阅读说明：本技术 基于微升级体积有机溶剂液体压缩率在线测试方法及系统 (Micro-upgrade volume-based organic solvent liquid compressibility online test method and system ) 是由 周旭 殷参 范洪涛 徐迎丽 杨东升 刘建峰 何通 于 2019-10-08 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于微升级体积有机溶剂液体压缩率在线测试方法及系统,利用液相泵液力端微升级容积,通过控制液相泵的往复运动,对有机溶剂进行在线压缩,实时读取液路系统压力值,将压力增量与压缩值进行关联,从而实现微升级体积的有机溶剂液体压缩率的在线测试。以解决高精度超高压液相泵输送有机溶剂过程中,液体溶剂的超高压压缩所造成的流量精度的影响；在超高压高精度有机溶剂输送时,通过有机溶剂压缩率的在线测试,为流路系统流量精度控制、脉动性及高压密封性能提供必备的数据支撑,实时进行压缩补偿,以保证恒流输送流量精度一致性指标、脉动性指标均能保持稳定。(The invention relates to an online test method and system for the liquid compression ratio of an organic solvent based on a micro-upgrading volume. The influence of flow precision caused by ultrahigh pressure compression of the liquid solvent in the process of conveying the organic solvent by the high-precision ultrahigh pressure liquid phase pump is solved; when the ultrahigh-pressure high-precision organic solvent is conveyed, the on-line test of the compression ratio of the organic solvent provides necessary data support for flow precision control, pulsation and high-pressure sealing performance of a flow path system, and compression compensation is carried out in real time so as to ensure that the consistency index and the pulsation index of constant-flow conveying flow precision can be kept stable.)

基于微升级体积有机溶剂液体压缩率在线测试方法及系统

技术领域

本发明涉及有机溶剂高压状态下压缩率的在线测量，应用于超高压液相分析，属于液相技术领域。

背景技术

高精度超高压液相泵(UHPLC)在高效液相色谱泵(HPLC)的基础上发展而来，其采用的固定相和高柱效的色谱柱，可使泵输出端压力提高至150MPa，将样品分析时间由HPLC得10min-30min范围内缩短至40s-2min内，大大缩短样品分析时间，其高灵敏度可有效降低交叉污染。医药、生化、食品分析领域对UHPLC有着广泛的应用需求。

流体的压缩性是流体质点在一定压力差或温度差的条件下。其体积或密度可以改变的性质。高精度超高压液相泵在百兆帕级的压力下，体积将发生变化。在高精度输送时，该压缩量需要通过测量进行补偿，为流路系统流量精度控制、脉动性及高压密封性能提供必备的数据支撑，以保证输出流量精度的稳定性。

流体的可压缩性值由两次不同压力值下体积差的比值确定，目前，国外通过初、次级往复活塞泵的共同运动，实现流体体积的变化，从而确定流体的压缩比，该方法实现过程复杂，需要初、次级往复泵的活塞运动在时间上相互配合，且要求初、次级往复泵运动过程发生交叉。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种在线测试微升级体积的有机溶剂液体压缩率的在线测试方法及系统，用于解决高精度超高压液相泵输送有机溶剂过程中，液体溶剂的压缩所造成的流量精度的影响，通过有机溶剂的在线测量实现压缩补偿，从而实现高精度流量的输送。

本发明的技术解决方案是：

一种基于微升级体积的有机溶剂液体压缩率在线测试方法，步骤如下：

(1)在液相泵的出口段加入截止阀，将有机溶剂液体通路截断，此时液相回路中的有机溶剂液体压力为零；

(2)控制液相泵中电机进行转动，以改变液相回路内有机溶剂液体的容积，从而实现对有机溶剂液体的压缩，建立液相泵的工作压力环境；

(3)通过编码器实时采集电机数据，计算出电机转动角度，换算出泵头柱塞运动的行程，即为有机溶剂液体的压缩量；

(4)根据液相泵液力端压力传感器实时采集泵头内有机溶剂液体的压力值；

(5)将有机溶剂液体的压力值与压缩量进行关联并计算出有机溶剂液体的压缩率；

(6)将截止阀打开泄压，令液相回路中的有机溶剂液体压力恢复为零，重新执行步骤(1)-步骤(5)，再次计算压缩率；

(7)求取压缩率平均值，即完成基于微升级体积的有机溶剂液体压缩率在线测试。

进一步的，所述液相泵组包括A泵元、B泵元，所述A泵元包括A主泵和A副泵，B泵元包括B主泵和B副泵；A泵元内有机溶剂液体的压缩率和B泵元内有机溶剂液体的压缩率不相同。

进一步的，所述步骤(2)对有机溶剂液体压缩，具体为：

(2.1)通过滚珠丝杠将电机的旋转运动转换为泵头柱塞的直线运动；

(2.2)泵头柱塞向前运动，泵头内的容积减少，实现溶剂的压缩。

进一步的，通过电机转动进行液相泵内有机溶剂液体的逐渐压缩，达到液相泵的工作压力环境具体为不低于50Mpa。

进一步的，所述步骤(3)中有机溶剂压缩体积量公式为：

ΔV＝πD²/4*Δx

式中：D为柱塞的直径，Δx为柱塞的位移差；ΔV表示压缩Δx行程对应的压缩体积量。

进一步的，所述步骤(4)中有机溶剂的压力值通过液力端压力传感器进行实时采集，采样周期为不大于20ms。

进一步的，所述步骤(5)将有机溶剂的压力值与压缩量进行关联并计算有机溶剂液体的压缩率公式为：

K＝ΔV/(ΔP*V)

式中：K为对应压力下的压缩率，V为有机溶剂的体积，ΔV为压缩体积量；ΔP表示压缩前后的压力差。

进一步的，本发明还提出一种有机溶剂液体压缩率在线测试系统，包括：

初始化模块：在液相泵的出口段加入截止阀，将有机溶剂液体通路截断，此时液相回路中的有机溶剂液体压力为零；

压缩模块：控制液相泵中电机进行转动，以改变液相回路内有机溶剂液体的容积，从而实现对有机溶剂液体的压缩，建立液相泵的工作压力环境；

数据采集及压缩量计算模块：通过编码器实时采集电机数据，计算出电机转动角度，换算出泵头柱塞运动的行程，即为有机溶剂液体的压缩量；

有机溶剂压缩体积量公式为：

ΔV＝πD²/4*Δx

式中：D为柱塞的直径，Δx为柱塞的位移差；ΔV表示压缩Δx行程对应的压缩体积量。

压力值实时采集模块：根据液相泵液力端压力传感器实时采集泵头内有机溶剂液体的压力值；

单次压缩率计算模块：将有机溶剂液体的压力值与压缩量进行关联并计算出有机溶剂液体的压缩率；

公式为：

K＝ΔV/(ΔP*V)

式中：K为对应压力下的压缩率，V为有机溶剂的体积，ΔV为压缩体积量；ΔP表示压缩前后的压力差。

平均压缩率计算模块：将截止阀打开泄压，令液相回路中的有机溶剂液体压力恢复为零，重新计算压缩率；求取压缩率平均值。

本发明与现有技术相比，带来的有益效果为：

(1)本发明方法的普适性好，液相泵的主缸或者副缸均可进行测试；

(2)本发明方法的可操作性强，测试时主缸与副缸无需关联动作,测试过程中选择主缸(或副缸)则仅通过控制主缸(副缸)的电机进行转动，从而改变主缸内有机溶剂液体的体积，实现压缩。目前，国外通过初、次级往复活塞泵的共同运动，实现流体体积的变化，从而确定流体的压缩比，需要初、次级往复泵的活塞运动在时间上相互配合，且要求初、次级往复泵运动过程发生交叉；

(3)本发明方法操作简单，自动控制单缸柱塞行程即可测试出液体压缩率值，选定主缸(或副缸)，则仅需控制该缸电机驱动泵头柱塞，通过采集电机数据计算出泵头柱塞的行程(位移差值)，即为有机溶剂液体的压缩量；

(4)本发明方法的测试效率高，计算过程简单，由一组数据即可得出该压力下的压缩率值。测试过程中，泵头柱塞初始位移时，读取一个压力值，泵头柱塞向前运动，泵头内的容积减少，泵头柱塞处于该位移处，读取另一压力值，通过前后两次位移差计算出压缩体积量ΔV＝πD²/4*Δx，再结合压力差值即可计算出压缩率K＝ΔV/(ΔP*V)。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明压缩原理示意图；

图3为甲醇在不同压力下压缩率值示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明提出一种基于微升级体积有机溶剂液体压缩率在线测试方法及系统，利用液相泵液力端微升级容积，通过控制液相泵的往复运动，对有机溶剂进行在线压缩，实时读取液路系统压力值，将压力增量与压缩值进行关联，从而实现微升级体积的有机溶剂液体压缩率的在线测试。以解决高精度超高压液相泵输送有机溶剂过程中，液体溶剂的超高压压缩所造成的流量精度的影响；在超高压高精度有机溶剂输送时，通过有机溶剂压缩率的在线测试，为流路系统流量精度控制、脉动性及高压密封性能提供必备的数据支撑，实时进行压缩补偿，以保证恒流输送流量精度一致性指标、脉动性指标均能保持稳定。

如图1所示，为实现上述目的，本发明提出的基于微升级体积有机溶剂液体压缩率在线测试方法，包括：

(1)在液相泵的出口段加入截止阀，将有机溶剂液体通路截断，此时液相回路中的有机溶剂液体压力为零(表压为0)；

(2)控制液相泵中电机进行转动，以改变液相回路内有机溶剂液体的容积，从而实现对有机溶剂液体的逐渐压缩，达到液相泵的工作压力环境，液体压缩原理如图2所示；

具体为：

(2.1)通过滚珠丝杠将电机的旋转运动转换为泵头柱塞的直线运动；

(2.2)泵头柱塞向前运动，泵头内的容积减少，又由于液相泵出口段封堵，从而实现溶剂的压缩；

(2.3)泵头柱塞初始位移为x₀对应于有机溶剂体积V₀，泵头柱塞在电机的驱动下向前移动至位移为x₁，此位移对应的有机溶剂体积为V₁；

(3)本发明自动控制单缸柱塞行程即可测试出液体压缩率值，选定主缸(或副缸)，则仅需控制该缸电机驱动泵头柱塞，通过采集电机数据计算出泵头柱塞的行程(位移差值)，即为有机溶剂液体的压缩量；

具体的，通过编码器实时采集电机数据，计算出泵头柱塞的位移值，从而计算出有机溶剂液体压缩体积量(压缩前后的体积差)；

公式为：

ΔV＝πD²/4*Δx

式中：D为柱塞的直径，Δx为泵头柱塞的位移差；ΔV表示压缩Δx

行程对应的压缩体积量。

(4)根据液相泵液力端压力传感器实时采集泵头内有机溶剂液体的压力值；压力传感器采样周期为不大于20ms，以防止因采样周期所引起的数值误差；泵头柱塞初始位移为x₀时，读取压力传感器压力值为P₀(一般为大气压值)，泵头柱塞位移为x₁时，读取压力传感器压力值为P₁，泵头柱塞压缩前后压力差ΔP＝P₁-P₀；

(5)将有机溶剂液体的压力值与压缩量进行关联并计算出有机溶剂液体的压缩率；

公式为：

K＝ΔV/(ΔP*V)

式中：K为对应压力差下的压缩率，V为有机溶剂的体积(常温常压下泵头以及截止阀入口前管路内初始有机溶剂液体的体积)，ΔV为压缩体积量；ΔP表示压缩前后的压力差。

(6)将截止阀打开泄压，令液相回路中的有机溶剂液体压力恢复为零，重新执行步骤(1)-步骤(5)，再次计算压缩率；

(7)求取压缩率平均值，即完成基于微升级体积的有机溶剂液体压缩率在线测试。

上述基于微升级体积有机溶剂液体压缩率在线测试方法基于液相泵实现。所述液相泵组包括A泵元、B泵元，所述A泵元包括A主泵和A副泵，B泵元包括B主泵和B副泵；A泵元内有机溶剂液体的压缩率和B泵元内有机溶剂液体的压缩率不相同。液相泵的工作压力环境一般不低于50Mpa，典型值为100Mpa。

本发明提出的测试方法，测试时主缸与副缸无需关联动作,测试过程中选择主缸(或副缸)则仅通过控制主缸(副缸)的电机进行转动，从而改变主缸内有机溶剂液体的体积，实现压缩。

进一步的，本发明还提出一种有机溶剂液体压缩率在线测试系统，其特征在于包括：

初始化模块：在液相泵的出口段加入截止阀，将有机溶剂液体通路截断，此时液相回路中的有机溶剂液体压力为零；

压缩模块：控制液相泵中电机进行转动，以改变液相回路内有机溶剂液体的容积，从而实现对有机溶剂液体的压缩，建立液相泵的工作压力环境；

数据采集及压缩量计算模块：通过编码器实时采集电机数据，计算出电机转动角度，换算出泵头柱塞运动的行程，即为有机溶剂液体的压缩量；

压力值实时采集模块：根据液相泵液力端压力传感器实时采集泵头内有机溶剂液体的压力值；

单次压缩率计算模块：将有机溶剂液体的压力值与压缩量进行关联并计算出有机溶剂液体的压缩率；

平均压缩率计算模块：将截止阀打开泄压，令液相回路中的有机溶剂液体压力恢复为零，重新计算压缩率；求取压缩率平均值。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

一种基于微升级体积的有机溶剂液体压缩率在线测试方法，系统运行过程中，液相泵最高压力达120MPa，为保证液相泵输出流量光滑性和A、B泵输出溶剂的浓度比例准确性，混合溶液压缩补偿需在线进行动态调节。因此对溶剂的压缩率进行精确的在线测试。

现以A泵副缸，有机溶剂甲醇为例，柱塞位于后零点，对应编码器值为-498072，初始位移为x₀＝0mm，压力传感器数值P₀＝1.17MPa。

自动控制电机使柱塞前移，读取编码器值为-235929，压缩后柱塞位移值为x₁＝10mm，压力传感器值P₁＝61.07MPa。

柱塞位于初始位置x₀₁所对应编码器值为-445644时，初始位移为x₀₁＝2mm，压力传感器数值P₀₁＝10.52MPa。

自动控制电机使柱塞前移，读取编码器值为-104857，压缩后柱塞位移值为x₁₁＝15mm，压力传感器值P₁₁＝102.03MPa。

重复上述过程，对压缩后不同的位移值进行取点采样记录，并通过计算出，在一定体积V＝500μL时，甲醇压缩率如图3所示。

液相泵项目任务书指标中提出系统流量精度RSD＝0.06％，脉动率为0.3MPa，系统运行最高压力为120MPa。

通过本方法测定的甲醇有机溶剂压缩率，并将其应用于液相泵流量的补偿中，设定为0.5mL/min的流量下进行验证，实测流量精度一致性RSD＝0.04％，脉动率0.223MPa。保证了液相泵流量输送的稳定性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。