Аспирант Вздулева Н.О.,

д.т.н., профессор Гитлин В.Б.

Ижевский государственный технический университет

имени М.Т. Калашникова, Россия

Поддержание температурного режима

термостата колонок хроматографа

В основе работы хроматографа [1] лежит хроматографическое разделение смесей веществ. Газовый хроматограф [1],[2] предназначен для качественного и количественного анализа смесей органических и некоторых неорганических газов и жидкостей, перегоняющихся без разложения в области температур до 320 методами газовой хроматографии.

Температура хроматографической колонки является существенным контролируемым параметром. Стабилизация температуры повышает точность количественных измерений хроматографа. Влияние температуры на времена удерживания анализируемой смеси в колонке можно грубо охарактеризовать следующим правилом: время удерживания отдельно взятого компонента пробы будет уменьшаться на 1-3% с увеличением температуры колонки на 1 градус.

Полезный сигнал хроматографа представляет собой последовательность пиков гауссовой формы. Общий вид хроматограммы представлен на рис. 1

По расположению пика на временной оси сигнала хроматографа, идентифицируют компоненты, содержащиеся в смеси. По площади пиков оценивают количество компонента. Разделение одной пары пиков может улучшаться при повышении рабочей температуры колонки, тогда как селективность разделения соседних пиков может ухудшаться. Тем не менее, контроль температуры разделительной колонки является мощным инструментом в руках аналитика при разделении сложных многокомпонентных смесей. Соответствует действительности также и другое положение: если температура аналитической колонки не контролируется, то есть опасность испортить даже самым тщательным образом разработанный метод разделения.

Рис.1. Хроматограмма тестовой смеси предельных углеводородов

1 – октан, 2 – декан, 3 – ундекан, 4 – додекан, 5 – тридекан,

6 – тетрадекан, 7 – пентадекан, 8 – гексадекан,

растворитель – гексан.

Действующая система управления использует релейный тип управления нагревателем путём включения и выключения нагревателя на заданное время с нужной периодичностью. Нагреваемым элементом является спираль. Принятие решения о включении нагревателя производится путем расчета управляющего значения по формуле:

, (1)

где - температура в момент времени измерения n.

отклонение текущей температуры от заданной;

,,- коэффициенты ПИД регулирования, подбираемые эмпирически.

Коэффициенты ,, зависят от конкретного исполнения нагревательных элементов, от качества термоизоляции, от материала корпуса термостата и изменяются от прибора к прибору. Наличие всех этих факторов приводит к тому, что выбор значений коэффициентов для производства хроматографа становится искусством.

Для устранения указанного недостатка было решено перейти к релейному управлению процесса нагрева колонок хроматографа на основе времяимпульсного метода, когда интервал времени нагревания остается постоянным, а интервал до следующего включения нагревательного элемента изменяют таким образом, чтобы поддержать требуемую стабильность заданной температуры в термостате. Такой подход позволяет упростить систему управления нагревательным элементом. Однако не ясно, сможет ли обеспечить такой метод управления требуемую стабильность заданной температуры. С целью оценки характеристик предлагаемого метода управления нагревателями были проведены следующие исследования.

Результаты предварительных экспериментов показали, что в диапазоне температур до 240 ºС требуемые параметры поддержания температуры обеспечиваются при частоте дискретизации 20 Гц. Большие температуры термостата требуют большего времени нагрева, которое может быть обеспечено снижением частоты дискретизации до 10 Гц. Более широкий диапазон рабочих температур должен быть связан с изменением параметров закона управления термостатом.

Для обеспечения требуемой точности поддержания температуры в изотермическом режиме работы прибора во всем рабочем диапазоне температур предлагается использовать 3 параметра управляющей системы:

1. Отклонение текущей температуры от заданной . Значения , обеспечивающие минимальное отклонение текущей температуры от заданной, различны для различных температур. Это связано со скоростью теплообмена на разных температурах.

2. Минимальное значение скважности нагревающих импульсов (), которое обеспечивает способность выхода термостата на заданную температуру за заданное время. Параметр определяется как отношение интервала времени между поступлением нагревающих импульсов к их длительности.

3. Предельное значение скважности нагревающих импульсов, обеспечивающие защиту системы от переохлаждения ().

Необходимость ограничения времени охлаждения объясняется инерционностью нагревателя, когда слишком большое время охлаждения, полученное исходя из расчета и не учитывающее в полной мере инерционность нагревателя, приводит к излишне большому снижению температуры.

В работе [4] изложен выбор параметров для алгоритма релейного управления термостатом колонок хроматографа. На рис 2(а,б) и 3(а,б) представлены результаты сравнительных экспериментов по оценке стабильности температуры термостата, определяемой алгоритмом управления с использованием формулы (1) (рис.2,б и 3,б) и алгоритмом релейного управления (рис.2,а и 3,а), учитывающего нелинейный характер зависимости и необходимость изменения параметров закона регулирования от поддерживаемой в термостате температуры.

Рис 2.а Новый алгоритм релейного управления.

Рис 2.б Старый алгоритм поддержания температуры.

Рис 3.а Новый алгоритм релейного управления.

Рис 3.б Старый алгоритм поддержания температуры.

Литература:

1. Айвазов Б. В. Введение в хроматографию. М.: Высш. шк., 1983.

2. Винарский В. А. Хроматография: Курс лекций в двух частях: Часть 1. Газовая хроматография. Мн: БГУ, 2002. – 192 с.

3. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического управления. Изд. 4-е перераб. и доп. – СПб., Изд-во «Профессия»,2003. – 752с.

4. Вздулева Н.О., Гитлин В.Б. Поддержание температурного режима колонок хроматографа путем изменения скважности управляющих импульсов // Вестник ИжГТУ, Ижевск: Издательство ИжГТУ, – 2012. –№ 3, – С. 111-113.