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1、生化过程中物理参数检测技术1第1页，共78页，编辑于2022年，星期日本章内容2.1 概述2.2 压力的测量2.3 液位和泡沫的测量2.4 温度的测量2.5 流量的测量2第2页，共78页，编辑于2022年，星期日2.1 概述3第3页，共78页，编辑于2022年，星期日要对要对生化过程生化过程进行有效的操作和控制，首先要了进行有效的操作和控制，首先要了解生化过程的状态变化，也就是各种信息。这些解生化过程的状态变化，也就是各种信息。这些信息信息(参数参数)可分为可分为物理变量参数物理变量参数、化学变量参数化学变量参数及及生物变量参数生物变量参数这些信息是进行生化过程控制的基础，有些可这些信息是进行
2、生化过程控制的基础，有些可直直接进行测定接进行测定、有些可、有些可间接进行测定间接进行测定。有些可。有些可就地检就地检测测、有些通过、有些通过在线测定在线测定、有些只能进行、有些只能进行离线测定离线测定。4第4页，共78页，编辑于2022年，星期日就地测量：测量系统中的传感器直接与培养液接触，给出连续和快速响应的信号，测量信号系统对过程没有影响。（pH、溶氧浓度和罐压测量）在线测量：利用连续的取样系统与有关的分析仪器连接，取得测量信号响应速度快，可作为实时操作和生产过程控制。离线测量：一定时间内离散取样，在反应器外进行样品处理和分析。5第5页，共78页，编辑于2022年，星期日一 参数的测量参
3、数检测：将被测参数经过一次或多次能量的交换，获得一种便于显示和传递的信号的过程。根据信号的不同，参数检测仪表可以分为气动检测仪表和电动检测仪表两类。非电量的电测法将非电量工艺参数，如压力、温度、流量、物位等，转换为电流、电压等电路参数（信号）的检测方法。6第6页，共78页，编辑于2022年，星期日二 检测仪表的性能1.准确度与误差准确度：测量值与被测量真值的接近程度。绝对误差：测量值与被测量真值之差。相对误差：绝对误差与被测量真值之比。实际相对误差：绝对误差与被测量真值之比；示值相对误差：绝对误差与仪表指示值之比；引用相对误差：绝对误差与仪表满刻度值之比。允许误差：最大允许的相对误差。7第7页
4、，共78页，编辑于2022年，星期日2.指示变差与精密度指示变差：同一仪表对相同的被测参数进行正、反行程测量时，其显示值的差异。精密度(简称精度)：在相同条件下，对被测量进行多次反复测量，测得值之间的一致(符合)程度。仪表精度等级：引用相对误差的百分数分子表示：常用仪表等级有：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。精确度：仪表精密而准确的程度。8第8页，共78页，编辑于2022年，星期日3.灵敏度、灵敏限与分辨率灵敏度S：仪表的指示位移变化量S与被测参数变化量m之比。它是选择传感器的基本技术指标。灵敏度 灵敏限：能引起仪表指针
5、发生位移变化的被测参数的最小变化量。分辨率：测试仪表能够精确检测出被测量的最小变化的能力。9第9页，共78页，编辑于2022年，星期日4.线性度与反应时间线性度：测量仪表在全量程范围内实际校准值与理论对应值的吻合程度。反应时间：显示值变化相对于实际值变化的滞后时间。被测变量仪表显示值10第10页，共78页，编辑于2022年，星期日三 检测系统的构成被测参数敏感元件信号变换信号传输信号测量显示记录控制+-A/DPLC11第11页，共78页，编辑于2022年，星期日四 生化过程参数检测的特点由于细胞培养过程中的纯种要求，必须严格防止杂菌污染，在生物反应器操作中首先采用蒸汽灭菌，绝对防止带入杂菌的操
6、作或部件的应用。1、反应器内插入的传感器必须耐高温并经受高温灭菌，增加了生化过程参数测定的复杂性；2、菌体及其它固体物质附在表面，使传感器灵敏度降低；3、生化反应器内存有气泡，对检测传感器带来干扰；12第12页，共78页，编辑于2022年，星期日4、在传感器及其安装附件必须没有杂菌和灭菌死角；5、化学成分分析给电信号转换带来困难或者可靠性降低。13第13页，共78页，编辑于2022年，星期日生化过程参数检测传感器无源传感器：按能量控制(或调制)原理设计而成的传感装置。有源传感器按能量变换原理设计而成的传感装置。常用的传感器，按检测对象可分为：力敏元件(压敏元件、速度、加速度、压差元件)；热敏元
7、件(温度、热流)；光敏元件(各种光纤维)；磁敏元件(各种磁效应)；湿敏元件(湿度与相对湿度)；气敏元件(酒精、瓦斯、CO)；放射性元件；离子元件(各种各种有机、无机敏感酶电极、生物电极)。14第14页，共78页，编辑于2022年，星期日生化检测传感器的要求可靠可靠性最重要，生化反应过程持续的时间长需传感器稳定可靠。灵敏度对一些关键参数的测定要求灵敏度高。精度对关键参数的测定也要求精度高。可互换性同类传感器必须可互换，便于传感器损坏时更换。15第15页，共78页，编辑于2022年，星期日可清洗在生化反应罐批次之间，这些传感器要容易清洗。耐消毒一般需耐0.12 MPa，120 消毒2030 min
8、，化学消毒也可考虑，即用酸碱溶液及甲醛等泡。无菌反应过程传感器必须保持无菌，四周不造成消毒死角。无毒传感器材质对生化反应过程没有毒害作用，对产品没有毒害污染。16第16页，共78页，编辑于2022年，星期日下图是乙烯裂解气温度控制系统。采用液态丙烯，使其汽化吸收热量以冷却乙烯裂解气。调节气态丙烯流量使温度控制在（151.5）。17第17页，共78页，编辑于2022年，星期日系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？画出该控制系统的组成方块图。试比较示意图和方块图，说明操纵变量的信号流向与物料的实际流动方向不同。18第18页，共78页，编辑于2022年，星期日被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙
9、烯裂解气的出口温度；操纵变量为气态丙烯的流量。在示意图中，气态丙烯的流向由丙烯冷却器流出。在方块图中,气态丙烯作为操纵变量，其信号流向指向丙烯冷却器。19第19页，共78页，编辑于2022年，星期日2.2 压力的测量20第20页，共78页，编辑于2022年，星期日一 压力的表示与单位压力的表示：绝对压力单位面积所受到的力相对压力（表压）绝对压力与大气压之差真空度大气压与绝对压力之差绝对压力绝对压力真空度表压标准大气压压力水平1压力水平221第21页，共78页，编辑于2022年，星期日压力(压强)的单位压强（俗称压力）：单位面积所受到的垂直作用力。工程上的“压力”与力学中的“压力”不表示同一个概
10、念。22第22页，共78页，编辑于2022年，星期日二 压力测量原理压力、压差测量原理可分为：1.压力与弹性体的变形应力相平衡，并转换成弹性体的位移；2.压力与别的流体压力或电磁力等相平衡，并将其转换成力或电流，这种原理多用于工业生产过程压力测量变送传感器；3.压力与流体的重量相平衡，由对应的液体量求得压力，如U形管压力计；4.压力与固体的重量相平衡，由对应的固体重量求得压力，多用来标定压力计。按测量原理，压力计可以分为：液柱式压力计活塞式压力计弹性式压力计电气式压力计23第23页，共78页，编辑于2022年，星期日1 液柱式压力计测量原理：P=gh 所以 h=P/g24第24页，共78页，编
11、辑于2022年，星期日2 活塞式压力计测量原理：P=G/S 所以 G=PS精确度高常用作标准仪表，检验其它压力计25第25页，共78页，编辑于2022年，星期日3 弹性式压力传感器与常用压力表工作原理：在虎克定律成立的范围内，采用弹性元件将压强大小转换为位移量，再通过机械传动和放大，推动指针偏移。根据敏感元件形式的不同可以分为以下3类：l波登管式压力传感器l波纹管式压力传感器l薄膜式压力传感器26第26页，共78页，编辑于2022年，星期日波登管式压力传感器具有扁平断面的管子弯成圆形，将一端固定、另一端自由，自由端密封，当固定端接入被测压力时，管子的截面就变成近似扁圆形状，使自由端向外伸展，带
12、动指针转动，显示其压力。P与g/g成比例关系g27第27页，共78页，编辑于2022年，星期日波登管压力计（a）及其传动部分（b）28第28页，共78页，编辑于2022年，星期日29第29页，共78页，编辑于2022年，星期日波纹管式压力传感器波纹管压力外圆沿轴向有深槽形波纹状绉摺，并沿轴向能够伸缩而径向不发生变化。如果圆筒内外产生压差，便成为轴向伸缩元件。因为耐压强度有限，所以多用作低压压力的感压原件。p与轴向伸缩距离x的关系如下：30第30页，共78页，编辑于2022年，星期日31第31页，共78页，编辑于2022年，星期日薄膜式压力传感器将周边固定的薄板称为薄膜，利用薄膜两侧压力差使之产
13、生弹性形变的传感器。32第32页，共78页，编辑于2022年，星期日4 电气式压力传感器信号转换电气式压力计，实际上是将弹性元件、液柱式压力计所产生的微小位移或活塞式压力计所产生的力转换为电信号输出的一类压力计。电气式压力计通常两部分组成：一次仪表（压力探头）：将压力转换为微弱电参数；二次仪表：将微弱电参数转换为标准电信号。33第33页，共78页，编辑于2022年，星期日常用电参数有：电阻、电感、电容、电压等。常见压力变换器（压力探头）有：电阻应变式压力变换器；电感式压力变换器；电容式压力变换器；霍尔式压力变换器。电气式压力计一次探头34第34页，共78页，编辑于2022年，星期日电阻应变式压
14、力计一次探头工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。电线的电阻为R=L/S当电线受到拉（应）力作用时，L变大，S变小，R变大。一组串联平行细导线（电阻应变片）的金属（弹性元件）因压力变化而发生微小变形（应变）时，细导线的电阻随之发生变化。从而，将压力参数转化为电阻参数。压力变化弹性变形电阻变化35第35页，共78页，编辑于2022年，星期日电感式压力计一次探头磁路的磁阻与铁芯的间隙相关。所以，当衔铁或铁芯的位置发生变化时，其电感也随之发生变化。从而，可以将位移量转化为电感量。36第36页，共78页，编辑于2022年，星期日电
15、容式压力计一次探头电容器的电容量：C=S/d当S或d发生变化时，电容量发生变化。37第37页，共78页，编辑于2022年，星期日霍尔式压力计一次探头霍尔半导体在垂直电流和磁场的作用下，会产生侧向电压：UH=RHBINS38第38页，共78页，编辑于2022年，星期日电气压力计前置放大器传感元件的参量变化通常是非常微弱的，不能进行远距离传送，需要进行初步放大。电阻和电容传感器一般采用电桥放大，以电压方式输出；电感式传感器一般采用振荡电路放大，以频率方式输出；电压传感器一般采用直流放大器，以电压或电流方式输出。39第39页，共78页，编辑于2022年，星期日电气压力计前置放大器电桥放大振荡电路放大
16、直流放大40第40页，共78页，编辑于2022年，星期日电气压力计二次仪表作用：将传感器信号转换为标准通讯信号。DDZ 型仪表标准通讯信号为：420mA。智能型压力传感器在二次仪表中另外附加一些功能，如：模/数转换与数据通讯，工程单位转换，信号（变化）阻尼，故障诊断等。41第41页，共78页，编辑于2022年，星期日三 压力计的选型及安装选型内容：类型选择功能：显示、报警、记录、传送（数字、模拟）；介质条件：温度、腐蚀性、粘度、脏污程度等；如：氨气表防腐，氧气表禁油。环境条件：温度、震动、电磁场等。量程与盘面大小工作压力不小于1/3量程，不大于2/3（1/2）量程；盘面大小应方便安装和观察。精
17、度等级：根据工艺需要确定。作为现场的压力测量仪表，多用价格便宜的弹性压力仪表，如压力计。重要部位压力信号，远距离传送到操作室，有的要进行自动控制，则选用压力测量变送器。42第42页，共78页，编辑于2022年，星期日常见压力传感器外形 工业压力变送器数字压力变送器通用压力变送器隔离压力变送器高温压力变送器隔离压差变送器隔离液位变送器微压变送器电容压力变送器隔膜压力变送器绝压变送器双膜压差变送器微型探针压力计暖风空调压力计湿式压力变送器本安压力变送器OEM血压计OEM压力芯片43第43页，共78页，编辑于2022年，星期日压力计的安装安装事项：取压位置：由工艺条件确定；尽量避免涡流影响；避免流速
18、影响；避免导压管产生压差。隔离(采用密封隔离，如虹吸等)：温度隔离：采用铜管散热；腐蚀性隔离：采用隔离箱（凝液管）；脏污隔离：采用空气包。44第44页，共78页，编辑于2022年，星期日压力表安装不合理会形成的死角45第45页，共78页，编辑于2022年，星期日2.3 液位和泡沫的测量46第46页，共78页，编辑于2022年，星期日一 概述生物反应器内的液位和泡沫液位的对于有效建立物料平衡方程和控制营养物的加入量，有着十分重要的意义；另一方面，为了避免反应液的发泡和逃液，也需准确了解液位和泡沫液位。泡沫的测量是基于液位的检测，因此泡沫液位传感器也可用于液位的测量，两者是相通的。工业生产过程中液
19、位的测量主要有三类：直读式液位计、压差式液位计、电极式液位计。47第47页，共78页，编辑于2022年，星期日二 直读式物位计用带有刻度的透明物质（如玻璃、有机玻璃）作为容器壁的一部分或连通管，可以直接显示容器内液位的高低。还可通过发酵罐的视镜直接观察罐内液位刻度。48第48页，共78页，编辑于2022年，星期日三 压差式液位计利用液体静压力与液位高度的关系进行测量。液体密闭容器液体敞开容器利用 p=p0+gh 可得到h49第49页，共78页，编辑于2022年，星期日四 电容式液位计圆柱形电容器的电容量的表达式为：电极间充入高度为H的介质前后电容量的变化值为：由此可见，电容量的变化量与液位高度
20、成正比。测量电容量变化即可知料位的变化。50第50页，共78页，编辑于2022年，星期日电容式液位计主要用于测量不导电流体51第51页，共78页，编辑于2022年，星期日五 电极式液位计主要有两类电极：导电电极、电阻式泡沫电极。导电电极：用于不腐蚀导体的液体液面的测定。当液面或泡沫达到不绝缘的金属棒的端点时，就会有电流信号产生。电阻式泡沫电极：电极安装于罐体上，其电极电流正比于不绝缘电极棒浸没入液体的长度，由此来测定泡沫液位高度。hh电极法测液面双电极传感器使用单电极时，由于结垢、微生物附着，易造成短路，出现虚假信号，使用双电极可以形成相应的补偿作用，提高测量的准确性。52第52页，共78页，
21、编辑于2022年，星期日2.4 温度的测量53第53页，共78页，编辑于2022年，星期日温度对生化过程影响非常显著，是过程控制的重要变量之一。温度测量元件主要有六大类：膨胀式、压力式、热电偶、热电阻、辐射式、红外线。54第54页，共78页，编辑于2022年，星期日常用温度计的种类及适用温度55第55页，共78页，编辑于2022年，星期日一 膨胀式温度计玻璃液体温度计利用液体受热膨胀并沿玻璃毛细管延伸而直接显示温度双金属温度计不同金属受热膨胀不同，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度t=t0t t056第56页，共78页，编辑于2022年，星期日二、压力式温度计利用液体的蒸发或气体的膨胀而引
22、起的压力变化进行测量。温包：传热、容纳膨胀介质；毛细管：传递压力；弹簧管：显示压力（温度）。57第57页，共78页，编辑于2022年，星期日三 辐射式温度计通过特定波长光波的强度或热辐射强度来确定光源温度。辐射式温度计：测定热辐射强度；光学温度计：采用光学分频法，测定不同频率光波的强度比值；比色法：直接通过可见光颜色的对比，确定光源温度。辐射式温度计，通常用于测量高温条件，特别是光学温度计和比色温度计需要利用物体在高温下发射的可见光进行检测。58第58页，共78页，编辑于2022年，星期日四 热电偶温度计1.热电偶工作原理基于物体的热电效应。由两种不同导体组成回路，当两个接点温度不同时，回路中
23、将产生电势，该电势大小和方向取决于导体的材料和两接点温度差，这个现象称为“热电效应”。回路称为“热电偶”，电势为“热电势”，高温端叫“热端”，低温端为“冷端”。ABtt0EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)59第59页，共78页，编辑于2022年，星期日2.热电偶回路ABCCv热电偶测量的关键是如何保证冷端的温度1.不同金属连接在一起都构成热电偶作用；2.热电偶回路电动势为各接点热电势的总和；3.对于有外接导线的热电偶回路，其总电动势为热端与冷端热电动势之差。tt0t060第60页，共78页，编辑于2022年，星期日3.热电偶的补偿1.热电偶的导线补偿用廉价材料将冷端延伸到温度相对
24、稳定的控制室内；2.冷端温度补偿将冷端浸泡在恒温的冰水中；采用电路差减法消除冷端热电势。+-补偿导线测量电路热电偶v补偿导线应与热电偶的电极材料配合使用；v补偿导线的材质不同，接线时应特别注意不能接错。61第61页，共78页，编辑于2022年，星期日4.热电偶的材质与选择热电偶的材质要求：单位温度变化的热电势大，且尽量接近线性关系；热电性质稳定；化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；具有较好的延展性，易于加工；复现性好，便于批量生产和互换。不同材质的热电偶有不同的特性，应根据实际需要选择测量范围、放大系数（以分度值表示）、测量精度、抗腐蚀能力、价格等。62第62页，共78页，编辑于2022年，星
25、期日5.热电偶的结构热电极工作部分绝缘子防止电极与电极、套管短路保护套管保护接线盒63第63页，共78页，编辑于2022年，星期日64第64页，共78页，编辑于2022年，星期日五 热电阻温度计测量原理利用金属电阻随温度变化的规律进行测量；测量金属在不同温度下电阻值的变化。工业热电阻温度计主要有两种材质：铂电阻：0650C，Pt10，Pt100铜电阻：-50+150C，Cu50，Cu10065第65页，共78页，编辑于2022年，星期日六 电动温度计的二次仪表1.功能：对信号进行放大和转换；信号的线性化。2.组成部分：输入电桥；放大器；反馈电路；电源电路。热电偶或热电阻输入电桥放大电路反馈电路
26、电源电路被测温度66第66页，共78页，编辑于2022年，星期日2.5 流量的测量67第67页，共78页，编辑于2022年，星期日流量测量是生化过程工业生产过程操作和管理的重要依据。一般所讲的流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量的大小，即瞬时流量，它可以用体积流量和质量流量来表示。注意流量和流速的区别。体积流量(Q)：单位时间流过管道某截面流体的体积数，单位为m3/h。质量流量(M)：单位时间流过管道某截面流体的质量数，单位为kg/h。68第68页，共78页，编辑于2022年，星期日按测量工作原理分类：速度式流量计通过测量过流速度，用过流面积换算成流量。主要有差压式流量计、转子流量计、
27、涡轮流量计、电磁流量计。容积式流量计采用固定溶剂空间逐次衡量过流容积。主要有齿轮流量计、腰轮流量计、刮板式流量计、旋转活塞流量计。流体的物理性质(如粘度、密度等)对测量精度影响小，测量精度较高。质量流量计计量可压缩流体的质量通过量。分为直接型质量流量计(通过直接检测与质量流量成比例的参数实现质量流量的测定)和间接型质量流量计(通过体积流量计与密度计组合来实现)。流量测量仪分类69第69页，共78页，编辑于2022年，星期日一 速度式流量计根据测速方法可以分为以下几类：差压式流量计转子流量计电磁流量计超声波流量计涡轮流量计70第70页，共78页，编辑于2022年，星期日1 差压流量计差压式流量计
28、也叫节流式流量计，它是流量测量中最成熟、常用的流量计。由流体力学知识可知，流体通过孔板节流装置后，会产生一定的压降。根据流速和压降的关系可以推导出下列方程：其中、F为常数通过测量孔板前后压差即可计算出流速和流量。p1p271第71页，共78页，编辑于2022年，星期日2 转子流量计垂直流道中的金属转子在压差力和重力的共同作用下平衡。压差与流速有关；流速取决于转子的位置。由转子高度可直接读取通过的流量；测量转子位置可进一步获得相应的电气信号。72第72页，共78页，编辑于2022年，星期日3 电磁流量计当流道两侧有磁场作用时，导电流体在流动过程中切割磁力线，产生感应电动势：E=kBdv其中E为感
29、应电势，k为常数，B为磁感应强度，d为管径，v为平均流速。当d与B确定后，有：Q=K E则Q与E成线性关系，只要测得感应电势就可得流体流量。E73第73页，共78页，编辑于2022年，星期日电磁流量计组成电磁流量计由两部分组成：电磁流量变换器由带激磁线圈的绝缘测量管产生电势信号。二次仪表作用：提供激磁电源，将变换器输出的微弱电势信号进行放大，并输出相应的电流信号。组成：前置放大、主放大、相敏检波、功率放大、霍尔反馈（克服电源波动）、电源等。由于该流量计是利用电磁感应进行测量，只要为导电流体以及含固体颗粒或纤维的导电流体均可测量。且不需直接与流体接触，在生化过程中广泛使用。74第74页，共78页
30、，编辑于2022年，星期日4.超声波流量计多普勒效应：当一束波射向移动的物质并产生散射时，其散射波的频率会产生变化（频移），且频率变化量与物质的运动速度成正比。超声波流量计的特点：非接触式测量；流体中需要有散射粒子：微泡或颗粒。75第75页，共78页，编辑于2022年，星期日二 容积式流量计容积式流量计主要包括两类：齿轮式流量计一对紧密啮合的齿轮与壳体之间形成固定的间隙空间，齿轮每旋转一周，有固定流体通过间隙输送通过。流体通过量与齿轮转数成正比。活塞式流量计利用活塞的每一次往复运动输送定量的流体。计量泵：用外力推动容积式流量计即可定量输送流体 容积式流量计的最大特点是对被测流体的粘度不敏感，常用于测量粘稠流体。76第76页，共78页，编辑于2022年，星期日三 质量流量计间接式质量流量计分别测量体积流量和密度再用乘法计算出质量流量。直接式质量流量计利用科氏力的作用使弯曲的弹性管道两侧产生震动相位差质量流量计结构比较复杂，只用于压力变化较大的可压缩流体。77第77页，共78页，编辑于2022年，星期日常用通气发酵过程78第78页，共78页，编辑于2022年，星期日