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
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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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、(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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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)
14、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
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