直接參數(shù)檢測

1、生物參數(shù)檢測與控制生物參數(shù)檢測與控制生物參數(shù)檢測與控制生物參數(shù)檢測與控制生物參數(shù)檢測與控制生物參數(shù)檢測與控制 第二章第二章第二章第二章第二章第二章直接參數(shù)檢測直接參數(shù)檢測直接參數(shù)檢測直接參數(shù)檢測直接參數(shù)檢測直接參數(shù)檢測第一節(jié)第一節(jié) 物理參數(shù)檢測物理參數(shù)檢測第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)參數(shù)檢測化學(xué)參數(shù)檢測第三節(jié)第三節(jié) 生物傳感器生物傳感器介紹幾種常用的傳感器及其工作原理介紹幾種常用的傳感器及其工作原理 一一溫度測量溫度測量二二熱量測量熱量測量三三壓力測量壓力測量四四流量測量流量測量五五液位測量液位測量六六發(fā)酵液粘度測量發(fā)酵液粘度測量七七攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率測量攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率測量第一節(jié)第一節(jié) 物理參數(shù)檢測

2、物理參數(shù)檢測感溫元件 1）熱電偶2）熱電阻 感溫元件裝置在金屬套管內(nèi)安裝在罐壁溫度測量分為溫度測量分為接觸式接觸式和和非接觸式非接觸式兩大類。兩大類。1 1 接觸式測溫接觸式測溫 測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行充分的熱交換達到熱平衡，這時感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代交換達到熱平衡，這時感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對象的溫度值。表了被測對象的溫度值。優(yōu)點：優(yōu)點：直觀可靠。直觀可靠。缺點缺點: : 感溫元件影響被測溫度場的分布；接觸不良等帶來測感溫元件影響被測溫度場的分布；接觸不良等帶來測量誤差；高溫和腐蝕性介質(zhì)影響感溫

3、元件的性能和壽命。量誤差；高溫和腐蝕性介質(zhì)影響感溫元件的性能和壽命。2 2 非接觸式測溫非接觸式測溫 感溫元件不與被測對象相接觸，而通過感溫元件不與被測對象相接觸，而通過熱輻射熱輻射進行熱交進行熱交換；具有較高的測溫上限；熱慣性小，可達千分之一秒，故換；具有較高的測溫上限；熱慣性小，可達千分之一秒，故便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。便于測量運動物體的溫度和快速變化的溫度。（1 1）液體膨脹式溫度計）液體膨脹式溫度計 它由液體儲存器、毛細管和標(biāo)尺組成；測溫上限取它由液體儲存器、毛細管和標(biāo)尺組成；測溫上限取決于所用液體決于所用液體汽化點汽化點的溫度，下限受液體的溫度，下限受液體凝點凝點溫度

4、的限溫度的限制。為防止毛細管中液柱出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，并提高測溫液制。為防止毛細管中液柱出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，并提高測溫液體的沸點，常在毛細管中液體上部體的沸點，常在毛細管中液體上部充以一定壓力的氣體充以一定壓力的氣體。（2）固體膨脹式溫度計）固體膨脹式溫度計 利用兩種不同膨脹系數(shù)的材料制成，分為桿式和雙金屬利用兩種不同膨脹系數(shù)的材料制成，分為桿式和雙金屬式兩大類。式兩大類。 范圍：范圍：-30600oC； 精度：精度：0.5-1.0級級 桿式溫度計的原理桿式溫度計的原理 芯桿材料的膨脹系數(shù)芯桿材料的膨脹系數(shù)比與比與基座相連的外套大，當(dāng)溫基座相連的外套大，當(dāng)溫度變化時芯桿對基座產(chǎn)生度變化時芯桿對基座產(chǎn)生相對

5、位移，經(jīng)簡單的機械相對位移，經(jīng)簡單的機械放大后，就可直接指示溫放大后，就可直接指示溫度值。度值。 （3 3）雙金屬溫度計雙金屬溫度計 雙金屬感溫元件雙金屬感溫元件是由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片牢是由膨脹系數(shù)不同的兩種金屬片牢固結(jié)合在一起而制成，一端固定，另一端為自由端。固結(jié)合在一起而制成，一端固定，另一端為自由端。 當(dāng)溫度變化時，由于兩種材料的膨脹系數(shù)不同而使當(dāng)溫度變化時，由于兩種材料的膨脹系數(shù)不同而使雙金屬片的曲率發(fā)生變化，自由端產(chǎn)生位移，經(jīng)傳動放雙金屬片的曲率發(fā)生變化，自由端產(chǎn)生位移，經(jīng)傳動放大機構(gòu)帶動指針指示溫度值。大機構(gòu)帶動指針指示溫度值。 為了滿足不同用途的要求，雙金屬元件制成各種不為

6、了滿足不同用途的要求，雙金屬元件制成各種不同的形狀。同的形狀。（4 4）熱電偶溫度計熱電偶溫度計 熱電偶是當(dāng)前熱電測溫中普遍使用的一種感溫元件，它熱電偶是當(dāng)前熱電測溫中普遍使用的一種感溫元件，它的工作原理是基于熱電效應(yīng)的工作原理是基于熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)及基本定律熱電效應(yīng)及基本定律 兩種不同材料的金屬絲兩端牢靠地接觸在一起，組成圖所兩種不同材料的金屬絲兩端牢靠地接觸在一起，組成圖所示的閉合回路，當(dāng)兩個接觸點示的閉合回路，當(dāng)兩個接觸點( (稱為結(jié)點稱為結(jié)點) )溫度溫度T T和和T T0 0不相同時不相同時，回路中即產(chǎn)生電勢，并有電流流通，這種把熱能轉(zhuǎn)換成電，回路中即產(chǎn)生電勢，并有電流流通，這種把熱

7、能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。能的現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。兩金屬絲稱為偶極或熱電極。兩個兩金屬絲稱為偶極或熱電極。兩個結(jié)點中與被測介質(zhì)接觸的一個稱為結(jié)點中與被測介質(zhì)接觸的一個稱為測量端或工作端、熱端，另一個稱測量端或工作端、熱端，另一個稱為參考端或自由端、冷端。為參考端或自由端、冷端。熱 電 偶導(dǎo)線利用導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化這一性質(zhì)做成的溫利用導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化這一性質(zhì)做成的溫度計稱為度計稱為電阻溫度計電阻溫度計。大多數(shù)金屬在溫度升高大多數(shù)金屬在溫度升高1 1 C C 時電阻將增加時電阻將增加0.40.40.60.6。半導(dǎo)體電阻一般隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，半導(dǎo)體電阻一般

8、隨溫度升高而減小，其靈敏度比金屬高，每升高每升高1 1 C C ，電阻約減小電阻約減小2 26 6。目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅和鎳。目前由純金屬制造的熱電阻的主要材料是鉑、銅和鎳。03(1)4.25 4.28 10/tRRAtAC881.7 109.81 10CuPtmm（三）溫度的測量、顯示和記錄（三）溫度的測量、顯示和記錄1 1、測量的原理、測量的原理 前面介紹了溫度傳感器，常有的有熱電偶和熱電阻傳感前面介紹了溫度傳感器，常有的有熱電偶和熱電阻傳感器，這兩種傳感器的信號都是電量的信號。工業(yè)上，電量器，這兩種傳感器的信號都是電量的信號。工業(yè)上，電量的測量常用電位計法和惠斯登電

9、橋法的測量常用電位計法和惠斯登電橋法（1 1）電位計法）電位計法（2 2）惠斯登電橋法）惠斯登電橋法（3 3）自動平衡法）自動平衡法溫度顯示儀表微熱量測定器要滿足一定的條件：微熱量測定器要滿足一定的條件：長時間的穩(wěn)定性；長時間的穩(wěn)定性；適合微生物培養(yǎng)的特殊要求（如攪拌、通氣、補料等）適合微生物培養(yǎng)的特殊要求（如攪拌、通氣、補料等）（一）絕熱量熱計（一）絕熱量熱計 盡可能把微生物反應(yīng)器與外界環(huán)境隔絕，以減少熱量盡可能把微生物反應(yīng)器與外界環(huán)境隔絕，以減少熱量損失所造成的測量誤差損失所造成的測量誤差原理：原理： 當(dāng)由生物熱造成反應(yīng)器升溫時，可計算使平衡罐與當(dāng)由生物熱造成反應(yīng)器升溫時，可計算使平衡罐與

10、反應(yīng)罐溫度相等所需的加熱功率，就可得到反應(yīng)罐中生反應(yīng)罐溫度相等所需的加熱功率，就可得到反應(yīng)罐中生物熱量的大小。物熱量的大小。反應(yīng)平衡量熱計標(biāo)定零檢測器t反t平加熱控制 不平衡信號 計算器記錄儀反饋回路 絕熱式微量熱器原理圖（二）熱流量熱計（二）熱流量熱計 熱量被允許按著一定的途徑流到一個冷阱（或熱源）熱量被允許按著一定的途徑流到一個冷阱（或熱源）中去，所傳過的熱量速率可以通過檢測所形成的溫度梯中去，所傳過的熱量速率可以通過檢測所形成的溫度梯度得到。度得到。（三）流通式量熱計（三）流通式量熱計 把把器內(nèi)器內(nèi)培養(yǎng)液與器外的培養(yǎng)液進行交換，培養(yǎng)罐可培養(yǎng)液與器外的培養(yǎng)液進行交換，培養(yǎng)罐可以是連續(xù)發(fā)酵罐

11、或分批發(fā)酵罐，因此試劑或樣品的加入以是連續(xù)發(fā)酵罐或分批發(fā)酵罐，因此試劑或樣品的加入是在量熱器外進行而不影響量熱器的測量。是在量熱器外進行而不影響量熱器的測量。壓力檢測方法壓力檢測方法v液柱測壓法液柱測壓法v彈性變形法彈性變形法v電測壓力法電測壓力法壓力檢測儀表壓力檢測儀表v彈簧管壓力表彈簧管壓力表v霍爾式壓力表霍爾式壓力表v差壓（壓力）變送器差壓（壓力）變送器1、液柱測壓法、液柱測壓法 根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進行測量根據(jù)流體靜力學(xué)原理，將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度進行測量hh12211p1p2h2P0h1h211p200常用的壓力表有常用的壓力表有U U形管壓力表、單管壓力表

12、、斜管壓力表和活塞形管壓力表、單管壓力表、斜管壓力表和活塞式壓力表等。式壓力表等。 測量原理測量原理（一）壓力檢測方法（一）壓力檢測方法2、彈性變形法、彈性變形法 將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移將被測壓力轉(zhuǎn)換成彈性元件變形的位移 測量原理測量原理P 彈簧管式彈性元件P 膜片式彈性元件（一）壓力檢測方法（一）壓力檢測方法當(dāng)彈性元件在軸向受到外力作用當(dāng)彈性元件在軸向受到外力作用 時，就會產(chǎn)生拉伸或壓縮位移，即時，就會產(chǎn)生拉伸或壓縮位移，即 測量原理測量原理CSF 式中 F軸向外力 S位移 C彈性元件的剛度系數(shù) APF 式中 A彈性元件承受壓力的有效面積 P被測壓力 PCAS S P 彈簧管壓力

13、表彈簧管壓力表 彈簧管拉桿指針中心齒輪扇形齒輪接頭游絲刻度盤調(diào)整螺釘3、電測壓力法、電測壓力法 利用轉(zhuǎn)換元件（如某些機械和電氣元件）直接把被測壓力變換為電利用轉(zhuǎn)換元件（如某些機械和電氣元件）直接把被測壓力變換為電信號來進行測量的。信號來進行測量的。 測量原理測量原理1. 1. 彈性元件附加一些變換裝置，使彈性元件自由端的位移量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)彈性元件附加一些變換裝置，使彈性元件自由端的位移量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，如的電信號，如電容式電容式、應(yīng)變式、應(yīng)變式、霍爾片式、霍爾片式、電阻式、電感式、振弦式等；電阻式、電感式、振弦式等； 2. 2. 非彈性元件組成的快速測壓元件，主要利用某些物體的某一物理性質(zhì)非

14、彈性元件組成的快速測壓元件，主要利用某些物體的某一物理性質(zhì)與壓力有關(guān)，如與壓力有關(guān)，如壓電式壓電式、壓阻式、壓磁式等。、壓阻式、壓磁式等。（一）壓力檢測方法（一）壓力檢測方法（三）壓力測量儀表的選用（三）壓力測量儀表的選用 儀表種類和型號的選擇儀表種類和型號的選擇 工藝要求工藝要求 現(xiàn)場指示、遠傳指示、自動記錄、自動調(diào)節(jié)或信號報警 介質(zhì)性質(zhì)介質(zhì)性質(zhì) 溫度、粘度、臟污程度、腐蝕性、易燃性 現(xiàn)場環(huán)境現(xiàn)場環(huán)境 溫度、濕度、有無振動、有無腐蝕性 儀表量程的確定儀表量程的確定 化工自控設(shè)計技術(shù)規(guī)定 被測壓力較穩(wěn)定的情況，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程的2/3； 被測壓力波動較大的情況，最大壓力值應(yīng)不超過滿量程

15、的1/2 被測壓力的最小值也不應(yīng)低于全量程的1/3 儀表精度等級的選擇儀表精度等級的選擇 （四）（四）罐壓測量罐壓測量就地指示式： 壓力表壓力表信號遠傳式： 壓力信號轉(zhuǎn)換器壓力信號轉(zhuǎn)換器電阻式、電容式、電感式、半導(dǎo)體式金屬轉(zhuǎn)子流量計五、液位測量五、液位測量 發(fā)酵罐內(nèi)保持一定的壓力，同時存在泡沫，故一發(fā)酵罐內(nèi)保持一定的壓力，同時存在泡沫，故一般受壓式液面計不適用。般受壓式液面計不適用。常用雙法蘭差壓法：常用雙法蘭差壓法： 法蘭上裝有可傳遞壓強的金屬薄片；法蘭上裝有可傳遞壓強的金屬薄片； 罐底的法蘭上所受到的壓強是液柱壓強與罐內(nèi)保壓罐底的法蘭上所受到的壓強是液柱壓強與罐內(nèi)保壓之和，罐頂法蘭所受壓強

16、僅為保壓壓強；兩者之差即為液之和，罐頂法蘭所受壓強僅為保壓壓強；兩者之差即為液柱壓強（柱壓強（P)P)。 如發(fā)酵液的重度如發(fā)酵液的重度r r已知，則液柱高度已知，則液柱高度H=P/rH=P/r。六、發(fā)酵液黏度測量六、發(fā)酵液黏度測量毛細管粘度計：毛細管粘度計：七、攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率測量七、攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率測量七、攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率測量七、攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率測量七、攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率測量七、攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率測量七、攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率測量七、攪拌轉(zhuǎn)速與攪拌功率測量介紹幾種常用的在線檢測的傳感器及其工作原理介紹幾種常用的在線檢測的傳感器及其工作原理 一一pHpH電極電極二二溶氧電極溶氧電極三三培養(yǎng)

17、液氧化還原電位的測量培養(yǎng)液氧化還原電位的測量四四溶解溶解COCO2 2測量測量五五發(fā)酵尾氣的在線分析發(fā)酵尾氣的在線分析六六菌量測量菌量測量第二節(jié)第二節(jié) 化學(xué)參數(shù)檢測化學(xué)參數(shù)檢測一、一、pH測量測量 pH值的測量在生物反應(yīng)中普遍進行，對于生物過程值的測量在生物反應(yīng)中普遍進行，對于生物過程控制是一個非常重要的參數(shù)?？刂剖且粋€非常重要的參數(shù)。（一）（一）pH測量方法測量方法pHpH試紙試紙pHpH電極電極pH試紙曾經(jīng)是一種廣泛采用的方法試紙曾經(jīng)是一種廣泛采用的方法優(yōu)點：方便，易操作優(yōu)點：方便，易操作缺點：它主觀性較強缺點：它主觀性較強 質(zhì)量差異，不同廠家不同批號的質(zhì)量差異，不同廠家不同批號的pH試紙

18、測出的試紙測出的pH值會有較大的差別，有時甚至達值會有較大的差別，有時甚至達0.51。對于一。對于一些要求較高的場合就不適用些要求較高的場合就不適用怎樣測量或計算出實際的電極電位怎樣測量或計算出實際的電極電位? ? E：電極電位，V E0：標(biāo)準(zhǔn)電極電位，V A+：離子活度 R：氣體常數(shù)，8.31焦耳/克分子K T：溶液絕對溫度，K F：法拉第常數(shù),96500庫侖/克分子基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識Nernst公式Aln1/-EAlnEE00FRTFRT1 1、pHpH電極測量原理電極測量原理pH電極實際上是由參比電極與指示電極實際上是由參比電極與指示電極組成的一個自發(fā)電池，該電池電極組成的一個自發(fā)電池，該

19、電池的表達式可寫為：的表達式可寫為：參比電極參比電極 溶液溶液X 指示電極指示電極該電池的該電池的參比電極的輸出電位恒定參比電極的輸出電位恒定，指示電極的輸出電位隨被測體系中指示電極的輸出電位隨被測體系中氫離子活度氫離子活度而變化。因此整個自發(fā)而變化。因此整個自發(fā)電池的電池的電動勢就是被測體系中氫離電動勢就是被測體系中氫離子活度子活度的函數(shù)。的函數(shù)。 式中式中E0對某一給定電極為常數(shù)，是溫度的函數(shù)，因此從對某一給定電極為常數(shù)，是溫度的函數(shù)，因此從電位差計的電位差計的E值可測出值可測出pH值。值。 pHFRTFRT303. 2Eln1/EE00H 甘汞電極（甘汞電極（a）232型（型（b）217

20、型型1導(dǎo)線；導(dǎo)線；2加液口；加液口；3-KCl溶液；溶液；4素?zé)尚?；素?zé)尚荆?鉑絲；鉑絲；6Hg；7Hg2Cl2一般的參比電極是甘汞電極。電極的外殼是玻璃管，里面套一根小一般的參比電極是甘汞電極。電極的外殼是玻璃管，里面套一根小玻璃管，其頂部伸出電極引線，引線的下端浸沒在汞中，汞的下端玻璃管，其頂部伸出電極引線，引線的下端浸沒在汞中，汞的下端有糊狀甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有離子才能通過，而汞和甘有糊狀甘汞，汞和甘汞用棉花堵住，只有離子才能通過，而汞和甘汞不會漏失，小管和大管之間充滿汞不會漏失，小管和大管之間充滿KCl溶液，末端用多孔陶瓷滲入溶液，末端用多孔陶瓷滲入到溶液中，實現(xiàn)電極引線

21、與溶液間的電導(dǎo)通。到溶液中，實現(xiàn)電極引線與溶液間的電導(dǎo)通。（1）參比電極）參比電極工業(yè)pH計是利用電位法測量溶液中氫離子活度(pH)的一種儀器 指示電極(玻璃/銻/不銹鋼) 參比電極(汞-甘汞/銀-氯化銀) 由此可見，甘汞電極是由金屬汞及其難溶鹽由此可見，甘汞電極是由金屬汞及其難溶鹽氯氯化亞汞化亞汞以及含氯離子的電解質(zhì)溶液組成。這種半電以及含氯離子的電解質(zhì)溶液組成。這種半電池可表示為池可表示為Hg(L) Hg2Cl2(S) Cl-(L) 電極電位產(chǎn)生電極電位產(chǎn)生于汞和甘汞的界面，其電極反應(yīng)為：于汞和甘汞的界面，其電極反應(yīng)為： 2Cl-+2Hg Hg2Cl2+2e-其電極電位為其電極電位為ECl

22、/HgCl,Hg=E + ln1/0,/HgHgClClFRTCl 由此可見甘汞電極的電極電位只與氯化鉀由此可見甘汞電極的電極電位只與氯化鉀的活度有關(guān)而的活度有關(guān)而不受被測溶液的酸堿度不受被測溶液的酸堿度影響影響（2）指示電極）指示電極對指示電極的電位值隨被測溶液氫離子活度的變化而變化。對指示電極的電位值隨被測溶液氫離子活度的變化而變化。原則上講，任何與氫離子可逆反應(yīng)的電極都可用來測定溶原則上講，任何與氫離子可逆反應(yīng)的電極都可用來測定溶液的液的pHpH。 離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)離子選擇性電極的結(jié)構(gòu)其中敏感性膜部分隨組成材料其中敏感性膜部分隨組成材料的不同而

23、各有特色。測定的不同而各有特色。測定pH值值的玻璃電極的敏感膜是厚度為的玻璃電極的敏感膜是厚度為10-110-3mm的玻璃薄膜，其的玻璃薄膜，其電阻為電阻為50500m。指示電極的關(guān)鍵是敏感膜指示電極的關(guān)鍵是敏感膜H+H+H+H+H+H+KCl溶液溶液待測溶液待測溶液濃度差引起電位差濃度差引起電位差濃差電極濃差電極玻璃敏感膜玻璃敏感膜（3 3）膜電位膜電位膜電位是由于膜兩側(cè)離子活度的差異而產(chǎn)生，故可膜電位是由于膜兩側(cè)離子活度的差異而產(chǎn)生，故可看作是一種濃差電位?？醋魇且环N濃差電位。玻璃電極在使用前必須先在玻璃電極在使用前必須先在水中浸泡一段時間水中浸泡一段時間，玻璃膜表面吸收水分溶解，并，玻璃

24、膜表面吸收水分溶解，并且其中的一價陽離子（如且其中的一價陽離子（如NaNa+ +離子）與水中離子）與水中H H+ +離子發(fā)離子發(fā)生離子交換反應(yīng)。生離子交換反應(yīng)。SiO-Na+H+ SiO-H+Na+ 使膜表面形成以使膜表面形成以 SiO-H+為主要成分的水合硅膠層，為主要成分的水合硅膠層，厚度約為厚度約為10-410-5mm1 1 2 2試試 液液水合硅膠層水合硅膠層 干干 玻玻 璃璃 層層水合硅膠水合硅膠層層內(nèi)參比溶液內(nèi)參比溶液 1-2以以1、2分別表示試液內(nèi)分別表示試液內(nèi)與內(nèi)參比溶液中與內(nèi)參比溶液中H+離子離子活度，活度，1、2分別表示分別表示外側(cè)與內(nèi)側(cè)硅膠層表面外側(cè)與內(nèi)側(cè)硅膠層表面H+離

25、子活度，離子活度， 由于水合硅膠層表面與由于水合硅膠層表面與內(nèi)（內(nèi)參比溶液）、外內(nèi)（內(nèi)參比溶液）、外（試液）溶液中的（試液）溶液中的H+離離子從活度大的一方向小子從活度大的一方向小的一方遷移，使玻璃膜的一方遷移，使玻璃膜的外、內(nèi)側(cè)分別產(chǎn)生相的外、內(nèi)側(cè)分別產(chǎn)生相界電位界電位1和和2。經(jīng)水浸泡經(jīng)水浸泡后的玻璃后的玻璃膜截面成膜截面成為三層結(jié)為三層結(jié)構(gòu)，如圖構(gòu)，如圖: :則有：則有：外側(cè)外側(cè): 1=K1+11LnFRT內(nèi)側(cè)：內(nèi)側(cè)：2=K2+22LnFRT可以認為，玻璃膜兩側(cè)表面性狀基本相同，故可以認為，玻璃膜兩側(cè)表面性狀基本相同，故K1=K2，水合硅膠層表面一價陽離子點已基本被質(zhì)水合硅膠層表面一價陽

26、離子點已基本被質(zhì)子占據(jù)，故子占據(jù)，故1=2，于是玻璃膜內(nèi)、外側(cè)之間的于是玻璃膜內(nèi)、外側(cè)之間的電位差電位差膜膜=1-2= 21LnFRT由于內(nèi)參比溶液的由于內(nèi)參比溶液的H+活度活度2一定，故玻璃膜電位一定，故玻璃膜電位與待測溶液的與待測溶液的H+離子活度（離子活度（pH值）成線性關(guān)系。值）成線性關(guān)系。膜膜=常數(shù)常數(shù)+ HLnFRT在在25下：下：膜膜=常數(shù)常數(shù)-0.0591pH（試液）試液）但實際上玻璃膜內(nèi)外側(cè)表面性狀總有微小差別，即使但實際上玻璃膜內(nèi)外側(cè)表面性狀總有微小差別，即使1=2時，時，膜膜0，這差別所產(chǎn)生的電位叫不對稱電，這差別所產(chǎn)生的電位叫不對稱電位（位（不對稱不對稱），這樣整個玻璃

27、電極（指示電極）的電），這樣整個玻璃電極（指示電極）的電位應(yīng)是內(nèi)參比電位、膜電位與不對稱電位之和。位應(yīng)是內(nèi)參比電位、膜電位與不對稱電位之和。玻璃玻璃=0 +膜膜+不對稱不對稱其中，其中， 0 與與不對稱不對稱對于特定的電極是恒定的，對于特定的電極是恒定的，故玻璃電極的電極電位與試液故玻璃電極的電極電位與試液pH值呈值呈線性線性關(guān)系。關(guān)系。（4）玻璃電極的性能）玻璃電極的性能存在不對稱電勢存在不對稱電勢不對稱電勢產(chǎn)生于電極敏感玻璃膜部分，由于膜內(nèi)外表面狀態(tài)不不對稱電勢產(chǎn)生于電極敏感玻璃膜部分，由于膜內(nèi)外表面狀態(tài)不完全一樣引起的，它與完全一樣引起的，它與溫度、玻璃組成、敏感膜厚度及加工狀況溫度、玻

28、璃組成、敏感膜厚度及加工狀況等等因素有關(guān)。因素有關(guān)。不對稱電勢不對稱電勢可以用已知可以用已知pH值的值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖液來標(biāo)準(zhǔn)緩沖液來校正校正 （5）玻璃電極的測量范圍）玻璃電極的測量范圍 玻璃電極的實際轉(zhuǎn)換系數(shù)并不是在整個玻璃電極的實際轉(zhuǎn)換系數(shù)并不是在整個pH范圍都是常數(shù)，因而響應(yīng)曲線會偏離直線，范圍都是常數(shù)，因而響應(yīng)曲線會偏離直線，實際的實際的pH響應(yīng)曲線如圖響應(yīng)曲線如圖測量值測量值pH在堿性范圍內(nèi)在堿性范圍內(nèi)pH10 k降低，測量值偏高降低，測量值偏高在酸性范圍內(nèi)在酸性范圍內(nèi)pH1 k升高，測量值偏低升高，測量值偏低將兩支電極都裝在一將兩支電極都裝在一根玻璃管中，這種電根玻璃管中，這種電極叫極

29、叫復(fù)合電極復(fù)合電極，工業(yè)，工業(yè)上在線檢測大都使用上在線檢測大都使用這種電極。它結(jié)構(gòu)緊這種電極。它結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。湊，便于安裝。（6）復(fù)合電極）復(fù)合電極（8）玻璃電極的使用與維護1 1）玻璃電極的主要部分是下端的玻璃球泡。它由一層）玻璃電極的主要部分是下端的玻璃球泡。它由一層較薄的特種玻璃制成，所以較薄的特種玻璃制成，所以切勿與硬物接觸切勿與硬物接觸。2 2）初次使用時，應(yīng)先將球泡在）初次使用時，應(yīng)先將球泡在去離子水中浸去離子水中浸24h以上以上, ,暫暫不使用不使用時，也要時，也要浸在去離子水中浸在去離子水中。3 3）電極插頭上的有機玻璃管具有良好的絕緣性能，切）電極插頭上的有機玻璃管具有

30、良好的絕緣性能，切勿接觸化學(xué)試劑或油污。勿接觸化學(xué)試劑或油污。4 4）若玻璃膜上沾有）若玻璃膜上沾有油污油污，應(yīng)先浸在酒精中，再放入乙，應(yīng)先浸在酒精中，再放入乙醚或四氯化碳中，然后再移到酒精中。最后用水沖洗干醚或四氯化碳中，然后再移到酒精中。最后用水沖洗干凈。凈。5 5）在測）在測強堿性強堿性溶液時，應(yīng)快速操作。測完后立刻用水溶液時，應(yīng)快速操作。測完后立刻用水洗凈，以免堿液腐蝕玻璃。洗凈，以免堿液腐蝕玻璃。6 6）凡是含）凡是含氟離子的酸性溶液氟離子的酸性溶液，不能用玻璃電極測量。，不能用玻璃電極測量。 7 7）脫水性介質(zhì)脫水性介質(zhì)，如無水乙醇、濃硫酸會破壞水合硅膠，如無水乙醇、濃硫酸會破壞水

31、合硅膠層。層。二、溶氧的測定二、溶氧的測定 對于好氧微生物來說氧的供應(yīng)十分重要，了解發(fā)酵對于好氧微生物來說氧的供應(yīng)十分重要，了解發(fā)酵過程中溶氧情況是發(fā)酵控制的關(guān)鍵方面。判斷發(fā)酵過程過程中溶氧情況是發(fā)酵控制的關(guān)鍵方面。判斷發(fā)酵過程的臨界氧濃度、發(fā)酵罐的供氧能力以及菌體的活性和菌的臨界氧濃度、發(fā)酵罐的供氧能力以及菌體的活性和菌體的生長量等，并根據(jù)發(fā)酵時的供氧和需氧變化來指導(dǎo)體的生長量等，并根據(jù)發(fā)酵時的供氧和需氧變化來指導(dǎo)補料操作?，F(xiàn)在發(fā)酵中溶氧測定大多用補料操作?，F(xiàn)在發(fā)酵中溶氧測定大多用溶氧電極溶氧電極來測定。來測定。溶氧電極可分為極譜型和原電池型。溶氧電極可分為極譜型和原電池型。極譜型極譜型 需

32、極化電壓及放大器，耗氧少，受氣流影響小。需極化電壓及放大器，耗氧少，受氣流影響小。原電池型原電池型 簡單便宜，適于中小罐。耗氧較大，受氣流和簡單便宜，適于中小罐。耗氧較大，受氣流和 氣泡影響大。氣泡影響大。亞硫酸鹽氧化法亞硫酸鹽氧化法排氣法排氣法（一）溶氧儀測量原理（一）溶氧儀測量原理 氧電極以鉑金（氧電極以鉑金（Pt）作陰極，）作陰極，Ag/AgCl作陽極，電作陽極，電解液為解液為0.1M氯化鉀（氯化鉀（KCl），用），用硅橡膠滲透膜硅橡膠滲透膜作透氣作透氣膜。測量時，在陽極和陰極間加上膜。測量時，在陽極和陰極間加上0.68V 的極化電壓，的極化電壓，氧通過滲透膜在陰極消耗，氧通過滲透膜在陰

33、極消耗，透過膜的氧量與水中溶解透過膜的氧量與水中溶解氧濃度成正比，因而電極間的極限擴散電流與水中溶氧濃度成正比，因而電極間的極限擴散電流與水中溶解氧濃度成正比解氧濃度成正比，儀表檢測此電流并經(jīng)運算變換成氧儀表檢測此電流并經(jīng)運算變換成氧濃度。濃度。同時熱敏電阻檢測溶液的溫度，并對氧濃度進同時熱敏電阻檢測溶液的溫度，并對氧濃度進行溫度補償。行溫度補償。 電極上的電極反應(yīng)為：電極上的電極反應(yīng)為： 陰極（陰極（Pt） O22H2O4e=4OH- 陽極（陽極（Ag）4Ag4Cl-=4AgCl4e（二）溶解氧含量的表示方法（二）溶解氧含量的表示方法溶氧儀含量有溶氧儀含量有3 種不同的表示方法：種不同的表示

34、方法： 氧分壓（氧分壓（mmHg）；百分飽和度（）；百分飽和度（%）；氧濃度（）；氧濃度（mg/L），(1)分壓表示法：氧分壓表示法是分壓表示法：氧分壓表示法是最基本和最本質(zhì)最基本和最本質(zhì)的表示法。根據(jù)的表示法。根據(jù)Henry 定律可得，定律可得，P=(P O2+P H2O )0.209，其中，其中，P 為總壓；為總壓；P O2 為氧分壓為氧分壓(mmHg)；P H2O為水蒸氣分壓；為水蒸氣分壓；0.209 為空氣中氧的含量。為空氣中氧的含量。(2)百分飽和度表示法：由于曝氣發(fā)酵十分復(fù)雜，氧分壓不能計算得到，百分飽和度表示法：由于曝氣發(fā)酵十分復(fù)雜，氧分壓不能計算得到，在此情況下用百分飽和度的表

35、示法是在此情況下用百分飽和度的表示法是最合適最合適的。例如將標(biāo)定時溶解氧定的。例如將標(biāo)定時溶解氧定為為100，零氧時為，零氧時為0，則反應(yīng)過程中溶解氧含量即為標(biāo)定時百分?jǐn)?shù)。，則反應(yīng)過程中溶解氧含量即為標(biāo)定時百分?jǐn)?shù)。(3)氧濃度表示法：根據(jù)氧濃度表示法：根據(jù)Henry 定律可知氧濃度與其分壓成正比，即：定律可知氧濃度與其分壓成正比，即：C=P O2a，其中，其中C 為氧濃度為氧濃度(mg/L)；P O2 為氧分壓為氧分壓(mmHg)；a 為溶解為溶解度系數(shù)度系數(shù)(mg/mmHgL)。溶解度系數(shù)溶解度系數(shù)a 不僅與溫度有關(guān)，還與溶液的成分有關(guān)。對于溫度恒定的不僅與溫度有關(guān)，還與溶液的成分有關(guān)。對于

36、溫度恒定的水溶液，水溶液，a為常數(shù)，則可測量氧的濃度。氧濃度表示法在為常數(shù)，則可測量氧的濃度。氧濃度表示法在發(fā)酵工業(yè)中不常發(fā)酵工業(yè)中不常用用，但在，但在污水處理污水處理、生活飲用水生活飲用水等過程中都用氧濃度來表示。等過程中都用氧濃度來表示。（三）影響溶氧儀測量的因素（三）影響溶氧儀測量的因素1. 1.溫度的影響溫度的影響 由于溫度變化，膜的擴散系數(shù)和氧的溶解度都將發(fā)生變化，由于溫度變化，膜的擴散系數(shù)和氧的溶解度都將發(fā)生變化，直接影響到溶氧電極電流輸出，常采用熱敏電阻來消除溫度直接影響到溶氧電極電流輸出，常采用熱敏電阻來消除溫度的影響。的影響。溫度上升，擴散系數(shù)增加，溶解度反而減小溫度上升，擴

37、散系數(shù)增加，溶解度反而減小。2. 2.大氣壓的影響大氣壓的影響 氣體的溶解度與其分壓成正比氣體的溶解度與其分壓成正比。氧分壓與該地區(qū)的海拔高。氧分壓與該地區(qū)的海拔高度有關(guān)，高原地區(qū)和平原地區(qū)的差可達度有關(guān)，高原地區(qū)和平原地區(qū)的差可達20%，使用前必須根，使用前必須根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮哼M行補償。有些儀表內(nèi)部配有氣壓表，在標(biāo)定據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮哼M行補償。有些儀表內(nèi)部配有氣壓表，在標(biāo)定時可自動進行校正；時可自動進行校正；3. 3.溶液中含鹽量溶液中含鹽量 在溫度不變的情況下，在溫度不變的情況下，鹽含量鹽含量每每增加增加100mg/L，溶解氧降，溶解氧降低約低約1%。4. 4.樣品的流速樣品的流速 氧通過膜擴散比

38、通過樣品進行擴散要慢，必須保證氧通過膜擴散比通過樣品進行擴散要慢，必須保證電極電極膜與溶液完全接觸膜與溶液完全接觸。應(yīng)。應(yīng)增加流過膜的溶液的流量增加流過膜的溶液的流量來補償擴散來補償擴散失去的氧，樣品的最小流速為失去的氧，樣品的最小流速為0.3m/s。 注意注意: 1.1.溶解氧測量與氣體氧含量測量是截然不同的！溶解氧測量與氣體氧含量測量是截然不同的！2.2.冷水比熱冷水比熱水能溶解更多的氧氣。水能溶解更多的氧氣。溶解氧特性溶解氧特性 氧的飽合濃度氧的飽合濃度溫溫度度 C 0 5 10 15 20 25 30 35 O2 mg/l 14,64 12,75 11,25 10,06 9,08 8,25 7,55 6,94 （四）溶解氧（四）溶解氧（DO）的測量的測量有壓力和溫度補償?shù)母材ぱ鯗y定電極的基本結(jié)構(gòu)有壓力和溫度補償?shù)母材ぱ鯗y定電極的基本結(jié)構(gòu)便攜式溶解氧分析儀便攜式溶解氧分析儀智能在線溶解氧儀智能在線溶解氧儀(ppm)OXY5402-S(ppm)OXY5402-S三、氧化還原測量三、氧化還原測量（一）基礎(chǔ)知識（一）基礎(chǔ)知識Redox 來源于 - - 還原還原(Reduction) 和和- - 氧化氧化(Oxidation)過去的理解過去的理解 每一次有氧燃燒都是一個氧化還原過程每一次有氧燃燒都是一個氧化還原過程現(xiàn)在的定義