DE2263768C2

DE2263768C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des mittleren Durchflusses einer eine Flüssigkeit diskontinuierlich fördernden Pumpe

Info

Publication number: DE2263768C2
Application number: DE2263768A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr.-Ing. 7500 Karlsruhe Busch
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Priority date: 1972-12-28
Filing date: 1972-12-28
Publication date: 1974-11-14
Also published as: NL7317497A; DE2263768B1; GB1453731A; JPS5892621U; JPS4993049A; CH569260A5; JPS5914734Y2; DE2263768A1; US3872723A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen des mittleren Durchflusses einer eine Flüssigkeit diskontinuierlich fördernden Pumpe, insbesondere zur Gradienten-Eluti&n in der Flüssigkeits-Chromatographie, bei welchem hinter einer anzuschließenden Pumpe ein Strömungswiderstand sowie ein Strömt i^mittelspeicher vorgesehen werden, dessen Volur-.-i sich druckabhängig ändert, und diese Dämpf um-.! eder an eine mit der Pumpe und einem Verhrarr*h"r verbindbare Leitung angeschlossen werden.

Bei verschiedenen Anwendungen, vorzugsweise in der Flüssigkeits-Chromatographie, kommt es darauf an, eine von einer Pumpe diskontinuierlich geförderte Flüssigkeit durch geeignete Dämpfungsglieder in einen weitgehend kontinuierlichen Strom zu überführen und genau zu messen. Als Dämpfungsglieder werden zusätzlich in das Leitungssystem eingebaute Strömungswiderstände sowie Strömungsmittelspeicher, beispielsweise Bourdonfedern, eingesetzt, welche ihr Volumen druckabhängig ändern.

Es handelt sich teilweise um relativ geringe Fördermengen in der Größenordnung bis zu 10 ml/min, welche unter einem Druck von 0 bis 300 atü stehen und mit einer Genauigkeit von etwa 1 °/o gemessen werden sollen. Diese Genauigkeit ist vor allem bei dem Verfahren der Gradientenelution entscheidend, bei welchem analog der graduellen Temperaturänderung in der Gaschromatographie die einem Flüssig-

keits-Chromatographen aufgegebenen Substanzen gezielt nacheinander^elöst und getrennt werden, Hierzu

wird die Zusammensetzung eines Losungsmitte stro-

Meßkammer

^Jtvon\\nZι Strömungsmittel zum nächsten,

der

die Zwecke der g

Hand der Zähnungen e

F. g. 1 sch«^ E

liegende Meßprinzip ^B _dldn; im für an

Erfindung, ^c^n Verlauf des

g JJJ diskontinuieriich fördern-

Forderstromes nacn cmc

den Pumpe zeitlichen Verlauf der

Fig. 2b quantaiiv uc.

Druckschwankunge^JJ^g», eines in der er-

Fig. ³ «J° ^^K* verwendbaren Memfindungsgemaßen Vorrichtung ve

branspe.chers. Kolbenpumpe 1 über eine

? ^F L^ ' 'S nd einen Strö-

ranspe. ^Gema? ^Flg·

_{htung 6} ist und gibt _ab, welche

rfordert.

Es sind bereits eine Vielzahl von Verfahren zur Messung des Durchflusses von Flüssigkeiten bekannt- t. kann geworden, welche jedoch nicht befriedigen we, ent- JJ weder die Flüssigkeit (beispielswe.se durch Gasb äsen) verändert wird oder die Flüssigkeit mit Warmeimpulsen beauflagt wird, welche zu schnell raum-Hch verlaufen oder die Verfahren bei hohem Druck

oder agressiven Flüssigkeiten nicht anwendbar sind. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß in einfacher Weise eine genaue Messung des mittleren Durch- _w flusses einer diskontinuierlich von einer Pumpe geförderten Flüssigkeit ermöglicht wird.

Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß die bisher aufwendige Durchflußmenge auf eine ? -^g

wesentlich einfachere und genauere Druckmessung as Leitung 2 ^e'^ne zurückgeführt werden kann, da nämlich die bisher mungswiderstanc^ als störend empfundenen Druckschwankungen der graphen geförderten Flüssigkeit bereits ein Maß für du mitt- an lere Durchflußmenge darstellen. an

Dementsprechend wird das Verfahren der eingangs 30 den ^^ genannten Art dadurch erfindungsgemäß ausgestaltet, d.e durch das daß sich das Volumen des Speichers im wesentlichen proportional zu dem auftretenden Druck ändert das Produkt des Widerstandswertes des Strömungswider-Standes und des sich aus der druckbezogenen Volumenänderung ergebenden Kapazitätswertes (Zeitkonstante) größer als die Periodendauer der Pumpe

ist, die Druckschwankungen des Strömungsmittel· ^ä_pfiirtrT_ngp

Speichers während eines ausgewählten Zeitintervalls erzeuger 12 »gefuhrt, der ^ ngg ρ ^

gemessen, daraus eine für die mittlere Durchfluß- 4<> Abtast-Halteghed U abtatet, ^desse _bunde^ _isf. _Das menge der geförderten Flüssigkeit signifikante Größe ^^^na^-DigitaKWand er 14.^b ^ ^ abgeleitet und die Lage dieses Zeitintervalls auf den Abtast-Halteglied wird aera j _k

Krderrhythmus der Pumpe abgestimmt wird. Wie ^^^^^J^^^Sn Spannungsnicht vorherzusehen war und noch gezeigt wird, hat ^schw?^nkun8. f_nff'ΐ'^^ Teiles der Förderdasneue Meßverfahren den Vorteil, daß es im wesent- 45 signale jewels nur wahrend emes leu _dler liehen unabhängig von dem spezifischen, vor allem pause der Pumpe an den Analog LMgi
viskositätsabhängigen Strömungswiderstand der je- ^ΐ^
weils geförderten Flüssigkeit ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen werden, daß die Geschwindilkeit des Druckabfalls während eines Teiles der Förderpause der Pumpe gemessen wird, da der Druckabfall dann von der Pumpencharakteristik unabhängig ist und einer Exponentialfunktion folgt.

Eine andere hinreichend genaue Auswertung ergibt sich wenn das für den Druck repräsentative Signal gleichgerichtet und der Mittelwert als Maß für den mittleren Durchfluß verwendet wird. Es versteht sich indessen, daß von den Druckschwankungen auch andere für den Durchfluß der geförderten Flüssigkeit signifikante Signale wie beispielsweise der Effektiv-

d.e du 8^

gerufen werden Die
Pumpe wird übe eme ^
zelle 9 abgetastet und zwar

tns^%^S^ ^e^^Ug; ^

_Kolbens der eine Fotoj _be_

? in einem

; ^eslgna? w

^? _e ζ^^ T_n efnem einstellbaren

^erstarke 10 verstärkt dann in ^

^Verzo8^e^ⁿ8^Sä'^e _p ^d _fiiV_rt ^VT_r°^gT_nggerinipulse für ein erzeuger 12 »gefuhrt, der ^ ngge ρ ^

hd U btatet ^desse ^ f

^_Γ^^_{ΟΓίε des} Meßverfahrens erläutert .^Bevor °^ie '"^", "_{d einiee d}er vorgenannten wird, werden nachfolgend einige der g

! turgemäß diskonti-

die folgenden

muerlich und kaJW
charakteristischen Daten haben.

Fördermenge ocn

Dauer des Förderhubes ... 250 ms Periodendauer 600 ms

hervoreeht, ist der zeitliche Ver^W.e aus Fig2a her™gd* _mss[gküt _wäh-

Sföig. Die jeweilige ^ ieeinflußt jedoch Messung während

unabhängig vom Druck gemacht werden wenn der

⁶⁵ Querschnitt einen Druck

-mit sich möglichst ein

kleines Totvolumen in der Größenordnung von nicht Druckes erreicht werden, wie er schematisch in

mehr als 50 μΐ ausbildet. Fig. 2b dargestellt ist. Eine Voraussetzung für einen

Als Speicher eignet sich insbesondere ein Mem- derartigen Zeitverlauf ist, daß das Produkt R ■ C

branspeicher, wie er beispielsweise in F i g. 3 schema- größer als die Periodendauer der Pumpe ist.

tisch dargestellt ist. 5 Während des Förderhubes der Pumpe hat der

Eine kreisförmige Metallmembran 15 ist zwischen Durchfluß gemäß Fig. 2a einen sinusförmigen Vereiner Innenschulter 16 eines oberen Halbzylinders 17 lauf, und es ergibt sich ein Druckverlauf im Speicher und einer Außenschulter 18 eines unteren Halbzylin- nach Art einer gedämpften Sinusfunktion gemäß ders 19 eingespannt, wobei die Halbzylinder über Fig. 2b. Nach der Beendigung des Förderhubes fällt Bolzen 20«, 206 verschraubt sind. Die Membran io der Druck zeitlich verzögert und exponentiell ab. bildet mit dem oberen Halbzylinder eine Meß- Kurz nach Beginn des nächsten Förderhubes folgt kammer, die über Einlaß- und Auslaßkanäle 21,22 der Druckverlauf wiederum einer gedämpften Sinusmit dem geförderten Strömungsmittel, einer Flüssig- schwingung.

keit oder einem Gas, in Verbindung steht. Diese Da die Zeitkonstante R ■ C wesentlich größer als Meßkammer sowie deren Zuleitung 21; 2 hat im 15 die Periodendauer T der Pumpe ist, kann der exdruckfreien Zustand ein äußerst geringes (Tot-) Vo- ponientielle Druckverlauf in der Förderpause mit lumen von weniger als 200 μΐ und ist über einen guter Näherung durch eine Tangente im Ursprung umfangsseitig und unmittelbar neben der Membran- an die Exponentialfunktion ersetzt werden,
einspannung verlaufenden Ringkanal 23 mit den Ein- Das neuartige Meßverfahren läßt sich mathemalaß- und Auslaßkanälen verbunden. Wie noch gezeigt 20 tisch folgendermaßen erläutern:
wird, ist das geringe Totvolumen erforderlich, wenn Die gesamte Änderung der in der Zuleitung 2 und die Messung mit guter Näherung unabhängig von der der Meßkammer des Speichers aufgenommenen Kompressibilität des geförderten Strömungsmittels Flüssigkeitsmenge A V_F, bezogen auf eine Drucksein soll. Schwankung AP, ist:

Das obere Speichervolumen hat eine Kapazität C, 25

welche sich als Quotient der Volumänderung A V, AV_F _ (öV\ 1 /^Kf \ [,. (öV\

bezogen auf die Druckänderung AP, ergibt und bei ~~Äp~ ~ \dP)v AV \ SP IA ⁺ \όΡΙ

den auftretenden Drücken einen konstanten be- ^l ^Vr

kannten Wert hat. Dieser Wert ist wesentlich höher (1)

als die veränderliche Kapazität A C, welche von der 30

Kompressibilität des Fördermediums und der Geo- Der erste Term drückt die Druckabhängigkeit des metrie der Zuleitungen abhängt. Mit anderen Worten geometrischen Volumens der Meßkammer des Speiist also der variablen unbekannten Kapazität eine chers aus und stellt den konstanten und bekannten größere Konstante und bekannte Kapazität parallel Kapazitätswert C des Speichers dar.
geschaltet, so daß die Schwankungen des Wertes der 35 Der zweite zusammengesetzte Term gibt die druckkleinen Kapazität vernachlässigt werden können. abhängige Änderung des Flüssigkeitsvolumens auf

Die Ringnut in der Meßkammer hat den Vorteil, Grund der Kompressibilität der geförderten Flüssig-

daß eine schnelle Durchspülung beim Übergang von keit wieder. Er ist das Produkt aus der jeweiligen

einem Strömungsmittel zum anderen möglich ist, was Kompressibilität κ der geförderten Flüssigkeit und

für die Zwecke der Chromatographie wichtig ist. 40 einem Volumen, das sich zusammensetzt aus dem

Die Membran bildet mit dem unteren Halbzylinder Totvolumen V_L, der Meßkammer und der Zuleitung 2

19 eine Gegendruckkammer aus, welche mit einer im drucklosen Zustand und der geometrischen

Flüssigkeit hoher Kompressibilität, beispielsweise Volumenänderung der Meßkammer auf Grund der

Hexan, gefüllt und mit einer herkömmlichen Druck- Kapazität bei einer Druckschwankung Δ P.

meßeinrichtung 24 verbunden ist, welche die Druck- 45 Mit den bekannten Definitionen für den Kapa-

schwankungen in dieser Kammer in analoge elek- zitätswert C und die Kompressibilität κ ergibt sich

irische Signale umformt. Der Anschluß der Druck- aus Gleichung (1):
meßeinrichtung an dieser Gegendruckkammer statt

an der Meßkammer hat den Vorteil, daß das Tot- AV_F = C AP + x- [V_L + C AP]-AP (2)

volumen der Dnickmeßeinrichrung nicht zu einer 50

Vergrößerung des Totvolumens der Meßkammer Wenn die Änderung des Flüssigkeitsvolumens in

führt, was die Meßgenauigkeit von der Kompressi- der Meßkammer mit guter Näherung (beispielsweise

bilität des geförderten Mediums abhängiger machen 1 % Genauigkeit) unabhängig von der Kompressibili-

würde, wie noch an Hand von Gleichungen gezeigt tat der jeweils geförderten Flüssigkeit sein soll, muß

wird. 55 gelten:

Der Strömungswiderstand besteht aus einer Ver- C-AP^xW + C-AP]'AP (3)

engung des Leitungsquerschnittes und befindet sich j_JZW *■ '

vorzugsweise abstromseitig von der Speicherkapazität. ' C^>x\V + C-APl (4)

Die übrigen Komponenten sind dem Fachmann ver- * *■ '

traut und werden nicht beschrieben, da deren indi- 60 Es wird nun davon ausgegangen, daß die Un-

vidueüe Ausgestaltung nichts zum Wesen der Erfin- gleichungen (3) bzw. (4) mit guter Näherung erfüllt

dung beiträgt sind, so daß die Änderung A V des geometrischen

Durch geeignete Dimensionierung des effektiven Volumens der Meßkammer gleich derjenigen des von

Widerstandswertes der Speicherkapazität, der im der Kammer aufgenommenen Flüssigkeitsvolumens

wesentlichen durch den Kapazitätswert C und die 65 ist, welches über den Kapazitätswert C von der

Hubfrequenz des Kolbens bestimmt ist, im Verhältnis Druckschwankung Δ Ρ abhängt:
zu dem Widerstandswert R der Leitungsverengung

kann ein zeitlicher Verlauf des Durchflusses bzw. AV = Δ V_T = CAP IS)

ι«.

Mit der Definitionsgleichung für den Durchfluß: kleiner als der absolute Druck P ist, stellt Gleichung

. (7) auch eine entsprechend gute Näherung für den

j ₌ __ (6) mittleren Durchfluß der Pumpe dar.

At Es ist zu beachten, daß die Geschwindigkeit der

. 5 Druckabnahme ein Quotient ist, dessen Wert in-

crgibt sich variant gegenüber der Viskosität des jeweiligen

Δ Ρ ,„■. Fördermediums ist, was den Wert dieser MeB-

~At* methode wesentlich erhöht.

Die Genauigkeit der Messung kann erhöht werden,

d. h., daß der Durchfluß / während der Förderpause io indem der Mittelwert aus mehreren Pumpenhüben gleich dem Produkt des Kapazitätswertes C des Spei- gebildet wird. Die Anzahl der Pumpenhübe kann chers und der Geschwindigkeit der Druckabnahme entweder durch einen zusätzlichen Zähler an der der Pumpe ist. Wenn der Durchfluß derart gedämpft Pumpe ermittelt oder aus dem Meßsignal selbst abwird, daß die Druckschwankung A P wesentlich geleitet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen des mittleren Durchflusses einer eine Flüssigkeit diskontinuierlich fördernden Pumpe, insbesondere zur Gradienteneluierung in der Flüssigkeits-Chromatographie, bei welchem hinter einer anzuschließenden Pumpe ein Strömungswiderstand sowie ein Strömungsmittelspeicher vorgesehen werden, dessen Volumen sich druckabhängig ändert, und diese Dämpfungsglieder an eine mit der Pumpe und einem Verbraucher verbindbare Leitung angeschlossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Volumen des Speichers (3) im wesentlichen proportional zu dem auftretenden Druck ändert, das Produkt des Widerstandswertes des Strömungswiderstandes (4) und des sich aus der druckbezogenen Volumenänderung ergebenden Kapazitätswertes (Zeitkonstante) größer als die Periodendauer der Pumpe (1) ist, die Druckschwankungen des Strömungsmittelspeichers während eines ausgewählten Zeitintervalls gemessen, daraus eine für die mittlere Durchflußmenge der geförderten Flüssigkeit signifikante Größe abgeleitet und die Lage dieses Zeitintervalls auf den Förderrhythmus der Pumpe abgestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit des Druckabfalls während eines Teiles der Förderpause der Pumpe gemessen wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, wobei hinter der anzuschließenden Pumpe ein Strömungswiderstand sowie ein Strömungsmittelspeicher vorgesehen sind, dessen Volumen sich druckabhängig ändert, und diese Dämpfungsglieder an eine mit der Pumpe und einem Verbraucher verbindbare Leitung angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapazitätswert (C) des Speichers (3) als Quotient der Volumenänderungen (Δ V) des Speichers und der auftretenden Druckschwankungen (A P) im wesentlichen konstant, das Produkt des Widerstandswertes (R) des Strömungswiderstandes (4) und des Kapazitätswertes des Speichers größer als die Periodendauer der Pumpe ist und eine Druckmeßeinrichtung (16) über ein nachgeschaltetes Differenzierglied die Druckschwankungen des Strömungsmittelspeichers während eines durch eine Zeitgeberschaltung (8 bis 12) bestimmten Zeitintervalls als signifikante Größe für die mittlere Durchflußmenge (/) der geförderten Flüssigkeit synchron zu den Förderhüben der Pumpe mißt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungswiderstand in Flußrichtung hinter dem Speicher angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher die Säule eines Flüssigkeits-Chromatographen (5) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Zeitgeber bestimmte Intervall kleiner als die Periodendauer der Pumpe ist und in der Förderpause der Pumpe liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteschaltung den

mittleren Durchfluß aus mehreren Einzelmessun gen des Druckabfalls am Speicher während dei Förderpausen ermittelt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung der der Druckschwankung entsprechenden Meßwerl gleichrichtet und den gleichgerichteten Mittelwert als Maß für die mittlere Druckschwankung abgibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (3) aus einem Membranspeicher besteht, dessen Membran (15] eine Meßkammer mit Einlaß- und Auslaßkanälen (21, 22) für das geförderte Strömungsmittel von einer Gegendruckkammer trennt und das Volumen der Meßkammer und deren Zuleitung nur unter Druck von Null wesentlich verschieden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Meßkammer und der Zuleitung im druckfreien Zustand wesentlich geringer als der Quotient des Kapazitätswertes (C) des Speichers und der Kompressibilität (x) des geförderten Strömungsmittels ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßeinrichtung (24) mit der Gegendruckkammer verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer eine umfangsseitig in unmittelbarer Nähe der Membraneinspannung verlaufende flache Ringnut (23) aufweist, welche mit den Einlaß- und Auslaßkanälen für das geförderte Strömungsmittel verbunden ist.