用于跟踪容器中的位置和过程参数的传感器装置制造方法及图纸

一种用于跟踪容器(例如，生物反应器)中的位置和过程参数的新型传感器装置。传感器包括包含加速度计和压力传感器的位置确定单元、包含用于确定传感器的位置的软件算法的微控制器、电力管理单元、过程参数传感器以及通信单元。

Sensor device for tracking the position and process parameters in the container

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于跟踪容器中的位置和过程参数的传感器装置专利
本专利技术涉及一种用于跟踪容器(例如，生物反应器)中的位置和过程参数的新型传感器装置。专利技术背景在大型器皿(vessels)(例如大型槽、反应器、发酵罐以及生物反应器)中的过程参数的采集对于工业过程的研究和优化具有重要意义。对于生物反应器尤其如此，其中，多个过程参数(例如温度曲线、pH的分布、氧气水平、生物量的生长速率、基板中的气液比例以及流动特性(例如速度曲线、死区位置)都是操作员感兴趣(interest)的。对一些基本物理参数(例如温度和局部速度)的测量允许得出关于混合和加热制度的效率的结论，但是在较大的器皿中空间参数分布的采集是相当困难的。此外，因为传感器安装或电缆连接不可行或不理想，所以反应器器皿中的重要参数的测量和监测受到对过程本身的有限接入的阻碍。因此，由于许多工业器皿的尺寸大，所以采集的数据可能无法完全代表整个体积。近年来，遥感和自主传感器的概念得到了越来越多的关注。例如，Thiele等人2010年的文章描述了一种用于包括温度、绝对压力(即浸没深度)以及加速度数据的过程参数的测量的中性浮力的自供电传感器粒子。在Thiele的文章中，基于采样的压力数据确定传感器装置在容器的液体介质中的浸没深度，并且从而确定传感器装置在容器的液体介质中的垂直位置，其中在较高的压力与传感器装置在容器的液体介质中的增加的浸没深度相关的意义上，压力与深度相关。在Thiele的文章中，还基于采样的加速度计数据确定传感器装置在容器的液体介质中的一个水平位置，其中特征加速度曲线从接触叶轮/搅拌器的传感器装置得到。此外，Reinecke等人的文章描述了一种粒子传感器，其中位置确定是基于应用于生物反应器的电阻层析成像系统(ERT)。这种系统基于电导率测量并且仅允许从外部观察粒子。因此，在Reinecke等人的文章中，粒子的检测不是基于加速度，而是由来自ERT测量的波动电导率信号的下降之间的时间差来计算。
技术实现思路
本专利技术要解决的问题是提供一种用于跟踪容器(例如，生物反应器)中的过程参数(例如，pH、温度等)的改进的传感器装置。解决方案基于本专利技术人的以下发现，即在包括液体介质、壁以及搅拌器(例如叶轮)的容器(例如生物反应器)中，基于可以将传感器装置接触容器的壁时得到的加速度曲线与传感器装置接触搅拌器时得到的加速度曲线区分开的发现，尤其可以显著地改进传感器装置在容器内的水平位置的确定精度。基于该发现，然后可以构造软件算法，该软件算法能够识别该加速度差异，并且从而确定装置何时接触搅拌器或接触容器的壁，并且从而获得传感器装置在搅拌器附近或壁附近的位置。因此，关于水平位置，如本文所描述的传感器装置能够确定传感器装置在容器的液体介质中的两个不同的水平位置-即，当它接触壁时和当它接触搅拌器时。如上所讨论的，Thiele等人的文章的传感器仅确定传感器装置在容器的液体介质中的一个水平位置。如本文所讨论的，如本文所描述的传感器装置能够确定两个不同的水平位置(即，当它接触壁时和当它接触搅拌器时)的事实总体具有显著的优点。例如，关于本文的优选的实施方式，其中，传感器装置还包括关于角速度的陀螺仪采样数据，这样可以获得移动传感器装置在液体介质内的位置、定向以及速度(移动方向和速度)的显著改进的确定精度，因为具有两个明确限定的先前确定的位置(即，当接触壁或搅拌器时)以用于通过使用装置接触搅拌器时的先前确定的位置以及当装置接触容器壁时的先前确定的位置来计算传感器装置当前位置的过程中。在本文的工作示例中，示出了本专利技术的传感器装置的示例，在生物反应器容器中的发酵反应的不同时间段期间计算传感器装置的位置并且测量相关的发酵反应参数(例如温度和pH水平)的过程。因此，本专利技术的第一方面涉及一种传感器装置，包括壳体(10)，其中，壳体(10)包括：(a)位置确定单元(1)，包括加速度计和压力传感器，(b)微控制器单元(3)，包括被配置为用于确定传感器装置的位置的软件算法，(c)电力管理单元(5)，(d)过程参数传感器(2)，以及(e)通信单元(4)，适合于与用户接口通信；以及其中，(b)中的软件算法可以确定传感器装置在包括液体介质、壁以及搅拌器的容器中的位置，其中，该算法是包括以下步骤的算法：(i)从项(a)的位置确定单元(1)采样关于压力和加速度的数据；以及(iia)基于在步骤(i)中采样的压力数据确定传感器装置在容器的液体介质中的浸没深度，并且从而确定传感器装置在容器的液体介质中的垂直位置，其中在较高的压力与传感器装置在容器的液体介质中的增加的浸没深度相关的意义上，压力与深度相关；以及(iib)：基于在步骤(i)中采样的加速度计数据确定传感器装置在容器的液体介质中的水平位置，其中，第一加速度曲线从接触搅拌器的传感器装置得到，并且第二加速度曲线从接触容器的壁的传感器装置得到，并且其中第一加速度曲线和第二加速度曲线是不同的，并且算法能够识别该差异，并且从而确定装置何时接触搅拌器或接触容器的壁。传感器装置的示例如图1所示-第一方面中的非限制性编号指的是该图1。术语“搅拌器”在本领域中是公知的，并且在本上下文中被技术人员理解为与通过旋转移动液体介质的旋转组件相关。如本领域所知的-合适的搅拌器(agitator)的一个示例是叶轮(impeller)。用于构造第一方面的软件算法的实际数学(例如，基于积分的数学)和特定软件语言可以被视为基于标准公知的数学和软件语言-即，基于本文的教导和技术人员的公知常识，技术人员的常规工作能够构造本专利技术的第一方面的软件算法。本专利技术的第二方面涉及第一方面及其相关实施方式的传感器装置的使用，用于测量在包括液体介质、壁以及搅拌器的容器中的位置和过程参数。本专利技术的第三方面涉及一种用于确定第一方面及其任何相关实施方式的传感器装置在包括液体介质、壁以及搅拌器的容器中的位置的方法，该方法包括以下步骤：(i)从项(a)的位置确定单元(1)采样关于压力和加速度的数据；以及(iia)基于在步骤(i)中采样的压力数据确定传感器装置在容器的液体介质中的浸没深度，并且从而确定传感器装置在容器的液体介质中的垂直位置，其中在较高的压力与传感器装置在容器的液体介质中的增加的浸没深度相关的意义上，压力与深度相关；以及(iib)：基于在步骤(i)中采样的加速度计数据确定传感器装置在容器的液体介质中的水平位置，其中，第一加速度曲线从接触搅拌器的传感器装置得到，并且第二加速度曲线从接触容器的壁的传感器装置得到，并且其中第一加速度曲线和第二加速度曲线是不同的，并且算法能够识别该差异，并且从而确定装置何时接触搅拌器或接触容器的壁。下面仅通过示例的方式描述本专利技术的实施方式。附图说明图1：本专利技术的传感器装置的一个示例。在图1a中示出了两部分形式的传感器装置的示例-该传感器在本文的示例2中使用。在图1b中示出了传感器装置的电子设备的框图。图2：传感器装置采本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传感器装置，包括壳体(10)，其中，所述壳体(10)包括：/n(a)位置确定单元(1)，包括加速度计和压力传感器，/n(b)微控制器单元(3)，包括被配置为用于确定所述传感器装置的位置的软件算法，/n(c)电力管理单元(5)，/n(d)过程参数传感器(2)，以及/n(e)通信单元(4)，适合于与用户接口通信；以及/n其中，(b)中的所述软件算法能够确定所述传感器装置在包括液体介质、壁以及搅拌器的容器中的所述位置，其中算法是包括以下步骤的算法：/n(i)从项(a)的所述位置确定单元(1)采样关于压力和加速度的数据；以及/n(iia)基于在步骤(i)中采样的压力数据确定所述传感器装置在所述容器的液体介质中的浸没深度，并且从而确定所述传感器装置在所述容器的液体介质中的垂直位置，其中在越高的压力与所述传感器装置在所述容器的液体介质中的增加的浸没深度相关的意义上，压力与深度相关；以及/n(iib)：基于在所述步骤(i)中采样的加速度计数据确定所述传感器装置在所述容器的液体介质中的水平位置，其中第一加速度曲线从接触所述搅拌器的所述传感器装置得到，并且第二加速度曲线从接触所述容器的壁的所述传感器装置得到，并且其中所述第一加速度曲线和所述第二加速度曲线是不同的，并且所述算法能够识别该差异，并且从而确定装置何时接触所述搅拌器或接触所述容器的壁。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170322 EP 17162273.11.一种传感器装置，包括壳体(10)，其中，所述壳体(10)包括：
(a)位置确定单元(1)，包括加速度计和压力传感器，
(b)微控制器单元(3)，包括被配置为用于确定所述传感器装置的位置的软件算法，
(c)电力管理单元(5)，
(d)过程参数传感器(2)，以及
(e)通信单元(4)，适合于与用户接口通信；以及
其中，(b)中的所述软件算法能够确定所述传感器装置在包括液体介质、壁以及搅拌器的容器中的所述位置，其中算法是包括以下步骤的算法：
(i)从项(a)的所述位置确定单元(1)采样关于压力和加速度的数据；以及
(iia)基于在步骤(i)中采样的压力数据确定所述传感器装置在所述容器的液体介质中的浸没深度，并且从而确定所述传感器装置在所述容器的液体介质中的垂直位置，其中在越高的压力与所述传感器装置在所述容器的液体介质中的增加的浸没深度相关的意义上，压力与深度相关；以及
(iib)：基于在所述步骤(i)中采样的加速度计数据确定所述传感器装置在所述容器的液体介质中的水平位置，其中第一加速度曲线从接触所述搅拌器的所述传感器装置得到，并且第二加速度曲线从接触所述容器的壁的所述传感器装置得到，并且其中所述第一加速度曲线和所述第二加速度曲线是不同的，并且所述算法能够识别该差异，并且从而确定装置何时接触所述搅拌器或接触所述容器的壁。


2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，项(a)的所述位置确定单元(1)还包括陀螺仪，并且所述软件算法还包括以下步骤：
(iii)从项(a)的所述位置确定单元(1)中的所述陀螺仪采样关于角速度的数据；以及
(iv)：经由权利要求1的项(b)的所述微控制器单元(3)确定所述传感器装置的位置，其中，在权利要求1的所述步骤(i)中采样的加速度计数据和在步骤(iii)中采样的陀螺仪数据，通过使用如在权利要求1的步骤(iib)中确定的当所述装置接触所述搅拌器时的先前确定的位置以及当所述装置接触所述容器的壁时的先前确定的位置来计算所述传感器装置的当前位置的过程，连续地计算移动的所述传感器装置在所述容器的液体介质内的位置、定向以及速度(移动方向和速度)。


3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述壳体(10)为两部分形式。


4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述壳体(10)由生物相容性产品制成，所述生物相容性产品包括金属、木材、竹子以及塑料，例如包括聚醚醚酮(PEEK)和聚芳醚酮(PAEK)的有机热塑性聚合物塑料。


5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述壳体(10)包括数据存储单元和/或所述传感器装置的重量为1g到500g。


6.根据前述权利要求中任一项所述的传...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉斯·瓦埃韦尔·彼得森，奥勒·斯基格布耶格，安德斯·诺雷加德，杰斯珀·布赖德·雅各布森，
申请(专利权)人：自由感有限公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK