一种培养设备及其防结露方法与流程

1.本发明提供一种培养设备及其防结露方法，属于智能控制技术领域。


背景技术：

2.二氧化碳是一种无色无臭而其水溶液略有酸味的气体，也是空气组分中一种常见的温室气体，二氧化碳主要应用于冷藏易腐败的食品(固态)、作致冷剂(液态)、制造碳化软饮料(气态)和作均相反应的溶剂(超临界状态)等，而二氧化碳培养箱是通过维持一定温度和二氧化碳浓度的潮湿气氛为细胞提供一种最优的生长环境。
3.对二氧化碳浓度的精准控制对维持细胞生长环境的ph稳定至关重要,是细胞培养成功的关键因素。现用的二氧化碳浓度传感器有热导和红外两种，但湿度和温度对热导传感器的测量精度影响较大。因此，红外传感器就成了首选。为了保持培养箱内的无菌环境，需要对培养箱内部进行定期灭菌，高温灭菌由于灭菌效果突出而得到了广泛的运用。但是，耐高温的红外传感器价格昂贵，并且高温环境对传感器的寿命和测量精度必然产生影响。此外，颗粒对红外传感器的测量精度会产生影响，所以必须控制测量气氛的洁净度。因此，设计一种既能控制气体中的颗粒数量，又能避免高温影响的测量系统就变得尤为重要。二氧化碳培养箱内为高湿环境,基本维持在95％rh左右。这种高湿环境下的露点温度很高，和培养温度很接近，因此要求培养室内壁和内门玻璃各处温度不能低于露点温度，否则就会结露。水会滋生细菌而产生交叉污染，导致细胞培养失败。培养箱温度是靠培养室外壁和外门的加热器提供的，加热器的工作是靠温度传感器控制的。培养室外壁5个面和外门表面上均安装有加热器，加热器分别由几个温度传感器独立控制，最常见的是3路独立控温，外门温度传感器控制外门温度，内室底部温度传感器控制加湿温度，主加热温度传感器控制其余加热器。由于外门和箱体之间靠外门四周的密封条密封，外门热量辐射至内门玻璃时会从四周密封条散失，因此内门玻璃的温度就会受箱体周围环境温度的影响。环境温度高则热量从密封条散失少，玻璃内门温度就高，玻璃门热量传至培养室就导致培养室从其余加热器获取的热量减少，控制器就会减少其余加热器的热量输出，这样就导致培养室内壁温度降低而结露；环境温度低则热量从密封条散失就会多，导致内门玻璃温度过低而结露。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的一种培养设备及其防结露方法，将设置在培养设备各个壁外的所有加热器都通过培养室内一个温度传感器控制，使所有加热器在一个加热控制周期内同时工作，但根据培养室各个表面工况的不同(如加热器电阻值和安装位置误差、内壁风速差异、保温材料差异等)设置不同的结束时间，解决了独立控制时因环境温度变化而相互影响的难题，且防止了结露。
5.为实现所述发明目的，本发明提供一种培养设备，其设置有培养室，培养室至少两壁的外面各设置了加热器，其特征在于，培养设备还包括二氧化碳浓度检测结构，其用于测量培养室内的二氧化碳浓度；温度传感器，其用于测量培养室内的温度；存储表，所述存储
表存储了培养室各外壁设置的加热器的电阻值数据及加热器设置位置数据，培养室各内壁的材料性质、厚度及面积数据，以及培养室各内壁风速数据；处理器，所述处理器被配置为根据温度传感器提供的温度数据、二氧化碳浓度、各外壁设置的加热器的电阻值数据及其设置位置数据，培养室各内壁的材料性质、厚度及面积数据，以及培养室各内壁风速数据控制各外壁设置的加热器的工作时间。
6.为实现所述发明目的，本发明还提供一种培养设备防结露方法，培养设备设置有培养室，培养室至少两壁的外面各设置了加热器，根据温度传感器提供的温度数据、二氧化碳浓度、各外壁设置的加热器的电阻值数据及其设置位置数据，培养室各内壁的材料性质、厚度及面积数据，以及培养室各内壁风速数据控制各外壁设置的加热器的工作时间。
7.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
8.将设置在培养设备各个壁外的所有加热器都通过培养室内一个温度传感器控制，使所有加热器在一个加热控制周期内同时工作，但根据培养室各个表面工况的不同(如加热器电阻值和安装位置误差、内壁风速差异、保温材料差异等)设置不同的结束时间，解决了独立控制时因环境温度变化而相互影响的难题，且防止了结露。
附图说明
9.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，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他的附图。
10.图1为本发明提供的培养设备的整体结构示意图；
11.图2为本明提供培养设备的俯视结构示意图；
12.图3为本发明提供的正视结构示意图
13.图4为图2中a-a处剖视结构示意图；
14.图5为图2中b-b处剖视结构示意图；
15.图6为本发明提供的培养设备的控制系统的组成框图。
16.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
17.1、培养室；2、隔板；3、抽气接管；4、抽气管；5、气体过滤器；6、抽气泵；7、接管；8、进气管；9、红外二氧化碳浓度传感器；10、循环风机；11、输送接管；12、二氧化碳输送管；13、浓度测量筒；14、进气阀；15、连接法兰；16、托板；17、支撑条板；18、脚轮。
具体实施方式
18.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.在本发明的描述中，需要说明的是，本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操
作、元素、组件、和/或其他组合的存在或增加。术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
20.尽管示例性实施例被描述为使用多个模块来执行示例性过程，然而可以理解的是，该示例性过程还可以由一个或多个单元来执行。
21.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
22.图1为本发明提供的培养设备的整体结构示意图；图2为本明提供培养设备的俯视结构示意图；图3为本发明提供的正视结构示意图；图4为图2中a-a处剖视结构示意图；图5为图2中b-b处剖视结构示意图；
23.如图1-5所示，本发明提供的培养设备包括培养室1和固定设置在培养室1内壁上的隔板2，隔板2包括呈“l”字型状的侧板部分和底板部分，并底板部分一侧顶面开设有通气缺口，隔板2将培养室1内部空间里外分隔为培养腔室和风道腔室两个腔室，风道腔室位于培养腔室外侧，培养室1上设置有循环对流机构。
24.本发明中，培养设备包括二氧化碳供给机构，二氧化碳供给机构包括输送接管11和二氧化碳输送管12，所述输送接管11嵌设在培养室1顶面延伸至风道腔室，输送接管11顶端套接有二氧化碳输送管12，二氧化碳输送管12依次设置有浓度测量接口13和电控进气阀14，浓度测量接口13主要方便人员借助外界检测设备对二氧化碳输送管12导入的二氧化碳浓度进行检测；电控进气阀14用于控制输入到培养室的量。二氧化碳输送管12远离输送接管11的一端设置有连接法兰15，便于与二氧化碳供气容器相连。
25.本发明中，培养设备还包括二氧化碳浓度检测结构和处理器，二氧化碳浓度检测结构用于测量培养室内的二氧化碳浓度，二氧化碳浓度检测结构包括气体过滤器5、抽气泵6和红外二氧化碳浓度传感器9，所述抽气泵6从培养室抽取气体，经过滤器5过滤后输送给二氧化碳浓度传感器9，二氧化碳浓度传感器9量测了气体中的二氧化碳的浓度后将气体再排入到从培养室内腔。具体地，二氧化碳浓度检测结构包括抽气管4、气体过滤器5、抽气泵6、红外二氧化碳浓度传感器9和进气管8，抽气管4一端连通培养腔室，另一通连接气体过滤器5的进气口，气体过滤器5的排气口经管路连接到抽气泵6的进气口，抽气泵的排气口连接到二氧化碳浓度传感器9的进气口，二氧化碳浓度传感器9的排气口经进气管8连接到培养室。二氧化碳浓度传感器将所获取的二氧化碳浓度提供给培养设备的处理器。气体过滤器5主要过滤控制二氧化碳气体中混杂的颗粒杂物。
26.本发明中，培养设备还包括循环对流机构，所述循环对流机构包括：气接管3、循环风机10和接管7，抽气接管3一端嵌设在培养室1一侧顶面且其底端延伸至风道腔室内，另一端连接循环风机10的进气口，循环风机10的另一端连接到接管7的一端，接管7另一端连接到风道腔室的底部；所述循环风机10用以使培养室和风道腔室的气体进行循环。
27.本发明中，培养室1一侧表面固定设置有托板16，托板16顶面固定设置有两个支撑条板17，每个支撑条板17顶面一侧开设有一个活动通孔，抽气管4以及进气管8分别活动贯穿一个支撑条板17，两个支撑条板17分别对抽气管4以及进气管8进行辅助固定。
28.本发明中，培养室1底面边角处固定设置有脚轮18，脚轮18共设有四个并呈矩形阵列分布。
29.本发明中，培养室至少两壁的外面各设置了加热器,优选地，培养设备培养室的上下壁外面、前后壁外面、左右壁外面以及外门表面均设置了加热器。具体地，培养室的上壁外设有第1加热器、培养室的前壁外设有第2加热器、培养室的后壁外设有第3加热器；培养室的左壁外设有第4加热器；培养室的右壁外设有第5加热器。
30.根据一个实施例，在培养室壁17和加热器表面都附着了铝箔。
31.本发明中，培养设备还设置有探头延伸到培养室的温度传感器，其用于测量培养室的温度信息，并提供给处理器。
32.图6为本发明提供的培养设备的控制系统的组成框图，如图6所示，控制系统包括：二氧化碳浓度传感器，其用于测量培养室内的二氧化碳浓度；温度传感器，其用于测量培养室内的温度；存储表，所述存储表存储了各个加热器的电阻值数据及其设置位置数据，培养室各内壁的材料性质、厚度及面积数据，以及培养室各内壁风速数据；处理器，所述处理器被配置为根据根据传感器提供的温度数据、二氧化碳浓度、加热器的电阻值数据及其设置位置数据，培养室各内壁的材料性质、厚度及面积数据，以及培养室各内壁风速数据控制加热器的工作时间。
33.本发明还提供一种培养设备防结露方法，所述培养设备设置有培养室，培养室的上壁外面、前后壁外面、上下壁外面以及外门表面均设置了加热器，其特征在于，根据培养室内的温度数据、二氧化碳浓度、加热器的电阻值数据及其设置位置数据，培养室各内壁的材料性质、厚度及面积数据，以及培养室各内壁风速数据控制各加热器的工作时间。
34.本发明中，存储表中还存储了循环风机的工作功率和培养室各内壁的风速的对应关系表，所述对应关系表是通过如下方式得到的：在培养室各内壁各设置一个风速仪，线性调节循环风机的工作功率，从而得不到循环风机不同工作功率时培养室各内壁的风速。
35.本发明中，处理器至少包括风速指针和人工智能模块，风速指针被配置为根据循环风机的工作功率，选择将相应于该工作功率的培养室各内壁的风速数据提供给人工智能模块；所述人工智能模块包括数据处理模块、特征提取模块和深度学习模块，所述数据处理模块对温度传感器、二氧化碳浓度传感器提供的信息进行处理获取温度时间序列、二氧化碳浓度时间序列；特征提取模块对温度时间序列、二氧化碳浓度时间序列分别进行特征提取而后提供给深度学习模块；深度学习模块根据温度时间序列、二氧化碳浓度时间序列和培养室各内壁的风速确定各外壁设置的加热器的工作时间。
36.本发明中，深度学习模块包括神经网络，所述神经网络包括输入层、隐含层、输出层和判断层，
37.所述输入层输入温度时间数据序列为x1＝[x
11
ꢀ…ꢀ
x
n1
ꢀ…ꢀ
x
n1
]
t
；
[0038]
二氧化碳浓度数据序列为：x4＝[x
14
ꢀ…ꢀ
x
n4
ꢀ…ꢀ
x
n4
]
t
；
[0039]
培养室的第1壁内壁风速数据为x5＝[x
15
ꢀ…ꢀ
x
n5
ꢀ…ꢀ
x
n5
]
t
；
[0040]
…
[0041]
培养室的第m壁内风速数据序列为xm＝[x
1m
ꢀ…ꢀ
x
nm
ꢀ…ꢀ
x
nm
]
t
；
[0042]
对温度时间数据序列进行变形得到第一矩阵:
[0043][0044]
其中，x
13
＝x
11
；x
n3
＝f1(x
n1
)为室温为x
n1
时所需要的热量的函数关系；t为相邻量测温度的时间间隔；n≥3；
[0045]
将第一矩阵、二氧化碳浓度数据序列、培养室的上壁内壁风速数据，培养室的前壁内风速数据序列、培养室的后壁内风速数据序列；培养室的左壁内风速数据序列和培养室的右壁内风速数据序列组成第二矩阵：
[0046][0047]
式中，m大于或者等于2，优选m＝6；
[0048]
对第二矩阵利用归一化系数矩阵δ进行归一化处理得到第三矩阵：
[0049]
z＝i
·
δ
[0050]
将归一化矩阵的每行输入到神经网络的输入层，利用高斯函数激活神经网络隐含层的神经元得到第一向量：
[0051]
y＝[y
n1
ꢀ…ꢀynk
ꢀ…ꢀynk
]
[0052][0053]rnm
＝fk(x
nm
) y
n(k-1)
αk，s
nm
为高斯函数的中心点，c
nm
为高斯函数的中心点，w
km
为隐含层第k个神经元与输入层第m个神经元的互相关系数；fk(x
nm
)为隐含层第k个神经元数据与输入层第m个神经元输入数据的x
nm
的函数关系；αk为学习系数；
[0054]
输出层的神经元的输出用第二向量表示：
[0055]onj
＝[q
n1
ꢀ…ꢀqnj
ꢀ…ꢀqnj
]
[0056]
式中j大于或者等于2，q
nj
为培养室的室温由x
(n-1)1
变化到x
n1
时要培养室的外壁第j个加热器的需要提供的热量；w
jk
为输出层第j神经元和隐含层第k个神经元之间的互相关系数。优选地，j＝m＝6,即在培养室的每个外壁上均设置一个加热器。可选地，培养设备培养室的上下壁外面、前后壁外面、左右壁外面以及外门表面均设置了加热器，j＝7,m＝6。
[0057]
判断层的神经元的输出用第三向量表示：p＝[p1ꢀ…ꢀ
pjꢀ…ꢀ
pj]
[0058]
式中，
[0059]
可选地，
[0060]
εj为培养室第j壁热量系数,ij为第j个加热器的工作电流，rj为第j个加热器的电阻值，为所有加热器将培养室加热到露点温度之上的所需时间；pj为1时，培养室的第j个加热器继续工作，为0时停止工作；
[0061]
此后再以n为步给输入层输入下一组数据。
[0062]
本发明提供的控制系统还包括电控阀控制驱动器，其根据处理器提供的控制信号驱动电控阀的开启、闭合，开启量等。
[0063]
本发明还提供一种存储介质，其用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序用于实施上述的方法，所述存储器包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。存储器包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质。
[0064]
为实现所述发明目的，本发明提供的处理器用于执行计算机程序，其中，所述计算机程序将上述方法或者上述方法中的步骤编成程序模块。
[0065]
本发明中温度传感器可以采用红外温度传感器，其可以外置，可以避免高温的影响；在二氧化碳浓度检测结构中设置空气过滤器去除颗粒，保证了测量精度；通过风机和风道的循环作用，使二氧化碳浓度均匀地弥散在培养室的整个空间内；本发明通过人工智能模块反复学习从而通过培养室内温度传感器提供的数据、二氧化碳浓度传感器提供的数据以及培养室各内壁的风速数据确定设置在培养设备各个壁外的所有加热器的工作时间，解决了独立控制时因环境温度变化而相互影响的难题，且防止了结露。
[0066]
本发明中，上述各实施例的各种结合所构成的新的技术方案也是本发明公开的范围。
[0067]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。