生化过程中物理参数检测技术省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

武汉科技大学生物化工仪表与自动化第第2章章 生化过程中物理参数检测技术生化过程中物理参数检测技术1第1页武汉科技大学生物化工仪表与自动化本章内容2.1 概述2.2 压力测量2.3 液位和泡沫测量2.4 温度测量2.5 流量测量2第2页武汉科技大学生物化工仪表与自动化2.1 概述3第3页武汉科技大学生物化工仪表与自动化要对要对生化过程生化过程进行有效操作和控制，首先要了进行有效操作和控制，首先要了解生化过程状态改变，也就是各种信息。这些解生化过程状态改变，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、化学变量参化学变量参数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基础，有些可这些信息是进行生化过程控制基础，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。有些可就就地检测地检测、有些经过、有些经过在线测定在线测定、有些只能进行、有些只能进行离离线测定线测定。4第4页武汉科技大学生物化工仪表与自动化就地测量：测量系统中传感器直接与培养液接触，给出连续和快速响应信号，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：利用连续取样系统与相关分析仪器连接，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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化一 参数测量参数检测：将被测参数经过一次或屡次能量交换，取得一个便于显示和传递信号过程。依据信号不一样，参数检测仪表能够分为气动检测仪表和电动检测仪表两类。非电量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）检测方法。6第6页武汉科技大学生物化工仪表与自动化二 检测仪表性能1.准确度与误差准确度：测量值与被测量真值靠近程度。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：最大允许相对误差。7第7页武汉科技大学生物化工仪表与自动化2.指示变差与精密度指示变差：同一仪表对相同被测参数进行正、反行程测量时，其显示值差异。精密度(简称精度)：在相同条件下，对被测量进行屡次重复测量，测得值之间一致(符合)程度。仪表精度等级：引用相对误差百分数分子表示：惯用仪表等级有：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。准确度：仪表精密而准确程度。8第8页武汉科技大学生物化工仪表与自动化3.灵敏度、灵敏限与分辨率灵敏度S：仪表指示位移改变量S与被测参数改变量m之比。它是选择传感器基本技术指标。灵敏度 灵敏限：能引发仪表指针发生位移改变被测参数最小改变量。分辨率：测试仪表能够准确检测出被测量最小改变能力。9第9页武汉科技大学生物化工仪表与自动化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吻合程度。反应时间：显示值改变相对于实际值改变滞后时间。被测变量仪表显示值10第10页武汉科技大学生物化工仪表与自动化三 检测系统组成被测参数敏感元件信号变换信号传输信号测量显示统计控制+-A/DPLC11第11页武汉科技大学生物化工仪表与自动化四 生化过程参数检测特点因为细胞培养过程中纯种要求，必须严格预防杂菌污染，在生物反应器操作中首先采取蒸汽灭菌，绝对预防带入杂菌操作或部件应用。1、反应器内插入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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化4、在传感器及其安装附件必须没有杂菌和灭菌死角；5、化学成份分析给电信号转换带来困难或者可靠性降低。13第13页武汉科技大学生物化工仪表与自动化生化过程参数检测传感器无源传感器：按能量控制(或调制)原理设计而成传感装置。有源传感器按能量变换原理设计而成传感装置。惯用传感器，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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化生化检测传感器要求可靠可靠性最主要，生化反应过程连续时间长需传感器稳定可靠。灵敏度对一些关键参数测定要求灵敏度高。精度对关键参数测定也要求精度高。可交换性同类传感器必须可交换，便于传感器损坏时更换。15第15页武汉科技大学生物化工仪表与自动化可清洗在生化反应罐批次之间，这些传感器要轻易清洗。耐消毒普通需耐0.12 MPa，120 消毒2030 min，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，四面不造成消毒死角。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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化下列图是乙烯裂解气温度控制系统。采取液态丙烯，使其汽化吸收热量以冷却乙烯裂解气。调整气态丙烯流量使温度控制在（151.5）。17第17页武汉科技大学生物化工仪表与自动化系统中被控对象、被控变量和操纵变量各是什么？画出该控制系统组成方块图。试比较示意图和方块图，说明操纵变量信号流向与物料实际流动方向不一样。18第18页武汉科技大学生物化工仪表与自动化被控对象为丙烯冷却器；被控变量为乙烯裂解气出口温度；操纵变量为气态丙烯流量。在示意图中，气态丙烯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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化2.2 压力测量20第20页武汉科技大学生物化工仪表与自动化一 压力表示与单位压力表示：绝对压力单位面积所受到力相对压力（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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化压力(压强)单位压强（俗称压力）：单位面积所受到垂直作用力。工程上“压力”与力学中“压力”不表示同一个概念。22第22页武汉科技大学生物化工仪表与自动化二 压力测量原理压力、压差测量原理可分为：1.压力与弹性体变形应力相平衡，并转换成弹性体位移；2.压力与别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.压力与流体重量相平衡，由对应液体量求得压力，如U形管压力计；4.压力与固体重量相平衡，由对应固体重量求得压力，多用来标定压力计。按测量原理，压力计能够分为：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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化1 液柱式压力计测量原理：P=gh 所以 h=P/g24第24页武汉科技大学生物化工仪表与自动化2 活塞式压力计测量原理：P=G/S 所以 G=PS准确度高惯用作标准仪表，检验其它压力计25第25页武汉科技大学生物化工仪表与自动化3 弹性式压力传感器与惯用压力表工作原理：在虎克定律成立范围内，采取弹性元件将压强大小转换为位移量，再经过机械传动和放大，推进指针偏移。依据敏感元件形式不一样能够分为以下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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化波登管式压力传感器含有扁平断面管子弯成圆形，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，管子截面就变成近似扁圆形状，使自由端向外伸展，带动指针转动，显示其压力。P与g/g成百分比关系g27第27页武汉科技大学生物化工仪表与自动化波登管压力计（a）及其传动部分（b）28第28页武汉科技大学生物化工仪表与自动化29第29页武汉科技大学生物化工仪表与自动化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改变。假如圆筒内外产生压差，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感压原件。p与轴向伸缩距离x关系以下：30第30页武汉科技大学生物化工仪表与自动化31第31页武汉科技大学生物化工仪表与自动化薄膜式压力传感器将周围固定薄板称为薄膜，利用薄膜两侧压力差使之产生弹性形变传感器。32第32页武汉科技大学生物化工仪表与自动化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微小位移或活塞式压力计所产生力转换为电信号输出一类压力计。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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化惯用电参数有：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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化电阻应变式压力计一次探头工作原理金属电阻应变片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改变现象，俗称为电阻应变效应。电线电阻为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）金属（弹性元件）因压力改变而发生微小变形（应变）时，细导线电阻随之发生改变。从而，将压力参数转化为电阻参数。压力改变弹性变形电阻改变35第35页武汉科技大学生物化工仪表与自动化电感式压力计一次探头磁路磁阻与铁芯间隙相关。所以，当衔铁或铁芯位置发生改变时，其电感也随之发生改变。从而，能够将位移量转化为电感量。36第36页武汉科技大学生物化工仪表与自动化电容式压力计一次探头电容器电容量：C=S/d当S或d发生改变时，电容量发生改变。37第37页武汉科技大学生物化工仪表与自动化霍尔式压力计一次探头霍尔半导体在垂直电流和磁场作用下，会产生侧向电压：UH=RHBINS38第38页武汉科技大学生物化工仪表与自动化电气压力计前置放大器传感元件参量改变通常是非常微弱，不能进行远距离传送，需要进行初步放大。电阻和电容传感器普通采取电桥放大，以电压方式输出；电感式传感器普通采取振荡电路放大，以频率方式输出；电压传感器普通采取直流放大器，以电压或电流方式输出。39第39页武汉科技大学生物化工仪表与自动化电气压力计前置放大器电桥放大振荡电路放大直流放大40第40页武汉科技大学生物化工仪表与自动化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效，如：模/数转换与数据通讯，工程单位转换，信号（改变）阻尼，故障诊疗等。41第41页武汉科技大学生物化工仪表与自动化三 压力计选型及安装选型内容：类型选择功效：显示、报警、统计、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大于1/3量程，小于2/3（1/2）量程；盘面大小应方便安装和观察。精度等级：依据工艺需要确定。作为现场压力测量仪表，多用价格廉价弹性压力仪表，如压力计。主要部位压力信号，远距离传送到操作室，有要进行自动控制，则选取压力测量变送器。42第42页武汉科技大学生物化工仪表与自动化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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化压力计安装安装事项：取压位置：由工艺条件确定；尽可能防止涡流影响；防止流速影响；防止导压管产生压差。隔离(采取密封隔离，如虹吸等)：温度隔离：采取铜管散热；腐蚀性隔离：采取隔离箱（凝液管）；脏污隔离：采取空气包。44第44页武汉科技大学生物化工仪表与自动化压力表安装不合理会形成死角45第45页武汉科技大学生物化工仪表与自动化2.3 液位和泡沫测量46第46页武汉科技大学生物化工仪表与自动化一 概述生物反应器内液位和泡沫液位对于有效建立物料平衡方程和控制营养物加入量，有着十分重要意义；其次，为了防止反应液发泡和逃液，也需准确了解液位和泡沫液位。泡沫测量是基于液位检测，所以泡沫液位传感器也可用于液位测量，两者是相通。工业生产过程中液位测量主要有三类：直读式液位计、压差式液位计、电极式液位计。47第47页武汉科技大学生物化工仪表与自动化二 直读式物位计用带有刻度透明物质（如玻璃、有机玻璃）作为容器壁一部分或连通管，能够直接显示容器内液位高低。还可经过发酵罐视镜直接观察罐内液位刻度。48第48页武汉科技大学生物化工仪表与自动化三 压差式液位计利用液体静压力与液位高度关系进行测量。液体密闭容器液体敞开容器利用 p=p0+gh 可得到h49第49页武汉科技大学生物化工仪表与自动化四 电容式液位计圆柱形电容器电容量表示式为：电极间充入高度为H介质前后电容量改变值为：由此可见，电容量改变量与液位高度成正比。测量电容量改变即可知料位改变。50第50页武汉科技大学生物化工仪表与自动化电容式液位计主要用于测量不导电流体51第51页武汉科技大学生物化工仪表与自动化五 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：用于不腐蚀导体液体液面测定。当液面或泡沫到达不绝缘金属棒端点时，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，因为结垢、微生物附着，易造成短路，出现虚假信号，使用双电极能够形成对应赔偿作用，提升测量准确性。52第52页武汉科技大学生物化工仪表与自动化2.4 温度测量53第53页武汉科技大学生物化工仪表与自动化温度对生化过程影响非常显著，是过程控制主要变量之一。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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化惯用温度计种类及适用温度55第55页武汉科技大学生物化工仪表与自动化一 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一样金属受热膨胀不一样，双金属片在受热情况下发生弯曲而显示温度t=t0t t056第56页武汉科技大学生物化工仪表与自动化二、压力式温度计利用液体蒸发或气体膨胀而引发压力改变进行测量。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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化三 辐射式温度计经过特定波长光波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：采取光学分频法，测定不一样频率光波强度比值；比色法：直接经过可见光颜色对比，确定光源温度。辐射式温度计，通惯用于测量高温条件，尤其是光学温度计和比色温度计需要利用物体在高温下发射可见光进行检测。58第58页武汉科技大学生物化工仪表与自动化四 热电偶温度计1.热电偶工作原理基于物体热电效应。由两种不一样导体组成回路，当两个接点温度不一样时，回路中将产生电势，该电势大小和方向取决于导体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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化2.热电偶回路ABCCv热电偶测量关键是怎样确保冷端温度1.不一样金属连接在一起都组成热电偶作用；2.热电偶回路电动势为各接点热电势总和；3.对于有外接导线热电偶回路，其总电动势为热端与冷端热电动势之差。tt0t060第60页武汉科技大学生物化工仪表与自动化3.热电偶赔偿1.热电偶导线赔偿用廉价材料将冷端延伸到温度相对稳定控制室内；2.冷端温度赔偿将冷端浸泡在恒温冰水中；采取电路差减法消除冷端热电势。+-赔偿导线测量电路热电偶v赔偿导线应与热电偶电极材料配合使用；v赔偿导线材质不一样，接线时应尤其注意不能接错。61第61页武汉科技大学生物化工仪表与自动化4.热电偶材质与选择热电偶材质要求：单位温度改变热电势大，且尽可能靠近线性关系；热电性质稳定；化学稳定性好：高温下抗氧化，抗腐蚀；含有很好延展性，易于加工；复现性好，便于批量生产和交换。不一样材质热电偶有不一样特征，应依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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化5.热电偶结构热电极工作部分绝缘子预防电极与电极、套管短路保护套管保护接线盒63第63页武汉科技大学生物化工仪表与自动化64第64页武汉科技大学生物化工仪表与自动化五 热电阻温度计测量原理利用金属电阻随温度改变规律进行测量；测量金属在不一样温度下电阻值改变。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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化六 电动温度计二次仪表1.功效：对信号进行放大和转换；信号线性化。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电源电路被测温度66第66页武汉科技大学生物化工仪表与自动化2.5 流量测量67第67页武汉科技大学生物化工仪表与自动化流量测量是生化过程工业生产过程操作和管理主要依据。普通所讲流量是指单位时间内流过管道某一截面流体数量大小，即瞬时流量，它能够用体积流量和质量流量来表示。注意流量和流速区分。体积流量(Q)：单位时间流过管道某截面流体体积数，单位为m3/h。质量流量(M)：单位时间流过管道某截面流体质量数，单位为kg/h。68第68页武汉科技大学生物化工仪表与自动化按测量工作原理分类：速度式流量计经过测量过流速度，用过流面积换算成流量。主要有差压式流量计、转子流量计、涡轮番量计、电磁流量计。容积式流量计采取固定溶剂空间逐次衡量过流容积。主要有齿轮番量计、腰轮番量计、刮板式流量计、旋转活塞流量计。流体物理性质(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质量经过量。分为直接型质量流量计(经过直接检测与质量流量成百分比参数实现质量流量测定)和间接型质量流量计(经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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化一 速度式流量计依据测速方法能够分为以下几类：差压式流量计转子流量计电磁流量计超声波流量计涡轮番量计70第70页武汉科技大学生物化工仪表与自动化1 差压流量计差压式流量计也叫节流式流量计，它是流量测量中最成熟、惯用流量计。由流体力学知识可知，流体经过孔板节流装置后，会产生一定压降。依据流速和压降关系能够推导出以下方程：其中、F为常数经过测量孔板前后压差即可计算出流速和流量。p1p271第71页武汉科技大学生物化工仪表与自动化2 转子流量计垂直流道中金属转子在压差力和重力共同作用下平衡。压差与流速相关；流速取决于转子位置。由转子高度可直接读取经过流量；测量转子位置可深入取得对应电气信号。72第72页武汉科技大学生物化工仪表与自动化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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化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，将变换器输出微弱电势信号进行放大，并输出对应电流信号。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。因为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页武汉科技大学生物化工仪表与自动化4.超声波流量计多普勒效应：当一束波射向移动物质并产生散射时，其散射波频率会产生改变（频移），且频率改变量与物质运动速度成正比。超声波流量计特点：非接触式测量；流体中需要有散射粒子：微泡或颗粒。75第75页武汉科技大学生物化工仪表与自动化二 容积式流量计容积式流量计主要包含两类：齿轮式流量计一对紧密啮合齿轮与壳体之间形成固定间隙空间，齿轮每旋转一周，有固定流体经过间隙输送经过。流体经过量与齿轮转数成正比。活塞式流量计利用活塞每一次往复运动输送定量流体。计量泵：用外力推进容积式流量计即可定量输送流体 容积式流量计最大特点是对被测流体粘度不敏感，惯用于测量粘稠流体。76第76页武汉科技大学生物化工仪表与自动化三 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作用使弯曲弹性管道两侧产生震动相位差质量流量计结构比较复杂，只用于压力改变较大可压缩流体。77第77页武汉科技大学生物化工仪表与自动化惯用通气发酵过程78第78页