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Viele
Analyseanwendungen, wie z. B. Gaschromatographie, benötigen einen
geregelten Druck eines Fluids, um genaue und wiederholbare Messungen
zu erhalten. Wenn z. B. die Lieferung einer gasförmigen Probe in eine Analysesäule eines
Gaschromatographen vorbereitet wird, wird die Probe zuerst in etwas
gesammelt, was als eine "Probenschleife" bezeichnet wird,
und wird dann unter der Steuerung eines Gasprobenahmeventils in
die Analysesäule des
Chromatographen geleitet (auch "injiziert" genannt). Wenn das
Probenfluid in die Probenschleife geladen wird, ist die Menge einer
gasförmigen
Probe von vielen Faktoren abhängig,
von denen einer der Druck des Fluids in der Probenschleife ist.
Veränderungen
des Umgebungsdrucks (auch als Barometerdruck bezeichnet) beeinflussen
die Menge von Probenmolekülen,
die in dem Probenvolumen enthalten sind, was zu einer Veränderlichkeit
der absoluten Menge von Verbindungen führt, die durch die Chromatographieanalyse
erfasst werden.
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Ferner
ist, da die Probenschleife üblicherweise
auf Umgebungsdruck entlüftet
ist, die absolute Menge von Molekülen, die in der Probenschleife
enthalten sind, kleiner als dann, wenn sich die Probenschleife auf
einem erhöhten
Druck befinden würde. Dies
führt dazu,
dass eine kleinere Menge von Molekülen zur Analyse in die Chromatographiesäule injiziert
wird, wobei so die Genauigkeit der Analyse eingeschränkt wird.
Ferner liegt, da die Probenschleife auf einem relativ niedrigen
Messdruck bzw. Manometerdruck, verglichen mit dem Einlassdruck des
Chromatographen ist, in den die Probe injiziert wird, eine resultierte
Druck- und Flussstörung
vor, wenn der Inhalt der Probenschleife in den Chromatographen injiziert
wird. Diese Druck- und Flussstörung
reduziert die Genauigkeit der Chromatographieanalyse weiter.
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Frühere Lösungen umfassen
die Implementierung eines mechanischen Absolut-Gegendruckreglers
und eines Druckakkumulators, in dem der mechanische Druckregler
die Referenz für
alle Flüsse
innerhalb des Chromatographen wird. Nachteile eines derartigen Systems
umfassen jedoch die Anforderung, dass der mechanische Gegendruckregler häufig in
einem nicht an das System angeschlossenen Zustand kalibriert werden
muss, was einen Mangel an Programmierbarkeit und Einstellbarkeit
darstellt. Außerdem
können,
da alle Flüsse
in einem derartigen System auf einen mechanischen Druckregler bezogen
sind, und da mechanische Druckregler empfindlich gegenüber einem
Fluss sind, Variationen bei dem Fluss durch den Regler, die den
tatsächlichen
Druck in dem System beeinflussen, sich als Rauschen bei der Analyseausgabe
manifestieren, was die Genauigkeit der Analyse weiter reduziert.
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Ferner
reagieren, da alle Flüsse
in einem derartigen System sich durch den Absolutdruckregler bewegen,
alle Probenkomponenten, die chemisch aktiv werden, wenn sie ionisiert
werden (z. B. durch einen Flammenionisierungsdetektor), wahrscheinlich und
korrodieren Abschnitte des Reglers, wobei die Reglerdienstlebensdauer
so reduziert wird. Ferner werden, wenn der Regler aufgrund mechanischer Drift
oder als ein Ergebnis dessen, dass chemische Substanzen durch den
Regler laufen, altert, die Ergebnisse der Analyse weniger zuverlässig.
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Folglich
besteht ein Bedarf nach einem Gegendruckregler in einem Chromatographieanalysesystem,
der die oben erwähnten
Nachteile überwindet.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gegendruckregler
oder ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Druckregler gemäß Anspruch 1 oder 13 oder ein
Verfahren gemäß Anspruch
7 gelöst.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
weist ein elektronisch gesteuerter Gegendruckregler eine Analysevorrichtung,
die eine Entlüftung
aufweist, die durch einen Entlüftungsweg
mit der Analysevorrichtung gekoppelt ist, einen Drucksensor, der
mit dem Entlüftungsweg
gekoppelt ist, ein Proportionalventil, das mit dem Entlüftungsweg
gekoppelt ist, wobei das Proportionalventil konfiguriert ist, um
einen Druck in der Analysevorrichtung steuerbar zu verändern, und eine
elektronisch gesteuerte Regelung auf, die konfiguriert ist, um einen
Fluss durch die Entlüftung
basierend auf einem Signal von dem Drucksensor und einem elektronisch
gesteuerten Druck-Sollwert zu steuern.
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Weitere
Verfahren, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden Bezug nehmend
auf die Figuren und die detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm, das Abschnitte eines exemplarischen Gaschromatographen
(GC) darstellt, der ein Ausführungsbeispiel
eines elektronisch gesteuerten Gegendruckreglers umfasst;
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2A und 2B ein
schematisches Diagramm, das das Probenventil aus 1 darstellt;
-
3 ein
Blockdiagramm, das ein alternatives Ausführungsbeispiel des Abschnitts
des Gaschromatographen aus 1 darstellt;
-
4 ein
Blockdiagramm, das ein alternatives Ausführungsbeispiel des Abschnitts
des Gaschromatographen aus 1 darstellt;
-
5 ein
Blockdiagramm, das ein System darstellt, das einen GC und eine/n
Steuerung/Computer umfasst;
-
6 ein
Blockdiagramm, das eine/n exemplarische/n Steuerung/Computer darstellt,
die/der gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung aufgebaut ist;
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7 ein
Flussdiagramm, das die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels des elektronischen
Gegendruckreglers aus 1 beschreibt; und
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8 ein
Flussdiagramm, das die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels des elektronisch gesteuerten
Gegendruckreglers aus 3 beschreibt.
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Während die
Beschreibung unten zur Verwendung in einem Gaschromatographen erfolgt,
ist der elektronisch gesteuerte Gegendruckregler auf andere Analysevorrichtungen,
wie z. B. einen Flüssigchromatographen,
anwendbar, bei dem es wünschenswert
ist, den Gegendruck der Vorrichtung zu steuern. Ferner kann, obwohl
dies keine umfassende Liste ist, der elektronisch gesteuerte Gegendruckregler
verwendet werden, um den Druck eines Dampfs oberhalb einer Flüssig- oder
Festkörperprobe
zu regeln (auch als "Kopfraum"-Probenahmegerät bezeichnet),
kann verwendet werden, um die Konzentration einer Probe in einer
Probenschleife zu variieren, um eine Mehrebenenkalibrierung eines
Chromatographiedetektors bereitzustellen, kann verwendet werden,
um den Druck zu steuern und zu variieren, wenn der kalorische Gehalt
von Ergas bestimmt wird, und kann in einem Gasmischsystem verwendet
werden, um analytische Instrumente zu kalibrieren, die verwendet
werden, um Messdaten über
mehrere Komponenten gleichzeitig zu erzeugen.
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1 ist
ein Blockdiagramm, das Abschnitte eines exemplarischen Gaschromatographen
(GC) 100 darstellt, der ein Ausführungsbeispiel eines elektronisch
gesteuerten Gegendruck reglers umfasst. Der GC 100 umfasst
ein Probenventil 104, einen GC-Einlass 112 (der
zu einer Chromatographiesäule (nicht
gezeigt) führt),
und eine GC-Analysevorrichtung 116. Die GC-Analysevorrichtung 116 analysiert Probenmaterial
und liefert Ergebnisse 124. Die GC-Analysevorrichtung 116 wird über eine
GC-Entlüftung 118 auf
Atmosphärendruck
entlüftet.
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Eine
Probe wird über
eine Verbindung 102 in das Probenventil 104 eingeführt. Wie
unten detaillierter beschrieben wird, kann die Ausgabe eines Probenventils über eine
Verbindung 106 zu dem GC-Einlass 112 oder über eine
Verbindung 108 zu einer Probenentlüftung 168 geleitet
werden. Während
eines Ladebetriebs leitet das Probenventil 104 die Probe
in etwas, was als "Probenschleife" bezeichnet wird
(in 1 nicht gezeigt). Wenn die Probe durch das Probenventil 104 geleitet
wird, wird dieselbe von der Probenschleife in den GC-Einlass 112 injiziert.
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Das
Probenventil 104 kann auch die Probe über die Verbindung 108,
durch eine Verbindung 166 und durch ein Proportionalventil 164 zu
der Probenentlüftung 168 leiten.
Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist das Proportionalventil 164 elektronisch über eine
Verbindung 172 steuerbar. Eine Regelung 158 steuert
den Betrieb des Probenventils 168. Während der elektronische Gegendruckregler 150 bei
diesem Beispiel als mit einer Probenentlüftung gekoppelt beschrieben
ist, kann derselbe in jeder Anwendung implementiert sein, in der
es wünschenswert
ist, eine elektronische Gegendrucksteuerung bereitzustellen. Der
elektronische Gegendruckregler 150 kann z. B. verwendet
werden, um eine Druckregelung eines Trägers- oder eines Schaltgases
in einem Analysesystem bereitzustellen.
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Die
Regelung 158 ist Teil eines elektronischen Gegendruckreglers 150.
Der elektronische Gegendruckregler 150 umfasst einen Messdruck- bzw.
Manometerdrucksensor 152, der über eine Verbindung 154 mit
der Verbindung 108 gekoppelt ist, um den Messdruck an dem
Ausgang des Probenventils 104 zu erfassen. Der Messdrucksensor 152 misst Drücke relativ
zum Umgebungs-(Barometer-)Druck durch ein Erfassen eines Umgebungsdrucks
auf der Verbindung 174 und ein Erfassen des Drucks auf
der Verbindung 108. Der Messdrucksensor 152 liefert
ein Signal über
eine Verbindung 156 an die Regelung 158, das den
Druck auf der Verbindung 108 anzeigt. Ein Drucksollwert
kann elektronisch in die Regelung programmiert sein. Der Drucksollwert
kann auch elektronisch z. B. über
einen Personalcomputer oder eine weitere Steuerung, was unten beschrieben
wird, gemäß einer
Benutzereingabe oder gemäß einem Programm
gesteuert werden. Unter Verwendung der Drucksollwertinformationen
und des Drucksignals von dem Messdrucksensor 152 steuert
die Regelung 158 den einstellbaren Eingang 172 des
Proportionalventils 164 über eine Verbindung 162,
um den Druck an dem Ausgang 108 des Probenventils 104 steuerbar
zu verändern.
Auf diese Weise können
der Druck im Inneren der Probenschleife und der Druck, wenn die
Probe in den GC-Einlass 112 injiziert wird, basierend auf
dem vom Benutzer eingegebenen Sollwert oder auf einer programmierten
Druckeinstellung gesteuert werden.
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Die 2A und 2B sind
ein schematisches Diagramm 200, das das Probenventil 104 aus 1 darstellt.
Bezug nehmend auf 2A umfasst das Probenventil 104 einen
Ventilkörper 204 und
einen Rotor 206. Das Probenventil 104 umfasst
ein erstes Tor 208, ein Entlüftungstor 212, ein
Probentor 214, ein zweites Tor 216, ein Trägergastor 218 und ein
Säulentor 222. 2A stellt
das Probenventil 104 in einem "Lade"-Zustand dar. Eine
Trägergasquelle 236,
die durch eine Flusssteuerung 234 gesteuert wird, liefert
Trägergas
durch das Tor 218, durch das Probenventil 104,
aus dem Säulentor 222 heraus
und in den GC-Einlass 112. In dem Ladezustand wird eine
Probe 226 über
das Probentor 214, durch das Tor 216 auf eine
Leitung 228 und in die Probenschleife 230 eingeführt. Die
Probe füllt
die Probenschleife 230, verlässt die Probenschleife über einen
Kanal 232, gelangt über
das Tor 208 in das Ventil 104 und verlässt das
Ventil 104 über
das Tor 212 durch eine Entlüftung 224. Die Probenschleife wird
mit dem Probenmaterial beladen und über die Entlüftung 224 entlüftet.
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2B stellt
das Probenventil 104 in einem Zustand dar, der als der "Injektions"-Zustand bezeichnet
wird. In dem Injektionszustand fließt das Trägergas 236 durch die
Flusssteuerung 234 in das Tor 218, aus dem Tor 216 heraus
in die Leitung 228 und durch die Probenschleife 230.
Das Trägergas 236 treibt
das Probenmaterial in die Probenschleife 230 durch die
Leitung 232, in das Tor 208 und aus dem Tor 222 heraus
in den GC-Einlass 212. Während des Injektionszustands
wird die Probe 226 durch das Ventil 104 an die
Entlüftung 224 geleitet.
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Wie
oben beschrieben ist, kann die Menge an Probe, die in der Probenschleife 230 enthalten
ist, durch ein Steuern des Gegendrucks, der an die Verbindung 108 in 1 angelegt
wird, gesteuert werden, was dem Tor 212 und der Entlüftung 224 der 2A und 2B entspricht.
Ferner kann durch ein Verwenden der Regelung 158 und des
durch den Benutzer definierten Sollwerts oder des elektronisch programmierten
Sollwerts zur Erhöhung
des Gegendrucks, der an die Verbindung 108 angelegt wird,
der Druck innerhalb der Probenschleife 230 (2A und 2B)
so erhöht
werden, dass zusätzliches
Probenmaterial in die Probenschleife 230 geladen werden
kann, was zu einer erhöhten
Empfindlichkeit der GC-Analysevorrichtung 116 führt. Ferner
minimiert ein Einstellen des Gegendrucks auf einen Druck, der dem
Druck am dem GC-Einlass 112 ähnelt, alle Druck- und resultierenden
Flussstörungen,
die aus der Injektion der Probe in den Einlass resultieren, wobei
so die Genauigkeit der Analyse, die durch die GC-Analysevorrichtung 116 bereitgestellt
wird, verbessert wird.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das ein alternatives Ausführungsbeispiel des Abschnitts
des Gaschromatographen aus 1 darstellt.
Der GC 300 umfasst ein Probenventil 304, einen
GC-Einlass 312 (der zu einer Chromatographiesäule (nicht
gezeigt) führt)
und eine GC-Analysevorrichtung 316. Die GC-Analysevorrichtung 316 analysiert
Probenmaterial und liefert Ergebnisse 324. Die GC-Analysevorrichtung 316 wird über eine
GC-Entlüftung 318 auf Atmosphärendruck
entlüftet.
Eine Probe wird über eine
Verbindung 302 in das Probenventil 304 eingeführt. Das
Probenventil 304 arbeitet ähnlich wie das oben beschriebene
Probenventil 104.
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Die
Regelung 358 ist Teil eines elektronischen Gegendruckreglers 350.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
umfasst der elektronische Gegendruckregler 350 einen Messdrucksensor 352,
der mit Umgebungsdruck auf der Verbindung 375 und auf der
Verbindung 308 über
eine Verbindung 354 gekoppelt ist, um den Messdruck an
dem Ausgang des Probenventils 304 zu erfassen. Der Messdrucksensor 352 liefert
ein Signal über
eine Verbindung 356 an die Regelung 358, das den
Druck auf der Verbindung 308 anzeigt.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
liefert ein Absolutdrucksensor 376, der einen Umgebungs-(Barometer-)Druck über eine
Verbindung 374 erfasst, ein Absolutdrucksignal über eine
Verbindung 378 an die Regelung 358. In einem Absolutdrucksensor
wird eine Seite der Membran in dem Drucksensor nicht auf Umgebungsdruck
entlüftet,
sondern ist mit einem evakuierten Volumen verbunden, so dass er
einen Druck relativ zu einem Vakuum, nicht relativ zu einem Umgebungsdruck
misst. Bei diesem Ausführungsbeispiel
weist die Regelung 358 zwei Drucksensoreingänge auf,
den Standardmessdrucksensoreingang von dem Messsensor 352 und
den Absolutdruckeingang von dem Absolutdrucksensor 376.
Die Regelung 358 kann arithmetisch die beiden Drucksensorstände kombinieren,
um den Absolutdruck an der Verbindung 354 zu bestimmen.
Diese Fähigkeit
erlaubt es einem Benutzer, einen Absolutgegendrucksollwert einzustellen,
um den Druck in der Probenschleife (2A und 2B)
zu steuern, oder ermöglicht
es, dass der Absolutgegendruck durch den Chromatographen als Teil
einer Verfahrens-Anfahrprozedur programmiert wird.
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Ein
Absolutdrucksollwert kann elektronisch in die Regelung 358 programmiert
werden. Der Drucksollwert kann auch elektronisch z. B. über einen
Personalcomputer oder eine andere Steuerung, was unten beschrieben
ist, gemäß einer
Benutzereingabe oder gemäß einem
Programm gesteuert werden. Unter Verwendung der Absolutdrucksollwertinformationen
und des Drucksignals von dem Messdrucksensor 352 steuert
die Regelung 358 den einstellbaren Eingang 372 des
Proportionalventils 364 über eine Verbindung 362,
um steuerbar den Druck an dem Ausgang 308 des Probenventils 304 zu
verändern.
Auf diese Weise können
der Druck im Innern der Probenschleife und der Druck, wenn die Probe
in den GC-Einlass 312 injiziert wird, basierend auf dem vom
Benutzer eingegebenen Sollwert oder auf einer programmierten Druckeinstellung
gesteuert werden. Eine derartige Implementierung erlaubt es, dass
der GC 300 einen Probenstrom liefert, der größtenteils unabhängig von
einem Barometerdruck ist, und ermöglicht eine elektronische Steuerung
des Absolutgegendrucks des GC 300.
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4 ist
ein Blockdiagramm 400, das ein alternatives Ausführungsbeispiel
des Abschnitts des Gaschromatographen aus 1 darstellt.
Der GC 400 umfasst ein Probenventil 404, einen
GC-Einlass 412 (der zu einer Chromatographiesäule (nicht
gezeigt) führt)
und eine GC-Analysevorrichtung 416. Die GC-Analysevorrichtung 416 analysiert
Probenmaterial und liefert Ergebnisse 424. Die GC-Analysevorrichtung 416 wird über eine
GC-Entlüftung 418 auf Atmosphärendruck
entlüftet.
Eine Probe wird über eine
Verbindung 402 in das Probenventil 404 eingeführt. Das
Probenventil 404 wirkt ähnlich
wie das oben beschriebene Probenventil 104.
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Die
Regelung 458 ist Teil eines elektronischen Gegendruckreglers 450.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der Messdrucksensor weggelassen und ein Absolutdrucksensor 476,
der dem Absolutdrucksensor 376 aus 3 ähnelt, befindet
sich an dem Ausgang 408 des Probenventils 404,
um ein Absolutdrucksignal, das den Absolutdruck an einer Verbindung 454 darstellt, über eine
Verbindung 456 zu der Regelung 458 zu liefern.
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Ein
Absolutdrucksollwert kann elektronisch in die Regelung 458 programmiert
sein. Der Drucksollwert kann auch elektronisch z. B. über einen
Personalcomputer oder eine weitere Steuerung, was unten beschrieben
ist, gemäß einer
Benutzereingabe oder gemäß einem
Programm gesteuert werden. Unter Verwendung der Absolutdrucksollwertinformationen
und des Absolutdrucksignals von dem Absolutdrucksensor 476 steuert
die Regelung 458 den einstellbaren Eingang 472 des
Proportionalventils 464 über eine Verbindung 462,
um den Druck an dem Ausgang 408 des Probenventils 404 steuerbar
zu verändern.
Auf diese Weise können
der Druck im Innern der Probenschleife und der Druck, wenn die Probe
in den GC-Einlass 412 injiziert wird, basierend auf dem
durch den Benutzer eingegebenen Absolutdrucksollwert oder auf einer
programmierten Druckeinstellung gesteuert werden. Eine derartige
Implementierung erlaubt es, dass der GC 400 einen Probenstrom
bereitstellen kann, der größtenteils
unabhängig
von einem Barometerdruck ist, und erlaubt eine elektronische Steuerung
des Absolutgegendrucks des GC 400.
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5 ist
ein Blockdiagramm, das ein System 500 darstellt, das einen
GC 100 und eine/n Steuerung/Computer 600 umfasst.
Der GC 100 ist durch eine bidirektionale Verbindung 502 mit
der/m Steuerung/Computer 600 gekoppelt. Der GC 100 trennt und
erfasst Verbindungen in einer Probenmatrix, wie oben beschrieben
wurde, und erzeugt Verweilzeitdaten für jede Verbindung. Die/der
Steuerung/Computer 600 steuert eine Funktionalität, Datenerfassung und
Datenverarbeitung in Bezug auf den GC 100. Die Steuerung 600 kann
z. B. ein Computer, eine computergesteuerte Steuerung oder ein weiterer
Typ von Rechenvorrichtung sein, die Verarbeitungs-, Schnittstellen-
und Softwarekomponenten umfasst, die verwendet werden, um alle Aspekte
des GC 100 zu steuern. Alternativ kann die Funktionalität der Steuerung 600 in
dem GC 100 beinhaltet sein.
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6 ist
ein Blockdiagramm, das eine/n exemplarische/n Steuerung/Computer 600 darstellt, die/der
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung aufgebaut ist. Im Allgemeinen umfasst der Computer 600 in
Bezug auf den Hardwareaufbau, wie in 6 gezeigt
ist, einen Prozessor 604, einen Speicher 606 (eines
oder mehrere Direktzugriffsspeicher-(RAM-)Elemente, Nur-Lese-Speicher-(ROM-)Elemente
usw.), ein optionales Austauschmedienplattenlaufwerk 612,
eine Gaschromatographenschnittstelle 608, die als eine "GC-Schnittstelle 208" bezeichnet wird,
durch die die Steuerung 600 mit dem GC 100 (5)
gekoppelt ist, eine Eingangs/Ausgangssteuerung 622 und
ein Leistungsmodul 665, die miteinander verbunden sind,
und die miteinander über
eine lokale Schnittstelle 618 kommunizieren. Die lokale
Schnittstelle 618 kann z. B., jedoch nicht ausschließlich, einer
oder mehrere Busse oder andere verdrahtete oder drahtlose Verbindungen
sein, wie Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt ist. Die lokale Schnittstelle 618 kann
zusätzliche
Elemente aufweisen, die zur Vereinfachung weggelassen sind, wie
z. B. Pufferspeicher (Cache-Speicher), Treiber und Steuerungen,
um Kommunikationen zu ermöglichen.
Ferner umfasst die lokale Schnittstelle 618 Adress-, Steuer-
und Datenverbindungen, um geeignete Kommunikationen unter den zuvor
genannten Komponenten zu ermöglichen.
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Der
Prozessor 604 ist eine Hardware-Vorrichtung zur Ausführung einer
Software, die in dem Speicher 606 gespeichert sein kann.
Der Prozessor 604 kann jeder geeignete Prozessor zur Implementierung
der Funktionalität
der/s Steuerung/Computers 600 sein. Bei einem Ausführungsbeispiel
läuft die/der
Steuerung/Computer 600 auf einem Personalcomputer (PC).
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Der
Speicher 606 kann jedes oder eine Kombination flüchtiger
Speicherelemente (z. B. Direktzugriffspeicher (RAM, wie z. B. DRAM,
SRAM usw.)) und nicht-flüchtiger
Speicherelemente (z. B. NVRAM, ROM, Festplatte, Band, CDROM usw.)
um fassen. Ferner kann der Speicher 606 elektronische, magnetische,
optische und/oder andere Typen von Speichermedien beinhalten. Es
wird angemerkt, dass der Speicher 606 einen verteilten
Aufbau aufweisen kann, bei dem sich verschiedene Komponenten entfernt
voneinander befinden, wobei jedoch auf dieselben durch den Prozessor 604 zugegriffen
werden kann.
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Die
Software in dem Speicher 606 kann eines oder mehrere separate
Programme umfassen, wobei jedes derselben eines oder mehrere Code-Segmente
aufweist, die eine geordnete Auflistung ausführbarer Instruktionen zum Implementieren
von Logikfunktionen sind. Bei dem Beispiel aus 6 umfasst
die Software in dem Speicher 606 Software in der Form einer
Gaschromatographen-(GC)Software 636 und einer Gegendrucksteuersoftware 650.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
kann die Gegendrucksteuersoftware 650 in die GC-Software 636 integriert
sein. Die GC-Software 636 kann z. B. ein geschütztes Software-Modul
sein, das die oben beschriebene GC-Analyse unter Verwendung einer
Verweilzeitanalyse durchführt.
Die Gegendrucksteuersoftware 650 kann die Logik und Programminstruktionen
zum Steuern des Gegendrucks des oben beschriebenen GC 100 umfassen.
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Der
Speicher 606 umfasst außerdem eine graphische Benutzerschnittstelle
(GUI) 649. Die GUI 649 liefert eine graphische
Benutzerschnittstelle für die/den
Steuerung/Computer 600 und zeigt außerdem Informationen für einen
Benutzer auf der Anzeige 680 an. Der Speicher 606 umfasst
ebenso eines oder mehrere Betriebssoftwaremodule, die kollektive als
Betriebssystem (O/S) 610 bezeichnet werden. Das O/S 610 kann
Software-Module umfassen, die eine bestimmte Funktionalität der/s
Steuerung/Computers 600, was hierin nicht besonders beschrieben ist,
durchführen.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
das O/S 610 das häufig
verfügbare
Betriebssystem Microsoft 2000 oder XP, erhältlich bei Microsoft. Andere
Betriebssysteme können
jedoch verwendet werden. Das Betriebssystem 610 steuert
im Wesentlichen die Ausführung
anderer Computerprogramme, wie z. B. der GC-Software 636 und
der Gegendrucksteuersoftware 650. Der Prozessor 604 und
das Betriebssystem 610 definierten eine Computerplattform, für die Anwendungsprogramme,
wie z. B. die GC-Software 636 und die Gegendrucksteuersoftware 650,
in Programmiersprachen auf höherer
Ebene geschrieben sind. Die GC-Software 636 und die Gegendrucksteuersoftware 650 umfassen
die ausführbaren
Instruktionen, die es ermöglichen,
dass die/der Steuerung/Computer 600 den Gegendruck der
Probe in der Probenschleife steuern und Zielverbindungen in einer
Probenmatrix erfassen, trennen und identifizieren kann.
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Die
Eingangs/Ausgangs-Steuerung 622 umfasst eine Netzschnittstelle 624,
eine Eingangsschnittstelle 645 und eine Ausgangsschnittstelle 656, die
jeweils in Kommunikation mit der lokalen Schnittstelle 618 stehen.
Die Netzschnittstelle 624 koppelt die/der Steuerung/Computer 600 über eine
Verbindung 626 mit einem externen Netz 628. Das
externe Netz kann jedes Netz sein, mit dem die/der Steuerung/Computer 600 eine
Kopplung zum Austausch von Informationen herstellen kann. Die Eingangsschnittstelle 645 ist über eine
Verbindung 644 mit einem internen Tastenfeld 646 und über eine
Verbindung 648 mit einem externen Tastenfeld 652 gekoppelt.
Das interne Tastenfeld 646 befindet sich auf der/m Steuerung/Computer 600,
während
das externe Tastenfeld 652 ein Hilfstastenfeld ist, mit
dem die/der Steuerung/Computer 600 gekoppelt sein kann.
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Die
Ausgangsschnittstelle 656 ist über eine Verbindung 658 mit
einem Drucker 667 gekoppelt. Der Drucker 667 kann
verwendet werden, um eine permanente Aufzeichnung der Analyseergebnisse, die
durch den GC 100 erhalten werden, unter der Steuerung der/s
Steuerung/Computers 600 zu liefern. Die Ausgangsschnittstelle 656 ist
außerdem über eine
Verbindung 664 mit einer Videosteuerung 670 gekoppelt.
Die Videosteuerung 670 ist über eine Verbindung 672 mit
einer Anzeige 680 gekoppelt. Die Anzeige 680 kann
eine LCD-Berührungs bildschirmanzeige
sein, die eine Eingabe von einem Benutzer empfangen kann, kann jedoch
jeder Typ geeigneter Anzeige sein.
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Das
Plattenlaufwerk 612 kann jedes Speicherelement und jede
Speichervorrichtung sein und bezieht sich im Allgemeinen, wie es
hierin verwendet wird, auf einen Flash-Speicher, der manchmal als eine
Compact Flash-(CF-) oder PC-Karte bezeichnet wird.
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Das
Leistungsmodul 665 kann die/den Steuerung/Computer 600 von
einer Wechselsignal-Leistungsquelle mit Leistung versorgen oder
kann Batterien und ein eingebautes Ladegerät zur Bereitstellung einer
tragbaren Gleichsignalleistung umfassen. Die GC-Schnittstelle 608 liefert
sowohl elektrische als auch mechanische Schnittstellen zu einer GC-Vorrichtung.
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Wenn
die/der Steuerung/Computer 600 in Betrieb ist, ist der
Prozessor 604 konfiguriert, um eine in dem Speicher 606 gespeicherte
Software auszuführen,
Daten zu und von dem Speicher 606 zu kommunizieren und
im Allgemeinen Operationen der/s Steuerung/Computers 600 und
des GC 100 (5) gemäß der Software zu steuern.
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Wenn
Abschnitte der/s Steuerung/Computers 600 in Software implementiert
sind, wie z. B. in 6 gezeigt ist, wird darauf verwiesen,
dass das O/S 610, die GC-Software 636 und die
Gegendrucksteuersoftware 650 auf jedem computerlesbaren
Medium zur Verwendung durch oder in Verbindung mit einem mit einem
Computer verwandten System oder Verfahren gespeichert sein können. In
dem Zusammenhang dieses Dokuments ist ein computerlesbares Medium
eine elektronische, magnetische, optische oder andere physische
Vorrichtung oder Einrichtung, die ein Computerprogramm zur Verwendung
durch oder in Verbindung mit einem mit einem Computer verwandten
System oder Verfahren enthalten oder speichern kann. Das O/S 610,
die GC-Software 636 und die Gegendrucksteuersoft ware 650 können in
jedem computerlesbaren Medium zur Verwendung durch oder in Verbindung
mit einem Instruktionsausführungssystem,
einem -gerät
oder einer -vorrichtung ausgeführt
sein, wie z. B. einem System auf Computerbasis, einem prozessorhaltigen System
oder einem weiteren System, das die Instruktionen von dem Instruktionsausführungssystem,
dem -gerät
oder der -vorrichtung holen und die Instruktionen ausführen kann.
In dem Zusammenhang dieses Dokuments kann ein "computerlesbares Medium" jede Einrichtung
sein, die das Programm zur Verwendung durch oder in Verbindung mit
dem Instruktionsausführungssystem,
dem -gerät
oder der -vorrichtung enthalten, speichern, kommunizieren, weiterleiten
oder transportieren kann.
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Das
computerlesbare Medium kann z. B., jedoch nicht ausschließlich, ein
elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder
Halbleitersystem, ein -gerät,
eine -vorrichtung oder ein Ausbreitungsmedium sein. Spezifischere Beispiele
(eine nicht ausschließliche
Liste) des computerlesbaren Mediums umfassen folgende: eine elektrische
Verbindung (elektronisch), die einen oder mehrere Drähte aufweist,
eine tragbare Computerdiskette (magnetisch), einen Direktzugriffsspeicher (RAM)
(elektronisch), einen Nur-Lese-Speicher (ROM) (elektronisch), einen
löschbaren,
programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM oder Flash-Speicher) (elektronisch),
eine optische Faser (optisch) und einen tragbaren Kompaktplatten-Nur-Lese-Speicher
(CDROM) (optisch). Es wird angemerkt, dass das computerlesbare Medium
sogar Papier oder ein weiteres geeignetes Medium sein könnte, auf
das das Programm gedruckt ist, wenn das Programm elektronisch, z.
B. über
ein optisches Abtasten des Papiers oder des anderen Mediums, erfasst,
dann kompiliert, interpretiert oder anderweitig auf eine geeignete
Art und Weise, falls dies nötig
ist, verarbeitet und dann in einem Computerspeicher gespeichert
werden kann.
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Die
Hardware-Komponenten der/s Steuerung/Computers 600 können mit
einer oder einer Kombination der folgenden Techno logien implementiert
sein, die jeweils in der Technik bekannt sind: einer oder mehreren
diskreten Logikschaltungen, die Logikgatter aufweisen, zum Implementieren
von Logikfunktionen auf Datensignale hin, einer anwendungsspezifischen
integrierten Schaltung (ASIC), die geeignete Kombinationslogikgatter
aufweist, einem oder mehreren programmierbaren Gate-Arrays (PGA),
einem frei programmierbaren Gate-Array (FPGA),
usw.
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7 ist
ein Flussdiagramm 700, das die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels
des in 1 gezeigten elektronischen Gegendruckreglers beschreibt.
Bei Block 702 wird der Gegendrucksollwert eingestellt.
Der Gegendrucksollwert kann z. B. dadurch eingestellt werden, dass
ein Benutzer den Sollwert über
die Benutzerschnittstelle 649 (6) der Steuerung 600 eingibt.
Alternativ kann der Sollwert automatisch durch die Gegendrucksteuersoftware 650 aus 6 eingestellt
werden. Bei Block 704 liefert der Messdrucksensor 152 einen
Messdruckstand an die Regelung 158. Bei Block 706 bestimmt
die Gegendrucksteuersoftware 650, ob der Messdruck oberhalb
des Sollwerts ist. Wenn der Messdruck oberhalb des Sollwerts ist,
bewirkt bei Block 708 die Gegendrucksteuersoftware 650,
dass die Regelung 158 den Druck reduziert, indem die Entlüftungskapazität des Proportionalventils 164 erhöht wird.
Wenn jedoch in Block 706 bestimmt wird, dass der erfasste
Druck unterhalb des Sollwerts ist, bewirkt die Gegendrucksteuersoftware 650 bei
Block 712, dass die Regelung 158 das Proportionalventil 172 so
steuert, um den Druck in der Probenschleife 230 zu erhöhen. Nachdem
bei Block 708 der Druck reduziert oder bei Block 712 erhöht wurde,
fährt das Verfahren
mit Block 714 fort.
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Bei
Block 714 wird bestimmt, ob eine zusätzliche Druckeinstellung benötigt wird.
Gemäß der Funktionsweise
der Regelung wird eine kontinuierliche Regeloperation fortgeführt, wenn
das Verfahren zu Block 702 zurückkehrt. Falls keine zusätzliche Druckereinstellung
benötigt
wird, endet das Verfahren.
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8 ist
ein Flussdiagramm 800, dass die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels
des in 3 gezeigten elektronischen Gegendruckreglers beschreibt.
Bei Block 802 wird der Gegendrucksollwert eingestellt.
Der Gegendrucksollwert kann z. B. dadurch eingestellt werden, dass
ein Benutzer den Sollwert über
eine Benutzerschnittstelle 649 (6) der Steuerung 600 eingibt.
Alternativ kann der Sollwert automatisch durch die Gegendrucksteuersoftware 650 aus 6 eingestellt
werden. Bei Block 804 liefert der Messdrucksensor 352 ein
Messdrucksignal an die Regelung 358. Bei Block 806 liefert
der Absolutdrucksensor ein Signal, das den Umgebungsdruck darstellt, über eine
Verbindung 378 an die Regelung 358. Bei Block 808 kombiniert
die Gegendrucksteuersoftware 650 arithmetisch den Messdruckstand
und den Umgebungsdruckstand, um einen Absolutdruckwert zu erhalten.
Bei Block 812 wird bestimmt, ob der Absolutdruck größer als
der Sollwert ist. Wenn der Absolutdruck größer als der Sollwert ist, steuert
die Regelung 358 bei Block 814 das Proportionalventil 364,
um den Druck an dem Ausgang des Probenventils 304 zu reduzieren,
und dadurch den Druck innerhalb der Probenschleife 230. Wenn
jedoch in Block 812 bestimmt wird, dass der Absolutdruckwert
unterhalb des Sollwerts ist, steuert bei Block 816 die
Regelung 358 das Proportionalventil 364, um den
Druck an dem Ausgang des Probenventils 304 zu erhöhen und
dadurch den Druck innerhalb der Probenschleife 230 zu erhöhen. Nachdem der
Druck bei Block 814 reduziert oder bei Block 816 erhöht wurde,
fährt das
Verfahren mit Block 818 fort.
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Bei
Block 818 wird bestimmt, ob eine zusätzliche Druckeinstellung benötigt wird.
Gemäß der Operation
der Regelung wird eine kontinuierliche Regeloperation fortgesetzt,
wenn das Verfahren zu Block 802 zurückkehrt. Falls keine zusätzliche
Druckeinstellung benötigt
wird, endet das Verfahren.
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9 ist
ein Flussdiagramm 900, das die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels
des in 4 gezeigten elektroni schen Gegendruckreglers beschreibt.
Bei Block 902 wird der Gegendrucksollwert eingestellt.
Der Gegendrucksollwert kann z. B. dadurch eingestellt werden, dass
ein Benutzer den Sollwert über
die Benutzerschnittstelle 649 (6) der Steuerung 600 eingibt.
Alternativ kann der Sollwert automatisch durch die Gegendrucksteuersoftware 650 aus 6 gesetzt
werden. Bei Block 904 liefert der Absolutdrucksensor 476 einen
Absolutdruckstand an die Regelung 458. Bei Block 906 bestimmt
die Gegendrucksteuersoftware 650, ob der Absolutdruck oberhalb
des Sollwerts ist. Wenn der Absolutdruck oberhalb des Sollwerts
ist, bewirkt bei Block 908 die Gegendrucksteuersoftware 650,
dass die Regelung 458 den Druck reduziert, indem die Entlüftungskapazität des Proportionalventils 464 erhöht wird.
Wenn jedoch in Block 906 bestimmt wird, dass der erfasste
Druck unterhalb des Sollwerts ist, bewirkt bei Block 912 die
Gegendrucksteuersoftware 650, dass die Regelung 458 das
Proportionalventil 472 steuert, um den Druck in der Probenschleife 230 zu
erhöhen.
Nachdem der Druck bei Block 908 reduziert oder bei Block 912 erhöht wurde,
fährt das
Verfahren mit Block 914 fort.
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Bei
Block 914 wird bestimmt, ob eine zusätzliche Druckeinstellung benötigt wird.
Gemäß der Operation
der Regelung wird eine kontinuierliche Regeloperation fortgeführt, wenn
das Verfahren zu Block 902 zurückkehrt. Falls keine zusätzliche
Druckeinstellung benötigt
wird, endet das Verfahren.
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Ein
erhöhter
Gegendruck reduziert außerdem
eine Kondensation, die innerhalb der Probenschleife 230 auftreten
kann, wenn der Druck der Probe reduziert wird, wenn dieselbe in
den GC-Einlass 112 und in die GC-Säule injiziert wird. Gemäß den oben
beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann der Absolutgegendruck an dem Ausgang des Probenventils
elektronisch gesteuert werden und kann als Teil des Instrumentenaufbaus
gespeichert und automatisch aufgerufen werden, wodurch eine manuelle
Einstelloperation beseitigt wird. Außerdem werden, da alle Flüsse innerhalb
des GC 100, 300 und 400 unabhängig sind,
Probleme, bei denen das gesam te Material durch den Gegendruckregler
fließt,
beseitigt. Ein Anordnen des elektronischen Gegendruckreglers 150, 350 und 450 an
einer stromabwärtigen
Position von dem Analyseprobenpunkt (d.h. dem GC-Einlass) beseitigt
eine gegenseitige Verunreinigung zwischen Proben- und Entlüftungsfluss.
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Der
elektronisch gesteuerte Gegendruckregler kann in anderen Implementierungen
verwendet werden. Der elektronische Gegendruckregler kann z. B.
in etwas eingesetzt werden, was als eine "Kopfraumprobenahmevorrichtung" bezeichnet wird.
Eine Kopfraumprobenahmevorrichtung wird verwendet, um den Dampf
oberhalb einer Flüssig/Festkörperprobe
zu untersuchen. Eine Viole, die die Probe enthält, wird erwärmt, um
die Menge an Probe in der Dampfphase zu erhöhen, und mit einem Edelgas
unter Druck gesetzt. Dieser "unter
Druck gesetzte Kopfraum" wird
dann über
ein Probenventil, wie es oben beschrieben wurde, auf Umgebungsdruck
entlüftet. Dies
stellt eine spezifische Anwendung/Vorrichtung dar, die die Probe
(302) aus 3 liefert.
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Der
elektronisch gesteuerte Gegendruckregler kann auch bei einer Mehrebenenkalibrierung
eines Detektors in einer Analysevorrichtung verwendet werden. Da
kein Detektor eine rein lineare Antwort aufweist, ist es in der
Chromatographie üblich,
dass der Detektor über
einen Bereich von Einlasskonzentrationen kalibriert wird. Dies wird
als "Mehrebenenkalibrierung" bezeichnet. Da einige
Probetypen (z. B. Konzentrationsstandards für AsH3, Arsin) sehr teuer sind,
wäre ein
System, das die Menge (d.h. Anzahl von Molen des Analyts) in der
Probenschleife variieren kann, wobei es so ermöglicht wird, dass nur ein Konzentrationsstandard
zur Bereitstellung eines Bereichs von Konzentrationen für die Detektor-Mehrebenenkalibrierung
verwendet werden kann, von Vorteil.
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Der
elektronisch gesteuerte Gegendruckregler kann auch verwendet werden,
um wiederholte Messungen gegenüber
Verände rungen
bei Atmosphärendruck
des kalorischen Gehalts von Erdgas zu liefern.
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Der
elektronisch gesteuerte Gegendruckregler kann auch in einem Gasmischsystem
verwendet werden. Um analytische Instrumente zu kalibrieren, die
Messdaten über
mehrere Verbindungen gleichzeitig erzeugen können (z. B. Atomaremissionsdetektor,
Ultraviolett-Sichtbar-Detektor, Massenspektrometer, usw.), kann
ein Gasmischsystem verwendet werden. Eine Weise zum Aufbauen eines
derartigen Gasmischsystems besteht darin, eine separate Flusssteuerung
für jedes
Reagenzgas, das kombiniert werden soll, zu implementieren und alle
Flussteuerungsausgaben zu kombinieren. Die Sollwerte der Mehrfachflussteuerungen
können
verwendet werden, um die "Mischungs"-Prozentsätze zu bestimmen.
Diese Mischung wird dann an ein Gasprobenahmeventil angelegt. Ein
Anordnen eines Absolutgegendruckreglers gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung
an dem Auslass eines derartigen Probenahmeventils ermöglicht es,
dass die Gesamtmenge (z. B. Anzahl von Molen des Analyts) des gemischten
Gases unabhängig
von den Mischungsprozentsätzen
variiert werden kann.
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Die
vorangegangene detaillierte Beschreibung wurde lediglich für ein Verständnis exemplarischer
Implementierungen der Erfindung angeführt, wobei keine unnötigen Einschränkungen
hieraus aufgefasst werden sollten, da Modifizierungen für Fachleute
auf diesem Gebiet ersichtlich sind, ohne von dem Schutzbereich der
beigefügten
Ansprüche
und ihrer Äquivalente
abzuweichen.