УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ
IMPROVED PRESSURE CONVERTER

Предпосылки
[0001] Для генерирования и поддержки биологических реакций для любого количества целей применяют контейнеры. Биологические реакции могут быть восприимчивы к изменениям температуры и/или давления. Кроме того, по мере продвижения биологической реакции, сама реакция может изменять разные параметры в сосуде для проведения биореакции, например, давление.
[0002] Отрасль медико-биологических наук переходит от больших капиталоемких технических средств, изготовленных из нержавеющей стали с большой инфраструктурой для безразборной очистки, к меньшим техническим средствам, в которых используются полимерные мешки или контейнеры, функционирующие как контейнеры. Контейнер используется один раз и, затем выбрасывается. Такая технология одноразовых контейнеров существенно сокращает капитальные затраты на производственное предприятие. Например, в известных технических средствах из нержавеющей стали с инфраструктурой безразборной очистки до 90% эксплуатационных расходов может приходиться на инфраструктуру безразборной очистки, включая очень высокотехнологичные приборы, выдерживающие цикл очистки паром. Переход на выбрасываемые одноразовые мешки-контейнеры позволяет устранить ту долю капитала, которая приходится на безразборную очистку, и техническое средство может стать более гибким и значительно меньшим, что, в свою очередь, позволяет производить меньшие партии, нужные для более таргетированной лекарственной терапии и других мелкомасштабных задач. Создание приборной архитектуры, которая способствует применению и распространению одноразовых технологий биореакций принесет существенную пользу медико-биологической отрасли, а также дурим отраслям и процессам, в которых применяются такие биологические реакции.
Краткое описание изобретения
[0003] Предлагается система восприятия давления. Система восприятия давления содержит одноразовый технологический соединитель. Система восприятия давления содержит одноразовый технологический контейнер, выполненный с возможностью соединения непосредственно с одноразовым контейнером. Одноразовый технологический соединитель имеет гибкую диафрагму. Система восприятия давления содержит преобразователь давления. Преобразователь давления съемно соединен с одноразовым технологическим соединителем. Преобразователь давления содержит изолирующую диафрагму, расположенную рядом с гибкой диафрагмой одноразового технологического соединителя. Преобразователь давления содержит модуль датчика давления, оперативно соединенный с изолирующей диафрагмой. Преобразователь давления также содержит контроллер, соединенный с датчиком давления. Контроллер выполнен с возможностью передавать измеренную индикацию давления в одноразовом контейнере.
[0004] Преобразователь давления для одноразового контейнера содержит полимерный корпус и основание, имеющее изолирующую диафрагму. Модуль датчика соединен с основанием и датчик давления оперативно соединен с изолирующей диафрагмой. Схема расположена в полимерном корпусе и соединена с преобразователем давления. Схема содержит микропроцессор, выполненный с возможностью получать данные измерений давления от датчика давления и выводить выходной сигнал, основанный на измеренном давлении.
Краткое описание чертежей
[0005] Фиг. 1A - схематическое изображение одноразового контейнера, в котором могут быть полезны варианты настоящего изобретения.
[0006] Фиг. 1B - блок-схема компактного преобразователя давления по варианту настоящего изобретения.
[0007] Фиг. 2A-2C - компактный датчик давления и одноразовый технологический соединитель по варианту настоящего изобретения.
[0008] Фиг. 3A-3C - виды корпуса преобразователя давления и электронных схем по варианту настоящего изобретения.
[0009] Фиг. 4A и 4B - пример участка основания по варианту настоящего изобретения.
[0010] Фиг. 5 - схематический вид соединения между преобразователем давления и одноразовым технологическим соединителем по варианту настоящего изобретения.
[0011] Фиг. 6A и 6B - виды в перспективе компактного преобразователя давления и технологического соединителя по варианту настоящего изобретения.
[0012] Фиг. 7 - блок схема последовательности операций способа использования преобразователя давления по варианту настоящего изобретения.
[0013] Фиг. 8 - схематический вид одноразового технологического соединителя по варианту настоящего изобретения.
Подробное описание иллюстративных вариантов
[0014] Точные преобразователи и/или передатчики давления типично являются тяжелыми и их стыковка с одноразовым биотехнологическим оборудованием, таким как полимерные пленочные контейнеры, затруднена и экономически неэффективна. Такие преобразователи давления часто требуют постоянной установки в оборудовании. Одноразовые преобразователи давления, с другой стороны, были специально созданы для применения с одноразовыми устройствами, имеют небольшой вес и изготовлены из полимеров. Однако, характеристики таких одноразовых преобразователей давления не достигают показателей более тяжелых точных преобразователей давления. Например, известно, что одноразовые преобразователи давления со временем подвержены дрейфу или проявляют неточности иным образом.
[0015] Представленные здесь варианты оказывают влияние на компоненты, технологию и способы, типично применяющиеся с более тяжелыми точными преобразователями давления для создания нового преобразователя давления, способного соединяться непосредственно с одноразовым контейнером, таким как мешок для биореакций. В одном варианте ключевая технология надежного и точного преобразователя давления перекомпоновывается для существенного снижения веса и достижения точности в очень небольшой форм-фактор, с полимерным корпусом, который можно монтировать непосредственно на одноразовый сосуд, такой как пластиковый мешок для биореакций. Дополнительно, в некоторых вариантах связь с усовершенствованным преобразователем давления осуществляется без проводов.
[0016] На фиг. 1A представлен схематический вид датчика, измеряющего параметр процесса в образце, находящемся в одноразовом контейнере, в котором могут быть полезны варианты настоящего изобретения. Модуль 40 датчика давления электрически соединен с анализатором или контроллером 54, которым может быть любой подходящий анализатор или ругой электрический прибор или система управления. Модуль 40 датчика давления физически соединен со стенкой 50 одноразового контейнера 51, например, биореактора. Образец 52 расположен в одноразовом контейнере 50 и отслеживается или иным способом измеряется модулем 40 датчика давления. Варианты настоящего изобретения по существу включают множество конфигураций, в которых модуль датчика давления можно эффективно использовать с одноразовым контейнером.
TM
[0017] На фиг 1B приведена блок-схема компактного преобразователя 100 давления по варианту настоящего изобретения. Преобразователь 100 предпочтительно имеет выход коммуникационных сигналов, например, по беспроводному протоколу HART в соответствии с IEC 62591, обеспечиваемый компонентом 132. Выход коммуникационных сигналов также может содержать выходы других типов, например, выход 4-20 мА (через компонент 134), полевую шину FOUNDATION (через компонент 136) и/или выходное напряжение (через компонент 138).
[0018] Преобразователь 100 давления содержит датчик 104 давления, соединенный с модулем 120 предварительного формирования сигнала, который соединен с контроллером 110. Модуль 120 предварительного формирования сигнала может содержать аналого-цифровой преобразователь 122, выполненный с возможностью преобразования аналогового сигнала датчика в его цифровое представление. Модуль 120 предварительного формирования сигналов также может содержать усилитель 124, выполненный с возможностью усиления одного или более принятого сигнала. Модуль 120 предварительного формирования сигналов может содержать один или более фильтр 126 и/или другую функциональность 128 предварительного формирования сигналов. Протоколы, показанный на фиг. 1, следует понимать лишь как иллюстрации подходящих протоколов. Могут применяться и другие подходящие протоколы. такие как проводной HART, NFC Bluetooth LE, WIFI и другие.
[0019] Датчик 104 давления предпочтительно является высокоточным твердотельным тензометрическим датчиком давления. Модуль датчика давления содержит компактный преобразователь давления, например, описываемый в настоящем описании, может привариваться непосредственно к металлу, оптимизирован по весу, содержит минимальный технологический интерфейс с заполняющей передающей текучей средой и финальной изолирующей диафрагмой с очень высокой чувствительностью. Электронные схемы и полимерный корпус сильно миниатюризованы по сравнению с ранее применявшимися постоянно устанавливаемыми устройствами модуля датчика давления. Первичный интерфейс между преобразователем давления и одноразовым контейнером является одноразовым технологическим соединителем, который передает давление на преобразователь, но уплотняет его от содержимого контейнера, чтобы преобразователь мог быть многократно используемым компонентом системы измерения давления для контейнера.
[0020] На фиг. 2A-2C приведены схематические виды компактного преобразователя давления и одноразового технологического соединителя по варианте настоящего изобретения. Передатчик 200 содержит корпус 210 передатчика, выполненный с возможностью соединения с технологическим соединителем 220 с помощью соединительных деталей 212 и 222. Соединительные детали 212 и 222 содержать соответствующие фитинги, сконфигурированные для разъемной установки один в другой, как показано на фиг. 2A и 2B. На фитинг 230, который может быть штуцером для шланга, предпочтительно надет отрезок трубы (не показан). Одноразовый технологический соединитель 220 имеет полимерную диафрагму 224, которая уплотняет контейнер, но движется в ответ на давление. Преобразователь 210 имеет диафрагму 226, которая находится в контакте с диафрагмой 224 когда преобразователь 210 установлен на одноразовом технологическом соединителе 220. Преобразователь 210 содержит металлическую диафрагму. Соответственно, когда, давление в контейнере меняется, обе диафрагмы смещаются и это движение передается на твердотельный тензометрический датчик давления (не показан) в преобразователе 210, который обнаруживает это движение как сигнал давления.
[0021] Как показано на фиг. 2В, преобразователь 210 может быть подсоединен к технологическому соединителю 220 путем смещения преобразователя 210 в осевом направлении к одноразовому технологическому соединителю 220. Частичное вращение заставляет соединительные детали 222 и 212 войти в зацепление с технологическим соединителем 220 и запереть его на преобразователе 210. В одном примере соединительные детали 222 и 212 содержат L-образную полку, выполненную с возможностью запирать преобразователь 210 на технологическом соединителе 220.
[0022] На фиг. 2C приведен вид в перспективе корпуса 240 и зажимного узла 250 для преобразователя 210. На фиг. 2C, зажимной узел 250 показан снятым с преобразователя 210, чтобы лучше показать соединительные детали 212, описанные выше. Корпус 240 является цилиндрическим, предпочтительно с диаметром в 1 дюйм (25,4 мм). Зажимной узел 250 выполнен с возможностью скользить по корпусу 24- преобразователя 210 для присоединения одноразового технологического соединителя, такого как соединитель 220.
[0023] На фиг. 3A-3C показан корпус преобразователя давления и электронные схемы по одному варианту настоящего изобретения. На фиг. 3A приведен вид в перспективе с частичным вырезом корпуса 300, который содержит печатную плату 310. Печатная плата 310 содержит переключатель 314, который предпочтительно является переключателем нуля (zero switch) на основе эффекта Холла. Печатная плата 310 также содержит микропроцессор 316. Печатная плата 310 может содержать интерфейсную ножку 312, устанавливаемую на предприятии изготовителе. Корпус 300 также выполнен с возможностью соединения кабельного разъема 302 с печатной платой 310. Применение кабельного разъема 302 позволяет применять проводную технологическую связь. В некоторых вариантах можно применять двухпроводные соединения с защитой от натяжения для компактного кабельного интерфейса.
[0024] На фиг. 3B показано сечение корпуса 300 в увеличенном масштабе, иллюстрирующее, как в одном варианте расположена печатная плата 310 и связанные с ней компоненты. Стенки корпуса 300 выполнены с возможностью соединения с основанием 330, которое включает датчик давления, расположенный в модуле 340. Основание 330 является металлическим и, предпочтительно, приварено к модулю 340, например, используя тип сварки для существующего датчика. В показанном примере датчик давления является твердотельным тензометрическим датчиком. Микропроцессор 316 выполнен с возможностью считывать сигнал давления от датчика давления, например, датчика 104, через модуль 120 предварительного формирования сигнала, и воздавать подходящий выходной сигал, например, сигнал напряжения. Дополнительно, микропроцессор 316 может быть соединен с подходящими коммуникационными схемами для передачи измеренного давления на другое устройство через проводную или беспроводную линию связи. Электронные компоненты в корпусе 30 также могут иметь пользовательский интерфейс, чтобы пользователь или техник могли выполнять одну или более функцию, относящуюся к преобразователю давления. Например, переключатель 314 нуля на основе эффекта Холла может быть сконфигурирован так, что, когда пользователь помещает магнит рядом с внешней поверхностью корпуса, для передатчика выполняется функция установки на нуль. Хотя показан переключатель 314 нуля на основе эффекта Холла, в других вариантах в других положениях могут находиться другие переключатели для обеспечения дополнительной функциональности. Далее, поверхность корпуса 300 может нести метки или поверхностные индикаторы, указывающие, что поднесение магнита к конкретному месту приведет к активации конкретной функции, например, установки преобразователя на нуль.
[0025] Как показано на фиг 3, преобразователь давления также содержит микросхему 316 питания. Микросхема 316 питания может быть соединена с батареей или содержать батарею, например, аккумулятор. Однако в вариантах, где преобразователь соединен с кабелем, например, через кабельный разъем 302, микросхема 316 питания может содержать подходящие схемы для формирования питания, полученного по кабелю и/или коммуникационные схемы. В некоторых описываемых вариантах имеются средства беспроводной связи (включая NFC, Bluetooth LE, WIFI, WirelessHART), которые получают питание от батареи, соединенной с микросхемой 316 питания.
[0026] На фиг. 3C приведен вид сверху печатной платы 310. Как показано на фиг. 3C, печатная плата 310 содержит множество сквозных отверстий 320, выполненных с возможностью принимать электрические и/или гидравлические соединения от модуля датчика. Как показано на фиг. 3C, печатная плата содержит пять сквозных отверстий 320. Однако следует понимать, что может иметься больше или меньшее количество сквозных отверстий 320 и в другом их расположении. На фиг. 3 показано одно из сквозных отверстий 320, которое пропускает проводник модуля датчика давления и позволяет создавать паяное соединение непосредственно от модуля датчика к печатной плате 310. Использование печатной платы 310 позволяет создать исключительно компактный узел. Компактный узел, создаваемый с помощью печатной платы 310 в показанной компоновке, позволяет соединять преобразователь, содержащий печатную плату 310, с одноразовой реакционной камерой, в то же время обеспечивая высокоточные измерения.
[0027] На фиг. 4А и 4B показано основание с изолирующей диафрагмой, предназначенной для установки в контакте с диафрагмой одноразового соединителя по варианту настоящего изобретения. Основание 400 является металлическим и содержит изолирующую диафрагму, предназначенную для установки в контакте с соответствующей полимерной диафрагмой одноразового соединителя. В примере, показанном на фиг. 4A и 4B, основание 400 имеет в диаметре приблизительно 1,5 дюйма (38,1 мм). Однако в вариантах настоящего изобретения могут применяться большие или меньшие размеры, включая, без ограничений, основание 400 диаметром 0,75 дюйма (19,05 мм).
[0028] На фиг. 4 представлено основание 400 с установленным на нем модулем 402 датчика давления. Как показано на чертеже, модуль 402 датчика давления содержит множество выступающих вверх деталей 410 и 404, которые предназначены для прохода сквозь сквозные отверстия в печатной плате, например, сквозь отверстия 320 печатной платы 310. Деталь 404 является гидравлическим выступом, например, предназначенным для подачи эталонного давления на модуль твердотельного датчика давления. В зависимости от эталонного давления общие показания давления от преобразователя давления могут быть представлены как абсолютное давление, например, в варианте, где эталонным давлением является вакуум. Эти общие показания также могут включать манометрическое давление, например, когда эталонным давлением является атмосферное давление. Дополнительно, на основе других эталонов могут выводиться другие подходящие показания давления.
[0029] На фиг. 5 представлен схематический вид соединения между преобразователем давления и одноразовым технологическим соединителем по варианту настоящего изобретения. В примере, показанном на фиг. 5, металлическая диафрагма 520 преобразователя 504 имеет выпуклую форму так, что центр диафрагмы 520 сначала контактирует с центром полимерной диафрагмы 510 технологического соединителя 502, когда они вводятся в контакт. Первая соединительная точка обозначена позицией 530. По мере продолжения процесса соединения, площадь контакта увеличивается от центра 530, как показано стрелками 532. В процессе соединения воздух выталкивается радиально наружу, уменьшая вероятность возникновения и захвата воздушного кармана между диафрагмами 510 и 520. Дополнительно, между полимерной диафрагмой 510 и изолирующей диафрагмой 520 можно создать вентиляционной отверстие 534, дополнительно способствующее удалению воздуха.
[0030] На фиг. 6A и 6B приведены виды в перспективе компактного преобразователя давления и одноразового технологического соединителя по варианту настоящего изобретения. На фиг. 6A показан корпус 620 компактного преобразователя давления, отсоединенный от одноразового технологического соединителя 630, открывающий вид на металлическое основание 610 и металлическую диафрагму 612, соединенную с ним. Корпус 620 преобразователя соединен с кабелем 640 для создания проводного соединения. На фиг. 6B корпус 620 преобразователя давления соединен с технологическим соединителем 630. Диафрагма 612 имеет диаметр прил. 1 дюйм (25,4 мм). Однако в других вариантах размер трубы и соответствующий диаметр диафрагмы может быть меньше, например, 1/2 дюйма (12,7 мм) или 3/8 дюйма (9,525 мм). Датчик может быть интегрирован с электронными компонентами датчика, что также способствует компенсации тепловых флуктуаций, поскольку температурный датчик, расположенный на печатной плате, находится относительно близко к датчику. По меньшей мере некоторые варианты настоящего изобретения позволяют непосредственное соединение преобразователя давления с камерой биореактора для очень точного измерения давления.
[0031] Описываемые варианты могут иметь некоторые из нижеследующих спецификаций, связанных с компактным преобразователем давления. Пол меньшей мере некоторые из описываемых преобразователей давления полезны в диапазоне манометрических давлений 0-40 фунтов на кв. дюйм (0-2,7579 бар) с разрешением 0,005 фунтов на кв. дюйм (прибл. 0,375 мбар) и точностью 0,03 фунтов на кв. дюйм (прибл. 2,07 мбар). Описываемые преобразователи давления могут быть подвержены дрейфу менее чем в 0,01 фунтов на кв. дюйм (прибл. 0,67 мбар) за период 21 день и могут применяться в температурном диапазоне от 5-50°С. Описываемые варианты могут быть выполнены с возможностью выдавать с непрерывной частотой дискретизации с температурной компенсацией. В вариантах, изготовленных их материала, соответствующего USP class VI (United States Pharmacopoeia), может выполняться полная заводская калибровка.
[0032] На фиг. 7 приведена блок схема последовательности операций способа использования преобразователя давления по варианту настоящего изобретения. Способ 700 может позволить соединять преобразователь давления с одноразовым контейнером так, чтобы можно было обнаружить сигналы модуля высокоточного датчика давления и передать их с помощью компактного преобразователя давления, соединенного с одноразовым технологическим соединителем, например, таким, который описан выше.
[0033] На этапе 710 готовят одноразовый контейнер, например, биореактор. Например, одноразовый контейнер стерилизуют перед использованием. Однако, в других случаях, в контейнер может вводиться образец для инициации реакции.
[0034] На этапе 720 готовят преобразователь. Например, преобразователь давления можно подготовить, как указано для этапа 714. Подготовка включая сборку и калибровку преобразователя давления. Хранимые внутри (энергонезависимые) параметры калибровки закладываться во время заводской калибровки и могут подтверждаться сертификатом точности. Конечный пользователь при необходимости может проверить калибровку.
[0035] Подготовка также может включать разъемное присоединение преобразователя давления к одноразовому технологическому соединителю. Модуль датчика давления может содержать компактные одноразовые компоненты, выполненные с возможностью стыковки непосредственно с контейнером.
[0036] На этапе 730 преобразователь давления соединяют с одноразовым контейнером. Это соединение является временны, как показано в блоке 722. В другом примере соединение может быть рассчитано на срок службы одноразового контейнера. Можно использовать и другие соединения, как показано блоком 724. Некоторые примеры, как показано в настоящем описании, содержат полностью интегрированное решение, не требующее дополнительного оборудования, такого как блок передатчика для посылки сигналов на систему управления.
[0037] На этапе 740 осуществляют передачу измеренного давления. Компактный преобразователь давления осуществляет высокоточные измерения, как показано блоком 732. Измерения можно передавать по беспроводной лини связи, как показано блоком 734, и/или по проводному коммуникационному контуру, как показано блоком 736. Может осуществляться оперативная цифровая коррекция показателей давления для учета тепловых ошибок на основе сигнала от интегрированного датчика температуры. По меньшей мере некоторые из описанных вариантов обеспечивают точность лучше, чем 0,02 фунтов на кв. дюйм (прибл. 1,38 мбар).
[0038] На этапе 750 компоненты выбрасывают. Использование одноразовых компонентов позволяет проводить реакции без инфраструктуры безразборной очистки, которая требовалась раньше. Дополнительно, можно получить точные измерения, без необходимости в традиционных устанавливаемых на месте приборах, которые требовались раньше для чувствительных измерений давления. Одноразовый контейнер после использования можно выбросить, как показано блоком 752.
[0039] Как показано стрелкой 760, преобразователь давления используется многократно, соединяясь с новым одноразовым технологическим соединителем, чтобы отслеживать реакцию в дополнительных одноразовы контейнерах.
[0040] На фиг. 8 приведен схематический вид одноразового технологического соединителя по другому варианту настоящего изобретения. Технологический соединитель 800 может использоваться, например, с передатчиком 200 или подобным передатчиком во встроенном проточном оборудовании. Например, деталь 822 может быть выполнена с возможностью соединения с деталью 212 передатчика 200.
[0041] Отрезок трубы (не показан) проходит над фитингом 830, который может быть штуцером для шланга. Одноразовый технологический соединитель 800 имеет полимерную диафрагму, которая обеспечивает уплотнение проточного канала, но сдвигается в ответ на давление. Полимерная диафрагма технологического соединителя 800 может быть выполнена с возможностью контактировать с диафрагмой 226 преобразователя 200.
[0042] Описанные варианты имеют множество признаков, которые, как считается, будут очень полезны в области медико-биологических наук для мониторинга давления внутри одноразового сосуда, или связанного с ним. Описанные пример относятся к многократно используемому преобразователю давления, который можно подсоединять непосредственно к одноразовому сосуду. Многократно используемый преобразователь давления может выдавать подвергшийся цифровой обработке сигнал давления и/или использовать встроенный микроконтроллер.
[0043] Описанные системы демонстрируют высокую стабильность с дрейфом менее 0,01% полной шкалы в год. Описанные интегрированные преобразователи могут иметь малый вес, например, 2-3 унции (прибл. 0,06-0,09 кг), обеспечивая высокую точность. Описанные полимерные корпуса обеспечивают малый вес и допускают проникновение беспроводных сигналов. Дополнительно, изолирующие диафрагмы обладают высокой чувствительностью и являются плоскими, чтобы лучше стыковаться с полимерной барьерной диафрагмой для одноразовых применений.
[0044] Описанные варианты можно использовать в свободном пространстве, во встроенных системах измерения давления, в проточных фитингах и т.д. Дополнительно, хотя описанные варианты сфокусированы на одноразовом контейнере или сосуде, явным образом предусматривается, что варианты настоящего изобретения могут быть полезны и в других областях и отраслях, например, в области медицины. Дополнительно, другие технологические соединения могут позволить установку легкого преобразователя давления непосредственно на гибкие трубы и другие технологические интерфейсы, не требуя поддержки (не нуждаясь в дополнительных установочных деталях). Малый вес и потенциальная беспроводная связь позволяют осуществлять первазивные измерения в значительно меньшем масштабе.