CN105301153B - 具有梯度阀控制电路的液相色谱仪及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有梯度阀控制电路的液相色谱仪及其控制方法，包括N元梯度阀和梯度阀控制电路，N元梯度阀具有N个电磁阀，梯度阀控制电路用于控制N个电磁阀的开启和关闭，梯度阀控制电路和至少一个电磁阀之间连接有一个调节电路，调节电路包括一个mos管、一个放电电阻和一个反向二极管，梯度阀控制电路的输出端与电磁阀的第一电压输入端连接，mos管的栅极与电磁阀的第一电压输入端连接，mos管的漏极与电磁阀的第二电压输入端连接，mos管的源极与地连接，放电电阻并联连接在mos管的漏极与源极之间，反向二极管连接在电磁阀的第一电压输入端与地之间。本发明所述的液相色谱仪可以减小电磁阀的开启和关闭时间，使流动相混合比例更加准确。

Description

具有梯度阀控制电路的液相色谱仪及其控制方法

技术领域

本发明涉及化学分析领域，特别涉及具有梯度阀控制电路的液相色谱仪及其控制方法。

背景技术

高效液相色谱法是色谱法的一个重要分支，其是以液体为流动相，采用高压输液***，将具有不同极性的单一溶剂或不同比例的混合溶剂、缓冲液等流动相泵入装有固定相的色谱柱，被测样品的各成分在色谱柱内被分离后，进入检测器进行检测，从而实现对样品的定性定量分析。该方法已成为化学、医学、工业、农学、商检和法检等学科领域中重要的分离分析技术。高效液相色谱仪(HPLC)是用于此分析方法的仪器。

高效液相色谱仪中的输液泵主要用于将一种或多种流动相注入到***中，输液泵主要由多元梯度阀和串联柱塞泵连接组成，多元梯度阀具有多个电磁阀，每个电磁阀分别用于接收一种流动相，然后通过梯度阀的公共通道后，进入串联柱塞泵。电磁阀在通电后分别用于实现其对应液路的打开和关闭。当电磁阀内部线圈通电时，阀体内部的铁芯在电磁力的作用下克服恢复弹簧的作用力，发生运动，从而打开了之前位置处挡住的液路通道，液体流过该通道从梯度阀的公共端流出进入色谱仪***；在断电的时候，电磁阀内部线圈由于失去电磁力，无法克服弹簧弹力，从而被弹簧反弹至初始位置，密封了该通道与公共通道的液路连接，该通道关闭。

在高效液相色谱仪中，多元梯度阀的作用是按照用户设定的混合比例去分配多路流动相液体，而是否准确的按设定的混合比例去混合流动相，是影响测试结果的重要因素。由于电磁阀的结构原因，在每个电磁阀开启和关闭的时候都具有一定的响应时间(具体的延迟时间与电磁阀的机械结构相关)，参考图1，是电磁阀工作过程中的电流变化曲线，(1)ab段：电磁阀开始通电，当电磁阀线圈通入电流后，由于线圈存在电感，产生的反电动势阻碍线圈中电流增加，使其不能迅速达到稳态值；该电流产生的电磁力不足以克服阀芯所受的运动阻力(阻尼弹簧、静摩擦力)，阀芯没有打开。(2)bc段：当线圈电流增大到b点后，电磁力克服阀芯所受的运动阻力(阻尼弹簧、静摩擦力)，阀芯开始运动，此时由于线圈的反电动势作用，线圈的电流此时反而变小了，电动力同时减小。但阻力也随之变小。(3)cd段。此阶段阀芯到达最大位置，由于此时阀芯不动，线圈的电感不变，所以电流重新上升，它与前一阶段电流曲线存在一交点(c点)，这一点正是阀芯刚好到达最大开启位置的时刻。(4)ef段：电磁阀断电，断电后外加电压为0V，由于电磁阀线圈电感的作用，电流不会突变，剩余的电流使阀芯慢慢关闭。可见，ac段和ef段分别是电磁阀在开启和关闭时的响应时间，而液体的流量与电磁阀的开启时间是成正比的，所以响应时间越大就会导致液体流量超出标准量越多，使得每个通道传输的液体量不准确，进而导致混合后的液体比例不准确，最终影响液相色谱仪的测量结果。

综上所述，现有技术中缺乏一种梯度阀中的电磁阀在开始和关闭时能够快速响应的液相色谱仪。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种可以提高梯度阀中电磁阀响应速度的液相色谱仪。

本发明提出了一种具有梯度阀控制电路的液相色谱仪，包括N元梯度阀和梯度阀控制电路，N≥2，所述N元梯度阀具有N个电磁阀，所述梯度阀控制电路用于控制N个电磁阀的开启和关闭，所述梯度阀控制电路和至少一个所述电磁阀之间连接有一个调节电路，所述调节电路包括一个mos管、一个放电电阻和一个反向二极管，所述梯度阀控制电路的输出端与所述电磁阀的第一电压输入端连接，所述mos管的栅极与所述电磁阀的第一电压输入端连接，所述mos管的漏极与所述电磁阀的第二电压输入端连接，所述mos管的源极与地连接，所述放电电阻并联连接在mos管的漏极与源极之间，所述反向二极管的负极与所述电磁阀的第一电压输入端连接，所述的反向二极管的正极与地连接。

在本发明所述的液相色谱仪中，所述梯度阀控制电路的输出端与所述电磁阀的第一电压输入端之间还可以连接有一逆流保护二极管，所述逆流二极管的正极与所述梯度阀控制电路的输出端连接，所述逆流二极管的负极与所述电磁阀的第一电压输入端连接。

在本发明所述的液相色谱仪中，所述电磁阀的第一电压输入端和所述mos管的栅极之间还可以连接有一电容。

在本发明所述的液相色谱仪中，所述mos管的栅极与地之间连接有一电阻。

在本发明所述的液相色谱仪中，在mos管的漏极与源极之间连接有一发光二极管，所述的发光二极管与所述的放电电阻串联连接，所述的发光二极管的负极通过所述的放电电阻与所述mos管的漏极连接，所述发光二极管的正极与所述mos管的源极连接。

在本发明所述的液相色谱仪中，所述梯度阀控制电路和所述N个电磁阀中的任一电磁阀之间均连接有一个调节电路。

本发明还提出了一种用于上述液相色谱仪的控制方法，包括以下步骤：所述的梯度阀控制电路产生一直流电压信号，该直流电压信号的电压值大于所述电磁阀的额定电压，所述的电磁阀根据该直流电压信号进入开启状态；所述的梯度阀控制电路产生一脉宽调制信号，所述的电磁阀根据该脉冲调制信号保持开启状态；所述的梯度阀控制电路停止输出信号，所述的电磁阀进入关闭状态。

与现有技术相比，本发明所述的液相色谱仪，通过提高电磁阀的驱动电压，缩短电磁阀的开启响应时间；通过PWM(脉宽调制)的方式控制电磁阀的开启保持过程，不仅减小了线圈的功率损耗，提高了线圈的寿命，而且由于PWM的作用，线圈上的电流逐渐降低，在电磁关闭的时候，线圈上的电流较小，能够很快响应关闭动作，减少了电磁阀关闭时的响应时间；并且还通过调节放电电阻的大小，缩短放电时间，从而加快电磁阀的关闭响应时间；而且还通过反向二极管泄放掉线圈在关闭过程中产生的高压反向电动势，避免了高压反电动势对***造成的不利影响。

附图说明

图1是现有技术中电磁阀在工作过程中的电流变化曲线。

图2是本发明实施例中的高效液相色谱仪2的结构示意图。

图3是本发明实施例中输液泵202的结构示意图。

图4是本发明实施例中的调节电路208的一种结构示意图。

图5是本发明实施例中电磁阀驱动电压和电流变化曲线图。

图6是本发明实施例中调节电路208的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的较佳实施例。

参考图2，在本实施例中，高效液相色谱仪2包括溶液组织器201、四元输液泵202、进样器203、色谱柱204、检测器205、信息处理***206、梯度阀控制电路207和调节电路208，溶液组织器201中的溶液经过脱气后，作为流动相被输液泵202注入到色谱仪的***中，样品溶液经过进样器203注入流动相，并被流动相载入到色谱柱204(固定相)内，由于样品溶液中的各组分与色谱柱具有不同的极性，样品溶液在色谱柱204中作相对运行时，经过反复多次的吸附-解吸的分配过程，各组分在移动速度上产生较大的差别，最后被分离成单个组分依次从色谱柱204内析出，析出的成分经过单色光的投射，检测器205检测到光强度的变化，并把这些光信号转换成电信号传送到信息处理***206中，信息处理***206对接收到的电信号进行分析，然后将分析结果以图谱形式显示出来。

作为举例说明，信息处理***106可以是通过计算机等具有信息处理能力的设备实现。

作为举例说明，输液泵202可以是二元泵、四元泵等多元输液泵。

参考图3，在本实施例中，四元输液泵202主要由四元梯度阀2021和串联柱塞泵2022连接构成，四元梯度阀2022具有A、B、C、D四个电磁阀，每个电磁阀构成一个输液通道，用于传输一种流动相到梯度阀2021的公共通道，四个电磁阀交替与公共通道连接，将其通道中的流动相输送到串联柱塞泵2022中，串联柱塞泵2022将多种流动相混合后输出。梯度阀控制电路207根据流动相混合比例依序控制每个电磁阀的开启和关闭，通过控制电磁阀的开启保持时间，控制该输液通道的液体流量。

作为举例说明，梯度阀控制电路207可以由DSP和驱动电路构成，驱动电路可以由L293DD等驱动芯片构成。

为了解决现有技术中电磁阀在开启和关闭时存在响应时间的问题，本发明在梯度阀控制电路和电磁阀之间增加了一个调节电路208，用于调节电磁阀的开启响应时间和关闭响应时间。

在本实施例中，在梯度阀控制电路207与A、B、C、D电磁阀之间分别连接有一个调节电路208，分别用于调节四个电磁阀的开启响应时间和关闭响应时间。参考图4，在本实施例中，调节电路208包括一个mos管2081、一个放电电阻2082和一个反向二极管2083，梯度阀控制电路207的输出端2084与电磁阀的第一电压输入端2085连接，mos管2081的栅极与电磁阀的第一电压输入端2085连接，mos管2081的漏极与电磁阀的第二电压输入端2086连接，mos管2081的源极与地连接，放电电阻2082连接在mos管2081的漏极与源极之间，反向二极管2083的负极与电磁阀的第一电压输入端2085连接，反向二极管2083的正极与地连接。

在本实施例中，梯度阀控制电路207中的控制电路的控制端发出使能信号，控制驱动电路输出电压信号，驱动电磁阀工作。

参考图5，是电磁阀的驱动电压变化曲线图。下面结合附图5介绍梯度阀控制电路207驱动电磁阀的工作过程。

1)电磁阀进入开启状态

梯度阀控制电路207的输出端2084产生一直流电压信号，该直流电压信号的幅值大于电磁阀的额定电压，电磁阀根据该直流电压信号进入开启状态。在电磁阀通电后，调节电路208进入过压开启状态，直流电压将MOS管2081打开，此时电磁阀的连接回路仅有MOS管2081通路连接到地，电磁阀在大电压下开启，并且持续一段时间(图5中ad段的时间)，这段时间内，电磁阀中的电流逐渐增大，使电磁阀完全开启。采用大于电磁阀额定电压的直流电压信号，目的是使电磁阀在大电压的驱动下，线圈中的电流变化率增大，这样会使线圈快速充电，产生电磁力，快速打开阀体，因此缩短了开启响应时间(图5中ac段的时间)。在选择直流电压持续的时间(ad段)时，既要保证电磁阀完全开启，又不会使电磁阀长时间的处于高压状态，即需要同时满足既快速开启，又不会损耗电磁阀寿命的条件，在满足上述要求的情况下，直流电压持续时间的大小可以进行灵活设置。

作为举例说明，直流电压信号的幅值可以根据需要灵活选取，取值范围可以在电磁阀的额定电压值至驱动电路的最大供电电压的范围内。

2)电磁阀保持开启状态

当电磁阀完全开启后，会进入保持开启状态，此时梯度阀控制电路207的输出端2084产生一PWM(脉宽调制)信号，电磁阀根据该PWM信号保持开启状态。当PWM信号的高电平到来的时候，调节电路208会将MOS管2081导通，此时电磁阀处于开启状态；当PWM信号的低电平到来的时候，调节电路208会切换到放电状态，因为低电平的时候，MOS管2081会自动关闭，电磁阀的回路直接和放电电阻2082连接，此时电磁阀处于没有供电的状态，只能消耗自己线圈保存的能量，线圈上的能量会释放掉，此时，PWM信号的高电平又来到，线圈有在电压的作用下又保持开启状态，如此一直循环，电磁阀上的等效电压会逐渐下降，既保持电磁阀的开启状态，又减小了电磁阀产生的热量，避免阀体持续的高压损耗阀体的寿命。

在本实施例中，PWM信号的幅值与直流电压信号的幅值相等，PWM信号的占空比可以根据具体阀体的特性进行调节，例如可以根据测量出的电磁阀本身固有的关闭响应时间设置PWM信号的占空比，通过控制每个电磁阀的PWM信号的占空比，控制电磁阀在保持开启过程的等效电压，从而控制电磁阀的关闭响应时间，使得同一梯度阀中的各个电磁阀的一致性更好。

3)电磁阀进入关闭状态

电磁阀输液完成后，进入关闭状态，梯度阀控制电路207停止输出驱动电压信号。此时调节电路208会自动切换到放电回路，MOS管2081会自动关闭，电磁阀的回路直接和放电电阻2082连接，让电磁阀的线圈通过放电电阻2082快速消耗其能量，达到快速放电的目的，使得电磁阀的关闭响应时间(图5中的ef段)变小。假设L是电磁阀线圈的等效电感值，R是放电电阻2082的阻值，线圈的放电时间常数t＝L/R，通过调节放电电阻2082的大小可以调节电线圈的放电时间。由于在电磁阀关闭的瞬间会产生反向感应电动势，调节电路208中的反向二极管2083对进行泄放，避免其产生的瞬间高压电弧损坏器件。

综上，本发明的液相色谱仪，在电磁阀进入开启状态的时候，通过调节电路208给电磁阀输入瞬间的高压，使电磁阀在很短的时间快速完全开启，与现有技术相比，缩短了电磁阀的开启响应时间。

在电磁阀处于保持开启状态的时候，采用PWM信号控制电磁阀，通过PWM信号的高电平和低电平使得电磁阀在开启和关闭之间来回切换，有效降低了加在电磁阀两段的等效电压，避免了持续的高压使得线圈发热，损耗阀体的寿命；另外，如果线圈上的电压电流越大，电磁阀在关闭的时候，需要的时间越长，并且线圈上所加的电压电流越大，在关闭电磁阀瞬间产生的反向感应电动势就越大，会阻碍线圈中电流的快速变化，也会延长关闭时间，所以线圈上等效电压电流的减小，也为后面快速关闭电磁阀做好了铺垫。

在电磁阀进入关闭状态的时候，由于前面保持开启阶段做的良好的铺垫，再加上放电电阻2082的加速放电，都使得电磁阀的放电时间进一步缩短了。

作为本实施例中调节电路208的另一种优选实施方式，如图6所示，调节电路208中还包括一个逆流保护二极管601，其连接在梯度阀控制电路207的输出端2084与电磁阀的第一电压输入端2085之间，逆流二极管601的正极与梯度阀控制电路的输出端2084连接，逆流二极管601的负极与电磁阀的第一电压输入端2085连接，在本实施例中，逆流二极管601用于防止电磁阀产生的逆向电流对梯度阀控制电路207产生的不利影响，对梯度阀控制电路207起到保护作用。

作为本实施例中调节电路208的另一种优选实施方式，调节电路208中还包括一个电容602，连接在电磁阀的第一电压输入端2085和mos管2081的栅极之间，在本实施例中，通过调节电容602的大小，可以使mos管2081开启更快。

进一步地，调节电路208中还包括一个电阻603，连接在mos管2081的栅极的与地之间，在本实施例中，电阻603主要用于将电容602上积累的电荷释放掉，避免由于电磁阀长时间处于高压状态，电容602上积累大量的电荷，对其他器件造成的损坏。并且，如果电路出现故障，不能产生PWM信号降低等效电压，电容602和电阻603组成的阻容网络可以将电压慢慢降低，避免由于长时间处于高压状态对阀体造成的损坏。

作为本实施例中调节电路208的另一种优选实施方式，调节电路208中还包括一个发光二极管605，连接在mos管2081的漏极与源极之间，发光二极管605与放电电阻2082串联连接，发光二极管605的负极通过放电电阻2082与mos管2081的漏极连接，发光二极管605的正极与mos管2081的源极连接。在本实施例中，发光二极管605用于检测电磁阀的工作状态，起到提示作用，例如，电磁阀A的发光二极管亮，表示电磁阀A正在工作，电磁阀B的发光二极管不亮，表示电磁阀B没有工作。

作为本实施例中调节电路208的另一种举例说明，调节电路208中的放电电阻2082可以由一个电阻构成，也可以由多个电阻串联或者并联构成。

作为一种举例说明，梯度阀控制电路208和任意一电磁阀之间可以根据设计需要选择连接或者不连接调节电路208，连接调节电路208的电磁阀可以利用本发明所述的方法对电磁阀的开启和关闭响应时间进行调节，没有连接调节电路208的电磁阀不能够相应的调节。

本发明的发明人通过深入研究梯度阀的内部构造、驱动原理和开关动作特点，在大量的实验和数据的基础上，结合理论定性定量分析，把梯度阀中的电磁阀的动作分为三个阶段去进行分析。电磁阀开启阶段，利用瞬间过压，快速增大线圈电流，使其快速产生电磁力，吸引铁芯打开阀体；电磁阀保持开启阶段，利用PWM的方式，降低线圈电压电流，减小线圈的功率损耗，降低产生的热，并且为电磁阀关闭做铺垫；电磁阀关闭阶段，在掉电瞬间，电路切换到放电电阻2082那一路，将线圈上的能量立刻消耗掉，减小电磁阀的关闭时间。

并且本发明还产生了以下的有益效果：

1、减小了电磁阀的开启响应时间和关闭响应时间，电磁阀开启响应时间和关闭响应时间都集中在一个较小的时间范围内，有效减小了不同批次的梯度阀和同一梯度阀的不同电磁阀之间的差异性。

2、提高了梯度阀的响应速率。减小了经由阀体通道的流动相的流量不准确对测量结果的影响。

3、电磁阀开启时，通过瞬间过压，既保证了电磁完全开启，又有效的减小了长时间的大电压电流对阀体造成的损耗。并且由于减小了开启响应时间，则减小了相邻阀体通道之间切换的时候，产生的真空时间的长短。真空时间指的是梯度阀中的一个通道刚关闭，但另一个通道还没有打开的时候，此刻串联柱塞泵的泵体还是运动的，就会有吸液排液现象，导致产生反弹现象从而影响压力的值。

Claims (7)

1.一种具有梯度阀控制电路的液相色谱仪，包括N元梯度阀和梯度阀控制电路，N≥2，

所述N元梯度阀具有N个电磁阀，

所述梯度阀控制电路用于控制N个电磁阀的开启和关闭，

其特征在于，

所述梯度阀控制电路和至少一个电磁阀之间连接有一个调节电路，

所述调节电路包括一个mos管、一个放电电阻和一个反向二极管，

所述梯度阀控制电路的输出端与所述电磁阀的第一电压输入端连接，

所述mos管的栅极与所述电磁阀的第一电压输入端连接，所述mos管的漏极与所述电磁阀的第二电压输入端连接，所述mos管的源极与地连接，

所述放电电阻连接在mos管的漏极与源极之间，

所述反向二极管的负极与所述电磁阀的第一电压输入端连接，所述的反向二极管的正极与地连接；

所述梯度阀控制电路的工作过程，具体包括：

所述梯度阀控制电路输出直流电压信号，所述直流电压信号的幅值大于所述电磁阀的额定电压，使所述电磁阀进入开启状态；

当所述电磁阀进入开启状态后，所述调节电路进入过压开启状态，直流电压将mos管打开，所述电磁阀完全开启；

当所述电磁阀完全开启后，进入保持开启状态，所述梯度阀控制电路输出脉宽调制信号，所述电磁阀根据脉宽调制信号保持开启状态，所述脉宽调制信号的幅值与所述梯度阀控制电路的直流电压信号的幅值相等，所述脉宽调制信号的占空比根据所述电磁阀的特性调节；

当所述电磁阀输液完成进入关闭状态后，所述梯度阀控制电路停止输出电压信号。

2.根据权利要求1所述的液相色谱仪，其特征在于，所述梯度阀控制电路的输出端与所述电磁阀的第一电压输入端之间连接有一逆流保护二极管，所述逆流二极管的正极与所述梯度阀控制电路的输出端连接，所述逆流二极管的负极与所述电磁阀的第一电压输入端连接。

3.根据权利要求1所述的液相色谱仪，其特征在于，所述电磁阀的第一电压输入端和所述mos管的栅极之间连接有一电容。

4.根据权利要求3所述的液相色谱仪，其特征在于，所述mos管的栅极与地之间连接有一电阻。

5.根据权利要求1所述的液相色谱仪，其特征在于，在mos管的漏极与源极之间连接有一发光二极管，所述的发光二极管与所述的放电电阻串联连接，所述的发光二极管的负极通过所述的放电电阻与所述mos管的漏极连接，所述发光二极管的正极与所述mos管的源极连接。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的液相色谱仪，其特征在于，所述梯度阀控制电路和所述N个电磁阀中的任一电磁阀之间均连接有一个调节电路。

7.一种用于权利要求6所述的液相色谱仪的控制方法，其特征在于，包括以下步骤:

所述的梯度阀控制电路产生一直流电压信号，该直流电压信号的电压值大于所述电磁阀的额定电压，所述的电磁阀根据该直流电压信号进入开启状态；

所述的梯度阀控制电路产生一脉宽调制信号，所述的电磁阀根据该脉宽调制信号保持开启状态；

所述的梯度阀控制电路停止输出信号，所述的电磁阀进入关闭状态。