具有力传感器的活塞泵及用于控制所述活塞泵的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于产生输送流动的活塞泵，所述输送流动基本上没有脉动，本发明专利技术尤其涉及双活塞泵；此外，本发明专利技术还涉及一种用于控制从低压区域输送泵送介质到高压区域的活塞泵的方法，其中使用了用于监测由泵结构或其相关驱动单元所输送的机械力或力矩的测量传感器，以用来取代为此目的而通常采用的压力或流动传感器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种活塞泵，尤其是一种双活塞泵，其用于产生基本上没有脉动的输送流动；本专利技术还涉及一种用于控制所述活塞泵从低压区域输送泵送介质到高压区域的方法。
技术介绍
根据本专利技术的活塞泵包括：至少两个用于从低压区域输送泵送介质到高压区域的活塞/缸体单元，用于驱动至少一个活塞/缸体单元的凸轮驱动器，用于控制凸轮驱动器的旋转速度的控制单元，和用于测量控制参数实际值的传感器，其中通过所述控制参数的实际值可以得到在高压侧产生的输送流体的脉动程度。例如在液体色谱法(liquid chromatography)、尤其在高压液体色谱法(HPLC)和超高压液体色谱法(UHPLC)中采用了这种类型的泵，用于可动相(洗提液，eluant)的输送，例如以纯溶剂或低压侧梯度溶剂混合物的形式通过相关分析系统的分离柱中的静止相(包装件)。术语“低压侧梯度(low pressure side gradient)”为本领域技术人员所熟悉。有关于质量(保持时间)和数量(峰值面积)的正确分析结果，需要可动相的持续恒定质量流(mass flow)。理想地，需要确保“真质量流”(true mass flow)，也即输送流动在一定单元时间中在大气压下相对于体积是恒定的。真质量流应该被确保至少持续在彼此相关联的一系列分析过程的持续期间。恒定的质量流具有重要的意义，尤其在HPLC和UHPLC中，这是因为当使用所述分析方法时所述泵的输送压力可以达到100MPa或更高。在这样的操作条件下，泵送的介质不再表现为理想的(也即不可压缩的)液体。这会导致这样的事实：由于泵送介质特定的压缩性，增长的输送压力进一步恶化了基本没有脉动的所产生的被泵送介质的真质量流。为了减小活塞泵所产生的高压输送流动中的脉动，具有例如多个活塞(尤其是两个活塞)的多个泵根据并联或者优选是串联的输送原则进行操作。换句话说，多个活塞输送进入共同高压区域，其中它们的冲程运动相对于彼此在时间上偏移，从而单个输送流动在理论上互相叠加以形成没有脉动的合成恒定流动。由于具有低的输送压力，总输送流动的脉动因而可以完全或者几乎避免；然而，对于高的或者最高的输送压力而言，还是会生成残余脉动。该残余脉动由泵送介质的特定压缩性而引起，所述特定压缩性随着输送压力的增加会具有增加的效应，且其程度取决于泵送介质的变化物理性质。所述残余脉动可以通过使每个输送循环以预压行程开始而得到减小或抑制，这确保了在实际输送开始之前在缸体内部空间中的介质得到压缩以匹配位于高压侧的各个系统压力，用于避免或至少减小在从一个活塞到另一个活塞的液力过渡时发生的泵送介质短期回流和/或持续输送中断。在相关泵中已知的反馈控制是用于(持续地)补偿泵送介质的特定压缩性对瞬间泵送效率的影响，该反馈控制或者是基于监测位于泵入口和/或出口处的输送压力，或者-->是基于确定位于泵入口和/或出口处的流速(例如通过根据热量测量原理操作的传感器)，以及对各个测量信号的定性或定量处理。US4,359,312公开了一种具有凸轮驱动器的双活塞泵，其根据上述类型的并联或串联输送原理进行运行，并且还公开了基于相减方法(subtractive approach)来控制所述泵的方法。为了能够抵消在增加输送压力时泵送效率的下降，引起实际泵送动作的驱动凸轮器包括升程型面(elevation profile section)用于产生预压冲程，同时吸入冲程相对于角度范围相应地缩短并且因为结构的原因而加速。最初，预压冲程的长度以如下方式进行选择：即所述预压冲程补偿了在指定的最大特定压缩性和指定最大许可输送压力下的泵送介质的特定压缩性对泵送效率的影响，——所述泵被驱动以完全补偿这些最大值条件。为此目的，所述设备包括压力传感器，其中高压侧上的系统压力利用所述压力传感器得到持续监测。通过压力传感器所监测得到的测量值被供给到驱动控制系统，并且驱动电机的旋转速度在预压冲程范围中以如下方法进行调制：即通过迭代和相减方法，泵从最大值条件的补偿进行迭代地回归，从而补偿在实际运行压力下的泵送介质的实际条件。与其相并行地，因在反馈过程中分别采用的预压冲程而获得在大气压力下相对于体积的输送增加。通过对凸轮旋转速度叠加次级修正系数，利用再调制来修正所述多余输送。在US4,681,513中公开了另一种泵和另一种方法。其中，根据串联输送原理运行的双活塞泵的两个活塞中的每一个都具有单独的凸轮驱动器。两个驱动凸轮器中的每一个的截面都具有形成不同冲程长度特征的不同升程轮廓(elevationprofile)，所述升程轮廓根据泵的特定最大输送速度而分级，它们的斜率具有了恒定增加值。在每个泵送循环过程中，在凸轮的相应角度范围内，吸入冲程和泵送冲程及之前的预压冲程都由驱动凸轮的往复运动所引起，而所述两个输送流动被组合以获得合成的恒定输送。用于压缩性补偿(压力反馈)的所有反馈控制(所述反馈控制是基于输送压力测量的定性和/或定量应用)的关键固有缺点，是需要在一系列凸轮旋转/泵送循环中进行迭代调节(PID控制)、以及在压力伪差发生时控制的实际上有限鲁棒性(robustness)，因为通过压力测量信号仅可能对泵送介质的位移过程进行间接而非直接的监测。扰动变量例如是压力脉动(其发生在当试样被加入到相关分析系统中时)，尤其是在梯度操作过程中压力测量信号的漂移，其中由于变化的物理性质(粘性；温度)，和/或当分离柱的阻塞发生或可能发生时，背压变化出现或可能出现在分离柱处。除了压力反馈方法(其用于补偿实际泵送介质的特定压缩性对泵送效率的影响)之外，还已知这样的流动反馈方法，其利用在液体管路内安装于高压侧(并且也可选地在低压侧)上的流动传感器基于对泵的输送特性的监测，其中该反馈方法依赖于所述传感器的测量信号。由于压力测量传感器和流动传感器必须适合于例如0-100MPa的非常宽测量范围的事实，以及由于压力测量传感器和流动传感器必须能够经受高压并以可接受的效果使周边得到密封的事实，压力测量传感器和流动传感器具有特定的技术问题。同时，它们不可以影响流体通道在压降和流体动力学方面优选的几何结构，并且由于它们与待输送的介质直接接触，它们必须化学性能方面对所有将输送的介质具有耐抗性或者通过隔离膜或类似物来防护远离所述介质。对于流动传感器的情形而言，尤其不利的是，测量信号依赖于操作温-->度和需要输送的各介质的特定热传导性/能力，以及因此地必须在应用方面进行多个参数校正，其可在泵操作过程中根据低压梯度方法最好利用代入循环方法由迂回计算来实现，其中一组参考值可在真实分析操作条件下估定。当考虑串联双活塞泵的情况时，关于设计概念的上述困难增加了泵送效率下降的基本系统问题，该泵送效率下降由工作活塞的位移系统(活塞/缸体单元)中的有害死区体积引起。所述体积在泵送冲程过程中不排出位移腔(其从入口阀的关闭边缘计算到出口阀的关闭边缘，或属于上述范围)，且保持在其中作为液压弹性元件，因为液体具有显著的特定压缩性。全进/全出概念(all-in/all-out)的应用在理论上给出该问题的答案，并在属于位移腔的可行性各个组件的设计方面实际上具有技术限制。随着输送压力增加，被输送的介质的压缩性引起泵送效率加速下降，并且与之相关的是输送流动具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种活塞泵(1)，尤其是一种双活塞泵，其用于产生待输送介质的输送流动，该输送流动基本上没有脉动，所述活塞泵包括：至少两个活塞缸体单元(2，3)，其用于将流出低压区域的所述介质输送进入高压区域，驱动单元(8，10)，其用于驱动活塞缸体单元(2，3)，控制单元(11，12)，其用于控制该驱动单元的被驱动速度，和传感器(13)，其用于采集控制参数的实际值，其中利用该实际值使得在高压区域中产生的流动的脉动程度可推导，其中，所述传感器(13)适于采集在至少一个活塞缸体单元(2，3)和/或驱动单元(8，10)的结构之中/之处所施加/传递的机械力和/或力矩的值。

【技术特征摘要】
2008.12.04 EP 08170712.71.一种活塞泵(1)，尤其是一种双活塞泵，其用于产生待输送介质的输送流动，该输送流动基本上没有脉动，所述活塞泵包括：至少两个活塞缸体单元(2，3)，其用于将流出低压区域的所述介质输送进入高压区域，驱动单元(8，10)，其用于驱动活塞缸体单元(2，3)，控制单元(11，12)，其用于控制该驱动单元的被驱动速度，和传感器(13)，其用于采集控制参数的实际值，其中利用该实际值使得在高压区域中产生的流动的脉动程度可推导，其中，所述传感器(13)适于采集在至少一个活塞缸体单元(2，3)和/或驱动单元(8，10)的结构之中/之处所施加/传递的机械力和/或力矩的值。2.根据权利要求1所述的活塞泵，其特征在于还包括：由被泵送介质弄湿的区域；和在操作过程中未被介质弄湿的干燥区域，其中，所述传感器(13)位于该泵(1)的干燥区域，且未被将输送的介质弄湿。3.根据权利要求1或2所述的活塞泵，其中所述传感器(13)适于采集在活塞缸体单元(2，3)或驱动单元(8，10)之中/之上被施加/传递的张应力、压缩应力、剪切应力和/或扭曲应力。4.根据权利要求1-3中任一项所述的活塞泵，其中所述传感器(3)是基于应变仪、压电元件、光学测量仪或声共鸣器。5.根据在前任一权利要求所述的活塞泵，其中所述活塞泵是并联的双活塞泵。6.根据权利要求1-4中任一项所述的活塞泵，所述活塞泵是串联的双活塞泵。7.根据在前任一权利要求所述的活塞泵，其中每个活塞缸体单元(2，3)由单独的驱动单元驱动。8.根据在前任一权利要求所述的活塞泵，其中每个驱动单元由单独的电机驱动。9.根据在前任一权利要求所述的活塞泵，其中第一活塞缸体单元(2)(工作活塞单元)在其吸入侧与低压区域相流体连接，并且在其排出侧并联地流体连接至第二活塞缸体单元(3)(存储活塞单元)和高压区域。10.根据权利要求9所述的活塞泵，其中所述存储活塞单元(3)经由其排出侧而与高压区域进行液压连接。11.根据权利要求9或10所述的活塞泵，其中所述传感器(13)监测着在所述工作活塞单元(2)的结构和/或所述工作活塞单元(2)的驱动器(8，10)之中/之上被施加/传递的机械力和/或力矩。12.根据权利要求11所述的活塞泵，其中一个附加传感器(13)监测着在所述存储活塞单元(3)的结构和/或存储活塞单元(3)的驱动器(8，10)之中/之上被施加/传递的机械力和/或力矩。13.根据在前任一权利要求所述的活塞泵，其中所述驱动单元(10)被设计成产生预压冲程。14.根据在前任一权利要求所述的活塞泵，其中所述驱动单元(10)包括凸轮驱动器。15.一种用于控制活塞泵(1)、尤其是控制双活塞泵的方法，所述活塞泵用于将从低压区域流出的介质输送进入高压区域，所述活塞泵包括：至少两个活塞缸体单元(2，3)；驱动-->单元(8，10)，其用于驱动所述活塞缸体单元(2，3)中的至少一个；以及传感器(13)，其用于监测在活塞缸体单元(2，3)的结构或驱动...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·普赖斯沃克，R·沙旺，
申请(专利权)人：流量仪表股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH