DE3855582T2

DE3855582T2 - Gemisch- und volumensteuerung zur flüssigkeitslieferung

Info

Publication number: DE3855582T2
Application number: DE3855582T
Authority: DE
Inventors: Theodore Dourdeville; David Trumper
Original assignee: Waters Investments Ltd
Current assignee: Waters Investments Ltd
Priority date: 1987-06-02
Filing date: 1988-05-31
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2008-06-01
Also published as: WO1988010460A2; EP0327609A1; DE3855582D1; EP0327609B1; US4767279A; WO1988010460A3

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Mischen und die Lieferung von Fluids zu einer Last in gesteuerten Proportionen und einer volumetrischen Strömung. Insbesondere betrifft die Erfindung die Erzeugung eines Gemisches von Flüssigkeiten und die Lieferung einer gesteuerten Strömung dieses Gemisches zu einem Gebrauchspunkt. Insbesondere bezweckt die Erfindung die Fähigkeit, die Proportionen dieses Gemisches mit der Zeit zu ändern und nacheinander das Gemisch über einem Bereich von Strömungsraten in einer genauen und wiederholbaren Weise zu liefern, das heißt, in einer Weise, die für einen Gebrauch in Flüssigkeitschromatographieanwendungen geeignet ist.

Stand der Technik

Es gibt zahlreiche Anwendungen, die ein Mischen von Fluids und insbesondere Flüssigkeiten in gesteuerten Proportionen und eine anschließende Lieferung einer genauen Strömung der gemischten Fluids erfordern. Eine derartige Anwendung ist eine Flüssigkeitschromatographie, bei der eine flüssige Probe durch eine Strömung eines flüssigen Lösungsmittels (die bewegliche Phase) durch eine Säule (Last) geschickt wird, die mit besonderer Materie (stationäre Phase) gepackt ist. Während des Verlaufens durch die Säule werden die verschiedenen Komponenten in der Probe von der stationären Phase differentiell adsorbiert und desorbiert derart, daß diese einzelnen Komponenten aus der Säule zu verschiedenen Zeiten entweichen. Die getrennten Komponenten fließen dann durch einen Detektor, der quantitativ auf jede Komponente anspricht, um so Information für den Benutzer über die Bestandteile der Probe zu liefern.
Um effektivere Trennungen zu erzielen, verwenden Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie-(HPLC-)Systeme oft Gemische von Lösungsmitteln als der beweglichen Phase. Wenn dieses Gemisch konstant gehalten wird, arbeitet das System in einem isochromatischen Modus, wohingegen eine Gradientchromatographie erzielt wird, wenn die Komponenten des Gemisches mit der Zeit verändert werden. Die vorliegende Erfindung ist nützlich für jeden Betriebsmodus.
Derartige Gemische von chromatographischen Lösungsmitteln wurden erreicht, indem redundante Hochdruckpumpen vorgesehen werden, wobei jede Pumpe ihren genauen Teil der erforderlichen Flüssigkeit zu einer Mischungskammer stromab der Pumpe (das heißt zur Hochdruckseite) liefert. Jedoch sind diese Pumpen aufwendig, und die Gesamtkosten sowie die Komplexität des Systems sind in unerwünschter Weise gesteigert.
Alternativen wurden in der Vergangenheit vorgeschlagen, um das gewünschte Bemessen an der Niederdruckseite der Pumpe durchzuführen. Oft umfassen derartige Systeme eine Vielzahl von Reservoirs, die die zu mischenden Flüssigkeiten enthalten, wobei jedes Reservoir in geeigneter Weise mit dem Einlaß der Pumpe verbunden ist. Eine Ventilanordnung zwischen den Reservoirs und dem Pumpeinlaß bemißt jede Flüssigkeit in vorbestimmten Proportionen.
Um die Lösungsmittelvolumina zu bemessen, werden die einzelnen Ventile sequentiell während des Pumpzughubes betätigt. Jedoch ändert sich die je Zeiteinheit der Ventilbetätigung eingenommene Flüssigkeitsmenge, und die Kolbengeschwindigkeit verändert sich über dem Hub. Diese Veränderlichen können merkliche Fehler in dem zusammengesetzten Gemisch und dem Volumen, das je Zeiteinheit geliefert ist, hervorrufen. Einige dieser Fehler verändern sich mit der Zeit und erzeugen einen Zusammensetzungsfehler, der als eine "Welligkeit" erfaßt wird, die mit der Fähigkeit interferiert, chromatographische Spitzen zu erfassen und zu quantifizieren.
Eine wesentliche Menge an Forschung und Entwicklung wurde über zahlreiche Jahre in einem Versuch aufgewandt, die oben erwähnten Probleme zu lösen oder zu minimieren. Eine Anzahl von Patenten wurden herausgegeben, die verschiedene Mittelwert-, Offenschleifen-Kompensier- und Rückkopplungsbemessungstechniken vorschlagen. Beispielsweise zeigt US-A-3 869 067 eine Mittelwerttechnik, US-A-4 045 343 offenbart eine Offenschleifen-Kompensiertechnik, und US-A-4 128 476 beschäftigt sich mit einer Rückkopplungsfehlersignaltechnik.
Andere Versuche zum Minimieren der Wechselwirkung zwischen Ventilzyklen und Pumpzyklen in einem Flüssigkeitschromatographie-Mehrfachlösungsmittel-Liefersystem finden sich in US-A-4 427 298 und in einem Artikel von D. L. Saunders mit dem Titel "A Versatile Gradient Elution Device for HPLC" (Journal of Chromotographic Science, Band 15, März/April 1977).
In jüngerer Zeit wurden in US-A-4 595 496 ein Verfahren und ein Gerät zum Erzeugen von extrem glatten Mehrlösungsmittel-Zusammensetzungen offenbart. Bei diesem System wird die Ventil-"Ein"-Zeitdauer durch Ansammeln von Impulsen aufgebaut, die Pumpschrittmotor- Ansteuerimpulsen entsprechen und mit diesen identisch sind.
Die Phasenbeziehung zwischen Ventilbemessungszyklen und Kolbenansaugzyklen wird konstant gemäß einer festen Beziehung verschoben, die zwischen Schaltventilzyklen und Pumpzyklen aufgebaut ist. Diese Beziehung wird durch das Verhältnis der Pumpzykluszeit über der Schaltventilzykluszeit beherrscht, optimal ausgedrückt als ein nichtganzes Verhältnis. Auf diese Weise wird die dem Pumpzughub zugeordnete Nicht-Gleichmäßigkeit wirksam über verschiedenen Zyklen von Schaltventilbetätigungen gemittelt.
Während sich das System der US-A-4 595 496 als erfolgreich beim wesentlichen Ausschließen des Zusammensetzungswelligkeitseffektes infolge transienten Pumpverhaltens erwiesen hat, beschäftigt es sich nicht und löst nicht Probleme, die einer genauen und wiederholbaren Lieferung eines gewünschten Volumens je Zeiteinheit eines gewünschten Zusammensetzungsgemisches zugeordnet sind.
Unerwünschte Veränderungen in der chromatographischen Strömungsrate treten als ein Ergebnis einer Änderung in der Lösungsmittelkompressibilität und den zugeordneten Veränderbarkeiten des Verhaltens der Pumpmaterialien und des vorherrschenden chromatographischen Rückdruckes auf. Dieses Problem ist in der Gradientchromatographie verschärft, bei der sich die Lösungsmittel in dem Gemisch bzw. in der Mischung mit der Zeit verändern. Als ein Ergebnis gibt es keine einzige praktisch befriedigende mechanische Lösung für dieses Problem. Statt dessen wurden dynamisch veränderliche, rückkopplungsgesteuerte elektromechanische Lösungen vorgeschlagen.
Infolge ihrer oberflächlichen Ähnlichkeit zu der vorliegenden Erfindung wird unten im Zusammenhang mit der zum Stand der Technik zählenden Figur 1 eine derartige herkömmliche Lösung in Einzelheiten erläutert. Das Gerät, das hier in Figur 1 gezeigt ist, ist aus der Figur 1 der am 3. Januar 1979 für John V. Rock herausgegebenen US-A-4 137 011 entnommen. Dieses System wird im folgenden als das Rock-System bezeichnet.
Im Rock-System enthält der Lösungsmittelspeichermodul 10 Speicherbehälter für die flüssigen bzw. Flüssigkeitskomponenten, das heißt Lösungsmittel, die verwendet werden, um den Träger oder eine mobile Phase in dem Flüssigkeitschromatographie-(LC-)System aufzubauen. Die Speicherbehälter oder -einheiten erzeugen eine Quelle von Flüssigkeit(en) für einen Pumpmodul 30 bei atmosphärischem oder niedrigem Druck. Die einzelnen Speichereinheiten sind durch eine geeignete Verrohrung 31 mit einem Zusammensetzungssteuermodul 20 verbunden, der digital gesteuerte Ventile enthält, die während der Ansaughube programmiert sind, um über vorbestimmten Zeitintervallen Flüssigkeiten aus jeder der Speichereinheiten zu wählen und die Flüssigkeiten durch einen gemeinsamen Mischungskanal zu dem Strömungssteuerpumpmodul 30 zu schicken. Der Pumpmodul 30 umfaßt im allgemeinen eine einzige positive Verschiebungspumpe mit entgegengesetzten Pumpkammern, die Kolben innerhalb der Zylinder enthalten, welche durch und in Übereinstimmung mit der Gestalt einer Kurvenscheibe angetrieben sind. Der Flüssigkeitsausgang der Pumpe ist zur Trennung mit einem Injektionsmodul 50 an dem Kopf eines Flüssigkeitschromatographie-(LC-)Säulenmoduls 52 gekoppelt. Der Ausgang der LC-Säule wird in bekannter Weise durch einen Detektionsmodul 54 mittels Lichtdurchgang oder anderer Detektionstechniken erfaßt.
Am Einlaßende der LC-Säule 52 und des Injektionsmoduls so ist ein Durchströmungsdruckwandler 56 gelegen. Das Spannungsausgangssignal des Druckwandlers für einen Schalter 68 bildet eine Basis einer inneren Druckrückkopplungsschleife der Strömungssteuerschaltung des Rock- Systems.
Eine Pumpe im Pumpmodul 30 wird durch einen Schrittmotor 60 angetrieben, der seinerseits durch Schrittimpulse angesteuert ist, die von einem Schrittgenerator 62 abgeleitet sind. Die Frequenz der Impulse und damit die Drehzahl des Schrittmotores kann durch einen Strömungsratencontroller 63 verändert werden, wenn eine Kopplung über einen Schalter 22 vorliegt.
Der Schrittmotor 62 spricht auch auf den Ausgang eines Differentialverstärkers oder einer Vergleicherschaltung 64 an. Der Verstärker 64 erzeugt ein Spannungsfehlersignal AP, das durch einen Spannungs/Frequenz-Wandler 65 in eine Reihe von Frequenzimpulsen umgewandelt wird, um den Schrittgenerator 62 zu beschleunigen oder zu verzögern. Das Fehlersignal beruht auf einem Vergleich im Vergleicher 64 zwischen dem Meßwert (P-ACTUAL) des Rückdruckes vom Druckwandler 56 und einem vorbestimmten Druckbezugspegel (P-REF), der von einem RAM-Modul 66 eingespeist ist. Der Vergleicher 64, der Spannungs/Frequenz-Wandler 65, die Pumpansteuereinheit 62, der Schrittmotor 60 und der Druckwandler 56 bilden eine "innere" Druckrückkopplungsschleife, wann immer der Schalter 68 geschlossen ist, um die vom Wandler 56 ausgegebene Spannung mit einer Eingangsseite des Vergleichers 64 zu verbinden.
Das Rock-System wird durch drei bestimmte Betriebsmoden (genannten Phasen I, II und III) ausgeübt, um einen stabilisierten Strömungsausgang zu erhalten.
In Phase I verbindet der Schalter 22 den Strömungsratencontroller 63 mit dem Generator 62. Dies veranlaßt den Schrittmotor 60 und die Pumpe im Pumpmodul 30, jeweils mit festen Dreh- und hin- und hergehenden Raten zu arbeiten, die durch den Benutzer gewählt und durch den Controller 63 eingestellt sind. Diese Raten sind die ungefähren richtigen Mittelwertraten, die erforderlich sind, um eine Strömungsmittelströmungsrate gleich dem gewünschten Wert zu erzeugen, der durch den Benutzer gefordert wird. Dies veranlaßt ein chromatographisches System, Druck zu erzeugen, der typisch für einen Systembetrieb für diesen spezifischen Satz von Bedingungen (das heißt Säulengeometrie, Lösungsmittelzusammensetzung, Temperatur und so weiter) ist. Dieser Systemdruck wird durch den Druckwandler 56 erfaßt, dessen Ausgang in einer Schalterposition I des Schalters 68 während eines vorgeschriebenen Intervalles eingefangen und codiert sowie in einem Speicher (RAM) 66 aufgezeichnet wird. Während der Druckwandlerausgang als eine Funktion der Zeit alle transienten Schwankungen umfaßt, die während eines Kolbenüberkreuzens auftreten, wird lediglich ein einziger Satz von Werten zu dieser Zeit in der Phase I gespeichert
In der Phase II wird der Schalter 68 geschlossen, um den Ausgang des Druckwandlers 56 zu einer Seite des Verstärkers 64 zu liefern, und ein Schalter 70 wird geschlossen, um das Pumpansteuersignal zu dem Motordrehzahl-Bezugsspeicher (RAM) 72 zu liefern. Der Betrieb des Systems wird fortgesetzt, der Druckbezugsspeicher-RAM 66 speist weiter einen geforderten Druck ein, woran sich Änderungen in der Pumpansteuerdrehzahl infolge von jeglichen Fluktuationen anschließen, die im Druckausgang auftreten.
Somit wird in Phase II der Druck konstant auf dem verlangten Pegel gehalten, während die Motordrehzahl sich ändern kann, um ein Motoransteuerdrehzahlmuster im RAM 22 zu entwickeln, das sonst bestehende Schwingungen im Ausgangsdruck und in der Strömung kompensiert. Mehrfachschalterbetätigungen der Schalter 68, 22 und 70 entkoppeln die elektronische Pumpansteuerung vom Controller 63 und steuern statt dessen die Pumpe in einem Druckrückkopplungsservomodus an, wobei als der Druckbezugseinstellpunkt der Wert verwendet wird, der während der Phase 1 im Speicher 66 gespeichert war.
Diese "innere" Rückkopplungsschleife vergleicht den Druckbezugswert vom RAM 66 mit dem tatsächlichen Systemdruck, der durch den Wandler 56 erfaßt ist, und erzeugt ein Fehlersignal ΔP, dessen Wert eine Funktion der Größe und des Vorzeichens der Differenz ist, die zwischen den beiden Eingängen zum Verstärker 64 erfaßt ist. Dieses Fehlersignal wird verwendet, um den Spannungs/Frequenz- Wandler 65 anzusteuern, dessen Ausgangssignal an der Pumpansteuerung 62 liegt. Der Richtungssinn des Systems ist derart, daß der erfaßte Systemdruck, der niedriger als der Bezugsdruck ist, eine Steigerung in der von dem Spannungs/Frequenz-Wandler ausgegebenen Frequenz verursacht, was die hin- und hergehende Rate der Pumpe erhöht, um dadurch den Systemdruck durch Steigern der Strömungsrate zu vergrößern. Ein Betrieb in Phase II ist somit fähig, den Druck sehr konstant zu halten, indem die Schrittmotor/Pumpgeschwindigkeit bzw. -drehzahl moduliert wird. Das Modulationsmuster, das erforderlich ist, um die Motordrehzahl zum Konstanthalten des Druckes zu verändern, ist charakteristisch für das System für diesen spezifischen Satz von Bedingungen. Dieses Muster einer Veränderung wird im RAM 72 codiert und gespeichert.
Eine LED-Optik-Unterbrechungsvorrichtung 74 wird durch einen Indexmechanismus auf der Pumpkurvenscheibe im Pumpmodul 30 angesteuert. Die Vorrichtung 74 erzeugt einen Startimpuls für einen Takt 76 als einen Startpunkt oder eine Bezugsposition zum Sammeln und Speichern des Drehzahlmusters im RAM 72 und zeigt jedes Zeitintervall des Betriebes eines vollständigen Pumpzyklus zum Synchronisieren des Systembetriebes an.
In der Betriebsphase (Phase III) verbindet der Schalter 70 einen Teil des Signales von der Pumpansteuerung 62 mit dem Zähler 88, während der Schalter 68 die innere Schleife weiter verbunden und in Betrieb über den Verstärker 64 hält. Ein Intervall "n", das kürzer als eine vollständige Umdrehung ist, wird gewählt, und die gespeicherten Drehzahlmusterwerte werden vom Speicher 72 an einen Zählerstand/Spannungs-Wandler 86 und einen Eingang des Differentialverstärkers 80 abgegeben. Die Pumpansteuerung 62 arbeitet während des Intervalles "n", um den Zähler 88 zu veranlassen, die Gesamtzahl der empfangenen Schrittimpulse aufzusummieren. Am Ende des Intervalles "n" öffnet das Gatter 90, um die Anzahl für dieses Intervall an den Zählerstand/Spannungs-Wandler 92 und einen Eingang des Differentialverstärkers 80 abzugeben, dessen Ausgangssignal durch das Gatter 84 als eine Korrektur für das Druckbezugssignal P-REF für das nächste folgende Intervall "n" verläuft.
Der nächste Impuls kommt an und setzt die Gatter zu rück. Auf diese Weise wird der tatsächliche Zählerstand der Schrittimpulse jedes Intervalles der Ansteuerschrittfunktion im Differentialverstärker 80 mit einem gespeicherten Wert für dieses Intervall "n" verglichen. Am Ende jedes Intervalles "n" wird eine Änderung im verlangten oder Soll-Druck berechnet und für das nächste folgende Intervall verwendet.
Im Rock-System wird durch Wiederholen dieses Prozesses in jedem Intervall der durch die Druckbezugsgröße P-REF vom RAM 66 eingespeiste verlangte oder Soll- Druck verändert, um Pulsationen oder Schwingungen im Ausgangssignal zu eliminieren, während eine gesamte graduelle Änderung im Ausgangsdruck erlaubt ist, um an Änderungen in Systembetriebsvariablen, wie beispielsweise Viskosität, angepaßt zu sein, die sonst die Fähigkeit der Pumpe beeinträchtigen, eine konstante Strömung zu liefern.
Die dem Rock-System zugrundeliegende Voraussetzung ist, daß, während die Motor-Schrittzählerstände in benachbarten Intervallen "n" in hohem Maße nicht gleichmäßig sind (aufgrund von Korrekturen, die durch die Druckrückopplungsschleife angewandt sind), Zählerstände, die von den "äquivalenten" oder entsprechenden Intervallen (von einer vollständigen Pumpumdrehung zu der nächsten) abgeleitet sind, reproduzierbar sein sollten, falls die Strömungsrate korrekt ist. Wenn die Anzahl der Motorschritte, die in einem spezifischen Intervall tatsächlich ausgeführt ist, bezüglich des im RAM 72 gespeicherten Wertes niedrig ist, dann läuft der Motor 60 langsam, und das Druckbezugsmaß vom RAM 66 für die innere Rückkopplungsschleife sollte um einen Betrag höher eingestellt sein, der proportional zu dem Fehler ist, der in diesem Intervall erfaßt wird.
Das Vertrauen des Rock-Systems auf einen gespeicherten Kalibrierungszyklus führt zu einem inhärenten Nachteil und zu einigen ernsten Unzulänglichkeiten. Die charakteristischen Änderungen in der Motordrehzahl, die erforderlich sind, um den Druck konstant zu halten, werden aus einem Kalibrierungslauf erhalten, der bei einem konstanten Druckmodus durchgeführt ist, und im RAM 72 aufgezeichnet. Jedoch sind diese Veränderungen lediglich charakteristisch für den einzigen spezifischen Satz von Bedingungen. Im Ablauf eines gradienten Laufes führen Änderungen in der Lösungsmittelzusammensetzung und Temperatur zu sehr bedeutenden Änderungen im hydraulischen Widerstand (damit im vorherrschenden Rückdruck) und in der Kompressibilität des Lösungsmittels.
Das Muster der Motordrehzahländerung, das erforderlich ist, um eine gleichmäßige Strömung bei einem Satz von Bedingungen zu erzeugen, ist sehr verschieden von demjenigen, das bei einem anderen Punkt des gradienten Laufes benötigt wird. Ein Verriegeln der Korrekturschleife in einem einzigen, hochspezifizierten Antwortmuster ist eine unhaltbare Methode, um mit sich dynamisch ändernden Systemeigenschaften umzugehen. Zusätzlich nimmt diese Technik an, daß selbst unter einem spezifischen Satz von Bedingungen ein einziges repräsentatives Motordrehzahl-Änderungsmuster richtig erhalten werden kann.
Die Rock-System-Annäherung erkennt, daß linke und rechte Kolbenlieferungen in typischer Weise fehlangepaßt sind, und aus diesem Grund beruhen Aufzeichnungen über eine gesamte Pumpumdrehung nicht auf einem Argument von Symmetrie. Während jedoch die groben Aspekte einer Fluidlieferung in vernünftiger Weise von einer Umdrehung zur nächsten (unter festen chromatographischen Bedingungen) wiederholbar sind, können die Einzelheiten oder eine "Feinstruktur" der Korrektur nicht als identisch angenommen werden. Ein Prüfventil und ein Abdichtungsverhalten sind nicht ideal und erzeugen Abweichungen von erwarteten Motorgeschwindigkeitsmustern. Die Verwendung eines einzigen gespeicherten Geschwindigkeitsmusters im RAM 72 paßt sich nicht an diese Abweichung von kalibrierten Bedingungen an.
Die Intervall-für-Intervall-Vergleichstechnik, die im Rock-System zum Schließen der äußeren Schleife verwendet wird, legt zusätzliche Beschränkungen auf das Systemverhalten. Im Rock-System wird eine vollständige Pumpumdrehung in eine Anzahl von kleineren Intervallen unterteilt. Dies ist vorteilhaft&sub1; um die Zeit zu vermindern, die erforderlich ist, um auf einen realen Strömungsratenfehler zu antworten und die Größe der angewandten diskreten Korrektur (Strömungsratenänderung) zu vermindern. Jedoch können berechtigte Vergleiche zwischen "verlangter" und "gelieferter" Strömung nur gemacht werden, wenn ähnliche Bereiche der Motorgeschwindigkeitskurve verglichen werden.
Der Vorteil des Abkürzens der Zeitdauer eines Abtastintervalles liegt in einer Steigerung der Frequenz von Strömungskorrekturen. Dies vermindert die Amplitude der auf irgendein Intervall angewandten Korrektur. Eine Diskontinuität wird ihrerseits minimiert, was die Systemantwort mehr nahezu kontinuierlich und glatt macht. Jedoch kann in der Praxis dieser Vorteil nicht vollständig realisiert werden, was auf dem steigenden Einfluß von Zählerstandrauschen und Berechnungsfehler beruht, wenn die Intervallzeitdauer kürzer wird.
Im Rock-System wird das Kurvenscheiben-Positionsindex-Bezugsmaß, das durch die LED/Optik-Unterbrechung 74 geliefert ist, verwendet, um zu gewährleisten, daß die abgetasteten Bereiche des Geschwindigkeitsprofils, die im Speicher gespeichert sind, richtig mit den entsprechenden Bereichen verglichen werden konnen, die bei einem tatsächlichen rückkopplungsgesteuerten Betrieb abgetastet sind. Die tatsächlichen chromatographischen Bedingungen von beispielsweise Lösungsmittelzusammensetzung und Temperatur, ändern sich in glatter und kontinuierlicher Weise. Jedoch erzeugt die Steuertechnik des Rock-Systems, das Verhältnisse von beobachteten gegenüber erwarteten Motorschritten je Intervall verwendet, im Prinzip eine diskontinuierliche Serie von Schrittänderungen der Strömungsrate in der Antwort.
In einem diskret abgetasteten digitalen System, wie beispielsweise dem Rock-System, gibt es eine minimale inhärente Ungewißheit von plus oder minus einem Zählerstand in der Quantisierung der Motordrehung in einem gegebenen Intervall. Beigefügt hierzu ist ein Rauschen in der Messung von anderen Quellen. Beispielsweise läßt das nichtideale Verhalten der Prüfventile die Feinstruktur des Motordrehzahlmodulationsmusters leicht verschieden von Hub zu Hub sein. Wenn die Gesamtzahl der in einem Intervall abgetasteten Zählerstände sehr hoch ist (beispielsweise 1000 oder mehr entsprechend einem bedeutenden Bruchteil einer vollen Pumpumdrehung), so ist der Beitrag von diesen Quellen zu Ungenauigkeit in der Messung relativ klein. Wenn die Zeitdauer des Intervalles reduziert wird (beispielsweise um einen Faktor von 10 oder 100), so wird der Effekt dieses Rauschens auf die Messung vergrößert.
Da zusätzlich die Größen der zwei Zahlen, die verwendet werden, um das Strömungsratenverhältnis zu erzeugen, das heißt, das Verhältnis von "verlangt" gegenüber "geliefert", nimmt die Grobheit des Korrekturinkrementes zu. Somit ist das Inkrement von plus oder minus einem Teil in N Teilen oder 1/N groß für kleine Werte von N, nimmt jedoch ab, wenn N größer wird, um sich 0 anzunähern, wenn sich N unendlich nähert. Die Fähigkeit, kleine Änderungen in der Strömungsrate zu erkennen und richtig ohne Überschießen zu antworten, wird verloren, wenn das Intervall klein wird, wie dies in dem Rock-System gefordert ist.
Das zum Stand der Technik zählende Dokument EP-A-0 153 712 offenbart ein Gerät für Flüssigkeitschromatographie. Um in diesem Gerät die Strömungsrate in einer Einzelhub-Hebetyp-Hochdruckpumpe bei einem konstanten Wert nach einem Einschalten zu stabilisieren, steigert ein Steuersystem die Pumpgeschwindigkeit, bis Gleichgewichtsbedingungen erreicht sind, und pumpt dann bei der voreingestellten Rate. In einem Ausführungsbeispiel wird das System in einem konstanten Druckmodus unter der Steuerung eines Rückkopplungssystems bis zu einem Punkt betrieben, bei dem der Druck geschätzt wird, um die gewünschte Strömungsrate zu liefern, wobei eine Rückkopplung aus einer Druckmessung und aus einer Strömungsratenmessung geliefert ist. Die Rückkopplung von der Strömungsmessung wird logarithmisch mit dem Pumpen vor einem Vergleichen mit dem Druckfehlersignal gesteigert, und der Vergleich zwischen dem früheren Fehlersignal und dem logarithmischen Strömungsratensignal wird verwendet, um die Geschwindigkeit des Pumpens zu steuern. Das heißt, bei diesem Gerät ist ein Tachometer auf einem Motor befestigt und hat eine Getriebeverzahnung mit einem Ausgangszahnrad. Dieses Tachometer erzeugt ein Signal, das an Leitern liegt. Dieses Signal stellt die Drehzahl des Motores und somit die Strömungsrate des Fluids durch eine Auslaßleitung dar, wenn die Pumpe bei sich nicht änderndem Druck im Gleichgewicht ist.
Weiterhin offenbart das zum Stand der Technik zählende Dokument EP-A-0 073 913 ein Gerät für Flüssigkeitschromatographie. Um bei diesem Gerät die Strömungsrate in einer Einzelhub-Hebetyp-Hochdruckpumpe auf einen konstanten Wert nach einem Einschalten zu stabilisieren, steigert auch ein Steuersystem die Pumpgeschwindigkeit, bis Gleichgewichtsbedingungen erreicht sind, und pumpt dann bei der voreingestellten Rate. In einem Ausführungsbeispiel erfaßt das Steuerungssystem die maximale Rate der Änderung des Druckes, erfaßt einen Druck, wenn die Änderungsrate zwei Drittes des Höchstwertes beträgt, steigert die Pumprate, bis der Druck das Dreifache des Wertes des erfaßten Druckes ist, und beginnt ein Pumpen bei der vorliegenden konstanten Strömungsrate. In anderen Ausführungsbeispielen wird (1) ein Pumpsystem bei einer Strömungsrate betrieben, die zehnmal hoher als die vorliegende Strömungsrate ist, und wenn die Zeitableitung des Druckes auf neun Zehntel von ihrem Höchstwert abgefallen ist, so wird die Motordrehzahl auf die voreingestellte Strömungsrate reduziert; (2) der Ausfluß der Säule wird unter keinen Lastbedingungen bei der gewünschten Strömungsrate gemessen, und wenn eine Säule verbunden ist, so wird die Pumpgeschwindigkeit erhöht, bis der gleiche Ausfluß vor Verringern der Pumprate resultiert; und (3) das System wird bei einem konstanten Druckmodus bis zu einem Punkt betrieben, bei dem der Druck geschätzt wird, um die gewünschte Strömungsrate zu liefern, die Strömungsrate wird gemessen, und wenn die Strömungsrate nicht die voreingestellte Strömungsrate ist, so wird eine neue Druckmessung gesetzt, und das Verfahren wiederholt. In einem konstanten Drucksystem wird die Geschwindigkeit einer Aufzeichnungskarte auf die Pumpgeschwindigkeit eingestellt, um ein Chromatogramm zu erzeugen, auf dessen Abszisse Strömungsrateneinheiten aufgetragen sind. Das heißt, auch in diesem Gerät ist ein Tachometer an einem Motor befestigt und hat eine Getriebeverzahnung mit einem Ausgangszahnrad. Dieses Tachometer erzeugt ein Signal, das an Leitern anliegt, und es stellt die Drehzahl des Motores und somit die Strömungsrate des Fluids durch eine Auslaßleitung dar, wenn die Pumpe bei sich nicht änderndem Druck in Gleichgewicht ist.
Die obige Detailanalyse des Standes der Technik gemäß dem Rock-System bei der Steuerung der chromatographischen Durchflußrate und Lösungsmittelmischung zeigt an, daß trotz des Aufwandes an beträchtlich Zeit und Geld und kreativen Schöpfungen auf diesem Gebiet noch ein Bedarf für ein verbessertes Steuerungssystem besteht.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Pumpsystem zu schaffen, das eine glatte und genaue Lösungsmittelzusammensetzungslieferung mit minimalen pulsartigen Veränderungen in der volumetrischen Lieferung ermöglicht. Dieses System sollte nicht von der Erzeugung eines Bezugskalibrierlaufes abhängig sein und nicht auf relativ weiten diskreten Abtastintervallen für jede Gradienterzeugung oder Durchflußsteuerung beruhen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Pumpsystem, wie dies in Patentanspruch 1 angegeben ist.

Offenbarung der Erfindung

In dem Gerät der vorliegenden Erfindung wird eine innere, gegenüber einem Kurztermdruck empfindliche Rückkopplungsschleife mit einer äußeren volumetrischen Langterm-Liefer-Rückkopplungsschleife für eine im wesentlichen konstante volumetrische Lieferung des Fluids zu einer Last trotz zyklischer Änderungen in der Beziehung zwischen Motordrehzahl und Pumpströmung kombiniert. Das Gerät kann sich auf ändernde Pumpbetriebsbedingungen während des Pumpbetriebes einstellen. Insbesondere wird das Gerät in einem Flüssigkeitschromatographie-(LC-)System verwendet, das eine Quelle von Flüssigkeiten hat, die über Ventile mit einer zyklischen Pumpe zur Lieferung einer mobilen Phase von flüssigen Lösungsmitteln zu einer LC-Säule gekoppelt ist.
Die innere Schleife umfaßt einen Druckwandler zum Abtasten und Erzeugen eines Signales proportional zu dem erfaßten momentanen tatsächlichen Rückdruck bei der LC-Säule und ein Gerät zum Bestimmen des Ausmaßes, in welchem der tatsächliche Druck von einem Bezugsdruckpegel oder einem Druckeinstellpunkt (P-SET) abweicht, der durch die äußere Rückkopplungsschleife aufgebaut ist.
In dem Ausmaß, in dem eine Differenz vorliegt, wird ein Fehlersignal ΔP erzeugt, und die Pumpe wird entweder beschleunigt oder verzögert gemäß der Größe und dem Vorzeichen des Fehlersignales. Das ΔP-Fehlersignal wird verstärkt und kompensiert in einer Verstärkungs- und Kompensationsrückkopplungsschaltung und verwendet, um einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) anzusteuern. Die Frequenz des VCO steuert die Frequenz der Motorimpulse, die verwendet sind, um einen mit der Pumpe gekoppelten Motor anzusteuern. Die Bezeichnung "Motorimpuls" soll irgendeinen am Motor liegenden Impuls zum Fortschalten des Motores um ein vorbestimmtes Bewegungsinkrement bezeichnen. Da die Frequenz des VCO in direkter Beziehung zu der Frequenz der Motorimpulse ist, ist die Motordrehzahl in ähnlicher Weise direkt auf die VCO-Frequenz bezogen.
Die Pumpe und der Motor sind derart kalibriert, daß die Anzahl von Schrittimpulsen "n", die zum Abschließen eines Zyklus der Pumpe erforderlich ist, eine feste bekannte Größe ist. Die Schrittimpulse können irgendeine Sequenz von Impulsen sein, die bei einem Vielfachen oder einem Untervielfachen der Motorimpulssequenzfrequenz erzeugt sind.
Ein Pumpzyklus ist als eine vollständige Sequenz von Operationen von einer Position der Pumpmechanik, bis die Pumpmechanik zu einer identischen mechanischen Position oder Konfiguration zurückkehrt, definiert. Das heißt, beginnend bei einem anfänglichen mechanischen Zustand und bei fortschreitendem Motor wird die Pumpmechanik durch ihre verschiedenen Betriebszustände angetrieben und kehrt in einem Pumpzyklus zu dem Anfangszustand zurück. Die Zeit (N), die benötigt wird, um einen Pumpzyklus zu vervollständigen, ist daher direkt proportional zu der Zeit, die benötigt wird, um "n" Schrittimpulse zu erzeugen und kann aus dieser oder Vielfachen oder Untervielfachen hiervon bestimmt werden. Das Inverse von N ist die Frequenzfoderzyklen/Zeit. Der Motor und die Pumpe sind derart kalibriert, daß das Volumen V der durch die Pumpe in einem Zyklus gelieferten Flüssigkeit bekannt ist. Daher kann die Frequenz F in eine Strömungsrate mittels der Beziehung umgesetzt werden:
Pumpvolumen verschoben je Zyklus x F (Anzahl von Zyklen je Zeiteinheit) = je Zeiteinheit geliefertes Volumen (Strömung).
Diese Eigenschaft wird in den Ausführungsbeispielen der äußeren Schleife verwendet, um eine volumetrische Strömungssteuerung aufzubauen.
In einem ersten Ausführungsbeispiel umfaßt die äußere Schleife einen Taktimpulsgenerator zum Erzeugen einer Reihe von genauen Zeitsteuerimpulsen, insbesondere bei einer Frequenz, die höher ist als die Schrittimpulsfrequenz. Diese Zeitsteuerimpulse werden nacheinander gezählt, um die Zeitdauer von einem Schrittimpuls zum nächsten Schrittimpuls zu bestimmen. Die Zeitdauer der n jüngsten Schrittimpulse wird nacheinander verwendet, um die Zeit N zu bestimmen, die benötigt wird, um einen Pumpzyklus abzuschließen. Dieses Zeitsignal N wird in vertiert, um ein Frequenzsignal "F" zu erhalten, das in Zyklen je Zeiteinheit gleich zu der Pumpfrequenz ist. Dieser Prozeß wird nacheinander wiederholt, so daß N einmal je Schrittimpuls wiederberechnet wird. Somit ist die berechnete Frequenz F die mittlere Frequenz über jedem jüngsten Pumpzyklus.
Das Signal F wird von einem gewünschten Strömungseinstellpunktsignal F-SET, das durch den Systembenutzer eingerichtet ist, subtrahiert. Die Differenz zwischen den beiden Signalen (F) - (F-SET) = ΔF ist ein Fehlersignal, das nach geeigneter Verstärkung und Kompensation verwendet wird, um das Druckbezugspegelsignal P-SET für die innere Schleife einzustellen.
Eine aufeinanderfolgende Berechnung der Zeit N zur Vervollständigung eines Pumpzyklus kann in Hardware durch Ansammeln von Taktsignalen in einer Zählerschaltung für die Zeitdauer der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Schrittimpulsen und durch Verschieben des Zählerstandes in ein n-Stufen-Schieberegister bestimmt werden. Die Summe der Zählerstände in jeder Stufe des Registers wird berechnet und verwendet, um nacheinander N zu bestimmen. Diese Bestimmung erfolgt für jeden Schrittimpuls derart, daß für jeden vollständigen Pumpzyklus die Anzahl N der erzeugten Taktimpulse "n"-fach gemessen und über einen vollständigen Zyklus gemittelt wird.
Alternativ kann die Berechnung in Software erfolgen. Ein Microprozessor mit n-Wort-RAM-Zirkular-Speicherstellen 1 bis n speichert ein binäres Zifferwort entsprechend dem Zählerstand von Zeitsteuertaktimpulsen zwischen jedem Schrittimpuls für die "n" jüngsten Schrittimpulse. Die Zeit in Taktimpulsen zwischen aufeinanderfolgenden Schrittimpulsen wird als die Schrittzeit bezeichnet. Daher ist die Summe der Inhalte der n-Stellen die Zeit N für eine Umdrehung. Anfänglich werden Speicherstellen auf NULL gesetzt, und die gegenwärtige Speicherposition wird auf EINS gesetzt. Nachdem jeder Motorschrittimpuls auftritt, wird die Anzahl der zuvor in der vorliegenden Stelle gespeicherten Taktimpulse von dem zuvor berechneten N subtrahiert. Sodann wird der vorliegende Schrittzeit-Zählerwert gelesen und in der vorliegenden Stelle gespeichert und zu N addiert, so daß nunmehr N fortgeschrieben wird. Der Schrittzeitzähler wird sodann rückgesetzt, und die vorliegende Speicherstelle auf die nächste Speicherstelle gesetzt, um bereit für das Auftreten des nächsten Schrittimpulses zu sein. Auf diese Weise wird N einmal für jeden Schrittimpuls fortgeschrieben.
Bei Bedarf kann das volumetrische Steuersystem der Erfindung synergistisch mit dem Flüssigkeitszusammensetzungssteuersystem der oben genannten US-A-4 595 496 kombiniert werden. Dies ist äußerst praktisch, da das Gerät des '496-Patents Zusammensetzungsventil-Bemessungszyklen verwendet, deren Zeitdauer in Termen einer Anzahl von Pumpmotorimpulsen angegeben ist. Der ungeteilte Satz von Impulsen von dem VCO, der zum Ansteuern des Pumpschrittmotores verwendet wird, wird durch Ventilzähler oder Zeitgeber gesammelt, die die Zeitdauer der Gradienterzeugungsansteuerventile tasten, welche die Lösungsmittelmischung steuern. Die "Ein"-Zeitdauer eines Ventiles ist dann proportional zu der Anzahl der Motorimpulse und nicht zu irgendeiner besonderen Zeitbasis. Somit kann die Motordrehzahl gemäß dem vorliegenden System verändert werden, um an Strömungsänderungen angepaßt zu sein, indem die Impulsrate gemeinsam mit der Ventilansteuerung und dem Schrittmotor verändert wird, ohne die Mischung der gelieferten Zusammensetzung zu beeinträchtigen.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der äußeren Schleife wird ein Microprozessor-Zirkular-RAM- Speicher mit n Adreßstellen verwendet, um einen Geschwindigkeit/Frequenz-Korrekturwert oder einen Faktor als eine Digitalzahl in jeder n-Stelle zu speichern, wobei n die Anzahl der Schrittimpulse je Pumpzyklus ist. Der Geschwindigkeitskorrekturterm für jede der n Stufen bildet ein "Korrekturprofil" der Frequenz bei allen n Schritten über einem Zyklus. Der Geschwindigkeitskorrekturfaktor für jede n vorliegende Motorposition wird mit der gemessenen Geschwindigkeit multipliziert, die gemäß dem Ausführungsbeispiel der äußeren Schleife bestimmt ist, wie dies oben beschrieben ist. Das Produkt ist die korrigierte Geschwindigkeit F-CORR. Unter der Annahme, daß das "Korrekturprofil" genau ist, ist die korrigierte Geschwindigkeit proportional zu der wahren volumetrischen Strömung unabhängig von Geschwindigkeitsmodulationen, die auf einer zyklischen Basis als einem natürlichen Ergebnis des Verwendens der inneren Druckschleife auftreten.
Die korrigierte Frequenz wird von der Einstellpunkt- Frequenz F-SET subtrahiert, um ΔF zu erzeugen, das nach einer geeigneten Verstärkung und Kompensation verwendet wird, um den Druck-Einstellpunkt für die innere Schleife einzustellen.
Die obigen und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nunmehr im Zusammenhang mit den Zeichnungen erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Blockdiagramm des herkömmlichen Rock-Systems der US-A-4 137 011.
Figur 2 ist ein Blockdiagramm des Systems der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 ist ein Blockdiagramm einer Hardwareversion der Zeit-Zyklusschaltung 191 von Figur 2.
Figur 4 ist ein Zeitsteuerdiagramm, das den Prozeß veranschaulicht, der in Figur 3 auftritt.
Figur 5 ist ein Flußdiagramm einer Softwareversion der Schaltung von Figur 3.
Figur 6 ist ein Blockdiagramm eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die äußere Schleife ein Frequenzkorrekturprofil verwendet.
Figur 7 ist ein Flußdiagramm der Softwareschritte zum Ausführen der Frequenzkorrekturprofilschaltung von Figur 6.
Figuren 8A bis 8C sind jeweils Zeitsteuerdiagramme von typischen gemessenen Geschwindigkeitssignalen, Korrektursignalen und korrigierten Frequenzsignalen, die in dem Betrieb des Ausführungsbeispiels von Figur 6 erzeugt sind.
Figur 9 ist ein Blockdiagramm eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung, das die Notwendigkeit für Direktdruck- oder Strömungsrückkopplungsschleifen ausschließt.

Beste Art zum Ausführen der Erfindung

Anhand der Figur 2 wird nunmehr das Flüssigkeitschromatographiesystem der Erfindung in Einzelheiten im Zusammenhang hiermit beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, daß hydraulische Verbindungen in Strichlinien und elektrische Verbindungen in Vollinien gezeigt sind.
Der Motor- und Hydraulikabschnitt des Flüssigkeitschromatographiesystems umfaßt einen Lösungsmittelspeichermodul 110, der eine Vielzahl von Flüssigkeiten in (nicht gezeigten) getrennten Behältern enthält. Die Flüssigkeiten sind durch Leitungen 131 mit einem Mehrfachventilmodul 130 gekoppelt und werden durch Ventile bemessen, die durch Ventilansteuerglieder 120A, 120B und so weiter angesteuert sind, sowie durch ein Paar von Kolben (nicht gezeigt) in einer Pumpmechanik 132 zur Lieferung durch einen Druckwandler 156 zu einem Injektor 150 gepumpt. Eine Umdrehung einer (nicht gezeigten) Kurbelwelle in der Pumpmechanik 132, die die Kolben antreibt, bildet einen "Pumpzyklus".
Das Ventilmodul 130 kann ein Paar von (nicht gezeigten) herkömmlichen Fluidschaltventilen mit einem gemeinsamen Fluidausgang 133 umfassen, der an die Einlaßöffnung der Pumpmechanik 132 über (nicht gezeigte) Prüfventile angeschlossen ist. Die Fluidauslaßöffnung der Pumpmechanik 132 ist über (nicht gezeigte) Prüfventile zum Liefern der sich ergebenden gepumpten Mischung zu dem oben genannten Injektor 150 zur Lieferung zu dem LC-Säulenmodul 152 zur Überwachung durch einen "Ein-Leitung"- Chromatographiedetektor 154 gekoppelt. Ventilansteuerglieder 120A und 120B sind jeweils durch Zähler 121A und 121B gesteuert. Die Zähler 121A und 121B zählen die Anzahl der Motorimpulse von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 165 vor einer Teilung durch einen festen Teiler 166. Diese Zählerstände werden verwendet, um die EIN- und AUS-Zeiten der jeweiligen Ventilansteuerschaltungen aufzubauen.
Die Zusammensetzung der Flüssigkeitsmischung, geliefert zu der Säule 152, hängt von der relativen Zeitdauer ab, während der jedes der einzelnen Ventile im Modul 130 geöffnet ist, um Flüssigkeit von einem besonderen Reservoir innerhalb des Lösungsmittelspeichermoduls 110 zuzulassen. Diese Zeitdauer wird in Termen des Bruchteiles eines erreichten Pumpzyklus eingestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Zeitdauer nicht ein durch "Zeit" bestimmter Parameter ist. Mit anderen Worten, eine Ventilbetatigung wird zu Motorschritten und nicht zur "Zeit" verriegelt. Die gesamte abgelaufene Zeitdauer für den Ventilzyklus, der aus der Betätigungs- und Verzögerungszeitdauer der Ventile besteht, ist also die Bemessungszykluszeitdauer.

I. Innere (Druckrückkopplungs-) Schleife

Unter der Annahme, daß eine Strömung in dem System eingeleitet wurde, verursacht eine derartige Strömung die Erzeugung eines Rückdruckes von der Injektor/LC- Säule 150/152. Dieser Druck wird durch den Druckwandler 156 erfaßt. Dieser Systembetriebsdruck, dargestellt als eine Ausgangsspannung P-ACTUAL von dem Wandler 156, wird abgetastet und als der negative Eingang zu einer Summierverbindung 164 geliefert. Der positive Eingangsanschluß zu der Summierverbindung 164 ist mit einer Druckbezugsspannung (P-SET) versehen, deren Wert durch die innerhalb von Strichlinien 101 gezeigte äußere Steuerschleife aufgebaut ist.
Abweichungen des erfaßten Druckes (P-ACTUAL) von dem Bezugsspannungspegel P-SET erzeugen ein Spannungsfehlersignal ΔP, das in geeigneter Weise in der Verstärkung eingestellt und in der Frequenzantwort in der Schaltung 180 kompensiert wird, um ein stabiles dynamisches Verhalten gemäß den üblichen Rückkopplungstechniken zu erzielen. Nach Verstärkung und Kompensation wird ΔP im VCO 165 in ein oszillierendes Signal umgewandelt, dessen Frequenz proportional zu der Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem gewünschten Druck ist. Das VCO-Signal wird zu einer Motoransteuerung 162 gekoppelt, um den Schrittmotor 160 anzusteuern, und es wird in der Frequenz durch einen festen Dividierer 166 reduziert und zu einer Zeit/Zyklusberechnungsschaltung 191 in der äußeren Schleife 101 gespeist. Die Motoransteuerschaltung 162 setzt die Impulsfolge von dem VCO 165 in eine treppenartige Wellenform um und erzeugt den notwendigen Strom hiervon, um den Schrittmotor 160 gemäß der Richtung und Größe der Fehlerspannung ΔP zu beschleunigen oder zu verzögern.
Die sich ergebende Modulation der Drehzahl oder Geschwindigkeit der Pumpe 132 dient zum Wiederherstellen einer Strömung auf einem Pegel, der den erfaßten Druck P-ACTUAL gleich zu dem Bezugsdruck P-SET hält. Der Druckwandler 156, die Summierverbindung 164, die Schaltung 180 und der VCO 165 bilden eine Innendruck-Rückkopplungsschleife, die innerhalb der Außenströmung- Steuerschleife 102 aufgenommen ist.
Die äußere Schleife 101 moduliert das Bezugsdrucksignal P-SET gemäß den erfaßten Abweichungen ΔF der tatsächlichen volumetrischen Strömungsrate F gegenüber einer gewünschten volumetrischen Strömungsrate F-SET. Die tatsächliche volumetrische Strömungsrate wird durch eine Schaltungsanordnung in der äußeren Schleife bestimmt, die die Anzahl der Taktimpulse von dem Takt 162 zählt, die erforderlich sind, um einen Zyklus abzuschließen.

II. Äußere Rückkopplungsschleife

Die Schaltung und der Betrieb der äußeren Schleife 101 zum Erzeugen von ΔF werden nunmehr in Einzelheiten beschreiben. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Anzahl der Motorimpulse, das heißt der Ausgangsimpulse von dem VCO 165, die erforderlich ist, um die Pumpe 132 für einen vollständigen Zyklus anzutreiben, fest und bekannt ist und beispielsweise 2560 beträgt. Es sei auch angenommen, daß diese 2560 Schrittimpulse in einem Dividierer 166 durch eine ganzzahlige untervielfache Zahl x, beispielsweise 640, dividiert wird, so daß für Erläuterungszwecke 2560 : 640 = 4 Schrittimpulse durch den Dividierer 166 dividiert wird, wobei jeder Schrittimpuls ein Viertel eines Zyklus der Pumpe 132 darstellt. Somit beträgt in diesem Beispiel die Anzahl der Schrittimpulse "n" je Pumpzyklus, n = 4.
Diese geteilten Impulse werden zu einer Zeit/Zyklusrechenschaltung 191 gekoppelt, worin die Zeit N für das erneute Auftreten der jüngsten n Schrittimpulse mit einem vollen Zyklus für jeden Schrittimpuls berechnet wird. Diese Zeit N = Zeit/Zyklus wird im Invertierer 193 invertiert, um F = 1/N = Zyklen/Zeit zu erzeugen, die über dem jüngsten Zyklus gemittelt sind. F ist direkt bezogen zu der tatsächlich gelieferten volumetrischen Strömung dank eines konstanten Umsetzungsfaktors bezogen auf das überstrichene Volumen der Pumpe. F wird mit dem negativen Eingangsanschluß der Summierverbindung 181 gekoppelt, wo es von F-SET auf der Leitung 107 subtrahiert wird; der Zyklusfrequenz-Einstellpunkt vom Microprozessor 102 F-SET wird durch ein Systembenutzer-Betriebstastenfeld 103, das mit einer Kathodenstrahlröhre 105 gekoppelt ist, und einen Microprozessor 102 programmiert. Das Differenzsignal ΔF zwischen F-SET und F, das an der Summierverbindung 181 erzeugt ist, wird in der Verstärkung eingestellt und in der Frequenz in einer herkömmlichen Rückkopplungsschaltung 183 kompensiert und dazu verwendet, um den Druckbezugseinstellpunkt P-SET zu verändern. F wird bei jedem Schrittimpuls erneut berechnet; daher wird P-SET nacheinander gemäß Richtungssinn und Größe von ΔF bei jedem derartigen Intervall eingestellt.

III. Zeit/Zyklus-Rechenschaltung 191

Ein geeignetes Gerät zum Liefern der Zeit/Zyklusberechnung wird nunmehr im Zusammenhang mit den Figuren 3, 4 und 5 beschrieben.

IV. Hardware- und Softwareversionen

In dem Gerät von Figur 3 wird ein n-stufiges Schieberegister 195 zusammen mit einer Summierschaltung 197 verwendet, um nacheinander die Anzahl der Taktimpulse N zu zählen, die von jedem Takt 126 während jedes Schrittzeitintervalles über einer Zeitdauer gesammelt sind, die gleich n Schrittimpulsen oder einem Pumpzyklus ist. In dem Ausführungsbeispiel der Figuren 3 und 4 gilt zur Vereinfachung der Beschreibung n = 4. Vorzugsweise gilt n = 2560, und das Schrittimpulssignal mittelt bei 100 Hz (100 Impulse/Sekunde); der Bezugstakt liegt bei 1 MHz (10&sup6; Impulse/Sekunde) , so daß typische Werte der Schrittzeit 10.000 Zählerstände betragen.
Taktimpulse vom Takt 126 sind zu dem CLK-Eingangsanschluß des Zählers 189 gekoppelt, während das Schrittimpulssignal vom Dividierer 166 an dem "Rücksetz"- Anschluß des Zählers 189 und dem "Schiebe"-Anschluß des Registers 195 liegt. Somit veranlaßt jeder Schrittimpuls den Zählerstand im Zähler 189 für den letzten Schritt, in die erste Stufe (t&sub1;) des Registers 195 verschoben zu werden, und alle anderen Stellen werden um Eins nach links verschoben, während der Zähler 189 rückgesetzt wird; dabei werden die Inhalte der Stufen t&sub1; bis t&sub4; in einem Summierer 197 summiert, um N der Summe der Taktzählerstände der n jüngsten Schieberegistereinträge zu erzeugen. Dieser Prozeß ist in graphischer Form in Figur 4 gezeigt, in welcher eine Amplitude gegenüber der Zeit von acht aufeinanderfolgenden Schrittmotorimpulsen aufgetragen ist. Die Klammern identifizieren vier vollständige Zykluszeitintervalle N&sub1; bis N&sub4;, die gemessen werden. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Index 1 das jüngste Zeitintervall oder die jüngste Zykluszeitmessung bedeuten, während der Index 2 die nächstjüngste Messung angibt, und so weiter.
Die ganzen Zahlen unterhalb jeder Zeitvariablen t&sub1;, t&sub2; und so weiter bedeuten die Schrittzeitzählerstände, die jedem Intervall zugeordnet sind. Diese Zahlen sind lediglich für Zwecke der Darstellung gewählt und stellen keine tatsächlichen Betriebsbedingungen dar. Die vier jüngsten Schrittzeitzählerstände sind in Registern 1 bis 4 gespeichert, wie dies in Figur 3 gezeigt ist.
In der Darstellung von Figur 4 ist die Zykluszeit N&sub4; gegeben durch N&sub4; = t&sub7; + t&sub6; + t&sub5; + t&sub4; = 10 + 21 + 15 + 12 = 58. Für N&sub3; ist die Zykluszeit gegeben durch N&sub3; = t&sub6; + t&sub5; + t&sub4; + t&sub3; = 21 + 15 + 12 + 10 = 58. Es sei darauf hingewiesen, daß t&sub3; nach innen und t&sub7; nach außen verschoben wurden. In ähnlicher Weise gelten N&sub2; = t&sub5; + t&sub4; + t&sub3; + t&sub2; = 15 + 12 + 10 + 21 = 58 und N&sub1; = t&sub4; + t&sub3; + t&sub2; + t&sub1; = 12 + + 21 + 15 = 58. N&sub1; ist die jüngste Zykluszeit.
Es sei darauf hingewiesen, daß in diesen Beispielen, obwohl die Schrittzeiten innerhalb jedes Intervalles nicht konstant sind (aufgrund Motordrehzahlmodulationen), die Zykluszeiten insgesamt N&sub1;, N&sub2;, N&sub3;, N&sub4; und so weiter konstant bleiben. Somit erzeugt die Pumpe eine konstante volumetrische Strömung. Rauschen und sich ändernde Lastbedingungen können in einer zeitweisen Abweichung von N von der konstanten Zahl N resultieren, in welchem Fall F nicht länger gleich F-SET ist und das Fehlersignal ΔF entsprechend eingestellt wird, um P-SET zu modifizieren, was seinerseits das Ausgangssignal von VCO 165 einstellt, um die Ausgangsimpulse von dem VCO in geeigneter Weise zu beschleunigen oder zu verzögern (vergleiche Figur 2).
Eine numerisch effizientere Annäherung an das Berechnen jedes Wertes von N besteht in einem Subtrahieren des in dem Schieberegister vorliegenden Zählerstandes und einem Addieren des in das Schieberegister eintretenden Zählerstandes von der Summe der Zählerstände in dem Register, was im folgenden angegeben ist:
N&sub3; = N&sub4; - t&sub7; + t&sub3; = 58 - 10 + 10 = 58
N&sub2; = N&sub3; - t&sub6; + t&sub2; = 58 - 21 + 21 = 58
N&sub1; = N&sub2; - t&sub5; + t&sub1; = 58 - 15 + 15 = 58
Das Obige zeigt, daß die alternative Methode gleichwertig ist. Diese Methode kann in Software ausgeführt werden, wie dies in dem Flußdiagramm von Figur 5 gezeigt ist. Der Taktimpuls-Zählerstand der n jüngsten Taktimpulsintervalle wird in n-RAM-Stellen gespeichert. In SCHRITT 1 wird die Adresse der "gegenwärtigen" Speicherstelle auf 1 gesetzt, und die Inhalte von allen Stellen werden auf 0 gesetzt. Wenn der nächste Motorschrittimpuls auftritt (SCHRITT 2), so wird der numerische Zählerstand in der gegenwärtigen Stelle von dem Gesamtzählerstand N subtrahiert (SCHRITT 3).
In SCHRITT 4 wird der Schrittzeitzählerwert, der angesammelt ist, während auf den obigen Schritt gewartet wird (insbesondere 10.000), gelesen, und der Wert wird in der gegenwärtigen Stelle gespeichert. Der Wert wird auch zu N addiert, um N fortzuschreiben. In SCHRITT 5 wird der Zähler rückgesetzt Sodann wird die gegenwärtige Speicherstelle zu der nächsten Position im Speicher gesetzt, um für das nächste Schrittsignal bereit zu sein.
In dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 wird die Anzahl der Taktimpulse N während jedes Schrittzeitintervalles über n Schrittimpulsen (gleich zu einem Pumpzyklus) berechnet. Eine Alternative würde das Berechnen der Zeit je Schrittimpuls in der Schaltung 191 mittels der Taktimpulse 126 als ein genaues Zeitmaß, wie oben beschrieben, sei. Die Zeit je Schrittimpuls wird dann von der Schaltung 191 ausgegeben und im Inverter 193 invertiert, um die Schrittimpulsfrequenz zu liefern, die nunmehr mit einer Bezugsfrequenz F-SET entsprechend der gewünschten Schrittimpulsfrequenz anstelle der gewünschten Zyklusfrequenz verglichen wird. Unter allen anderen Gesichtspunkten arbeitet die Schaltung, wie dies in Figur 2 gezeigt ist.

V. Geschwindigkeit/Frequenz-Korrekturausführungsbeispiel

In diesen Ausführungsbeispiel verwendet die äußere Schleife eine Sequenz von Zahlen, die in einem Zirkularspeicher gespeichert sind, um ein Geschwindigkeits/Frequenz-Korrekturprofil zu erzeugen, um kontinuierlich eine gemessene Motordrehzahl so zu korrigieren, daß die korrigierte Drehzahl proportional zu der volumetrischen Strömung unabhängig von zyklischen Drehzahlmodulationen ist, die in die innere Schleife eingeführt sind. Der Zirkularspeicher hat, wie in Figur 6 gezeigt ist, "n" Stellen; dabei ist "n" ein ganzzahliges Vielfaches oder ein Untervielfaches der Zahl der Motorimpulse, die erforderlich sind, um einen Pumpzyklus zu erzeugen. In einem spezifischen Ausführungsbeispiel gilt n = 2560 Motorimpulse/Zyklus, dividiert durch 4 = 640 Schrittimpulse je Zyklus. Dieses Ausführungsbeispiel wird nunmehr in Einzelheiten im Zusammenhang mit den Figuren 6 und 7 beschrieben, wobei zuvor im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebene Größen gleiche Zahlen mit einem Strichindex tragen. Diese gleichen Größen werden nicht allgemein erläutert, mit Ausnahme des Hinweises, daß die gesamte innere Schleife unverändert ist.
In dem Ausführungsbeispiel von Figur 6 ist der Zirkularspeicher mit 199 bezeichnet und hat 600 Stellen, die von 1 bis 640 numeriert sind. Der Speicher ist zirkular insoweit, als die Stelle 1 der Stelle 640 folgt.
Die Sequenz der Zahlen im Speicher wird als das "Korrekturprofil" bezeichnet. Der Speicher 199 speichert einen Geschwindigkeitskorrekturterm, das heißt das Korrekturprofil, für jede der 640 Positionen, das heißt einen Korrekturterm für jeden Schrittimpuls über dem Pumpzyklus. Die Korrektursequenz ist in dem Flußdiagramm von Figur 7 gezeigt. In SCHRITT 1 sind alle 640 Stellen auf EINS gesetzt. Die gegenwärtige Speicherposition ist auf die Zahl EINS gesetzt. In SCHRITT 2 werden die Taktimpulse vom Takt 126' im Zähler 189 angesammelt, bis der nächste Motorschrittimpuls auftritt (SCHRITT 3). Der Geschwindigkeitskorrekturterm in der gegenwärtigen Speicherstelle für die gegenwärtige Pumpposition wird ausgegeben und im Multiplizierer 187 mit der gemessenen Geschwindigkeit "f" = Schritt/Zeit multipliziert, um eine korrigierte Geschwindigkeit bzw. Drehzahl zu erzeugen (F-CORR) (vergleiche SCHRITT 4). Die Geschwindigkeit "f" wird erzeugt durch Invertieren des Zählerstandes (t = Zeit/Schritt) im Zähler 189. In dem Ausmaß, daß das Korrekturprofil richtig ist, wird die korrigierte Geschwindigkeit oder Drehzahl proportional zu der wahren Strömung, die gepumpt wird, unabhängig von Drehzahl- oder Geschwindigkeitsmodulationen, die auf einer zyklischen Basis als ein natürliches Ergebnis der Verwendung der inneren Druckschleife auftreten.
Der obige Korrekturprozeß ist graphisch in den Figuren 8A bis 8B gezeigt, wobei Figur 8A eine Kurvendarstellung einer typischen Amplitude gegenüber der Zeit eines gemessenen Geschwindigkeitssignales "f" für einen Zyklus ist, aus der ersehen werden kann, daß große Geschwindigkeitsänderungen auf einer zyklischen Basis auftreten. Diese großen Störungen werden stark ausgeschlossen, wie dies in Figur 8C gezeigt ist, indem die gemessene Geschwindigkeit mit dem gespeicherten Korrekturprofilsignal multipliziert ist, wie dies aus Figur 8B folgt.
In SCHRITT 5 wird die korrigierte Frequenz F-CORR in einer Summierverbindung 181' von dem Frequenzeinstellpunkt F-SET subtrahiert, um bei einem Frequenzfehler ΔF anzukommen. In dem Ausmaß, daß ein Frequenzfehler vorliegt, stellt die Verstärkungs- und Kompensationsschaltung 183' den Druck-Einstellpunkt P-SET ein, um diesen Fehler zu korrigieren. Wenn der Frequenzfehler ΔF positiv ist, wird der Druck-Einstellpunkt aufwärts eingestellt und umgekehrt, falls der Frequenzfehler negativ ist.
Wenn der Frequenzfehler bei einer gegebenen Position über eine Anzahl von Zyklen fortdauert, dann ist es wahrscheinlich, daß der Korrekturprofilwert für diese Position fehlerhaft ist. Somit wird das Korrekturprofil auf der Basis eines längeren Termes als dem Druck-Einstellpunkt fortgeschrieben. Die Art und Weise, in der das Korrekturprofil fortgeschrieben wird, ist unten angegeben:
Bei einer gegebenen Position im Pumpzyklus wird dieser Geschwindigkeitskorrekturterm für diese Position entsprechend einer besonderen Speicherstelle mit einer tatsächlich gemessenen Geschwindigkeit multipliziert, um die korrigierte Geschwindigkeit zu erhalten. Ein Fehler zwischen der korrigierten Geschwindigkeit und dem Geschwindigkeit-Einstellpunkt wird durch einen Profil-Modifizierer 151 erfaßt. Der Geschwindigkeitskorrekturterm in dieser Speicherstelle wird dann fortgeschrieben, indem ein Bruchteil des Fehlers zu ihm addiert wird (SCHRITT 6). Somit wird einen Zyklus (640 Schritte) später dieser fortgeschriebene Werte als der Korrekturterm für diese Motorposition verwendet. Der Bruchteil wird in geeigueter Weise gewählt, so daß er Vielfachzyklen für das Korrekturprofil erfordert, um voll fortgeschrieben zu sein. Dies gewährleistet, daß er nicht auf zufällige Störungen empfindlich ist.
Der im vorangehenden Absatz beschriebene Prozeß wird wiederholt, indem aufeinanderfolgende Korrekturprofil- Speicherstellen verwendet werden, sooft ein Motor- Schrittimpuls empfangen wird. In diesem spezifischen Beispiel ist dies 640 mal je Pumpzyklus. Somit werden erfolgreiche Stellen im Speicher bei jedem Schrittsignal fortgeschrieben, jedoch wird eine einzelne Speicherstelle lediglich einmal je Pumpzyklus zu der Zeit fortgeschrieben, wenn der Motor in der Position ist, die dieser einzelnen Speicherstelle entspricht.
Nachdem der Fortschreibprozeß über verschiedene Zyklen laufen konnte, wird das Korrekturprofil im wesentlichen richtig, und die korrigierte Geschwindigkeit eine wahre Darstellung der Strömung&sub1; die durch die Pumpe erzeugt ist. Dies verringert stark Druck- und Strömungswelligkeiten infolge von zyklischen Geschwindigkeitsmodulationen des Motors, die durch den Korrekturprofilterm gelöscht werden.

VI. Strömungsbezugspegel-Ausführungsbeispiel

In einem in Figur 9 gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel wird ein durch den Benutzer über den Microprozessor 101 gesetztes Strömungsbezugspegelsignal in einem Multiplizierer 904 mit einem Korrekturterm von einem Korrekturprofil 199' multipliziert, um ein korrigiertes Geschwindigkeitssignal zu erzeugen, das die Frequenz des VCO 165 steuert. Dieses korrigierte Geschwindigkeitssignal steuert den VCO 165 an, um die Motordrehzahl des Motors 160 und somit die Pumpströmung von der Pumpmechanik 132 zu setzen.
Die Korrekturterme werden in einem Korrekturprofil 199' in einem RAM-Speicher gespeichert, der n Stellen enthält, nämlich einen für jeden Schrittimpuls in einem Pumpzyklus. Die Schrittimpulse werden einheitlich von #1 bis #n numeriert, entsprechend Stellen #1 bis #n in dem Speicher. Die Schrittimpulse werden durch einen Dividierer 166 wie in den früheren Ausführungsbeispielen erzeugt. Bei jedem nachfolgenden Schrittimpuls wird der Korrekturprofilterm für die nächste Stelle im Speicher fortgeschaltet, um die Drehzahl in diesem Abschnitt des Pumpzyklus zu korrigieren. Wie zuvor ist der Speicher zirkular insoweit als die Stelle #1 angesehen wird, der Stelle #n zu folgen.
Der in dem Korrekturprofil 199' entsprechend der gegenwärtigen Schrittimpulsnummer gespeicherte Profilterm wird durch den Profilmodifizierer 151' aufgrund des Druckfehlers ΔP von dem Summierpunkt 902 modifiziert. Ein Bruchteil des Fehlers ΔP wird zu dem gegenwärtigen Korrekturterm addiert, um einen entsprechenden Korrekturterm für den nächsten Zyklus zu bilden. Diese Modifikation wird einmal je Schrittimpuls auf den gegenwärtigen Korrekturterm angewandt. Somit werden im Speicher nachfolgende Stellen bei jedem Schrittsignal fortgeschrieben, jedoch wird eine einzelne Speicherzelle lediglich einmal je Pumpzyklus fortgeschrieben zu der Zeit, wenn die Pumpe in der Position ist, die derjenigen einer einzelnen Speicherstelle entspricht. Auf diese Weise wird das Korrekturprofil fortgeschrieben, um sich für ändernde Pumpbetriebsbedingungen einzustellen.
Das Signal ΔP wird durch Subtrahieren des tatsächlichen Druckes P-ACTUAL von einem Druckschätzsignal P-EST an einem Summierpunkt 902 gebildet. Der Druckschätzer oder -vorhersager 900 bildet eine Schätzung des erwarteten Wertes des gegenwärtigen Druckes, aufgrund vergangener Messungen des Druckes von dem Wandler 156. Der Schätzer kann durch Tiefpaßfiltern des tatsächlichen Drucksignales gebildet werden.
Alternativ kann ein wohlbekanntes Kalman-Filter verwendet werden, um eine Schätzung des Zählers der kleinsten mittleren Quadrate des erwarteten Druckes aufgrund des tatsächlichen Drucksignales zu liefern. Für eine allgemeine Behandlung von Schätzern oder Vorhersagern wird auf Astrom and Wittenmark Computer Control Systems, 1984, Prentice Hall, verwiesen.
In übriger Hinsicht ist das System von Figur 10 ähnlich zu dem System von Figur 6. Der Schlüsselvorteil ist die Abwesenheit jeglichen direkten Druckes oder einer Strömungsrückkopplungsschleife. Die einzige erforderliche Schleife ist die Profilmodifizierer-Schleife, die einen gemessenen Druck verwendet, um dessen Modifikationen anzusteuern.

VII. Allgemeines

In den die Taktimpulse verwendenden Ausführungsbeispielen ist der gemessene Frequenzparameter F direkt auf die tatsächliche/gelieferte volumetrische Strömung dank eines konstanten Umsetzungsfaktors bezogen, der von dem Hubvolumen der Pumpe abhängt. Dem Benutzer ist daher die Option verfügbar, entweder eine volumetrische Strömung durch einen Offenschleifen-Modus mittels geteilter Taktimpulse von dem Takt, der anstelle von VCO-Impulsen gekoppelt ist, oder durch einen Modus mit geschlossener Schleife, bei dem der VCO und eine zugeordnete Abtastund Rückkopplungsschaltung verwendet werden, zu steuern, wie dies dargestellt ist. Da jede der Raten wohlangepaßt ist, kann von einer Möglichkeit zur anderen übergegangen werden, wie dies die Bedingungen vorschreiben. Wenn beispielsweise während einer Probeninjektionssequenz ein hydraulischer Widerstand fehlerhaft ist, kann das System momentan in einer offenen Schleife bei einem konstanten Schrittratenmodus laufen. Sobald eine Injektion erreicht ist, kann das System zu dem Modus einer geschlossenen Schleife zurückkehren, um eine Probenerfassung und -quantifizierung zu optimieren.
Bei einem anfänglichen Starten von einem Nulldruck kann der Benutzer einen Offenschleifen-Modus für einige Hube ermöglichen, um den Rückdruck abzutasten und eine rasche Konvergenz auf den richtigen Druckbezugspegel für einen Betrieb in der inneren Schleife zu erleichtern. Das System erzeugt eine extrem glatte und genaue Zusammensetzungslieferung zusammen mit nahezu einem vollständigen Ausschluß von pulsartigen Veränderungen bei der volumetrischen Lieferung. Diese Eigenschaften sind erforderlich, um erfolgreich mit zahlreichen neuen und hochempfindlichen LC-Detektoren zusammenzuarbeiten.

Äquivalente

Obwohl bevorzugte Ausführungsbeispiele oben in Einzelheiten beschrieben sind, dienen diese lediglich für den Zweck der Darstellung. Als solche können zahlreiche Abwandlungen für den Fachmann offenbar werden. Die Erzeugung und Beibehaltung einer genauen volumetrischen Strömung und das Mischen einer Vielzahl von Flüssigkeiten wurde als ein Arbeiten in einem Gradientenmodus eines chromatographischen Betriebes gezeigt, jedoch können die dargestellten Prinzipien angewandt werden, um einen gemischten isokratischen Auf-Leitung-Betrieb oder einen isokratischen Betrieb mit nur einem Lösungsmittel durchzuführen, in welchem Fall Bemessungsventile nicht erforderlich sind, oder um ein Strömungsratenprogrammieren vorzunehmen, das heißt ein Verändern der Mischungsströmungsrate anstelle von deren Zusammensetzung über der Zeit, um die gewünschten chromatographischen Trennungen zu erzielen. Die verschiedenen Ausführungen der Erfindung können in analoger oder digitaler Form sein und in Hardware oder Software ausgebildet werden.
Während Schrittmotoren zum Ausführen der Erfindung angeregt sind, kann jeder herkömmliche Motor, beispielsweise ein Gleichstrommotor, zusammen mit wohlbekannten Codiermechanismen eingesetzt werden, um die verbleibenden Schrittimpulse für Zeitsteuerzwecke zu erzeugen.
Während weiterhin eine Zweikolbenpumpe für das bevorzugte Ausführungsbeispiel gewählt wurde, können Einfach- oder Mehrfachzylinderpumpen sofort für einen Gebrauch gemäß den Prinzipien der Erfindung angepaßt werden. Daher ist die Erfindung im Licht der vorstehenden Ausführungen und der beigefügten Patentansprüche zu verwirklichen.

Claims

1. Pumpsystem für Strömungssteuerung, das eine motorgetriebene Pumpe (160, 132) zum Pumpen eines Fluids durch Kolben zu einer Last (150 bis 156) umfaßt, mit einer Steuereinrichtung (101) zum Kompensieren von zyklischen Veränderungen in der Beziehung zwischen der Drehzahl des Motors (160) und einer volumetrischen Strömung der Pumpe (132), um die volumetrische Strömung von der Pumpe im wesentlichen konstant zu halten, wobei:

die Steuereinrichtung (101) sich auf sich ändernde Pumpbetriebsbedingungen durch Erzeugen eines Strömungssignales (F) proportional zu der momentanen volumetrischen Strömung der Pumpe (132) einstellt und das Strömungssignal verwendet, um ein Druckbezugssignal (P-SET) zu verändern, das seinerseits die Motordrehzahl steuert, wobei die sich ändernden Betriebsbedingungen in Modifikationen in der charakteristischen Größe der zyklischen Veränderungen resultieren,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Impulsgeneratoreinrichtung (166) umfaßt, um n Schrittimpulse zu erzeugen, die während jedes Zyklus des Pumpbetriebes (132) auftreten, wobei die so gemessene Motordrehzahl über dem Intervall gemittelt wird, das die n jüngst auftretenden Schrittimpulse umfaßt, um ein Drehzahlsignal derart zu erzeugen, daß das Drehzahlsignal die mittlere Drehzahl für die jüngsten n Schrittimpulse darstellt, welche den jüngsten Zyklus des Pumpbetriebes umfassen, und wobei das Drehzahlsignal in das tatsächliche Strömungssignal (F) umgewandelt wird, das proportional zu einer wahren Pumpströmung ist, unabhängig von Pumpkolbenstellung und den zyklischen Drehzahländerungen der Pumpe (132).

2. Pumpsystem nach Anspruch 1, bei dem die Steuereinrichtung (101) aufweist:

a) eine innere Rückkopplungsschleife mit:

(i) ein Druckbezugspegelsignal (P-SET),

(ii) eine Drehzahleinstelleinrichtung (164, 180), die auf einen erfaßten Fluiddruck von der Last (150 bis 156) anspricht, um die Drehzahl des Motors (160) gemäß der Differenz zwischen dem erfaßten Druck (P-ACTUAL) und dem Druckbezugspegelsignal (P-SET) zur Verringerung der Differenz einzustellen, und

b) eine äußere Rückkopplungsschleife mit:

(i) einem Strömungsbezugspegelsignal (P-SET),

(ii) einer Meßeinrichtung (166, 126, 191) zum Messen der Drehzahl des Motors (160), um das Drehzahlsignal zu erzeugen, und zum Umsetzen des Drehzahlsignales in das Strömungssignal,

(iii) eine auf das Strömungssignal ansprechende Drucksteuereinrichtung (102) zum Einstellen des Druckbezugspegelsignales gemäß der Differenz zwischen dem Strömungssignal und dem Strömungsbezugspegelsignal (F-SET), um die Differenz zu reduzieren, so daß eine im wesentlichen konstante Fluidströmung von der Pumpe (132) bei dem Strömungsbezugspegel konstant gehalten ist.

3. Pumpsystem nach Anspruch 2, bei dem die Meßeinrichtung die Impulsgeneratoreinrichtung (166) umfaßt.

4. Pumpsystem nach Anspruch 2, bei dem die äußere Rückkopplungsschleife aufweist:

(1) eine Rechnereinrichtung (191) zum aufeinanderfolgenden Bestimmen der Gesamtzeitdauer der n jüngsten Schrittimpulse oder Vielfachen oder Untervielfachen hiervon, um ein Zeitsteuersignal entsprechend der Zeit zu erzeugen, die benötigt ist, um den jüngsten Pumpzyklus abzuschließen, und

(ii) die Steuereinrichtung (101), die auf das Zeitsteuersignal anspricht, um das Druckbezugspegelsignal (P-SET) einzustellen, damit die volumetrische Fluidströmung von der Pumpe (132) im wesentlichen konstant gehalten wird, indem nacheinander das Zeitsteuersignal mit einem Zeitsteuerbezugssignal verglichen und das Druckbezugspegelsignal (P-SET) gemäß der Differenz zwischen den Zeitsignalen eingestellt wird.

5. Pumpsystem nach Anspruch 1, bei dem die Last (150 bis 156) eine Flüssigkeitschromatographiesäule ist und die Pumpe (132) durch Ventile (130) mit einer Quelle (110) von flüssigen Lösungsmitteln zur Lieferung der Lösungsmittel zu der Säule gekoppelt ist.

6. Pumpsystem nach Anspruch 5, bei dem die Pumpe (132) durch einen Schrittmotor (160) angetrieben ist, dessen Drehzahl eine Funktion der Anzahl von Motorimpulsen ist, die je Zeiteinheit erzeugt sind, und bei dem die Anzahl n der Schrittimpulse, die für einen vollständigen Pumpzyklus erforderlich sind, eine vorbestimmte Zahl ist, wobei die Anzahl der Schrittimpulse je Zeiteinheit ein Vielfaches oder ein Untervielfaches der Zahl der Motorimpulse je Zeiteinheit ist.

7. Pumpsystem nach Anspruch 4, bei dem die Rechnereinrichtung außerdem umfaßt:

a) ein Schieberegister (199) mit n Stufen oder Mehrfachen oder Untermehrfachen hiervon zum aufeinanderfolgenden und getrennten Annehmen des Zählerstandes der Zeitsteuerimpulse von dem Motor (160) für alle n jüngsten Schrittimpulse oder Vielfache oder Untervielfache hiervon, um aufeinanderfolgende Schrittzeiten in aufeinanderfolgenden Stufen des Schieberegisters (199) zu erzeugen, und

b) eine Summiereinrichtung (187) zum Addieren des Zählerstandes der Zeitsteuerimpulse, die zwischen den zwei jüngsten Schrittimpulsen oder Vielfachen oder Untervielfachen hiervon erzeugt sind, zu dem Zählerstand der Gesamtsumme der n jüngsten Schrittimpulsen oder Vielfachen oder Untervielfachen hiervon und zum Subtrahieren des Wertes der jüngst gemessenen Schrittzeit in dem n-Stufen-Schieberegister (199) von dem Zählerstand.

8. Pumpsystem nach Anspruch 4, bei dem die innere Rückkopplungsschleife aufweist:

a) eine Vergleichereinrichtung (164) zum Vergleichen des Drucksignales (P-ACTUAL) mit dem Druckpegelbezugssignal (P-SET) und zum Erzeugen eines Druckfehlersignales (ΔP) proportional zu der Differenz zwischen diesen beiden Signalen,

b) eine Ansteuereinrichtung (180), die auf das Fehlersignal (ΔP) anspricht, um die Drehzahl der Pumpe (132) gemäß den Vorzeichen und der Größe des Fehlersignales (ΔP) zu erhöhen oder zu vermindern.

9. Pumpsystem nach Anspruch 2, bei dem eine Invertereinrichtung (193) enthalten ist, um die Zeit N zum Liefern einer gemessenen Frequenz F zu invertieren, die mit einer Bezugsdrehzahl zur Lieferung eines Fehlersignales verglichen wird, um das Druckpegelbezugssignal zu korrigieren.

10. Pumpsystem nach Anspruch 9, bei dem die äußere Rückkopplungs schleife aufweist:

a) einen Taktimpulsgenerator (126') zum Erzeugen einer Reihe von genauen Zeitsteuerimpulsen,

b) einen Zähler (189) zum Zählen der Impulse in Inkrementen entsprechend den Schrittimpulsen oder ganzzahligen Vielfachen oder Untervielfachen hiervon, und

c) eine Summiereinrichtung (187) zum Summieren der n jüngsten Schrittimpulse oder ganzzahligen Vielfachen oder Untervielfachen hiervon.

11. Pumpsystem nach Anspruch 9, mit:

a) einer Speichervorrichtung (199) mit n Speicherstellen, wobei n ein Vielfaches oder Untervielfaches der Anzahl der Motorschritte je Pumpzyklus ist und in welcher ein Drehzahl/Frequenz-Korrekturfaktor für jede der n gegenwärtigen Motorpositionen gespeichert ist,

b) eine Invertereinrichtung (193') zum Invertieren der Schrittzeit, um die entsprechende Schrittfrequenz zu bestimmen, und

c) eine Multipliziereinrichtung (187) zum aufeinanderfolgenden Multiplizieren der invertierten Zeit mit dem Faktor, um die Frequenz zu korrigieren.