CN114127419B - 用于控制无传感器的隔膜泵的控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制无传感器的隔膜泵(14)的控制装置(13)。本发明还涉及一种用于控制无传感器的隔膜泵的方法。控制装置(13)包括：控制流体入口(1)，用于连接到具有相对于参考压力升高的压力水平的第一控制流体储存器(1A)；控制流体出口(2)，用于连接到具有相对于参考压力降低的压力水平的第二控制流体储存器(2A)；控制流体接头(8)，用于连接用于无传感器的隔膜泵(14)的控制流体管路，其中控制流体入口(1)经由第一比例阀(3)与集合点(6)连接，控制流体出口(2)经由第二比例阀(4)与集合点(6)连接，其中在集合点(6)与控制流体接头(8)之间布置质量流量传感器(5)，并且其中控制装置(13)还包括控制单元(12)，该控制单元与第一比例阀(3)、第二比例阀(4)和质量流量传感器(5)信号技术地连接。

Description

用于控制无传感器的隔膜泵的控制装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于控制无传感器的隔膜泵的控制装置。本发明还涉及一种用于控制无传感器的隔膜泵的方法。本发明还涉及一种隔膜泵装置，其具有隔膜泵和用于控制隔膜泵的控制装置。本发明还涉及一种隔膜泵以及一种具有隔膜泵装置或隔膜泵的生物反应器，以及一种具有生物反应器的隔膜泵装置的或隔膜泵在生物反应器中的应用。

背景技术

在生物工艺技术领域，特别是在使用生物反应器的情况下，是使用隔膜泵来输送介质。在生物工艺技术中待输送的介质特别是流体，在流体中例如可以包含生物细胞和/或其它的组分，这可以是研究或者另一应用的主题。例如在专利文献EP2379889B1中描述了隔膜泵及其在生物反应器中的使用。

但是仍然存在进一步改进技术方案的需求，特别是关于控制隔膜泵的控制装置和方法以及隔膜泵，以期提高工艺可靠性和/或提供特别具有成本效益的技术方案。

发明内容

本发明的目的通过一种用于控制无传感器的隔膜泵的控制装置来实现，该控制装置包括：控制流体入口，用于连接到具有相对于参考压力升高的压力水平的第一控制流体储存器；控制流体出口，用于连接到具有相对于参考压力降低的压力水平的第二控制流体储存器；控制流体接头，用于连接无传感器隔膜泵的控制流体管路，其中控制流体入口经由第一比例阀与集合点连接，控制流体出口经由第二比例阀与集合点连接，其中在集合点与控制流体接头之间布置有质量流量传感器，并且其中，控制装置还包括控制单元，该控制单元与第一比例阀、第二比例阀和质量流量传感器信号技术地连接。

本发明特别是基于以下认识：现有的隔膜泵和控制装置以及方法需要距离传感器来确定膜片的位置。这一方面导致隔膜泵本身的成本增加。另一方面，这种技术方案是不精确的，因为通过距离传感器只能间接地确定被挤出的体积，并且不能重现地描述弹性膜片的空间变形。此外，在操控膜片和输送待输送的介质时经常会给介质组分带来很大的负荷。例如可能会出现较高的剪切力，其特别是可能会损害待输送介质中的生物细胞，这可能会对其研究和/或进一步处理产生负面影响，甚至使其不可行。特别是在使用廉价的一次性生物反应器的领域中，昂贵的带有距离传感器的隔膜泵并没有吸引力。

相反，本文所述的控制装置允许省去用于确定隔膜泵的膜片位置的距离传感器，同时能够确保待输送介质的精确且经济的输送。由此，一方面能够使用无传感器并因此大大降低成本的隔膜泵，其也用作一次性生物反应器中的一次性隔膜泵。同时还确保了利用该隔膜泵输送的介质及其组分被体积精确地和经济地输送，从而提高了工艺可靠性并且改善了进一步的研究和再加工。

这是通过所述用于控制无传感器的隔膜泵的控制装置来实现。这里所说的控制装置不再依赖于距离传感器的信号来检测隔膜泵的膜片的位置以控制隔膜泵。

无传感器的隔膜泵在此特别是指没有用于膜片位置识别的距离传感器的隔膜泵。无传感器的隔膜泵优选地也不包含任何其他的传感器。

隔膜泵的这种设计方案的优点在于：可以节省用于膜片位置识别的距离传感器的成本和可能的其它传感器的成本，并且隔膜泵可以显著更低成本地制造，因此也可用于一次性应用。

在此所述的控制装置被设计为，其能够控制这种无传感器的隔膜泵。为此，该控制装置包括以下所述的元件。

控制流体入口和控制流体出口用于将控制装置连接到第一和第二控制流体储存器，其中，控制流体入口连接到具有相对于参考压力升高的压力水平的第一控制流体储存器，控制流体出口连接到具有相对于参考压力降低的压力水平的第二控制流体储存器。

控制装置可以经由控制流体接头借助于控制流体管路与无传感器的隔膜泵连接。通过这种方式，第一控制流体储存器的控制流体可以从控制流体入口到达控制流体接头，并从那里经由控制流体管路进入无传感器的隔膜泵的控制流体侧的腔室中，再从那里经由控制流体管路通过控制流体出口回到第二控制流体储存器中。

第一和第二控制流体储存器还可以是总控制流体储存器的一部分，该总控制流体储存器提供了通过控制装置将控制流体输送到隔膜泵的控制流体侧的腔室中以及从中离开所需的相对于参考压力升高或降低的压力水平。

无论是控制流体入口，还是控制流体出口均与集合点连接，该集合点又与控制流体接头连接。在控制流体入口与集合点之间设有第一比例阀，并在控制流体出口与集合点之间设有第二比例阀。通过这些比例阀，控制装置可以控制从控制流体入口到控制流体接头以及从控制流体接头到控制流体出口的控制流体流。为此，控制装置具有控制单元，该控制单元与第一比例阀和第二比例阀信号技术地连接。

控制装置还具有质量流量传感器，该质量流量传感器布置在集合点与控制流体接头之间。质量流量传感器优选地被构造为热质量流量传感器。通过质量流量传感器，可以确定集合点与控制流体接头之间的控制流体的质量流。控制装置的控制单元为此同样与质量流量传感器信号技术地连接。通过这种方式，可以在第一和/或第二比例阀的操控中使用质量流量传感器的信号。

控制流体入口优选地通过控制流体管路与集合点连接，控制流体出口同样优选地通过控制流体管路与集合点连接。集合点也优选地通过控制流体管路与控制流体接头连接。此外，将控制装置与无传感器的隔膜泵连接起来的控制流体管路也可以连接在控制流体接头上。优选地，可以在控制流体入口和/或控制流体出口上分别连接一控制流体管路，以便将控制流体入口和/或控制流体出口分别连接到第一或第二控制流体储存器。

无传感器隔膜泵具有控制流体侧腔室和介质侧腔室。控制装置通过控制流体管路将控制流体供应给控制流体侧腔室或从控制流体侧腔室排出。待输送的介质流经介质侧腔室。弹性膜片将这两个腔室彼此流体技术地分离，但是它们又在体积上联接。介质侧腔室具有一个或多个介质接头，待输送的介质通过该介质接头流入和流出介质侧腔室。为了控制介质流，优选地可以为接头配置阀门，例如自动操作阀门或受控阀门，特别是止回阀。

在一种优选的实施方式中，无传感器隔膜泵的介质侧腔室具有精确的用于介质流入的介质入口和精确的用于介质流出的介质出口。优选地，介质入口和介质出口分别具有止回阀，特别是自动操作的止回阀，其根据通过相应的介质入口或介质出口的流动方向来布置。

生物反应器在此特别是指柔性的或形状稳定的容器，该容器在其内部构造有反应室，在该反应室中可以进行生物工艺。为此，在生物反应器中通常存在介质混合物，其也被称为培养液。生物反应器通常具有一个或多个接头，通过该接头可以供给和排出介质、提取样品、或者连接用于不同测量的传感器。例如，可以在生物反应器中使用隔膜泵，以便能够提取或供给介质或介质样品，或者使介质运动并由此例如混合。

生物反应器通常必须无菌地提供以用于生物工艺。由于已经使用过的生物反应器灭菌成本高昂，并且始终存在工艺风险，因此越来越多地使用一次性生物反应器，它们仅被一次性使用并在使用之后被清除掉。这一方面需要具有成本效益的设计和材料，同时还要求材料尽可能地保护资源和/或环境，但是这些材料同时又满足生物工艺技术的要求，例如美国药典(USP)第VI级的要求。在这种情况下，优选的也是一次性隔膜泵，其可以构成一次性生物反应器的一部分，并且也可以在使用之后被清除掉，在必要时可以与一次性生物反应器一起被清除掉。为此，首选是成本低廉、有利于资源和环境保护的材料，同时还满足对生物工艺可靠性的高要求。

通过利用质量流量传感器所检测到的控制流体的质量流(其与摩尔流量相关)，可以确定控制流体的体积流。通过关于时间的积分，可以确定控制流体的摩尔粒子数和相应的输送体积。通过这种方式，能够利用在此所述的控制装置对无传感器隔膜泵进行体积操控。

一方面是质量流量传感器与控制装置的控制单元的信号技术连接，另一方面是第一和第二比例阀与控制装置的控制单元的信号技术连接，使得能够根据质量流量传感器所检测到的数据来控制从控制流体入口到控制流体接头以及回到控制流体出口的控制流体流，并由此补偿了用于膜片位置识别的距离传感器的缺失。

在此所述的控制装置允许：通过其在集合点与控制流体接头之间构造和设置质量流量传感器，将控制无传感器隔膜泵所需的所有元件结合到控制装置中。由此，只需要一方面简单连接到控制流体储存器，另一方面简单连接到无传感器隔膜泵即可。此外，通过这种方式，所有与控制相关的传感器和其它的组件也被汇总在在控制装置中。因此，优选可重复使用的控制装置可以包含所有复杂的且可能昂贵的组件，并且可以与例如其中使用的具有无传感器一次性隔膜泵的一次性生物反应器分开地、必要时也可以是空间上间隔开地布置。

优选地，控制装置被构造用于控制多于一个的无传感器隔膜泵。为此，可以例如在控制流体接头上连接多个控制流体管路或分支的控制流体管路以形成多个无传感器隔膜泵。在这种情况下，所述多个无传感器隔膜泵优选被全部相同地操控。这特别适用于在多个相同构造的装置中并行运行的并行生物过程。

优选地，控制装置还可以被构造用于不同地操控多个隔膜泵。为此优选的，每个所需的组件在控制装置中都是相应地多重设置。通过这种方式，在共有控制装置中，相应的组件可以被捆绑并集中提供，既用于操控多个隔膜泵，也用于具有不同操控的不同应用。

特别是当控制装置被构造用于操控多个不同操控类型的隔膜泵时，控制装置也可以被构造为分布式的，例如空间上间隔开的，并通过相应的连接(例如信号技术地和/或流体技术地和/或依赖于线路的和/或独立于线路的)形成相关联的控制装置。

特别优选地，质量流量传感器被构造为在两个流动方向上进行测量。因此，优选地将质量流量传感器构造为，独立于控制流体流动方向地检测控制流体在集合点与控制流体接头之间的质量流，即，与控制流体是从控制流体入口流到控制流体接头还是从控制流体接头流到控制流体出口无关。

在一种优选的实施方式中，在集合点与控制流体接头之间布置有压力传感器，特别是绝对压力传感器。特别优选地，该压力传感器布置在质量流量传感器与控制流体接头之间。在此优选地，控制单元信号技术地连接压力传感器。

设置压力传感器和特别是其与控制单元的信号技术连接的优点在于：在操控无传感器隔膜泵时可以将控制流体压力考虑在内。

通过无传感器隔膜泵的控制流体侧腔室与介质侧腔室的体积联接，不仅可以将体积流并相应地将待输送介质的输送体积与控制流体相关联，而且还可以将待输送介质的压力与控制流体的压力相关联。由于待输送的介质、特别其组分(例如生物细胞)经常是对压力敏感的和/或可能受到剪切力的不利影响，甚至是被其破坏，因此有利的是，能够在操控中考虑到压力，特别是预先设定例如边界值、压力范围和/或压力梯度、特别是与时间相关的梯度，并在控制中保持，以便通过无传感器隔膜泵实现对待输送介质的特别经济的输送。

此外，通过将控制流体压力包括在内，可以进一步改善无传感器隔膜泵的操控精度。

在另一种实施方式中，控制装置还包括温度传感器和/或用于与温度传感器进行信号交换、特别是从温度传感器进行信号接收的温度传感器接口。在此，控制单元优选地与温度传感器和/或温度传感器接口信号技术地连接。

温度传感器可以例如被构造为检测周围环境温度。温度传感器还可以被构造为例如检测待输送介质的温度，例如在生物反应器中。

检测温度或使用温度传感器的信号有助于进一步改善操控。通过在根据检测到的质量流确定体积流和体积时将温度考虑在内，可以特别是进一步提高操控的精度。

在另一种优选的实施方式中，控制单元还具有用于与外部通信单元交换的通信接口。特别优选地，该通信接口包括或者是用于数据交换的数据接口。

通过通信接口，例如可以有利地传输并因此预先设定例如所要维持的压力、流动速度、质量或体积流或体积的控制算法、边界值、范围或梯度，和/或将在控制中生成的值和/或分析传输到外部通信单元上并在那里进一步处理。

特别优选地，控制单元被构造为：操控控制装置的第一比例阀以释放流量(Durchflussfreigabe)和输送控制流体，在达到待输送的体积时关闭第一比例阀；操控第二比例阀以释放流量和输送控制流体，并在达到待输送的体积时关闭第二比例阀。

优选地，控制单元还被构造为确定控制流体的输送体积，其中，确定控制流体的输送体积优选地包括：从质量流量传感器接收质量流信号；根据质量流信号推导出体积流；根据体积流推导出所输送的控制流体的体积。

优选地，控制单元还被构造为确定无传感器隔膜泵的膜片的最终位置(Endlagen)，其中，确定无传感器隔膜泵的膜片的最终位置优选地包括：操控第一和/或第二比例阀，以预先设定的初始化体积流输送控制流体；接收压力梯度信号；在压力梯度信号改变时确定膜片的最终位置的存在。

根据本发明的另一方面，本发明开头所述的目的通过一种隔膜泵装置来实现，该隔膜泵装置具有隔膜泵、特别是无传感器隔膜泵和前述的控制装置。

根据本发明的另一方面，本发明开头所述的目的通过一种隔膜泵来实现，该隔膜泵与前述的控制装置一起使用，其特征在于，该隔膜泵没有用于检测膜片位置的距离传感器。

根据本发明的另一方面，本发明开头所述的目的通过一种具有前述的隔膜泵装置或具有前述的隔膜泵的生物反应器来实现。

根据本发明的另一方面，本发明开头所述的目的通过将前述的隔膜泵装置与生物反应器一起使用或将前述的隔膜泵应用在生物反应器中来实现。

根据本发明的另一方面，本发明开头所述的目的通过一种用于控制无传感器隔膜泵的方法来实现，该方法包括：操控控制装置的第一比例阀以释放流量和输送控制流体；在达到待输送体积时关闭第一比例阀；操控第二比例阀以释放流量和输送控制流体；在达到待输送体积时关闭第二比例阀。

在此所述的方法允许对无传感器隔膜泵进行体积控制。为此，首先通过相应地操控第一比例阀，优选以预定的质量流和/或预定的体积流，将控制流体从第一控制流体储存器输送到控制流体接头。一旦达到待输送的体积，就关闭第一比例阀。为此，优选地确定控制流体的已输送体积并与所期望的待输送体积进行比较。在达到待输送的体积并关闭第一比例阀之后，操控第二比例阀以释放流量，并优选以预定的质量流和/或预定的体积流将控制流体从控制流体接头输送到第二控制流体储存器。在达到待输送的体积之后，关闭第二比例阀。在此，也优选地确定控制流体的已输送体积并与所期望的待输送体积进行比较。

控制流体通过第一比例阀的输送和控制流体通过第二比例阀的输送是沿不同的流动方向进行，在第一种情况下是朝向隔膜泵，在第二种情况下则是远离隔膜泵朝向第二控制流体储存器。

确定控制流体的已输送体积优选地包括：检测控制流体的质量流；基于质量流推导出体积流；基于体积流推导出已输送的控制流体的体积。

检测控制流体的质量流优选地通过控制装置的质量流量传感器在控制流体沿无传感器隔膜泵的方向离开控制流体接头之前。为了根据质量流推导出体积流，可以根据框架条件，在速度和压差很低的情况下，采用近似等温工艺，或者在更快变化的情况下采用绝热工艺。

气态控制流体的体积流F例如可以基于理想气体定律或者基于对应于所使用的气态流体的特殊函数关系来确定。在此，优选地考虑摩尔流量n、以及必要时考虑所检测到的压力p和/或所检测到的温度T和一般的气体常数R。例如，在此可以使用以下公式：

F＝(n*R*T)/p。

为了推导出已输送的控制流体的体积，优选地根据与摩尔流量相关的质量流量，通过关于时间的积分来确定摩尔粒子数，由此可以借助于通用气体定律(allgemeinenGasgesetz)或对应于气态流体的特殊函数关系以及在必要时在考虑其他的参数(例如压力和/或温度)的情况下，确定通过控制流体接头所输送的控制流体的体积。

由此又可以有利地推导出输送到隔膜泵的控制流体侧腔室中的体积。在此，优选考虑死体积(Totvolumen)，该死体积在无传感器隔膜泵的控制流体侧腔室的控制流体入口与控制装置的比例阀之间延伸，并且包括位于它们之间的引导控制流体的组件的所有体积。

根据一种优选的改进方案，该方法还包括：检测控制流体的压力；操控第一和/或第二比例阀，使得不超过预先设定的控制流体的目标压力和/或保持预先设定的目标压力范围和/或保持预先设定的压力梯度。

控制流体的压力优选地通过控制装置的压力传感器来确定，特别是在控制装置的内部，在控制流体沿无传感器隔膜泵的方向离开控制流体接头之前。对无传感器隔膜泵的操控优选地这样进行：即，符合预先设定的压力参数。在此特别要符合压力梯度，特别是关于随时间的压力变化，以便能够实现最有利于细胞的介质输送。

该方法的另一种优选改进方案包括确定无传感器隔膜泵的膜片的最终位置。在此，优选检测无传感器隔膜泵的膜片的体积最终位置。膜片的体积最终位置特别是对应于控制流体侧腔室的最大或最小的填充体积以及无传感器隔膜泵的介质侧腔室的最大或最小的填充体积。

确定无传感器隔膜泵的膜片的最终位置优选地包括：以预先设定的初始化体积流输送控制流体；检测控制流体的压力梯度；在压力梯度改变时确定膜片的最终位置的存在。

在此，优选地，特别是以预先设定的初始化体积流来输送控制流体，并且并行地检测控制流体的压力梯度，直至确定压力梯度发生明显改变、特别是上升。由此可以推断出，膜片已经到达其一最终位置。通过优选同样以预先设定的初始化体积流沿相反方向输送控制流体，并且也并行地检测控制流体的压力梯度，同样可以根据压力梯度的明显变化推断出膜片的第二最终位置的存在。根据在这两个最终位置之间输送的体积，可以推导出无传感器隔膜泵的总差体积(Gesamt-Differenzialvolumen)。相应地，可以确定位于这两个最终位置之间的膜片参考点和相关的输送体积。膜片的中性位置例如对应于总差体积的一半。

在此所述的方法及其改进方案所具有的特征或方法步骤使得它们特别适合于与在此所述的控制装置及其改进方案一起使用。

在此所述的控制装置及其改进方案所具有的特征使得它们特别适合于与在此所述的方法及其改进方案一起使用，或者为此而相应地设计。

在此所述的方面及其相应的改进方案的优点、实施方式变型和实施细节也在对其它各个方面的相应特征和优点的描述中提及。

附图说明

下面参照附图示例性地说明优选的实施例。其中：

图1示出了隔膜泵装置的示意图，其具有控制装置和无传感器的隔膜泵；和

图2示出了用于控制无传感器的隔膜泵的方法的示意性流程图。

具体实施方式

图1示出了具有控制装置13和无传感器的隔膜泵14的隔膜泵装置100的示意图，图2示出了用于控制无传感器的隔膜泵14的方法1000的示意性流程图。

在附图中，相同的或功能基本相同的元件具有相同的附图标记。除非另有说明，否则一般性的描述通常是指所有的实施方式。

在图1中示出了具有无传感器隔膜泵14和控制装置13的隔膜泵装置100。除了隔膜泵装置100以外，还示出了第一和第二控制流体储存器1A、2A、生物反应器40和样品容器41。

无传感器隔膜泵14具有弹性膜片15，该膜片将控制流体侧腔室16与介质侧腔室17流体技术地分离，但是使它们体积联接。通过隔膜泵14的控制流体入口18，由控制装置13通过控制流体管路10调节的控制流体可以流入到隔膜泵14的控制流体侧腔室16中并从中流出。隔膜泵14的介质侧腔室17具有带有自动操作的止回阀22的介质入口20以及同样带有自动操作的止回阀21的介质出口19。通过介质入口和出口20、19，可以将待输送的介质从生物反应器40输送至隔膜泵14，并从隔膜泵14例如输送到样品容器41。

无传感器隔膜泵14不具有用于膜片15位置确定的距离传感器。无传感器隔膜泵14优选也不具有其他的传感器。这样做的优点在于：无传感器隔膜泵14能够低成本地制造并因此也可以用作一次性隔膜泵，特别是与一次性生物反应器一起使用。

对于隔膜泵14的运行所需的控制流体是由控制流体储存器1A、2A提供。第一控制流体储存器1A具有相对于参考压力升高的压力水平，例如具有200至10000hPa范围内的压缩空气供应。第二控制流体储存器具有相对于参考压力降低的压力水平，例如以-200至-900hPa范围内的真空系统的形式。

在控制装置13(其系统边界以虚线示出)中，优选包含所有特别是体积操控无传感器隔膜泵14所需要的组件。通过这种方式，控制装置中所包含的控制智能以及为此所需的组件可以与无传感器隔膜泵分开地布置，特别是在空间上与其分开地布置，使得例如传感器装置13可以被构造为可重复使用的，并且无传感器隔膜泵14可以被构造为一次性组件。

控制装置13具有用于连接到第一控制流体储存器1A的控制流体入口1以及用于连接到第二控制流体储存器2A的控制流体出口2。控制流体入口1和控制流体出口2通过控制流体管路与集合点6连接。集合点6又通过控制流体管路与控制流体接头8连接。通过控制流体入口8，控制装置13可以经由控制流体管路10与隔膜泵14的控制流体入口18连接。

控制流体入口1通过第一比例阀3与集合点6连接，并且控制流体出口2通过第二比例阀4与集合点6连接。在比例阀3、4的情况下与控制单元12信号技术地连接。

在集合点6与控制流体接头8之间布置有热质量流量传感器5和绝对压力传感器7。质量流量传感器5和压力传感器7也与控制单元12信号技术地连接。此外，设置有温度传感器11，用于测量周围环境温度，并且通过温度传感器接口13B同样与控制单元12信号技术地连接。控制装置13还具有通信接口13A，该通信接口被构造用于与外部通信单元的交换，特别是数据。通信接口13A优选地构造为数字接口。

第一控制流体储存器1A的控制流体从控制流体入口1通过第一比例阀3输送到集合点6，并且从那里通过控制流体接头8输送到隔膜泵14，以便在那里填充控制流体侧腔室16，并以这种方式将位于隔膜泵14的介质侧腔室17中的介质通过隔膜泵14的介质出口19挤出并例如发送到样品容器41中。

通过控制流体入口18，来自隔膜泵14的控制流体侧腔室16中的控制流体通过控制流体接头8被引出，通过集合点6和第二比例阀4从控制流体出口2出来进入到第二控制流体储存器2A中。

因此，在控制装置13的内部，控制流体在集合点6与控制流体接头8之间是根据输送方向沿不同的流动方向流动。因此，优选地将质量流量传感器5构造为，与控制流体的流动方向无关地检测控制流体的质量流，或者在从集合点6到控制流体接头8的流动方向和从控制流体接头8到集合点6的流动方向上检测质量流。优选地，压力传感器7同样被构造为，与控制流体的流动方向无关地检测控制流体的压力。

优选地，将质量流量传感器5构造为用于气态介质的热质量流量传感器，其测量信号与气体的摩尔流量相关联。

无传感器隔膜泵14可以通过控制装置13来操控，以使隔膜泵的介质侧腔室17中的待输送介质从介质入口20向介质出口19运动，方法是：通过使经由控制流体管路10流入和流出的控制流体运动，控制装置13容积式地控制膜片15。

控制装置13的控制单元12特别是被优选地构造为，用于执行在图2中示出的控制无传感器隔膜泵14的方法1000。

在用于控制无传感器隔膜泵14的方法1000中，首先在步骤1001中操控第一比例阀3以释放流量并沿隔膜泵14的方向输送控制流体。在步骤1002中，一旦达到了待输送的体积，则关闭第一比例阀3。接着在步骤1003中，操控第二比例阀4以释放流量并将控制流体从隔膜泵14输送到第二控制流体储存器2A，直到最后在步骤1004中，一旦达到了待输送的体积，则关闭第二比例阀4。

为了确定达到待输送的体积，优选地确定实际输送的控制流体的体积。这优选地按照下文所述地进行。利用质量流量传感器5检测与摩尔流量相关联的质量流。在液态控制流体的情况下，可以将控制流体直接与体积流相关联。在气态控制流体具有规定特性(例如压缩空气)的有利情况下，热质量流量传感器5的输出信号优选地与控制流体的摩尔流量相关联。由此可以推导或计算出体积流。在此要考虑实际情况，特别是控制流体的相应特性以及外围参数。例如，控制流体的体积流可以基于理想气体定律或者根据与所使用的气态控制流体相对应的函数关系来计算，其中要考虑利用质量流量传感器5所确定的摩尔流量、利用压力传感器7所测量的绝对压力p和利用温度传感器11所检测的温度以及一般地气体常量。在此，在速度和压差很低的的情况下，可以基于近似等温工艺或者绝热工艺进行。

根据质量流量传感器5所确定的摩尔流量n，可以首先通过关于时间的积分来确定摩尔粒子数N。优选地，在下一步骤中，可以借助于通用气体定律，在考虑到由压力传感器7和温度传感器11所测量的参数的情况下，据此计算隔膜泵14的控制流体侧腔室16中的当前体积V，并由此还计算出待输送介质的相应挤出体积。亦即，这样确定的体积V与待输送介质的体积运动直接相关联。

优选地，用于控制无传感器隔膜泵14的方法还包括检测控制流体的压力以及操控第一和/或第二比例阀3、4，使得不超过控制流体的预设目标压力和/或保持预设目标压力范围和/或保持预设压力梯度。

在膜片15的与控制流体侧腔室16的体积相关联的第一位置与膜片15的与控制流体侧腔室16的第二体积相关联的第二位置之间的体积差也可以称为差体积dV。如果膜片的该第一和第二位置是其最终位置，则得到总差体积。下面将进一步说明积分器的初始化，以利用限定的初始值计算所要考虑的总粒子数。

在此，具有规定体积流的体积控制可以例如如下地进行。待输送介质的待输送体积dV应该以预定的体积流输送。为此，控制流体受调节地从控制流体储存器1A流入到隔膜泵14的控制流体侧腔室16中，其中第一比例阀3为了确定体积流和待输送的体积而被控制单元12如上所述地操控为，根据预定的值调节体积流F并在达到待输送的体积dV之后结束该进程。

接着，通过使控制流体从隔膜泵14的控制流体侧腔室16流向控制流体储存器2A，待输送的介质被以预定的体积流F吸入到隔膜泵14的介质侧腔室17中大约一待输送的体积dV，其中第二比例阀4为了确定体积流和体积而被控制单元12如上所述地操控为，根据预定的值调节体积流并在达到待输送的体积dV之后结束该进程。

此外优选地，补充地监视作用在控制流体上的压力并由此相关联地监视作用在待输送介质上的压力。这不仅有利于待输送介质及其组分(例如，限制了作用在生物细胞上的剪切力并与此相关联地提高了工艺可靠性)，而且还提高了设备安全性和工作安全性。在此，通过利用压力传感器7测量压力和控制单元12对比例阀3、4的适当干预，控制流体的压力或压力梯度被限制在预设的边界值。

通过将压力传感器包括在内，可以利用预设的压力和/或压力梯度实现体积控制。这种控制方法可以优选如下地运行。首先，通过使控制流体从控制流体储存器1A受调节地流入到隔膜泵14的控制流体侧腔室16中，待输送介质将以预定的压力特征、特别是预定的压力变化时间曲线从隔膜泵14的介质侧腔室17被挤出待输送的体积dV。在此，在考虑到所检测到的控制流体的绝对压力p和前述的用于确定已输送体积的方法的情况下，第一比例阀3通过控制单元12被操控为，根据预定的值调节控制流体压力p并在达到待输送的体积dV之后结束该进程。接着，通过使控制流体从隔膜泵14的控制流体侧腔室16受调节地流出到控制流体储存器2A，待输送介质将以预定的压力特征、特别是预定的压力变化时间曲线被吸入隔膜泵14的介质侧腔室17中一待输送的体积dV。在此，在使用所检测到的绝对压力p和前述的用于检测已输送体积的方法的情况下，比例阀4通过控制单元12被操控为，根据默认值调节控制流体压力p并在达到体积dV之后结束该进程。

此外，还可以利用控制装置13来确定隔膜泵14的膜片15的体积最终位置以及其间的参考点。为此，首先通过比例阀3以预定的低初始化体积流施加控制流体，并在此通过压力传感器7连续地监视压力时间曲线，直至其梯度明显变陡。由此可以确定，隔膜泵14的膜片15已经到达其机械止挡之一，即已经到达其最大位置或最终位置之一。在针对该第一最终位置通过使控制流体从控制流体储存器1A经由比例阀3流入控制流体侧腔室16中来执行该方法之后，可以开始相反方向的进程，其中控制流体从隔膜泵14的控制流体侧腔室16经由比例阀4同样以预定的初始化体积流流出到控制流体储存器2A。在此，还借助压力传感器7连续地监视压力时间曲线，并在梯度明显升高时检测第二最终位置。

优选地，在此还伴随地根据前述的方法确定总差体积dVtotal，该总差体积在隔膜泵14的膜片15的两个最终位置之间得到。基于此信息，还可以定义和操控膜片15的位于其间的任何参考点，例如在总差体积dVtotal的一半时的中性位置。

为了确定体积，优选地确定死体积作为初始值，其是由从两个比例阀3、4直至隔膜泵14的相互连接的控制流体系统元件在膜片的最终位置中的所有体积之和构成，该最终位置对应于控制流体侧腔室16的最小体积。该死体积决定于控制装置的设计和将控制装置与隔膜泵相连接的控制流体管路，因此易于确定。为了初始化，操控膜片的相应的最终位置，并基于所确定的死体积和压力传感器7与温度传感器11所实际测得的条件，利用理想气体定律或与所使用的控制流体相相对应的函数关系，计算积分器的粒子数N的起始值。

在此所述的控制装置以及用于控制无传感器的隔膜泵的方法相对于现有的技术方案具有许多优点。现有的技术方案特别是依赖于距离传感器来设置隔膜泵以用于膜片的位置识别，其原则上是与较大的公差联系在一起，因为在此只能间接地确定所挤出的体积，并且不能可再现地描述弹性膜片的空间变形。此外，用于膜片位置识别的距离传感器会提高隔膜泵的价格。附加地还增加了用户的操作成本，并且系统结构只能具有很低的集成度。相反，根据本发明的控制装置以及用于控制无传感器的隔膜泵的方法允许基于体积确定实现对膜片的位置控制，并且避免了将传感器组件直接布置在隔膜泵附近。由此，可以对运动的流体体积进行真实的或在体积上的确定，而不仅仅是对具有不可再现的变形特性的膜片进行距离测量。同时，由于控制所需的所述有传感器都可以安装在控制系统中，因此实现了高度集成(其中，必要时也可以通过温度传感器接口连接温度传感器)。待操控的隔膜泵是没有传感器的。由于在隔膜泵中不包含传感器并因此也相应地省去了相关的连接电缆和在隔膜泵的传感器与控制系统之间的相应连接成本，因此使得结构简单，并且用户操作更加方便。此外，在此所述的控制还允许待输送介质(例如生物细胞)的组分仅承受很少的负荷或者控制该负荷。总体而言，由此可以使隔膜泵的操控得到明显改善，特别是在生物工艺中一次性生物反应器的应用领域中。

Claims (18)

1.一种用于控制无传感器的隔膜泵(14)的控制装置(13)，包括：

-控制流体入口(1)，用于连接到具有相对于参考压力升高的压力水平的第一控制流体储存器(1A)，

-控制流体出口(2)，用于连接到具有相对于参考压力降低的压力水平的第二控制流体储存器(2A)，

-控制流体接头(8)，用于连接用于所述无传感器的隔膜泵(14)的控制流体管路，

其特征在于，

-所述控制流体入口(1)经由第一比例阀(3)与集合点(6)连接，并且所述控制流体出口(2)经由第二比例阀(4)与所述集合点(6)连接，

-在所述集合点(6)与所述控制流体接头(8)之间布置有质量流量传感器(5)，并且

-所述控制装置(13)还包括控制单元(12)，所述控制单元与所述第一比例阀(3)、所述第二比例阀(4)和所述质量流量传感器(5)信号技术地连接，

其中，通过所述质量流量传感器(5)确定控制流体在所述集合点(6)与所述控制流体接头(8)之间的质量流量。

2.根据权利要求1所述的控制装置(13)，其特征在于，在所述集合点(6)与所述控制流体接头(8)之间布置有压力传感器(7)。

3.根据权利要求2所述的控制装置(13)，其特征在于，所述压力传感器(7)是绝对压力传感器。

4.根据权利要求2所述的控制装置(13)，其特征在于，还包括温度传感器(11)和/或用于与所述温度传感器进行信号交换的温度传感器接口(13B)。

5.根据权利要求4所述的控制装置(13)，其特征在于，所述温度传感器接口(13B)用于从温度传感器接收信号。

6.根据权利要求4所述的控制装置(13)，其特征在于，所述控制单元(12)与所述压力传感器(7)和/或与所述温度传感器(11)和/或所述温度传感器接口(13B)信号技术地连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的控制装置(13)，其特征在于，所述控制单元(12)具有用于与外部通信单元进行交换的通信接口(13A)。

8.一种隔膜泵装置(100)，具有隔膜泵(14)和根据权利要求1至7中任一项所述的控制装置(13)。

9.根据权利要求8所述的隔膜泵装置(100)，其中，所述隔膜泵(14)、是无传感器的隔膜泵(14)。

10.一种隔膜泵(14)，用于与根据前述权利要求1-5中任一项所述的控制装置(13)一起使用，其特征在于，所述隔膜泵(14)不具有用于检测膜片(15)的位置的距离传感器。

11.一种生物反应器(40)，具有根据权利要求8所述的隔膜泵装置(100)或具有根据权利要求10所述的隔膜泵(14)。

12.一种具有生物反应器(40)的、根据权利要求8所述的隔膜泵装置的应用或根据权利要求10所述的隔膜泵(14)在生物反应器中的应用。

13.一种用于控制无传感器的隔膜泵(14)的方法(1000)，所述方法的特征在于：

-提供根据前述权利要求1-7中任一项所述的控制装置(13)，

-操控(1001)所述控制装置(13)的第一比例阀以释放流量和输送控制流体，

-在达到待输送体积时关闭(1002)所述第一比例阀，

-操控(1003)第二比例阀以释放流量和输送所述控制流体，

-在达到待输送体积时关闭(1004)所述第二比例阀。

14.根据前述权利要求所述的方法(1000)，包括：确定所述控制流体的已输送体积。

15.根据权利要求13所述的方法(1000)，其中，确定所述控制流体的已输送体积包括：

-检测所述控制流体的质量流，

-根据所述质量流推导出体积流，

-根据所述体积流推导出已输送的控制流体的体积。

16.根据前述权利要求13-15中任一项所述的方法(1000)，其特征在于：

-检测所述控制流体的压力，

-操控所述第一和/或第二比例阀(3，4)，使得不超过所述控制流体的预设的目标压力和/或保持预设的目标压力范围和/或保持预设的压力梯度。

17.根据前述权利要求13-15中任一项所述的方法(1000)，包括：确定所述无传感器的隔膜泵(14)的膜片(15)的最终位置。

18.根据前述权利要求13-15中任一项所述的方法(1000)，其中，确定所述无传感器的隔膜泵(14)的膜片(15)的最终位置包括：

-以预设的初始化体积流输送控制流体，

-检测所述控制流体的压力梯度，

-确定在所述压力梯度改变时所述膜片(15)的最终位置的存在。