專利名稱：與傳感裝置一起使用的轉(zhuǎn)換器的制作方法
與傳感裝置一起使用的轉(zhuǎn)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(yōu)先權(quán)， 其公開通過引用全文結(jié)合于本文。
背景技術(shù)：
例如制藥業(yè)等許多行業(yè)使用傳感裝置以監(jiān)測特別事件的進展或結(jié)果。常常，這些 傳感裝置用于向控制器提供輸入，該控制器然后基于該輸入改變它的輸出?？刂破鞯妮敵?典型地用于影響、作用于或控制該特別事件。例如，在生物反應中，監(jiān)測和控制許多反應特性(包括但不限于溫度、pH、氧濃度 或其他參數(shù))可能是重要的。因此，已經(jīng)開發(fā)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，盡管傳感特性是重要的，能夠隨時間監(jiān)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(huán)控制系統(tǒng)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可用于監(jiān)測在反應室20內(nèi)發(fā) 生的特別反應的溫度?；跍囟葌鞲衅?0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(nèi)的溫度必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，則控制器30可 以使用傳感器10和加熱元件40，與軟件控制環(huán)聯(lián)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(shù)據(jù)存儲裝置通信。附連的裝置隨時間對特定傳感器的輸出采樣。該采樣步驟可 定期執(zhí)行，例如以固定時間間隔執(zhí)行。在其他實施例中，該采樣步驟以偶發(fā)間隔執(zhí)行，或基 于其他外部事件來執(zhí)行。在數(shù)據(jù)記錄器的情況下，簡單地存儲采樣的值，其通常具有關(guān)聯(lián)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，對值采樣使得可以執(zhí)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(shù)低于預定閾值，則控制器驅(qū)動加熱元件。響應于PH或溶解氧讀數(shù)可以采取相似的動作。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制成。在一些實施例中， 陽極160由例如金或銀等導電材料制成。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(jù)下 列方程式02+2H20+4e" — 40F在陽極，發(fā)生氧化反應，由此產(chǎn)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。該電流然后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制作的那些)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的極化電壓并且設計成 測量所得的電流，其在O-IOOnA的范圍中。這些裝置還用于控制運行(例如生物反應等)， 并且已經(jīng)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(jīng)開發(fā)出備選傳感器。與傳統(tǒng)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熒光。在一個實施例中，該傳感器具有發(fā) 射器，其發(fā)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(fā)熒光的化合物被封閉在疏水材料內(nèi)，而有 效地被保護不受水影響。光激發(fā)釕，其于是發(fā)射在例如600nm等特定波長的能量。氧能夠有效地猝熄釕的熒光。氧分子與處于其激發(fā)態(tài)的熒光團的碰撞導致能量的 非輻射轉(zhuǎn)移。從而，發(fā)生的碰撞越多，產(chǎn)生的熒光越少。碰撞的頻率直接與氧分子的濃度有 關(guān)。因此，測量的熒光是氧分子濃度的直接測量。這些傳感器典型地比傳統(tǒng)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(zhì)使這些較新傳感器在許多應用中是優(yōu)選選 擇。例如，一次性系統(tǒng)由于較低的成本(特別當考慮到該傳感器將隨袋子一起被丟棄時) 更可能利用熒光氧傳感器。然而，現(xiàn)今，不可能與現(xiàn)有系統(tǒng)一起使用這些新傳感器。與極譜法傳感器不同的 是，該基于光學的傳感器不需要極化電壓輸入。此外，基于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(chǎn)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(xiàn)有裝置(例如Applikon控制器等)的輸入特性完全不兼容。因此，這些 新的基于光學的傳感器的采用已經(jīng)減慢了。因此，如果有一種系統(tǒng)和方法而由此這些新的、便宜的、準確的氧傳感器可以與現(xiàn) 有裝置(例如數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)記錄器和控制器等兩個裝置可以同 時使用將是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)有技術(shù)的問題通過本文公開的系統(tǒng)和方法減輕。接口模塊與例如熒光氧傳感器 等較新傳感器和較早沿用的裝置結(jié)合使用。該較早沿用的裝置供應極化電壓，并且預期0 和IOOnA之間的測量電流。較新傳感器不需要極化電壓并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，并且將 它轉(zhuǎn)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(tǒng)；圖2是現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明中使用的代表性電路的示意圖。
具體實施例方式制藥和生物過程常常涉及材料轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物，其中材料經(jīng)歷各種反應。常常，使 用例如溫度、PH、氧濃度和其他等參數(shù)監(jiān)測這些反應并且控制它們是必要的。為了這樣做， 傳感器包含在反應室內(nèi)，使得傳感器可以獲得并且發(fā)送與反應的特定特性有關(guān)的信息。這 些反應室可以是任何類型的，包括槽和一次性塑料袋。圖3示出本發(fā)明的第一實施例。如上文描述的，例如熒光氧傳感器等傳感器產(chǎn)生 代表它們感測的特性的測量的輸出。例如，對于熒光氧傳感器，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，具體的輸出范圍和類 型是不重要的；其他的輸出范圍在本發(fā)明的范圍內(nèi)。傳感器200是具有0至IOV的示范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于附連的傳感器具有某些預期或規(guī)范。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。由于傳感器200和裝置210之間的規(guī)范上的差別，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具有輸入端口 222，適合于 從傳感器200接收遵循第一規(guī)范的信號，并且具有輸出端口 221，適合于向裝置210生成遵 循第二規(guī)范的輸出。在一個實施例中，第一規(guī)范是0-10伏特。在第二實施例中，第一規(guī)范 是4-20mA。在一個實施例中第二規(guī)范是引線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(tǒng)可以與熒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(tǒng)實現(xiàn)各種新的配置。在一個實施例中，可以使用一次性制藥系統(tǒng)。這 樣的系統(tǒng)可包括一次性儲存袋、反應袋和過濾裝置。為了減少總產(chǎn)品成本，使用熒光氧傳感 器是有利的，因為其比傳統(tǒng)極譜法傳感器便宜。然而，一次性系統(tǒng)很像傳統(tǒng)系統(tǒng)需要監(jiān)測和 控制?，F(xiàn)有沿用的控制器無法與熒光傳感器一起工作阻撓了該配置的采用。然而，公開的 系統(tǒng)并且特別地接口模塊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(tǒng)生物反應器可以裝配有熒光氧傳感器。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(fā)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適合于接收遵循第二規(guī)范的信號。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包含輸入端口 241，其適合于從傳 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(guī)范轉(zhuǎn)換到第二規(guī) 范所需要的電路。該修改的輸出在端口 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端口 243。該第二輸出端口 243簡單地將來自傳感器200的在輸入端口 241接收到的信號傳遞給第二裝置230。在一些實施例中，接口模塊可緩沖該信號 以減少噪聲或負載。一個示范性配置可包括起第二裝置230作用的數(shù)據(jù)記錄器。該數(shù)據(jù)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上的第二端口 243。在其他實施例中，該第二裝置230也是沿用的裝置，并且僅可以接收遵循第一規(guī) 范的信號。在該實施例中，接口模塊221包含雙工電路以在輸出端口 242、243上產(chǎn)生兩個 相同的輸出給兩個裝置210、230。一個示范性配置可包括沿用的數(shù)據(jù)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(guī)范的輸入。在該情況下， 接口模塊240可包括電路以將在輸入端口 241上接收的輸入信號轉(zhuǎn)換為在輸出端口 243上 的第三規(guī)范的輸出信號。在圖5中示出的第三實施例中，接口模塊260具有多個輸出端口，其中一個或多個 輸出端口 261a、b遵循第一規(guī)范，而一個或多個輸出端口 262a、b遵循第二規(guī)范。圖4示出 兩個沿用的控制器210a、b和兩個遵循第二規(guī)范的其他的裝置270a、b。然而，每種類型的 裝置的數(shù)量是不限制的，并且裝置的所有配置在本發(fā)明的范圍內(nèi)。圖6示出用于將信號從第一規(guī)范轉(zhuǎn)換到第二規(guī)范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的范圍中，并且輸出必須在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(tǒng)部件和電路產(chǎn)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(tǒng)方法進行，例如使用跨接 線(jumper)601等。在一些實施例中，遠程電源處于高于需要的電壓。在這樣的情況下，可 使用電壓調(diào)節(jié)器602以轉(zhuǎn)換傳入的電壓到較低水平。過渡電壓(interimVOltage)603用 于產(chǎn)生電力軌(power rail)。在一些實施例中，線性調(diào)節(jié)器604用于產(chǎn)生平滑的輸出電壓 605。在一些實施例中，開關(guān)調(diào)節(jié)器606用于產(chǎn)生負的軌電壓607。產(chǎn)生接口模塊的必需電 壓的其他方法是眾所周知的并且在本公開的范圍內(nèi)。連接器610用于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伏特的范圍中。在這樣的實施例中，電阻分壓器611可用于減小電 壓使得它小于電壓軌605。在一些實施例中，運算放大器612用于緩沖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范圍中的電流，然而 其他范圍也是可能的并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在這樣的實施例中，電阻器或電阻分壓器網(wǎng) 絡可用于轉(zhuǎn)換該電流輸出為電壓。在某些實施例中，使用具有模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和脈沖寬度調(diào)制(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(zhuǎn)換。微處理器可還具有用于存 儲代碼、表格或待執(zhí)行的軟件的存儲元件。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，緩沖的輸入信號613連接到可編程微處理器615的 內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器。微處理器613將該模擬電壓轉(zhuǎn)換為代表接收的模擬電壓的數(shù)字值。一旦 這完成了，微處理器然后確定合適的輸出電壓。該確定可以基于算法，其在方程式中使用傳 入的數(shù)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(guān)系時，這樣的方 法是有用的。在其他情況下，使用轉(zhuǎn)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(shù)字值用于索引至表格，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(guān)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(chǎn)生的輸出電壓可以是PWM信號。在這樣的情況下，將該 信號轉(zhuǎn)換回模擬值可能是必需的。在一些實施例中，低通濾波器617可用于將PWM信號轉(zhuǎn) 換為模擬電壓618。運算放大器619然后用于緩沖該模擬電壓618。在其他實施例中，微處 理器可包括D/A轉(zhuǎn)換器并且直接輸出模擬值。如上文描述的，在一些實施例中，輸出規(guī)范是O-IOOnA且具有600-800mV的極化電 壓。因此，電路的最后階段必須將模擬電壓(其指示期望的電流))轉(zhuǎn)換為在適當范圍中的 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簡單地緩沖橫跨電阻 器634的電壓，并且電阻分壓器633可用于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，具有大于一的增益的電路用于放大橫跨電阻器 634測量的電壓使得可以充分利用運算放大器630的全部電壓范圍。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的輸出用于驅(qū) 動FET晶體管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 施加于FET 631的柵極的電壓確定。施加于FET的電壓越高，橫跨其另外兩個端子的電阻 越低。從而，如果如施加于運算放大器630的正端子的期望電壓高于如施加于運算放大器 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，如果兩個輸出端口是期望的，其中 兩者都遵循第二規(guī)范，部件630-634可以被復制以創(chuàng)建第二輸出端口。如果遵循第一規(guī)范 的輸出端口是期望的，配置為緩沖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(guī)范的輸出是期望的，在圖6中示出的電路的可應用部分可以被復制。在某些實施例 中，復制微處理器615可能是必須的。然而，可改變由微處理器執(zhí)行的代碼，或包含在內(nèi)的 查找表格。盡管上文說明圖示制藥系統(tǒng)，本發(fā)明不被這樣限制。例如使用酶類、營養(yǎng)藥的那些 反應等的其他系統(tǒng)和純化學系統(tǒng)也可以利用本發(fā)明。本文已經(jīng)使用的術(shù)語和表達用作說明的術(shù)語并且無限制，并且在這樣的術(shù)語和表 達的使用中沒有排除示出和描述的特征的任何等同物(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(quán)利要求的范圍內(nèi)。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并且不意為限制。
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權(quán)利要求
一種具有用于測量一個或多個參數(shù)的一個或多個傳感器的系統(tǒng)，其包括a.適合于測量反應的特性以及發(fā)送遵循第一規(guī)范的關(guān)于所述特性的信息的傳感器；b.適合于接收對應于所述反應的特性的信息的裝置；所述信息遵循第二規(guī)范；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端口從所述傳感器接收遵循所述第一規(guī)范的信息、將所述信息轉(zhuǎn)換為所述第二規(guī)范，以及通過第一輸出端口發(fā)送遵循所述第二規(guī)范的信息到所述裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器包括溶解氧傳感器。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器包括熒光氧傳感器。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述第一規(guī)范包括在0至10伏特范圍中的電壓輸出ο
5.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述第一規(guī)范包括在4至20毫安范圍中的電流輸出ο
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述裝置包括控制器。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述裝置包括數(shù)據(jù)記錄器。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述第二規(guī)范包括兩個引線和在0至IOOnA范圍中 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(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述接口模塊還包括第二輸出端口，其中所述接口 模塊在所述第二輸出端口上發(fā)送遵循所述第一規(guī)范的信息。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述接口模塊還包括第二輸出端口，其中所述接口 模塊在所述第二輸出端口上發(fā)送遵循所述第二規(guī)范的信息。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述接口模塊還包括第二輸出端口，其中所述接口 模塊在所述第二輸出端口上發(fā)送遵循第三規(guī)范的信息。
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(jiān)測所述反應；d.在所述接口模塊上提供電路，其適合于接收遵循由所述氧傳感器限定的第一規(guī)范的 信號，并且輸出遵循由所述沿用的控制器限定的第二規(guī)范的信號；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(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一規(guī)范包括在0至10伏特范圍中的電壓輸出ο
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一規(guī)范包括在4至20毫安范圍中的電流輸出ο
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述氧傳感器包括熒光氧傳感器。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第二規(guī)范包括兩個引線和在0至IOOnA范圍 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(quán)利要求12所述的方法，其中所述接口模塊還包括第二輸出端口，所述方法還 包括使用所述接口模塊在所述第二輸出端口上發(fā)送遵循所述第一規(guī)范的信息。
18.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述接口模塊還包括第二輸出端口，所述方法還 包括使用所述接口模塊在所述第二輸出端口上發(fā)送遵循所述第二規(guī)范的信息。
19.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述接口模塊還包括第二輸出端口，所述方法還 包括使用所述接口模塊在所述第二輸出端口上發(fā)送遵循所述第三規(guī)范的信息。
全文摘要
公開一種用于與現(xiàn)有裝置一起利用傳感器的系統(tǒng)和方法。接口模塊與例如熒光氧傳感器等較新傳感器和較早沿用的裝置結(jié)合使用。較早沿用的裝置供應極化電壓，并且預期0和100nA之間的測量電流。較新傳感器不需要極化電壓并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，并且將它轉(zhuǎn)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制藥過程聯(lián)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(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者M·約恩斯, R·F·巴吉奧 申請人:米利波爾有限公司