JP6669265B2 - ガスクロマトグラフ - Google Patents

Description

本発明は、メイン基板と、当該メイン基板に接続された複数の流量制御基板とを備えるガスクロマトグラフに関するものである。

ガスクロマトグラフでは、試料導入部からカラム内にキャリアガス及び試料ガスが供給され、当該カラム内をキャリアガスが通過する過程で試料成分が分離され、分離された試料成分は、検出器で検出される。ガスクロマトグラフでは、キャリアガスの流量が制御されており、一定量のキャリアガスが流される（例えば、下記特許文献１参照）。

このようなガスクロマトグラフとして、試料導入部、カラム及び検出器などの構成を複数備えるガスクロマトグラフが知られている。このガスクロマトグラフでは、各カラム内に導入されるキャリアガスの流量がそれぞれ制御される。

図５は、従来のガスクロマトグラフ１００のメイン基板１１０、流量制御基板１２０及びそれらの周辺の部材の電気的構成を示したブロック図である。
ガスクロマトグラフ１００は、メイン基板１１０と、２つの流量制御基板１２０とを備えている。
メイン基板１１０は、制御部１１１を有している。制御部１１１は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成である。

各流量制御基板１２０は、流量検出回路１２１と、圧力検出回路１２２と、流量制御回路１２３とを有している。ガスクロマトグラフ１００において、各カラム内にキャリアガスを導入するための流路（ガス供給流路）のそれぞれには、流量センサ１２４、圧力センサ１２５及び全流量バルブ１２６が設けられている。ガスクロマトグラフ１００の各スプリット流路には、スプリットバルブ１２７が設けられている。ガスクロマトグラフ１００の各パージ流路には、パージバルブ１２８が設けられている。

ガスクロマトグラフ１００において分析動作が開始されると、メイン基板１１０の制御部１１１には、各流量センサ１２４および各圧力センサ１２５の検出結果に基づいて、各流量検出回路１２１及び各圧力検出回路１２２から検出信号が入力される。メイン基板１１０の制御部１１１は、この検出信号に基づいて、各流量制御基板１２０の流量制御回路１２３によって、各バルブ（全流量バルブ１２６、スプリットバルブ１２７及びパージバルブ１２８）の動作を制御する。これにより、ガスクロマトグラフ１００内を流れるキャリアガスの流量が制御される。

特開２０１６−５７１４８号公報

上記した従来のガスクロマトグラフ１００では、装着可能な流量制御基板１２０の数に制限があった。具体的には、ガスクロマトグラフ１００では、制御部１１１がキャリアガスの流量を直接制御する構成であるため、流量制御基板１２０の数が増えれば増えるほど、制御部１１１の処理負荷が大きくなってしまう。一方で、制御部１１１は、ガスクロマトグラフ１００における他の制御も行っている。そのため、所定数以上の流量制御基板１２０を装着する構成とすると、制御部１１１における処理が処理能力を超えてしまう。特に、流量制御基板１２０がＡＦＣ（Advanced Flow Controller）の基板の場合には、制御部１１１が行う処理が複雑になるため、流量制御基板１２０を２つしか装着することができなかった。

また、制御部１１１から各流量制御回路１２３に制御信号を送信するための信号線１３０は、その制御信号が複数のバルブを並行して制御するための信号であるため、一定以上長くできないという不具合もあった。そのため、メイン基板１１０と各流量制御基板１２０との間の距離を一定以上に拡げることができなかった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、装着可能な流量制御基板の数を増やすことができるガスクロマトグラフを提供することを目的とする。また、本発明は、メイン基板と各流量制御基板との間の距離を長くできるガスクロマトグラフを提供することを目的とする。

（１）本発明に係るガスクロマトグラフは、メイン基板と、当該メイン基板に接続された複数の流量制御基板とを備えるガスクロマトグラフである。前記メイン基板は、メイン制御部を有する。前記複数の流量制御基板は、それぞれ、前記メイン制御部との間でシリアル通信を行うサブ制御部と、少なくともキャリアガスの圧力又は流量を検出する検出回路と、前記検出回路からの検出信号に基づいてキャリアガスの流量を制御する流量制御回路とを有する。

このような構成によれば、メイン基板のメイン制御部は、各流量制御基板のサブ制御部との間でシリアル通信を行う。そして、各流量制御基板のサブ制御部の制御によって、流量制御回路でキャリアガスの流量が制御される。

そのため、メイン基板のメイン制御部で行う処理を、各流量制御基板のサブ制御部とシリアル通信を行うのみの処理にできる。そして、メイン制御部で行う処理を少なくできる。

その結果、流量制御基板の数を増やした場合において、メイン制御部における処理が処理能力を超えることを抑制できる。すなわち、ガスクロマトグラフにおいて、装着可能な流量制御基板の数を増やすことができる。
また、メイン制御部と各サブ制御部との間では、シリアル通信が行われるため、メイン制御部と各サブ制御部との間の信号線を長くすることができる。
そのため、メイン基板と各流量制御基板との間の距離を長くできる。

（２）また、前記メイン制御部は、前記サブ制御部に対して、前記流量制御回路がキャリアガスの流量を制御する際の制御目標値をシリアル通信により送信してもよい。

このような構成によれば、メイン制御部における処理を、各サブ制御部に対して制御目標値をシリアル通信で送信するのみの簡易な処理にできる。

（３）また、前記メイン制御部は、前記複数の流量制御基板の各サブ制御部に対して、前記制御目標値をシリアル通信により所定の周期で順次送信してもよい。

このような構成によれば、メイン制御部から各サブ制御部に対して制御目標値を円滑に送信できる。また、各サブ制御部における制御周期を短くできる。

（４）また、前記サブ制御部は、前記制御目標値を受信しなかった場合に、前記流量制御回路によりキャリアガスを停止させてもよい。

このような構成によれば、メイン制御部に不具合が生じた場合にキャリアガスが流れ続けることを防止できる。

（５）また、前記メイン制御部は、電源供給制御部を含んでもよい。前記電源供給制御部は、前記複数の流量制御基板のそれぞれに対する電源供給を制御する。

このような構成によれば、電源供給制御部によって各流量制御基板に対する電源供給を停止するように制御することで、キャリアガスを確実に停止できる。

（６）前記メイン制御部は、制御値受信部を含んでもよい。前記制御値受信部は、前記複数の流量制御基板の各サブ制御部から制御値を受信する。前記電源供給制御部は、前記複数の流量制御基板のうち、前記制御値受信部により制御値を受信しなかった流量制御基板に対する電源供給を停止させてもよい。

このような構成によれば、電源供給制御部によって、不具合が生じた流量制御基板に対する電源供給を確実に停止させることができる。

本発明によれば、メイン基板のメイン制御部で行う処理を、各流量制御基板のサブ制御部とシリアル通信を行うのみの処理にできる。そして、メイン制御部で行う処理を少なくできる。その結果、流量制御基板の数を増やした場合において、メイン制御部における処理が処理能力を超えることを抑制できる。すなわち、ガスクロマトグラフにおいて、装着可能な流量制御基板の数を増やすことができる。また、メイン制御部と各サブ制御部との間では、シリアル通信が行われるため、メイン制御部と各サブ制御部との間の信号線を長くすることができる。そのため、メイン基板と各流量制御基板との間の距離を長くできる。

本発明の一実施形態に係るガスクロマトグラフの構成を示した概略図である。 図１のガスクロマトグラフのメイン基板、流量制御基板及びそれらの周辺の部材の電気的構成を示したブロック図である。 メイン制御部の制御動作を示したフローチャートである。 サブ制御部の制御動作を示したフローチャートである。 従来のガスクロマトグラフのメイン基板、流量制御基板及びそれらの周辺の部材の電気的構成を示したブロック図である。

１．ガスクロマトグラフの全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係るガスクロマトグラフの構成を示した概略図である。
ガスクロマトグラフ１は、複数のカラム２のそれぞれにキャリアガスとともに試料を導入することにより、各カラム２で分離された試料成分の分析を行うためのものである。ガスクロマトグラフ１は、カラム２以外に、カラムオーブン３、貯留部４、試料導入部５及び検出器６を備えている。ガスクロマトグラフ１では、カラムオーブン３以外の構成（カラム２、貯留部４、試料導入部５及び検出器６）は、それぞれ複数設けられている。

カラム２は、例えば、キャピラリカラムからなり、カラムオーブン３内に収容されている。すなわち、ガスクロマトグラフ１では、複数のカラム２が同一のカラムオーブン３内に収容されている。
貯留部４には、ガスクロマトグラフ１内で用いられるキャリアガスが貯留されている。

試料導入部５は、カラム２内にキャリアガス及び試料ガスを導入するためのものであり、その内部に試料気化室（図示せず）が形成されている。試料気化室には、ガス供給流路、スプリット流路及びパージ流路（図示せず）が連通している。ガス供給流路は、気化室内にキャリアガスを供給するための流路である。スプリット流路は、スプリット導入法により、カラム２内にキャリアガス及び試料ガスを導入する際に、試料気化室内のガス（キャリアガス及び試料ガスの混合ガス）の一部を所定のスプリット比で外部に排出するための流路である。パージ流路は、セプタムなどから生じる所望しない成分を外部に排出するための流路である。

検出器６は、例えば、水素炎イオン化型検出器（ＦＩＤ）、熱伝導度型検出器（ＴＣＤ）、電子捕獲型検出器（ＥＣＤ）又は炎光光度検出器（ＦＰＤ）などにより構成される。検出器６は、カラム２から導入されるキャリアガスに含まれる各試料成分を順次検出する。

このガスクロマトグラフ１において試料を分析する際は、分析対象となる試料が試料導入部５に注入される。試料は、試料気化室において気化される。また、試料導入部５の試料気化室には、貯留部４からキャリアガスが供給される。

試料気化室内で気化された試料は、キャリアガスとともにカラム２内に導入される。試料に含まれる各試料成分は、カラム２内を通過する過程で分離されて、検出器６に順次導入される。
そして、検出器６において、カラム２から導入されるキャリアガスに含まれる各試料成分が順次検出される。

ガスクロマトグラフ１では、カラムオーブン３以外の構成（カラム２、貯留部４、試料導入部５及び検出器６）を複数備えている。そのため、ガスクロマトグラフ１では、上記した貯留部４から検出器６に向かうキャリアガスの流れが複数形成される。ガスクロマトグラフ１では、後述するように、これらのキャリアガスの流量がそれぞれ制御される。

２．メイン基板、流量制御基板及び周辺の部材の電気的構成
図２は、ガスクロマトグラフ１のメイン基板２０、流量制御基板２１及びそれらの周辺の部材の電気的構成を示したブロック図である。
ガスクロマトグラフ１は、メイン基板２０と、複数の流量制御基板２１とを備えている。また、ガスクロマトグラフ１は、各流量制御基板２１に対応するように、流量センサ３１、圧力センサ３２、全流量バルブ３３、スプリットバルブ３４及びパージバルブ３５を、それぞれ複数備えている。

各流量センサ３１、各圧力センサ３２及び各全流量バルブ３３は、ガスクロマトグラフ１の各ガス供給流路に設けられている。各スプリットバルブ３４は、ガスクロマトグラフ１の各スプリット流路に設けられている。各パージバルブ３５は、ガスクロマトグラフ１の各パージ流路に設けられている。

流量制御基板２１は、例えば、ＡＦＣ（Advanced Flow Controller）の基板である。各流量制御基板２１は、流量検出回路２１１と、圧力検出回路２１２と、流量制御回路２１３と、サブ制御部２１４とを有している。
流量検出回路２１１は、流量センサ３１の検出結果に基づいて、ガスクロマトグラフ１内を流れるキャリアガスの流量を検出する。

圧力検出回路２１２は、圧力センサ３２の検出結果に基づいて、ガスクロマトグラフ１内を流れるキャリアガスの圧力を検出する。なお、圧力センサ３２は、圧力検出回路２１２に実装されている。流量検出回路２１１及び圧力検出回路２１２が、検出回路の一例である。

流量制御回路２１３は、サブ制御部２１４からの制御信号に基づいて、全流量バルブ３３、スプリットバルブ３４及びパージバルブ３５のそれぞれの動作を制御することにより、キャリアガスの流量を制御する。サブ制御部２１４は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を制御信号として流量制御回路２１３に供給し、そのＰＷＭ信号に基づくデューティ比で流量制御回路２１３がキャリアガスの流量を制御する。
サブ制御部２１４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成である。

メイン基板２０は、メイン制御部２０１を有している。
メイン制御部２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成である。メイン制御部２０１は、サブ制御部２１４との間で、信号線４０を介してシリアル通信を行う。メイン制御部２０１は、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、目標値送信部２０２、制御値受信部２０３及び電源供給制御部２０４などとして機能する。
目標値送信部２０２は、各流量制御基板２１のサブ制御部２１４に向けて、キャリアガスの流量を制御する際の制御目標値をシリアル通信により送信する。制御目標値は、例えば、キャリアガスの流量の設定値である。
制御値受信部２０３は、各サブ制御部２１４から送信される制御値を受信する。制御値は、流量制御回路２１３に対する制御信号に関する値（例えば、デューティ比）であってもよいし、流量制御回路２１３による制御の結果、流量センサ３１又は圧力センサ３２から出力される設定値であってもよい。

電源供給制御部２０４は、複数の流量制御基板２１に対する電源供給を制御する。具体的には、電源供給制御部２０４は、制御値受信部２０３が受信するサブ制御部２１４からの信号に基づいて、所定の流量制御基板２１に対する電源供給を停止させる制御を行う。

３．各制御部の制御動作
（１）メイン制御部の制御動作
図３は、メイン制御部２０１の制御動作を示したフローチャートである。
ガスクロマトグラフ１においてキャリアガスの制御が開始されると、メイン基板２０のメイン制御部２０１は、各流量制御基板２１のサブ制御部２１４に向けて、キャリアガスの流量を制御するための制御目標値をシリアル通信で送信する。具体的には、目標値送信部２０２は、一定時間が経過すると（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、複数の流量制御基板２１のうち、所定の流量制御基板２１のサブ制御部２１４に対して、制御目標値をシリアル通信で送信する（ステップＳ１０２）。
なお、この制御目標値は、図示しない記憶部に予め記憶されていてもよいし、ユーザによって設定されるものであってもよい。

そして、詳しくは後述するが、制御目標値が送信された流量制御基板２１においてキャリアガスの流量が制御されると、その流量制御基板２１のサブ制御部２１４からメイン制御部２０１（制御値受信部２０３）に対して実際の制御値が送信される。このとき、流量制御基板２１が正常に動作していれば（流量制御基板２１に不具合が生じていなければ）、制御値受信部２０３は、その流量制御基板２１のサブ制御部２１４からの制御値を受信する（ステップＳ１０３でＹＥＳ）。

そして、一定時間が経過すると、上記した制御動作が、次の流量制御基板２１のサブ制御部２１４に対して行われる。すなわち、ガスクロマトグラフ１においてキャリアガスの制御が継続されている状態で（ステップＳ１０４でＮＯ）、さらに、一定時間が経過すると（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、目標値送信部２０２は、次の流量制御基板２１のサブ制御部２１４に対して、制御目標値をシリアル通信で送信する（ステップＳ１０２）。その後は、上記したように、制御目標値が送信された流量制御基板２１においてキャリアガスの流量が制御されると、その流量制御基板２１のサブ制御部２１４から制御値受信部２０３に対して実際の制御値が送信される（ステップＳ１０３でＹＥＳ）。
このように、目標値送信部２０２は、各サブ制御部２１４に対して、制御目標値をシリアル通信により所定の周期で順次送信する。

また、流量制御基板２１に不具合が生じている場合には、その流量制御基板２１のサブ制御部２１４からは制御値が送信されない。すなわち、目標値送信部２０２から制御目標値を送信しても、制御値受信部２０３は、その流量制御基板２１のサブ制御部２１４からの制御値を受信しない（ステップＳ１０３でＮＯ）。

この場合には、電源供給制御部２０４は、制御値受信部２０３により制御値を受信しなかった流量制御基板２１に対する電源供給を停止させる（ステップＳ１０５）。

その後は、上記したステップＳ１０１〜ステップ１０４の動作が繰り返される。すなわち、目標値送信部２０２から各サブ制御部２１４に対して、制御目標値がシリアル通信により所定の周期で順次送信される。そして、ガスクロマトグラフ１において、キャリアガスの制御が終了すると（ステップＳ１０４でＹＥＳ）、メイン制御部２０１による制御動作が終了する。

（２）サブ制御部の制御動作
図４は、サブ制御部２１４の制御動作を示したフローチャートである。
ガスクロマトグラフ１における各流量制御基板２１では、サブ制御部２１４は、以下のような制御を行う。

サブ制御部２１４は、一定時間が経過するまでの間にメイン制御部２０１からの制御目標値を受信した場合には（ステップＳ２０１でＹＥＳ）、流量検出回路２１１及び圧力検出回路２１２からの検出信号に基づいて、流量制御回路２１３によって、各バルブ（全流量バルブ３３、スプリットバルブ３４及びパージバルブ３５）の動作を制御する。具体的には、サブ制御部２１４は、キャリアガスの流量がメイン制御部２０１から受信した制御目標値となるように、各バルブの開度を調整する（ステップＳ２０２）。

そして、サブ制御部２１４は、流量制御回路２１３における実際の制御値を、メイン制御部２０１に向けて送信する（ステップＳ２０３）。

ガスクロマトグラフ１においてキャリアガスの制御が継続されている間は（ステップＳ２０４でＮＯ）、上記したステップＳ２０１〜ステップＳ２０４の動作が繰り返される。そして、ガスクロマトグラフ１において、キャリアガスの制御が終了すると（ステップＳ２０４でＹＥＳ）、サブ制御部２１４による制御動作が終了する。

このような制御動作中において、メイン基板２０に不具合が生じている場合には、メイン基板２０からは制御目標値が送信されない。すなわち、サブ制御部２１４は、一定時間が経過するまでの間で、メイン制御部２０１からの制御目標値を受信しない（ステップＳ２０１でＮＯ）。

この場合には、サブ制御部２１４は、流量制御回路２１３によって、各バルブ（全流量バルブ３３、スプリットバルブ３４及びパージバルブ３５）を閉状態にする。これにより、キャリアガスの流れが停止される。そして、サブ制御部２１４による制御動作が終了する。

４．作用効果
（１）本実施形態では、図２に示すように、メイン基板２０のメイン制御部２０１は、各流量制御基板２１のサブ制御部２１４との間でシリアル通信を行う。そして、各サブ制御部２１４の制御によって、流量制御回路２１３でキャリアガスの流量が制御される。

そのため、メイン制御部２０１で行う処理を、各サブ制御部２１４とシリアル通信を行うのみの処理にできる。そして、メイン制御部２０１で行う処理を少なくできる。

その結果、流量制御基板２１の数を増やした場合において、メイン制御部２０１における処理が処理能力を超えることを抑制できる。すなわち、ガスクロマトグラフ１において、装着可能な流量制御基板２１の数を増やすことができる。

また、メイン制御部２０１と各サブ制御部２１４との間では、シリアル通信が行われるため、メイン制御部２０１と各サブ制御部２１４との間の信号線４０を長くすることができる。
そのため、メイン基板２０と各流量制御基板２１との間の距離を長くできる。

（２）また、本実施形態では、メイン制御部２０１は、各サブ制御部２１４に対して、流量制御回路２１３がキャリアガスの流量を制御する際の制御目標値をシリアル通信により送信する。
そのため、メイン制御部２０１における処理を、各サブ制御部２１４に対して制御目標値をシリアル通信で送信するのみの簡易な処理にできる。

（３）また、本実施形態では、図３に示すように、メイン制御部２０１は、サブ制御部２１４に対して、制御目標値をシリアル通信により所定の周期で順次送信する。
そのため、メイン制御部２０１から各サブ制御部２１４に対して制御目標値を円滑に送信できる。また、各サブ制御部２１４における制御周期を短くできる。

（４）また、本実施形態では、図４に示すように、サブ制御部２１４は、メイン制御部２０１からの制御目標値を受信しなかった場合には（ステップＳ２０１でＮＯ）、流量制御回路２１３によって、各バルブ（全流量バルブ３３、スプリットバルブ３４及びパージバルブ３５）を閉状態にして、キャリアガスの流れが停止される。
そのため、メイン基板２０に不具合が生じた場合にキャリアガスが流れ続けることを防止できる。

（５）また、本実施形態では、図２に示すように、メイン制御部２０１は、電源供給制御部２０４を含んでいる。電源供給制御部２０４は、複数の流量制御基板２１のそれぞれに対する電源供給を制御する。
そのため、電源供給制御部２０４によって各流量制御基板２１に対する電源供給を停止するように制御することで、キャリアガスを確実に停止できる。

（６）また、本実施形態では、電源供給制御部２０４は、複数の流量制御基板２１のうち、制御値受信部２０３により制御値を受信しなかった流量制御基板２１に対する電源供給を停止させる。
そのため、電源供給制御部２０４によって、不具合が生じた流量制御基板２１に対する電源供給を確実に停止させることができる。

５．変形例
以上の実施形態では、サブ制御部２１４は、流量検出回路２１１及び圧力検出回路２１２からの検出信号に基づいて、流量制御回路２１３によって、各バルブの動作を制御するとして説明した。しかし、サブ制御部２１４は、流量検出回路２１１及び圧力検出回路２１２のいずれか一方からの検出信号に基づいて、流量制御回路２１３によって、各バルブの動作を制御してもよい。

また、以上の実施形態では、流量制御基板２１は、ＡＦＣ（Advanced Flow Controller）の基板であるとして説明したが、流量制御基板２１は、キャリアガスの流量を制御するための基板であればよい。例えば、流量制御基板２１は、ＡＰＣ（Auto Pressure Controller）又はデュアルＡＦＣなどの他の基板であってもよい。

１ ガスクロマトグラフ
２０ メイン基板
２１ 流量制御基板
２０１ メイン制御部
２０２ 目標値送信部
２０３ 制御値受信部
２０４ 電源供給制御部
２１１ 流量検出回路
２１２ 圧力検出回路
２１３ 流量制御回路
２１４ サブ制御部

Claims (6)

1. 試料成分を検出する複数の検出器と、メイン基板と、当該メイン基板に接続され、当該複数の検出器に導入するキャリアガスの流量を制御するための複数の流量制御基板とを備え、当該複数の流量制御基板のそれぞれにより制御されるキャリアガスの流量が検出器ごとで異なるガスクロマトグラフであって、
   前記メイン基板は、メイン制御部を有し、
   前記複数の流量制御基板は、前記複数の検出器の各検出器に対応するようにそれぞれ装着可能に設けられ、それぞれ、前記メイン制御部との間でシリアル通信を行うサブ制御部と、少なくともキャリアガスの圧力又は流量を検出する検出回路と、前記検出回路からの検出信号に基づいてキャリアガスの流量を制御する流量制御回路とを有することを特徴とするガスクロマトグラフ。
2. 前記メイン制御部は、前記サブ制御部に対して、前記流量制御回路がキャリアガスの流量を制御する際の制御目標値をシリアル通信により送信することを特徴とする請求項１に記載のガスクロマトグラフ。
3. 前記メイン制御部は、前記複数の流量制御基板の各サブ制御部に対して、前記制御目標値をシリアル通信により所定の周期で順次送信することを特徴とする請求項２に記載のガスクロマトグラフ。
4. 前記サブ制御部は、前記制御目標値を受信しなかった場合に、前記流量制御回路によりキャリアガスを停止させることを特徴とする請求項２又は３に記載のガスクロマトグラフ。
5. 前記メイン制御部は、前記複数の流量制御基板のそれぞれに対する電源供給を制御する電源供給制御部を含むことを特徴とする請求項１に記載のガスクロマトグラフ。
6. 前記メイン制御部は、前記複数の流量制御基板の各サブ制御部から制御値を受信する制御値受信部を含み、
   前記電源供給制御部は、前記複数の流量制御基板のうち、前記制御値受信部により制御値を受信しなかった流量制御基板に対する電源供給を停止させることを特徴とする請求項５に記載のガスクロマトグラフ。

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