DE69029162T2

DE69029162T2 - Gaschromatograph mit integrierter Drucksteuerung

Info

Publication number: DE69029162T2
Application number: DE69029162T
Authority: DE
Inventors: Lesley M Freed; Kenneth J Klein; John R Phillips; Michael Thompson
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1989-05-09
Filing date: 1990-03-21
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2010-03-22
Also published as: EP0396884A2; EP0396884B1; JPH0318756A; EP0396884A3; JP2997293B2; DE69029162D1; US4994096A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Fortschritt in der Technik der Gaschromatographie (GC), und insbesondere auf ein GC-System, das Fluß- und Temperatur-Regelungsmöglichkeiten aufweist.

Hintergrund der Erfindung

Bei der analytischen Chemie entwickelten sich Flüssig- und Gaschromatographie-Techniken zu wichtigen Hilfsmitteln bei der Identifizierung von chemischen Probenkomponenten. Das Grundprinzip, das allen Chromatographietechniken zugrunde liegt, ist die Trennung einer chemischen Probenmischung in einzelne Bestandteile durch Transportieren der Mischung in einem sich bewegenden Fluid durch ein poröses zurückhaltendes Medium. Das sich bewegende Fluid wird als die bewegliche Phase bezeichnet, während das zurückhaltende Medium als die feste Phase bezeichnet wird. Einer der Unterschiede zwischen einer Flüssig- und einer Gaschromatographie liegt darin, daß die bewegliche Phase jeweils entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas ist.
Bei einem Gaschromatographen wird typischerweise eine Zufuhr eines inerten Trägergases (bewegliche Phase) kontinuierlich als Strom durch eine erhitzte Säule, die ein poröses sorbierendes Medium (feste Phase) enthält, geleitet. GC-Säulen sind außerdem dafür bekannt, daß sie eine hohle Kapillarröhre mit einem Innendurchmesser im Bereich von einigen hundert Mikrometern aufweisen. Eine Probe der betroffenen Mischung wird in den Strom der mobilen Phase injiziert und durch die Säule geleitet. Während die betroffene Mischung die Säule durchfließt, trennt sie sich in ihre unterschiedlichen Komponenten. Eine Trennung findet in erster Linie aufgrund von Unterschieden bei den Flüchtigkeitscharakteristika jeder einzelnen Probenkomponente hinsichtlich der Temperatur in der Säule statt. Ein Detektor, der an dem Auslaßende der Säule positioniert ist, erfaßt jede der getrennten Komponenten, sowie sie die Säule verlassen.
Die analytische Wahl zwischen Flüssig- und Gaschromatographietechniken ist in großem Maße von dem Molekulargewicht der Verbindung, die analysiert werden soll, abhängig. Flüssigchromatographen sind in der Lage, viel schwerere Verbindungen als Gaschromatographen zu analysieren. Da jedoch Gaschromatographie-Erfassungstechniken empfindlicher sind, werden diese bevorzugt. Folglich existiert ein Bedarf nach einem Chromatographiegerät, das so empfindlich wie ein GC-Gerät ist, und das in der Lage ist, Verbindungen mit schwereren Molekulargewichten, als solche, die momentan Gegenstand einer GC-Analyse sind, zu analysieren.
Das Auftreten der überkritischen Flüssigchromatographie (SFC; SFC = Supercritical Fluid Chromatography) schafft eine potentielle Brücke zwischen den Vorteilen der Gas- und der Flüssigchromatographie, d.h. eine hohe Empfindlichkeit und Proben mit schwereren Molekulargewichten. Bei der SFC wird ein Fluid, das über einen kritischen Punkt erhitzt ist, als die bewegliche Phase verwendet. Ein derartiges Fluid wird unter Druck durch ein Medium, das Probenkomponenten unterschiedlich zurückhält, geleitet. Während der Druck der beweglichen Phase erhöht wird, z.B. von etwa 40 ATM auf ungefähr 400 ATM, trennt sich die Probe, die analysiert wird, abhängig von der relativen unterschiedlichen Löslichkeit jeder Komponente mit der beweglichen Phase in ihre verschiedenen Komponenten. Da die bewegliche Phase ein Gas ist, können Detektoren, die bei der GC benutzt werden, verwendet werden, wodurch die Erfassungsempfindlichkeit und Selektivität bedeutend gesteigert werden.
Die SFC stellte sich bei der Analyse einer homologen Reihe mit moderaten Molekulargewichten (M.W. 100 bis 10.000; M.W. Molecular Weight) und einiger thermisch labiler Moleküle, wie z.B. Pestizide und Pharmazeutika, als besonders nützlich heraus. Das Problem bei einer SFC ist jedoch die lange Zeitdauer, die eine Durchführung einer Probenanalyse mit sich bringt. Folglich ist es wünschenswert ein Chromatographiegerät zu schaffen, das die Geschwindigkeit von GC-Techniken aufweist, und die in der Lage sind, Bestandteile mit einem schwereren Molekulargewicht zu analysieren.
Die vorliegende Erfindung erfüllt den oben beschriebenen Bedarf nach einer Erhöhung der Geschwindigkeit und einer Ausdehnung des Molekulargewichtsbereichs von Verbindungen, die für eine GC-Analyse fähig sind, durch Schaffen von Vorrichtungen und Verfahren, die den Trägergasdruck (bewegliche Phase) bezüglich programmierter Fluß- und Temperaturparameter in einer offenen Schleifenanordnung steuern.
Es war in der Vergangenheit bekannt, eine Temperatur bei der Gaschromatographieanalyse zu programmieren, da eine Trennung von Probenkomponenten in erster Linie aufgrund von Unterschieden bei den Flüchtigkeitscharakteristika jeder einzelnen Komponente hinsichtlich der Temperatur in der Säule stattfindet. Durch Erhöhen der Säulentemperatur entweder auf eine konstante lineare Weise oder auf eine variable nicht- lineare Weise über einen ausreichenden Temperaturbereich kann eine Erfassung mit einer hohen Auflösung aller Probenkomponenten in einer minimierten Zeitdauer sichergestellt werden. Eine hohe Auflösung ist sichergestellt, da jede Komponente bei ihrer optimalen Temperatur aus der Säule austritt.
Der Ausdruck "Auflösung", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf die Deutlichkeit von graphisch dargestellten Spitzen, die durch eine bekannte Erfassungsvorrichtung erzeugt werden, wobei jede Spitze die Erfassung einer Probenkomponente darstellt.
Es war in der Vergangenheit ferner bekannt, daß die Zeit, die für eine Temperatur-programmierte GC-Analyse benötigt wird, sogar weiter reduziert werden kann, falls ein Trägergasfluß programmiert wird. Scott, R.P.W., zeigt in New Horizons in Column Performance, 5th International Symposium on Gas Chromatography, wie es in Gas Chromatography 1964 von Goldup, Seiten 32-37, berichtet wird, daß eine Analysezeit durch Erhöhen der Flußrate reduziert werden kann. Während ein Erhöhen der Flußrate die Analysezeit reduzieren kann, wird jedoch auch der Wirkungsgrad aufgrund der sogenannten überladenen Komponenten reduziert, was eine geringe Auflösung bei einer Erfassung zur Folge hat. Es wurde behauptet, daß die Reduzierung des Wirkungsgrades durch das individuelle Anpassen der Temperatur- und Flußprogramme für bestimmte Mischungen, derart, daß ein Fluß während der Erfassung der überladenen Komponenten erhöht wird, etwas überwunden wird.
Costa Neto, C., u.a. erörtern in Programmed Flow Gas Chromatography, Journal of Chromatography, Bd. 15 (1964), 5. 301 bis 313, die Verwendung eines programmierten Flusses einer beweglichen GC-Phase in isothermischen oder Temperatur-programmierten Durchläufen, um die Trennung von komplexen Mischungen zu erhalten. Es wurden theoretische Herleitungen von Gleichungen erörtert, die die Flußrate auf verschiedene Chromatogrammeigenschaften, wie z.B. eine Spitzenwanderung, eine Spitzenbreite, eine Spitzenfläche und eine Spitzenhöhe, beziehen. Außerdem wird eine Flußrate bezüglich des Wirkungsgrads und der Auflösung erörtert. Von dem programmierten Fluß, der tatsächlich von den Autoren verwendet wird, wurde behauptet, daß er unter Verwendung eines Stufenventils dem Wesen nach manuell ist.
Zlatkis, A., erörtert in Flow Programming - A New Technique in Gas Chromatography, Journal of Gas Chromatography (März 1965), S. 75 bis 81, die Verwendung einer pneumatisch geregelten Flußsteuervorrichtung zum Regeln einer Flußrate auf eine exponentielle Weise in voreingestellten Grenzen. Beim Durchsehen früherer Flußprogrammierungsberichte, wie z.B. des oben erörterten Artikels von Costa Neto, charakterisieren Zlatkis u.a. diesen Artikel derart, daß derselbe lediglich die Flußprogrammierung bezüglich der sogenannten präparativen Gaschromatographie im Gegensatz zur praktischen, analytischen Gaschromatographie erörtert.
Nygren, S., u.a. erörtern in Flow Programming in Glass Capillary Column-Electron Capture Gas Chromatography by Using the Valve in the Splitter Line, Journal of Chromatography, Bd. 123 (1976), S. 101 bis 108, eine Flußprogrammierung durch die Verwendung eines Meßventils in dem Seitenauslaß eines Einlaßaufteilers. Es wurde behauptet, daß durch eine exponentielle Trägergasflußprogrammierung unter Umständen Ergebnisse erreicht werden könnten, die mit einer Temperaturprogrammierung vergleichbar sind.
Larson, J.R., u.a. erörterten vor kurzem in Flow Programming System for Process Capillary Gas Chromatography, Journal of Chromatography, Bd. 405 (1987), S. 163 bis 168, eine kontinuierliche Flußprogrammierungstechnik für eine Prozeßgaschromatographie, wobei Prozesse keine Temperaturprogrammierungsmöglichkeiten aufweisen. Es wurde gefolgert, daß durch eine Trägergasflußprogrammierung bei einer Prozeß-GC-Anwendung kürzere Zykluszeiten als bei Temperatur-programmierten GC-Geräten erreicht werden könnten.
Das Problem bei jedem der oben erwähnten Flußprogrammierungsgeräten liegt darin, daß eine Trägergasfluß- und/oder eine Temperaturprogrammierung unabhängig, d.h. als geschlossene Schleifensysteme, betrieben werden. So werden diese Systeme ausschließlich voneinander betrieben. Derartige Geräte können weder einen konstanten Säulenwirkungsgrad noch einen konstanten Massenfluß sicherstellen. Die Hauptnachteile derartiger Flußsteuersysteme mit geschlossener Schleife sind ein begrenzter Dynamikbereich, die Notwendigkeit zur Flußerfassung und Änderungen oder Driften in der Kalibrierung des Flußsensors. Änderungen oder eine Drift in der Kalibrierung können durch die Verschmutzung des Flußsensors verursacht werden.
Zusätzlich sind derartige, unabhängig betriebene, geschlossene Schleifensysteme zum Erfassen unerwünschter Bedingungen, die die Genauigkeit der chromatographischen Analyse beeinträchtigen und zum Durchführen von Einstellungen, um derartige Bedingungen zu vermeiden, unfähig. Beispielsweise kann für ein gegebenes Temperaturprogramm die gewünschte Flußcharakteristik innerhalb der GC-Systemparameter nicht möglich sein. Die oben beschriebenen Geräte sind zum Bestimmen oder zum Erfassen des Gerätefehlers, um die gewünschte Flußcharakteristik zu erreichen, unfähig.
Die Erfindung basiert daher auf der Aufgabe, eine Vorrichtung und eine Verfahren zum Durchführen einer chromatographischen Trennung zu schaffen, die einen vergrößerten Dynamikbereich im Vergleich zu dem Dynamikbereich geschlossener Schleifensteuersysteme und eine gesteigerte Genauigkeit der chromatographischen Analyse aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 erreicht.
Das Dokument W. E. Harris, u.a.: Programmed Temperature Gas Chromatography, 1966, John Wiley & Sons, New York, S. 23 bis 31, lehrt die allgemeine Beziehung zwischen einem Einlaßdruck und einem Auslaßdruck, einer Massenflußrate, einer Temperatur, einer Säulenlänge und einem Säulenradius und Gasparametern bei der Gaschromatographie. Es sind Formeln gegeben, die die Beziehungen zwischen Druck, Temperatur und Flußrate sowohl in Füllkörper- als auch in Kapillarsäulen betreffen. Derartige Beziehungen werden auf zwei Betriebsarten angewendet, die allermeistens bei einer Gaschromatographie verwendet werden: (1) Konstanthalten der Massenflußrate und (2) Konstanthalten des Einlaß- und des Auslaßdrucks, während es zugelassen wird, daß die Massenflußrate variiert. Für einen Betrieb mit einer konstanten Masse und Flußrate wird gelehrt, die volumetrische Flußrate an dem Auslaßende bei einer Standardtemperatur zu messen.
Das Dokument ANALYTICAL CHEMISTRY, Bd. 38, Nr. 1, 1966, Columbus, US, S. 7 bis 9; G. Horlick, u.a.: "Effects of Temperature on Carrier-Gas Flow Rate in Packed and Capillary Columns", bezieht sich auf eine allgemeine Überlegung, die die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf Trägergasflußraten in chromatographischen Säulen betrifft. Die Autoren dieses Dokuments lehren, daß es notwendig ist, die volumetrische Flußrate an dem Säulenausgang zu messen, wenn die Säule derart betrieben wird, daß die volumetrische Flußrate konstant gehalten wird.
Das Dokument JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY, Bd. 323, 1985, Amsterdam, NL, S. 49 bis 53; Dodo, u.a.: "Optimized Flow Programming for Temperature-Programmed Gas Chromatography", zeigt, daß bei Fluß-programmierten Systemen üblicherweise der Einlaßsäulendruck gesteuert wird. Es wird außerdem erwähnt, daß es Massenflußsteuersysteme gibt, die Drucksensoren verwenden. Ferner offenbart dieses Dokument ein Flußprogrammierungssystem für eine Temperatur-programmierte Gaschromatographie-Trennvorrichtung, die von einer Flußmessvorrichtung, die eine Massenflußablesung liefert, und von einem Temperatursensor, der eine Ofentemperaturablesung liefert, Gebrauch macht, wobei beide Ablesungen zum Betreiben einer Flußsteuereinrichtung in einer Rückkopplungssteuerschleife verwendet werden.
Das Dokument ANALYTICAL CHEMISTRY, Bd. 57, 1985, Columbus, US, S. 2748 bis 2751; S. Nygren: "Applications of a Computerized Flow Programmer for Capillary Column Gas Chromatography", beschreibt eine computergestützte Flußprogrammiereinrichtung für die Kapillarsäulen-Gaschromatographie. Eines der Ausführungsbeispiele der Flußprogrammiereinrichtung, das in diesem Dokument erörtert wird, beruht auf der groben Vereinfachung, daß "die Beziehung zwischen dem Einlaßdruck und der Flußrate annähernd linear ist". Ausgehend von dieser Annahme schlagen die Autoren dieses Dokuments eine Flußprogrammiereinrichtung vor, bei der der Gasfluß durch die Säule durch den Einlaßdruck geregelt wird. Ein derartiges vereinfachtes Versuchssystem kann die heutigen Anforderungen, die die Genauigkeit der Chromatographieanalyse betreffen, nicht bewältigen. Die Flußprogrammiereinrichtung, die in derselben beschrieben ist, wurde hauptsächlich zum Studieren des Einflusses von verschiedenen Parametern in dem Flußprogramm auf die Chromatogramme entworfen.
Es wurde entdeckt, daß durch die Verwendung des Flußsteuersystems mit offener Schleife der vorliegenden Erfindung nicht nur die Probleme der früheren Temperatur- und Flußprogrammierungsgeräte bewältigt werden können, sondern auch der Molekulargewichtsbereich von Verbindungen, die für eine GC- Analyse fähig sind, ausgedehnt werden kann. Der Ausdruck Flußsteuersystem mit offener Schleife, der in dieser Anwendung verwendet wird, bedeutet, daß es keine direkte Rückkopplung des gesteuerten Parameters gibt. Bei einer Flußsteuerung mit offener Schleife gibt es keine Flußerfassungsoperation, sondern nur eine Druckerfassung und Berechnung eines gewünschten Druckes, damit sich ein berechneter Fluß ergibt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird besser verstanden werden, und ihre zahlreichen Aufgaben und Vorteile werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung offensichtlich, wenn sie in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen betrachtet wird. Es zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Vorwärtsdruck-geregelten Gaschromatographen, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines Gegendruck-geregelten Gaschromatographen, der gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 3 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung, die verwendet wird, um die Gaschromatographen, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, zu betreiben und zu steuern;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Teils der Operationen, die von dem Computer, der in Fig. 3 gezeigt ist, durchgeführt werden; und
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm, das die Operationen zeigt, die von der Steuereinrichtung, die in Fig. 3 gezeigt ist, durchgeführt werden.

Detaillierte Beschreibung

Ein neuer und neuartiger Gaschromatograph ist in Fig. 1 gezeigt und allgemein mit 10 bezeichnet. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Chromatograph 10 in einem Vorwärtsdruck-geregelten Entwurf angeordnet, der für direkte, d.h. nicht-aufgeteilte, Injektionen geeignet ist. Um eine chromatographische Trennung einer gegebenen Probenkombination durchzuführen, wird die Probe mittels eines Injektionstors 12 in ein unter Druck stehendes Trägergas injiziert. Das Trägergas, das dem Injektionstor 12 zugeführt wird, wird zuerst von einer Quelle (nicht gezeigt) zu einem Ventil 14 geliefert. Das Ventil 14 dient dazu, den Druck des Trägergasprozessors in dem GC-System zu steuern. Ein Druckwandler 16 erzeugt ein Druckinformationssignal, das das Trägergas darstellt, das zu dem Injektionstor 12 geliefert wird. Das Druckinformationssignal ist ein elektronisches Signal, das zu einer Steuereinrichtung geliefert wird, die detaillierter in bezug auf Fig. 3 beschrieben wird. Das Ventil 14 regelt als Reaktion auf ein Steuersignal einen Trägergasdruck, wobei die Erzeugung desselben detaillierter in bezug auf Fig. 5 beschrieben wird. Obwohl der spezielle Entwurf des Ventils 14 für die vorliegende Erfindung unwesentlich ist, wird bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Druckventil der Modellnummer 001-1014 bevorzugt, das von Porter Instruments Company, Inc. aus Hatfield, Pennsylvania, verkauft wird.
Das Injektionstor 12 liefert einen Teil der Trägergas/Probenkombination zu einer Säule 18, wobei der Rest durch einen nicht-analysierten Ausgang 20 geleitet wird. Der Fluß, der aus dem Ausgang 20 austritt, ist als der Septum-Reinigungsfluß bekannt. Durch Beibehalten eines relativ konstanten, niedrigen Reinigungsflusses (5 bis 15 ml/mm) durch eine Massenflußsteuereinrichtung 22 ist es möglich, "falsche" Spitzen von dem Injektionstorseptum (nicht gezeigt) zu minimieren und außerdem eine Luftdiffusion in die Säule zu minimieren.
Durch Aufnehmen der Massenflußsteuereinrichtung 22 kann ein größerer Fluß eines Trägergases verwendet werden, der es wiederum zuläßt, daß das Ventil 14 in einer Region betrieben wird, die einfacher zu steuern ist. Anstatt beispielsweise das Ventil zu verwenden, um den Fluß eines Trägergases in der Region von ungefähr einem Millimeter pro Minute zu steuern, kann das Ventil stattdessen in einer Region von ungefähr zehn Millimetern pro Minute betrieben werden, während dasselbe immer noch die gleiche Menge einer Trägergas/Probenkombination zu der Säule 18 liefert.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Säule 18 in einem Ofen 24 positioniert. Obwohl kein spezieller Ofenentwurf notwendig ist, um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erfüllen&sub1; sollte der Ofen eine Heizungseinheit 26 und einen Temperatursensor 28 umfassen. Die Heizungseinheit 26 liefert als Reaktion auf ein Steuersignal, das von einem Computer erzeugt wird, der detaillierter in bezug auf Fig. 3 beschrieben wird, Hitze zu dem Ofen 24. Um sicherzustellen, daß sich die Temperatur innerhalb des Ofens auf einem gewünschten Pegel befindet, erzeugt der Sensor 28 ein Rückkopplungssignal, das die Temperatur in dem Ofen 24 darstellt, wobei das Signal zu dem Computer, der in Fig. 3 gezeigt ist, geliefert wird. Die Trägergas/Probenkombination, die die Säule 18 durchfließt, ist einem Temperaturprofil, das aus dem Betrieb des Heizers 26 in dem Ofen 24 resultiert, ausgesetzt. Typischerweise wird die Temperatur in dem Ofen 24 auf eine lineare oder nichtlineare Weise von einem minimalen Pegel auf einen maximalen Pegel erhöht. Während dieses Profils mit wechselnden, d.h. ansteigenden oder fallenden, Temperaturen wird die Probe in erster Linie aufgrund von Unterschieden bei den Flüchtigkeitscharakteristika jeder einzelnen Komponente bei einer gegebenen Temperatur in ihre Komponenten getrennt. Sowie die Komponenten aus der Säule 18 austreten, werden sie von einem Detektor 30 erfaßt. Der Detektor 30 kann ein beliebiger bekannter GC-Detektor, wie z.B. ein Flammenionisationsdetektor oder ein Massenspektrometer, sein.
Der Chromatograph 10, der in Fig. 1 gezeigt ist, wird als Vorwärtsdruck-geregelter Gaschromatograph bezeichnet, da das Ventil 14 den Druck des Trägergases vor (in Strömungsrichtung hinter) dem Steuerventil regelt. Ohne von den Prinzipien der vorliegenden Erfindung abzuweichen, kann der Druck des Trägergases außerdem gemäß einem Gegendruck-geregelten Modus geregelt werden, wobei der Druck hinter (in Strömungsrichtung vor) dem Steuerventil, das in Fig. 2 gezeigt ist, geregelt wird.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der Chromatograph in einem Gegendruck-geregelten Entwurf angeordnet, der für sogenannte Aufteiler- oder Aufteilungs-Injektionen geeignet ist. Bei einer Aufteilungs-Injektion wird ein Teil der zu analysierenden Probe in die Säule injiziert, während der Rest der Probe von der Säule weg "aufgeteilt" und aus der Entlüftung herausgeleitet wird. Derartige Aufteilungs-Injektionstechniken würden sogenannte Heißaufteilungs-, heißaufteilungslose, Kaltaufteilungs- und kaltaufteilungslose Injektionstechniken aufweisen.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, wird das gesamte Trägergas von einer Massenflußsteuereinrichtung direkt zu dem Injektionstor 12 geliefert. Der Druck des Trägergases wird von einem Druckwandler 32 bestimmt, der den Druck der Trägergas/Probenkombination in dem nicht-analysierten Ausgang 20 erfaßt. Der Druck des Trägergases wird als Reaktion auf ein geeignetes Signal von der Steuervorrichtung durch ein Ventil 34 geregelt, die in bezug auf Fig. 3 beschrieben ist. Das Verhältnis zwischen dem Teil des Proben/Trägergases, der zu dem Ausgang 20 geliefert wird, und dem Rest, der zu der Säule 18 geliefert wird, ist als das Aufteilungs-Verhältnis bekannt. Das Aufteilungs-Verhältnis regelt die Menge der Trägergas/Probenkombination, die die Röhre 18 durchfließt. Durch den Betrieb des Ventils 34 wird der Druck des Trägergases in der Säule 18 gesteuert. Wie im folgenden zu sehen ist, resultiert das Steuern des Druckes in der Säule 18 aus dem Steuern des Flusses in der Säule 18.
Die elektronischen Steuerungen, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Chromatographen, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, zu betreiben, werden im folgenden beschrieben. Es wird jedoch als erstes angemerkt, daß die vorliegende Erfindung ein Fortschritt gegenüber anderen GC-Systemen ist, da zum ersten Mal eine Implementierung von gewünschten Massenflußcharakteristika, die während einer Analyse vorliegen, direkt auf eine Temperatur, d.h. eine Ofentemperatur, bezogen wird. Diese Beziehung wird durch Regeln des Trägergasdruckes als Funktion der absoluten Trägergasviskosität für eine gegebene Temperatur, von Systemparametern und eines gewünschten Massenflusses erreicht. Eine derartige Regelung wird in erster Linie durch die hierin zu beschreibenden elektronischen Steuerungen erreicht, wobei ein Druckeinstelipunkt und eine Steuerspannung eingerichtet und verwendet werden, um die Ventile 14 und 34 zu steuern.
Bezugnehmend auf Fig. 3 ist gezeigt, daß die elektronischen Steuerungen drei Hauptkomponenten aufweisen, nämlich ein Tastaturfeld 38, einen Computer 40 und eine Steuereinrichtung 42. Der Computer 40 behält die Gesamtsteuerung aller Systeme bei, die dem Gaschromatographen 10 zugeordnet sind. Es ist offensichtlich, daß irgendein einzelner Gaschromatograph mehr Systeme als diese, die in bezug auf die vorliegende Erfindung beschrieben sind, aufweisen kann. Es ist außerdem offensichtlich, daß, obwohl der Computer 40 als einzelner Block gezeigt ist, ein derartiger Computer eine zentrale Verarbeitungseinheit und alle zugeordneten Peripheriegeräte, wie z.B. Direktzugriffsspeicher, Nur-Lese-Speicher, Eingabe/Ausgabe-Trennungsgeräte, Uhren und weitere zugehörige elektronische Komponenten aufweist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Hauptprozessor, der in dem Computer 40 verwendet wird, ein Z80-Mikroprozessor. Der Computer 40 weist beispielsweise einen Speicher 41 auf, in dem Informationen und Programmierungen durch bekannte Verfahren gespeichert und abgerufen werden können. Die dem Computer 40 zugeordneten Programmierungen, die bezüglich der vorliegenden Erfindung verwendet werden, werden detaillierter in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben.
Eine der Funktionen des Computers 40 ist die Steuerung der Ofentemperatur. Der Computer 40 steuert die Ofentemperatur durch Übermitteln eines geeigneten Signals an einen Heizer 26, das bewirkt, daß der Heizer 26 die Wärmemenge, die an den Ofen 24 übertragen wird, erhöht oder verringert. Ein Sensor 28 erfaßt die Temperatur in dem Ofen 24 und übermittelt ein Rückkopplungssignal, das eine derartige Temperatur darstellt, an den Computer 40. Durch Überwachen des Temperaturrückkopplungssignals des Sensors 28 kann der Computer 40 durch Steuern des Heizers 26 die Temperatur in dem Ofen 24 auf einem bestimmten gewünschten Pegel beibehalten. Betriebsbefehle und weitere Informationen können über ein Tastaturfeld 38 in den Computer 40 eingegeben werden. Die einzelnen Informationen, die über das Tastaturfeld 38 eingegeben werden, die sich auf die vorliegende Erfindung beziehen, werden in bezug auf Fig. 4 beschrieben. Das Tastaturfeld 38 ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einem Anzeigebildschirm versehen. Folglich können durch den Computer Anzeige- oder Eingabe-Aufforderungsmeldungen er zeugt und auf dem Tastaturfeld 38 angezeigt werden.
Eine Steuereinrichtungsschaltung 42 wird verwendet, um entweder das Ventil 14 oder 34 zu steuern. Die gezeigte Steuereinrichtung 42 weist einen zweiten Computer 44 auf, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel einen 6809-Motorola-Mikroprozessor und demselben zugeordnete Peripheriekomponenten aufweist. Die Programmierung, die verwendet wird, um den Computer 44 gemäß der vorliegenden Erfindung zu betreiben, ist detaillierter in bezug auf Fig. 5 beschrieben.
Der Computer 44 erzeugt bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Steuersignal, das verwendet wird, um die Ventile 14 und 34 zu steuern. Da das erzeugte Steuersignal in digitaler Form vorliegt, wird dasselbe von einem Digital-Analog-Wandler 46 in eine analoge Form umgewandelt, und durch einen Verstärker 48 vor der Übertragung zu den Ventilen 14 oder 34 geeignet verstärkt. Wie in bezug auf Fig. 5 detaillierter beschrieben ist, wird der Trägergasdruck, sowie er von den Meßwandlern erfaßt wird, zu dem Computer 44 geliefert, indem zuerst das analoge Signal, das von dem Druckwandler erzeugt wird, von einem Wandler 50 von einem analogen in ein digitales Signal umgewandelt wird. Das digitale Signal, das von dem Wandler 50 erzeugt wird, wird dem Computer 44 zugeführt.
Nun wird der Teil der Operationen des Computers 40 betrachtet, der sich auf die vorliegende Erfindung bezieht und gemäß der vorliegenden Erfindung ist. Bezüglich Fig. 4 werden dort solche Verfahren beschrieben, die notwendig sind, um das GC-System zu programmieren oder einzustellen, derart, daß ein einzelner Gaschromatographietrennungstest, oder -Durchlauf durchgeführt werden kann. Einige der Informationsteile werden über ein Tastaturfeld 38 von einem Anwender in den Computer eingegeben. Mit einer Verarbeitungsausnahme, die beschrieben werden wird, arbeitet der Computer 40, um die in den Speicher 41 eingegebenen Informationen für einen späteren Zugriff durch den Computer 44 zu speichern. Wie es offensichtlich werden wird, werden bestimmte Informationen, die in dem Speicher 41 gespeichert sind, in einem Zeit-sequentiellen Format gespeichert.
Am Anfang werden die Parameter, die sich auf das Temperaturprofil beziehen, das von dem Ofen 24 während der Analyse geliefert werden soll, bei einem Schritt 52 eingegeben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die gewünschte Ofentemperatur für jeden gegebenen Zeitpunkt während der Analyse bezüglich der Ofentemperaturparameter durch den Computer 40 berechnet. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine derartige Temperaturberechnung mit einer Rate von 40 Hz durchgeführt. Grundsätzlich stellt jeder Punkt der Temperaturinformationen die gewünschte Temperatur des Ofens 24 zu einem bestimmten Zeitpunkt während einer chromatographischen Analyse dar. Folglich wird es notwendig sein, eine ofenanfangstemperatur und eine Ofenanfangszeit, eine Ofenendtemperatur und eine Ofenendzeit und die Rate einzugeben, mit der die Ofentemperatur von der Anfangstemperatur zu der Endtemperatur für die Zeitdauer, die zwischen der Anfangszeit und der Endzeit existiert, verlaufen soll. Nachdem diese Informationen eingegeben sind, ist es für den Computer 40 eine relativ einfache Operation, eine gewünschte Ofentemperatur in Echtzeit zu erzeugen. Um die Temperatur des Ofens 24 zu regeln, wird die berechnete gewünschte Ofentemperatur als Steuersignal verwendet.
Die Systemparameter werden bei einem Schritt 54 über das Tastaturfeld 38 in den Computer eingegeben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Systemparameter, die für die Eingabe notwendig sind, den Typ des verwendeten Trägergases, wie z.B. Helium, Stickstoff oder Wasserstoff, usw. Die Systemparameter würden außerdem die Länge und den Durchmesser der Säule 18 und den Säulenauslaßdruck aufweisen, falls dieser von einer (1) Atmosphäre abweicht, d.h. ein Vakuum ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es außerdem wünschenswert, einen Kalibrierungsfaktor einzugeben. Der Kalibrierungsfaktor bezieht sich auf die tatsäch liche Länge und den nominellen Säuleninnendurchmesser. Derartige Längen und Durchmesser können bei Säulen mit identischen Längen- und Durchmesserspezifikationen tatsächlich um einige Prozent differieren. Eine gegebene Säule kann durch eine Messung der Zeitdauer kalibriert werden, die eine sogenannte nicht zurückgehaltene Spitze, wie z.B. die Erfassung von CH&sub4;, benötigt, um bei einer gegebenen Druckeinstellung durch eine Säule zu fließen.
Bei der Entwicklung des Kalibrierungsfaktors könnte man außerdem die Druckwandler 16 und 32 betrachten. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Wandler 16 und 32 1210-A100G3L-Wandler, die von I.C. Sensors in Milpitas, CA, verkauft werden. Im allgemeinen benötigen diese Druckwandler keine Kalibrierung, da ihre linearen Spezifikationen so gut oder besser als die meisten Druckkalibrierungssysteme sind. Es ist jedoch offensichtlich, daß der sogenannte Nullpunktversatz korrigiert werden muß. Eine derartige Selbst-Nullstell-Operation der Druckwandler bei jedem Einschalten der Leistung kann durch jedes bekannte Verfahren durchgeführt werden.
Bei einem Schritt 56 wählt der Anwender den gewünschten Massenflußmodus aus. Der Massenflußmodus ist der Typ eines Massenflusses, den das Trägergas zeigen soll, wenn dasselbe durch die Säule 18 fließt. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, kann der Flußmodus des Trägergases entweder ein konstanter Massenfluß, ein linearer Massenfluß, ein polynomischer Massenfluß oder ein exponentieller Massenfluß sein. Der Massenflußmodus kann auch als das Massenflußprofil bezeichnet werden.
Bei einem Schritt 58 wird bestimmt, ob ein konstanter Fluß ausgewählt wurde. Falls ein konstanter Massenfluß ausgewählt wurde, werden die konstanten Flußparameter bei einem Schritt 60 eingegeben. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Parameter des konstanten Flusses den Anfangseinstellpunktdruck, d.h. den Anfangspunkt, auf den der Trägergasdruck eingestellt wird, die Ofenanfangstemperatur und den Auslaßdruck (Po) auf. Der Auslaßdruck stellt den Druck an dem Ende der Säule 18 dar, wobei die Trägergas/Probenkombination in einem Detektor 30 abgelegt wird. Abhängig von dem Typ des verwendeten Detektors wird der Auslaßdruck entweder eine Atmosphäre betragen oder sich auf einem Druck in der Nähe von absolut Null befinden, falls beispielsweise ein Detektor vom Massenspektrometertyp verwendet wird. Falls der konstante Massenflußmodus in dem Schritt 56 nicht ausgewählt wurde, schreitet der Computer 40 zu einem Schritt 62 vor, um zu bestimmen, ob ein linearer Massenfluß ausgewählt wurde.
Falls ein linearer Massenfluß ausgewählt wurde, ist es notwendig, bei einem Schritt 64 die Parameter des linearen Massenflusses einzugeben. Die Parameter des linearen Massenflusses weisen eine Eingabe der Anfangsmassenflußrate, der Anfangszeit, einer Rampenrate, einer Endmassenflußrate und einer Endzeit auf. Die Rampenrate ist die Rate, um die sich ein Massenfluß eines Trägergases zwischen der Anfangszeit und der Endzeit erhöht. Falls der lineare Massenfluß nicht ausgewählt wurde, wird der Computer bei einem Schritt 66 als nächstes bestimmen, ob ein polynomischer Massenflußmodus ausgewählt wurde.
Falls ein polynomischer Massenflußmodus ausgewählt wurde, ist es notwendig, bei dem Schritt 64 die Parameter des polynomischen Massenflußmodus einzugeben. Die Parameter des polynomischen Massenflußmodus weisen die Anfangsflußrate, die Anfangszeit, den Rampenkoeffizienten, den Rampenexponenten, die Endflußrate und die Endzeit auf. Falls der polynomische Massenflußmodus nicht ausgewählt wurde, wird der Computer bei 70 bestimmen, ob der exponentielle Massenflußmodus ausgewählt wurde.
Falls der exponentielle Massenflußmodus ausgewählt wurde, ist es notwendig, bei einem Schritt 72 die Parameter des exponentiellen Massenflußmodus einzugeben. Die Parameter des exponentiellen Massenflußmodus umfassen die Anfangsflußrate, die Anfangszeit, die Exponentialzeitkonstante, die Endflußrate und die Endzeit. Falls ein exponentieller Massenflußmodus nicht ausgewählt wurde, wird der Computer zu dem Schritt 56 zurückspringen, damit der Anwender einen Massenflußmodus eingibt.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es wünschenswert, einen Computer 40 zu haben, der den Anwender durch Anzeigen unterschiedlicher Fragen auf dem Tastaturfeld 38, die sich auf die Auswahl eines Trägergasmassenflußmodus und die verschiedenen Massenflußparameter beziehen, zur Eingabe auffordert. Nachdem die unterschiedlichen Flußparameter eingegeben wurden, formuliert der Computer 40 bei einem Schritt 74 eine Flußtabelle. Die Formulierung einer Flußtabelle ist eine relativ einfache Operation, da dieselbe aus einer Ansammlung von gewünschten Flußwerten besteht, die in einem Zeit-sequentiellen Format angeordnet sind. Nachfolgend wird beispielsweise die Formulierung einer Flußtabelle bezüglich der Parameter des linearen Flusses betrachtet. Da der Computer 40 den Anfangsfluß, den Endfluß und die Rampenrate kennt, kann derselbe die gewünschten Flußwerte über den Verlauf der Zeitdauer zwischen der Anfangszeit und der Endzeit einfach berechnen. Derartige Informationen sind in einem Zeit-sequentiellen Format angeordnet. Es sollte angemerkt werden, daß, falls ein konstanter Massenfluß ausgewählt wurde, es lediglich notwendig ist, die Informationen, die bezüglich eines konstanten Flusses eingegeben wurden, nämlich den Anfangsdruck, die Ofenanfangstemperatur und den Auslaßdruck, zu dem Computer 44 zu liefern.
Obwohl es nicht gezeigt ist, ist es notwendig, daß Viskositätsinformationen, die dem einzelnen Trägergas, das verwendet werden soll, zugeordnet sind, vorher in den Speicher 41 des Computers 40 eingegeben wurden. Derartige Informationen würden die absolute Viskosität des einzelnen Trägergases für unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Der Temperaturbereich, über dem derartige Viskositäten gegeben sein müssen, entspricht direkt dem Temperaturbereich oder dem Temperaturprofil, das der Ofen 24 zeigen soll.
Nachdem die Flußinformationstabelle formuliert wurde, zeigt der Computer 40 nun bei einem Schritt 76 an, daß er bereit ist, um mit einem Gaschromatographie-Analysedurchlauf zu beginnen.
Wenn die GC-Analyse einmal begonnen hat, wird der Betrieb der vorliegenden Erfindung in erster Linie durch die Steuereinrichtung 42 gesteuert. Bezugnehmend auf Fig. 5 wird die GC-Analyse bei einem Block 78 gestartet. Dieser Start kann entweder durch eine Anzeige des Computers 40, daß alle System- und Flußinformationen gesammelt sind, erreicht werden oder derselbe kann durch den Anwender erreicht werden, indem ein geeigneter Befehl auf dem Tastaturfeld 38 eingegeben wird. Es ist offensichtlich, daß die Programmierung, die in Fig. 5 dargestellt ist, tatsächlich in den Peripheriespeichergeräten, die dem Computer 40 zugeordnet sind, gespeichert ist, wobei in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel Speichergeräte verwendet werden, die typischerweise einem 6809-Motorola-Mikroprozessor zugeordnet sind.
Bei einem Schritt 80 erhält der Computer 44 von dem Computer 40 die Laufzeit und die tatsächliche Ofentemperatur. Es wird daran erinnert, daß der Computer 40 das Signal, das von dem Temperatursensor 28 erzeugt wird, abtastet, wobei das Signal die tatsächliche Ofentemperatur darstellt. Nachdem der Computer 44 die Zeit- und Temperaturinformationen besitzt, erhält derselbe bei einem Schritt 82 als nächstes die Flußinformationen, die der Zeit von den Tabellen, die im Speicher 41 gespeichert sind, zugeordnet sind. Obwohl die Ofentemperaturinformationen von mehreren Quellen kommen können, wird beispielsweise das erfaßte Ofentemperatursignal, das von dem Sensor 28 erzeugt wird, bevorzugt, wobei die Ofentemperaturinformationen, die verwendet werden, um das Steuersignal für den Heizer 26 zu erzeugen, ebenfalls verwendet werden können. Bei einem Schritt 84 liest der Computer 44 den Druck aus, der von dem Druckwandler 16 oder 32 bestimmt wird. Es wird daran erinnert, daß das Signal, das von dem Wandler 16 oder 32 erzeugt wird, durch den Analog-Digital-Wandler 50 geleitet wird. Nachdem die Ofen- und die Flußinformationen für den einzelnen Zeitwert erhalten sind, und der Druck, der von dem Wandler 16 oder 32 erfaßt wurde, ausgelesen ist, bestimmt der Computer 44 bei einem Schritt 86, ob der konstante Massenflußmodus von dem Anwender ausgewählt ist.
Falls der konstante Massenflußmodus ausgewählt ist, erhält der Computer 44 bei 88 die Trägergasviskositätsinformationen von dem Computer 40. Es wird daran erinnert, daß die Viskositätsinformationen für das Trägergas vorher in den Speicher des Computers 40 eingegeben worden sind, derart, daß für jede gegebene Ofentemperatur demselben ein Viskositätswert zugeordnet wurde. Bei dem Schritt 88 hat der Computer 44 bereits die Ofentemperaturinformationen erhalten und derselbe ruft die Viskositätsinformationen, die der Ofentemperatur zugeordnet sind, von dem Computer 40 ab. Der Computer 44 erhält bei einem Schritt 90 von dem Computer 40 den Auslaßdruck, der ursprünglich von dem Anwender über das Tastaturfeld 38 eingegeben wurde. Der Computer 44 ist nun in einem Zustand, in dem derselbe den Druckeinsteilpunkt (Psetpt; Psetpt = Pressure set pomt) berechnen kann.
Da der ausgewählte Flußmodus ein konstanter Fluß ist, wird Psetpt gemäß der folgenden Formeln berechnet:
Es gilt: µ(Tc) = absolute Viskosität des Trägergases bei Säulentemperatur;
Tc = Säulentemperatur (absolute Temperatur);
Ts = Standardumgebungstemperatur (absolute Temperatur);
s = Dichte des Trägergases bei einem Standarddruck und einer Standardtemperatur;
d = Säulendurchmesser;
L = Säulenlänge;
Pi = Einlaßdruck - umgewandelt in einen absoluten Druck;
Po = Auslaßdruck - umgewandelt in einen absoluten Druck;
Ps = Standardumgebungsdruck (Ps = 1 atm = 760 torr);
In = Massenflußrate = C (konstant).
Wenn sich Tc (Säulenofentemperatur) ändert, wird Pi (Einlaßdruck) aufgrund dieser Gleichung geändert.
Der Fluß braucht niemals bei einem konstanten Flußmodus berechnet werden; er sollte lediglich konstant gehalten werden. Falls der gewünschte Massenfluß bekannt ist, kann bei einem Schritt 92 unter Verwendung von Gleichung 1 die Druckeinstellpunktberechnung vollendet werden.
Falls bei dem Schritt 86 bestimmt wird, daß der konstante Massenfluß nicht ausgewählt wurde, ruft der Computer 40 bei einem Schritt 94 die Viskositäts- und Systemparameterinformationen ab. Nachdem bei 82 die Flußinformationen und die Viskositäts- und Systemparameter informationen abgerufen sind, kann nun bei einem Schritt 96 Psetpt berechnet werden.
Die Berechnung von Psetpt für andere Flußmoden als dem konstanten Massenfluß wird unter Verwendung der folgenden Formeln erreicht.
Durch erneutes Herleiten von Gleichung (4) von Seite 22 und mit Insetpt = Massenflußeinstellpunkt ergibt sich:
Es ist offensichtlich, daß abhängig von den Einheiten, die bei der Eingabe der Informationen über das Tastaturfeld 38 verwendet werden, eine Korrekturkonstante notwendig sein kann, um sicherzustellen, daß die Psetpt-Berechnung korrekt durchgeführt wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird es notwendig, einen konstanten Korrekturfaktor von 10&supmin;&sup6; einzugeben, falls ganze Zahlen verwendet werden, um einen Säulendurchmesser, wie z.B. die Zahl 320, die Mikrometer darstellt, einzugeben.
Insetpt wird gleich dem Massenflußwert sein, den der Computer 44 bei dem Schritt 82 aus dem Speicher 41 des Computers 40 erhält, wobei die absolute Viskosität gleich den Viskositätsinformationen sein wird, die der Computer 44 in bezug auf die Ofentemperaturinformationen, die bei dem Schritt 80 abgerufen werden, erhält. Nachdem bei dem Schritt 96 Psetpt unter Verwendung von Gleichung 3 berechnet ist, erzeugt der Computer 44 bei einem Schritt 98 als nächstes ein Steuerspannungssignal.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet der Computer 44 bei dem Schritt 98 ein PID-Steueralgorithmusschema (PID = Proportional-Integral-Differential) zum Berechnen der Steuerspannung. Derartige Steuertechniken sind nicht neu, ihre Anwendung auf die Steuerung eines Trägergasdruckes bei einer Chromatographieausstattung wird jedoch für neuartig gehalten. Die PID-Steuerung ist ein Proportional-Integral- Differential-Steuerschema, wodurch ein Betätigungssignal eine gewichtete Summe der Differenz, ein Zeitintegral der Differenz und eine zeitliche Ableitung der Differenz zwischen einer Eingabe und einer Ausgabe darstellt. In bezug auf die vorliegende Erfindung wird die Steuerspannung berechnet, indem zuerst der proportionale Term bestimmt wird. Falls eine Vorwärtsdruck-geregelte Konfiguration, die in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet wird, wird der proportionale Term bei dem Schritt 96 durch das Subtrahieren des Druckwertes, der von dem Wandler 16 bestimmt wird, von dem Psetpt-Wert berechnet. Falls eine Gegendruck-Regelung, die in Fig. 2 gezeigt ist, verwendet wird, wird der proportionale Term durch Subtrahieren von Psetpt, der bei dem Schritt 96 bestimmt wird, von dem Druck, der von dem Wandler 32 gemessen wird, berechnet.
Als nächstes wird das Integral des proportionalen Terms bestimmt. Das Integral ist lediglich die Summe aller proportionalen Terme während der einzelnen GC-Analyse. Der differentielle Term wird durch Subtrahieren des früheren proportionalen Terms von dem vorliegenden proportionalen Term berechnet. Nachdem der proportionale, der integrale und der differentiale Term bestimmt sind, wird die Steuerspannung gemäß der folgenden Formel berechnet:
Es wird angemerkt, daß jeder der Terme in der Steuerspannungsgleichung durch die Werte A, B und C modifiziert ist. A, B und C sind Terme, die verwendet werden, um das PID- Steuerschema zu optimieren, wobei dieselben unter Verwendung bekannter Verfahren bestimmt werden. In der Praxis werden die Terme A, B und C verwendet, um das System sozusagen fein einzustellen, um optimale Ergebnisse zu erhalten. Nachdem die Steuerspannung unter Verwendung von Gleichung 4 bestimmt ist, bestimmt der Computer 44 als nächstes, ob der Gaschromatograph mit Zuständen eingestellt wurde, die nicht erreichbar sind.
Bei einem Schritt 100 bestimmt der Computer 44, ob die berechnete Steuerspannung eine Referenzspannung übersteigt. Falls die berechnete Spannung eine Referenz übersteigt, kann daraus gefolgert werden, daß der Anwender Flußzustände eingegeben hat, die nicht erreicht werden können. Der Computer 44 sendet bei einem Schritt 102 ein Signal zu dem Computer 40, das anzeigt, daß der gewünschte Massenfluß nicht erreicht werden kann, da der Druck, der notwendig ist, um einen derartigen Massenfluß zu erreichen, zu groß ist oder die vorliegende Systemkonfiguration übersteigt. Nachdem ein derartiges Signal zu dem Computer 40 gesendet ist, beendet der Computer 44 bei einem Schritt 104 seinen Betrieb.
Falls die berechnete Steuerspannung die Referenzspannung nicht übersteigt, bestimmt der Computer 44 als nächstes, ob die Durchlaufzeit gleich Null ist. Falls die Antwort ja ist, ist die GC-Analyse zu Ende und der Computer 44 beendet bei einem Schritt 108 seinen Betrieb. Falls die Laufzeit ungleich Null ist, gibt der Computer 44 das berechnete Steuerspannungssignal aus und springt schleifenmäßig zu Schritt 80 zurück, um die nächsten sequentiellen Zeitinformationen von dem Computer 40 zu erhalten. Wie vorher gezeigt worden ist, wird die Übertragung der Steuerspannung erreicht, indem das digitale Signal zuerst durch einen Digital-Analog-Wandler 46 geleitet wird, wonach das analoge Signal in dem Verstärker 48 geeignet verstärkt wird. Das verstärkte analoge Signal wird dann entweder dem Ventil 14 oder dem Ventil 34 zugeführt.
Während die Erfindung bezüglich der spezifischen Ausführungsbeispiele beschrieben und dargestellt worden ist, werden Fachleute erkennen, daß Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien der Erfindung abzuweichen, wie sie hierin im vorhergehenden beschrieben wurde und in den folgenden Patentansprüchen dargelegt ist.

Claims

1. Eine Vorrichtung zum Durchführen einer chromatographischen Trennung einer gegebenen Verbindung, wobei die Verbindung in ein unter Druck stehendes Trägergas injiziert und durch eine Säule (18) geleitet wird, und wobei ein Teil der Säule (18) in einem Ofen (24) enthalten ist, der die Säule (18) einem Temperaturprofil aussetzt, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:

eine Druckeinrichtung (16; 32) zum Bestimmen des Drucks des Trägergases und zum Erzeugen eines Druckinformationssignals, das den Druck darstellt;

eine Speichereinrichtung (41);

eine Steuereinrichtung (42) zum Empfangen des Druckinformationssignals und zum Erzeugen eines Steuersignals; und

eine Ventileinrichtung (14; 34) zum Steuern des Drucks des Trägergases als Reaktion auf das Steuersignal;

dadurch gekennzeichnet, daß

die Vorrichtung zum Durchführen einer chromatographischen Trennung einer gegebenen Verbindung ferner eine Temperatureinrichtung (28) zum Erzeugen eines Temperaturinformationssignals, das die Temperatur in dem Ofen (24) darstellt, aufweist;

die Speichereinrichtung (41) Systeminformationen, Massenflußinformationen und Trägergasviskositätsinformationen speichert;

die Steuereinrichtung (40; 42) das Temperaturinformationssignal und das Druckinformationssignal empfängt, und ferner Informationen, die einen ausgewählten Flußmodus betreffen, und Flußparameter, die dem ausgewählten Flußmodus zugeordnet sind, empfängt, eine Vielzahl von Massenflußwerten, die in einem Zeit-sequentiellen Format angeordnet sind, erzeugt und dieselbe als Massenflußinformationen speichert, die Systeminformationen, die Massenflußinformationen und die Viskositätsinformationen basierend auf dem Temperaturinformationssignal von der Speichereinrichtung wiedergewinnt, einen Ziel-Trägergasdruck bezüglich der Systeminformationen, der Massenflußinformationen und der Viskositätsinformationen basierend auf dem Temperaturinformationssignal und dem Druckinformationssignal berechnet, und das Steuersignal bezüglich des Ziel-Trägergasdrucks und des Druckinformationssignals erzeugt;

wobei der Druck des Trägergases durch die Ventileinrichtung als Reaktion auf das erzeugte Steuersignal gesteuert wird, derart, daß sich die Temperatur in dem Ofen mit der Zeit ändert, und daß der gewünschte Massenfluß eines Trägergases zu einer entsprechenden Zeit durch Steuern des Drucks des Trägergases festgelegt wird.

2. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner ein Injektionstor (12) aufweist, wobei die Probe durch das Injektionstor in das Trägergas injiziert wird, und wobei das Ventil (14) in Strömungsrichtung vor dem Injektionstor liegend positioniert ist.

3. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner ein Injektionstor (12) aufweist, wobei die Probe durch das Injektionstor in das Trägergas injiziert wird, und wobei das Ventil (34) in Strömungsrichtung hinter dem Injektionstor liegend positioniert ist.

4. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Temperatureinrichtung (28) einen Temperatursensor aufweist, der positioniert ist, um die Temperatur in dem Ofen (24) zu erfassen, und zum Erzeugen des Temperaturinformationssignals, das die Temperatur in dem Ofen (24) darstellt.

5. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Speichereinrichtung (41) ein Teil eines ersten Computers (40) ist.

6. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Druckeinrichtung (16; 32) einen Druckwandler aufweist, der neben dem Ventil (14; 34) positioniert ist.

7. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Steuereinrichtung (42) einen zweiten Computer (44) aufweist, und bei der der Ziel-Trägergasdruck gemäß der Formel berechnet wird:

Es gilt: Tc = Säulentemperatur (absolute Temperatur);

Ts = Standardumgebungstemperatur (absolute Temperatur);

s = Dichte des Trägergases bei einem Standarddruck und einer Standardtemperatur;

d = Säulendurchmesser;

L = Säulenlänge;

Pi = Einlaßdruck - umgewandelt in einen absoluten Druck;

Po = Auslaßdruck - umgewandelt in einen absoluten Druck;

Ps = Standardumgebungsdruck (Ps = 1 atm = 760 torr);

Insetpt = der Massenflußeinstellpunkt;

µ(Tc) = die absolute Viskosität.

8. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der das Steuersignal durch einen PID-Steueralgorithmus erzeugt wird, und bei der das Steuersignal bezüglich des Ziel-Trägergasdrucks (Psetpt) und des Druckinformationssignals erzeugt wird.

9. Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die ferner eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des Steuersignals mit einem Referenzwert und eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen, wenn das Steuersignal den Referenzwert übersteigt, aufweist.

10. Ein Verfahren zum Durchführen einer chromatographischen Trennung einer gegebenen Verbindung, bei der die Verbindung in ein unter Druck stehendes Trägergas injiziert und durch eine Säule geleitet wird, und bei der ein Teil der Säule einem Temperaturprofil ausgesetzt ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bestimmen des Drucks des Trägergases und Erzeugen eines Druckinformationssignals, das den Druck darstellt;

Erzeugen eines Steuersignals; und

Steuern des Drucks des Trägergases als Reaktion auf das Steuersignal;

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Erzeugen eines Temperaturinformationssignals, das die Temperatur darstellt, der die Säule ausgesetzt ist;

Speichern von Systeminformationen, Massenflußinformationen und Trägergasviskositätsinformationen;

Empfangen des Temperaturinformationssignals und des Druckinformationssignals, und ferner Empfangen von Informationen, die einen ausgewählten Flußmodus betreffen, und von Flußparametern, die dem ausgewählten Flußmodus zugeordnet sind, Erzeugen einer Mehrzahl von Massenflußwerten, die in einem Zeit-sequentiellen Format angeordnet sind und Speichern derselben als Massenflußinformationen, und Wiedergewinnen der Systeminformationen, der Massenflußinformationen und der Viskositätsinformationen basierend auf dem Temperaturinformationssignal, zum

Berechnen eines Ziel-Trägergasdrucks bezüglich der Systeminformationen, der Massenflußinformationen und der Viskositätsinformationen basierend auf dem Temperaturinformationssignal und dem Druckinformationssignal, und

Erzeugen des Steuersignais bezüglich des Ziel-Trägergasdrucks und des Druckinformationssignals;

wobei der Druck des Trägergases als Reaktion auf das erzeugte Steuersignal gesteuert wird, derart, daß die Temperatur, der die Säule ausgesetzt ist, sich mit der Zeit ändert, und wobei der gewünschte Massenfluß eines Trägergases zu einer entsprechenden Zeit durch Steuern des Drucks des Trägergases festgelegt wird.

11. Das Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Probe durch ein Injektionstor in das Trägergas injiziert wird, und bei dem der Druck des Trägergases in Strömungsrichtung vor dem Injektionstor gesteuert wird.

12. Das Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die Probe durch ein Injektionstor in ein Trägergas injiziert wird, und bei der der Druck des Trägergases in Strömungsrichtung hinter dem Injektionstor gesteuert wird.

13. Das Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem der Schritt des Erzeugens eines Temperaturinformationssignals ferner die Schritte des Eingebens von Daten, die eine gewünschte Temperatur bezüglich der Zeit darstellen, in einen ersten Computer, und ferner das Steuern der Temperatur aufweist, der die Säule ausgesetzt ist, durch den ersten Computer als Reaktion auf die Daten, wobei das Temperaturinformationssignal die Daten darstellt.

14. Das Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die Systeminformationen, die Massenflußinformationen und die Trägerinformationen ebenfalls in dem ersten Computer gespeichert werden.

15. Das Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem der Schritt des Bestimmens des Drucks des Trägergases den Schritt des Schaffens eines Druckwandlers aufweist, der nahe eines Ventils zum Steuern des Drucks positioniert ist.

16. Das Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem der Schritt des Berechnens eines Trägergasdrucks gemäß der Formel erreicht wird:

Es gilt: Tc = Säulentemperatur (absolute Temperatur);

Ts = Standardumgebungstemperatur (absolute Temperatur)

s = Dichte eines Trägergases bei einem Standarddruck und einer Standardtemperatur;

d = Säulendurchmesser;

L = Säulenlänge;

Pi = Einlaßdruck - umgewandelt in einen absoluten Druck;

Po = Auslaßdruck - umgewandelt in einen absoluten Druck;

PS = Standardumgebungsdruck (Ps = 1 atm = 760 torr);

Insetpt = der Massenflußeinstellpunkt;

µ(Tc) = absolute Viskosität.

17. Das Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der Schritt des Erzeugens eines Steuersignals die Schritte des Schaffens eines PID-Steueralgorithmus und des Erzeugens des Steuersignals unter Verwendung des PID-Algorithmus bezüglich des Trägergasdrucks (Psetpt) und des Druckinformationssignals aufweist.

18. Das Verfahren gemäß Anspruch 10, das ferner die Schritte des Vergleichens des Steuersignals mit einem Referenzwert und des Anzeigens, wenn das Steuersignal den Referenzwert übersteigt, aufweist.