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CN110753749A - 用于跟踪容器中的位置和过程参数的传感器装置 - Google Patents

用于跟踪容器中的位置和过程参数的传感器装置 Download PDF

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CN110753749A
CN110753749A CN201880019223.9A CN201880019223A CN110753749A CN 110753749 A CN110753749 A CN 110753749A CN 201880019223 A CN201880019223 A CN 201880019223A CN 110753749 A CN110753749 A CN 110753749A
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sensor
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pressure
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CN201880019223.9A
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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
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Sense Of Freedom Ltd
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Abstract

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。

Description

用于跟踪容器中的位置和过程参数的传感器装置
发明领域
本发明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。
发明背景
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。
发明内容
本发明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。
解决方案基于本发明人的以下发现，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，示出了本发明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，本发明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发明的第一方面的软件算法。
本发明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。
本发明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发明的实施方式。
附图说明
图1：本发明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：传感器装置采样生物反应器中的过程参数的示例。
图3：测量的冲击曲线的一个示例-更多详细信息参见本文的工作示例2。
图4：理论上确定的冲击与实验上确定的冲击的比较-更多详细信息，参见本文的工作示例2。□：理论上确定的壁冲击，○：理论上确定的叶轮冲击。■：实验上确定的壁冲击。●：实验上确定的叶轮冲击。灰色线外的冲击是由冲击引起的瞬时压力增加的结果。
具体实施方式
传感器装置：
传感器装置的整体设计基于壳体(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；
传感器装置的示例如图1所示。
优选地，传感器装置的重量是从1mg到1kg，例如从1g到500g或者例如从2g到250g。
如果传感器装置被成形为球体-则传感器装置的大小是直径从0.1mm到200cm(例如直径从1mm到100cm或者例如直径为从1cm到20cm)的大小。
壳体(10)
传感器装置包括优选地刚性和稳定的、不可变形的壳体部件，该壳体部件可以由生物相容性产品构造，该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。壳体(10)可以具有一个或多个通向外部的开口，从而允许过程参数传感器(2)从外部环境获得过程数据。在一个实施方式中，传感器装置由生物相容性产品制成，该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。
壳体(10)可以被构造为两部分壳，该两部分壳可以打开和关闭以适配过程参数传感器(2)、通信单元(4)、电力管理单元(5)或传感器装置的其他相关组件的类型。然而，它也可以被构造为一个用于一次性使用的封闭体。因此，在一个实施方式中，壳体(10)是2部分形式。在另一个实施方式中，壳体(10)被模制为一体。
壳体(10)通常被构造为水密性和气密性的，以保护内部电子设备免受水和气体的影响。在一个实施方式中，传感器装置是水密性的。在另一个实施方式中，传感器装置是气密性的。
根据传感器装置的使用，壳体(10)可以适应于中性浮力、正浮力或负浮力。它也可以被构造为自浮力，意味着能够将其浮力调整到感兴趣的深度。在一个实施方式中，传感器装置是中性浮力的、正浮力的或负浮力的。在优选实施方式中，传感器装置是自浮力的。
壳体(10)保持有传感器装置操作和收集相关过程参数所需的所有必要元件。这些元件包括但不限于位置确定单元(1)、微控制器单元(3)、电力管理单元(5)、过程参数传感器(2)、通信单元(4)。在一个实施方式中，壳体(10)还包括数据存储单元。
位置确定单元(1)
位置确定单元(1)包括加速度计和压力传感器。
本文合适的压力传感器的示例在本领域中是公知的，并且技术人员知道如何选择合适的压力传感器。
压力传感器可以是从以下构成的组中选择的类型：应变计压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器、压阻式应变计传感器、压电式传感器以及压电电阻桥式传感器。压力传感器可以容纳在壳中，允许其应用于侵蚀性介质。壳可以由包括不锈钢、塑料的材料构造。在一个实施方式中，压力传感器选自于以下构成的组中：应变计压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器、压阻式应变计传感器、压电式传感器以及压电电阻桥式传感器。在另一个实施方式中，压力传感器检测深度。
本文合适的加速度计的示例在本领域中是公知的，并且技术人员知道如何选择合适的加速度计。
现代商用加速度计通常是包括加速度传感器和角速度传感器(即陀螺仪)的小型微机电系统(MEMS)。
在优选实施方式中，项(a)的位置确定单元(1)还包括陀螺仪，并且软件算法还包括以下步骤：(iii)从项(a)的位置确定单元(1)中的陀螺仪采样关于角速度的数据。
优选地，陀螺仪是惯性陀螺仪，例如MEMS陀螺仪。
为了进一步精确传感器装置的定位-位置确定单元(1)还可以包括例如麦克风、磁力计或电容传感器。
位置确定单元(1)还可以包括倾斜传感器、倾斜仪或包括压电传感器、压阻传感器、电容传感器或微机电系统部件的其他装置。
当数据必须在没有另外的噪声劣化的情况下传输时，具有数字输出的传感器是有利的。
所有MEMS陀螺仪都利用了Coriolis效应。运动传感器可以沿着一个运动轴或多个运动轴(例如三个正交轴X、Y以及Z)感测运动。输出可以是模拟的、数字的或与供应电压成比例的，或者是各种类型的脉冲调制中的任何一种。运动传感器通信和/或存储运动数据的速率可以从大约1赫兹(Hz)到大约1kHz变化。然而，可以采用任何速率。在一个实施方式中，加速度计选自惯性传感器，例如MEMS惯性传感器。
微控制器单元(3)
本文合适的微控制器单元(3)的示例在本领域中是公知的，并且技术人员知道如何选择合适的微控制器单元(3)。
优选地，微控制器单元(MCU)用作单个集成电路上的或几个单个集成电路上的小型计算机。微控制器单元(3)可以包括用于执行关于装置的应用程序编程或指令的通用可编程处理器或控制器。此外，它可以执行如本文所描述的用于配置和传输信息的操作。微控制器单元(3)可以具有一个或多个中央处理单元(CPU)或微处理器以及用于数据和计算的RAM、用于启动的ROM、用于程序存储的存储器以及可编程输入/输出外围设备。作为示例，存储器/存储装置可以包括计算机可读装置、RAM、ROM、DRAM、SDRAM和/或其他存储装置以及介质。CPU控制程序执行和用于与板载传感器通信的许多外围设备。软件算法是程序的一部分并且优选地驻留在存储器中。定时器用于定时外部事件、周期性地生成事件以及用于生成脉宽调制(PWM)信号。举例来说，MCU可以包括专门配置的专用集成电路(ASIC)或其他集成电路、数字信号处理器、控制器、硬连线电子设备或逻辑电路、可编程逻辑装置或门阵列、专用计算机等。在一个实施方式中，微控制器单元(MCU)包括微处理器作为用于数据处理的装置(means)。
电力管理单元(5)
本文合适的电力管理单元(5)的示例在本领域中是公知的，并且技术人员知道如何选择合适的电力管理单元(5)。
根据系统的总体状态，传感器装置可以取决于不同的电力消耗。传感器装置的不同单元可以单独断电以节省电力。电力管理单元(5)可以是能够在一段时间内存储电力的任何类型的单元，诸如可充电电池(例如，镍镉或“NiCd”、镍金属氢化物或“NiMH”、锂离子或“Li离子”、密封铅酸或“SLA”)、电容器、基于势能的电力存储单元、基于化学能的电力存储单元、基于动能的电力存储单元或其一些组合。本文对传感器装置的“电池”的引用应被理解为指的是这些类型的电力存储单元中的任何一个。电力管理单元(5)还可以包括嵌入式传感器和/或处理器。例如，一些可充电电池(例如，大多数现代的锂离子可充电电池)包括传感器和处理器，它们一起工作以限制或以其他方式控制可充电电池的放电和充电，以有助于保持或延长电池的寿命、或有助于防止在可充电电池放电或充电时形成潜在危险情况。在一个实施方式中，传感器装置包括电力管理单元(5)。在另一个实施方式中，电力管理单元(5)包括电池，例如可充电电池。
过程参数传感器(2)
本文合适的过程参数传感器(2)的示例在本领域中是公知的，并且技术人员知道如何选择关于感兴趣的过程参数(例如，pH、温度、氧气水平等)的合适的过程参数传感器(2)。
技术人员知道哪些传感器可以适用于在例如发酵过程或例如水净化期间监测例如大型器皿中的不同过程参数。
在优选实施方式中，过程参数传感器(2)是能够测量由：温度、盐、氧气、二氧化碳、气体、pH、介质组分(例如糖(例如葡萄糖)、氨基酸以及代谢物(例如乳酸盐、醋酸盐、乙醇))的量组成的参数组中的至少一个参数的传感器。
优选地，过程参数传感器(2)是能够测量由：温度、氧气以及pH组成的参数组中的至少一个参数的传感器。
优选地，过程参数传感器(2)可以测量至少两个参数-例如温度和pH。
其他重要的过程参数可能是细胞大小、细胞数目以及细胞聚集。可用于测量这些过程参数的不同传感器的示例包括光传感器、荧光传感器、电导率传感器、光学传感器、温度传感器、压力传感器、pH传感器、浊度传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器、线性传感器阵列、相控传感器阵列以及任何其他适当类型和/或布置的传感器。此外，传感器也可以是相机和光散射设备的形式。在一个实施方式中，过程参数传感器(2)包括从由pH传感器、氧气传感器、折射率传感器、细胞密度传感器以及温度传感器组成的组中选择的一个或多个传感器。
通信单元(4)
本文合适的通信单元(4)的示例在本领域中是公知的，并且技术人员知道如何选择合适的通信单元(4)。
通信单元(4)适合于与用户接口通信-如技术人员所理解的，这对于测量的过程参数可以被用户接口接收(例如，放置在包括液体介质的容器(例如，具有发酵液体介质的生物反应器)外部的计算机或屏幕)是必要的。
通信单元(4)可以包括发送器和接收器，其可以分别向其他无线装置发送信号和从其他无线装置接收信号。它还包含多个用于无线通信的天线，例如多输入多输出(MFMO)通信、
Figure BDA0002206434840000121
等。天线可以包括但不限于定向天线、全向天线、单极天线、贴片天线、环形天线、微带天线、偶极以及适合于通信发送/接收的任何其他天线。
通信单元(4)还可以可选地包括安全模块。该安全模块可以包括关于但不限于将装置连接到接入点或其他装置或其他可用网络所需的安全参数的信息，并且可以包括WEP或WPA安全访问密钥、网络密钥等。WEP安全访问密钥是Wi-Fi网络使用的安全密码。此代码的了解将使无线装置能够与接入点交换信息。由于网络管理员通常选择WEP访问代码，信息交换可以通过编码消息进行。WPA是一种附加的安全标准，其还与网络连接一起使用，加密比WEP更强。在一个实施方式中，通信是无线的。在另一个实施方式中，位置确定单元(1)、微控制器单元(3)、电力管理单元(5)、过程参数传感器(2)以及通信单元(4)组装在一个印刷电路板(PCB)上。
软件算法本身(as such)
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，基于本文的教学和技术人员的公知常识，技术人员的常规工作是构造本发明的第一方面的软件算法。
在本文的工作示例中，提供了用于构造本文所描述的软件算法的合适的优选相关的实际数学(例如，基于积分的数学)和特定软件语言的示例的讨论。
软件算法-步骤(i)从位置确定单元(1)采样数据
这可以根据现有技术来完成-技术人员知道如何采样关于感兴趣的参数的数据-例如从位置确定单元(1)使用的传感器获得的压力和/或加速度。
软件算法-步骤(iia)确定浸没深度和垂直位置
如上所讨论的-第一方面的步骤(iia)涉及基于在步骤(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。这可以根据现有技术来完成-例如，如Thiele等人2010年在上面讨论的文章中所讨论的。
软件算法-步骤(iib)确定水平位置
如上所讨论的-第一方面的步骤(iib)涉及基于在步骤(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。
如上所讨论的，这是本发明的新颖的必要步骤。实质上，本发明人识别出第一(搅拌器)加速度曲线与第二(壁)加速度曲线之间的差异足够大以便被适当地测量(例如在生物反应器中)，并且从而被用于通过使用合适的软件算法来区分传感器装置与壁或搅拌器的接触/冲击。
软件算法-具有陀螺仪的传感器装置
在优选实施方式中，第一方面的传感器装置是其中项(a)的位置确定单元(1)还包括陀螺仪的传感器装置，并且软件算法还包括以下步骤：(iii)从项(a)的位置确定单元(1)中的陀螺仪采样关于角速度的数据；以及(iv)：经由第一方面的项(b)的微控制器单元(3)确定传感器装置的位置，其中通过使用在第一方面的步骤(iib)中确定的当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的壁时的先前确定的位置，来计算传感器装置的当前位置的过程，第一方面的步骤(i)中采样的加速度计数据和步骤(iii)中采样的陀螺仪数据连续地计算移动的传感器装置在容器的液体介质内的位置、定向以及速度(移动方向和速度)。
如技术人员所理解的，步骤(iv)的采样数据用于连续计算移动传感器装置的位置、取向以及速度(移动方向和速度)。
如本领域所知的-在例如导航、航位推算或航位推算法(也被称为推导推算或DR)中是通过使用先前确定的位置计算物体的当前位置的过程-即，导航航位推算已知的方法在本文中可以被视为适用于以上步骤(iv)的相关方法。
使用传感器装置用于测量容器中的过程参数：
如上所讨论的，本发明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。
如本领域所知的-合适的搅拌器的示例是叶轮。因此，在本发明的实施方式中，搅拌器是叶轮。
优选地，容器(例如，生物反应器)是包括至少100L液体介质(例如至少1000L液体介质)的容器。
容器的液体介质可以优选包括感兴趣的多肽，例如感兴趣的蛋白质(例如感兴趣的酶)。
优选地，容器是生物反应器。当容器是生物反应器时，液体介质优选是发酵液体介质，其中，可以优选将生物反应器用于微生物(例如细菌、真菌、酵母或哺乳动物细胞)的生长。
优选地，微生物的生长是用于重组生产感兴趣的多肽，例如感兴趣的蛋白质(例如受关注的酶)。
在优选实施方式中，容器是圆柱形的。使用圆柱形容器的优点是组合物(例如O2的量和pH水平)在一个浸没深度(垂直位置)和距离例如容器的壁(水平位置)的相同距离处相似。
如本文所使用的，术语“生物反应器”指的是支持生物活性环境的任何装置或系统。在一种情况下，但不限于此，生物反应器是其中进行涉及生物体或衍生自这些生物体的生化活性物质的化学过程的容器或器皿。这个过程可以是需氧气的或是厌氧的。生物反应器通常是圆柱形的，大小从几升到立方米变化，并且通常由不锈钢制成但是也可以由其他材料(例如一次性材料)制成。
生物反应器还可以指用于在细胞培养的环境(context)中生长细胞或组织的装置或系统。根据操作模式，生物反应器可以分类为分批、补料分批或连续(例如，连续搅拌槽反应器模型)。生物反应器的一个示例是恒化器。生物反应器可以配备有一个或多个用于向细胞供应新的新鲜或浓缩的介质的入口，并且配备有一个或多个用于收获产品或排空生物反应器的出口。另外，生物反应器可以配备有至少一个出口，该出口以分离装置可以附接到生物反应器的方式构造。典型地，可以密切监视和控制生物反应器的环境条件，例如气体(即，空气、氧气、氮气、二氧化碳)流速、温度、pH和溶氧水平以及搅拌速度/循环速率。
一种用于确定传感器装置的位置的方法：
如上所讨论的，本发明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，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。
以上描述了各个步骤的优选实施方式。
示例
示例1：软件算法
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，基于本文的教学和技术人员的公知常识，技术人员的常规工作是制作本发明的第一方面的软件算法。
下面提供了用于制作本文所描述的软件算法的合适的优选相关实际数学(例如，基于积分的数学)和特定软件语言的示例的讨论。
所开发的定位算法来源于行人惯性导航的文献。在一段时间间隔内从位置确定单元(1)输出的原始数据(在3轴上的加速度和角速度)用于获得粒子的位置。由加速度计测量的加速度[m/s/s]被积分两次以获得在一个周期内行进的距离[m]，而测量角速度[rad/sec]的陀螺仪需要积分一次以获得旋转[rad]。在集成原始数据之前，必须执行以下操作。
1.需要重力补偿(从加速度计输出减去重力加速度)。在做减法之前，IMU的坐标(物体坐标)必须面向与“世界坐标系”或“导航坐标系”相同的方向。这需要通过使用四元数来执行旋转操作。四元数是表示旋转的一种方便方式，并且可以容易地转换为旋转矩阵或欧拉角[1]。第一步骤表示如下：
an＝Rnfn-g
其中，an是世界坐标系中的加速度，Rn是旋转矩阵，fn是测量的加速度(比力)，以及g是重力加速度矢量，g＝[009.81]T。n指的是当前状态。
2.世界坐标系中的加速度an现在可以在采样周期内积分两次以获得该位置。
3.MEMS传感器非常灵敏，并且来自二重积分的误差快速累积。通过使用描述相同变量的独立输入可以抑制这些误差。这方面的一个示例是零速度修正(ZUPT)[2]。ZUPT利用没有或几乎没有运动的力矩来校正计算出的速度。
此外，有多种方法可以获得更好的位置估计。在该算法中，通过[4]的基于状态和模型的卡尔曼滤波器[3]被用于获得包括噪声和测量的偏差的最佳估计。滤波器使用基本的运动力学方程，
vn＝vn-1+anTs, (2)
其中，p是位置，v是速度，a是加速度，以及Ts是采样周期。角度通过以下更新：
qn＝Ω(ωnTs)qn-1,
其中，qn和qn-1分别是描述当前状态和先前状态下的旋转的四元数。ωn是包含通过陀螺仪测量获得的输入角的矢量，以及Ω是四元数更新矩阵。模型中使用的状态矢量是：
xn＝[px.n py,n pz,n vx,n vy,n vz,n θr,n θp,n θy,n]T
其中，p和v从等式1和等式2计算，和θr、θp以及θy分别是从四元数、滚转、俯仰以及偏航转换的欧拉角。可以在短采样周期内假设加速度恒定或者可以使用线性近似。通过使用观测矩阵中的速度的伪测量来应用ZUPT。伪测量值为零，其中加速度测量增加了一些噪声。另外，通过压力传感器获得的z坐标添加到该矩阵中以便获得更好的pz的估计。测量矢量z变为：
z＝[pz vx,pseudo vy,pseudo vz,pseudo]T
速度的伪测量仅应用于没有运动或可忽略的运动的周期，而对于pz的校正则应用于每种状态。作为替代，如果绝对深度(密度)未知，但是可以假定密度恒定，则可以从压力测量计算z速度分量。如果根本没有运动(即没有移动和没有旋转)，则由于重力加速度的方向，也可以校正滚转和俯仰。该算法还将与发酵槽的壁冲击时的位置重置为p＝[0 0 pz]，这使得轨迹而不是绝对位置作为输出。
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示例2：生物反应器中传感器装置的测试
传感器装置是如图1a所示的传感器装置，包括(使用图1b的框图的编号)：
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。
如本领域所知的-相关电子设备组件(例如传感器)是可市售的-例如，在Farnell公司的网站(www.farnell.com)上。
关于(a)-加速度计是来自Analog装置的可市售的ADXL375，并且压力传感器是来自TE Connectivity的可市售的MSS5803-05。
关于(b)-微控制器单元(3)是包括具有用于数据和计算的RAM的标准MCU、用于启动的ROM、用于程序存储和列表的闪存、用于程序执行的CPU以及用于与板载传感器通信的许多外围设备等的微控制器单元。软件算法是程序的一部分并且驻留在闪存中。定时器用于定时外部事件、周期性地生成事件以及用于生成PWM信号。
关于(c)-电力管理单元(5)是包括电池和多个电压调节器的电力管理单元。通常来说，根据系统的总体状态，电力管理单元可以是不同的电力单元。模块可以单独断电以节省电力并且仅为所需的传感器、内部装置等供电。
关于(d)-过程参数传感器(2)是两个传感器-一个能够测量温度，并且一个能够测量pH。温度传感器包括在上面所描述的可市售的压力传感器中并且pH传感器是基于酸度计ISFET技术的传感器。
关于(e)-通信单元(4)，适于基于无线通信与用户接口通信。该单元包含用于与外界进行无线通信的无线电收发器和天线。
传感器装置在直径为0.92m的1m3生物反应器中进行测试。在生物反应器中填充0.66m3的纯水以达到1m的液体高度。液体通过两个间隙约为0.35m、直径为0.3m、以及转速为175rpm的Rushton涡轮机(即叶轮)搅拌。
传感器装置的(b)中的软件算法是能够：(iia)基于采样的压力数据确定传感器装置在生物反应器的液体介质中的浸没深度，并且从而确定传感器装置在生物反应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)：基于采样的加速度计数据确定传感器装置在生物反应器的液体介质中的水平位置，其中第一加速度曲线是从接触搅拌器/叶轮的传感器装置得到，并且第二加速度曲线是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容器的壁。
下面讨论本文软件算法的相关细节。
软件算法被配置为测量3200Hz时的冲击和100Hz时的压力的加速度曲线。
处理冲击加速度计曲线以区分壁冲击与叶轮冲击。该差异是基于加权平均值p中的阈值，由以下给出：
Figure BDA0002206434840000221
p的值由模糊逻辑算法计算，其中，α、β、γ以及δ是权重参数并且a、b、c以及d是加速度曲线的形状的函数。图3示出了测量的冲击曲线的示例。
图4示出了通过算法理论上确定的壁和叶轮的冲击与通过目视检查确定的相应冲击的比较。几何图形的正确匹配表示正确的判断。灰色线是可用于计算浸没深度(即垂直位置)的测量的压力。可以看出，该算法具有相当高的成功率，该算法可以通过调整算法进一步优化。
总之，传感器装置的算法能够基于采样的加速度计数据来确定传感器装置在生物反应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/叶轮或接触容器的壁。
如上所讨论的，传感器装置包括两个过程参数传感器(2)-一个能够测量温度并且一个能够测量pH。连续测量这两个参数并且将其与传感器的位置相关联-即针对传感器装置在生物反应器的液体介质中的特定位置获得特定的温度/pH参数。显然，这些信息对于例如生物反应器的发酵/生长条件的优化非常有用。
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Claims (16)

1.一种传感器装置，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感器装置，其中，所述过程参数传感器(2)包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器选自由pH传感器、氧气传感器、折射率传感器、细胞密度传感器以及温度传感器组成的组。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述传感器装置被成形为球体和/或所述传感器装置的大小是直径从1mm到100cm的大小。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述压力传感器选自由应变计压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器、压阻式应变计传感器、压电式传感器以及压电电阻桥式传感器组成的组。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述加速度计选自惯性传感器，例如MEMS惯性传感器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，所述电力管理单元(5)包括能充电电池和/或其中，所述通信单元(4)是无线的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中，权利要求1的所述软件算法是驻留在所述微控制器单元(3)的存储器中并且由所述微控制器单元(3)的中央处理单元(CPU)执行的程序的一部分。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的传感器装置的使用，用于测量包括液体介质、壁以及搅拌器的容器中的位置和过程参数。
13.根据权利要求12所述的使用，其中，所述搅拌器是叶轮，并且所述容器的所述液体介质包括感兴趣的多肽。
14.根据权利要求12至13中任一项所述的使用，其中，所述容器是生物反应器，并且所述生物反应器包括至少100L的液体介质，并且所述液体介质是发酵液体介质并且所述生物反应器用于微生物的生长，并且所述微生物的生长是用于重组生产感兴趣的多肽。
15.根据权利要求12至14中任一项的使用，其中，所述容器是圆柱形。
16.一种用于确定权利要求1至11中任一项所述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，所述方法包括以下步骤：
(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。
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