生化過程中物理參數(shù)檢測技術

生化過程中物理參數(shù)檢測技術1第一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三本章內(nèi)容2.1概述2.2壓力的測量2.3液位和泡沫的測量2.4溫度的測量2.5流量的測量2第二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三2.1概述3第三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三要對生化過程進行有效的操作和控制，首先要了解生化過程的狀態(tài)變化，也就是各種信息。這些信息(參數(shù))可分為物理變量參數(shù)、化學變量參數(shù)及生物變量參數(shù)這些信息是進行生化過程控制的基礎，有些可直接進行測定、有些可間接進行測定。有些可就地檢測、有些通過在線測定、有些只能進行離線測定。4第四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三就地測量：測量系統(tǒng)中的傳感器直接與培養(yǎng)液接觸，給出連續(xù)和快速響應的信號，測量信號系統(tǒng)對過程沒有影響。（pH、溶氧濃度和罐壓測量）在線測量：利用連續(xù)的取樣系統(tǒng)與有關的分析儀器連接，取得測量信號響應速度快，可作為實時操作和生產(chǎn)過程控制。離線測量：一定時間內(nèi)離散取樣，在反應器外進行樣品處理和分析。5第五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三一參數(shù)的測量參數(shù)檢測：將被測參數(shù)經(jīng)過一次或多次能量的交換，獲得一種便于顯示和傳遞的信號的過程。根據(jù)信號的不同，參數(shù)檢測儀表可以分為氣動檢測儀表和電動檢測儀表兩類。非電量的電測法將非電量工藝參數(shù)，如壓力、溫度、流量、物位等，轉(zhuǎn)換為電流、電壓等電路參數(shù)（信號）的檢測方法。6第六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三二檢測儀表的性能1.準確度與誤差準確度：測量值與被測量真值的接近程度。絕對誤差：測量值與被測量真值之差。相對誤差：絕對誤差與被測量真值之比。實際相對誤差：絕對誤差與被測量真值之比；示值相對誤差：絕對誤差與儀表指示值之比；引用相對誤差：絕對誤差與儀表滿刻度值之比。允許誤差：最大允許的相對誤差。7第七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三2.指示變差與精密度指示變差：同一儀表對相同的被測參數(shù)進行正、反行程測量時，其顯示值的差異。精密度(簡稱精度)：在相同條件下，對被測量進行多次反復測量，測得值之間的一致(符合)程度。儀表精度等級：引用相對誤差的百分數(shù)分子表示：常用儀表等級有：0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0等。精確度：儀表精密而準確的程度。8第八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三3.靈敏度、靈敏限與分辨率靈敏度S：儀表的指示位移變化量△S與被測參數(shù)變化量△m之比。它是選擇傳感器的基本技術指標。

靈敏度

靈敏限：能引起儀表指針發(fā)生位移變化的被測參數(shù)的最小變化量。分辨率：測試儀表能夠精確檢測出被測量的最小變化的能力。9第九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三4.線性度與反應時間線性度：測量儀表在全量程范圍內(nèi)實際校準值與理論對應值的吻合程度。反應時間：顯示值變化相對于實際值變化的滯后時間。被測變量儀表顯示值10第十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三三檢測系統(tǒng)的構(gòu)成被測參數(shù)敏感元件信號變換信號傳輸信號測量顯示記錄控制+-A/DPLC11第十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三四生化過程參數(shù)檢測的特點由于細胞培養(yǎng)過程中的純種要求，必須嚴格防止雜菌污染，在生物反應器操作中首先采用蒸汽滅菌，絕對防止帶入雜菌的操作或部件的應用。1、反應器內(nèi)插入的傳感器必須耐高溫并經(jīng)受高溫滅菌，增加了生化過程參數(shù)測定的復雜性；2、菌體及其它固體物質(zhì)附在表面，使傳感器靈敏度降低；3、生化反應器內(nèi)存有氣泡，對檢測傳感器帶來干擾；12第十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三4、在傳感器及其安裝附件必須沒有雜菌和滅菌死角；5、化學成分分析給電信號轉(zhuǎn)換帶來困難或者可靠性降低。13第十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三生化過程參數(shù)檢測傳感器無源傳感器：按能量控制(或調(diào)制)原理設計而成的傳感裝置。有源傳感器按能量變換原理設計而成的傳感裝置。常用的傳感器，按檢測對象可分為：力敏元件(壓敏元件、速度、加速度、壓差元件)；熱敏元件(溫度、熱流)；光敏元件(各種光纖維)；磁敏元件(各種磁效應)；濕敏元件(濕度與相對濕度)；氣敏元件(酒精、瓦斯、CO)；放射性元件；離子元件(各種各種有機、無機敏感酶電極、生物電極)。14第十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三生化檢測傳感器的要求可靠可靠性最重要，生化反應過程持續(xù)的時間長需傳感器穩(wěn)定可靠。靈敏度對一些關鍵參數(shù)的測定要求靈敏度高。精度對關鍵參數(shù)的測定也要求精度高?？苫Q性同類傳感器必須可互換，便于傳感器損壞時更換。15第十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三可清洗在生化反應罐批次之間，這些傳感器要容易清洗。耐消毒一般需耐0.12MPa，120℃消毒20~30min，化學消毒也可考慮，即用酸堿溶液及甲醛等泡。無菌反應過程傳感器必須保持無菌，四周不造成消毒死角。無毒傳感器材質(zhì)對生化反應過程沒有毒害作用，對產(chǎn)品沒有毒害污染。16第十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三下圖是乙烯裂解氣溫度控制系統(tǒng)。采用液態(tài)丙烯，使其汽化吸收熱量以冷卻乙烯裂解氣。調(diào)節(jié)氣態(tài)丙烯流量使溫度控制在（15±1.5）℃。17第十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三系統(tǒng)中被控對象、被控變量和操縱變量各是什么？

畫出該控制系統(tǒng)的組成方塊圖。

試比較示意圖和方塊圖，說明操縱變量的信號流向與物料的實際流動方向不同。

18第十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三被控對象為丙烯冷卻器；被控變量為乙烯裂解氣的出口溫度；操縱變量為氣態(tài)丙烯的流量。在示意圖中，氣態(tài)丙烯的流向由丙烯冷卻器流出。在方塊圖中,氣態(tài)丙烯作為操縱變量，其信號流向指向丙烯冷卻器。

19第十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三2.2壓力的測量20第二十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三一壓力的表示與單位壓力的表示：絕對壓力單位面積所受到的力相對壓力（表壓）絕對壓力與大氣壓之差真空度大氣壓與絕對壓力之差絕對壓力絕對壓力真空度表壓標準大氣壓壓力水平1壓力水平221第二十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三壓力(壓強)的單位壓強（俗稱壓力）：單位面積所受到的垂直作用力。工程上的“壓力”與力學中的“壓力”不表示同一個概念。22第二十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三二壓力測量原理壓力、壓差測量原理可分為：壓力與彈性體的變形應力相平衡，并轉(zhuǎn)換成彈性體的位移；壓力與別的流體壓力或電磁力等相平衡，并將其轉(zhuǎn)換成力或電流，這種原理多用于工業(yè)生產(chǎn)過程壓力測量變送傳感器；壓力與流體的重量相平衡，由對應的液體量求得壓力，如U形管壓力計；壓力與固體的重量相平衡，由對應的固體重量求得壓力，多用來標定壓力計。按測量原理，壓力計可以分為：液柱式壓力計活塞式壓力計彈性式壓力計電氣式壓力計23第二十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三1液柱式壓力計測量原理：P=rgh

所以h=P/rg24第二十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三2活塞式壓力計測量原理：

P=G/S

所以G=P?S精確度高常用作標準儀表，檢驗其它壓力計25第二十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三3彈性式壓力傳感器與常用壓力表工作原理：在虎克定律成立的范圍內(nèi)，采用彈性元件將壓強大小轉(zhuǎn)換為位移量，再通過機械傳動和放大，推動指針偏移。根據(jù)敏感元件形式的不同可以分為以下3類：波登管式壓力傳感器波紋管式壓力傳感器薄膜式壓力傳感器26第二十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三波登管式壓力傳感器具有扁平斷面的管子彎成圓形，將一端固定、另一端自由，自由端密封，當固定端接入被測壓力時，管子的截面就變成近似扁圓形狀，使自由端向外伸展，帶動指針轉(zhuǎn)動，顯示其壓力。P與△g/g成比例關系g27第二十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三波登管壓力計（a）及其傳動部分（b）28第二十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三29第二十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三波紋管式壓力傳感器波紋管壓力外圓沿軸向有深槽形波紋狀縐摺，并沿軸向能夠伸縮而徑向不發(fā)生變化。如果圓筒內(nèi)外產(chǎn)生壓差，便成為軸向伸縮元件。因為耐壓強度有限，所以多用作低壓壓力的感壓原件。

p與軸向伸縮距離x的關系如下：30第三十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三31第三十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三薄膜式壓力傳感器將周邊固定的薄板稱為薄膜，利用薄膜兩側(cè)壓力差使之產(chǎn)生彈性形變的傳感器。32第三十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三4電氣式壓力傳感器信號轉(zhuǎn)換電氣式壓力計，實際上是將彈性元件、液柱式壓力計所產(chǎn)生的微小位移或活塞式壓力計所產(chǎn)生的力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的一類壓力計。電氣式壓力計通常兩部分組成：一次儀表（壓力探頭）：將壓力轉(zhuǎn)換為微弱電參數(shù)；二次儀表：將微弱電參數(shù)轉(zhuǎn)換為標準電信號。33第三十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三常用電參數(shù)有：電阻、電感、電容、電壓等。常見壓力變換器（壓力探頭）有：電阻應變式壓力變換器；電感式壓力變換器；電容式壓力變換器；霍爾式壓力變換器。電氣式壓力計一次探頭34第三十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三電阻應變式壓力計一次探頭工作原理金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應變效應。電線的電阻為R=L/S當電線受到拉（應）力作用時，L變大，S變小，R變大。一組串聯(lián)平行細導線（電阻應變片）的金屬（彈性元件）因壓力變化而發(fā)生微小變形（應變）時，細導線的電阻隨之發(fā)生變化。從而，將壓力參數(shù)轉(zhuǎn)化為電阻參數(shù)。壓力變化彈性變形電阻變化35第三十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三電感式壓力計一次探頭磁路的磁阻與鐵芯的間隙相關。所以，當銜鐵或鐵芯的位置發(fā)生變化時，其電感也隨之發(fā)生變化。從而，可以將位移量轉(zhuǎn)化為電感量。36第三十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三電容式壓力計一次探頭電容器的電容量：C=S/d當S或d發(fā)生變化時，電容量發(fā)生變化。37第三十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三霍爾式壓力計一次探頭霍爾半導體在垂直電流和磁場的作用下，會產(chǎn)生側(cè)向電壓：UH=RHBINS38第三十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三電氣壓力計前置放大器傳感元件的參量變化通常是非常微弱的，不能進行遠距離傳送，需要進行初步放大。電阻和電容傳感器一般采用電橋放大，以電壓方式輸出；電感式傳感器一般采用振蕩電路放大，以頻率方式輸出；電壓傳感器一般采用直流放大器，以電壓或電流方式輸出。39第三十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三電氣壓力計前置放大器電橋放大振蕩電路放大直流放大40第四十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三電氣壓力計二次儀表作用：將傳感器信號轉(zhuǎn)換為標準通訊信號。DDZⅢ型儀表標準通訊信號為：4~20mA。智能型壓力傳感器在二次儀表中另外附加一些功能，如：模/數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)通訊，工程單位轉(zhuǎn)換，信號（變化）阻尼，故障診斷等。41第四十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三三壓力計的選型及安裝選型內(nèi)容：類型選擇功能：顯示、報警、記錄、傳送（數(shù)字、模擬）；介質(zhì)條件：溫度、腐蝕性、粘度、臟污程度等；

如：氨氣表防腐，氧氣表禁油。環(huán)境條件：溫度、震動、電磁場等。量程與盤面大小工作壓力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程；盤面大小應方便安裝和觀察。精度等級：根據(jù)工藝需要確定。作為現(xiàn)場的壓力測量儀表，多用價格便宜的彈性壓力儀表，如壓力計。重要部位壓力信號，遠距離傳送到操作室，有的要進行自動控制，則選用壓力測量變送器。42第四十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三常見壓力傳感器外形

工業(yè)壓力變送器數(shù)字壓力變送器通用壓力變送器隔離壓力變送器高溫壓力變送器隔離壓差變送器隔離液位變送器微壓變送器電容壓力變送器隔膜壓力變送器絕壓變送器雙膜壓差變送器微型探針壓力計暖風空調(diào)壓力計濕式壓力變送器本安壓力變送器OEM血壓計OEM壓力芯片43第四十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三壓力計的安裝安裝事項：取壓位置：由工藝條件確定；盡量避免渦流影響；避免流速影響；避免導壓管產(chǎn)生壓差。隔離(采用密封隔離，如虹吸等)：溫度隔離：采用銅管散熱；腐蝕性隔離：采用隔離箱（凝液管）；臟污隔離：采用空氣包。44第四十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三壓力表安裝不合理會形成的死角45第四十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三2.3液位和泡沫的測量46第四十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三一概述生物反應器內(nèi)的液位和泡沫液位的對于有效建立物料平衡方程和控制營養(yǎng)物的加入量，有著十分重要的意義；另一方面，為了避免反應液的發(fā)泡和逃液，也需準確了解液位和泡沫液位。泡沫的測量是基于液位的檢測，因此泡沫液位傳感器也可用于液位的測量，兩者是相通的。工業(yè)生產(chǎn)過程中液位的測量主要有三類：直讀式液位計、壓差式液位計、電極式液位計。47第四十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三二直讀式物位計用帶有刻度的透明物質(zhì)（如玻璃、有機玻璃）作為容器壁的一部分或連通管，可以直接顯示容器內(nèi)液位的高低。還可通過發(fā)酵罐的視鏡直接觀察罐內(nèi)液位刻度。48第四十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三三壓差式液位計利用液體靜壓力與液位高度的關系進行測量。液體密閉容器液體敞開容器利用p=p0+rgh可得到h49第四十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三四電容式液位計圓柱形電容器的電容量的表達式為：電極間充入高度為H的介質(zhì)前后電容量的變化值為：

由此可見，電容量的變化量與液位高度成正比。測量電容量變化即可知料位的變化。50第五十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三電容式液位計主要用于測量不導電流體51第五十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三五電極式液位計主要有兩類電極：導電電極、電阻式泡沫電極。導電電極：用于不腐蝕導體的液體液面的測定。當液面或泡沫達到不絕緣的金屬棒的端點時，就會有電流信號產(chǎn)生。電阻式泡沫電極：電極安裝于罐體上，其電極電流正比于不絕緣電極棒浸沒入液體的長度，由此來測定泡沫液位高度。hh電極法測液面雙電極傳感器使用單電極時，由于結(jié)垢、微生物附著，易造成短路，出現(xiàn)虛假信號，使用雙電極可以形成相應的補償作用，提高測量的準確性。52第五十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三2.4溫度的測量53第五十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三溫度對生化過程影響非常顯著，是過程控制的重要變量之一。溫度測量元件主要有六大類：膨脹式、壓力式、熱電偶、熱電阻、輻射式、紅外線。54第五十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三常用溫度計的種類及適用溫度55第五十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三一膨脹式溫度計玻璃液體溫度計利用液體受熱膨脹并沿玻璃毛細管延伸而直接顯示溫度雙金屬溫度計不同金屬受熱膨脹不同，雙金屬片在受熱情況下發(fā)生彎曲而顯示溫度t=t0tt056第五十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三二、壓力式溫度計利用液體的蒸發(fā)或氣體的膨脹而引起的壓力變化進行測量。溫包：傳熱、容納膨脹介質(zhì)；毛細管：傳遞壓力；彈簧管：顯示壓力（溫度）。57第五十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三三輻射式溫度計通過特定波長光波的強度或熱輻射強度來確定光源溫度。輻射式溫度計：測定熱輻射強度；光學溫度計：采用光學分頻法，測定不同頻率光波的強度比值；比色法：直接通過可見光顏色的對比，確定光源溫度。輻射式溫度計，通常用于測量高溫條件，特別是光學溫度計和比色溫度計需要利用物體在高溫下發(fā)射的可見光進行檢測。58第五十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三四熱電偶溫度計1.熱電偶工作原理基于物體的熱電效應。由兩種不同導體組成回路，當兩個接點溫度不同時，回路中將產(chǎn)生電勢，該電勢大小和方向取決于導體的材料和兩接點溫度差，這個現(xiàn)象稱為“熱電效應”?；芈贩Q為“熱電偶”，電勢為“熱電勢”，高溫端叫“熱端”，低溫端為“冷端”。ABtt0EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)59第五十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三2.熱電偶回路ABCC熱電偶測量的關鍵是如何保證冷端的溫度不同金屬連接在一起都構(gòu)成熱電偶作用；熱電偶回路電動勢為各接點熱電勢的總和；對于有外接導線的熱電偶回路，其總電動勢為熱端與冷端熱電動勢之差。tt0t060第六十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三3.熱電偶的補償熱電偶的導線補償用廉價材料將冷端延伸到溫度相對穩(wěn)定的控制室內(nèi)；冷端溫度補償將冷端浸泡在恒溫的冰水中；采用電路差減法消除冷端熱電勢。+-補償導線測量電路熱電偶補償導線應與熱電偶的電極材料配合使用；補償導線的材質(zhì)不同，接線時應特別注意不能接錯。61第六十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三4.熱電偶的材質(zhì)與選擇熱電偶的材質(zhì)要求：單位溫度變化的熱電勢大，且盡量接近線性關系；熱電性質(zhì)穩(wěn)定；化學穩(wěn)定性好：高溫下抗氧化，抗腐蝕；具有較好的延展性，易于加工；復現(xiàn)性好，便于批量生產(chǎn)和互換。不同材質(zhì)的熱電偶有不同的特性，應根據(jù)實際需要選擇測量范圍、放大系數(shù)（以分度值表示）、測量精度、抗腐蝕能力、價格等。62第六十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三5.熱電偶的結(jié)構(gòu)熱電極工作部分絕緣子防止電極與電極、套管短路保護套管保護接線盒63第六十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三64第六十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三五熱電阻溫度計測量原理利用金屬電阻隨溫度變化的規(guī)律進行測量；測量金屬在不同溫度下電阻值的變化。工業(yè)熱電阻溫度計主要有兩種材質(zhì)：鉑電阻：0~650oC，Pt10，Pt100銅電阻：-50~+150oC，Cu50，Cu10065第六十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三六電動溫度計的二次儀表功能：對信號進行放大和轉(zhuǎn)換；信號的線性化。組成部分：輸入電橋；放大器；反饋電路；電源電路。熱電偶或熱電阻輸入電橋放大電路反饋電路電源電路被測溫度66第六十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三2.5流量的測量67第六十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三流量測量是生化過程工業(yè)生產(chǎn)過程操作和管理的重要依據(jù)。一般所講的流量是指單位時間內(nèi)流過管道某一截面的流體數(shù)量的大小，即瞬時流量，它可以用體積流量和質(zhì)量流量來表示。注意流量和流速的區(qū)別。體積流量(Q)：單位時間流過管道某截面流體的體積數(shù)，單位為m3/h。質(zhì)量流量(M)：單位時間流過管道某截面流體的質(zhì)量數(shù)，單位為kg/h。68第六十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三 按測量工作原理分類：速度式流量計通過測量過流速度，用過流面積換算成流量。主要有差壓式流量計、轉(zhuǎn)子流量計、渦輪流量計、電磁流量計。容積式流量計采用固定溶劑空間逐次衡量過流容積。主要有齒輪流量計、腰輪流量計、刮板式流量計、旋轉(zhuǎn)活塞流量計。流體的物理性質(zhì)(如粘度、密度等)對測量精度影響小，測量精度較高。質(zhì)量流量計計量可壓縮流體的質(zhì)量通過量。分為直接型質(zhì)量流量計(通過直接檢測與質(zhì)量流量成比例的參數(shù)實現(xiàn)質(zhì)量流量的測定)和間接型質(zhì)量流量計(通過體積流量計與密度計組合來實現(xiàn))。流量測量儀分類69第六十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三一速度式流量計根據(jù)測速方法可以分為以下幾類：差壓式流量計轉(zhuǎn)子流量計電磁流量計超聲波流量計渦輪流量計70第七十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三1差壓流量計差壓式流量計也叫節(jié)流式流量計，它是流量測量中最成熟、常用的流量計。由流體力學知識可知，流體通過孔板節(jié)流裝置后，會產(chǎn)生一定的壓降。根據(jù)流速和壓降的關系可以推導出下列方程：其中a、F為常數(shù)通過測量孔板前后壓差即可計算出流速和流量。p1p271第七十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期三2轉(zhuǎn)子流量計垂直流道中的金屬轉(zhuǎn)子在壓差力和重力的共同作用下平衡。