1、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武汉科技大学生物化工仪表与自动化2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 流量的测量武汉科技大学生物化工仪表与自动化32.1 概述武汉科技大学生物化工仪表与自动化4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。了解生化过程的状态变化，也就是各种信息。这些信息这些信息( (参数参数) )可分为可分为物理变量参数物理变量参数、化学变化学变量参数量参数及及生物变量参数生物变量参数这些信
2、息是进行生化过程控制的基础，有些可这些信息是进行生化过程控制的基础，有些可直接进行测定直接进行测定、有些可、有些可间接进行测定间接进行测定。有些可。有些可就地检测就地检测、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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化5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。武汉科技大学生物化工仪
3、表与自动化6一 参数的测量参数检测：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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化7二 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
4、大允许的相对误差。测量输出标尺下限测量输出标尺上限1000XX武汉科技大学生物化工仪表与自动化82. 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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化93. 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
5、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。mSS武汉科技大学生物化工仪表与自动化104. 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武汉科技大学生物化工仪表与自动化11三 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/DPLC武汉科技大学生物化工仪表与自动化12四 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
6、操作中首先采用蒸汽灭菌，绝对防止带入杂菌的操作或部件的应用。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；武汉科技大学生物化工仪表与自动化134、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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化14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
7、、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)。武汉科技大学生物化工仪表与自动化15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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化16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，化
8、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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化17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）。TTTC乙烯裂解气丙烯冷却器气态丙烯液态丙烯武汉科技大学生物化工仪表与自动化18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。 武汉科技大学生物化工仪表与自动化19 被控对象为丙烯冷却器；
9、被控变量为乙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。 控 制 器执 行 器丙 烯 冷 却 器扰 动sp测 量 变 送武汉科技大学生物化工仪表与自动化202.2 压力的测量武汉科技大学生物化工仪表与自动化21一 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2武汉科技大学生物化工仪表与自动化22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
10、。工程上的“压力”与力学中的“压力”不表示同一个概念。武汉科技大学生物化工仪表与自动化23二 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 电气式压力计武汉科技大学生物化工仪表与自动化241 液柱式压力计测量原理：P=r
11、gh 所以 h=P/rg单管压力计U型管压力计斜管压力计武汉科技大学生物化工仪表与自动化252 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，检验其它压力计武汉科技大学生物化工仪表与自动化263 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 薄膜式压力传感器武汉科技大学生物化工仪表与自动化27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
12、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，带动指针转动，显示其压力。pO2222211CabbhREpP与/成比例关系武汉科技大学生物化工仪表与自动化28波登管压力计（a）及其传动部分（b） 武汉科技大学生物化工仪表与自动化29武汉科技大学生物化工仪表与自动化30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：pEtnaKx32武汉科技大学生物化工仪表与自动化31武汉科技大学生物化工仪表与自动化32薄膜式压力传感器将周
13、边固定的薄板称为薄膜，利用薄膜两侧压力差使之产生弹性形变的传感器。2axp武汉科技大学生物化工仪表与自动化334 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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化34 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武汉科技大学生物化
14、工仪表与自动化35电阻应变式压力计一次探头 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=rL/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武汉科技大学生物化工仪表与自动化36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。武汉科技大学生物化
15、工仪表与自动化37电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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化38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=RHBINS武汉科技大学生物化工仪表与自动化39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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化40电气压力计前置放大器供桥电压输出电压输出频率输出电
16、压输入电压电桥放大振荡电路放大直流放大武汉科技大学生物化工仪表与自动化41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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化42三 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
17、应方便安装和观察。精度等级：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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化43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压力芯片武汉科技大学生物化工仪表与自动化44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
18、速影响； 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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化45压力表安装不合理会形成的死角武汉科技大学生物化工仪表与自动化462.3 液位和泡沫的测量武汉科技大学生物化工仪表与自动化47一 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。 工业生产过程中液位的测量主要有三类：
19、直读式液位计、压差式液位计、电极式液位计。武汉科技大学生物化工仪表与自动化48二 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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化49三 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+rgh 可得到h武汉科技大学生物化工仪表与自动化50四 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成正比。测量电容量变化即可知料位的变化。dDLCln
20、2HKHdDdDLdDDLdDHCln2ln2ln2ln2000武汉科技大学生物化工仪表与自动化51电容式液位计主要用于测量不导电流体武汉科技大学生物化工仪表与自动化52五 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。武汉科技大学生物化
21、工仪表与自动化532.4 温度的测量武汉科技大学生物化工仪表与自动化54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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化55常用温度计的种类及适用温度CCCCCCCCCCCCCCC2000200:35000:1700900:3200700:2000400:15050:600200:60050:100050:16000:2500:60020:60030:60080:60050:热电式光电式红外线比色光辐射热辐射辐射式非接触式、铜热电阻：铂考铜镍铬镍硅镍铬铂铂铑热电偶蒸汽气体液体压力式双
22、金属玻璃液体膨胀式接触式温度计武汉科技大学生物化工仪表与自动化56一 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 t0武汉科技大学生物化工仪表与自动化57二、压力式温度计利用液体的蒸发或气体的膨胀而引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）。武汉科技大学生物化工仪表与自动化58三 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
23、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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化59四 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)武汉科技大学生物化工仪表与自动化602. 热电偶回路ABCC 000000)()
24、(0)()(teteEteteteteteteEABABtCABCABCABCABtv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。tt0t0武汉科技大学生物化工仪表与自动化613. 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。武汉科技大
25、学生物化工仪表与自动化624. 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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化635. 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武汉科技大学生物化工仪表与自动化64武汉科技大学生物化工仪表与自动化65五 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
26、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，Cu100武汉科技大学生物化工仪表与自动化66六 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电源电路被测温度武汉科技大学生物化工仪表与自动化672.5 流量的测量武汉科技大学生物化工仪表与自动化68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。
27、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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化69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、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
28、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)。流量测量仪分类武汉科技大学生物化工仪表与自动化70一 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武汉科技大学生物化工仪表与自动化711 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、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。pFQr2p1p2武汉科技大学生物化工仪表与自动化722 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
29、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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化733 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。E武汉科技大学生物化工仪表与自动化74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，
30、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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化754. 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。粒入散vfffd2sincos2武汉科技大学生物化工仪表与自动化76二 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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化77三 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。武汉科技大学生物化工仪表与自动化78常用通气发酵过程
