CN103528877A - 一种小型生化反应器在线糖浓度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明针对小型生化反应器取样速度慢，糖浓度在线检测有滞后的问题，设计一种在线糖浓度实时检测系统。系统主要由嵌入式模块、触摸屏、恒流泵、在线糖浓度分析仪以及离线糖浓度分析仪等组成，其中，触摸屏为人机接口，接受现场人员的设置和操作；嵌入式模块作为系统的控制单元，控制恒流泵的流速以及糖浓度分析仪的动作，采集在线糖分析仪的糖浓度检测值，对采集值进行在线校正，得到生化反应器内准确的糖浓度检测值，并能根据离线糖浓度分析仪的值对模型参数进行修正。该系统融合了离线分析仪和在线分析仪的信息，综合了离线检测准确而在线检测实时的优点，适合一些小型生化反应器的实时检测。

Description

一种小型生化反应器在线糖浓度检测系统

技术领域

本发明涉及一种糖浓度的在线检测系统，针对在线糖浓度检测仪在小型生化反应器应用中出现的检测滞后等问题，设计基于对检测值进行校正的在线糖浓度检测系统。

背景技术

在生化反应中，糖浓度是影响生物质生长的重要因素，直接决定着产品的产量和质量，因此糖浓度的准确在线检测至关重要。目前，大部分生化过程往往采用离线取样分析的方法，费时费力，且采样周期大，无法实时反映生物质的耗糖量，适合粗放型的生化生产。在一些精细化生产中，一般配备先进的在线检测仪，但是由于在线检测仪的检测范围有限，以及在线仪器的分析机理，往往需要通过泵将样本溶液取出，然后经过稀释后才能检测。为保证检测实时性，对样本溶液的取出速度快速性有严格的要求，但是容易导致反应器溶液的大量损失或浪费。显然，对一个小型的生化反应器，样本溶液的取出速度必须很小，才能保证生化反应的正常进行。但是，慢速的取样又会导致检测仪器的当前检测溶液是生化反应器中一段时间以前的溶液，也就是检测值有较大的滞后，存在一定误差，给产品的控制与评估带来了困难。

本发明采用嵌入式模块、触摸屏、恒流泵、在线糖浓度分析仪以及离线糖浓度分析仪组成，其中，触摸屏为人机接口，接受现场人员的设置和操作；嵌入式模块作为系统的控制单元，控制恒流泵的流速以及糖浓度分析仪的动作，采集在线糖分析仪的糖浓度检测值，对采集值进行在线校正，得到生化反应器内准确的糖浓度检测值，并根据离线糖浓度分析仪的值对模型参数进行修正。

发明内容

本发明的目的是克服专利(专利号：200910034515.2)中提到的糖浓度在线检测系统不能适应小型生化反应器的不足，采用嵌入式模块BL2100控制两台恒流泵取样稀释，并根据在线糖浓度分析仪的检测值，采用本发明的方法对检测值进行校正处理，得到准确的实时糖浓度值。

按照本发明提供的技术方案，所述小型生化反应器的在线糖浓度检测系统包括糖浓度分析仪YSI2700，所述恒流泵一台不断从小型生化反应器中取样，一台连接清水，然后导入混合容器中使样本得到稀释，糖浓度分析仪YSI对混合容器中的溶液进行检测，其中，两台恒流泵的流速根据稀释倍数计算。为了对检测值进行校正，间隔一段时间(2到3小时)，必须离线取样分析糖浓度，为参数的校正给出基准。提出的校正算法如下：

1、没有离线分析数据时，实时模型为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_k=x_{k-1}+w_{k-1}^x\\ b_k=b_{k-1}\\ y_k=x_k+b_k+v_k\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，k为采样时刻，y_k为YSI2700实时检测数据，x_k为要估计的糖浓度值，b_k为因为检测滞后产生的补偿值，

和v_k分别为状态误差和检测误差。估计的目的是根据(1)估计出x_k。

2、有离线分析数据时，模型变为

$\left\{\begin{array}{c}{x}_k=x_{k-1}+w_{k-1}^x\\ b_k=b_{k-1}+w_{k-1}^b\\ y_k=x_k+b_k+v_k\\ y_k^l=x_k+v_k^l\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中为k时刻的离线分析数据，(2)与(1)相比，估计的目的是根据

和y_k估计x_k，以及校正补偿值b_k。针对模型(1)和(2)，采用卡尔曼滤波，估计糖浓度。

本发明的优点是：本发明采用嵌入式模板BL2100将恒流泵、在线糖分析仪、触摸屏集成一体，整个系统结构紧凑，更重要的是采用软件的方式解决了硬件无法解决的检测滞后问题，校正了检测数据，提高了检测精度，适应小型生化反应器。此外，系统提供RS232、RS485串行通信口以及RJ45网络接口，既适合通过触摸屏实现就地操作，又可通过通信接口构建大型的检测网络或与上位机进行连接，采集的数据便于远程传输构成远程监控系统。该发明装置一方面可以用作在线糖浓度的检测系统，另一方面，也可根据反应液前的旁通阀设置不同的滞后时间，便于研究人员做检测值校正算法的验证试验。

附图说明

图1是本发明结构示意图，图2为发明的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图1和实施例对本发明结构作进一步说明。

如图1所示，实线为管道，虚线为通信线，点划线为间歇性取样路径，箭头表示信号或液体的传送方向。本发明所涉及的设备包括：恒流泵2(TBP1010)，恒流泵3(TBP1002)，在线糖浓度分析仪5(YSI2700)，自制混合器4，嵌入式模块1(BL2100)，触摸屏6(TPC7062K)，高效液相色谱仪7(HITACHI655)。恒流泵2通过管道提取反应液，恒流泵3连接纯净水，两股液体按照一定的比例，在混合器4中充分混合稀释，然后经过在线糖浓度分析仪5的在线检测，检测结果通过糖浓度分析仪5的RS232口传送给嵌入式模块1，嵌入式模块1根据本发明的方法对检测值进行校正，然后将校正值通过RS232口传送给触摸屏6显示，同时也接受触摸屏6对其参数的设定。同时，间隔一段时间，操作人员取反应液，通过高效液相色谱仪7离线分析糖浓度，并将离线分析值传送给嵌入式模块1，嵌入式模块1则根据离线分析值对模型参数进行更新。

具体的校正处理流程结合附图2，进行进一步说明。

设定恒流泵流速以及在线糖分析仪的采样周期，按如下周期运行：首先判断操作人员是否通过触摸屏进行操作，如果有，则读取触摸屏的设定值，如果没有，则跳过；然后，判断在线糖分析仪的采样周期是否到，如果没到，则跳过，如果到，则读取在线检测值，然后判断是否有离线分析值，如果没有，则根据等式(1)准确估计糖浓度值，如果有，则根据等式(2)更新参数，并估计糖浓度值。以上两步循环执行。

本发明包括如下几个部分：

反应液取出路径的设置：从反应器到混合器4的距离长短决定着滞后时间的大小，本发明增设几个旁通阀，一方面，有利于用户通过调节旁通阀的开关，来调整检测值估计的效果；另一方面，保证该系统也可作为科研院所实验用设备，用作较大滞后时间下或变滞后时间条件下，估计算法的验证设备。

糖浓度值的校正处理：在线糖浓度分析仪检测值一般具有20分钟左右的滞后，很难准确反映当前时刻反应器内的糖浓度值。本发明构建了模型(1)和(2)，然后采用卡尔曼滤波方法对实时检测值进行估计，并充分利用离线分析值对模型参数进行更新，保证了反应过程中多信息量的融合利用，以及检测误差的滤出。

基于嵌入式模块的检测系统：本发明采用嵌入式模块和触摸屏的方式，增强了系统的集成能力，整个系统紧凑小巧，并且由于嵌入式模块强大的通信功能，系统极易扩展为大型检测网络，便于工厂生产中多台反应器糖浓度检测的协调进行，且能够实现糖浓度的远程监控。

Claims (5)

1.一种小型生化反应器在线糖浓度检测系统，其特征在于：

包括1个触摸屏，负责接受现场人员的设置和操作；

2个恒流泵，负责对反应液进行稀释；

1个在线糖分析仪，负责糖浓度的在线检测；

1个离线糖浓度分析仪，负责糖浓度的离线检测；

1个嵌入式模块BL2100，作为系统的控制单元，控制恒流泵的流速以及糖浓度分析仪的动作，采集在线糖分析仪的糖浓度检测值，对采集值进行在线校正，得到生化反应器内准确的糖浓度检测值，并根据离线糖浓度分析仪的值对模型参数进行修正。；

2.根据权利要求1所述的一种小型生化反应器在线糖浓度检测系统，其特征在于滞后糖浓度检测值的校正方法。本发明针对小型生化反应器在线糖浓度检测存在滞后的问题，通过估计模型(1)以及参数校正模型(2)，充分利用离线和在线的糖浓度检测仪的检测值，对滞后值进行校正，得到实时准确的糖浓度值。

3.根据权利要求1所述的一种小型生化反应器在线糖浓度检测系统，其特征在于适合小型生化反应器在线糖浓度检测的控制系统，控制系统采用嵌入式模块和触摸屏的方式，一方面，结构紧凑，便于现场操作，另一方面，便于扩展，系统可以作为检测网络的一个节点，能够实现糖浓度的远程监控。。

4.根据权利要求1所述的一种小型生化反应器在线糖浓度检测系统，其特征在于配合控制系统和校正方法使用的管道系统。反应液取出滞后时间的多样性设置，恒流泵对反应液的稀释，以及离线和在线检测仪的信息融合估计等。

5.根据权利要求1所述的一种小型生化反应器在线糖浓度检测系统，其特征在于选用嵌入式模块BL2100，该模块还有丰富的数字量和模拟量的输入输出口，并具有多个RS232、RS485通信接口。

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