與傳感裝置一起使用的轉換器的製作方法

2023-10-17 05:19:19

專利名稱：與傳感裝置一起使用的轉換器的製作方法
與傳感裝置一起使用的轉換器該申請要求2009年4月15日提交的美國臨時專利申請No. 61/169，415的優先權， 其公開通過引用全文結合於本文。
背景技術：
例如製藥業等許多行業使用傳感裝置以監測特別事件的進展或結果。常常，這些 傳感裝置用於向控制器提供輸入，該控制器然後基於該輸入改變它的輸出。控制器的輸出 典型地用於影響、作用於或控制該特別事件。例如，在生物反應中，監測和控制許多反應特性(包括但不限於溫度、pH、氧濃度 或其他參數)可能是重要的。因此，已經開發裝置以感測這些特性。存在有眾多PH傳感器、 溶解氧傳感器和溫度傳感器。然而，儘管傳感特性是重要的，能夠隨時間監測和追蹤這些特性是同樣重要的。另 外，使用這些特性以確定進一步的動作是重要的。例如，圖1示出閉環控制系統的簡單示 例，其可以與生物反應器一起使用。在該圖中，溫度傳感器10可用於監測在反應室20內發 生的特別反應的溫度。基於溫度傳感器10的輸出，與該傳感器10通信的控制器30可改變 加熱元件40的輸出。這樣，如果反應室內的溫度必須在規定的溫度範圍內，則控制器30可 以使用傳感器10和加熱元件40，與軟體控制環聯合以確保滿足這些條件。另外，傳感器10可與其他裝置通信。例如，PH傳感器的輸出可與控制器、記錄裝 置和/或數據存儲裝置通信。附連的裝置隨時間對特定傳感器的輸出採樣。該採樣步驟可 定期執行，例如以固定時間間隔執行。在其他實施例中，該採樣步驟以偶發間隔執行，或基 於其他外部事件來執行。在數據記錄器的情況下，簡單地存儲採樣的值，其通常具有關聯的時間戳，使得可 以生成該特性在一段時間期間的圖表。在控制器的情況下，對值採樣使得可以執行糾正動 作。例如，如上文描述的，在溫度傳感器的情況下，控制器可與加熱元件通信，使得如果溫度 讀數低於預定閾值，則控制器驅動加熱元件。響應於PH或溶解氧讀數可以採取相似的動作。最常見的溶解氧傳感器中的一個已知是極譜法傳感器(polarographic sensor) 0 代表性的傳感器在圖2中示出。傳感器100包括氧可以通過其中的膜120。它還包括陰極 130和陽極160。在一些實施例中，陰極130由例如鉬等導電材料製成。在一些實施例中， 陽極160由例如金或銀等導電材料製成。這兩個導電部件由例如玻璃等絕緣體140分隔。 外部裝置在陰極130和陽極160之間提供電壓電勢，例如600和SOOmV之間。運行中，氧分子擴散通過膜120。這些分子在陰極130的表面被還原，例如根據下 列方程式02+2H20+4e" — 40F在陽極，發生氧化反應，由此產生電子。這些電子朝陰極130移動，由此生成與氧 濃度成比例的電流。該電流然後可以由例如控制器或記錄裝置等的裝置測量。因為極譜法傳感器的普遍性，例如控制器(包括由Applikon製作的那些)等許多
4裝置設計成直接與它們接口。也就是說，這些裝置提供600-800mV的極化電壓並且設計成 測量所得的電流，其在O-IOOnA的範圍中。這些裝置還用於控制運行(例如生物反應等)， 並且已經使用了很長時間。從而，存在有這些控制器和其他裝置的大型安裝基礎，其配置成 與極譜法傳感器配合工作。最近，已經開發出備選傳感器。與傳統極譜法傳感器不同，這些備選傳感器典型地 使用氧含量的不同指示物。一個這樣的指示物是螢光。在一個實施例中，該傳感器具有發 射器，其發射典型地在例如475nm等特定波長的光。光射向傳感元件。該傳感元件具有一 薄層的疏水材料。例如釕(ruthenium)等能夠發螢光的化合物被封閉在疏水材料內，而有 效地被保護不受水影響。光激發釕，其於是發射在例如600nm等特定波長的能量。氧能夠有效地猝熄釕的螢光。氧分子與處於其激發態的螢光團的碰撞導致能量的 非輻射轉移。從而，發生的碰撞越多，產生的螢光越少。碰撞的頻率直接與氧分子的濃度有 關。因此，測量的螢光是氧分子濃度的直接測量。這些傳感器典型地比傳統極譜法傳感器更準確。此外，因為它們不包括任何貴金 屬，例如鉬和銀，它們典型便宜得多。這些性質使這些較新傳感器在許多應用中是優選選 擇。例如，一次性系統由於較低的成本(特別當考慮到該傳感器將隨袋子一起被丟棄時) 更可能利用螢光氧傳感器。然而，現今，不可能與現有系統一起使用這些新傳感器。與極譜法傳感器不同的 是，該基於光學的傳感器不需要極化電壓輸入。此外，基於光學的氧傳感器的輸出典型地在 0和10伏特之間而不是產生非常小的電流。在另一個實施例中，輸出典型在4和20mA之 間。這些輸出與現有裝置(例如Applikon控制器等)的輸入特性完全不兼容。因此，這些 新的基於光學的傳感器的採用已經減慢了。因此，如果有一種系統和方法而由此這些新的、便宜的、準確的氧傳感器可以與現 有裝置(例如數據記錄器和控制器等)一起使用將是有益的。此外，如果這些傳感器可既 與較早沿用的控制器又與較新裝置兼容，使得例如數據記錄器和控制器等兩個裝置可以同 時使用將是有利的。

發明內容
現有技術的問題通過本文公開的系統和方法減輕。接口模塊與例如螢光氧傳感器 等較新傳感器和較早沿用的裝置結合使用。該較早沿用的裝置供應極化電壓，並且預期0 和IOOnA之間的測量電流。較新傳感器不需要極化電壓並且在一個實施例中提供0-10伏 特的輸出，而在另一個實施例中提供4-20mA的輸出。接口模塊從傳感器接收輸出，並且將 它轉換為沿用的裝置可用的信號。在另一個實施例中，接口模塊包括許多輸出，使得沿用的 裝置和較新裝置兩者可以同時與傳感器通信。


圖1圖示簡單的控制系統；圖2是現有技術的極譜法氧傳感器的代表性橫截面；圖3是第一實施例的示意圖；圖4是第二實施例的示意5
圖5是第三實施例的示意圖；圖6是在本發明中使用的代表性電路的示意圖。
具體實施例方式製藥和生物過程常常涉及材料轉化為最終產物，其中材料經歷各種反應。常常，使 用例如溫度、PH、氧濃度和其他等參數監測這些反應並且控制它們是必要的。為了這樣做， 傳感器包含在反應室內，使得傳感器可以獲得並且發送與反應的特定特性有關的信息。這 些反應室可以是任何類型的，包括槽和一次性塑膠袋。圖3示出本發明的第一實施例。如上文描述的，例如螢光氧傳感器等傳感器產生 代表它們感測的特性的測量的輸出。例如，對於螢光氧傳感器，在一些實施例中該輸出可在 0和10伏特之間。在其他實施例中，該輸出在4和20mA之間。然而，具體的輸出範圍和類 型是不重要的；其他的輸出範圍在本發明的範圍內。傳感器200是具有0至IOV的示範性輸出的這樣的傳感器。該傳感器200連接到 裝置210。如上文描述的，較早沿用的的裝置對於附連的傳感器具有某些預期或規範。在 一些實施例中，裝置210在它的兩個引線211、212之間提供600和SOOmV之間的極化電壓。 傳感器的輸出預期為兩個引線之間的電流。在一些實施例中，該電流在0和IOOnA之間。由於傳感器200和裝置210之間的規範上的差別，這兩個部件不能直接連接在一 起。因此，接口模塊220放置在兩個部件之間。該接口模塊220具有輸入埠 222，適合於 從傳感器200接收遵循第一規範的信號，並且具有輸出埠 221，適合於向裝置210生成遵 循第二規範的輸出。在一個實施例中，第一規範是0-10伏特。在第二實施例中，第一規範 是4-20mA。在一個實施例中第二規範是引線211和212之間O-IOOnA,具有600至800mV 的極化電壓。在圖3中示出的系統可以與螢光氧傳感器和例如來自Applikon等的沿用的控制 器一起使用。該系統實現各種新的配置。在一個實施例中，可以使用一次性製藥系統。這 樣的系統可包括一次性儲存袋、反應袋和過濾裝置。為了減少總產品成本，使用螢光氧傳感 器是有利的，因為其比傳統極譜法傳感器便宜。然而，一次性系統很像傳統系統需要監測和 控制。現有沿用的控制器無法與螢光傳感器一起工作阻撓了該配置的採用。然而，公開的 系統並且特別地接口模塊220的包含使這樣的一次性配置成為可能。在另一個實施例中，傳統生物反應器可以裝配有螢光氧傳感器。這些傳感器比極 譜法傳感器要求更少的維護、更少的校準和比極譜法傳感器更準確。因此，它們在要求精確 控制的反應中可能是更可取的。接口裝置220的引入允許沿用的控制器210與該生物反應 器一起使用。圖4示出本發明的第二實施例。該實施例包括傳感器200和裝置210。然而，在該 實施例中，引入第二裝置230。在一些實施例中，該第二裝置230適合於接收遵循第二規範的信號。也就是說，它 可以直接與傳感器200接口。在該實施例中，接口模塊240包含輸入埠 241，其適合於從傳 感器200接收信號。接口模塊還包括為第一裝置210將這些信號從第一規範轉換到第二規 範所需要的電路。該修改的輸出在埠 242上可得到。接口模塊240還包括第二裝置230 可以附連到其上的第二輸出埠 243。該第二輸出埠 243簡單地將來自傳感器200的在輸入埠 241接收到的信號傳遞給第二裝置230。在一些實施例中，接口模塊可緩衝該信號 以減少噪聲或負載。一個示範性配置可包括起第二裝置230作用的數據記錄器。該數據記 錄器可以能夠接受具有0和IOV之間的輸出的信號。在這樣的情況下，它附連到在接口模 塊221上的第二埠 243。在其他實施例中，該第二裝置230也是沿用的裝置，並且僅可以接收遵循第一規 範的信號。在該實施例中，接口模塊221包含雙工電路以在輸出埠 242、243上產生兩個 相同的輸出給兩個裝置210、230。一個示範性配置可包括沿用的數據記錄器，其僅可以接受 從0到IOOnA的輸入。在另一其他的實施例中，該第二裝置230需要遵循第三規範的輸入。在該情況下， 接口模塊240可包括電路以將在輸入埠 241上接收的輸入信號轉換為在輸出埠 243上 的第三規範的輸出信號。在圖5中示出的第三實施例中，接口模塊260具有多個輸出埠，其中一個或多個 輸出埠 261a、b遵循第一規範，而一個或多個輸出埠 262a、b遵循第二規範。圖4示出 兩個沿用的控制器210a、b和兩個遵循第二規範的其他的裝置270a、b。然而，每種類型的 裝置的數量是不限制的，並且裝置的所有配置在本發明的範圍內。圖6示出用於將信號從第一規範轉換到第二規範的代表性電路的示意圖。在該實 施例中，由接口模塊接收的信號在0-10V的範圍中，並且輸出必須在O-IOOnA之間(具有 600-800mV的極化電壓)。參照圖的上部，向電路供應的電力使用傳統部件和電路產生。接口模塊的電力可 以由電池600或遠程電源(未示出)供應。電源的選擇使用傳統方法進行，例如使用跨接 線(jumper)601等。在一些實施例中，遠程電源處於高於需要的電壓。在這樣的情況下，可 使用電壓調節器602以轉換傳入的電壓到較低水平。過渡電壓(interimVOltage)603用 於產生電力軌(power rail)。在一些實施例中，線性調節器604用於產生平滑的輸出電壓 605。在一些實施例中，開關調節器606用於產生負的軌電壓607。產生接口模塊的必需電 壓的其他方法是眾所周知的並且在本公開的範圍內。連接器610用於連接傳感器的輸出到接口模塊。在一些實施例中，傳感器的輸出 是電壓，其在從0至10伏特的範圍中。在這樣的實施例中，電阻分壓器611可用於減小電 壓使得它小於電壓軌605。在一些實施例中，運算放大器612用於緩衝傳入信號以便最小化 其上的電流負載。在其他實施例中，傳感器的輸出可是在從4至20mA範圍中的電流，然而 其他範圍也是可能的並且在本發明的範圍內。在這樣的實施例中，電阻器或電阻分壓器網 絡可用於轉換該電流輸出為電壓。在某些實施例中，使用具有模數(A/D)轉換器和脈衝寬度調製(PWM)輸出的可編 程微處理器。在其他實施例中，可以使用其他形式的D/A轉換。微處理器可還具有用於存 儲代碼、表格或待執行的軟體的存儲元件。微處理器可還具有RAM，其可以被重寫以充當臨 時存儲器。在圖6中示出的實施例中，緩衝的輸入信號613連接到可編程微處理器615的 內部A/D轉換器。微處理器613將該模擬電壓轉換為代表接收的模擬電壓的數字值。一旦 這完成了，微處理器然後確定合適的輸出電壓。該確定可以基於算法，其在方程式中使用傳 入的數字值以生成輸出電壓。當輸出電壓與輸入電壓具有線性或近線性關係時，這樣的方 法是有用的。在其他情況下，使用轉換表以確定適合的輸出電壓可以是有利的。也就是說，傳入的數字值用於索引至表格，其提供建議的輸出電壓。備選地，代替微處理器，尤其在期望的輸出電壓與輸入電壓成比例或線性相關的 情況下，可以使用包括無源或有源部件(例如電阻器、電容器和運算放大器等)的電路。返回到圖6，由微處理器產生的輸出電壓可以是PWM信號。在這樣的情況下，將該 信號轉換回模擬值可能是必需的。在一些實施例中，低通濾波器617可用於將PWM信號轉 換為模擬電壓618。運算放大器619然後用於緩衝該模擬電壓618。在其他實施例中，微處 理器可包括D/A轉換器並且直接輸出模擬值。如上文描述的，在一些實施例中，輸出規範是O-IOOnA且具有600-800mV的極化電 壓。因此，電路的最後階段必須將模擬電壓(其指示期望的電流))轉換為在適當範圍中的 電流。在該實施例中，電流通過測量橫跨電阻器634的電壓而確定，該電壓將在OmV(無電 流)和600-800mV的全極化電壓(最大電流)之間。運算放大器632簡單地緩衝橫跨電阻 器634的電壓，並且電阻分壓器633可用於在電壓饋入運算放大器630的負輸入之前減小 電壓(如果必要的話)。在一些實施例中，具有大於一的增益的電路用於放大橫跨電阻器 634測量的電壓使得可以充分利用運算放大器630的全部電壓範圍。這樣的實施例還可增 加輸出的精確度。運算放大器630的正輸入由電阻分壓器620饋給。運算放大器630的輸出用於驅 動FET電晶體631的柵極。該FET 631橫跨它另外兩個端子具有可變電阻，其中該電阻由 施加於FET 631的柵極的電壓確定。施加於FET的電壓越高，橫跨其另外兩個端子的電阻 越低。從而，如果如施加於運算放大器630的正端子的期望電壓高於如施加於運算放大器 630的負端子的測量電壓，運算放大器630的輸出將增加，從而降低FET631的電阻。通過減 小橫跨FET 631的電阻，流過電阻器634的電流增加。如上文建議的，其他實施例也是可能的，包括不包括微處理器的實施例。此外，圖6的電路的其他變型是可能的。例如，如果兩個輸出埠是期望的，其中 兩者都遵循第二規範，部件630-634可以被複製以創建第二輸出埠。如果遵循第一規範 的輸出埠是期望的，配置為緩衝器的運算放大器可添加至輸入610附近。此外，如果遵循 第三規範的輸出是期望的，在圖6中示出的電路的可應用部分可以被複製。在某些實施例 中，複製微處理器615可能是必須的。然而，可改變由微處理器執行的代碼，或包含在內的 查找表格。儘管上文說明圖示製藥系統，本發明不被這樣限制。例如使用酶類、營養藥的那些 反應等的其他系統和純化學系統也可以利用本發明。本文已經使用的術語和表達用作說明的術語並且無限制，並且在這樣的術語和表 達的使用中沒有排除示出和描述的特徵的任何等同物(或者其中一部分)的意圖。還認識 到各種修改是可能的且在在權利要求的範圍內。其他的修改、變型和備選也是可能的。因 此，前述說明僅作為示例並且不意為限制。
8
權利要求
一種具有用於測量一個或多個參數的一個或多個傳感器的系統，其包括a.適合於測量反應的特性以及發送遵循第一規範的關於所述特性的信息的傳感器；b.適合於接收對應於所述反應的特性的信息的裝置；所述信息遵循第二規範；以及c.接口模塊，其與所述傳感器和所述裝置通信，其中所述接口模塊通過輸入埠從所述傳感器接收遵循所述第一規範的信息、將所述信息轉換為所述第二規範，以及通過第一輸出埠發送遵循所述第二規範的信息到所述裝置。
2.如權利要求1所述的系統，其中所述傳感器包括溶解氧傳感器。
3.如權利要求2所述的系統，其中所述傳感器包括螢光氧傳感器。
4.如權利要求2所述的系統，其中所述第一規範包括在0至10伏特範圍中的電壓輸出ο
5.如權利要求2所述的系統，其中所述第一規範包括在4至20毫安範圍中的電流輸出ο
6.如權利要求1所述的系統，其中所述裝置包括控制器。
7.如權利要求1所述的系統，其中所述裝置包括數據記錄器。
8.如權利要求6所述的系統，其中所述第二規範包括兩個引線和在0至IOOnA範圍中 的電流輸出，在所述引線之間具有600至SOOmV的極化電壓。
9.如權利要求1所述的系統，其中所述接口模塊還包括第二輸出埠，其中所述接口 模塊在所述第二輸出埠上發送遵循所述第一規範的信息。
10.如權利要求1所述的系統，其中所述接口模塊還包括第二輸出埠，其中所述接口 模塊在所述第二輸出埠上發送遵循所述第二規範的信息。
11.如權利要求1所述的系統，其中所述接口模塊還包括第二輸出埠，其中所述接口 模塊在所述第二輸出埠上發送遵循第三規範的信息。
12.—種與氧傳感器一起利用沿用的控制器以控制反應的方法，其包括a.將所述氧傳感器安置在反應室中；b.將所述氧傳感器的輸出附連到接口模塊；c.使用所述氧傳感器監測所述反應；d.在所述接口模塊上提供電路，其適合於接收遵循由所述氧傳感器限定的第一規範的 信號，並且輸出遵循由所述沿用的控制器限定的第二規範的信號；e.將所述接口模塊的輸出附連到所述沿用的控制器；以及f.利用所述沿用的控制器以控制所述反應。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述第一規範包括在0至10伏特範圍中的電壓輸出ο
14.如權利要求12所述的方法，其中所述第一規範包括在4至20毫安範圍中的電流輸出ο
15.如權利要求12所述的方法，其中所述氧傳感器包括螢光氧傳感器。
16.如權利要求12所述的方法，其中所述第二規範包括兩個引線和在0至IOOnA範圍 中的電流輸出，在所述引線之間具有600至SOOmV的極化電壓。
17.如權利要求12所述的方法，其中所述接口模塊還包括第二輸出埠，所述方法還 包括使用所述接口模塊在所述第二輸出埠上發送遵循所述第一規範的信息。
18.如權利要求12所述的方法，其中所述接口模塊還包括第二輸出埠，所述方法還 包括使用所述接口模塊在所述第二輸出埠上發送遵循所述第二規範的信息。
19.如權利要求12所述的方法，其中所述接口模塊還包括第二輸出埠，所述方法還 包括使用所述接口模塊在所述第二輸出埠上發送遵循所述第三規範的信息。
全文摘要
公開一種用於與現有裝置一起利用傳感器的系統和方法。接口模塊與例如螢光氧傳感器等較新傳感器和較早沿用的裝置結合使用。較早沿用的裝置供應極化電壓，並且預期0和100nA之間的測量電流。較新傳感器不需要極化電壓並且在一個實施例中提供0-10伏特的輸出，而在另一個實施例中提供4-20mA的輸出。接口模塊從傳感器接收輸出，並且將它轉換為沿用的裝置可用的信號。在另一個實施例中，接口模塊包括許多輸出，使得沿用的裝置和較新裝置兩者可以同時與傳感器通信。接口模塊可以與反應器室或其他製藥過程聯合使用。
文檔編號G05B19/04GK101936755SQ20101016524
公開日2011年1月5日 申請日期2010年4月14日 優先權日2009年4月15日
發明者M·約恩斯, R·F·巴吉奧 申請人:米利波爾有限公司