EP1697737A2 - Method and device for providing a defined fluid flow, especially for use in liquid chromatography - Google Patents

Method and device for providing a defined fluid flow, especially for use in liquid chromatography

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Publication number
EP1697737A2
EP1697737A2 EP04802800A EP04802800A EP1697737A2 EP 1697737 A2 EP1697737 A2 EP 1697737A2 EP 04802800 A EP04802800 A EP 04802800A EP 04802800 A EP04802800 A EP 04802800A EP 1697737 A2 EP1697737 A2 EP 1697737A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
branch
fluidic
excess
internal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04802800A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gervin Ruegenberg
Hermann Hochgraeber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dionex Softron GmbH
Original Assignee
Dionex Softron GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dionex Softron GmbH filed Critical Dionex Softron GmbH
Publication of EP1697737A2 publication Critical patent/EP1697737A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/26—Conditioning of the fluid carrier; Flow patterns
    • G01N30/28—Control of physical parameters of the fluid carrier
    • G01N30/32—Control of physical parameters of the fluid carrier of pressure or speed
    • G—PHYSICS
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    • G01N30/32—Control of physical parameters of the fluid carrier of pressure or speed
    • G01N2030/324—Control of physical parameters of the fluid carrier of pressure or speed speed, flow rate
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    • G01N30/02—Column chromatography
    • G01N30/26—Conditioning of the fluid carrier; Flow patterns
    • G01N30/28—Control of physical parameters of the fluid carrier
    • G01N30/36—Control of physical parameters of the fluid carrier in high pressure liquid systems

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for providing a defined fluid flow, in particular for liquid chromatography.
  • the splitting device 1 shown in FIG. 4 for a liquid chromatography device comprises a pump 3 for providing a defined total flow f 0 with a defined solvent composition.
  • the pump 3 can contain devices for proportioning and mixing different solvents so that solvent gradients can be generated.
  • the total flow f 0 supplied by the pump 3 is significantly higher than the desired (external) work flow f ew .
  • the splitting device comprises a fluidic branch 5, which can be realized in the form of a T-piece, which divides the total flow fo into an internal workflow f lw and an internal excess flow f ⁇ e , and a fluidic resistor 7 in the working branch and a fluidic resistance 9 in the excess branch.
  • the distribution ratio (workflow to excess flow) is determined by the ratio of the resistances.
  • Resistor 7 is generally much larger than resistor 9, ie with the same pressure drop the internal work flow fi W is only a small percentage of the excess flow f le .
  • the internal workflow f ⁇ w is also at the output 11 of the splitting device
  • pressure sensors generally have relatively large internal volumes due to their design. Because of the compressibility of the solvents used and the elasticity of the pressure transducer, a flow flows to or away from the pressure sensor each time the pressure changes. As a result, the work flow is reduced or increased accordingly.
  • the sensors in question measure the total pressure (relative to the ambient air or absolutely), they must have a measuring range of at least 200 bar. A measurement error of 0.05 bar therefore corresponds to an accuracy requirement of 0.025%. Such accuracy can only be achieved in practice with great effort.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for providing a defined liquid flow, in particular for liquid chromatography, which makes it possible to generate the workflow with high accuracy regardless of the counterpressure at the outlet, without a work sensor for detecting the pressure in the working branch and / or the river is needed.
  • no pressure sensors should be considered flow-determining components are used.
  • the invention is based on the object of proposing a device for implementing the method.
  • the invention is based on the knowledge that an external, preferably very small, work flow can be achieved by a work device with sufficient constancy and reproducibility by measuring a compensating flow in a cross-branch between a work branch and an excess branch and by controlling the resistance value of a variable one fluidic resistance device can be regulated in the further course of the excess branch to a value of essentially zero or to a predetermined offset value which is low in comparison to the internal work flow. This means that the problematic measurement of the external work flow is not necessary.
  • the predetermined offset value for the compensation flow can be chosen to be greater than zero, the positive sign indicating a flow direction from the work path in the direction of the excess path.
  • the dependency of the sensor signal of the flow sensor on at least one property of the fluid, in particular the thermal capacity and thermal conductivity of the fluid can be corrected when regulating the compensating flow in such a way that the predetermined offset value for the actually flowing compensating flow results.
  • the correction can be carried out in a simple manner in that a correction parameter is linked to the sensor signal for the correction, in particular a correction factor is multiplied by the sensor signal.
  • the values for a correction factor can be saved in a lookup table.
  • a functional dependency of the correction factor on at least one property of the fluid can of course be stored and evaluated for correction.
  • the compensation flow for achieving a temporary reduction in the external work flow can be regulated in the further course of the work path to a predetermined value which is high in comparison to the offset value.
  • a so-called “peak parking” can thus be achieved in HPLC. This means a temporary significant reduction in the
  • the flow reduction can be achieved directly without additional components in that the compensation flow is temporarily not regulated to a value equal to or close to zero, but to a significantly higher, positive value.
  • the resistance value of the changeable fluidic resistance device for determining the internal work flow and / or external work flow can be temporarily adjusted in the further course of the work path in such a way that a non-zero compensation flow results, and in this way the normal operating case expected internal work flow and / or external work flow can be determined from the signal of the flow sensor.
  • the changeable fluidic resistance device for measuring the internal work flow in the transverse branch can be short-circuited and / or controlled to a value equal to zero, the transverse branch preferably having a fluidic resistance value equal to or close to zero.
  • the compensation flow in the shunt arm is regulated to zero in the normal operating phase of the device, an external work flow then results which is equal to the measured internal work flow.
  • the compensation flow is regulated to a low offset value, in particular in order to avoid a backflow of the fluid from the transverse branch into the work branch, the external work flow can be determined during the normal operation of the device from the difference between the internal work flow and the compensation flow be determined.
  • the fluidic resistances determining the division ratio can be designed such that their fluidic throughput time is essentially the same. This has the advantage that even with a time gradient with respect to at least one property of the fluid, for example with regard to its composition and thus its viscosity, the distribution ratio remains constant (also over time) in any case.
  • a similar effect can be achieved by designing the fluidic resistances which determine the distribution ratio in such a way that their fluidic throughput time is yours compared to the duration of conventional solvent gradients. In this case, it can be assumed with sufficient accuracy that the contradictions would almost always contain a fluid with the same solvent composition.
  • the device according to the invention can be designed such that the total fluidic resistance value of the changeable fluidic resistance device is composed of the resistance value of an adjustable, preferably electrically controllable fluidic resistance element and a non-adjustable fluidic resistance element, the fluidic resistance value, in particular the non-adjustable fluidic resistance element Resistance elements, depends on the viscosity of the solvent used.
  • the required setting range for the adjustable fluidic resistance element can be kept relatively small, as a result of which this element can be manufactured more easily and more cost-effectively.
  • Such a device for influencing the pressure and / or flow conditions in a fluidic system can also be used independently of the device or independently of the method according to the present invention.
  • Figure 1 is a schematic representation of an analog electrical block diagram of a device according to the invention with a constant flow pump.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a controllable, changeable fluidic resistance device for the device in FIG. 1; in the form of a development of an analog electrotechnical block diagram (Fig. 2a) and in the form of a schematic diagram for its implementation (Fig. 2b);
  • Fig. 3 is a diagram illustrating the viscosity and pressure profiles of a device according to Fig. 1 with a resistance device according to Fig. 2 and
  • Fig. 4 is a schematic representation of an analog electrotechnical block diagram of a device according to the prior art to explain the principle of the river division.
  • the device 100 shown in FIG. 1 in the form of an analog electrotechnical block diagram for providing a defined fluid flow, in particular for liquid chromatography, to which a constant flow of the fluid supplied by a pump 1 is supplied, comprises a flow divider 5, which acts as a branching device T-piece can be formed, and fluidic resistors 7 and 9 in a working branch or an excess branch.
  • a flow divider 5 acts as a branching device T-piece can be formed
  • fluidic resistors 7 and 9 in a working branch or an excess branch.
  • the resistance value of the fluidic resistors 7 and 9 is designated.
  • the device 100 further comprises a fluidic branch 102 at the outlet of the fluidic resistor 7 and a fluidic branch 104 at the outlet of the fluidic resistor 9.
  • the fluidic branches 102, 104 can again each be implemented as a simple T-piece.
  • the device 100 has a transverse branch 106 which connects the fluidic branches 102 and 104 and in which a flow sensor 108 is arranged which supplies an output signal S ai which is dependent on the compensation flow f bal flowing in the transverse branch 106.
  • an adjustable fluidic resistance device 110 is provided, which, as shown in FIG. 1, can be designed as a simple changeable and preferably electrically controllable fluidic resistor, for example as a controllable throttle valve.
  • the device 100 comprises a control device 112 which controls the adjustable fluidic resistance device 110 with regard to its fluidic resistance value as a function of the signal S a i of the flow sensor 108.
  • the signal flow is indicated in FIG. 1 by dotted lines.
  • the pressure acting at this point can be detected on the fluidic branch 9 by means of an optional pressure sensor 114.
  • the desired external work flow f ew is made available at the output 116 of the device 100, the ratio between the external work flow f ew and the total flow f 0 being to be kept constant with sufficient accuracy.
  • the external excess flow f ee occurring at the output 118 of the device 100 is generally not used.
  • the mode of operation of the device in FIG. 1 is explained in more detail below using the example of HPLC, only the components of an entire HPLC arrangement that are essential for the invention being shown:
  • the arrangement like the known methods, is based on the principle of river division.
  • the pump 3 supplies a defined, preferably constant, total flow f 0 with the desired, defined solvent composition to the device 100, to the outlet 116 of which the column (not shown) of the chromatography device is connected. Both the total flow f 0 and the solvent composition can also be variable over time.
  • the total flow f 0 is converted by the flow divider 5 and the fluidic resistors 7 and 9 arranged in the working path and in the excess path into an internal excess flow fte and, as a rule, a substantially lower internal working flow f; w split.
  • the distribution ratio is determined by the fluidic resistors 7 and 9 and the pressure drops across them. With a constant ratio of the resistors, the distribution ratio is constant when the pressure drops across the resistors 7 and 9 are always the same.
  • the pressure sensor 114 serves to detect the pressure at the resistance device 110. Since the pressure drop in the transverse branch in the previously described mode of operation of the If device 100 is zero, this pressure also corresponds to the pressure at outlet 116 of the working branch. This pressure is not required to control or regulate the system, but is of interest in practice because it allows conclusions to be drawn about the condition (eg contamination) of the column connected there.
  • An additional advantage of the arrangement according to the invention is that the internal workflow fj w supplied by the fluidic branch 5 and the fluidic resistors 7, 9, which in the previously described mode of operation is the same as the external workflow f ew, is checked or measured directly without additional components can be. As a result, both a blockage of the components of the fluidic branch 102 or the fluidic resistors 7, 9 and a malfunction of the pump 3 can be recognized. The measurement step required for this takes place independently of the normal operation of the system and is only used for checking or error analysis.
  • a prerequisite for the measurement is a constant solvent composition, for which the sensitivity of the flow sensor 108, which depends in particular on the viscosity of the fluid, is known.
  • the resistance value of the changeable fluidic resistance device 110 is reduced to a value of zero or almost zero.
  • the pressure at the fluidic branch 104 or at the T-piece realizing it becomes equal to the external air pressure.
  • the transverse branch which has a fluidic resistance value of zero or close to zero, the pressure at the fluidic branch 102 or the T-piece that realizes it also drops to the external air pressure.
  • L0 direct flow b ai is therefore identical to the internal and external work flow in the
  • the procedure described means a strong pressure change in the system. Because of unavoidable dead volumes in the system, it can take a long time to
  • the fluidic resistors 7 and 9 are expediently designed in accordance with EP-A-0495 255 so that their internal volumes are approximately the same ratio as the two rivers. This results in the same fluidic cycle time for both resistors. This has the advantage that a change in the viscosity of the
  • Solvent has the same effect on both branches, i.e. the allocation ratio remains constant in this case too.
  • a similar effect can be achieved in that the internal volumes of the fluid resistors 7, 9 are kept low, so that the passage time of the solvent through the resistors is short compared to the duration of conventional solvent gradients.
  • both resistors 7, 9 contain the same solvent composition, i.e. Changes in solvent viscosity have the same effect on both resistors.
  • capillaries preferably made of quartz glass or metal.
  • the desired volume and resistance ratios can be easily established or adjusted over a wide range.
  • capillaries are characterized by a very good consistency of their properties.
  • fluidic resistors which consist of porous materials (frits)
  • the two flow-determining resistances de 7 and 9 always have the same temperature. For this purpose, it makes sense to install these resistors in a common housing, for example.
  • the absolute temperature of these resistors plays a subordinate role, since both resistors change by the same factor.
  • the regulating device 112 is intended to regulate the flow in the shunt arm to zero or to a predetermined low offset value (see below). Depending on the type of output signal from the sensor 108 and the control signal required to set the fluidic resistance device 110, this can be done in the simplest case by direct electrical coupling of the signals, for example via an amplifier, but better by an analog or a digital controller. Implementation as an integrating controller is particularly expedient, since in this way the mean time value of the flow in the transverse branch can be made zero with particularly good accuracy or can be kept at a constant value.
  • the offset value must be selected so that its effect on the external work flow f ew can be neglected.
  • the offset value expediently lies in a range between 0.2% and 5% of the external work flow f ew , for example in the order of magnitude of approximately 1%. This is particularly useful because the signal from the flow sensor 108 is usually solvent-dependent. Since the control device 13 tries to keep the signal from the sensor constant, the actual compensation flow f bal changes depending on the solvent composition. The resulting slight distortion of the external workflow f ew does not interfere with such small offset values.
  • the solvent composition to be expected there is calculated from the solvent gradient and the current throughput time to the flow sensor 108.
  • a correction factor for the sensor output signal is now determined on the basis of the known sensitivity curves of the sensor.
  • the correction factors can, for example, be stored in a Lokup table.
  • the actual compensation flow is then calculated from the sensor output signal and the correction factor. Any errors in this correction have a minimal impact on the external workflow f ew , since the offset value, as explained above, is usually only a small part of the workflow.
  • the fluidic resistance of the components of the transverse branch has hardly any influence on the function of the arrangement in normal operation, since the flow in the transverse branch always has a value close to zero.
  • the resistance value of the shunt arm should not be too high, however, as this would reduce the sensitivity of the control system.
  • the fluidic resistance of the transverse branch must be designed to be as low as possible anyway, so that the compensating flow does not generate a pressure drop in the transverse branch.
  • the flow reduction can be achieved directly without additional components, in that the compensation flow f ba i is temporarily not regulated to a value of zero or close to zero, but to a significantly higher, positive value.
  • the external work flow f ew provided at output 116 is reduced by the set compensation flow f a i- Since the control device device 112 can set a precisely defined compensation flow, the external work flow f ew can be reduced to a precisely defined, adjustable value.
  • the device 100 according to FIG. 1 thus offers the advantage that the external work flow f ew provided at the outlet 116 is independent of the back pressure of the devices connected there. Furthermore, the external workflow f ew provided is also independent of the solvent composition and its change. Even fast solvent gradients have no influence on the flow provided.
  • the external work flow f ew provided always represents a precisely defined, constant part of the total flow f 0. This also applies to the solvent composition, apart from the time delay caused by the throughput time.
  • the external work flow f e can thus be easily controlled in a precisely defined manner by changing the total flow.
  • the flow sensors used to measure liquid flows are based on the
  • the compensating flow f ba i in the shunt arm is not regulated to the value zero, but to a (low) offset value, in principle a flow sensor can be used which can only detect the amount and not the direction of the flow ,
  • this pressure sensor 114 is arranged in the excess branch instead of in the working branch, the dead volume of the pressure sensor does not cause any problems. Since the pressure sensor also has no influence on the flow accuracy in the working branch, a simple, inexpensive design can be used. There are various possibilities for realizing the actuator, that is to say the changeable fluidic resistance device 110.
  • One obvious solution is to use a variable "bottleneck", whereby the length and / or the cross section of the bottleneck can be changed.
  • the pressure effective at the actuator is just as high as the pressure at the outlet 116 of the device (column pressure). This depends on the viscosity of the solvent and the type of chromatographic column. In practice, the pressure range is between about 30 and about 400 bar
  • the column pressure can change
  • the solvent composition at the two outputs of the flow divider is at all times (eg at branches 102 and 104) roughly the same. This means that the solvent that flows into the chromatographic column has the same viscosity as the solvent that flows into the actuator at the same time.
  • the actuator is implemented as a series circuit consisting of a fixed and an adjustable fluidic resistance element.
  • the fixed resistance element has a pressure drop that is slightly less than the pressure drop across the chromatographic column.
  • the working range of the adjustable resistance element of the actuator only has to compensate for deviations from this theoretical case and pressure changes due to the contamination of the column.
  • FIG. 2a shows an improved version of the adjustable, changeable fluidic resistance device 110 in the form of circuit symbols as well as a possible implementation in a schematic representation.
  • the resistance device 110 is composed of two resistance elements 120 and 122, the fluidic resistance element 120 depending on the viscosity of the solvent flowing through.
  • the fluidic resistance element 122 can be changed by the control device 112.
  • the viscosity-dependent part 120 is symbolized by a long, thin capillary 124, the fluidic resistance value of which is directly proportional to the viscosity of the liquid.
  • the adjustable part 122 is realized as an adjustable needle valve 126, wherein the needle can be moved by a motor drive 128 in such a way that the cross section of the passage changes.
  • the resistance elements 120 and 122 can of course also be implemented in other ways.
  • a compressible filter element or an elastic sealing element can also be used.
  • the adjustable resistance element 122 does not have to have a linear behavior either: instead of a needle valve with motorized control of the needle, for example, a spring-loaded needle can be provided.
  • the adjustable resistance element would be implemented as an adjustable pressure regulator. Its behavior corresponds approximately to that of an adjustable Zener diode in the electrical engineering analogue.
  • Such an adjustable pressure regulator can also be understood as an adjustable resistor with a “bent” characteristic curve and is also subsumed in the context of this description under the term “changeable resistance device”.
  • Such an adjustable pressure regulator can of course also be used without a non-adjustable resistance element to implement the adjustable resistance device.
  • FIG. 3 shows, for a changeable fluidic resistance device 110 according to FIG. 2, the pressure profiles for a predetermined change over time in the viscosity of the solvent used.
  • the pressure curves shown result for an arrangement according to FIG. 1, to the outlet 116 of which a chromatographic column is connected.
  • the curve 202 is the predetermined course of the relative viscosity of the solvent mixture used, which is provided by the pump 3.
  • Curve 200 shows the associated pressure curve at the chromatographic column, that is to say at outlet 116. Since the change in viscosity reaches the column only after a delay because of the passage time through resistor 7, the drop in viscosity becomes noticeably belated. In addition, the pressure curve appears smoothed, since the area with decreasing viscosity only gradually enters the column. Because of the transverse branch, the pressure at the resistance device 110, that is the sum of the Pressures at the resistance elements 120 and 122 equal to the pressure at the outlet 116 and thus also correspond to the curve 200.
  • the curve 201 is the pressure drop at the fixed resistance element 120 of the resistance device 110, that is to say at the capillary 124.
  • the course over time corresponds approximately to the curve 200.
  • the capillary has a shorter throughput time than the column, so that the course is less smoothed or is delayed.
  • curve 203 is the difference between the total pressure at the resistance device 110 (curve 200) and the pressure drop at the fixed resistance element
  • the adjustable resistance element 122 of the resistance device must build up this pressure.
  • the fixed resistance element 120 of the resistance device could be designed from the outset in such a way that its pressure drop corresponds exactly to that of the column. Then no regulation would be necessary at all and no cross branch would be required. In practice, however, this cannot be achieved with reasonable effort for various reasons. A major reason for this is that the column becomes locally dirty over time, which not only leads to a higher column pressure overall, but also changes the course of time.
  • salts are sometimes used as chemical buffers. If the salt concentration is high, there is a risk that the salts will crystallize out. taping. If this happens in the resistance device 110, its function could be impaired.
  • This problem can be avoided by providing the resistance device 110 on the low-pressure side with at least two additional connections for flushing. Through these additional connections, pure solvent (e.g. water) can be pumped through the actuator continuously or at certain time intervals. This reduces the salt concentration in such a way that crystallization is avoided or any existing salt crystals are dissolved and rinsed out.
  • pure solvent e.g. water

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Abstract

The invention relates to a method for providing a defined fluid flow, especially for use in liquid chromatography. According to the method, a constant total flow (f0) is subdivided into an internal excess flow (fie) in an excess branch and into an internal working flow (fiw) in a working branch. The ratio of subdivision of the internal working flow (fiw) and the internal excess flow (fie) depends on the reverse ratio of a fluidic resistance provided in the working branch and a fluidic resistance in the excess branch. The excess branch and the working branch are interlinked at the respective outputs of the two fluidic outputs of the fluidic resistances by a cross-branch. The equalizing flow occurring between the outputs of the fluidic resistances is measured by means of a flow sensor. A desired, external working flow in the further course of the working branch can be fed to a working device, for example a chromatography column mounted downstream of the device. Further down the excess branch a variable fluidic resistance device is arranged. The resistance value of the variable fluidic resistance device is controlled, thereby controlling the equalizing flow in such a manner that the equalizing flow, preferably in the temporal mean, is substantially zero or equals a defined offset value whose amount is small compared to the internal working flow (fiw). The invention also relates to a device for carrying out the inventive method.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung eines definierten Fluidstroms, insbesondere für die Flüssigkeitschromatographie Method and device for providing a defined fluid flow, in particular for liquid chromatography
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines definierten Fluidstroms, insbesondere für die Flüssigkeitschromatographie.The invention relates to a method and a device for providing a defined fluid flow, in particular for liquid chromatography.
In der Analysetechnik, insbesondere der Flüssigkeitschromatographie (HPLC, High Performance Liquid Chromatography), arbeitet man in der Regel mit einem konstanten Fluss (Volumen pro Zeiteinheit, Volumenstrom), da dies eine quantitative Analyse stark vereinfacht. Dieser Fluss durchströmt eine chromatographische Trennsäule (kurz Säule genannt), in der die gewünschte Stofftrennung stattfindet.In analysis technology, especially liquid chromatography (HPLC, High Performance Liquid Chromatography), you usually work with a constant flow (volume per unit of time, volume flow), as this greatly simplifies a quantitative analysis. This flow flows through a chromatographic separation column (called the column for short), in which the desired material separation takes place.
Dabei geht der Trend hin zu kleinen (CAP-LC) und sehr kleinen (Nano-LC) Volumen- strömen, weil in diesen Fällen nur geringere Probenmengen erforderlich sind und eine bessere Trennleistung erreicht wird. In vielen Anwendungen wird eine Mischung aus zwei oder mehr unterschiedlichen Lösungsmitteln verwendet. Dabei wird häufig das Mischungsverhältnis während der Analyse kontinuierlich oder stufenweise verändert, was als Lösungsmittelgradient bezeichnet wird.The trend is towards small (CAP-LC) and very small (nano-LC) volume flows, because in these cases only smaller amounts of sample are required and better separation performance is achieved. A mixture of two or more different solvents is used in many applications. The mixing ratio is often changed continuously or in stages during the analysis, which is referred to as the solvent gradient.
In der Regel wird auch bei der Verwendung kleiner Volumenströme ein genau definierter Fluss gefordert. Dieser soll einstellbar und mit guter Genauigkeit konstant sein. Letzteres wird insbesondere dadurch erschwert, dass der Gegendruck der angeschlossenen Säule (Säulendruck) von der Viskosität der gerade in der Säule befindlichen Lö- sungsmittelmischung abhängt und sich durch Verschmutzung der Säule ändern kann.As a rule, a precisely defined flow is required even when using small volume flows. This should be adjustable and constant with good accuracy. The latter is made particularly difficult by the fact that the back pressure of the connected column (column pressure) depends on the viscosity of the solvent mixture currently in the column and can change due to contamination of the column.
Bei sehr geringen Volumenströmen ist es extrem schwierig, diese direkt mit der benötigten Konstanz und mit einem definiert einstellbaren Mischungsverhältnis zu erzeugen. Über die sehr hohen Anforderungen an die mechanische Präzision und die Dichtigkeit der Komponenten hinaus kommen alle möglichen Schmutzeffekte zum Tragen, die bei höheren Volumenströmen vernachlässigt werden können.With very low volume flows, it is extremely difficult to generate them directly with the required constancy and with a defined mixing ratio. About the very high demands on mechanical precision and tightness In addition to the components, all possible dirt effects come into play, which can be neglected with higher volume flows.
Daher arbeiten die meisten etablierten Verfahren mit Flussteilung. Dabei wird zunächst ein definierter, jedoch sehr viel größerer als der benötigte Fluss erzeugt. Dadurch ist es vergleichsweise leicht möglich, die Forderungen an Konstanz und Mischungsverhältnis einzuhalten. Entsprechende Geräte sind in der klassischen HPLC weit verbreitet und daher am Markt erhältlich. Der gelieferte Fluss wird dann durch einen Flussteiler in einen großen und einen kleinen Fluss aufgeteilt. Nur der kleine Teil wird verwendet.Therefore, most established processes work with river division. First, a defined, but much larger, flow is generated than the required flow. This makes it comparatively easy to meet the requirements for constancy and mixing ratio. Corresponding devices are widely used in classic HPLC and are therefore available on the market. The supplied river is then divided into a large and a small river by a flow divider. Only the small part is used.
Das Prinzip des Flussteilung nach dem Stand der Technik ist in Fig. 4 verdeutlicht. Die in Fig. 4 dargestellte Splitting- Vorrichtung 1 für eine nicht näher dargestellte Flüssigkeitschromatographievorrichtung umfasst eine Pumpe 3 zur Bereitstellung eines definierten Gesamt-Flusses f0 mit einer definierten Lösungsmittelzusammensetzung. Die Pumpe 3 kann Einrichtungen zur Proportionierung und Mischung verschiedener Lösungsmittel enthalten, so dass Lösungsmittel-Gradienten erzeugt werden können. Der von der Pumpe 3 gelieferte Gesamtfluss f0 ist wesentlich höher als der gewünschte (externe) Arbeitsfluss few. Des Weiteren umfasst die Splitting- Vorrichtung eine fluidi- sche Verzweigung 5, die in Form eines T-Stücks realisiert sein kann, das den Gesamt- fluss fo in einen internen Arbeitsfluss flw und einen internen Überschussfluss fιe aufteilt, sowie einen fluidischen Widerstand 7 im Arbeitszweig und ein fluidischen Widerstand 9 im Überschusszweig. Das Aufteilverhältnis (Arbeitsfluss zu Überschussfluss) wird durch das Verhältnis der Widerstände bestimmt. Der Widerstand 7 ist in der Regel sehr viel größer als der Widerstand 9, d.h. bei gleichem Druckabfall ist der interne Arbeits- fluss fiW nur ein geringer Prozentsatz des Überschussflusses fle.The principle of the flow division according to the prior art is illustrated in FIG. 4. The splitting device 1 shown in FIG. 4 for a liquid chromatography device (not shown in detail) comprises a pump 3 for providing a defined total flow f 0 with a defined solvent composition. The pump 3 can contain devices for proportioning and mixing different solvents so that solvent gradients can be generated. The total flow f 0 supplied by the pump 3 is significantly higher than the desired (external) work flow f ew . Furthermore, the splitting device comprises a fluidic branch 5, which can be realized in the form of a T-piece, which divides the total flow fo into an internal workflow f lw and an internal excess flow fι e , and a fluidic resistor 7 in the working branch and a fluidic resistance 9 in the excess branch. The distribution ratio (workflow to excess flow) is determined by the ratio of the resistances. Resistor 7 is generally much larger than resistor 9, ie with the same pressure drop the internal work flow fi W is only a small percentage of the excess flow f le .
Der interne Arbeitsfluss fιw steht auch am Ausgang 11 der Splitting- Vorrichtung alsThe internal workflow fι w is also at the output 11 of the splitting device
(externer) few zur Verfügung. Hier wird der Rest des Analysesystems angeschlossen.(external) f ew available. The rest of the analysis system is connected here.
Dabei ist für die Druckverhältnisse insbesondere der Wert des fluidischen Widerstands der (nicht dargestellten) Säule ausschlaggebend. Am Ausgang 13 des Flussteilers er- scheint der (externe) Überschussfluss fee, der gleich dem internen Überschussfluss fje ist und der in der Regel nicht genutzt wird.The value of the fluidic resistance of the column (not shown) is decisive for the pressure conditions. At output 13 of the flow divider seems the (external) excess flow f ee , which is equal to the internal excess flow fj e and which is usually not used.
Bei diesem bekannten Verfahren tritt das Problem auf, dass das tatsächlich erreichte Aufteilverhältnis nicht nur von den Widerständen 7 und 9, sondern auch vom Gegendruck der Säule abhängt. Der fluidische Widerstandwert der Säule addiert sich in seiner Wirkung zum Wert des Widerstands 7. Dies muss bei der Auslegung der Widerstände berücksichtigt werden.The problem with this known method is that the distribution ratio actually achieved depends not only on the resistors 7 and 9, but also on the back pressure of the column. The effect of the fluidic resistance value of the column is added to the value of resistance 7. This must be taken into account when designing the resistors.
Eine zusätzliche Schwierigkeit besteht darin, dass sich die fluidischen Widerstände sämtlicher Bauteile mit der Viskosität der jeweils darin befindlichen Lösungsmittel ändern. Bei konstanter Lösungsmittelzusammensetzung betrifft dies alle Bauteile in gleicher Weise, so dass das Aufteilverhältnis gleich bleibt. Bei Lösungsmittelgradienten macht sich die Viskositätsänderung in den einzelnen Bauteilen jedoch mit unterschied- licher Verzögerung bemerkbar, je nach Durchlaufzeit der vorgeschalteten Bauteile und des jeweiligen Bauteils selbst. Daher bleibt in der Regel während des Gradienten das Aufteilverhältnis nicht konstant.An additional difficulty is that the fluidic resistances of all components change with the viscosity of the solvents contained therein. With constant solvent composition, this affects all components in the same way, so that the distribution ratio remains the same. In the case of solvent gradients, however, the change in viscosity in the individual components becomes noticeable with different delays, depending on the throughput time of the upstream components and the respective component itself. As a result, the distribution ratio generally does not remain constant during the gradient.
Ein verbessertes Verfahren ist in der EP-A-0 495 255 beschrieben. Dabei wird durch Abstimmung der Volumina der beiden Zweige entsprechend dem Aufteilverhältnis erreicht, dass auch während eines Lösungsmittel-Gradienten das Aufteilverhältnis konstant bleibt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass nach wie vor der Gegendruck am Ausgang (also z.B. der Säulendruck) das Aufteilverhältnis stark beeinflusst. Dieser Gegendruck kann bei der Auslegung des Flussteilers nur zum Teil berücksichtigt wer- den, da er ebenfalls von der Lösungsmittel- Viskosität abhängt.An improved method is described in EP-A-0 495 255. By matching the volumes of the two branches in accordance with the distribution ratio, it is achieved that the distribution ratio remains constant even during a solvent gradient. The disadvantage of this method is that the back pressure at the outlet (e.g. the column pressure) still has a strong influence on the distribution ratio. This back pressure can only be partially taken into account when designing the flow divider, since it also depends on the solvent viscosity.
Aus der DE 199 14 358 ist ein Verfahren bekannt, bei dem dieser Nachteil durch ein aktives Stellglied in einem der beiden Zweige vermieden werden soll. Hierzu wird einA method is known from DE 199 14 358 in which this disadvantage is to be avoided by an active actuator in one of the two branches. For this, a
Arbeitsfühler verwendet, der den Fluss im Arbeitszweig messen soll. Da Fluss-Fühler für derart geringe Volumenströme in der Regel eine starke Abhängigkeit ihrer Emp- findlichkeit vom verwendeten Lösungsmittel aufweisen, lässt sich dieses Prinzip nicht ohne weiteres für Lösungsmittelgradienten verwenden. Daher wurde als Alternativlösung vorgeschlagen, den Druck im Arbeits- sowie im Überschuss-Zweig zu erfassen und die Differenz der beiden Drücke zur Steuerung des Stellgliedes zu verwenden.Work probe used to measure the flow in the work branch. Since flow sensors for such low volume flows usually have a strong dependence on their Show sensitivity of the solvent used, this principle can not easily be used for solvent gradients. It was therefore proposed as an alternative solution to record the pressure in the working branch and in the excess branch and to use the difference between the two pressures to control the actuator.
Nachteilig hieran ist, dass Drucksensoren aufgrund ihrer Bauart in der Regel relativ große Innenvolumina aufweisen. Wegen der Kompressibilität der verwendeten Lösungsmittel sowie der Elastizität des Druckaufnehmers fließt bei jeder Änderung des Drucks ein Fluss zum Drucksensor bzw. von diesem weg. Hierdurch wird der Arbeits- Fluss entsprechend verringert bzw. erhöht.The disadvantage of this is that pressure sensors generally have relatively large internal volumes due to their design. Because of the compressibility of the solvents used and the elasticity of the pressure transducer, a flow flows to or away from the pressure sensor each time the pressure changes. As a result, the work flow is reduced or increased accordingly.
Ein weiteres Problem, das der Verwendung von Drucksensoren entgegen steht, ist die erreichbare Genauigkeit. Aus technischen Gründen legt man die Widerstände 6 und 7 so aus, dass daran nur ein geringer Druckabfall auftritt. Ungenauigkeiten der Drucksenso- ren wirken sich im Verhältnis zu diesem Druckabfall auf das Aufteilverhältnis auf. Geht man von einem Druckabfall von beispielsweise 10 bar aus, so entspricht eine geforderte Fluss-Reproduzierbarkeit von 0,5 % einem zulässigen Druck-Messfehler von 0,05 bar (0,5 % von 10 bar).Another problem that stands in the way of using pressure sensors is the achievable accuracy. For technical reasons, resistors 6 and 7 are designed in such a way that there is only a slight pressure drop. Inaccuracies in the pressure sensors affect the distribution ratio in relation to this pressure drop. Assuming a pressure drop of 10 bar, for example, a required flow reproducibility of 0.5% corresponds to a permissible pressure measurement error of 0.05 bar (0.5% of 10 bar).
Da die in Frage kommenden Sensoren den Gesamtdruck (relativ zur Umgebungsluft oder absolut) messen, müssen diese einen Messbereich von wenigstens 200 bar aufweisen. Ein Messfehler von 0,05 bar entspricht daher einer Genauigkeitsanforderung von 0,025 %. Eine derartige Genauigkeit ist in der Praxis nur mit hohem Aufwand zu erreichen.Since the sensors in question measure the total pressure (relative to the ambient air or absolutely), they must have a measuring range of at least 200 bar. A measurement error of 0.05 bar therefore corresponds to an accuracy requirement of 0.025%. Such accuracy can only be achieved in practice with great effort.
Aufgabe der Erfindung ist es also, ein Verfahren zur Bereitstellung eines definierten Flüssigkeitsstroms, insbesondere für die Flüssigkeitschromatographie, zu schaffen, das es ermöglicht, den Arbeitsfluss mit hoher Genauigkeit unabhängig vom Gegendruck am Ausgang zu erzeugen, ohne dass im Arbeitszweig ein Arbeitsfühler zur Erfassung des Drucks und/oder des Flusses benötigt wird. Zudem sollen keine Drucksensoren als flussbestimmende Bauteile verwendet werden. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens vorzuschlagen.The object of the invention is therefore to provide a method for providing a defined liquid flow, in particular for liquid chromatography, which makes it possible to generate the workflow with high accuracy regardless of the counterpressure at the outlet, without a work sensor for detecting the pressure in the working branch and / or the river is needed. In addition, no pressure sensors should be considered flow-determining components are used. Furthermore, the invention is based on the object of proposing a device for implementing the method.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ein externer, vorzugsweise sehr kleiner Arbeitsfluss durch eine Arbeitseinrichtung mit ausreichender Konstanz und Reproduzierbarkeit dadurch erreicht werden kann, dass in einem Querzweig zwischen einem Arbeitszweig und einem Überschusszweig ein Ausgleichsfluss gemessen und durch die Steuerung des Widerstandswertes einer veränderbaren fluidischen Widerstandseinrichtung im weiteren Verlauf des Überschusszweiges auf einen Wert von im Wesentlichen gleich Null oder auf einen vorbestimmten, im Vergleich zum internen Arbeitsfluss geringen Offset- Wert geregelt werden kann. Damit ist die problematische Messung des externen Arbeitsflusses nicht erforderlich.The invention is based on the knowledge that an external, preferably very small, work flow can be achieved by a work device with sufficient constancy and reproducibility by measuring a compensating flow in a cross-branch between a work branch and an excess branch and by controlling the resistance value of a variable one fluidic resistance device can be regulated in the further course of the excess branch to a value of essentially zero or to a predetermined offset value which is low in comparison to the internal work flow. This means that the problematic measurement of the external work flow is not necessary.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der vorgegebene Offset- Wert für den Ausgleichsfluss größer als Null gewählt werden, wobei das positive Vorzeichen eine Flussrichtung vom Arbeitspfad in Richtung auf den Überschusspfad bedeutet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der tatsächliche externe Arbeitsfluss des Fluids nicht durch einen Zufluss des Fluids aus dem Querzweig verfälscht wird, wie dies bei einer Regelung des Ausgleichsflusses auf Null, insbesondere einen zeitlichen Mittelwert von im Wesentlichen Null, und einem Fluid mit zeitlich variierenden Eigenschaften, beispielsweise hinsichtlich seiner Viskosität, möglich ist.According to a preferred embodiment of the invention, the predetermined offset value for the compensation flow can be chosen to be greater than zero, the positive sign indicating a flow direction from the work path in the direction of the excess path. This has the advantage that the actual external work flow of the fluid is not falsified by an inflow of the fluid from the transverse branch, as is the case when the compensation flow is regulated to zero, in particular an average value over time of essentially zero, and a fluid with time variations Properties, for example with regard to its viscosity, is possible.
Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens kann die Abhängigkeit des Sensorsignals des Flusssensors von wenigstens einer Eigenschaft des Fluids, insbesondere der Wärmeka- pazität und Wärmeleitfähigkeit des Fluids, bei der Regelung des Ausgleichsflusses derart korrigiert werden, dass sich der vorgegebene Offset- Wert für den tatsächlich fließenden Ausgleichsfluss ergibt. Hierdurch ergibt sich eine Verbesserung in der Konstanz und der Reproduzierbarkeit des externen Arbeitsflusses bei einer variierenden Zusammensetzung des Fluids, insbesondere bei Verwendung eines Lösungsmittelgra- dienten in der HPLC. Die Korrektur kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, dass zur Korrektur ein Korrekturparameter mit dem Sensorsignal verknüpft wird, insbesondere ein Korrekturfaktor mit dem Sensorsignal multipliziert wird.According to one embodiment of the method, the dependency of the sensor signal of the flow sensor on at least one property of the fluid, in particular the thermal capacity and thermal conductivity of the fluid, can be corrected when regulating the compensating flow in such a way that the predetermined offset value for the actually flowing compensating flow results. This results in an improvement in the constancy and the reproducibility of the external work flow with a varying composition of the fluid, in particular when using a solvent gradient in HPLC. The correction can be carried out in a simple manner in that a correction parameter is linked to the sensor signal for the correction, in particular a correction factor is multiplied by the sensor signal.
Die Werte für einen Korrekturfaktor können in einer Lookup-Tabelle gespeichert werden. In gleicher Weise kann selbstverständlich eine funktionale Abhängigkeit des Korrekturfaktors von wenigstens einer Eigenschaft des Fluids gespeichert und zur Korrektur ausgewertet werden.The values for a correction factor can be saved in a lookup table. In the same way, a functional dependency of the correction factor on at least one property of the fluid can of course be stored and evaluated for correction.
Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung kann der Ausgleichsfluss für das Erreichen einer zeitweisen Reduzierung des externen Arbeitsflusses im weiteren Verlauf des Arbeitspfades auf einen vorgegebenen, im Vergleich zum Offset- Wert hohen Wert geregelt werden. In der HPLC kann hierdurch eine sogenanntes „Peakpar- king" erreicht werden. Hierunter versteht man ein zeitweises deutliches Reduzieren desAccording to one embodiment of the method according to the invention, the compensation flow for achieving a temporary reduction in the external work flow can be regulated in the further course of the work path to a predetermined value which is high in comparison to the offset value. A so-called "peak parking" can thus be achieved in HPLC. This means a temporary significant reduction in the
(externen) Arbeitsflusses durch die Säule, wodurch die in der Säule getrennten Komponenten langsamer oder/und verzögert in eine nachgeschaltete Analyseeinrichtung gelangen.(external) work flow through the column, which means that the components separated in the column reach a downstream analysis device more slowly and / or with a delay.
Diese Flussreduzierung wird bei bekannten Systemen in der Regel dadurch erreicht, dass in das System ein Umschaltventil eingebaut wird, mit dem auf einen geringeren, von einer zweiten Pumpe gelieferten Fluss umgeschaltet werden kann. Dies erfordert einen hohen Aufwand für die zusätzlich benötigten Komponenten.In known systems, this flow reduction is generally achieved by installing a changeover valve in the system, with which it is possible to switch to a lower flow supplied by a second pump. This requires a great deal of effort for the additional components required.
Mit dem erfindungsgemäßen System kann die Flussreduzierung ohne zusätzliche Komponenten unmittelbar erreicht werden, indem der Ausgleichsfluss zeitweise nicht auf einen Wert gleich oder nahe Null geregelt wird, sondern auf einen wesentlich höheren, positiven Wert. Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung kann der Widerstandswert der veränderbaren fluidischen Widerstandseinrichtung zur Bestimmung des internen Arbeitsflusses und/oder externen Arbeitsflusses im weiteren Verlauf des Arbeitspfades zeitweise so eingestellt werden, dass sich ein Ausgleichsfluss ungleich Null ergibt, und auf diese Weise der im normalen Betriebsfall zu erwartende interne Arbeitsfluss und/oder externe Arbeitsfluss aus dem Signal des Flusssensors ermittelt werden.With the system according to the invention, the flow reduction can be achieved directly without additional components in that the compensation flow is temporarily not regulated to a value equal to or close to zero, but to a significantly higher, positive value. According to a further embodiment of the method according to the invention, the resistance value of the changeable fluidic resistance device for determining the internal work flow and / or external work flow can be temporarily adjusted in the further course of the work path in such a way that a non-zero compensation flow results, and in this way the normal operating case expected internal work flow and / or external work flow can be determined from the signal of the flow sensor.
Insbesondere kann die veränderbare fluidische Widerstandseinrichtung zur Messung des internen Arbeitsflusses im Querzweig kurz geschlossen und/oder auf einen Wert gleich Null gesteuert werden, wobei der Querzweig vorzugsweise einen fluidischen Widerstandwert gleich oder nahe Null aufweist. Dadurch kann der interne Arbeitsfluss unmittelbar gemessen werden. Bei einer Regelung des Ausgleichsflusses im Querzweig auf Null in der normalen Betriebsphase der Vorrichtung ergibt sich dann ein externer Arbeitsfluss der gleich dem gemessenen internen Arbeitsfluss ist. Erfolgt eine Regelung des Ausgleichsflusses auf einen geringen Off set- Wert, insbesondere, um einen Rück- fluss des Fluids aus dem Querzweig in den Arbeitszweig zu vermeiden, so kann während des Normalbetriebs der Vorrichtung der externe Arbeitsfluss aus der Differenz des internen Arbeitsflusses und des Ausgleichsflusses bestimmt werden.In particular, the changeable fluidic resistance device for measuring the internal work flow in the transverse branch can be short-circuited and / or controlled to a value equal to zero, the transverse branch preferably having a fluidic resistance value equal to or close to zero. This allows the internal workflow to be measured immediately. If the compensation flow in the shunt arm is regulated to zero in the normal operating phase of the device, an external work flow then results which is equal to the measured internal work flow. If the compensation flow is regulated to a low offset value, in particular in order to avoid a backflow of the fluid from the transverse branch into the work branch, the external work flow can be determined during the normal operation of the device from the difference between the internal work flow and the compensation flow be determined.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die das Aufteilverhältnis bestimmenden fluidischen Widerstände so ausgelegt sein, dass ihre fluidische Durchlaufzeit im wesentlichen gleich groß ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass auch bei einem zeitlichen Gradienten hinsichtlich wenigstens einer Eigenschaft des Fluids, beispielsweise hinsichtlich seiner Zusammensetzung und damit seiner Viskosität, das Aufteil- Verhältnis in jedem Fall (auch zeitlich) konstant bleibt.In the device according to the invention, the fluidic resistances determining the division ratio can be designed such that their fluidic throughput time is essentially the same. This has the advantage that even with a time gradient with respect to at least one property of the fluid, for example with regard to its composition and thus its viscosity, the distribution ratio remains constant (also over time) in any case.
Ein ähnlicher Effekt kann dadurch erreicht werden, dass die das Aufteilverhältnis bestimmenden fluidischen Widerstände so ausgelegt werden, dass ihre fluidische Durchlaufzeit ldein ist im Vergleich zur Dauer üblicher Lösungsmittelgradienten. In diesem Fall kann mit ausreichender Genauigkeit davon ausgegangen werden, dass die Wider- stände in jedem Zeitpunkt annähernd ein Fluid mit der selben Lösungsmittelzusammen- setzung beinhalten.A similar effect can be achieved by designing the fluidic resistances which determine the distribution ratio in such a way that their fluidic throughput time is yours compared to the duration of conventional solvent gradients. In this case, it can be assumed with sufficient accuracy that the contradictions would almost always contain a fluid with the same solvent composition.
Nach einer Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet sein, dass sich der gesamte fluidische Widerstandwert der veränderbaren fluidischen Widerstandseinrichtung aus dem Widerstandswert eines einstellbaren, vorzugsweise elektrisch ansteuerbaren fluidischen Widerstandselements und eines nicht einstellbaren fluidischen Widerstandselements zusammensetzt, wobei der fluidische Widerstandswert, insbesondere des nicht einstellbaren fluidischen Widerstandselements, von der Viskosität des verwendeten Lösungsmittels abhängt.According to one embodiment, the device according to the invention can be designed such that the total fluidic resistance value of the changeable fluidic resistance device is composed of the resistance value of an adjustable, preferably electrically controllable fluidic resistance element and a non-adjustable fluidic resistance element, the fluidic resistance value, in particular the non-adjustable fluidic resistance element Resistance elements, depends on the viscosity of the solvent used.
Hierdurch kann der erforderliche Einstellbereich für das einstellbare fluidische Widerstandselement relativ klein gehalten werden, wodurch dieses Element einfacher und kostengünstiger hergestellt werden kann.As a result, the required setting range for the adjustable fluidic resistance element can be kept relatively small, as a result of which this element can be manufactured more easily and more cost-effectively.
Eine derartige Vorrichtung zur Beeinflussung der Druck- und/oder Flussverhältnisse in einem fluidischen System kann auch unabhängig von der Vorrichtung bzw. unabhängig von dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden.Such a device for influencing the pressure and / or flow conditions in a fluidic system can also be used independently of the device or independently of the method according to the present invention.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further embodiments of the invention result from the subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention is explained below with reference to an embodiment shown in the drawing. The drawing shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines analogen elektrotechnischen Blockschaltbildes einer Vorrichtung nach der Erfindung mit einer Konstantfluss-Pumpe;Figure 1 is a schematic representation of an analog electrical block diagram of a device according to the invention with a constant flow pump.
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ansteuerbaren, veränderbaren fluidischen Widerstandseinrichtung für die Vorrichtung in Fig. 1; in Form einer Darstel- lung eines analogen elektrotechnischen Blockschaltbildes (Fig. 2a) und in Form einer Prinzipdarstellung für dessen Realisierung (Fig. 2b);FIG. 2 shows a schematic illustration of a controllable, changeable fluidic resistance device for the device in FIG. 1; in the form of a development of an analog electrotechnical block diagram (Fig. 2a) and in the form of a schematic diagram for its implementation (Fig. 2b);
Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Viskositäts- und Druckverläufe einer Vorrichtung nach Fig. 1 mit einer Widerstandseinrichtung nach Fig. 2 undFig. 3 is a diagram illustrating the viscosity and pressure profiles of a device according to Fig. 1 with a resistance device according to Fig. 2 and
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines analogen elektrotechnischen Blockschaltbildes einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik zur Erläuterung des Prinzips der Flussteilung.Fig. 4 is a schematic representation of an analog electrotechnical block diagram of a device according to the prior art to explain the principle of the river division.
Die in Fig. 1 in Form eines analogen elektrotechnischen Blockschaltbildes dargestellte Vorrichtung 100 zur Bereitstellung eines definierten Fluidstroms, insbesondere für die Flüssigkeitschromatographie, welcher ein von einer Pumpe 1 gelieferte konstante Fluss des Fluids zugeführt ist, umfasst einen Flussteiler 5, welcher als ein eine Verzweigung realisierendes T-Stück ausgebildet sein kann, und fluidische Widerstände 7 bzw. 9 in einem Arbeitszweig bzw. einem Überschusszweig. Hierdurch wird Gesamtfluss f0 in einen internen Arbeitsfluss flw und einen internen Überschussfluss fle aufgeteilt, wobei das umgekehrte Verhältnis dieser fluidischen Widerstände 7 und 9 das Aufteilverhältnis zwischen internem Arbeitsfluss und internem Überschussfluss bestimmt, d.h. es gilt die Beziehung:The device 100 shown in FIG. 1 in the form of an analog electrotechnical block diagram for providing a defined fluid flow, in particular for liquid chromatography, to which a constant flow of the fluid supplied by a pump 1 is supplied, comprises a flow divider 5, which acts as a branching device T-piece can be formed, and fluidic resistors 7 and 9 in a working branch or an excess branch. As a result, the total flow f 0 is divided into an internal workflow f lw and an internal excess flow f le , the inverse ratio of these fluidic resistances 7 and 9 determining the distribution ratio between the internal workflow and the internal excess flow, ie the relationship applies:
fiw fie = R9 / R7>fiw fie = R9 / R7>
wobei mit R und R9 jeweils der Widerstands wert der fluidischen Widerstände 7 und 9 bezeichnet ist.with R and R 9 , the resistance value of the fluidic resistors 7 and 9 is designated.
Die Vorrichtung 100 umfasst des Weiteren eine fluidische Verzweigung 102 am Ausgang des fluidischen Widerstandes 7 und eine fluidische Verzweigung 104 am Ausgang des fluidischen Widerstandes 9. Die fluidischen Verzweigungen 102, 104 können wie- derum jeweils als einfaches T-Stück realisiert sein. Intern weist die Vorrichtung 100 einen Querzweig 106 auf, der die fluidischen Verzweigungen 102 und 104 verbindet und in dem ein Flusssensor 108 angeordnet ist, der ein vom im Querzweig 106 fließenden Ausgleichsfluss fbal abhängiges Ausgangssignal S ai liefert.The device 100 further comprises a fluidic branch 102 at the outlet of the fluidic resistor 7 and a fluidic branch 104 at the outlet of the fluidic resistor 9. The fluidic branches 102, 104 can again each be implemented as a simple T-piece. Internally, the device 100 has a transverse branch 106 which connects the fluidic branches 102 and 104 and in which a flow sensor 108 is arranged which supplies an output signal S ai which is dependent on the compensation flow f bal flowing in the transverse branch 106.
Im weiteren Verlauf des Überschusszweiges, d.h. anschließend an den betreffenden Abzweig bzw. Ausgang der fluidischen Verzweigung 104, ist eine einstellbare fluidische Widerstandseinrichtung 110 vorgesehen, die, wie in Fig. 1 dargestellt, als einfacher veränderbarer und vorzugsweise elektrisch ansteuerbarer fluidischer Widerstand ausgebildet sein kann, beispielsweise als steuerbares Drosselventil.In the further course of the surplus branch, i.e. adjoining the relevant branch or outlet of the fluidic branch 104, an adjustable fluidic resistance device 110 is provided, which, as shown in FIG. 1, can be designed as a simple changeable and preferably electrically controllable fluidic resistor, for example as a controllable throttle valve.
Schließlich umfasst die Vorrichtung 100 eine Regelvorrichtung 112, welche die einstellbare fluidische Widerstandseinrichtung 110 hinsichtlich ihres fluidischen Wider- standswertes in Abhängigkeit vom Signal S ai des Flusssensors 108 steuert. Der Signal- fluss ist in Fig. 1 durch punktierte Linen angedeutet.Finally, the device 100 comprises a control device 112 which controls the adjustable fluidic resistance device 110 with regard to its fluidic resistance value as a function of the signal S a i of the flow sensor 108. The signal flow is indicated in FIG. 1 by dotted lines.
Zusätzlich kann an der fluidischen Verzweigung 9 mittels eines optionalen Drucksensors 114 der an dieser Stelle wirkende Druck erfasst werden.In addition, the pressure acting at this point can be detected on the fluidic branch 9 by means of an optional pressure sensor 114.
Am Ausgang 116 der Vorrichtung 100 wird der gewünschte externe Arbeitsfluss few zur Verfügung gestellt, wobei das Verhältnis zwischen externem Arbeitsfluss few und Ge- samtfluss f0 mit ausreichender Genauigkeit konstant gehalten werden soll. Der am Ausgang 118 der Vorrichtung 100 auftretende externe Überschussfluss fee wird in der Regel nicht genutzt.The desired external work flow f ew is made available at the output 116 of the device 100, the ratio between the external work flow f ew and the total flow f 0 being to be kept constant with sufficient accuracy. The external excess flow f ee occurring at the output 118 of the device 100 is generally not used.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der Vorrichtung in Fig. 1 am Beispiel der HPLC näher erläutert, wobei lediglich die für die Erfindung wesentlichen Komponenten einer gesamten HPLC Anordnung dargestellt sind: Die Anordnung basiert, wie die bekannten Verfahren, auf dem Prinzip der Flussteilung. Die Pumpe 3 liefert einen definierten, vorzugsweise konstanten Gesamtfluss f0 mit der gewünschten, definierten Lösungsmittelzusammensetzung an die Vorrichtung 100, an deren Ausgang 116 die Säule (nicht dargestellt) der Chromatographievorrichtung ange- schlössen ist. Sowohl der Gesamtfluss f0 als auch die Lösungsmittelzusammensetzung können auch zeitlich variabel sein.The mode of operation of the device in FIG. 1 is explained in more detail below using the example of HPLC, only the components of an entire HPLC arrangement that are essential for the invention being shown: The arrangement, like the known methods, is based on the principle of river division. The pump 3 supplies a defined, preferably constant, total flow f 0 with the desired, defined solvent composition to the device 100, to the outlet 116 of which the column (not shown) of the chromatography device is connected. Both the total flow f 0 and the solvent composition can also be variable over time.
Der Gesamtfluss f0 wird durch den Flussteiler 5 und die im Arbeitspfad und im Überschusspfad angeordneten fluidischen Widerstände 7 und 9 in einen internen Überschussfluss fte und einen im Regelfall wesentlich geringeren internen Arbeitsfluss f;w aufgeteilt.The total flow f 0 is converted by the flow divider 5 and the fluidic resistors 7 and 9 arranged in the working path and in the excess path into an internal excess flow fte and, as a rule, a substantially lower internal working flow f; w split.
Das Aufteilverhältnis wird, wie oben erläutert, durch die fluidischen Widerstände 7 und 9 und die Druckabfälle an diesen bestimmt. Bei einem gleich bleibenden Verhältnis der Widerstände ist das Aufteilverhältnis dann konstant, wenn die Druckabfälle an den Widerständen 7 und 9 stets gleich sind.The distribution ratio, as explained above, is determined by the fluidic resistors 7 and 9 and the pressure drops across them. With a constant ratio of the resistors, the distribution ratio is constant when the pressure drops across the resistors 7 and 9 are always the same.
Dies wird erfindungsgemäß mit Hilfe des Querzweiges erreicht, der die Ausgänge der Widerstände 7 und 9 bzw. die fluidischen Verzweigungen 102 und 104 miteinander verbindet. Durch diese Verbindung sind die beiden Widerstände 7, 9 parallel geschaltet, und an ihnen herrscht stets der gleiche Druckabfall. Damit ist bereits ein konstantesThis is achieved according to the invention with the aid of the transverse branch which connects the outputs of the resistors 7 and 9 or the fluidic branches 102 and 104 to one another. Through this connection, the two resistors 7, 9 are connected in parallel, and there is always the same pressure drop across them. This is already a constant
Aufteilverhältnis zwischen dem internen Arbeitsfluss fle und dem internen Überschussfluss flw gewährleistet. Hierbei ist vorausgesetzt, dass der Druckabfall im Querzweig vernachlässigbar klein ist, sei es durch einen vernachlässigbar geringen Ausgleichsfluss f ai und/oder durch einen vernachlässigbar kleinen fluidischen Widerstand im Quer- zweig, der durch die Ausbildung der Leitung für den Querzweig und den FlusssensorDistribution ratio between the internal workflow f le and the internal excess flow f lw guaranteed. This presupposes that the pressure drop in the transverse branch is negligibly small, be it due to a negligibly small compensation flow f a i and / or due to a negligibly small fluidic resistance in the transverse branch, which is caused by the formation of the line for the transverse branch and the flow sensor
108 bestimmt ist.108 is determined.
Allerdings kommt es, je nach dem Gegendruck am Ausgang 116 und den Widerstandsverhältnissen im Gesamtsystem, im Querzweig zu einem Ausgleichsfluss fbai, der ohne weitere Maßnahmen in der Regel von Null verschieden (positiv oder negativ) sein wird. Dadurch wird am Ausgang 116 als externer Arbeitsfluss few nur die Differenz zwischen dem internen Arbeitsfluss fjw und dem Ausgleichsfluss fbai zur Verfügung gestellt.However, depending on the back pressure at the outlet 116 and the resistance conditions in the overall system, a compensating flow f ba i occurs in the transverse branch, which will generally be different from zero (positive or negative) without further measures. As a result, only the difference between the internal workflow fj w and the compensation flow f ba i is made available at the output 116 as the external workflow f ew .
Um zu erreichen, dass der externe Arbeitsfluss few gleich dem internen definierten Ar- beitsfluss flw ist, muss also der Ausgleichsfluss fbai im Querzweig eliminiert werden.In order to ensure that the external work flow f ew is equal to the internally defined work flow f lw , the compensation flow f ba i in the shunt branch must be eliminated.
Dies wird erfindungsgemäß mit Hilfe des Flusssensors 108 im Querzweig erreicht. Dieser erfasst den Ausgleichsfluss f ai und liefert ein entsprechendes Signal an die Regelvorrichtung 112. Diese steuert nun den einstellbaren fluidischen Widerstand 12 so, dass der vom Flusssensor 108 erfasste Ausgleichsfluss fbai im Querzweig im wesentlichen, insbesondere im zeitlichen Mittel, zu Null wird. Hierzu kann beispielsweise ein elektronischer Regler verwendet werden, wie weiter unten erläutert.This is achieved according to the invention with the aid of the flow sensor 108 in the transverse branch. This detects the equalization flow f a i and delivers a corresponding signal to the control device 112. The latter now controls the adjustable fluidic resistance 12 in such a way that the equalization flow f ba i detected by the flow sensor 108 in the transverse branch essentially, in particular on average over time, becomes zero , For example, an electronic controller can be used for this purpose, as explained below.
Falls sich der Gegendruck am Ausgang 116 ändert, was beispielsweise durch Ver- schmutzung der dort angeschlossenen Säule, durch Temperaturänderung oder durch die sich ändernde Lösungsmittelviskosität hervorgerufen werden kann, ergibt sich sofort ein Ausgleichsfluss fbai im Querzweig, der ungleich Null ist. Dieser wird durch den Flusssensor 108 erfasst und an die Regelvorrichtung 13 weitergeleitet, worauf diese den Widerstandswert der veränderbaren, einstellbaren Widerstandseinrichtung 110 so ver- ändert, dass der Ausgleichsfluss fbai wieder zu Null wird. Dadurch werden die oben beschriebenen Verhältnisse wieder hergestellt.If the back pressure at the outlet 116 changes, which can be caused, for example, by contamination of the column connected there, by a change in temperature or by the changing solvent viscosity, an equalizing flow f ba i in the shunt arm immediately results which is not equal to zero. This is detected by the flow sensor 108 and passed on to the control device 13, whereupon the latter changes the resistance value of the variable, adjustable resistance device 110 in such a way that the compensation flow f ba i becomes zero again. This restores the conditions described above.
Als Beispiel sei angenommen, dass sich der Gegendruck am Ausgang 116 erhöht. Dies hat einen positiven Ausgleichsfluss fb i zur Folge, also vom Arbeitszweig in Richtung zum Überschusszweig. In diesem Fall wird der Widerstandswert der Widerstandseinrichtung 110 erhöht, bis die Widerstandsverhältnisse in beiden Zweigen wieder gleich sind und folglich der Ausgleichsfluss fbal wieder zu Null wird.As an example, assume that the back pressure at outlet 116 increases. This results in a positive equalization flow f b i, i.e. from the working branch towards the excess branch. In this case, the resistance value of the resistance device 110 is increased until the resistance conditions in both branches are the same again and consequently the equalization flow f bal becomes zero again.
Der Drucksensor 114 dient zur Erfassung des Drucks an der Widerstandseinrichtung 110. Da der Druckabfall im Querzweig bei der bisher beschriebenen Arbeitsweise der Vorrichtung 100 Null ist, entspricht dieser Druck gleichzeitig dem Druck am Ausgang 116 des Arbeitszweiges. Dieser Druck wird zwar nicht zur Steuerung bzw. Regelung des Systems benötigt, interessiert jedoch in der Praxis, da er Rückschlüsse auf den Zustand (z.B. Verschmutzung) der dort angeschlossenen Säule erlaubt.The pressure sensor 114 serves to detect the pressure at the resistance device 110. Since the pressure drop in the transverse branch in the previously described mode of operation of the If device 100 is zero, this pressure also corresponds to the pressure at outlet 116 of the working branch. This pressure is not required to control or regulate the system, but is of interest in practice because it allows conclusions to be drawn about the condition (eg contamination) of the column connected there.
Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass der von der fluidischen Verzweigung 5 und den fluidischen Widerständen 7, 9 gelieferte interne Arbeitsfluss fjw, der bei der bisher beschriebenen Betriebsweise gleich dem externen Arbeitsfluss few ist, ohne zusätzliche Komponenten überprüft bzw. direkt gemessen werden kann. Hierdurch kann sowohl eine Verstopfung der Komponenten der fluidischen Verzweigung 102 bzw. der fluidischen Widerstände 7, 9 als auch eine Fehlfunktion der Pumpe 3 erkannt werden. Der hierzu erforderliche Messschritt erfolgt unabhängig vom Normalbetrieb des Systems und dient lediglich zur Überprüfung bzw. zur Fehleranalyse.An additional advantage of the arrangement according to the invention is that the internal workflow fj w supplied by the fluidic branch 5 and the fluidic resistors 7, 9, which in the previously described mode of operation is the same as the external workflow f ew, is checked or measured directly without additional components can be. As a result, both a blockage of the components of the fluidic branch 102 or the fluidic resistors 7, 9 and a malfunction of the pump 3 can be recognized. The measurement step required for this takes place independently of the normal operation of the system and is only used for checking or error analysis.
Voraussetzung für die Messung ist eine konstante Lösungsmittelzusammensetzung, für die die Empfindlichkeit des Flusssensors 108, die insbesondere von der Viskosität des Fluids abhängt, bekannt ist. Für den Messschritt wird der Widerstandswert der veränderbaren fluidischen Widerstandseinrichtung 110 auf einen Wert von Null bzw. nahezu Null reduziert. Hierdurch wird der Druck an der fluidischen Verzweigung 104 bzw. dem diesen realisierenden T-Stück gleich dem äußeren Luftdruck. Wegen des Querzweiges, der einen fluidischen Widerstandswert von Null bzw. nahe Null aufweist, sinkt dadurch auch der Druck an der fluidischen Verzweigung 102 bzw. dem diesen realisierenden T- Stück auf den äußeren Luftdruck ab.A prerequisite for the measurement is a constant solvent composition, for which the sensitivity of the flow sensor 108, which depends in particular on the viscosity of the fluid, is known. For the measuring step, the resistance value of the changeable fluidic resistance device 110 is reduced to a value of zero or almost zero. As a result, the pressure at the fluidic branch 104 or at the T-piece realizing it becomes equal to the external air pressure. Because of the transverse branch, which has a fluidic resistance value of zero or close to zero, the pressure at the fluidic branch 102 or the T-piece that realizes it also drops to the external air pressure.
An den Widerständen 6, 7 tritt nach wie vor der selbe Druckabfall auf. Da die Pumpe 3 einen konstanten Gesamtfluss 3 liefert, sinken lediglich alle Drücke um den gleichen Betrag ab. Somit bleibt der interne Arbeitsfluss f;w unverändert. Da zwischen dem Ausgang 116 und der Umgebungsluft keine Druckdifferenz mehr besteht, fließt durch den hohen Widerstand der dort angeschlossenen Säule kein Fluss, d.h. der externe Arbeitsfluss fe wird zu Null. Somit passiert der gesamte interne Arbeitsfluss fjW den Flusssensor 108 und kann daher auf diese Weise gemessen werden.The same pressure drop still occurs at the resistors 6, 7. Since the pump 3 delivers a constant total flow 3, only all pressures drop by the same amount. Thus the internal workflow remains f; w unchanged. Since there is no longer any pressure difference between the outlet 116 and the ambient air, no flow flows due to the high resistance of the column connected there, ie the external work flow f e becomes zero. Thus, the entire internal work flow fj W passes the flow sensor 108 and can therefore be measured in this way.
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Im Normalbetrieb ist der interne Arbeitsfluss £w genau so hoch wie bei dieser Messung. Dieser tritt jedoch vollständig als externer Arbeitsfluss few Ausgang 116 aus, da der Ausgleichsfluss fbai bei der bisher beschriebenen Arbeitsweise der Vorrichtung durch die Regelung zu Null gemacht wird. Der während des Messschrittes gemessene Aus-In normal operation, the internal work flow £ w is exactly as high as for this measurement. However, this completely emerges as an external workflow f ew output 116, since the compensation flow fbai is made zero by the control in the previously described mode of operation of the device. The output measured during the measuring step
L0 gleichsfluss bai ist also identisch mit dem internen und externen Arbeitsfluss imL0 direct flow b ai is therefore identical to the internal and external work flow in the
Normalbetrieb.Normal operation.
Die beschriebene Vorgehensweise bedeutet eine starke Druckänderung im System. Wegen unvermeidbarer Totvolumina im System kann es dann recht lange dauern, bisThe procedure described means a strong pressure change in the system. Because of unavoidable dead volumes in the system, it can take a long time to
L5 sich die Druckverhältnisse im System wieder stabilisieren. Dies lässt sich vermeiden, indem man den Druck an der fluidischen Verzweigung 104 nicht bis auf Null herunterfährt, wie zuvor beschrieben, sondern lediglich gegenüber dem Normalbetrieb deutlich verändert, z.B. verringert. In diesem Fall ist eine direkte Messung des internen Arbeitsflusses fiW nicht möglich, weil ein Teil davon durch die am Ausgang 116 angeschlosse-L5 the pressure conditions in the system stabilize again. This can be avoided by not lowering the pressure at the fluidic branch 104 to zero, as described above, but merely changing it, for example reducing it, compared to normal operation. In this case, a direct measurement of the internal workflow fi W is not possible because part of it is connected to the output 116 by the
10 ne Säule abfließt.10 ne column flows off.
Aus den o.g. Gründen bleibt jedoch auch bei dieser Messung der interne Arbeitsfluss f;w konstant, vorausgesetzt der Druckabfall im Querzweig ist vernachlässigbar klein. Der durch die Druckänderung hervorgerufene Ausgleichsfluss fbal gibt daher direkt die Än-For the reasons mentioned above, however, the internal workflow f remains even with this measurement; w constant, provided the pressure drop in the transverse branch is negligible. The compensation flow f bal caused by the pressure change therefore gives directly the change
55 derung des externen Arbeitsflusses few wieder, die durch die Druckänderung zu Stande kommt. Diese Druckänderung wird mit dem Drucksensor 114 erfasst. Daher kann der fluidische Widerstand der am Ausgang 116 angeschlossenen Säule als Verhältnis von Druckänderung zu Flussänderung leicht berechnet werden. Da der Widerstand der Säule sich während der kurzen Messdauer nicht nennenswert ändert, kann man nun aus die-55 change in the external workflow f ew that comes about due to the change in pressure. This pressure change is detected with the pressure sensor 114. Therefore, the fluidic resistance of the column connected to the outlet 116 can easily be calculated as a ratio of pressure change to flow change. Since the resistance of the column does not change significantly during the short measurement period, you can now
S0 sem und dem Druck im Normalbetrieb den externen Arbeitsfluss fe berechnen. Die fluidischen Widerstände 7 und 9 werden zweckmäßigerweise entsprechend der EP- A-0495 255 so ausgelegt, dass ihre Innenvolumina in etwa dem selben Verhältnis stehen wie die beiden Flüsse. Hierdurch ergibt sich für beide Widerstände die gleiche fluidische Durchlaufzeit. Dies hat den Vorteil, dass eine Änderung der Viskosität desS0 sem and the pressure in normal operation calculate the external workflow f e . The fluidic resistors 7 and 9 are expediently designed in accordance with EP-A-0495 255 so that their internal volumes are approximately the same ratio as the two rivers. This results in the same fluidic cycle time for both resistors. This has the advantage that a change in the viscosity of the
Lösungsmittels auf beide Zweige die selbe Auswirkung hat, d.h. das Aufteilverhältnis bleibt auch in diesem Fall konstant.Solvent has the same effect on both branches, i.e. the allocation ratio remains constant in this case too.
Ein ähnlicher Effekt kann dadurch erzielt werden, dass die Innenvolumina der fluidi- sehen Widerstände 7, 9 gering gehalten werden, so dass die Durchlaufzeit des Lösungsmittels durch die Widerstände kurz im Vergleich zur Dauer üblicher Lösungsmittelgradienten ist. In diesem Fall kann man für jeden Zeitpunkt davon ausgehen, dass beide Widerstände 7, 9 die selbe Lösungsmittelzusammensetzung beinhalten, d.h. Änderungen der Lösungsmittelviskosität wirken sich auf beide Widerstände gleich aus.A similar effect can be achieved in that the internal volumes of the fluid resistors 7, 9 are kept low, so that the passage time of the solvent through the resistors is short compared to the duration of conventional solvent gradients. In this case, it can be assumed that both resistors 7, 9 contain the same solvent composition, i.e. Changes in solvent viscosity have the same effect on both resistors.
Durch Kombination dieser beiden Maßnahmen kann man erreichen, dass sich Abweichungen der Durchlaufzeiten, die durch Bauteiltoleranzen verursacht werden können, nicht störend bemerkbar machen.By combining these two measures, it can be achieved that deviations in the throughput times, which can be caused by component tolerances, do not have a disturbing effect.
Besonders zweckmäßig ist es, die fluidischen Widerstände in Form von Röhrchen mit geringem Innendurchmesser (Kapillaren), vorzugsweise aus Quarzglas oder Metall, zu realisieren. Bei derartigen Kapillaren lassen sich die gewünschten Volumen- und Widerstandsverhältnisse in einem weiten Bereich auf einfache Weise herstellen bzw. abstimmen. Zudem zeichnen sich derartige Kapillare durch eine sehr gute Konstanz ihrer Eigenschaften aus. Im Unterschied zu fluidischen Widerständen, die aus porösen Materialien bestehen (Fritten), tritt in der Regel keine allmähliche Erhöhung des fluidischen Widerstandes aufgrund von Verschmutzung auf.It is particularly expedient to implement the fluidic resistances in the form of tubes with a small inner diameter (capillaries), preferably made of quartz glass or metal. In the case of such capillaries, the desired volume and resistance ratios can be easily established or adjusted over a wide range. In addition, such capillaries are characterized by a very good consistency of their properties. In contrast to fluidic resistors, which consist of porous materials (frits), there is usually no gradual increase in fluidic resistance due to contamination.
Da die Viskosität von Flüssigkeiten und damit der fluidische Widerstand sämtlicher Bauteile stark temperaturabhängig ist, sollten die beiden flussbestimmenden Widerstän- de 7 und 9 stets gleiche Temperatur aufweisen. Hierzu ist es sinnvoll, diese Widerstände beispielsweise in ein gemeinsames Gehäuse einzubauen. Die absolute Temperatur dieser Widerstände spielt hingegen eine untergeordnete Rolle, da sich jeweils beide Widerstände um den gleichen Faktor ändern.Since the viscosity of liquids and thus the fluidic resistance of all components is strongly temperature-dependent, the two flow-determining resistances de 7 and 9 always have the same temperature. For this purpose, it makes sense to install these resistors in a common housing, for example. The absolute temperature of these resistors, on the other hand, plays a subordinate role, since both resistors change by the same factor.
Die Regelvorrichtung 112 soll den Fluss im Querzweig zu Null regeln bzw. auf einen vorgegeben geringen Offset- Wert (vgl. unten). Je nach Art des Ausgangssignals des Sensors 108 und dem benötigten Steuersignal zur Einstellung der fluidischen Widerstandseinrichtung 110 kann dies im einfachsten Fall durch direkte elektrische Kopplung der Signale, beispielsweise über einen Verstärker, besser jedoch durch einen analogen oder einen digitalen Regler erfolgen. Besonders zweckmäßig ist eine Realisierung als integrierender Regler, da auf diese Weise der zeitliche Mittelwert des Flusses im Querzweig mit besonders guter Genauigkeit zu Null gemacht bzw. auf einen konstanten Wert gehalten werden kann.The regulating device 112 is intended to regulate the flow in the shunt arm to zero or to a predetermined low offset value (see below). Depending on the type of output signal from the sensor 108 and the control signal required to set the fluidic resistance device 110, this can be done in the simplest case by direct electrical coupling of the signals, for example via an amplifier, but better by an analog or a digital controller. Implementation as an integrating controller is particularly expedient, since in this way the mean time value of the flow in the transverse branch can be made zero with particularly good accuracy or can be kept at a constant value.
In der Praxis können (selbst bei Verwendung eines integrierenden Reglers) kurzzeitige Regelabweichungen zu einem geringen Ausgleichsfluss fbai ungleich Null führen. Hierdurch können geringe Flüssigkeitsmengen aus dem Querzweig oder gar aus dem Überschusszweig in den Arbeitszweig gelangen. Im Falle eines Lösungsmittelgradienten ist die Lösungsmittelzusammensetzung im Querzweig in der Regel vom Zufall abhängig, da das dort befindliche Lösungsmittel überhaupt nur im Fall einer Regelabweichung ausgetauscht wird. Kommt es jetzt im Falle einer Regelabweichung kurzzeitig zu einem Fluss im Querzweig in Richtung auf den Arbeitszweig, wird die Lösungsmittelzusammensetzung im Arbeitszweig durch das hinzukommende Lösungsmittel aus dem Quer- zweig verfälscht.In practice (even when using an integrating controller) short-term control deviations can lead to a small compensation flow f ba i not equal to zero. As a result, small amounts of liquid can get into the working branch from the transverse branch or even from the excess branch. In the case of a solvent gradient, the solvent composition in the transverse branch is generally dependent on chance, since the solvent located there is only exchanged in the event of a control deviation. If, in the event of a control deviation, there is a brief flow in the transverse branch in the direction of the working branch, the solvent composition in the working branch is falsified by the added solvent from the transverse branch.
Daher kann es zweckmäßig sein, den Fluss im Querzweig auf einen Mittelwert zu regeln, der ungleich Null ist. Bei sinnvoller Wahl dieses Offset- Wertes ergibt sich im Mittel ein geringer Ausgleichsfluss fbai vom Arbeitszweig in Richtung auf den Über- schusszweig. Hierdurch wird gewährleistet, dass das Lösungsmittel im Querzweig stets die gleiche Zusammensetzung aufweist wie im Arbeitszweig. Der Offset- Wert muss so gewählt werden, dass seine Auswirkung auf den externen Arbeits-Fluss few vernachlässigt werden kann. Zweckmäßigerweise liegt der Offset- Wert in einem Bereich zwischen 0,2 % und 5 % des externen Arbeitsflusses few, beispielsweise in einer Größenordnung von ca. 1 %. Dies ist vor allem deshalb sinnvoll, weil das Signal des Flusssensors 108 in der Regel lösungsmittelabhängig ist. Da die Regelvorrichtung 13 versucht, das Signal des Sensors konstant zu halten, ändert sich der tatsächliche Ausgleichsfluss fbal in Abhängigkeit von der Lösungsmittelzusammensetzung. Die hieraus resultierende geringfügige Verfälschung des externen Arbeitsflusses few stört bei derart kleinen Offset- Werten nicht.It may therefore be advisable to regulate the flow in the shunt arm to an average that is not equal to zero. With a sensible choice of this offset value, on average there is a small equalizing flow f ba i from the working branch towards the excess branch. This ensures that the solvent is always in the cross branch has the same composition as in the branch. The offset value must be selected so that its effect on the external work flow f ew can be neglected. The offset value expediently lies in a range between 0.2% and 5% of the external work flow f ew , for example in the order of magnitude of approximately 1%. This is particularly useful because the signal from the flow sensor 108 is usually solvent-dependent. Since the control device 13 tries to keep the signal from the sensor constant, the actual compensation flow f bal changes depending on the solvent composition. The resulting slight distortion of the external workflow f ew does not interfere with such small offset values.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen dieser Beschreibung auch dann von einer Regelung des Flusses gesprochen wird, wenn im eigentlichen Sinn das Signal des Flusssensors auf einen vorgegebenen Wert geregelt wird und sich infolge der Abhängigkeit des Flusssensorsignals von der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Fluids trotz eines identischen Sensorsignals bei unterschiedlichen Viskositäten tatsächlich ein anderer Fluss einstellt.At this point it should be noted that within the scope of this description one speaks of a regulation of the flow even if the signal of the flow sensor is regulated to a predetermined value in the actual sense and if the flow sensor signal is dependent on the thermal capacity and thermal conductivity of the fluid a different flow actually sets despite an identical sensor signal at different viscosities.
Da das lösungsmittelabhängige Verhalten sowie die jeweilige Lösungsmittelzusammen- setzung in der Regel bekannt sind, ist es überdies möglich, den hierdurch hervorgerufenen Fehler des Offset- Wertes weitgehend zu korrigieren. Dazu wird aus dem Lösungsmittelgradienten und der aktuellen Durchlaufzeit bis zum Flusssensor 108 die dort zu erwartende Lösungsmittelzusammensetzung berechnet. Anhand der bekannten Empfindlichkeitskurven des Sensors wird nun ein Korrekturfaktor für das Sensor- Ausgangssignal ermittelt. Die Korrekturfaktoren können beispielsweise in einer Loo- kup-Tabelle gespeichert sein. Aus dem Sensor-Ausgangssignal und dem Korrekturfaktor wird dann der tatsächliche Ausgleichsfluss berechnet. Eventuelle Fehler dieser Korrektur wirken sich auf den externen Arbeitsfluss few nur minimal aus, da der Offset-Wert, wie oben erläutert, in der Regel nur ein geringer Teil des Arbeitsflusses ist.Since the solvent-dependent behavior and the respective solvent composition are generally known, it is also possible to largely correct the offset value error caused thereby. For this purpose, the solvent composition to be expected there is calculated from the solvent gradient and the current throughput time to the flow sensor 108. A correction factor for the sensor output signal is now determined on the basis of the known sensitivity curves of the sensor. The correction factors can, for example, be stored in a Lokup table. The actual compensation flow is then calculated from the sensor output signal and the correction factor. Any errors in this correction have a minimal impact on the external workflow f ew , since the offset value, as explained above, is usually only a small part of the workflow.
Der fluidische Widerstand der Bauteile des Querzweiges hat auf die Funktion der Anordnung im Normalbetrieb kaum einen Einfluss, da der Fluss im Querzweig stets einen Wert nahe Null hat. Der Widerstandswert des Querzweiges sollte jedoch nicht zu hoch sein, weil dies die Empfindlichkeit des Regelsystems reduzieren würde.The fluidic resistance of the components of the transverse branch has hardly any influence on the function of the arrangement in normal operation, since the flow in the transverse branch always has a value close to zero. The resistance value of the shunt arm should not be too high, however, as this would reduce the sensitivity of the control system.
Um, wie beschrieben, den Sensor für die Messung des internen Arbeitsflusses flw nutzen zu können, muss der fluidische Widerstand des Querzweiges ohnehin so gering wie möglich ausgelegt sein, damit der Ausgleichsfluss keinen Druckabfall im Querzweig erzeugt.In order to be able to use the sensor for measuring the internal work flow f lw , as described, the fluidic resistance of the transverse branch must be designed to be as low as possible anyway, so that the compensating flow does not generate a pressure drop in the transverse branch.
In der praktischen Anwendung chromatographischer Systeme ist es gelegentlich erwünscht, den externen Arbeitsfluss few durch die am Ausgang angeschlossene Säule zeitweise stark zu vermindern. Hierdurch kann erreicht werden, dass die in der Säule getrennten Komponenten langsamer oder/und verzögert in eine nachgeschaltete Analyseeinrichtung gelangen. Diese Flussreduzierung, die auch als Peakparking bezeichnet wird, wird in der Regel dadurch erreicht, dass in das System ein Umschaltventil eingebaut wird, mit dem auf einen geringeren, von einer zweiten Pumpe gelieferten Fluss umgeschaltet werden kann. Dies erfordert einen hohen Aufwand für die zusätzlich benötigten Komponenten.In the practical application of chromatographic systems, it is occasionally desirable to temporarily reduce the external work flow f ew considerably through the column connected to the outlet. In this way, it can be achieved that the components separated in the column reach a downstream analysis device more slowly and / or with a delay. This flow reduction, which is also referred to as peak parking, is usually achieved by installing a changeover valve in the system, which can be used to switch to a lower flow supplied by a second pump. This requires a great deal of effort for the additional components required.
Mit der Anordnung nach Fig. 1 kann die Flussreduzierung ohne zusätzliche Komponenten unmittelbar erreicht werden, indem der Ausgleichsfluss fbai dazu zeitweise nicht auf einen Wert von Null oder nahe Null geregelt wird, sondern auf einen wesentlich höheren, positiven Wert. Hierdurch reduziert sich der am Ausgang 116 bereitgestellte externe Arbeitsfluss few um den eingestellten Ausgleichsfluss f ai- Da die Regelvorrich- tung 112 einen genau definierten Ausgleichsfluss einstellen kann, kann der externe Arbeitsfluss few auf einen genau definierten, einstellbaren Wert reduziert werden.With the arrangement according to FIG. 1, the flow reduction can be achieved directly without additional components, in that the compensation flow f ba i is temporarily not regulated to a value of zero or close to zero, but to a significantly higher, positive value. As a result, the external work flow f ew provided at output 116 is reduced by the set compensation flow f a i- Since the control device device 112 can set a precisely defined compensation flow, the external work flow f ew can be reduced to a precisely defined, adjustable value.
Die Vorrichtung 100 gemäß Fig. 1 bietet somit den Vorteil, dass der bereitgestellte externe Arbeitsfluss few am Ausgang 116 unabhängig ist vom Gegendruck der dort angeschlossenen Vorrichtungen. Des Weiteren ist der bereitgestellte externe Arbeitsfluss few auch unabhängig von der Lösungsmittelzusammensetzung und deren Änderung. Selbst schnelle Lösungsmittelgradienten haben keinen Einfluss auf den bereitgestellten Fluss. Der zur Verfügung gestellte externe Arbeitsfluss few stellt stets einen genau definierten, konstanten Anteil des Gesamtflusses f0 dar. Dies gilt, abgesehen von der durch die Durchlaufzeit verursachten Zeitverzögerung, auch für die Lösungsmittelzusammensetzung. Somit kann der externe Arbeitsfluss fe durch Veränderung des Gesamtflusses leicht in genau definierter Weise gesteuert werden. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit, den externen Arbeitfluss few dadurch gezielt zu beeinflussen, dass ein Ausgleichsfluss Fbaι ungleich Null eingestellt wird.The device 100 according to FIG. 1 thus offers the advantage that the external work flow f ew provided at the outlet 116 is independent of the back pressure of the devices connected there. Furthermore, the external workflow f ew provided is also independent of the solvent composition and its change. Even fast solvent gradients have no influence on the flow provided. The external work flow f ew provided always represents a precisely defined, constant part of the total flow f 0. This also applies to the solvent composition, apart from the time delay caused by the throughput time. The external work flow f e can thus be easily controlled in a precisely defined manner by changing the total flow. In addition, there is the possibility of specifically influencing the external work flow f ew by setting a compensation flow F ba ι not equal to zero.
Bezüglich der zum Aufbau zu verwendbaren Komponenten ergeben sich folgende weiteren Vorteile:The following additional advantages result with regard to the components that can be used for the construction:
Die zur Messung von Flüssigkeitsströmen verwendeten Flusssensoren basieren in derThe flow sensors used to measure liquid flows are based on the
Regel auf der Messung der Wärmeabführung durch die durchströmende Flüssigkeit. Da diese stark von den Eigenschaften der jeweiligen Flüssigkeit abhängt, ist die Empfindlichkeit (Skalenfaktor) solcher Sensoren stark lösungsmittelabhängig. Diese Lösungsmittelabhängigkeit führt bei den bekannten Anordnungen zu einem starken Fehler des Messergebnisses.Usually on the measurement of heat dissipation through the flowing fluid. Since this depends strongly on the properties of the respective liquid, the sensitivity (scale factor) of such sensors is strongly solvent-dependent. This solvent dependency leads to a strong error in the measurement result in the known arrangements.
Da in der zuerst beschriebenen Arbeitsweise der Vorrichtung 100 in Fig. 1 nur der Nullpunkt bzw. die Richtung des Flusses erkannt werden muss, spielt die Lösungsmittelabhängigkeit des Sensorsignals keine Rolle. Ebenso wirken sich Nichtlinearitäten des Sensors praktisch nicht aus. Falls die Messung des Arbeitsflusses nicht erforderlich ist, kann demnach ein Flusssensor verwendet werden, der lediglich die Richtung bzw. den Nullpunkt eines Flusses genau ermittelt. Auf eine aufwändige Kalibrierung des Sensors kann verzichtet werden.Since only the zero point or the direction of the flow has to be recognized in the first-described mode of operation of the device 100 in FIG. 1, the solvent dependence of the sensor signal is irrelevant. Likewise, non-linearities of the sensor have practically no effect. If the measurement of the work flow is not necessary, a flow sensor can be used which only determines the direction or the zero point of a flow precisely. There is no need for time-consuming calibration of the sensor.
Wird der Ausgleichsfluss fbai im Querzweig, wie oben erläutert, nicht auf den Wert Null geregelt, sondern auf einen (geringen) Offset- Wert, kann prinzipiell sogar ein Flusssensor verwendet werden, der nur den Betrag und nicht die Richtung des Flusses erfassen kann.If, as explained above, the compensating flow f ba i in the shunt arm is not regulated to the value zero, but to a (low) offset value, in principle a flow sensor can be used which can only detect the amount and not the direction of the flow ,
Bei Systemen mit sehr kleinen Flussraten ist die Verwendung von Druckaufnehmern im Arbeitszweig ungünstig, da diese in der Regel ein relativ großes Totvolumen aufweisen und aufgrund ihrer Bauart und der Kompressibilität der darin enthaltenen Flüssigkeitsmenge wie ein Druckausgleichsgefäß wirken. Dadurch fließt bei einem Druckanstieg ein Teil des Flusses in den Druckaufnehmer bzw. bei einem Druckabfall wird vomIn systems with very low flow rates, the use of pressure transducers in the working branch is unfavorable, since these generally have a relatively large dead volume and, due to their design and the compressibility of the amount of liquid contained therein, act like a pressure compensation vessel. As a result, part of the flow flows into the pressure transducer when the pressure rises, and
Druckaufnehmer ein zusätzlicher Fluss geliefert. Wäre beispielsweise an der fluidischen Verzweigung 102 zusätzlich ein Druckaufnehmer angeschlossen, würde dieser bei jeder Druckänderung den am Ausgang 116 des Systems bereitgestellten externen Arbeitsfluss few verfälschen.An additional flow is supplied to the pressure transducer. If, for example, a pressure transducer were additionally connected to the fluidic branch 102, this would falsify the external work flow f ew provided at the outlet 116 of the system with each pressure change.
Zur Funktion des erfindungsgemäßen System ist kein Druckaufnehmer erforderlich. Dennoch kann der in der Regel interessierende Druck am Ausgang 116 der Vorrichtung über den optionalen Drucksensor 114 mit hoher Genauigkeit erfasst werden.No pressure sensor is required for the function of the system according to the invention. Nevertheless, the pressure that is generally of interest at the outlet 116 of the device can be detected with high accuracy using the optional pressure sensor 114.
Da dieser Druckaufnehmer 114 im Überschusszweig statt im Arbeitszweig angeordnet ist, verursacht das Totvolumen des Druckaufnehmers keinerlei Probleme. Da der Druckaufnehmer zudem keinen Einfluss auf die Flussgenauigkeit im Arbeitszweig hat, kann eine einfache, kostengünstige Ausführung verwendet werden. Zur Realisierung des Stellgliedes, also der veränderbaren fluidischen Widerstandseinrichtung 110 bestehen verschiedene Möglichkeiten. Eine nahe liegende Lösung ist beispielsweise, einen variablen „Engpass" zu verwenden, wobei die Länge oder/und der Querschnitt des Engpasses verändert werden können.Since this pressure sensor 114 is arranged in the excess branch instead of in the working branch, the dead volume of the pressure sensor does not cause any problems. Since the pressure sensor also has no influence on the flow accuracy in the working branch, a simple, inexpensive design can be used. There are various possibilities for realizing the actuator, that is to say the changeable fluidic resistance device 110. One obvious solution is to use a variable "bottleneck", whereby the length and / or the cross section of the bottleneck can be changed.
Entscheidende Parameter bei der Realisierung des Stellgliedes sind der erforderliche Arbeitsdruckbereich und die nötige Auflösung. Der am Stellglied wirksame Druck ist genau so hoch wie der Druck am Ausgang 116 der Vorrichtung (Säulendruck). Dieser hängt von der Viskosität des Lösungsmittels und von der Art der chromatographischen Säule ab. In der Praxis ist ein Druckbereich zwischen etwa 30 und etwa 400 bar vonDecisive parameters when realizing the actuator are the required working pressure range and the required resolution. The pressure effective at the actuator is just as high as the pressure at the outlet 116 of the device (column pressure). This depends on the viscosity of the solvent and the type of chromatographic column. In practice, the pressure range is between about 30 and about 400 bar
Interesse. Für einen gegebenen Säulentyp hängt der erforderliche Arbeitsbereich von den Viskositäten der in Frage kommenden Lösungsmittel ab. Bei praktisch interessierenden Lösungsmittelgradienten liegen die Viskositätsunterschiede bei etwa 1:3.Interest. For a given column type, the working range required depends on the viscosities of the solvents in question. In the case of solvent gradients of practical interest, the viscosity differences are approximately 1: 3.
Bei einer variablen Lösungsmittelzusammensetzung kann sich also der SäulendruckWith a variable solvent composition, the column pressure can change
(und damit auch der Druck am Stellglied) in Abhängigkeit vom gerade verwendeten Lösungsmittel bzw. vom Mischungsverhältnis im Verhältnis von bis zu 1:3 ändern.(and thus also the pressure at the actuator) depending on the solvent currently used or on the mixing ratio in a ratio of up to 1: 3.
Bei einer zweckmäßigen Realisierung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 100, bei der die Widerstände so ausgebildet sind, dass die Durchlaufzeiten für das Lösungsmittel durch die Widerstände 7 und 9 im Wesentlichen gleich sind, ist zu jeder Zeit die Lösungsmittelzusammensetzung an den beiden Ausgängen des Flussteilers (z.B. an den Verzweigungen 102 und 104) in etwa die selbe. Damit hat auch das Lösungsmittel, das in die chromatographische Säule fließt, die selbe Viskosität wie das Lösungsmittel, das zur selben Zeit in das Stellglied fließt.In an expedient implementation of the device 100 shown in FIG. 1, in which the resistors are designed such that the passage times for the solvent through the resistors 7 and 9 are essentially the same, the solvent composition at the two outputs of the flow divider is at all times (eg at branches 102 and 104) roughly the same. This means that the solvent that flows into the chromatographic column has the same viscosity as the solvent that flows into the actuator at the same time.
Diese Tatsache lässt sich ausnutzen, um den geforderten Arbeitsbereich des Stellgliedes stark zu verringern. Hierzu wird das Stellglied als Serienschaltung aus einem festen und einem einstellbaren fluidischen Widerstandselement realisiert. Das feste Widerstands- element weist einen Druckabfall auf, der etwas geringer ist als der Druckabfall an der chromatographischen Säule.This fact can be used to greatly reduce the required working area of the actuator. For this purpose, the actuator is implemented as a series circuit consisting of a fixed and an adjustable fluidic resistance element. The fixed resistance element has a pressure drop that is slightly less than the pressure drop across the chromatographic column.
Da sich der fluidische Widerstandwert des festen Widerstandselements ähnlich wie der Widerstand der chromatographischen Säule in Abhängigkeit von der Viskosität ändert, muss der Arbeitsbereich des einstellbaren Widerstandselements des Stellgliedes nur noch Abweichungen von diesem theoretischen Fall sowie Druckänderungen aufgrund der Verschmutzung der Säule ausgleichen.Since the fluidic resistance value of the fixed resistance element changes like the resistance of the chromatographic column depending on the viscosity, the working range of the adjustable resistance element of the actuator only has to compensate for deviations from this theoretical case and pressure changes due to the contamination of the column.
Fig. 2a zeigt eine verbesserte Version der einstellbaren, veränderbaren fluidischen Widerstandseinrichtung 110 in Form von Schaltsymbolen sowie eine Realisierungsmöglichkeit in schematischer Darstellung.FIG. 2a shows an improved version of the adjustable, changeable fluidic resistance device 110 in the form of circuit symbols as well as a possible implementation in a schematic representation.
Die Widerstandseinrichtung 110 nach Fig. 2a ist aus zwei Widerstandselementen 120 und 122 zusammengesetzt, wobei das fluidische Widerstandselement 120 von der Viskosität des durchströmenden Lösungsmittels abhängt. Das fluidische Widerstandselement 122 kann durch die Regel Vorrichtung 112 verändert werden.The resistance device 110 according to FIG. 2a is composed of two resistance elements 120 and 122, the fluidic resistance element 120 depending on the viscosity of the solvent flowing through. The fluidic resistance element 122 can be changed by the control device 112.
In der schematischen Darstellung ist der viskositätsabhängige Teil 120 durch eine lange, dünne Kapillare 124 symbolisiert, deren fluidischer Widerstandswert direkt proportional zur Viskosität der Flüssigkeit ist. Der einstellbare Teil 122 ist als einstellbares Nadelventil 126 realisiert, wobei die Nadel durch einen motorischen Antrieb 128 so verfahren werden kann, dass sich der Querschnitt des Durchlasses verändert.In the schematic representation, the viscosity-dependent part 120 is symbolized by a long, thin capillary 124, the fluidic resistance value of which is directly proportional to the viscosity of the liquid. The adjustable part 122 is realized as an adjustable needle valve 126, wherein the needle can be moved by a motor drive 128 in such a way that the cross section of the passage changes.
Das Widerstandselemente 120 und 122 können jedoch selbstverständlich auch auf andere Weisen realisiert werden. Beispielsweise kann anstelle eines Nadelventils zur Realisierung des einstellbaren Widerstandselements 122 auch ein kompressibles Filterelement oder ein elastisches Dichtungselement verwendet werden. Das einstellbare Widerstandselement 122 muss auch kein lineares Verhalten aufweisen: Anstelle eines Nadelventils mit motorischer Steuerung der Nadel kann z.B. eine von einer Feder beaufschlagte Nadel vorgesehen sein. In diesem Fall wäre das einstellbare Widerstandselement als einstellbarer Druckregler realisiert. Dessen Verhalten entspricht im elektrotechnischen Analogon in etwa einer einstellbaren Z-Diode. Auch ein solcher einstellbarer Druckregler kann als einstellbarer Widerstand mit „verbogener" Kennlinie aufgefasst werden und wird im Rahmen dieser Beschreibung auch unter den Begriff „veränderbare Widerstandseinrichtung" subsumiert. Ein derartiger einstellbarer Druckregler kann selbstverständlich auch ohne ein nicht einstellbares Widerstandselement zur Realisierung der einstellbaren Widerstandseinrichtung verwendet werden.The resistance elements 120 and 122 can of course also be implemented in other ways. For example, instead of a needle valve to implement the adjustable resistance element 122, a compressible filter element or an elastic sealing element can also be used. The adjustable resistance element 122 does not have to have a linear behavior either: instead of a needle valve with motorized control of the needle, for example, a spring-loaded needle can be provided. In this case, the adjustable resistance element would be implemented as an adjustable pressure regulator. Its behavior corresponds approximately to that of an adjustable Zener diode in the electrical engineering analogue. Such an adjustable pressure regulator can also be understood as an adjustable resistor with a “bent” characteristic curve and is also subsumed in the context of this description under the term “changeable resistance device”. Such an adjustable pressure regulator can of course also be used without a non-adjustable resistance element to implement the adjustable resistance device.
Fig. 3 zeigt für eine veränderbare fluidische Widerstandseinrichtung 110 nach Fig. 2 die Druckverläufe für eine vorgegebene zeitliche Änderung der Viskosität des verwendeten Lösungsmittels. Die dargestellten Druckverläufe ergeben sich für eine Anordnung nach Fig. 1, an deren Ausgang 116 eine chromatographische Säule angeschlossen ist.FIG. 3 shows, for a changeable fluidic resistance device 110 according to FIG. 2, the pressure profiles for a predetermined change over time in the viscosity of the solvent used. The pressure curves shown result for an arrangement according to FIG. 1, to the outlet 116 of which a chromatographic column is connected.
Fig. 3 zeigt die Druckverhältnisse für einen Ausgleichsfluss f ai von Null. Die Kurve 202 ist der vorgegebene Verlauf der relativen Viskosität der verwendeten Lösungsmittel-Mischung, die von der Pumpe 3 bereitgestellt wird. Die Viskosität zu Beginn ist gleich 100 % gesetzt. Zwischen t=3 min und t=9 min sinkt sie auf 40 % des ursprünglichen Wertes ab, da ein immer höherer Anteil eines Lösungsmittels mit geringer Viskosität hinzugemischt wird. Derartige Viskositätsänderungen sind typisch bei der Arbeit mit Lösungsmittelgradienten.3 shows the pressure conditions for a compensation flow f a i of zero. The curve 202 is the predetermined course of the relative viscosity of the solvent mixture used, which is provided by the pump 3. The viscosity at the beginning is set to 100%. Between t = 3 min and t = 9 min, it drops to 40% of the original value because an ever increasing proportion of a solvent with low viscosity is added. Such changes in viscosity are typical when working with solvent gradients.
Die Kurve 200 zeigt den zugehörigen Druckverlauf an der chromatographischen Säule, also am Ausgang 116. Da wegen der Durchlaufzeit durch den Widerstand 7 die Viskositätsänderung die Säule erst mit Verzögerung erreicht, macht sich die absinkende Viskosität etwas verspätet bemerkbar. Zudem erscheint der Druckverlauf geglättet, da der Bereich mit absinkender Viskosität erst allmählich in die Säule eintritt. Wegen des Querzweiges ist der Druck an der Widerstandseinrichtung 110, also die Summe der Drücke an den Widerstandselementen 120 und 122, gleich dem Druck am Ausgang 116 und entspricht somit ebenfalls der Kurve 200.Curve 200 shows the associated pressure curve at the chromatographic column, that is to say at outlet 116. Since the change in viscosity reaches the column only after a delay because of the passage time through resistor 7, the drop in viscosity becomes noticeably belated. In addition, the pressure curve appears smoothed, since the area with decreasing viscosity only gradually enters the column. Because of the transverse branch, the pressure at the resistance device 110, that is the sum of the Pressures at the resistance elements 120 and 122 equal to the pressure at the outlet 116 and thus also correspond to the curve 200.
Die Kurve 201 ist der Druckabfall am festen Widers tandselement 120 der Wider- Standseinrichtung 110, also an der Kapillare 124. Der zeitliche Verlauf entspricht in etwa der Kurve 200. Allerdings hat die Kapillare eine kürzere Durchlaufzeit als die Säule, wodurch der Verlauf weniger geglättet bzw. verzögert ist.The curve 201 is the pressure drop at the fixed resistance element 120 of the resistance device 110, that is to say at the capillary 124. The course over time corresponds approximately to the curve 200. However, the capillary has a shorter throughput time than the column, so that the course is less smoothed or is delayed.
Die Kurve 203 schließlich ist die Differenz aus dem Gesamtdruck an der Wider- Standseinrichtung 110 (Kurve 200) und dem Druckabfall am festen WiderstandselementFinally, curve 203 is the difference between the total pressure at the resistance device 110 (curve 200) and the pressure drop at the fixed resistance element
120 der Widerstandseinrichtung (Kurve 200). Diesen Druck muss das einstellbare Widerstandselement 122 der Widerstandseinrichtung aufbauen.120 of the resistance device (curve 200). The adjustable resistance element 122 of the resistance device must build up this pressure.
Aus Fig. 3 ist deutlich erkennbar, dass die Kurve 203 ein Maximum von nur etwa 25 bar erreicht, obwohl der Gesamtdruck an der Widerstandseinrichtung 110 (Kurve 200) bis zu 130 bar beträgt. Dies bedeutet, dass der Arbeitsbereich des einstellbaren Widerstandselements 122 der Widerstandseinrichtung 110 sehr viel geringer sein kann als der Gesamtdruck an der Widerstandseinrichtung.3 that the curve 203 reaches a maximum of only about 25 bar, although the total pressure at the resistance device 110 (curve 200) is up to 130 bar. This means that the working range of the adjustable resistance element 122 of the resistance device 110 can be much smaller than the total pressure on the resistance device.
Theoretisch könnte das feste Widerstandselement 120 der Widerstandseinrichtung von vorneherein so ausgelegt werden, dass dessen Druckabfall exakt dem der Säule entspricht. Dann wäre überhaupt keine Regelung nötig, und es würde auch kein Querzweig benötigt. In der Praxis lässt sich dies aus verschiedenen Gründen jedoch nicht mit vertretbarem Aufwand realisieren. Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass die Säule durch die Benutzung im Laufe der Zeit lokal verschmutzt, was nicht nur zu einem insgesamt höheren Säulendruck führt, sondern auch den zeitlichen Verlauf verändert.Theoretically, the fixed resistance element 120 of the resistance device could be designed from the outset in such a way that its pressure drop corresponds exactly to that of the column. Then no regulation would be necessary at all and no cross branch would be required. In practice, however, this cannot be achieved with reasonable effort for various reasons. A major reason for this is that the column becomes locally dirty over time, which not only leads to a higher column pressure overall, but also changes the course of time.
In der Flüssigkeitschromatographie werden teilweise Salze als chemische Puffer verwendet. Bei hoher Salzkonzentration besteht dann die Gefahr, dass die Salze auskristal- lisieren. Falls dies in der Widerstandseinrichtung 110 geschieht, könnte deren Funktion beeinträchtigt werden.In liquid chromatography, salts are sometimes used as chemical buffers. If the salt concentration is high, there is a risk that the salts will crystallize out. taping. If this happens in the resistance device 110, its function could be impaired.
Dieses Problem lässt sich vermeiden, indem die Widerstandseinrichtung 110 auf der Niederdruckseite mit mindestens zwei zusätzlichen Anschlüssen zur Spülung versehen wird. Durch diese zusätzlichen Anschlüsse kann kontinuierlich oder in gewissen Zeitintervallen reines Lösungsmittel (z.B. Wasser) durch das Stellglied gepumpt werden. Dadurch verringert sich die Salzkonzentration so, dass ein Auskristallisieren vermieden wird bzw. etwa vorhandene Salzkristalle gelöst und ausgespült werden. This problem can be avoided by providing the resistance device 110 on the low-pressure side with at least two additional connections for flushing. Through these additional connections, pure solvent (e.g. water) can be pumped through the actuator continuously or at certain time intervals. This reduces the salt concentration in such a way that crystallization is avoided or any existing salt crystals are dissolved and rinsed out.

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zur Bereitstellung eines definierten Fluidstroms, insbesondere für dieMethod for providing a defined fluid flow, in particular for the
Flüssigkeitschromatographie,liquid chromatography,
a) nach dem ein Gesamtfluss (f0) in einen internen Überschussfluss (f;e) in einem Überschusszweig und einen internen Arbeitsfluss (flw) in einem Ar- beitszweig aufgeteilt wird,a) after which a total flow (f 0 ) is divided into an internal surplus flow (f; e ) in a surplus branch and an internal work flow (f lw ) in a work branch,
b) wobei das Aufteilverhältnis von internem Arbeitsfluss (f;w) und internem Ü- berschussfluss (fιe) durch das umgekehrte Verhältnis von einem im Arbeitszweig vorgesehenen fluidischen Widerstand (7) und einem im Überschuss- zweig vorgesehenen fluidischen Widerstamd (9) bestimmt ist undb) the distribution ratio of the internal workflow (f; w ) and the internal excess flow (fι e ) being determined by the inverse relationship between a fluidic resistance (7) provided in the working branch and a fluidic resistance (9) provided in the excess branch and
c) wobei der Überschusszweig und der Arbeitszweig jeweils an den Ausgängen der beiden fluidischen Widerstände (7, 9) durch einen Querzweig miteinander verbunden sind,c) the excess branch and the working branch being connected to one another at the outputs of the two fluidic resistors (7, 9) by a cross branch,
d) nach dem der zwischen den Ausgängen der fluidischen Widerstände (7, 9) im Querzweig auftretende Ausgleichsfluss (fbaι) mittels eines Flusssensors (108) gemessen wird,d) after which the compensating flow (f ba ι) occurring in the transverse branch between the outputs of the fluidic resistors (7, 9) is measured by means of a flow sensor (108),
e) wobei im weiteren Verlauf des Arbeitszweiges ein externer Arbeitsflusse) whereby in the further course of the branch of work an external work flow
(few) einer der Vorrichtung (100) nachschaltbaren Arbeitseinrichtung, beispielsweise einer Chromatographiesäule, zugeführt werden kann,(f ew ) can be fed to a working device which can be connected downstream of the device (100), for example a chromatography column,
f) nach dem im weiteren Verlauf des Überschusszweiges eine veränderbare fluidische Widerstandseinrichtung (11) angeordnet ist, g) wobei durch eine Steuerung des Widerstandswerts der veränderbaren fluidischen Widerstandseinrichtung (110) der Ausgleichsfluss (fbal) so geregelt wird, dass der Ausgleichsfluss (fbai), vorzugsweise im zeitlichen Mittel, im Wesentlichen gleich Null oder gleich einem vorgegebenen Offset- Wert ist, dessen Betrag klein ist gegen den internen Arbeitsfluss (flw).f) after which a changeable fluidic resistance device (11) is arranged in the further course of the excess branch, g) the compensation flow (f bal ) being regulated by controlling the resistance value of the changeable fluidic resistance device (110) in such a way that the compensation flow (f ba i), preferably on average over time, is essentially equal to zero or equal to a predetermined offset value whose amount is small against the internal work flow (f lw ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Offset- Wert für den Ausgleichsfluss (fbai) größer als Null ist, wobei das positive Vorzeichen eine Flussrichtung vom Arbeitspfad in Richtung auf den Überschusspfad bedeutet.2. The method according to claim 1, characterized in that the predetermined offset value for the compensating flow (f ba i) is greater than zero, the positive sign meaning a flow direction from the working path in the direction of the excess path.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abhängigkeit des Sensorsignals (Sbai) des Flusssensors (108) von wenigstens einer Ei- genschaft des Fluids, insbesondere der Wärmeleitfähigkeit oder der Wärmekapazität des Fluids, bei der Regelung des Ausgleichsflusses (fbai) derart korrigiert wird, dass sich der vorgegebene Offset- Wert für den Ausgleichsfluss (fbai) ergibt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the dependence of the sensor signal (S b ai) of the flow sensor (108) on at least one property of the fluid, in particular the thermal conductivity or the thermal capacity of the fluid, in the regulation of the compensating flow (f ba i) is corrected such that the predetermined offset value for the compensation flow (f ba i) results.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur ein Korrekturparameter mit dem Sensorsignal (Sbai) verknüpft, insbesondere ein Korrekturfaktor mit dem Sensorsignal (Sbaι) multipliziert wird.4. The method according to claim 3, characterized in that a correction parameter is linked to the sensor signal (S ba i) for correction, in particular a correction factor is multiplied by the sensor signal (S ba ι).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Werte für den Korrekturfaktor in einer Lookup-Tabelle gespeichert werden oder dass die funkti- onale Abhängigkeit des Korrekturfaktors von wenigstens einer Eigenschaft des5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that values for the correction factor are stored in a lookup table or that the functional dependence of the correction factor on at least one property of
Fluids gespeichert wird.Fluid is stored.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsfluss (fbai) für das Erreichen einer zeitweisen Reduzierung des externen Arbeitsflusses (fe ) im weiteren Verlauf des Arbeitspfades auf einen vorgegebenen, im Vergleich zum Offset- Wert hohen Wert geregelt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the compensation flow (f ba i) for achieving a temporary reduction in the external work flow (f e ) is regulated in the further course of the work path to a predetermined value which is high in comparison to the offset value.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert der veränderbaren fluidischen Widerstandseinrichtung zur Bestimmung des internen Arbeitsflusses (f;w) und/oder externen Arbeitsflusses (few) im weiteren Verlauf des Arbeitspfades zeitweise so eingestellt wird, dass sich ein Ausgleichsfluss (fbai) ungleich Null ergibt, und dass der im normalen Betriebsfall zu erwartende interne Arbeitsfluss (flw) und/oder externe Arbeitsfluss (few) aus dem Signal (Sbai) des Flusssensors (108) ermittelt wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the resistance value of the changeable fluidic resistance device for determining the internal work flow (f; w ) and / or external work flow (f ew ) is temporarily set in the further course of the work path so that a compensation flow (f ba i) is not equal to zero, and that the internal work flow (f lw ) and / or external work flow (f ew ) to be expected in normal operation is determined from the signal (Sbai) of the flow sensor (108).
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderbare fluidische Widerstandseinrichtung (110) zur Messung des internen Arbeitsflusses (fiW) im Querzweig kurz geschlossen und/oder auf einen Wert gleich Null gesteu- ert wird, wobei der Querzweig vorzugsweise einen fluidischen Widerstandswert gleich oder nahe Null aufweist.8. The method according to claim 7, characterized in that the changeable fluidic resistance device (110) for measuring the internal work flow (fi W ) is short-circuited in the transverse branch and / or is controlled to a value equal to zero, the transverse branch preferably being a fluidic one Resistance value is equal to or close to zero.
9. Vorrichtung zur Bereitstellung eines definierten Fluidstroms, insbesondere für die Flüssigkeitschromatographie,9. Device for providing a defined fluid flow, in particular for liquid chromatography.
a) mit einer fluidischen Verzweigung (5), welche einen Gesamtfluss (f0) in einen internen Überschussfluss (fle) in einem Überschusszweig und einen internen Arbeitsfluss (f;w) in einem Arbeitszweig aufteilt,a) with a fluidic branch (5), which divides an overall flow (f 0 ) into an internal excess flow (f le ) in a surplus branch and an internal work flow (f; w ) in a working branch,
b) wobei das Aufteilverhältnis von internem Arbeitsfluss (f;w) und internem Ü- berschussfluss (fle) durch das umgekehrte Verhältnis von einem im Arbeitszweig vorgesehenen fluidischen Widerstand (7) und einem im Überschusszweig vorgesehenen fluidischen Widerstamd (9) bestimmt ist, c) wobei der Überschusszweig und der Arbeitszweig jeweils an den Ausgängen der beiden fluidischen Widerstände (7, 9) durch einen Querzweig miteinander verbunden sind, undb) the distribution ratio of the internal work flow (f; w ) and the internal excess flow (f le ) being determined by the reverse ratio of a fluidic resistance (7) provided in the work branch and a fluidic resistance (9) provided in the excess branch, c) wherein the excess branch and the working branch are each connected to one another at the outputs of the two fluidic resistors (7, 9) by a transverse branch, and
d) wobei im weiteren Verlauf des Arbeitszweiges ein externer Arbeitsflussd) with an external workflow in the further course of the work branch
(few) einer der Vorrichtung (100) nachschaltbaren Arbeitseinrichtung, beispielsweise einer Chromatographiesäule, zuführbar ist,(f ew ) can be fed to a working device which can be connected downstream of the device (100), for example a chromatography column,
e) mit einem zwischen den Ausgängen der fluidischen Widerstände (7, 9) im Querzweig zur Messung eines Ausgleichsflusses (fbai) vorgesehenen Flusssensor (108),e) with a flow sensor (108) provided between the outputs of the fluidic resistors (7, 9) in the transverse branch for measuring a compensating flow (f ba i),
f) dessen Sensorsignal (Sbaι) einer Regelvorrichtung (112) zugeführt ist, undf) whose sensor signal (S ba ι) is fed to a control device (112), and
g) mit einer im weiteren Verlauf des Überschusszweiges angeordneten, von der Regelvorrichtung (112) ansteuerbaren, veränderbaren fluidischen Widerstandseinrichtung (110),g) with a variable fluidic resistance device (110) arranged in the further course of the excess branch and controllable by the control device (112),
h) wobei die Regelvorrichtung (112) den Ausgleichsfluss (fbai) durch eine Steuerung des Widerstandswerts der veränderbaren fluidischen Widerstandseinrichtung (110) so regelt, dass der Ausgleichsfluss (fbai), vorzugsweise im zeitlichen Mittel, gleich Null oder gleich einem vorgegebenen Offset-Wert ist, der ldein ist gegen den internen Arbeitsfluss (f;w).h) wherein the regulating device (112) regulates the compensation flow (f ba i) by controlling the resistance value of the variable fluidic resistance device (110) such that the compensation flow (f ba i), preferably on average over time, is equal to zero or a predetermined value Offset value is, the leinein is against the internal work flow (f; w ).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidischen10. The device according to claim 9, characterized in that the fluid
Widerstände (7, 9) so ausgelegt sind, dass ihre fluidische Durchlaufzeit im wesentlichen gleich groß ist. Resistors (7, 9) are designed so that their fluidic cycle time is essentially the same.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidischen Widerstände (7, 9) so ausgelegt sind, dass ihre fluidische Durchlaufzeit klein ist im Vergleich zur Dauer üblicher Lösungsmittelgradienten.11. The device according to claim 9 or 10, characterized in that the fluidic resistors (7, 9) are designed so that their fluidic cycle time is small compared to the duration of conventional solvent gradients.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidischen Widerstände (7, 9) so angeordnet sind, dass sie stets die selbe Temperatur aufweisen.12. Device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the fluidic resistors (7, 9) are arranged such that they always have the same temperature.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (112) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.13. Device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the control device (112) executes the method according to one of claims 1 to 8.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der gesamte fluidische Widerstandwert der veränderbaren fluidi- sehen Widerstandseinrichtung (110) aus dem Widerstandswert eines einstellbaren, vorzugsweise elektrisch ansteuerbaren fluidischen Widerstandselements (122) und eines nicht einstellbaren fluidischen Widerstandselements (120) zusammensetzt, wobei der fluidische Widerstandswert, insbesondere des nicht einstellbaren fluidischen Widerstandselements (120), von der Viskosität des verwendeten Lösungs- mittels abhängt. 14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the total fluidic resistance value of the variable fluidic resistance device (110) consists of the resistance value of an adjustable, preferably electrically controllable fluidic resistance element (122) and a non-adjustable fluidic resistance element (120). composed, the fluidic resistance value, in particular of the non-adjustable fluidic resistance element (120), depending on the viscosity of the solvent used.
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