[发明专利]用于跟踪容器中的位置和过程参数的传感器装置

说明书

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。

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。