CN108955988A - 改进的压力变送器 - Google Patents

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Abstract

提出了一种压力感测系统。压力感测系统包括单次使用的容器。压力感测系统包括被配置为直接连接到单次使用的容器的一次性过程连接器。一次性过程连接器具有可偏转的膜片。压力感测系统包括压力变送器。压力变送器可拆卸地连接到一次性过程连接器。压力变送器包括邻近一次性过程连接器的可偏转膜片定位的隔离膜片。压力变送器包括可操作地耦合到隔离膜片的压力传感器模块。压力变送器还包括耦合到压力传感器的控制器。控制器被被配置为传输检测到的在单次使用的容器内的压力指示。用于单次使用的容器的压力变送器包括聚合物壳体和具有隔离膜片的基座。传感器模块连接到基座，并且具有可操作地耦合到隔离膜片的压力传感器。电路设置在聚合物壳体内并且连接到压力变送器。所述电路包括微处理器，该微处理器被配置为从压力传感器获得压力测量值，并且基于所测量的压力提供输出信号。

Description

改进的压力变送器
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2017年2月6日提交的美国临时专利申请No.62/455,052的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
容器可用于产生和支持任何目的的生物反应。生物反应可能会受到温度和/或压力的变化的影响。此外，当生物反应进行时，反应本身可以改变生物反应容器内的各种参数，例如压力。
生命科学行业正在从具有大型就地清洁(CIP)基础设施的由不锈钢制成的大型资本密集型设施转向使用聚合物袋或容器作为容器的小型设施。容器被使用一次然后被弃用。这种单次使用的容器技术显著降低了工厂的资本成本。例如，在使用不锈钢CIP基础设施的现有设施中，运营设施的成本高达90％可能是由于就地清洁基础设施，包括设计成承受蒸汽清洁周期的极高端仪器仪表。通过转向一次性的单次使用的容器袋，资本的CIP部分可以被消除，并且设施可以更灵活和更小，这反过来又允许生产更多的靶向药物治疗所需的较小的批次和其他小规模应用。提供便于使用和采用一次性的单次使用的生物反应技术的仪器仪表架构将对生命科学行业以及产生这种生物反应的其他行业和过程具有重大的益处。
发明内容
提出了一种压力感测系统。压力感测系统包括单次使用的容器。压力感测系统包括被配置为直接联接到单次使用的容器的一次性过程连接器。一次性过程连接器具有可偏转的隔膜。压力感测系统包括压力变送器。压力变送器可拆卸地连接到一次性过程连接器。压力变送器包括邻近一次性过程连接器的可偏转隔膜定位的隔离膜片。压力变送器包括可操作地耦合到隔离膜片的压力传感器模块。压力变送器还包括耦合到压力传感器的控制器。控制器被配置为传输检测到的在单次使用的容器内的压力指示。
用于单次使用的容器的压力变送器包括聚合物壳体和具有隔离膜片的基座。传感器模块连接到基座，并且具有可操作地耦合到隔离膜片的压力传感器。电路设置在聚合物壳体内并且连接到压力变送器。所述电路包括微处理器，该微处理器被配置为从压力传感器获得压力测量值，并且基于所测量的压力提供输出信号。
附图说明
图1A是本发明的实施例可用于其中的单次使用的容器的示意图。
图1B是根据本发明的实施例的紧凑型压力变送器的框图。
图2A-2C示出了根据本发明的实施例的紧凑型压力变送器和一次性过程连接器。
图3A-3C示出了根据本发明实施例的压力变送器壳体和电路的视图。
图4A和4B示出了根据本发明的实施例的示例性基部。
图5是根据本发明的实施例的压力变送器和一次性过程连接器之间的连接件的示意图。
图6A和6B是根据本发明的实施例的紧凑型压力变送器和过程连接器的立体图。
图7是根据本发明实施例的使用压力变送器的方法的流程图。
图8是根据本发明的另一个实施例的一次性过程连接器的示意图。
具体实施方式
精确的压力变送器和/或传送器通常相对较重，并且不能与单次使用的生物处理设备(例如聚合物膜容器)容易地和成本有效地接合。这种压力变送器通常需要永久安装在设施内。另一方面，一次性的压力变送器是为一次性的行业专门制造的，较轻并由聚合物制成。然而，这些一次性的压力变送器不能提供更重且精确的压力变送器的性能质量。例如，已知一次性的压力变送器随着时间流逝而漂移，或以其它方式表现出不准确之处。
本文提供的实施例利用通常与较重且精确的压力变送器一起使用的组件、工艺和技术来提供能够直接连接到单次使用的容器(例如生物反应袋)的新型的压力变送器。在一个实施例中，来自可靠和精确的压力变送器的核心技术利用聚合物壳体被重新包装，从而以非常小的形状因子/因素实现显著的重量减轻和精度，其中聚合物壳体可直接安装到单次使用的容器，例如塑料生物反应袋。另外，在一些示例中，与改进的压力变送器的通信是以无线的方式进行的。
图1A是测量单次使用的容器内的样本的过程变量的传感器的示意图，本发明的实施例可用于其中。压力传感器模块40电耦合到分析器或控制器54，分析器或控制器54可以是任何合适的分析器或其他电气仪器或控制系统。压力传感器模块40物理连接到单次使用的容器51(例如发酵罐)的壁50。样品52设置在单次使用的容器50内并由压力传感器模块40进行监测或以其他方式测量。本发明的实施例通常包括多种构造，以这些构造的压力传感器模块可以有效地用于单次使用的容器。
图1B示出了根据本发明的实施例的紧凑型压力变送器100的框图。变送器100优选地提供信号通信输出，例如由组件132提供的符合IEC62591的WirelessHART通信输出。信号通信输出还可以包括其他类型的输出，例如4-20mA输出(由组件134提供)、FOUNDATIONTM现场总线(由组件136提供)和/或电压输出(由组件138提供)。
压力变送器100包括耦合到信号调节模块120的压力传感器104，信号调节模块120耦合到控制器110。信号调节模块120可包括模数转换器122，模数转换器被配置为将模拟传感器信号转换为数字表示。信号调节模块120还可以包括放大器124，其配置成放大接收到的一个或多个信号。信号调节器120可以包括一个或多个滤波器126和/或其他信号调节功能器件128。图1B所示的协议被理解为仅说明适用的协议。还可以设想其它合适的协议，例如有线HART、NFC、蓝牙LE和WIFI，以及其它合适的协议。
压力传感器104优选地是高精度的固态应变计压力传感器。包括诸如本文所述的紧凑型压力变送器的压力传感器模块可以直接焊接到金属的、重量优化的最小过程接口，该接口具有液压传递流体填充物和非常高的灵敏度的最终隔离膜片。与以前使用的永久安装的压力传感器模块安装件相比，电子和聚合物的壳体高度小型化。压力变送器和单次使用的容器之间的主要接口是单次使用过程连接器，该过程连接器将压力传递给变送器，但将变送器与容器的内容物密封，以使变送器成为用于容器的压力测量系统的可重复使用的部件。
图2A-2C是根据本发明的实施例的紧凑型压力变送器和一次性过程连接器的示意图。传送器200包括传送器壳体210，其被配置为使用连接部件212和222连接到过程连接器220。连接部件212和222包括被配置为可拆卸地彼此接收的相应配件，如图2A和图2B所示。一段管道(未示出)优选地在配件230上延伸，配件230可以是软管倒钩配件。一次性过程连接器220具有聚合物隔膜224，其向容器提供密封，但是响应于压力而移动。变送器210具有隔膜226，当变送器210安装到一次性过程连接器220时，隔膜226被放置成与隔膜224接触。变送器210包括金属隔膜。因此，当容器内的压力变化时，两个隔膜均移动，该移动被传送到变送器210内的固态应变计压力传感器(未示出)，固态应变计压力传感器检测该移动作为压力信号。
如图2B所示，变送器210可以通过将变送器210朝向一次性过程连接器220轴向移动而连接到过程连接器220。部分的旋转使得连接部件222和212将锁定过程连接器220接合到变送器210。在一个示例中，连接部件222和212包括被配置为将变送器210锁定到过程连接器220的L形凸缘(ledge)。
图2C是用于变送器210的壳体240和夹紧组件250的透视图。如图2C所示，示出了从变送器210移除的夹紧组件250，以更好地示出上述连接部件212。壳体240优选是具有约1英寸的直径的圆筒形。夹紧组件250被配置为在变送器210的主体240上滑动以连接到诸如连接器220的一次性过程连接器。
图3A-3C示出了根据本发明的一个实施例的压力变送器壳体和电路。图3A是壳体300的局部剖视透视图，其包括电路板310。电路板310包括优选为霍尔效应零开关的开关314。电路板310还包括微处理器316。电路板310可以包括工厂接口接头312。壳体300还被配置为允许电缆连接器302连接到电路板310。电缆连接器302的使用也可以实现有线过程通信。本文提供的一些实施例允许用于紧凑电缆接口的应变消除的双线连接。
图3B示出了壳体300的放大的剖视图，示出了在一个实施例中如何布置电路板310和相关联的部件。壳体300的壁被构造成耦合到基座330，基座330包括设置在模块340内的压力传感器。基座330是金属的，并且优选地焊接到模块340，例如使用现有的传感器焊接类型。在所示示例中，压力传感器是固态应变计传感器。微处理器316被配置为经由信号调节模块120读取来自诸如传感器104的压力传感器的压力信号，并提供合适的输出，例如电压输出。此外，微处理器316可以耦合到合适的通信电路，以经由有线或无线通信将测量到的压力传送到另一个设备。壳体300内的电子装置还可以设置有用户界面元件，以允许用户或技术人员相对于压力变送器执行一个或多个功能。例如，霍尔效应零开关314可以被配置为使得当用户将磁体靠近壳体的外表面放置时，对传送器执行调零功能。虽然示出了霍尔效应零开关314，但是在其他实施例中，附加开关可以放置在其他位置以提供附加功能。此外，壳体300的表面可以被标记或设置有表面指示，指示磁体靠近特定位置的布置将致动特定功能，例如使变送器归零。
如图3B所示，压力变送器还包括功率芯片316。功率芯片316可以连接到或包括诸如可再充电电池的电池。然而，在变送器连接到电缆(例如使用电缆连接件302)的实施例中，功率芯片316可以包括合适的电路，用于调节从电缆接收的功率以提供到压力变送器内的其它部件，例如微处理器和/或通信电路。本文描述的一些实施例提供无线信号(包括NFC，蓝牙LE，WIFI，WirelessHART)，并且由连接到功率芯片316的电池供电。
图3C是电路板310的俯视图。如图3C所示，电路板310包括被配置为接收传感器模块的电连接件和/或流体连接件的多个通孔320。如图3C所示，电路板包括五个通孔320。然而，应当理解，也可以使用更多或更少的通孔320以及其它布置。图3示出了通孔320中的一个，其使得压力传感器模块的导体通过并允许直接从传感器模块到电路板310的焊接连接。电路板310的使用提供了非常紧凑的组件。使用所示布置中的电路板310可实现的紧凑组件允许将变送器与电路板310连接到单次使用的反应室，同时实现高度精确的测量。
图4A和4B示出了根据本发明的实施例的具有隔离器隔膜的基部，其被配置成抵靠一次性连接器的隔膜定位。基部400是金属基部，并且包括隔离膜片，该隔离膜片被配置为抵靠一次性连接器的相应的聚合物隔膜定位。在图4A和图4B所示的示例中，基座400的直径约为1.5英寸。然而，本发明的实施例可以用更大或更小的尺寸来实施，包括但不限于基座400的直径为0.75英寸。
在图4B中示出了基座400，其上安装有压力传感器模块402。可以看出，压力传感器模块402包括多个向上突出的部件410和404，其被构造成穿过电路板的通孔，例如穿过电路板310的孔320。部件404是流体突出件，可用于向固态压力传感器模块提供参考压力。根据参考压力，来自压力变送器的压力的总体指示可以表示为绝对压力，例如在参考压力为真空的实施例中。总体指示还可以包括表压，例如在参考压力是大气压的情况下。另外，可以提供基于不同的参考值的其他合适的压力指示。
图5是根据本发明的实施例的压力变送器和一次性过程连接器之间的连接件的示意图。在图5所示的示例中，变送器504的金属隔膜520具有凸形形状，使得随着隔膜520和过程连接器502被放到一起，隔膜520的中心首先接触过程连接器502的聚合隔膜510的中心。第一连接点由附图标记530表示。当连接进行时，接触区域从中心530变大，如箭头532所示。空气在连接期间被径向向外驱出，从而减少了隔膜510和520之间的气囊形成和被困留的可能性。另外，通气孔534可以设置在聚合隔膜510和隔离器520之间，以进一步促进空气的去除。
图6A和6B是根据本发明的实施例的紧凑型压力传感器和一次性过程连接器的立体图。图6A示出了与一次性过程连接器630分离的紧凑的压力变送器壳体620，并示出了与其连接的金属基部610和金属隔离膜片612。变送器壳体620连接到电缆640，使得能够进行有线通信。在图6B中，压力变送器壳体620连接到过程连接器630。隔离膜片612的直径约为1英寸。然而，在其他实施例中，管道尺寸和相关的隔膜直径可以更小，例如1/2英寸直径或甚至3/8英寸直径。传感器可以与传感器电子元件集成，这也有利于对热波动的补偿，因为布置在电路板上的温度传感器相对靠近传感器。本文所述的至少一些实施例被配置为允许将压力变送器直接连接到生物反应室以获得高精度的压力读数。
本文所述的实施例可以表现出与紧凑型压力传感器相关联的一些以下说明性规范。本文中至少一些压力传感器变送器在0-40psig(磅/平方英寸计量表)的压力范围内是有用的，分辨率为0.005psig，精度为0.03psig。本文所述的压力变送器可以在21天的时间内表现出小于0.01psig的漂移，并且可以在5至50摄氏度之间的温度范围内使用。本文描述的实施例可以被配置为提供具有温度补偿的连续采样率。可以使用USP VI级材料制成的实施例完成出厂校准。
图7是根据本发明的实施例使用压力变送器的方法的流程图。方法700可以允许压力变送器连接到单次使用的容器，使得可以使用连接到诸如本文所述的一次性过程连接器的紧凑的压力传感器变送器来检测和传送高精度的压力传感器模块信号。
在框710中，准备单次使用的容器，例如生物反应器。例如，单次使用的容器在使用前被灭菌。然而，在其他情况下，可以将样品引入容器以开始反应。
在框720中，准备变送器。例如，如方框714所示，可以准备压力变送器。准备过程包括压力变送器的组装和校准。内部存储(非易失性)的校准参数在工厂校准期间提供，并可提供精度的证书。校准也可以根据需要由最终用户进行验证。
准备过程还可以包括将压力变送器可拆卸地连接到一次性过程连接器。压力传感器模块可以包括配置成与容器直接接合的紧凑的单次使用的部件。
在框730中，压力变送器联接到单次使用的容器。该连接件是临时连接件，如框722所示。在另一示例中，该连接件可以被配置为持续用于容器的一次使用。如框724所示，还可以设想其它连接件。如本文所示，一些示例包括完全集成的方案，不需要额外的设备(例如传送机箱)以便向控制系统发送信号。
在框740中，发送检测到的压力测量值。如方框732所示，紧凑型压力变送器提供高精度的测量值。如框734所示，测量值可被无线地发送，和/或通过有线通信回路发送，如框736所示。可提供压力读数的板上数字校正以基于来自集成温度传感器的信号来补偿热误差。这里描述的至少一些示例提供优于0.02psi的精度。
在框750中，组件被丢弃。单次使用组件的使用使得无需先前需要的CIP基础设施而可以进行反应。此外，可以获得准确的测量值，而无需先前需要的用于敏感的压力测量值的传统的就地安装仪器。单次使用的容器使用后可以丢弃，如框752所示。
如箭头760所示，压力变送器可重复使用，并且连接到新的一次性过程连接器，以便监视另外的单次使用的容器中的反应。
图8是根据本发明的另一个实施例的一次性过程连接器的示意图。过程连接器800例如可以与直插式的流通(flow-through)实施例中的传送器200或类似的传送器一起使用。例如，部件822可以被配置为连接到传送器200的部件212。
一段管道(未示出)在配件830上延伸，配件830可以是软管倒钩配件。一次性过程连接器800具有聚合隔膜，聚合隔膜向流体流动路径提供密封，但是响应于压力而移动。过程连接器800的聚合隔膜可以被配置为接触变送器200的隔膜226。
本文所描述的实施例提供了许多被认为对生命科学领域用于监测单次使用容器内或与单次使用容器相关联的压力而言非常有用的部件。本文描述的实施例提供能直接连接到单次使用的容器的、可重复使用的压力变送器。可重复使用的压力变送器可以提供数字处理的压力信号和/或使用嵌入式微控制器。
本文描述的系统表现出高稳定性，漂移小于每年0.01％FS。本文所述的集成变送器可以以轻质的方式制造，例如大约2-3盎司的重量，同时提供高精度。本文所述的聚合壳体允许轻量级和无线信号穿透。此外，隔离器被设计为非常灵敏和平坦，以便与单次使用的聚合物屏障更好地接合。
本文描述的实施例可用于顶空(headspace)应用，直插式压力测量应用，流量配件等。另外，尽管本文描述的实施例已经集中在单次使用的容器或器皿上，但是明确地预期其它领域和行业(诸如医疗领域)可受益于本发明的实施例。此外，其他过程连接件可以允许轻型压力变送器直接安装到柔性管道、管或任意数量的其他过程接口，并保持没有支撑(unsupported)(无需额外的安装硬件)。轻质的属性和潜在的无线通信可以允许普遍的感测在更小规模上的应用。
虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。

Claims (20)

1.一种压力感测系统，包括：
单次使用的容器；
一次性过程连接器，所述一次性过程连接器被配置为连接到所述单次使用的容器，所述一次性过程连接器具有可偏转隔膜；以及
压力变送器，所述压力变送器可拆卸地连接到所述一次性过程连接器，所述压力变送器包括：
隔离膜片，所述隔离膜片邻近所述一次性过程连接器的可偏转隔膜定位；
压力传感器模块，所述压力传感器模块可操作地耦合到所述隔离膜片；
控制器，所述控制器耦合到压力传感器并且被配置为传输检测到的在所述单次使用的容器内的压力指示。
2.根据权利要求1所述的压力感测系统，其中，所述压力变送器包括被配置为连接到包含所述压力传感器的传感器模块的电路板。
3.根据权利要求2所述的压力感测系统，其中，所述连接包括所述电路板和所述传感器模块的部件之间的基本上永久的连接，其中所述传感器模块的部件延伸穿过所述电路板。
4.根据权利要求1所述的压力感测系统，其中，所述一次性过程连接器是直插式流通连接器。
5.根据权利要求1所述的压力感测系统，其中，所述一次性过程连接器被构造成直接连接到所述单次使用的容器。
6.一种用于单次使用的容器的压力变送器，所述压力变送器包括：
聚合物壳体；
具有隔离膜片的基座；
传感器模块，所述传感器模块连接到所述基座，所述传感器模块具有可操作地耦合到所述隔离膜片的压力传感器；以及
电路，所述电路设置在所述聚合物壳体内并且耦合到所述压力变送器，所述电路包括被配置成从所述压力传感器获得压力测量值并且基于所测量的压力提供输出信号的微处理器。
7.根据权利要求6所述的压力变送器，其中，所述压力传感器是应变计压力传感器。
8.根据权利要求6所述的压力变送器，其中，所述电路板包括霍尔效应开关。
9.根据权利要求8所述的压力变送器，其中，所述霍尔效应开关被构造为产生用户启动的功能。
10.根据权利要求9所述的压力变送器，其中，所述功能是所述变送器的归零。
11.根据权利要求6所述的压力变送器，其中，所述变送器包括被配置为实现有线过程通信的电缆连接器。
12.根据权利要求6所述的压力变送器，其中，所述电路还包括耦合到所述微处理器并被配置为根据无线协议传输所述输出信号的通信模块。
13.根据权利要求6所述的压力变送器，其中，所述通信模块被配置为使用4-20mA的通信回路提供所述输出信号。
14.根据权利要求6所述的压力变送器，其中，所述通信模块被配置为使用电压输出来提供所述输出信号。
15.根据权利要求6所述的压力变送器，其中，所述通信模块被配置为使用数字通信回路来提供所述输出信号。
16.根据权利要求6所述的压力变送器，其中，所述电路包括可操作地设置在所述压力传感器和所述微处理器之间的模数转换器。
17.一种与单次使用的容器一起使用压力变送器的方法，所述方法包括：
将一次性过程连接器直接安装到所述单次使用的容器；
将所述压力变送器连接到所述一次性过程连接器；
使用压力变送器中的压力传感器测量所述单次使用的容器内的压力；以及
基于所测量的压力向远程设备提供输出。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述压力变送器包括第一隔膜，所述一次性过程连接器包括第二隔膜，并且其中，将所述压力变送器连接到所述一次性过程连接器包括将第一隔膜连接到第二隔膜，使得空气被径向向外驱出。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，将所述压力变送器连接到所述一次性过程连接器还包括迫使空气通过通气孔。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，将所述压力变送器连接到所述过程连接器包括可撤销的连接，使得所述压力变送器能再次用于另外的一次性过程连接器。
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