一、Presens傳感器技術(shù)概述
 

　　Presens傳感器(Process Sensing，過程傳感技術(shù))是一類基于光學(xué)、電化學(xué)或生物傳感原理的高精度過程分析儀器，由德國PreSens Precision Sensing GmbH公司開發(fā)并推廣，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中的溶解氧（DO）、pH、二氧化碳（CO?）、氧分壓（pO?）、生物量（如細(xì)胞密度）、濁度、離子濃度（如硝酸鹽、銨鹽）等關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測。其核心優(yōu)勢在于非接觸式/微創(chuàng)式測量、高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)、可集成于封閉系統(tǒng)，尤其適合制藥、生物發(fā)酵、食品飲料、化工、環(huán)保等對過程控制要求嚴(yán)格的行業(yè)。
 

　　二、工業(yè)生產(chǎn)在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心需求
 

　　工業(yè)場景對在線監(jiān)測系統(tǒng)的需求可歸納為：
 

　　實時性：參數(shù)變化需秒級/分鐘級響應(yīng)(如發(fā)酵罐中DO波動影響菌體代謝)；
 

　　準(zhǔn)確性：測量誤差需符合行業(yè)標(biāo)(如制藥行業(yè)DO精度±0.1 mg/L，pH精度±0.05)；
 

　　穩(wěn)定性：長期運(yùn)行無漂移(如連續(xù)監(jiān)測30天以上)；
 

　　適應(yīng)性：兼容高溫、高壓、腐蝕性介質(zhì)或生物反應(yīng)環(huán)境(如發(fā)酵罐中的高濕、有機(jī)溶劑)；
 

　　智能化：數(shù)據(jù)自動記錄、異常報警、與PLC/DCS系統(tǒng)聯(lián)動控制。
 

　　Presens傳感器通過光學(xué)信號傳輸（避免電極污染）、微型化設(shè)計（可集成于管道/反應(yīng)器內(nèi)壁）、數(shù)字通信協(xié)議（如RS-485、Modbus、藍(lán)牙），契合上述需求。
 

　　三、在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案
 

　　1. 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
 

　　典型的Presens在線監(jiān)測系統(tǒng)由“傳感器層-傳輸層-控制層-應(yīng)用層”四層組成，各層功能如下：

　　關(guān)鍵設(shè)計點(diǎn)：
 

　　傳感器選型：根據(jù)監(jiān)測參數(shù)選擇Presens型號(例如：
 

　　溶解氧：OXY-1 SMA(適用于液體，響應(yīng)時間<12秒，測量范圍0~200%空氣飽和度)；
 

　　pH：pH-1 Mini(測量范圍0~14，精度±0.05，耐高溫80℃)；
 

　　CO?：CO?-1 SMA(適用于生物反應(yīng)器，測量范圍0~20% vol，非侵入式光學(xué)檢測)。
 

　　安裝方式：
 

　　原位安裝(直接插入反應(yīng)器/管道，如發(fā)酵罐的側(cè)壁開孔安裝pH探頭)；
 

　　流通池模式(適用于高流速介質(zhì)，如管道中通過旁路循環(huán)液流經(jīng)傳感器)；
 

　　浸入式安裝(適用于開放容器，如儲罐中懸掛DO探頭)。
 

　　信號傳輸：工業(yè)現(xiàn)場優(yōu)先選用屏蔽雙絞線（抗電磁干擾）+ RS-485總線(長距離傳輸≤1200米)，無線場景(如移動設(shè)備監(jiān)測)可采用藍(lán)牙5.0或LoRa模塊(低功耗、遠(yuǎn)距離)。
 

　　2. 關(guān)鍵模塊設(shè)計細(xì)節(jié)
 

　　(1)傳感器接口與校準(zhǔn)模塊
 

　　光學(xué)信號處理：Presens傳感器通常通過熒光淬滅（如DO測量）或pH敏感染料變色原理輸出光學(xué)信號，需配套LED光源（激發(fā)光）+ 光電二極管（接收熒光）模塊，通過算法將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為參數(shù)值。
 

　　自動校準(zhǔn)功能：系統(tǒng)集成兩點(diǎn)校準(zhǔn)（如pH的4.01/7.01緩沖液）或單點(diǎn)校準(zhǔn)（基于已知參考值），支持定期自動校準(zhǔn)(如每天開機(jī)自檢)或手動觸發(fā)校準(zhǔn)(通過HMI界面操作)。
 

　　(2)數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理模塊
 

　　多參數(shù)同步采集：通過多通道AD轉(zhuǎn)換器(如16位分辨率)同步讀取多個Presens傳感器數(shù)據(jù)(如同時監(jiān)測DO、pH、溫度)，采樣頻率≥1次/秒(關(guān)鍵參數(shù)可提升至10次/秒)。
 

　　數(shù)據(jù)濾波算法：采用滑動平均濾波（平滑短期波動）或卡爾曼濾波（抑制高頻噪聲），提升信號穩(wěn)定性(例如發(fā)酵罐中DO因氣泡干擾產(chǎn)生的瞬時跳變)。
 

　　異常檢測：設(shè)置閾值報警(如DO<1 mg/L或pH>8.5時觸發(fā)聲光報警)，并通過控制層聯(lián)動停機(jī)或調(diào)節(jié)工藝參數(shù)。
 

　　(3)控制邏輯與聯(lián)動模塊
 

　　閉環(huán)控制：基于實時參數(shù)反饋自動調(diào)節(jié)生產(chǎn)設(shè)備(例如：
 

　　當(dāng)DO低于設(shè)定值(如30%飽和度)時，PLC控制曝氣閥開度增大(提升溶氧)；
 

　　當(dāng)pH偏離目標(biāo)值(如6.5±0.2)時，自動啟動酸/堿加料泵(維持最佳發(fā)酵環(huán)境)。
 

　　冗余設(shè)計：關(guān)鍵傳感器(如主反應(yīng)器的DO探頭)配置備份探頭，當(dāng)主探頭故障時自動切換至備用傳感器，避免生產(chǎn)中斷。
 

　　3. 人機(jī)交互與遠(yuǎn)程管理模塊
 

　　本地監(jiān)控（HMI界面）：通過觸摸屏或工業(yè)電腦顯示實時參數(shù)曲線、報警信息、歷史數(shù)據(jù)查詢(支持按時間/批次篩選)。
 

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控（SCADA/云平臺）：
 

　　數(shù)據(jù)上傳至工廠SCADA系統(tǒng)(如WinCC、Ignition)，與MES/ERP集成(關(guān)聯(lián)生產(chǎn)批次、原料信息)；
 

　　可選云端部署(如AWS IoT、阿里云)，通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(工程師可隨時查看異地工廠的監(jiān)測數(shù)據(jù))，支持手機(jī)APP推送報警通知。
 

　　數(shù)據(jù)存儲與分析：
 

　　本地存儲(如SQL數(shù)據(jù)庫)保存≥1年的歷史數(shù)據(jù)，支持導(dǎo)出Excel/PDF格式報告；
 

　　高級分析功能(如機(jī)器學(xué)習(xí)算法)用于挖掘參數(shù)關(guān)聯(lián)性(例如DO波動與菌體生長速率的關(guān)系)，優(yōu)化工藝參數(shù)。
 

　　四、典型應(yīng)用場景與案例
 

　　1. 生物發(fā)酵過程監(jiān)測（如抗生素、酶制劑生產(chǎn)）
 

　　監(jiān)測參數(shù)：DO(控制菌體有氧呼吸)、pH(影響酶活性)、CO?(反映代謝速率)、生物量(通過濁度或熒光標(biāo)記間接測量)。
 

　　系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)：
 

　　發(fā)酵罐側(cè)壁安裝Presens OXY-1 SMA(DO)和pH-1 Mini(pH)探頭，通過無菌密封接頭與內(nèi)部培養(yǎng)基接觸；
 

　　實時數(shù)據(jù)反饋至PLC，自動調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速(影響溶氧)和通氣量(控制CO?排出)；
 

　　案例：某制藥企業(yè)通過該系統(tǒng)將發(fā)酵效價提升15%，染菌率降低20%(因DO/pH精準(zhǔn)控制減少了雜菌滋生)。
 

　　2. 制藥用水系統(tǒng)（如注射用水、純化水）
 

　　監(jiān)測參數(shù)：溶解氧(防止藥物氧化降解)、電導(dǎo)率(控制離子雜質(zhì))、TOC(總有機(jī)碳，間接關(guān)聯(lián)有機(jī)物殘留)。
 

　　系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)：
 

　　在純化水儲罐和管道中安裝Presens DO探頭(OXY-1 SMA)和電導(dǎo)率傳感器(非Presens但可集成至同一系統(tǒng))，實時監(jiān)控水質(zhì)變化；
 

　　當(dāng)DO>0.5 mg/L(易導(dǎo)致藥物氧化)時，觸發(fā)UV殺菌或活性炭過濾單元自動運(yùn)行；
 

　　案例：某生物制劑廠通過在線監(jiān)測將水系統(tǒng)的微生物污染風(fēng)險降低30%。
 

　　3. 化工反應(yīng)過程（如聚合反應(yīng)、酸堿中和）
 

　　監(jiān)測參數(shù)：pH(控制反應(yīng)方向)、溶解氧(影響氧化還原反應(yīng))、溫度(關(guān)聯(lián)副反應(yīng)速率)。
 

　　系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)：
 

　　反應(yīng)釜頂部安裝Presens pH探頭(耐高溫高壓型號)，實時反饋至DCS系統(tǒng)；
 

　　當(dāng)pH偏離中性(如±0.3)時，自動調(diào)節(jié)酸堿加料比例，避免副產(chǎn)物生成；
 

　　案例：某化工廠通過pH精準(zhǔn)控制將產(chǎn)品純度從92%提升至98%。
 

　　五、系統(tǒng)優(yōu)化與挑戰(zhàn)應(yīng)對
 

　　1. 常見挑戰(zhàn)
 

　　介質(zhì)干擾：高粘度/含顆粒介質(zhì)可能遮擋光學(xué)信號(如發(fā)酵液中的菌體團(tuán)塊)，需定期清潔探頭(或選用自清潔型傳感器，如帶超聲波清洗功能)。
 

　　校準(zhǔn)漂移：長期使用后傳感器靈敏度下降(如熒光染料衰減)，需每月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)液校準(zhǔn)(或選擇具備自動補(bǔ)償功能的型號)。
 

　　安裝兼容性：反應(yīng)器材質(zhì)(如玻璃、不銹鋼)可能影響光學(xué)信號傳輸，需選擇匹配的安裝適配器(如石英窗流通池)。
 

　　2. 優(yōu)化方向
 

　　多參數(shù)融合：結(jié)合Presens傳感器與其他分析技術(shù)(如近紅外光譜NIR、拉曼光譜)，提升復(fù)雜體系的監(jiān)測維度(例如同時監(jiān)測DO、pH、產(chǎn)物濃度)。
 

　　邊緣智能：在控制層集成AI算法(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))，實時預(yù)測參數(shù)趨勢(例如提前30分鐘預(yù)警DO下降風(fēng)險)，實現(xiàn)預(yù)防性控制。
 

　　模塊化設(shè)計：傳感器與傳輸模塊采用即插即用接口(如標(biāo)準(zhǔn)化M12連接器)，便于快速維護(hù)和擴(kuò)展(如新增CO?監(jiān)測點(diǎn)位)。
 

　　六、總結(jié)
 

　　Presens傳感器驅(qū)動的在線監(jiān)測系統(tǒng)通過高精度、非侵入式測量+實時數(shù)據(jù)反饋+智能控制聯(lián)動，為工業(yè)生產(chǎn)提供了“過程可見性”與“精準(zhǔn)調(diào)控能力”。其設(shè)計需圍繞“傳感器選型-信號傳輸-控制邏輯-人機(jī)交互”全鏈路優(yōu)化，結(jié)合具體行業(yè)需求(如制藥的合規(guī)性、化工的耐腐蝕性)定制解決方案。隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，未來Presens系統(tǒng)將進(jìn)一步集成數(shù)字孿生、云端分析等功能，成為智能工廠的核心組成部分，助力企業(yè)提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗并實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。