CN113285637B - 一种高精度微量移液反馈控制系统 - Google Patents

一种高精度微量移液反馈控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度微量移液反馈控制系统，其特征在于系统包括高精度柱塞泵、自动化摇臂、嵌入式系统、步进电机、液位检测板、胶管、移液针。嵌入式系统发出脉冲控制步进电机和高精度柱塞泵，实现移液针的二自由度运动，以及对液体的取样和打样。本发明通过分阶段变速度控制方法实现高精度微量取样；通过基于嵌入式系统的液位反馈系统，实现移液针液下打样，从而减少针尖挂液现象对检测结果的影响。

Description

一种高精度微量移液反馈控制系统
技术领域
本发明属于微生物发酵在线监控仪的自动化控制技术应用领域，设计一种高精度微量移液反馈控制系统，能对待测发酵液实现高精度微量(微升级)取样、打样，并通过液面反馈实现液下打样，减少针尖挂液对检测结果的影响，并防止待测发酵液与缓冲液的交叉污染。
背景技术
发酵工业是将传统的发酵工艺与现代生物工程技术相结合的基础产业，而微生物发酵过程更是发酵工业和生化工程的基础，是非常复杂的生物、化学综合反应过程，实现对发酵过程中底物与产物等各组分的浓度检测，对提高生产效率、生产水平具体十分重要的意义。
微生物发酵浓度响应型多组分浓度在线监控仪的移液装置是在线监控仪的关键组成部分，在检测流程中负责标准样、待测发酵液的取样、打样。检测流程要求高精度微量(微升级)取样、打样，所以高精度微量移液对检测结果有十分重要的影响。目前，高精度微量打样是难以实现的技术，本发明高精度微量移液反馈控制系统可以在实现检测流程中电容感应双层针高精度微量取样、打样的同时，也通过液面反馈系统实现电容感应双层针的液下打样，极大程度减少了针尖挂液现象对检测流程的影响，提高检测精度。
发明内容
本发明为解决背景技术中存在的问题，提出了一种高精度微量移液反馈控制系统。
技术方案：
一种高精度微量移液反馈控制系统，其特征在于系统包括自动化摇臂，设置在自动化摇臂侧面上端的第一步进电机、设置在自动化摇臂侧面下端的第二步进电机；自动化摇臂的末端固定移液针，移液针为电容感应双层针，针头竖直向下；高精度柱塞泵的输出管穿过自动化摇臂并连接移液针，移液针电连接液位检测板；
控制系统通过脉冲控制第一步进电机、第二步进电机，以实现自动化摇臂上下移动；
移液针探测液位数据，并通过液位检测板将液面反馈信号回传至控制系统，实现液位反馈。
优选的，移液针包括内外两层金属针壁，内外针壁间使用绝缘材料隔离。
优选的，移液针电连接液位检测板，当移液针接触液面时，移液针所形成的电容改变，液位检测板获得的电流突变，此时判定移液针液面接触。
优选的，系统判定移液针液面接触后，对第一步进电机、第二步进电机计数，根据计数获取移液针对应的浸入深度。
优选的，液位通过以下公式获得：
Figure BDA0003095894180000021
其中，lY为电容感应双层针浸入液体部分的长度，εK为空气的介电常数，εY为检测池中液体的介电常数，LZ为电容感应双层针有效部分的长度，RZ为液位检测板检测电路的阻抗，dW为电容感应双层针外壁的直径，dN为电容感应双层针内壁的直径,I为液位检测板检测到的电流值，εK、εY、LZ、dW、dN、RZ均为定值。
优选的，所述高精度柱塞泵输出管为胶管。
优选的，系统包括以下步骤：
(1)取样时，先抽取空气柱，所需要的脉冲数m1为给定值；
(2)取样时，取待测发酵液所需脉冲数m2由以下公式确定：
Figure BDA0003095894180000022
其中，VM为取样量，M为高精度柱塞泵全部量程所需的脉冲数，VC为高精度柱塞泵的容量；
(3)采用分阶段变速度控制方法控制步进电机取样，分为加速阶段和减速阶段，加速阶段的加速度a1、速度v1由以下公式确定：
Figure BDA0003095894180000023
Figure BDA0003095894180000024
其中，t1为加速阶段加速度增加到最大值的截止时间，t2为加速阶段的截止时间，vz为加速度达到最大值时的速度值，t为时间变化，t1、t2、vz均为给定值；
(4)取样过程减速阶段的加速度a2、速度v2由以下公式确定：
Figure BDA0003095894180000031
Figure BDA0003095894180000032
其中，t1为加速阶段加速度增加到最大值的截止时间，t3为减速阶段加速度增加到最大值的截止时间，t4为减速阶段的截止时间，vz为加速度达到最大值时的速度值，t为时间变化，t1、t3、t4、vz均为给定值；
(5)打样阶段液位检测板检测到电流后，反馈指令给嵌入式系统，嵌入式系统接收到液位检测板返回的指令后，输出给定脉冲数值m3，从而控制电容感应双层针停止在脉冲数m3对应的液面深度。
本发明的有益效果
本发明通过分阶段变速度控制方法控制高精度柱塞泵，从而实现电容感应双层针对待测发酵液的高精度微量取样、打样，并通过液面反馈系统控制自动化摇臂，实现电容感应双层针液下打样，减少针尖挂液现象对检测结果的影响。
控制系统应用于微生物发酵浓度响应性多组分在线监控仪的高精度取样、打样；在线监控仪包括嵌入式主控模块、电机驱动模块、嵌入式数据采集模块；电极驱动模块包括自动化摇臂水平方向步进电机驱动、自动化摇臂垂直方向步进电机驱动、高精度柱塞泵步进电机驱动；自动化摇臂垂直方向步进电机驱动通过控制自动化摇臂垂直运动实现电容感应双层针在垂直方向移动；高精度柱塞泵步进电机驱动通过控制高精度柱塞泵为电容感应双层针取样、打样提供动力。
通过移液针(6)接触液面时电容改变导致液位检测板(5)检测的电流改变，判定移液针(6)液面接触。
进一步通过步进电机计数，获取移液针(6)对应的浸入深度。
通过液位检测板(5)检测的电流值，实时获取电容感应双层针浸入液体部分的长度。
附图说明
图1为本系统的装置结构示意图
图2为本系统的操作流程图
图3为电容感应双层针吸取空气、待测发酵液示意图
图4为本系统分阶段变速度控制方法速度、加速度变化示意图
图5为电容感应双层针结构示意图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
本发明公开了一种高精度微量移液反馈控制系统，如图1所示，系统包括自动化摇臂(3)，设置在自动化摇臂(3)侧面上端的第一步进电机(1)、设置在自动化摇臂(3)侧面下端的第二步进电机(2)；自动化摇臂(3)的末端固定移液针(6)，移液针(6)为电容感应双层针，针头竖直向下；高精度柱塞泵(4)的输出管穿过自动化摇臂(3)并连接移液针(6)，移液针(6)电连接液位检测板(5)；
控制系统通过脉冲控制第一步进电机(1)、第二步进电机(2)，以实现自动化摇臂(3)上下移动；
移液针(6)探测液位数据，并通过液位检测板(5)将液面反馈信号回传至控制系统，实现液位反馈。
移液针(6)内部通过胶管与高精度柱塞泵(4)连接，实现和在线监控仪流路系统的连通；移液针(6)同时作为导体，其外部通过导线与液位检测板(5)连接，液位检测板(5)通过导线与嵌入式系统连接。嵌入式系统通过脉冲控制步进电机转动，步进电机分别控制自动化摇臂作二自由度运动；嵌入式系统通过脉冲控制高精度柱塞泵为取样、打样提供动力；液位检测板检测到液位反馈信号后，反馈指令给嵌入式系统，实现液位检测。
优选的实施例中，结合图5，移液针(6)为电容感应双层针，其包括内外两层金属针壁，金属外壁(8)和金属内壁(9)之间采用绝缘材料(10)隔离，移液针(6)的腔体通过胶管接口(12)与胶管连接，移液针(6)通过导线接口(11)与外部导线连接。
如图2所示，电容感应双层针取样后，嵌入式系统发出脉冲控制步进电机，进而控制自动化摇臂(3)垂直向下运动，当电容感应双层针接触到液面时，会产生一个电信号，液位检测板(5)检测到电信号后，反馈指令给嵌入式系统，嵌入式系统再次发送信号给步进电机，使电容感应双层针在液面下给定位置停止，开始打样，实现液下打样。
所述液位检测板(5)检测电信号：当移液针(6)接触液面时，移液针(6)所形成的电容改变，液位检测板(5)获得的电流突变，此时判定移液针(6)液面接触。
液位检测板检测到电容改变产生的电流后，向嵌入式系统反馈指令，嵌入式系统通过脉冲，如可直接发出停止指令，控制自动化摇臂停止运动，实现电容感应双层针接触液面后停止；或者给出脉冲，实现电容感应双层针在液面下给定位置停止运动。控制电容感应双层针停止运动，开始打样。
作为一种移液针(6)浸入深度的识别方案，系统判定移液针(6)液面接触后，对第一步进电机(1)、第二步进电机(2)计数，根据计数获取移液针(6)对应的浸入深度。
如图1和图5所示，电容感应双层针本身可视为电容器，其外部通过导线与液位检测板直接连接；电容感应双层针由两层金属针管嵌套而成，内外壁之间填充有绝缘材料，外壁为导体，可视为电容器动极板，内壁接地，可视为电容器定极板。随着电容感应双层针接触液面，针外壁接触液面，动极板面积突然增大，电容器电容发生改变并产生一个电流信号；
作为另一种移液针(6)浸入深度的识别方案，液位通过以下公式获得：
Figure BDA0003095894180000051
其中，lY为电容感应双层针浸入液体部分的长度，εK为空气的介电常数，εY为检测池中液体的介电常数，LZ为电容感应双层针有效部分的长度，RZ为液位检测板检测电路的阻抗，dW为电容感应双层针外壁的直径，dN为电容感应双层针内壁的直径,I为液位检测板检测到的电流值，εK、εY、LZ、dW、dN、RZ均为定值。
如图3所示，在电容感应双层针对待测发酵液取样时，为实现高精度打样，先吸入一定体积的空气(102)，再吸取给定体积的待测发酵液(101)，假设吸入空气的脉冲数为m1，吸取待测发酵液的脉冲数为m2，则打样时排除待测发酵液的脉冲数为m+m2，其中0<m<m1，以保证待测发酵液全部排出。同时，电容感应双层针内部与在线监控仪流路连通，吸入空气柱同时实现了待测发酵液和仪器内缓冲液(103)的隔离，防止发酵液和缓冲液交叉污染。
高精度柱塞泵控制电容感应双层针对待测发酵液取样包括以下流程：
S1：设定参数，包括初速度、中点速度、4个时间节点、脉冲数等；
S2：加速取样，加速度从0开始均匀增加到最大值，再从最大值均匀减小到0，速度从初速度0开始增加到最大值，是加速过程；
S3：减速取样，加速度从0开始均匀增加到最大值，再从最大值均匀减小到0，速度从最大值开始减少到0，是减速过程；
S4：结束。
本发明的分阶段变速度控制方法分为加速启动阶段、加速运行阶段、减速运行阶段和减速停止阶段，如图2和图4所示，嵌入式系统发出脉冲控制步进电机，通过对脉冲频率的不断修改实现对步进电机速度变化的控制，进而实现分阶段变速度控制。步进电机低速启动，然后快速加速，步进电机高速运行，并在速度达到最大值后逐渐减速，最后步进电机速度逐渐降低直至停止。高精度柱塞泵对待测发酵液取样、打样、自动化摇臂二自由度运动均采用分阶段变速度控制方法，以避免步进电机出现漂移、堵转、过热等现象。
为保证本发明在实施过程中分阶段连续速度控制方法精确运行，采用了一系列控制策略，包括脉冲数值的获得方法、取样时间T控制、加速度和速度计算等。包括以下步骤：
(1)取样时，先抽取空气柱，所需要的脉冲数m1为给定值；
(2)取样时，取待测发酵液所需脉冲数m2由以下公式确定：
Figure BDA0003095894180000061
其中，VM为取样量，M为高精度柱塞泵全部量程所需的脉冲数，VC为高精度柱塞泵的容量；
(3)结合图4，采用分阶段变速度控制方法控制步进电机取样，分为加速阶段和减速阶段，加速阶段的加速度a1、速度v1由以下公式确定：
Figure BDA0003095894180000062
Figure BDA0003095894180000063
其中，t1为加速阶段加速度增加到最大值的截止时间，t2为加速阶段的截止时间，vz为加速度达到最大值时的速度值，t为时间变化，t1、t2、vz均为给定值；
(4)取样过程减速阶段的加速度a2、速度v2由以下公式确定：
Figure BDA0003095894180000064
/>
Figure BDA0003095894180000065
其中，t1为加速阶段加速度增加到最大值的截止时间，t3为减速阶段加速度增加到最大值的截止时间，t4为减速阶段的截止时间，vz为加速度达到最大值时的速度值，t为时间变化，t1、t3、t4、vz均为给定值；
(5)打样阶段液位检测板检测到电流后，反馈指令给嵌入式系统，嵌入式系统接收到液位检测板返回的指令后，输出给定脉冲数值m3，从而控制电容感应双层针停止在脉冲数m3对应的液面深度。
高精度微量移液反馈控制系统应用于微生物发酵浓度响应性多组分在线监控仪，在线监控仪还包括嵌入式主控模块、电机驱动模块、嵌入式数据采集模块；电极驱动模块包括自动化摇臂水平方向步进电机驱动、自动化摇臂垂直方向步进电机驱动、高精度柱塞泵步进电机驱动；自动化摇臂垂直方向步进电机驱动通过控制自动化摇臂垂直运动实现电容感应双层针在垂直方向移动；高精度柱塞泵步进电机驱动通过控制高精度柱塞泵为电容感应双层针取样、打样提供动力。
高精度微量移液反馈控制系统可保证微生物发酵浓度响应性多组分在线监控仪在低进样量情况下，实现高精度取样、打样，同时可防止待测发酵液与缓冲液的交叉污染，并通过液位反馈实现电容感应双层针的液下打样，降低针尖挂液造成影响。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种高精度微量移液反馈控制系统，其特征在于系统包括自动化摇臂(3)，设置在自动化摇臂(3)侧面上端的第一步进电机(1)、设置在自动化摇臂(3)侧面下端的第二步进电机(2)；自动化摇臂(3)的末端固定移液针(6)，移液针(6)为电容感应双层针，针头竖直向下；高精度柱塞泵(4)的输出管穿过自动化摇臂(3)并连接移液针(6)，移液针(6)电连接液位检测板(5)；
控制系统通过脉冲控制第一步进电机(1)、第二步进电机(2)，以实现自动化摇臂(3)上下移动；
移液针(6)探测液位数据，并通过液位检测板(5)将液面反馈信号回传至控制系统，实现液位反馈；移液针(6)包括内外两层金属针壁，内外针壁间使用绝缘材料隔离；液位通过以下公式获得：
Figure FDA0004191836450000011
其中，lY为电容感应双层针浸入液体部分的长度，εK为空气的介电常数，εY为检测池中液体的介电常数，LZ为电容感应双层针有效部分的长度，RZ为液位检测板检测电路的阻抗，dW为电容感应双层针外壁的直径，dN为电容感应双层针内壁的直径,I为液位检测板检测到的电流值，εK、εY、LZ、dW、dN、RZ均为定值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于移液针(6)电连接液位检测板(5)，当移液针(6)接触液面时，移液针(6)所形成的电容改变，液位检测板(5)获得的电流突变，此时判定移液针(6)液面接触。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于系统判定移液针(6)液面接触后，对第一步进电机(1)、第二步进电机(2)计数，根据计数获取移液针(6)对应的浸入深度。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述高精度柱塞泵(4)输出管为胶管。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于系统包括以下步骤：
(1)取样时，先抽取空气柱，所需要的脉冲数m1为给定值；
(2)取样时，取待测发酵液所需脉冲数m2由以下公式确定：
Figure FDA0004191836450000021
其中，VM为取样量，M为高精度柱塞泵全部量程所需的脉冲数，VC为高精度柱塞泵的容量；
(3)采用分阶段变速度控制方法控制步进电机取样，分为加速阶段和减速阶段，加速阶段的加速度a1、速度v1由以下公式确定：
Figure FDA0004191836450000022
/>
Figure FDA0004191836450000023
其中，t1为加速阶段加速度增加到最大值的截止时间，t2为加速阶段的截止时间，vz为加速度达到最大值时的速度值，t为时间变化，t1、t2、vz均为给定值；
(4)取样过程减速阶段的加速度a2、速度v2由以下公式确定：
Figure FDA0004191836450000024
Figure FDA0004191836450000025
其中，t1为加速阶段加速度增加到最大值的截止时间，t3为减速阶段加速度增加到最大值的截止时间，t4为减速阶段的截止时间，vz为加速度达到最大值时的速度值，t为时间变化，t1、t3、t4、vz均为给定值；
(5)打样阶段液位检测板检测到电流后，反馈指令给嵌入式系统，嵌入式系统接收到液位检测板返回的指令后，输出给定脉冲数值m3，从而控制电容感应双层针停止在脉冲数m3对应的液面深度。
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