CN117146984B - 一种用于物料灭菌的料液温度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温度检测技术领域，具体涉及一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，包括：设计传感器的放置位置，采集各传感器温度数据；基于时间窗口对温度数据的分布进行分析，获取最大温差系数；接着根据料液注入物料时时间窗口内的温度变化获取料液注入影响因子；根据物料与料液反应时的温度特征获取料液反应急促指数；将分组后对应的传感器温度数据进行比较分析，构建最终物料灭菌混合均衡指数；根据最终物料灭菌混合均衡指数完成料液温度检测。从而提高料液温度检测数据的精度，保证物料灭菌的质量。

Description

一种用于物料灭菌的料液温度检测方法

技术领域

本申请涉及温度检测技术领域，具体涉及一种用于物料灭菌的料液温度检测方法。

背景技术

物料灭菌常用氧化剂、酶等化学物质将物料中的细菌、病毒完全杀灭或降低到可接受的水平，以确保物料的无菌状态。其中温度是确保灭菌过程有效和安全的关键因素之一。灭菌过程的成功与料液在特定的温度条件下有关，温度检测时，可以通过物料暴露在适当的温度范围内且保持足够长的时间的方式，确保微生物的杀灭或去除。另外，过高的温度可能会导致化学变化或物料烧损，而过低的温度可能无法有效杀灭微生物，若灭菌过程物料未均匀受热，会导致灭菌效果产生负面影响，因此，对物料灭菌的料液进行温度检测具有重要意义。

现有对物料灭菌的料液温度检测存在一些问题，例如只对某一区域进行单一测温，难以检测出温度的不均匀分布、对数据的分析具有一定的局限性。并且，由于灭菌设备内的温度局部变化较大，使得在对料液的温度进行检测时，会出现温度检测不准的现象，影响物料灭菌的效果。

本发明对物料与料液在不同阶段的温度变化特征进行分析，构建料液注入影响因子以及料液反应急促指数，并通过该指标对不同传感器温度数据进行比较，获取最终物料灭菌混合均衡指数，通过该指标获取更加精准的料液温度检测数据。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，以解决现有的问题。

本发明的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法采用如下技术方案：

本发明一个实施例提供了一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，该方法包括以下步骤：

设计传感器放置位置；采集各传感器温度数据；

将传感器温度数据根据时间划分时间窗口；根据各时间窗口中的温度数据分布获取各时间窗口的最大温差系数；根据各时间窗口的最大温差系数获取时间窗口的料液注入影响因子；划分温度区间；根据时间窗口的温度数据结合温度区间获取时间窗口各温度区间的概率；根据时间窗口内各温度区间的概率结合时间窗口的料液注入影响因子获取料液反应急促指数；根据传感器放置位置将温度数据进行分组；将各组对应位置传感器在同一时间窗口的温度数据进行比较获取各对传感器温度数据基于时间窗口的物料灭菌混合均衡指数；根据各对传感器温度数据基于时间窗口的物料灭菌混合均衡指数获取各时间窗口的最终物料灭菌混合均衡指数；

根据各时间窗口的最终物料灭菌混合均衡指数完成料液温度检测。

优选的，所述设计传感器放置位置，具体为：

获取加热元件、药剂注入口的位置；

在加热元件、药剂注入口以及加热元件和药剂注入口中间位置放置红外传感器。

优选的，所述根据各时间窗口中的温度数据分布获取各时间窗口的最大温差系数，具体为：

分别获取各时间窗口中的温度极值、温度最小值以及温度均值；计算所述温度极值与温度最小值的比值；将所述比值与所述温度均值的乘积作为各时间窗口的最大温差系数。

优选的，所述根据各时间窗口的最大温差系数获取时间窗口的料液注入影响因子，具体表达式为：

式中，表示时间窗口/>内的料液注入影响因子，/>表示时间窗口内的温度数据个数，/>表示时间窗口/>中的第i个温度值，/>表示该时间窗口内的最大温差系数，/>为时间窗口/>中的温度值标准差，/>表示以自然常数为底数的指数函数。

优选的，所述划分温度区间，具体方法为：

将各时间窗口中的最大温度数据和最小温度数据组成温度范围，根据预设温度区间个数，将温度范围进行等分获取温度区间。

优选的，所述根据时间窗口的温度数据结合温度区间获取时间窗口各温度区间的概率，具体为：

获取各温度区间包含时间窗口温度数据的个数；将所述个数与时间窗口内温度数据个数的比值作为时间窗口各温度区间的概率。

优选的，所述根据时间窗口内各温度区间的概率结合时间窗口的料液注入影响因子获取料液反应急促指数，具体步骤包括：

获取以2为底数，以时间窗口各温度区间的概率为自变量的对数函数值的相反数；计算时间窗口各温度区间的概率与对应所述相反数的比值；计算时间窗口所有温度区间对应所述比值的和值；将所述和值与时间窗口的料液注入影响因子的乘积作为时间窗口的料液反应急促指数。

优选的，所述将各组对应位置传感器在同一时间窗口的温度数据进行比较获取各对传感器温度数据基于时间窗口的物料灭菌混合均衡指数，具体表达式为：

式中，表示第/>对传感器温度数据基于时间窗口/>的物料混合均衡指数，和/>分别表示传感器/>和/>在时间窗口/>的料液反应急促指数，/>表示时间窗口内的温度数据个数，/>表示传感器/>在时间窗口/>下的第/>个数据值，/>表示平均值函数，/>表示传感器/>在时间窗口/>下的第/>个数据值。

优选的，所述最终物料灭菌混合均衡指数具体为各对传感器温度数据基于时间窗口的物料灭菌混合均衡指数的均值。

优选的，所述根据各时间窗口的最终物料灭菌混合均衡指数完成料液温度检测，具体步骤包括：

计算所有传感器温度数据在各时间窗口的平均值；将各时间窗口的最终物料灭菌混合均衡指数以及所述平均值作为LSTM深度学习模型的输入，将温度时序数据作为LSTM深度学习模型的输出。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明主要通过对物料灭菌过程中可能存在的温度异常状况进行分析。根据料液添加时容易导致短时间的温度突变特征，构建料液注入影响因子，在灭菌过程中，根据物料与料液的反应剧烈程度，定义料液反应急促指数。对不同过程中的温度特征进行分析，使得获得的温度特征更加精确；并通过料液反应急促指数对各温度时序数据进行调节，便于进一步分析灭菌过程的温度分布是否均衡，弥补了以往对温度检测单一性的不足；最后构建物料灭菌混合均衡指数，采用LSTM深度学习模型对采集的传感器数据进行拟合，提升了物料灭菌温度的检测精度，保证了物料灭菌的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明提供的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法的流程图；

图2为传感器分布示意图；

图3为物料灭菌混合均衡指数的过程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法的具体方案。

本发明一个实施例提供的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法。

具体的，提供了如下的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，请参阅图1，该方法包括以下步骤：

步骤S001：采集传感器数据，并进行预处理。

使用料液对物料进行灭菌的过程中，需要通过控制温度来达到最好的灭菌效果。首先是预热和升温阶段，以便达到适宜的灭菌温度。然后在灭菌阶段，添加药剂和药剂反应的过程都会导致热量的释放，而需要将温度维持在设定的范围内。所以，为了更好的了解灭菌设备内的温度分布情况，在设备中不同空间位置安装红外传感器，本实施例设计的传感器安装方案如下：

具体的，由于加热元件和药剂注入口的温度会出现急剧上升的情况，并且这些位置的温度相比灭菌设备中的其他区域较高，所以在每一个加热处和药剂注入处安装红外传感器。为了检测设备内温度的均衡程度，在每个加热元件和药剂注入口中间，安装红外传感器。传感器分布图如图2所示。

采集过程难免受仪器及外部各种因素的干扰，为避免此类产生影响，需要对数据进行清洗，具体的，首先将温度数据标准化，本实施例采用的标准化方法为根据温度的平均值和标准差来计算Z-score，若Z-score超过预设值时，将其判定为异常值，对于异常值采用线性差值法来替换。其中，本实施例中预设值为3，实施者可根据实际情况自行调整，实施者也可以选取其他方法对数据进行清洗，本实施例中对此不做限制；线性插值法为现有公知技术，本实施例中不再具体赘述。

步骤S002：对预处理的温度数据进行分析，构建灭菌设备温度影响指标。

传感器采集数据的时间间隔为秒，由此可得到不同传感器的时序数据，而每个传感器的数据量是庞大的，为了便于分析和减少计算时间，将/>秒作为一个时间窗口对时序数据进行分段，对每个时间窗的数据进行处理。需要说明的是，时间间隔以及时间窗口的长短实施者可根据实际情况进行自行设定，本实施例中，设置时间间隔/>为0.1秒，设置时间窗口的长短/>为2秒。

灭菌设备内温度会随着不同的灭菌阶段而变化，在预热和升温阶段，需要将设备和物料预热到设定的灭菌温度。这个阶段可能伴随着温度的逐渐上升，起伏较小，然而温差较大。针对每个传感器，分析单个时间窗口内的温度变化情况，首先计算时间窗内后的最大温差系数，表达式为：

式中，表示时间窗口/>的最大温差系数，/>表示最大值函数，/>表示最小值函数，/>表示平均值函数，/>表示时间窗口/>的温度数据。

当最大温度与最小温度之差越小，时间窗口的温度数据极值也就越小，计算的最大温差系数值越小，说明温度变化幅度较小，结合时间窗口/>的温度数据的平均值有助于对温度数据进行修正处理。

升温阶段结束后，在灭菌设备中添加料液，开始灭菌阶段。当料液添加到灭菌设备的物料中时，可能会引起瞬时的温度波动，这是由于药剂的温度与物料的温度之间可能存在差异导致的。为了反应短时间内的温度突变程度，对时间窗口内的温度变化进行分析，构建时间窗口的料液注入影响因子，表达式为：

式中，表示时间窗口/>中的料液注入影响因子，/>表示时间窗口/>中的温度数据个数，/>表示时间窗口/>中的第i个温度值，/>表示该时间窗口/>中的最大温差系数，/>为时间窗口/>中的温度值标准差，/>表示以自然常数为底数的指数函数。

由于最大温差系数中有表示均值的成分，其值相对稳定，若某一时间段内温度突变程度大，会出现时间窗口各温度数据值与最大温差系数的差值增大的情况，若时间窗口中某一温度数据越远离时间窗口的温度均值；同时，对应时间窗口中温度数据的标准差变大，经过指数函数变换后，使得分母变小，最后得到该时间窗口的料液注入影响因子变大，说明时间窗口范围内温度值差异偏大。即在药剂添加的过程中温度值发生突变。

料液添加完毕后，物料开始与料液中的药剂发生反应，此时进入反应阶段，该过程是物料灭菌的关键阶段。一些药剂在与物料或其他成分反应时会释放或吸收热量，这可能导致温度急剧上升或下降，具体温度变化取决于反应的性质。对于时间窗口内的温度数据，将其从最小至最大值的区间等间距分割为/>份，统计温度值落入每一温度区间内的概率，需要说明的是，温度区间的个数实施者可根据实际情况自行设置，本实施例中设置为20。根据该过程的特点，计算时间窗口的温度浮动水平，构建时间窗口的料液反应急促指数，表达式为：

式中，表示时间窗口/>的料液反应急促指数，/>表示该时间窗内的料液注入影响因子，/>表示概率函数，/>表示时间窗口/>，/>表示温度区间的个数，/>表示以2为底数的对数函数。

在正常反应情况下，某一时间窗口内的温度值相对稳定，温度值落入各区间的概率值是较为均等的，温度数据出现异常值的概率会变大。出现温度值陡增或陡降异常情况时，使得部分温度区间的概率值会显著增大，同时料液注入影响因子变大，整体的料液反应急促指数变大，说明药剂与物料的反应剧烈程度较高。

由于物料与料液反应的剧烈程度高，导致局部的温度变化幅度相对较大，而部分区域温度变化缓慢，在灭菌设备内需要对物料进行搅拌，确保其温度分布均匀。若温度分布不均，可能导致一部分物料没有得到充分的灭菌，而一部分物料处于高温中其灭菌效果反而降低。接下来对不同传感器的温度数据进行比较分析，以此来提高温度检测的精度。

根据上一步骤对传感器的放置位置，将加热元件和药剂注入口处的传感器温度数据分别记为，将加热元件和药剂注入口中间的传感器温度数据分别记为。由此，根据传感器的安装分布将传感器温度数据分为了两组。进一步对这两组传感器温度数据之间的差异进行分析，将相同位置的传感器温度数据作为一对进行比较，本实施例以传感器温度数据/>和传感器温度数据/>为例，构建各对传感器温度数据基于时间窗口的物料灭菌混合均衡指数，表达式为：

式中，表示第/>对传感器温度数据基于时间窗口/>的物料混合均衡指数，和/>分别表示传感器/>和/>在时间窗口/>的料液反应急促指数，/>表示时间窗口内的温度数据个数，/>表示传感器/>在时间窗口/>下的第/>个数据值，/>表示平均值函数，/>表示传感器/>在时间窗口/>下的第/>个数据值。其中，物料灭菌混合均衡指数的获取过程如图3所示。

将每对传感器温度数据基于时间窗口的物料灭菌混合均衡指数，分别记为、/>。将对传感器温度数据基于时间窗口/>的物料灭菌混合均衡指数的平均值作为时间窗口/>的最终物料灭菌混合均衡指数，记为/>。

若各对传感器间的温度数据相差较大，不同传感器之间的料液反应急促指数相应变大，同时单个传感器获取的温度时序数据内的差异相对偏小，使得温度值接近时间窗口中的均值，表现在传感器温度数据/>和传感器温度数据/>与各自传感器温度数据的均值的差异变小，最后求得的物料混合均衡指数变大，最终物料灭菌混合均衡指数也会随之增大。表明物料与料液的混合不够充分，灭菌设备内存在较大温差，从而影响温度的精确测量。

步骤S003：采用LSTM深度学习模型对采集的传感器时序数据进行拟合，提升温度检测精度。

将连续时间窗口内的物料灭菌混合均衡指数值按时间窗口的先后顺序排列组成一个新序列，例如时间窗口的下一个时间窗口的物料灭菌混合均衡指数为/>，依次类推，得到物料灭菌混合均衡指数值序列，记为。本实施例采用LSTM深度学习模型进行对温度数据进行拟合，输入为所有传感器温度数据在各时间窗口的平均值和序列/>，输出为更精准的温度时序数据，经过与高精度红外传感器温度数据拟合，提升了采集传感器的温度检测精度。需要说明的是，LSTM深度学习模型为现有公知技术，本实施例中不再赘述。

综上所述，本发明实施例主要通过对物料灭菌过程中可能存在的温度异常状况进行分析。根据料液添加时容易导致短时间的温度突变特征，构建料液注入影响因子，在灭菌过程中，根据物料与料液的反应剧烈程度，定义料液反应急促指数。对不同过程中的温度特征进行分析，使得获得的温度特征更加精确；并通过料液反应急促指数对各温度时序数据进行调节，便于进一步分析灭菌过程的温度分布是否均衡，弥补了以往对温度检测单一性的不足；最后构建物料灭菌混合均衡指数，采用LSTM深度学习模型对采集的传感器数据进行拟合，提升了物料灭菌温度的检测精度，保证了物料灭菌的质量。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

设计传感器放置位置；采集各传感器温度数据；

将传感器温度数据根据时间划分时间窗口；根据各时间窗口中的温度数据分布获取各时间窗口的最大温差系数；根据各时间窗口的最大温差系数获取时间窗口的料液注入影响因子；划分温度区间；根据时间窗口的温度数据结合温度区间获取时间窗口各温度区间的概率；根据时间窗口内各温度区间的概率结合时间窗口的料液注入影响因子获取料液反应急促指数；根据传感器放置位置将温度数据进行分组；将各组对应位置传感器在同一时间窗口的温度数据进行比较获取各对传感器温度数据基于时间窗口的物料灭菌混合均衡指数；根据各对传感器温度数据基于时间窗口的物料灭菌混合均衡指数获取各时间窗口的最终物料灭菌混合均衡指数；

根据各时间窗口的最终物料灭菌混合均衡指数完成料液温度检测；

所述根据各时间窗口中的温度数据分布获取各时间窗口的最大温差系数，具体为：分别获取各时间窗口中的温度极值、温度最小值以及温度均值；计算所述温度极值与温度最小值的比值；将所述比值与所述温度均值的乘积作为各时间窗口的最大温差系数；

所述根据各时间窗口的最大温差系数获取时间窗口的料液注入影响因子，具体表达式为：

式中，表示时间窗口/>内的料液注入影响因子，/>表示时间窗口内的温度数据个数，/>表示时间窗口/>中的第i个温度值，/>表示该时间窗口内的最大温差系数，/>为时间窗口/>中的温度值标准差，/>表示以自然常数为底数的指数函数；

所述将各组对应位置传感器在同一时间窗口的温度数据进行比较获取各对传感器温度数据基于时间窗口的物料灭菌混合均衡指数，具体表达式为：

式中，表示第/>对传感器温度数据基于时间窗口/>的物料混合均衡指数，/>和/>分别表示传感器/>和/>在时间窗口/>的料液反应急促指数，/>表示时间窗口内的温度数据个数，/>表示传感器/>在时间窗口/>下的第/>个数据值，/>表示平均值函数，/>表示传感器/>在时间窗口/>下的第/>个数据值。

2.如权利要求1所述的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，其特征在于，所述设计传感器放置位置，具体为：

获取加热元件、药剂注入口的位置；

在加热元件、药剂注入口以及加热元件和药剂注入口中间位置放置红外传感器。

3.如权利要求1所述的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，其特征在于，所述划分温度区间，具体方法为：

将各时间窗口中的最大温度数据和最小温度数据组成温度范围，根据预设温度区间个数，将温度范围进行等分获取温度区间。

4.如权利要求1所述的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，其特征在于，所述根据时间窗口的温度数据结合温度区间获取时间窗口各温度区间的概率，具体为：

获取各温度区间包含时间窗口温度数据的个数；将所述个数与时间窗口内温度数据个数的比值作为时间窗口各温度区间的概率。

5.如权利要求1所述的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，其特征在于，所述根据时间窗口内各温度区间的概率结合时间窗口的料液注入影响因子获取料液反应急促指数，具体步骤包括：

获取以2为底数，以时间窗口各温度区间的概率为自变量的对数函数值的相反数；计算时间窗口各温度区间的概率与对应所述相反数的比值；计算时间窗口所有温度区间对应所述比值的和值；将所述和值与时间窗口的料液注入影响因子的乘积作为时间窗口的料液反应急促指数。

6.如权利要求1所述的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，其特征在于，所述最终物料灭菌混合均衡指数具体为各对传感器温度数据基于时间窗口的物料灭菌混合均衡指数的均值。

7.如权利要求1所述的一种用于物料灭菌的料液温度检测方法，其特征在于，所述根据各时间窗口的最终物料灭菌混合均衡指数完成料液温度检测，具体步骤包括：

计算所有传感器温度数据在各时间窗口的平均值；将各时间窗口的最终物料灭菌混合均衡指数以及所述平均值作为LSTM深度学习模型的输入，将温度时序数据作为LSTM深度学习模型的输出。