JP2008507033A - 高圧ポンプコントローラ - Google Patents

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Abstract

高圧ポンプのためのフィードバック制御ループが、溶剤移送中のアキュムレータ速度および圧力を修正する。アキュムレータ速度は、予想される圧力に等しいシステム圧力を維持するように調節され、それによって、熱効果によって生じる流れの不足の効果が除去される。

Description

本出願は、その全体の内容が参照によって本明細書に組み込まれる、２００４年７月１３日に提出された米国特許仮出願第６０／５８７，３８１号の利益を請求する。
本発明は、一般には科学実験室解析装置、およびより具体的には、高圧ポンプのための閉ループフィードバックコントローラを備える解析装置に関する。
科学実験室は、化合物の分子量またはサイズ、電荷または溶解度などに基づいて、化合物を分離することが通常必要である。化合物の分離は、しばしば、化合物の同定、精製、および定量化の最初のステップである。クロマトグラフィ、またはより具体的には高性能液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）が、様々なバイオテクノロジー、生物医学、および生物化学的な研究として、ならびに製薬、化粧品、エネルギー、食品、および環境工学のための応用のために選択される解析ツールとなっている。
技術における進歩が現れるにつれて、ＨＰＬＣ機器の製造者は、その生産ラインの性能を迅速に改良する。実際、１つの技術領域またはサブシステムの改良は、通常、相互に関連する領域またはサブシステムでの進歩を駆り立てる。その全体において参照によって本明細書に組み込まれる、Ｓｔａａｌに対する米国特許第６，１８７，５９５号は、新技術に基づいた進化するアプローチに関連するいくつかの利点および欠点を議論している。
現在、ＨＰＬＣ機器とともにサブシステムとして通常使用されるいくつかのタイプのポンプがある。ＨＰＬＣ機器は、当業者に知られているように、往復ポンプ、シリンジポンプ、および定圧ポンプを組み込んでもよい。たとえば、大部分の往復ポンプは、流体圧チャンバ内でその容積を変化させるために、前後に速く移動する小さなモータ駆動のプランジャを含む。後進ストロークの際、プランジャは溶剤を引き込む。前進ストロークの際、往復ポンプのプランジャは、溶剤をカラムへ押し出す。カラム内での所望の流れの安定性を達成するために、複数の、通常２つのプランジャが、採用される。２つのプランジャは、所望の送り出し流および圧力を達成するために、直列にまたは並列に使用されてもよい。
溶剤の圧縮中、エネルギーが吸収され、溶剤の温度を上昇させる。この熱効果は、溶剤の圧縮性、目標圧力（たとえば所望の機器圧力）、および溶剤が圧縮される速度に比例する。多くの先端技術のＨＰＬＣ機器について、溶剤を圧縮するための高い圧力および制限された量の時間が、かなりの熱効果を生じさせる。熱は、通常、圧縮された溶剤および周囲環境の相対質量および熱伝導性に応じる速度で、周囲環境および関連する機器に散逸される。大部分の適用例では、２０００ｐｓｉまでの圧力に対して、圧縮の熱効果は無視できる。
しかし、高圧力での熱効果は、より明らかになる。機器内での解析中と比較して圧縮中は、溶剤の温度が上昇されるため、熱効果が、圧縮された溶剤の圧力の誤差を生じさせる。言い換えれば、溶剤が目標圧力まで圧縮されたすぐ後、溶剤温度が機器との平衡に向かって移動するように圧力が減衰する。結果として、圧縮された溶剤が目標圧力よりも低い圧力になり、それによって送り出される流れの不足を生じさせる。
従来技術のポンプ制御システムは、高圧力での溶剤圧縮の熱効果に反応するための要求される能力が不足している。したがって、最新技術の発展にもかかわらず、ＨＰＬＣ機器は、安定性および性能が不足している。結果として、不正確な結果がいまだに一般的である。さらに、このような従来技術の機器は、述べられた欠点を克服することなく、コストおよび複雑性を望ましくなく増加させる、複雑な電子機器および多数の追加の構成要素などの不十分さに悩まされている。上記の観点で、目標圧力の正確な送り出しおよび熱効果に対する補償の能力を提供する、高圧ポンプ用のコントローラを提供することが望ましい。
本発明は、溶剤の圧縮のすぐ後、一次プランジャが流れを送り出すときにのみフィードバックが適用される、直列タイプの高圧ポンプ用のコントローラを提供する。一次プランジャが、そこからの流れの送り出しを終了したときフィードバックは停止し、ポンプは、通常の流れの送り出しを続ける。
溶剤の圧縮の後で生じる、送り出される流れの不足を修正することによって、２つのポンプからの流れが溶剤の勾配を生じさせるために使用されるときの溶剤化合物の誤差を防止することが、本発明の目的である。
この流れの不足は、溶剤が圧縮されるときに起こる断熱加熱によって生じ、これは、溶剤の圧縮性、圧縮圧力、溶剤が圧縮される速度、およびポンプヘッド熱質量に対するに圧縮される溶剤の熱質量に比例することが理解されている。
機器の圧力を目標値に維持するために調節が行われるように、送り出される溶剤に連続的な閉ループフィードバックを使用する、高圧ポンプ用のコントローラを提供することが、本発明の目的である。
溶剤の圧縮中に作成される熱効果によって生じる流れの不足を除去する、高圧ポンプ用のコントローラを提供することが、本発明の目的である。
溶剤の圧縮中に生成される熱効果を補償することができる、高圧ポンプ用のコントローラを提供することが、別の目的である。
動的な流れ状態に対して迅速かつ正確な応答を達成する、高圧ポンプ用のコントローラを提供することが、さらに別の目的である。
前述の目的は、一態様で、流体負荷を送り出すための高圧ポンプを制御するための流れ制御システムを提供する本発明によって達成され、高圧ポンプは、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを有し、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有する。流れ制御システムは、システム圧力を予想される圧力に実質上等しく維持するように、アキュムレータ速度を修正するために、移送中のアキュムレータ圧力に対する閉ループフィードバック制御を含む。
別の態様では、本発明は、断熱加熱によって生じる効果を低減させるために、高圧ポンプシステムの出力を制御するための方法を提供し、高圧ポンプシステムが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを含み、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有する。方法は、予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、移送中のアキュムレータ圧力に対する閉ループフィードバック制御によって、アキュムレータ速度を修正するステップを含む。
さらに別の態様では、本発明は、高圧ポンプ内の一次ピストンの速度を制御するための方法を提供し、アキュムレータピストンが、溶剤をシステムに送り出し、一次ピストンが、アキュムレータピストンを補充し、かつアキュムレータピストンが補充している間、溶剤をシステムに送り出す。方法は、移送が開始する前に断熱加熱効果が消滅するように、移送が行われるいくらか前に、一次ピストンに溶剤を圧縮するように指令することによって、移送の前に一次ピストンの速度を制御するステップを含む。
さらに別の態様では、本発明は、コンピュータ読み取り可能な媒体を備え、該コンピュータ読み取り可能な媒体のコンテンツが、送り出し誤差を除去するために、高圧ポンプシステムの出力を制御するための方法を制御システムに行わせ、高圧ポンプシステムが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを備え、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有する。制御システムは、予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、移送中のアキュムレータ圧力に対して閉ループフィードバック制御によってアキュムレータ速度を修正するステップを行うことによる実施のための機能を備えるデジタル信号プロセッサおよびプログラムを有する。
本発明の別の態様は、送り出し誤差を減少させるために、高圧溶剤ポンプシステムの出力を制御するための方法を提供し、高圧溶剤ポンプシステムが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを備え、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有する。方法は、予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、閉ループ帯域幅を有する閉ループフィードバック制御を周期的に加えるステップと、閉ループ帯域幅を超える周波数を除去するために、システム圧力をフィルタリングするステップとを含む。
別の態様では、本発明は、溶剤送り出しでの誤差を減少させるために、高圧ポンプシステムの出力を制御するためのシステムを提供する。システムは、高圧ポンプを備え、該高圧ポンプは、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを含み、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有し、システムはさらに、予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、移送中のアキュムレータ圧力に対してアキュムレータ速度を修正するための閉ループフィードバック制御と、高圧ポンプの排出口とシステムの流体負荷との間で流体を制限するための手段とを備える。
さらに別の態様では、本発明は、高圧ポンプを制御するための流れ制御システム内で予想される圧力トレースを追従するように、圧力設定点を計算するための方法を提供され、高圧ポンプが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを有し、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有し、流れ制御システムが、予想される圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、アキュムレータ速度を修正するための制御期間中に、アキュムレータ圧力に対する閉ループフィードバック制御を有する。方法は、
閉ループフィードバック制御が活動化するすぐ前の圧力値を使用することに基づいて、初期設定点を計算するステップと、
制御期間中の設定点の変化を計算するステップと、
初期設定点および前の圧力値に基づいて、設定点の予想を行うステップと、
圧力設定点を決定するために、制御期間中に圧力値を推定するステップとを含む。
さらに別の態様では、本発明は、高圧ポンプを制御するための流れ制御システムを提供し、高圧ポンプは、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを有し、各ピストンが、各ポンプに関連する速度および圧力を有する。流れ制御システムは、予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、アキュムレータ速度を修正するために制御期間中にアキュムレータ圧力に対する閉ループフィードバック制御を含む。
本発明の別の態様は、圧力制御機構体が、ポンプの実際の容量を超えてポンプ内のピストンに命令する可能性を回避することによって、ポンプを保護するための方法を提供する。方法は、
圧力制御機構体によって送り出された公称送り出しでの容積を計算するステップと、
送り出された容積が閾値を超える場合、圧力制御機構体を非活動化するステップとを含む。
本発明のさらに別の態様は、各ポンプがポンプサイクルを有する、１対のポンプを並列に接続することによる振動が実質上防止されるように、外部流体状態から制御ループを隔離するための方法を提供する。方法は、
各制御期間の重なりを実質上回避するために、１対のポンプの間のポンプサイクル内の各位置に関連するデータを交換するステップと、
制御期間の衝突が予測されるとき、より長いポンプサイクルを有するポンプの制御期間を先行させ、それによって、他方のポンプの制御期間との重なりを実質上回避するステップとを含む。この態様の一実施形態では、方法は、
予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、閉ループ帯域幅を有する閉ループフィードバック制御を周期的に加えるステップと、
閉ループ帯域幅を超える周波数を除去するために、アキュムレータ圧力をフィルタリングするステップと、
送り出し誤差を減少させるために、高圧溶剤ポンプシステムの出力を制御するステップとをさらに含み、高圧溶剤ポンプシステムが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを含み、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有し、方法はさらに、
移送中のアキュムレータ圧力に対する閉ループフィードバック制御によってアキュムレータ速度を修正するステップを含む。
本発明が、プロセス、装置、システム、デバイス、すでに知られているおよび後で開発される適用のための方法、またはコンピュータ読み取り可能な媒体を制限なく含む、様々な方式で実施および使用できることを理解されたい。本明細書で開示されるシステムのこれらおよびその他の独自の特徴は、以下の説明および添付の図面からより容易に明らかになるであろう。
本発明に関する当業者が、本発明をいかにして作成し使用するかをより容易に理解するように、図面が参照される。
本発明は、高圧ポンプを制御することに関連する従来技術の問題点の多くを克服する。本明細書で開示されるシステムの利点およびその他の特徴は、本発明の代表的な実施形態を示す図面とともに行われる、ある好ましい実施形態についての以下の詳細な説明から、当業者により容易に明らかになるであろう。
溶剤送り出しシステムの背景
図１を参照すると、高圧直列ポンプの概略図が示されている。クロマトグラフィ適用例での使用のための高圧ポンプは、２つのピストンを含む往復タイプの構成を通常使用している。流体構成に応じて、２つの主構成のタイプ、すなわち並列または直列がある。並列構成では、一方のピストンが流れを送り出し、他方のピストンが新しい溶剤を溶剤源から取り込むように、２つのピストンが交互に動作する。直列構成では、ただ１つのピストンが、溶剤を溶剤源から取り込み（一次）、その一方で、他方（アキュムレータ）が、溶剤の大部分を送り出す。一次ピストンは、アキュムレータが新しい溶剤を取り込む必要があるとき、必然的にアキュムレータを高圧力で補充する責任を負う。
好ましくは、圧力制御アルゴリズムが、直列ポンプ構成で使用される。したがって、簡略化のために、直列ポンプのみを本明細書で取り上げる。
一次ピストンが、溶剤源から溶剤を取り込み、溶剤をアキュムレータピストンへ送り出す。次に、アキュムレータが、溶剤をシステムへ送り出す。チェックバルブは、流体が一方向にのみ進行することを許す受動バルブである。それぞれの圧力トランスデューサが、各ピストンの出口での圧力を測定する。すべての構成要素は、直列流体回路を形成している同じ流れ経路内にある。したがって、いわゆる「直列」である。通常、プランジャサイズは、両ピストンに対して同一である。
アキュムレータが、高圧力で流れをシステムへ送り出している間、一次ピストンが、新しい溶剤を溶剤源から取り込み、アキュムレータを補充する時になるまで待機する。その時点で、一次ピストンが、アキュムレータトランスデューサによって測定された圧力と同じ圧力（システム圧力）まで溶剤を圧縮し、アキュムレータへ送り出すための準備をする。アキュムレータが、その送り出し動作の終了に到達するとき、ポンプコントローラ（図示せず）が、一次ピストンに送り出しを開始するように、アキュムレータに取り込みを開始するように指令する。「移送」として知られているこの操作は、高圧力で行われ、アキュムレータが、完全に満杯になりその正常な送り出しを再開する用意ができるまで継続する。
移送が行われている間、アキュムレータは、明らかに、システムへ送り出していない。このため、一次ピストンが、システムへ送り出される流れの中断を回避するために、その責任を引き継がなければならない。この課題を達成するために、アキュムレータの正常な送り出し速度よりも非常に速いプランジャ速度で移送が行われ、一次送り出しの一部分がシステムへ進行する。
いったん移送が終了された後、ポンプコントローラが、アキュムレータに正常な送り出しを再開するように、および一次ピストンに新しい溶剤を取り込むように指令する。このサイクルは、「ポンプサイクル」として知られているが、ポンプが溶剤をシステムへ送り出している間、連続的に繰り返す。ポンプサイクルの期間は、ストローク容積および送り出される流れに主に応じる。チェックバルブの役割は、容易に理解できる。一次チェックバルブは、一次ピストンが、溶剤を溶剤源から大気圧で取り込むことを許すが、一次ピストンが溶剤をシステム圧力まで圧縮するとき、溶剤が溶剤容器へ戻ることを防止する。アキュムレータチェックバルブは、一次ピストンが溶剤をアキュムレータへ送り出すことを許すが、一次ピストンが新しい溶剤を大気圧で取り入れているとき、高圧力でのアキュムレータの送り出しが一次ピストンへ戻ることを防止する。
アキュムレータ圧力トランスデューサは、システム圧力を測定し、圧力制御アルゴリズムへ入力を供給する。アキュムレータは、また、一次ピストンが新しい溶剤の圧縮を開始するとき、目標圧縮圧力を一次ピストンに供給する。一次圧力トランスデューサは、一次ピストンの内部の圧力を測定し、それによって、圧力が圧縮目標値に到達したとき、圧縮が停止される。図２を参照すると、全ポンプサイクル中の、両ピストン内の速度および圧力の典型的なプロファイルが示されている。
高圧力圧縮効果
一次ピストンの内部の溶剤が圧縮されるとき、その温度が上昇する、この温度上昇は、断熱加熱として知られているが、圧縮された溶剤と周囲の相対質量および熱伝導性に応じる速度で、（一次ピストンが送り出しを開始したとき）溶剤周囲およびシステムへ失われる。しかし、圧縮の時の溶剤温度が、溶剤が最終的に有する温度（システムの温度）よりも高いため、この温度上昇は、圧縮された溶剤の圧力の誤差を生じさせる。
したがって、溶剤が目標圧力（システム圧力）に圧縮されたすぐ後で、その圧力は、その上昇した温度が、システム温度と均衡化され始めるにつれて減衰を開始する。圧縮された溶剤の圧力は、最終的に、意図されたシステム圧力を下回る値になる。これは、一次ピストンが送り出しを開始するとき、送り出される流れの不足を生じさせる。
熱効果は、溶剤の圧縮性、圧縮圧力（システム圧力）、および溶剤が圧縮される速度に比例する。数千ｐｓｉまでの圧力に対して、この熱効果は、通常無視されることができるが、それよりも高い圧力では顕著である。さらに、往復ポンプの動作に関連するタイミングのため、通常、溶剤を大気圧からシステム圧力へ圧縮するために制限された量の時間がある。したがって、この熱効果は、かなりの流れ送り出し誤差を生じさせ、これは、２つのポンプの溶剤が、溶剤勾配を形成するために高圧力で互いに組み合わせられるとき、溶剤の組成の誤差を呈する。
圧力制御の説明
図３を参照すると、移送中の速度プロファイルに対する、流れの不足およびそれに対応する圧力降下の例が示されている。一次ピストンが、断熱加熱効果が起こるところにあるとき、一次ピストンがアキュムレータと流体連通状態に入るときに流れの不足が生じる。この点に至るまでは、ポンプの流れは、アキュムレータのみによって送り出されるため、ポンプの流れは正確である。
流れの不足は、圧力降下となって現れ、アキュムレータ圧力トランスデューサによって感知される。流体力学が測定される圧力に影響を与えるため、圧力降下プロファイルは、流れ不足プロファイルと必ずしも一致しない。これらは、流体工学の時定数が、流体不足の時定数よりも小さい場合に一致するだけである（小さい流体工学容量または小さい流体工学抵抗）。
流れの不足の持続期間は、主に圧力および溶剤の圧縮性によって変動し、通常の移送よりも短い期間の間持続するが、流れの不足の持続期間は、移送の持続期間を超えて延長する可能性がある。
図４を参照すると、予想されるアキュムレータ（システム）圧力トレースと実際のアキュムレータ（システム）圧力トレースとの差が示されている。この誤差を補償するために、アキュムレータ速度が、図５に示すように、その通常の速度プロファイルから、流れの不足中に修正される。アキュムレータ速度の修正は、移送中、アキュムレータに対する閉ループフィードバック制御によって行われる。アキュムレータ速度が、予想される圧力と等しいシステム圧力を維持するように調節される。これは、熱効果によって生じる流れの不足の効果を除去する。
上記で述べたように、一次ピストンが送り出しているとき（移送中）、圧力制御が実行され、一次ピストンがその送り出しを終了したとき、中止する。いったん移送が終了された後、ポンプが、通常のアキュムレータ送り出しを継続する。したがって、フィードバック制御が、ポンプサイクル毎に１回のみ適用される。フィードバック制御は、連続的には実行されない、すなわち、フィードバック制御は、移送前にオンにされ、移送後にオフされることができる。
フィードバック制御の間欠的な使用は、改良された送り出し精度をもたらす。好ましくは、フィードバック制御は、所望の精度を達成するために十分に使用されるのみである。移送中、上記の図面が示すように、アキュムレータの通常の速度プロファイルが、ポンプコントローラによって設定され、かつそれは、実質上一次速度プロファイルの鏡像である。圧力制御アルゴリズムが、ポンプコントローラもまたアキュムレータ速度を修正していることに気づかずに、この通常の速度プロファイルの最上部でのアキュムレータ速度を調節する。圧力制御は、一次速度を修正しない。
圧力制御アルゴリズム
圧力フィルタ
圧力制御のために測定された圧力を使用する前に、閉ループ帯域幅を超える周波数を除去するために、測定された圧力はフィルタリングされるべきである。これらの周波数が、ループサンプリング周波数の倍数に近すぎる場合、周波数は、制御帯域幅内でエーリアシングし、予期しないループ挙動を生じさせる可能性がある。
測定される圧力の高周波数成分の主な発生源は、ポンプモータの共振であり、これは約２００Ｈｚである。圧力トランスデューサに関連する高周波数雑音もある。アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換のすぐ前に配置される、２２５Ｈｚでの電子式二極バターワースフィルタは、これらの周波数を十分にフィルタリングしない。
ポンプコントローラデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）内で実行されるソフトウェアデジタルフィルタが、測定される圧力内の高周波数を除去するために使用される。
フィルタは、Ａ／Ｄ変換器速度（２．４４１ＫＨｚ）で実行され、最後の１２サンプルを平均化する同期フィルタ（ＦＩＲフィルタ）によって追従される、１００Ｈｚでの２つのカスケード単極ＩＩＲフィルタで構成される。同期フィルタは、モータ共振周波数の大部分を効果的に除去する。フィルタは、約５ミリ秒の遅延を生じさせる。
制御開始および終了点
好ましい実施形態では、圧力制御は、有利には移送中に行われる。代替となる実施形態では、圧力制御の期間は、移送よりも長くても、または短くてもよい。たとえば、移送が開始する前に圧力制御が開始され、移送が終了された後のある時間まで延長してもよい。開始点は、一次ピストンが溶剤を圧縮し始めるときの点に設定され、終了点は、一次ピストンの内部の溶剤が減圧された後、約５０ミリ秒である。この制御期間の延長は、機械的な不完全性などによって、移送の周囲で起こる他の流れ送り出し誤差を補償することを可能にする。
流体の隔離
様々な流体負荷条件下で、フィードバック制御ループを最適に働かせるために、ポンプの排出口とシステム流体負荷との間で少量の流体制限を付加することが望ましい。好ましい実装形態では、流体制限は、約３０．５ｃｍ（１２インチ）の約０．０１３ｃｍ（０．００５インチ）内直径（ＩＤ）の配管で作成される。これは、フィードバックループによってわかる動的負荷を外部流体容量から分離する。これは、そうでない場合は、各負荷条件に対して計算される必要がある。
この流体制限は、また、２つのポンプが、高圧溶剤勾配を形成するために並列に接続されるとき、一方のポンプが他方に生じさせる効果を分離することを助ける。隔離制限がなければ、フィードバック制御ループは、両ポンプの制御期間が重なるとき、振動することになる。これは、両ポンプが、同じ圧力を補償しようと試みるためであり、両ポンプからの寄与によって生じる。各制御ループは、どの部分が補償しなければならない部分であるかを知らない。
隔離リストリクタは、各制御ループが、それ自体の寄与によって支配されているが、他のポンプによって生じたある量を含む、圧力測定値を得ることを可能にする。システム流体容量に沿ったリストリクタは、振動を防止するのに十分な、ループ交差周波数での十分な隔離を作成する。
圧力設定点の計算
この制御アルゴリズムの別の要素は、制御期間中のある所与の時間での正確な制御ループ設定点の計算である。圧力設定点は、全制御期間中必ずしも一定でない。実際には、圧力設定点は、圧力降下が存在しなかった場合に存在するであろう予想される圧力トレースを追従することになる。
圧力設定点アルゴリズムは、制御が開始するすぐ前の圧力値を使用して、制御期間中、最初の設定点および実際の圧力設定点がどのように変化するかを計算する。圧力設定点アルゴリズムは、これらの圧力値による線形の予想を行い、制御期間中の圧力値を推定する。これらの推定された圧力値が、圧力設定点として使用される。制御期間が１秒未満であるとき、線形予想が十分であることが証明された。しかし、二次適合などの曲線予想法も、同様に使用されることができる。
図６は、制御の開始の直前の２つの圧力値に基づいて、圧力設定点を計算するために、線形予想がいかにして使用されるかの例を示している。２つの圧力値が、設定点値を決定する直線を生成するために使用される。図面は、２つの場合、すなわち、水平予想による一方の圧力値、および傾斜予想による他方の圧力値を示している。
設定点アルゴリズムは、線形予想を行うために強くフィルタリングされたバージョンの圧力を使用する。このデジタルフィルタは、圧力の傾向を提供し、局所的にノイズのある圧力サンプルが、正確な設定点または設定点傾斜の計算に影響を与えることを防止する。このデジタルフィルタは、最高の流れに対する１０Ｈｚと、最低の流れに対する０．１Ｈｚとの間で、設定流れとともに変動するコーナー周波数を有する単極ローパスフィルタである。
アルゴリズムは、また、変動する流体負荷条件下で、正確な設定点傾斜を計算するために、設定流れ変化を考慮する。
フィードバック制御ループ
圧力フィードバック制御が、比例積分導関数（ＰＩＤ）制御ループとして構成される。入力は、圧力設定点およびフィルタリングされたアキュムレータ圧力であり、出力は、アキュムレータ速度である。ループサンプリング周波数は、２００Ｈｚに設定されている。
制御ループの単純化されたブロック図が図７に示され、表１が凡例としての役割をする。
Figure 2008507033
この例示的な実施形態に基づく式は、以下の通りである。
Figure 2008507033
 ωｓ＝１５３３７（ｒａｄ／ｓｅｃ）＝フィルタサンプリング周波数
Figure 2008507033
 Ｋｃ＝補償ゲイン
τ１＝第１の補償ゼロ時定数
τ２＝第２の補償ゼロ時定数
Figure 2008507033
 τＦ＝ＲＦＣＦ
τｉ＝ＲｉＣＨ
τｃ＝ＲＦＣＨ
ＲＦ＝流体負荷抵抗
ＣＦ＝流体負荷容量
Ｒｉ＝流体隔離抵抗
ＣＨ＝流体ポンプヘッド容量
典型的な流体状態に対して、ループ交差周波数は、１４Ｈｚであり、６１度の位相マージン、および５６ミリ秒の整定時間を有する。このループ挙動は、広い範囲の流体状態に対してあまり変化しない。流体ポンプヘッド容量は、ループ内のゲイン項であり、その値は、使用されている各タイプの溶剤に対して決定される。この容量は、溶剤が目標圧力に圧縮されるとき、一次ピストンで計算される。
フィードフォワード補償
制御アルゴリズムのこのステップは、あるタイプのチェックバルブによって生じる圧力誤差などの、ループ交差周波数を超える周波数を有する圧力誤差を補償することを意図している。これらの圧力撹乱は高速すぎて、制御ループはこれらを補償することができない。
最初に、圧力の高周波数成分が、ループ交差周波数を上回るコーナー周波数を有するデジタルハイパスフィルタを使用して分離される。次に、追加の補償速度が、アキュムレータ速度に加えられ、以下のように計算される。
フィードフォワードアキュムレータ速度の寄与は、設定速度の要素である。この要素は、高周波数圧力成分と圧力設定点の比に反比例する。
制御ガード
これは、圧力制御が、ポンプ機構体の実際の容量を超えるアキュムレータ速度または位置を命令する可能性を回避するための保護アルゴリズムである。
この点で、重要な制御状況は、制御の開始と移送の開始との間のセクションである。この時点で、アキュムレータは、その可能な変位の終端の近くにあり、制御ループによって要求されるいかなる過度の速度増加も、アキュムレータプランジャがハードウェア停止部に当たる結果となる可能性が最も高い。たとえば、ポンプに入る気泡は、この状況に至る可能性がある典型的なシナリオである。圧力制御は、アキュムレータ速度を増加させ、実質上泡を圧縮しようと試みることになる。
ポンプコントローラがアキュムレータ取り込みを開始するため、いったん移送が開始した後は、このようにならない。取り込み速度は、制御ループによって設定される可能な最高速度よりも速く、したがって、プランジャがハードウェア停止部に当たることは不可能である。
制御ガードアルゴリズムは、そこまでの制御ループによって送り出される公称送り出しにわたる容積を計算し、送り出される容積が妥当な閾値を超えた場合、制御をオフにする。
２ポンプ制御衝突回避
上記で議論した隔離リストリクタが、制御ループを外部流体状態から隔離し、並列に接続された２つのポンプが、それらの制御期間が重なる場合、制御ループが振動することを防止する。しかし、この分離は、高い正確な溶剤勾配に対して十分ではなく、ここでは、両ポンプの制御ループ間の小さい残存する相互作用が、溶剤組成の誤差を生じさせる。
これらの誤差を除去するために、２つのポンプが、制御期間の重なりを回避するために、ポンプサイクル内でのそのそれぞれの位置に関する情報を交換する。言い換えれば、各ポンプは、他のポンプのサイクル持続期間、およびそのサイクル内での現在の位置を知る。
制御期間衝突が予測されるとき、より長いポンプサイクルを有するポンプが、他のポンプ制御期間との重なりを回避するのに十分に、その制御期間を先行させる。この技術は、溶剤勾配でのいかなる残存する組成誤差も効果的に除去する。
代替となる圧力制御実施形態
別の実施形態では、圧力制御アルゴリズムは、移送中のアキュムレータ速度ではなく、移送前の一次ピストン速度を制御することに基づいている。公称一次ピストン速度プロファイルが、わずかに変更される。
標準的な直列ポンプ構成では、上記で説明したように、一次ピストンは、移送が生じようとするまで溶剤を圧縮しない。一次ピストンが溶剤を圧縮するとき、断熱加熱効果が生じ、移送が開始する。これが、流れの不足が移送中に起こる理由である。
しかし、一次ピストンは、移送が開始するときまでに断熱加熱効果を消滅させるために、移送になるいくらか前に溶剤を圧縮するように指令されることができる。図８は、（同様の図２と比較して）この変化を有する圧力および速度プロファイルを示している。
図８は、断熱加熱効果が、圧縮のすぐ後の一次ピストン圧力の圧力減少をどのようにして生じさせるかを示している。この圧力減少は、移送が開始するとき、送り出される流れに流体不足を生じさせることになる。
この代替となる制御アプローチは、圧縮の終了と移送の開始との間の一次圧力を制御することによって、断熱加熱効果問題に対処する。圧縮制御は、アキュムレータ圧力をわずかに下回る一次圧力を維持するように一次速度を調節する。
これは、断熱加熱効果を補償し、移送が開始したとき一次圧力を正しい値のままにする。一次圧力制御中にアキュムレータチェックバルブが閉じたままであることを保証するために、一次圧力は、アキュムレータ圧力より下に維持されるべきである。ここで図９を参照すると、一次圧力への圧縮制御の効果、および一次速度が、いかにして制御ループによって修正されるかが示されている。
この代替となる制御アプローチの固有の利点がある。利点は、システムが、流体負荷または、並列に接続された第２のポンプとの移送の重なりなどの、外部の流体状態によって影響されないことである。アキュムレータチェックバルブが、制御期間中閉じたままであるため、一次圧力は、アキュムレータチェックバルブの下流側で起こるどんなことにも影響されない。また、アキュムレータ圧力が設定点値を決定するため、設定点計算アルゴリズムの必要がない。
欠点については、この制御代替形態は、断熱加熱効果のみに対する補償を提供し、移送に影響を与える機械的不完全性に対しては提供しないことである。これに対しては、他の制御アルゴリズムが補償する。
参考文献の組込み
本明細書で開示されたすべての特許、公開された特許出願、および他の参考文献は、参照によってその全体が本明細書に明示的に組み込まれる。
等価なもの
本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されてきたが、様々な変更および／または修正が、本発明の精神または範囲を逸脱することなく、本発明に対して行われることができることを当業者なら容易に明らかであろう。
本発明に従って構成された高圧直列ポンプの概略図である。 好ましい実施形態の全ポンプサイクル中の、両ピストンにおける速度および圧力の典型的なプロファイルを示す図である。 好ましい実施形態の移送中の速度プロファイルに対する、流れの不足およびそれに対応する圧力降下の例を示す図である。 好ましい実施形態の予想および実際のアキュムレータ（システム）圧力トレースの差を示す図である。 好ましい実施形態のその公称速度プロファイルから、流れの不足中のアキュムレータ速度がいかにして修正されるかを示す図である。 好ましい実施形態の制御の開始のすぐ前の２つの圧力値に基づいて、圧力設定点を計算するために、線形予測がいかにして使用されるかの例を示す図である。 好ましい実施形態の制御ループの簡略化されたブロック図を示す図である。 別の好ましい実施形態の全ポンプサイクル中の、両ピストンにおける速度および圧力の典型的なプロファイルを示す図である。 一次圧力に対する圧力制御の効果、および一次速度が制御ループによっていかにして修正されるかを示す図である。

Claims (40)

  1. 流体負荷を送り出すための高圧ポンプを制御するための流れ制御システムであって、高圧ポンプが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを有し、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有し、流れ制御システムが、
    予想される圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するようにアキュムレータ速度を修正するために、移送中のアキュムレータ圧力に対する閉ループフィードバック制御を含むシステム。
  2. 閉ループフィードバック制御が、断熱加熱によって生じる効果を実質上除去する、請求項１に記載の流れ制御システム。
  3. アキュムレータピストンと流体負荷の間に接続された隔離リストリクタをさらに含む、請求項１に記載の流れ制御システム。
  4. 断熱加熱によって生じる効果を低減させるために、高圧ポンプシステムの出力を制御するための方法であって、高圧ポンプシステムが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを含み、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有し、方法が、
    予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、移送中のアキュムレータ圧力に対する閉ループフィードバック制御によってアキュムレータ速度を修正するステップを含む方法。
  5. 一次ピストンが送り出しを停止したときに、ほぼ閉ループフィードバックの操作を終了させるステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
  6. アキュムレータ公称速度プロファイルが、実質上一次速度プロファイルの鏡像であるように設定される、請求項４に記載の方法。
  7. 閉ループフィードバック制御の帯域幅を超える周波数を除去するために、高圧ポンプシステムのアキュムレータ圧力をフィルタリングするステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
  8. 隔離リストリクタを使用することによって、閉ループフィードバック制御の振動を防止するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
  9. 制御期間の重なりを回避するために、一次ピストンおよびアキュムレータピストンに関する位置情報を監視するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
  10. 振動を防止するために、ループ交差周波数で流体リストリクタによって隔離を生じさせるステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
  11. 予想される圧力を実質上追従するように、高圧ポンプシステムの圧力設定点を変更するステップをさらに含む、請求項４に記載の方法。
  12. 修正するステップが、電子的手段によって行われる、請求項４に記載の方法。
  13. 電子的手段が、デジタル信号プロセッサである、請求項１２に記載の方法。
  14. 高圧ポンプにおける一次ピストンの速度を制御するための方法であって、アキュムレータピストンが、溶剤をシステムに送り出し、一次ピストンが、アキュムレータピストンを補充し、かつアキュムレータピストンが補充している間に溶剤をシステムに送り出し、方法が、移送が開始する前に断熱加熱効果が消滅するように、移送が行われるいくらか前に一次ピストンに溶剤を圧縮するように指令することによって、移送の前に一次ピストンの速度を制御するステップを含む方法。
  15. コンピュータ読み取り可能な媒体であって、該コンピュータ読み取り可能な媒体のコンテンツが、送り出し誤差を除去するために、高圧ポンプシステムの出力を制御するための方法を制御システムに行わせ、高圧ポンプシステムが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを含み、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有し、制御システムが、予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、移送中のアキュムレータ圧力に対して閉ループフィードバック制御によってアキュムレータ速度を修正するステップを行うことによる実施のための機能を備えるデジタル信号プロセッサおよびプログラムを有するコンピュータ読み取り可能な媒体。
  16. 一次ピストンが送り出しを停止したとき、ほぼ閉ループフィードバックの動作を終了させるステップをさらに含む、請求項１５に記載のコンピュータ読み取り可能な媒体。
  17. アキュムレータ公称速度プロファイルが、実質上一次速度プロファイルの鏡像であるように設定される、請求項１５に記載のコンピュータ読み取り可能な媒体。
  18. 閉ループフィードバック制御の帯域幅を超える周波数を除去するために、高圧ポンプシステムのアキュムレータ圧力をフィルタリングするステップをさらに含む、請求項１５に記載のコンピュータ読み取り可能な媒体。
  19. 隔離リストリクタを使用することによって、閉ループフィードバック制御の振動を防止するステップをさらに含む、請求項１５に記載のコンピュータ読み取り可能な媒体。
  20. 制御期間の重なりを回避するために、一次ピストンおよびアキュムレータピストンに関する位置情報を監視するステップをさらに含む、請求項１５に記載のコンピュータ読み取り可能な媒体。
  21. 振動を防止するために、ループ交差周波数で流体リストリクタによって隔離を生じさせるステップをさらに含む、請求項１５に記載のコンピュータ読み取り可能な媒体。
  22. 予想される圧力を実質上追従するように、高圧ポンプシステムの圧力設定点を変更するステップをさらに含む、請求項１５に記載のコンピュータ読み取り可能な媒体。
  23. 送り出し誤差を減少させるために高圧溶剤ポンプシステムの出力を制御するための方法であって、高圧溶剤ポンプシステムが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを含み、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有し、方法が、
    予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、閉ループ帯域幅を有する閉ループフィードバック制御を周期的に加えるステップと、
    閉ループ帯域幅を超える周波数を除去するために、システム圧力をフィルタリングするステップとを含む方法。
  24. 除去される周波数の発生源が、高圧ポンプシステムのモータの共振である、請求項２３に記載の方法。
  25. 除去される周波数の発生源が、圧力トランスデューサからである、請求項２３に記載の方法。
  26. 移送中のアキュムレータ圧力に対する閉ループフィードバック制御によってアキュムレータ速度を修正するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
  27. 溶剤送り出しでの誤差を減少させるために、高圧ポンプシステムの出力を制御するためのシステムであって、システムが、
    一次ピストンおよびアキュムレータピストンを含む高圧ポンプを備え、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有し、前記システムがさらに、
    予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、移送中のアキュムレータ圧力に対してアキュムレータ速度を修正するための閉ループフィードバック制御と、
    高圧ポンプの排出口とシステムの流体負荷との間で流体を制限するための手段とを備えるシステム。
  28. 制限するための手段が、狭い内直径の配管の一部分である、請求項２７に記載のシステム。
  29. 高圧ポンプを制御するための流れ制御システムで予想される圧力トレースを追従するように、圧力設定点を計算するための方法であって、高圧ポンプが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを有し、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有し、流れ制御システムが、予想される圧力と実質上等しいシステム圧力を維持するように、アキュムレータ速度を修正するための制御期間中のアキュムレータ圧力に対する閉ループフィードバック制御を有し、方法が、
    閉ループフィードバック制御が活動化するすぐ前の圧力値を使用することに基づいて、初期設定点を計算するステップと、
    制御期間中の設定点の変化を計算するステップと、
    初期設定点および前の圧力値に基づいて、設定点の予想を行うステップと、
    圧力設定点を決定するために、制御期間中に圧力値を推定するステップとを含む方法。
  30. 予測のタイプが、線形予測および曲線予測から成るグループから選択される、請求項２９に記載の方法。
  31. 予測のタイプが、曲線予測である、請求項３０に記載の方法。
  32. 局所的にノイズのある圧力サンプルが推定される設定点に影響を与えることを防止するために、方法への入力として圧力の傾向を提供するための電子フィルタを提供するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
  33. 制御期間が、移送時間と実質上等しい、請求項２９に記載の方法。
  34. 高圧ポンプを制御するための流れ制御システムであって、高圧ポンプが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを有し、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有し、流れ制御システムが、予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、アキュムレータ速度を修正するための制御期間中のアキュムレータ圧力に対する閉ループフィードバック制御を含むシステム。
  35. 制御期間が、移送時間と実質上等しい、請求項３４に記載の流れ制御システム。
  36. 制御期間が、移送時間よりも長い、請求項３４に記載の流れ制御システム。
  37. 制御期間が、移送時間よりも短い、請求項３４に記載の流れ制御システム。
  38. 圧力制御機構体が、ポンプの実際の容量を超えてポンプ内のピストンに命令する可能性を回避することによって、ポンプを保護するための方法であって、該方法が、
    圧力制御機構体によって送り出された公称送り出しでの容積を計算するステップと、
    送り出された容積が閾値を超える場合、圧力制御機構体を非活動化するステップとを含む方法。
  39. 各ポンプがポンプサイクルを有する、１対のポンプを並列に接続することによる振動が、実質上防止されるように、外部流体状態から制御ループを隔離するための方法であって、該方法が、
    各制御期間の重なりを実質上回避するために、１対のポンプの間のポンプサイクル内の各位置に関連するデータを交換するステップと、
    制御期間の衝突が予測されるとき、より長いポンプサイクルを有するポンプの制御期間を先行させ、それによって、他方のポンプの制御期間との重なりを実質上回避するステップとを含む方法。
  40. 予想されるシステム圧力に実質上等しいシステム圧力を維持するように、閉ループ帯域幅を有する閉ループフィードバック制御を周期的に加えるステップと、
    閉ループ帯域幅を超える周波数を除去するために、アキュムレータ圧力をフィルタリングするステップと、
    送り出し誤差を減少させるために、高圧溶剤ポンプシステムの出力を制御するステップとをさらに含み、高圧ポンプシステムが、一次ピストンおよびアキュムレータピストンを備え、各ピストンが、各ピストンに関連する速度および圧力を有し、さらに、
    移送中のアキュムレータ圧力に対する閉ループフィードバック制御によってアキュムレータ速度を修正するステップを含む、請求項３９に記載の方法。
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