64が開いて
液体の流動が始まり、また、送液圧力が高圧の場合に
は、破線ｃが同図のグラフａと交差した時刻t_OH1に吐出
弁64が開いて液体の流動が始まるのである。

また、吸入工程においても、液体の流動に同様の遅れ
が発生する。

すなわち、時刻t_I1でプランジャ61が吸入工程に入っ
てシリンダ室62内で後退し、吸入弁63を開こうとして
も、シリンダ室62内の圧力が高まっているために吸入弁
63はすぐには開かず、まず同図の破線ｄ（d_Hまたはd_L）
で示すようなシリンダ室62の内圧の低下が起こる。そし
て、このシリンダ室62の内圧０になったときに初めて吸
入弁63が開き、液体が流動し始めるのである。

従って、送液圧力が低圧の場合には、前記グラフd_Lが
０となる時刻t_IL1に吸入弁63が開いて液体の流動が始ま
り、また送液圧力が高圧の場合には、前記グラフd_Hが０
になる時刻t_IH1に吸入弁63が開いて液体の流動が始まる
のである。

このように、同じプランジャ61の動きに対しても、送
液圧力の如何によって実際の液体の流量は異なるもので
ある。

このような圧力変動とポンプ流量の変動との間には、
条件が常に不変ならば一定の関係を得ることができるた
め、この送液圧力を検出し、当該圧力の検出値を用い
て、前記したプランジャ61の機械的寸法と往復動距離と
から求められる流量計算値を補正して、実際の流量を算
出しようとするものである。

しかしながら、このような方法によっても、液組成の
変化、圧縮率の変化、あるいは周囲温度の変化等、不安
定な変動要素が多く、高精度の流量検出ができないとい
う問題があった。

［発明が解決しようとする課題］本発明は、上記の課題を解決するものであって、間欠
的に送液される微量の液体の流量をリアルタイムで高精
度に検出できる流量計を提供することを目的とするもの
である。

更には、そのような流量計を用いた定流量ポンプの制
御方法並びに定流量ポンプシステムを提供することを目
的とするものである。

［課題を解決するための手段］そのために本発明の定流量ポンプ用流量計は、送出さ
れる液体の流動時間をリアルタイムで検出する検出手段
と、当該検出手段の検出値に基づいて前記液体の流量を
演算する演算手段とを備えたことを特徴とするものであ
る。

また、本発明の定流量ポンプの制御方法は、送出され
る液体の流動時間をリアルタイムで検出し、当該検出手
段の検出値に基づいて前記液体の流量を演算すると共
に、当該流量の演算値と所定の目標値とを比較してその
偏差を演算し、当該偏差に応じてポンプの駆動信号を補
正することを特徴とするものである。

更に、本発明の定流量ポンプシステムは、送出される
液体の流動時間をリアルタイムで検出する検出手段、当
該検出手段の検出値に基づいて前記液体の流量を演算す
ると共に、当該流量の演算値と所定の目標値とを比較し
てその偏差を演算する演算手段、当該偏差に応じてポン
プの駆動信号を補正して当該ポンプを駆動制御する制御
手段とを備えることを特徴とするものである。

［作用および発明の効果］本発明の定流量ポンプ用流量計は、プランジャの駆動
時間や送液圧力でなく、実際に液体の流動する時間、即
ち第７図に示した工程図における t_OL1−t_I1（t_OH1−t_I1）あるいは t_IL1−t_O2（t_IH1−t_O2）の時間を検出して流量を算出しているため、圧縮率、粘
性率、熱伝導率、弁の過渡応答性、また送液圧力の如何
にかかわらず、微量の液体の流量を、リアルタイムで高
精度に検出することができる。

また、本発明の定流量ポンプの制御方法あるいは定流
量ポンプシステムは、このような定流量ポンプ用流量計
を利用して液体の流量値をリアルタイムでフィードバッ
クし、所定の目標値との偏差に基づいてポンプを駆動制
御しているため、どのような液体でも常に所定の目標値
に合わせた定流量を供給することができる。

［実施例］以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施例につ
いて説明する。

第１図は、本発明の定流量ポンプ用流量計および当該
流量計を組み込んだ定流量ポンプシステムの１実施例の
構成を示す図、第２図は本発明の定流量ポンプ用流量計
の検出部の１実施例の構成を示す図、第３図は本発明の
定流量ポンプ用流量計の検出部の他の実施例の構成を示
す図、第４図は第１図に示す本発明の定流量ポンプ用流
量計の各部における波形を示す図、第５図は定流量ポン
プの制御方法を説明するためのフロー図である。

図中、１は検出器、２は増幅器、３は微分器、４はオ
ートゼロ回路、５は演算器、６は制御装置、７はパルス
発生器、８はモータ、９は入力・表示器、10は定流量ポ
ンプ、11はプランジャ、12はシリンダ室、13は吸入弁、
14は吐出弁、21は光学的な検出器、31は電気的な検出器
である。

まず第１図において、定流量ポンプ10の吸入側あるい
は吐出側の送管路に検出器１を取り付ける。

この検出器１は、液体の流動のタイミングを検出する
ものであり、その具体的な構成を第２図および第３図に
示す。

第２図に示した検出器21は、光学的に液体の流動を検
出するものである。すなわち、紫外線（UV）等の短波長
の光は液体に透過させたとき、当該液体が流動している
と散乱する現像を利用したものである。同図中、光源22
より送管路24内の液体に短波長の光を照射すると、当該
液体が流動しているときには前記光が液体分子に散乱さ
れて透過量が変化するため、光電変換素子23によって液
体の流動を電圧信号として検出することができる。

また、第３図に示した検出器31は、熱的に液体の流動
を検出するものである。すなわち、白金抵抗素子等を内
蔵した熱容量の小さい発熱体32を送管路35の中に設置す
る。これに電流源33と電圧検出器34を接続すれば、液体
に流動が始まると発熱体32の熱が液体に奪われ、発熱体
32の抵抗値が変化することを利用して、液体の流動を電
圧信号として検出することができる。

検出器１からの検出信号は増幅器２で増幅される。こ
の増幅器２の出力波形を第４図のグラフａに示す。

この増幅器２の出力ａ（検出器１の出力波形に同じ）
は、グラフに示すように単に液体の流動に関する情報だ
けでなく、液組成その他の情報としての長いうねりを含
んでいるため、その電圧値だけでは流動タイミングを決
めることができない。

ただし、液体の流動は通常ステップ状に変化するの
で、前記出力ａからこのステップ情報だけを分離して取
り出せば、吸入タイミング（吐出タイミング）の情報を
得ることができるものである。

このため、次に増幅器２の出力ａを微分器３に入力
し、微分出力ｂを得る。この微分出力ｂは、第４図のグ
ラフｂに示すように、入力ａにおけるステップ信号がイ
ンパルス信号に変わり、ランプ信号（うねり成分）がオ
フセットとなって現れるような波形となる。したがっ
て、この出力ｂをオートゼロ回路４に通せば、その出力
ｃとしては、第４図のグラフｃに示すように流動タイミ
ング信号のインパルス信号のみが得られることとなる。
すなわち、第４図のグラフｃにおいて、T_s1〜T_e1、T_s2
〜T_e2等の時間間隔が実際の液体の流動時間（第１図の
構成においては吸入時間）として検出されるものであ
る。

この流動タイミング信号ｃは演算器５に入力され、次
のようにして液体の流量を計算する。

すなわち、定流量ポンプ10のプランジャ11の径Ｄおよ
びプランジャ11の動作スピードdx/dtが制御装置６から
わかれば、流量Ｑは、により算出される。

なお、ポンプ10のプランジャ11が定速往復動している
場合には、プランジャ11の動作スピードdx/dtが一定と
なり、またプランジャ径Ｄは一定となるため、流量Ｑは
次式のように単純化される。

Ｑ＝Ｋ×（t_e−t_s）ただし、Ｋは定数である。

以上が本発明における定流量ポンプ用流量計の説明で
あるが、次に同じく第１図に基づいて、本発明の定流量
ポンプシステムの１実施例について詳細に説明する。

この実施例における定流量ポンプシステムは、プラン
ジャ11、シリンダ室12、吸入弁13、吐出弁14からなる定
流量ポンプ本体10と、当該定流量ポンプ10のプランジャ
11を往復駆動する駆動手段としてのモータ（ステップモ
ータ、パルスモータ）８およびパルス発生器７、当該駆
動手段を制御する制御装置６、前記定流量ポンプ10の実
際の流量を検出するための流量計（検出器１、増幅器
２、微分器３、オートゼロ回路４および演算器５）、お
よび前記制御装置６に前記定流量ポンプ10の流量目標値
等を与えられる入力・表示器９からなっている。

次に、この定流量ポンプシステムの動作を、第５図も
参照しながら、定流量ポンプの制御方法の観点から説明
する。

まず、入力・表示器９から制御装置６に対して、定流
量ポンプ10の流量目標値Q_iとプランジャ11の往復動周期
Ｔと、プランジャ11の径Ｄとを設定する（ステップ5
1）。

制御装置６では、プランジャのスピードを計算し、パ
ルス発生器７に制御信号を入力する（ステップ52）。

パルス発生器７では、必要なパルスを発生し（ステッ
プ53）、モータ８を作動させる（ステップ54）。

これにより、プランジャ11が往復動を開始してポンプ
10が作動する（ステップ55）。

当該ポンプ10の作動に伴って、前記したように、検出
器１、増幅器２、微分器３およびオートゼロ回路４によ
って液体の吸入時間（流動時間）を検出する（ステップ
56）。

この吸入時間の検出値および制御装置６から取り込ん
だ各種数値に基づいて、演算器５で、前記したように流
量の実際値Ｑを算出する（ステップ57）。

この計算値Ｑを制御装置６にフィードバックし、流量
目標値Q_iとの差ｅ（＝Q_i−Ｑ）を計算する（ステップ5
8）と共に、補正流量（Q_i＋ｅ）を計算する（ステップ5
9）。

そして、この補正流量値（Q_i＋ｅ）を前記流量目標値
Q_iに置き換え、以下、ステップ52以降を繰り返すように
している。

第８図は、本発明に基づく定流量ポンプシステムにつ
いて測定した設定流量と送液圧力との関係を示すグラフ
である。このポンプシステムは、第１図に示されたスト
ローク可変型のポンプを用い、流量計の検出部として第
３図の熱的検出法を用いている。

ニュートニアン流体では、一定の負荷抵抗下で流量を
上昇させてゆけば、ポンプ送液圧力は比例して上昇する
が、第８図では、実線で示すように、設定流量Qset（ml
/min）に対して送液圧力Ｐがリニアに上昇しており、直
線性も非常に良好であることが分かる。

図中の破線は、同一条件で本発明のようなフィードバ
ックを行わない場合の測定例を示している。リニアリテ
ィがなく、設定流量の増加に従って圧力増加率も低くな
っており、実際の流量が設定流量に比べ低下している状
態であることが分かる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されず変形が
可能である。例えば、第１図の実施例では、検出器１を
吸入側に設置した例について説明してきたが、前記した
通り、当該検出器１を吐出側に設置しても作用効果は変
わらないものである。

また、定流量ポンプ10も第１図に示したような構成を
有するものに限られるものではない。例えば、プランジ
ャ11の駆動部は第１図に模式的に示した回転タイプのス
テップモータ（パルスモータ）ばかりでなく、リニアタ
イプのステップモータ等でも適用できる。

また、上記実施例ではストロークを可変して流量を制
御するタイプのポンプに実施したが、ストロークは固定
され、往復動周期を可変することにより流量を制御する
タイプ、例えば回転数可変型ポンプにも同様に実施する
ことができる。

以上説明したように、本発明の定流量ポンプ用流量計
によれば、プランジャの駆動時間や送液圧力でなく、実
際に液体の流動する時間を検出して流量を算出している
ため、液体の種類、液組成（時間の経過によって変化す
る場合も含む）、圧縮率、弁の過渡応答性、送液圧力等
の如何にかかわらず、微量の液体の流量を、リアルタイ
ムで高精度に検出することができるものである。

また、本発明の定流量ポンプの制御方法あるいは定流
量ポンプシステムによれば、このような定流量ポンプ用
流量計を利用して液体の流量値をリアルタイムでフィー
ドバックし、所定の目標値との偏差に基づいてポンプを
駆動制御しているため、どのような液体でも常に所定の
目標値に合わせた定流量を供給することができものであ
る。

特に、液体クロマトグラフ装置に適用すれば、当該装
置の精度を飛躍的に向上できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の定流量ポンプ用流量計および当該流量
計を組み込んだ定流量ポンプシステムの１実施例の構成
を示す図、第２図は本発明の定流量ポンプ用流量計の検
出部の１実施例の構成を示す図、第３図は本発明の定流
量ポンプ用流量計の検出部の他の実施例の構成を示す
図、第４図は第１図に示す本発明の定流量ポンプ用流量
計の各部における波形を示す図、第５図は本発明の定流
量ポンプの制御方法を説明するための図、第６図は定流
量ポンプの構成を示す図、第７図は当該定流量ポンプに
おける工程図並びに圧力変化図、第８図は本発明に基づ
く定流量ポンプシステムについて測定した設定流量と送
液圧力との関係を示すグラフである。１……検出器、２……増幅器、３……微分器、４……オ
ートゼロ回路、５……演算器、６……制御装置、７……
パルス発生器、８……モータ、９……入力・表示器、10
……定流量ポンプ、11……プランジャ、12……シリンダ
室、13……吸入弁、14……吐出弁、21……光学的な検出
器、31……電気的な検出器。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】間欠的に送液される微量の液体の流量を検
出するための流量計において、前記流体の流動時間をリ
アルタイムで検出する検出手段と、当該検出手段の検出
値に基づいて前記液体の流量を演算する演算手段とを備
えたことを特徴とする定流量ポンプ用流量計。
【請求項２】前記検出手段が、液体の流動に伴う散乱光
を検出することによって当該液体の流動時間を検出する
光学的検出手段であることを特徴とする請求項１記載の
定流量ポンプ用流量計。
【請求項３】前記検出手段が、液体の流動に伴う発熱体
の抵抗値の変化を検出することによって当該液体の流動
時間を検出する電気的検出手段であることを特徴とする
請求項１記載の定流量ポンプ用流量計。
【請求項４】微量の液体を間欠的に送液する定流量ポン
プの制御方法において、前記液体の流動時間をリアルタ
イムで検出し、当該検出手段の検出値に基づいて前記液
体の流量を演算するとともに、当該流量の演算値と所定
の目標値とを比較してその偏差を演算し、当該偏差に応
じてポンプの駆動信号を補正することを特徴とする定流
量ポンプの制御方法。
【請求項５】微量の液体を間欠的に送液する定流量ポン
プシステムにおいて、前記液体の流動時間をリアルタイ
ムで検出する検出手段、当該検出手段の検出値に基づい
て前記液体の流量を演算するとともに、当該流量の演算
値と所定の目標値とを比較してその偏差を演算する演算
手段、当該偏差に応じてポンプの駆動信号を補正して当
該ポンプを駆動制御する制御手段とを備えることを特徴
とする定流量ポンプシステム。