Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo thông số độ dẫn và áp suất của dung dịch lọc máu cho máy lọc thận nhân tạo

Bộ khoa học và công nghệ Viện nghiên cứu ứng dụng công nghệ Trung tâm công nghệ vi điện tử và tin học C6 thanh xuân bắc, Hà Nội Báo cáo đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo thông

Bộ khoa học và công nghệ Viện nghiên cứu ứng dụng công nghệ

Trung tâm công nghệ vi điện tử và tin học

C6 thanh xuân bắc, Hà Nội

Báo cáo đề tài

Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo thông số độ dẫn và áp suất của dung dịch lọc máu

cho máy lọc thận nhân tạo

Cơ quan chủ trì : Trung tâm công nghệ vi điện tử và tin học

Chủ nhiệm đề tài : ThS Nguyễn Duy Tiến

7513

28/9/2009

Hà Nội, 6 - 2006

Tóm tắt

Việc chế tạo máy đo độ dẫn điện, áp suất của dung dịch lọc máu xuất phát từ yêu cầu thực tế của Khoa Chống độc Bệnh viện Bạch Mai và các bệnh viện khác trong nước ta

Đo độ dẫn điện của dung dịch acetate, bicarbonate A, B (chủ yếu là để xác định nồng độ Na+) là một công việc khó khăn và phức tạp Máy đo vừa phải đảm bảo độ chính xác của phép đo vừa phải bảo đảm sự an toàn tuyệt đối

về cách ly điện áp với con người vì dung dịch lọc máu sẽ tiếp xúc trực tiếp với máu người bệnh

Máy đo đã được kiểm tra đối chứng với máy đo độ dẫn chuẩn : HDM

97 (CHLBĐ) và máy lọc thận nhân tạo AK - 100, AK - 95 (Thụy điển) tại Công ty Cổ phần máy lọc thận Việt Nam và khoa Thận nhân tạo - Bệnh viện Bạch Mai Kết quả kiểm tra hoàn toàn phù hợp, đáp ứng các chỉ tiêu yêu cầu

đề ra

5 KS.Nguyễn Văn Thêm Công ty cổ phần máy lọc

thận nhân tạo Việt Nam

6

6 KS.Nguyễn Quốc Toản Công ty cổ phần máy lọc

thận nhân tạo Việt Nam

6

Mục lục

Phần I:Tổng quan về nguyên lý hoạt động của

máy lọc thận nhân tạo 5

1.Sơ đồ nguyên lý 5

2 Cấu tạo 5

3 Các thông số cần kiểm tra 5

4 Nguyên lý hoạt động 6

5.Yêu cầu về thông số kỹ thuật 6

6 Lý do phải dùng máy đo độ dẫn và áp suất kiểm tra 6

Phần II: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo độ dẫn điện, áp suất của dung dịch lọc máu 7

I Mục đích yêu cầu 7

II Lý thuyết đo độ dẫn 8

A Độ dẫn điện 8

1 Định luật Ohm, điện dẫn suất 11

2 Cách đo độ dẫn 12

3 Hiệu ứng phân cực 14

4 Sự làm bẩn bề mặt điện cực 14

5 Điện trở cáp nối 15

6 Hiệu ứng điện trường ở biên cực đo 15

7 Tính bền của đầu đo 15

8 Sự phụ thuộc của độ dẫn điện của dung dịch vào nhiệt độ 15

B Đo độ dẫn bằng phương pháp hỗ cảm từ 16

1 Nguyên tắc thiết kế 16

2 Sơ đồ nguyên lý đo 17

3 Cơ cấu hoạt động 17

4 Tính chất của lõi Ferit 17

5.Tính chất của dung dịch 17

6 ảnh hưởng của cấu trúc hình học 18

C Độ dẫn nhiệt 19

1 Định luật Fourier cho độ dẫn nhiệt 19

2 Phương trình nhiệt 19

3 Phép lấy đạo hàm phương trình nhiệt 20

D áp suất của dung dịch 20

1 Phương phỏp đo ỏp suất đối với dung dịch 20

2 Nguyờn lý đo ỏp suất 21

III.Phần thực nghiệm 23

A Dung dịch để đo độ dẫn 23

1 Nước để đo độ dẫn 23

2 Dung dịch acetate, dung dịch bicarbonate A,B 23

B Thiết kế sensor và mạch khuếch đại 23

1 Sensor đo độ dẫn 23

2 Thiết kế sensor đo nhiệt độ 24

3 Sensor áp suất tem-tech pfa SE 3200/SE 3300 24

3.1 Đặc tính 24

3.2 ứng dụng của sensor SE 3300 25

3.3 Nguyên lý hoạt động 25

4 Thiết kế mạch đo 26

4.1 Yêu cầu về mạch đo 26

4.2 Mạch khuếch đại 26

4.3.Sơ đồ khối của mạch khuếch đại 26

4.4 Thiết kế vỏ máy 27

4.5 Các phép đo để hiệu chỉnh máy đo 27

a Đo nhiệt độ 27

b Bù trừ nhiệt độ cho độ dẫn của dung dịch 27

c Đo độ dẫn 27

d Đo áp suất 28

5 Kết quả thực nghiệm 28

5.1 Sự phụ thuộc của độ dẫn vào nhiệt độ 28

5.2 Sự phụ thuộc của độ dẫn vào nhiệt độ có bù nhiệt máy CTP0105 29

5.3 Sự phụ thuộc của độ dẫn vào nhiệt độ có bù nhiệt máy HDM97 31

5.4 Sự phụ thuộc của độ dẫn vào nồng độ máy CTP0105 & HDM97 32

5.5 Sự phụ thuộc của áp suất vào điện áp của máy HDM97 & CTP0105 34

5.6 Đo áp suất dung dịch bicarbonate A,B của máy AK- 100 bằng máy CTP0105 35

5.7 Đo kiểm tra máy đo độ dẫn, áp suất, nhiệt độ CTP0105 với máy AK-100 36

5.8 Đo kiểm tra máy đo CTP0105 với máy AK-95 37

5.9 Hình ảnh máy đo độ dẫn và áp suất CTP0105 38

IV Kết luận và kiến nghị 40

1 Kết luận 40

2 Kiến nghị 40

V Lời cám ơn 41

Tài liệu tham khảo 42 - 48

Phần I:Tổng quan về nguyên lý hoạt động của máy

lọc thận nhân tạo

1.Sơ đồ nguyên lý

2 Cấu tạo

Máy lọc thận nhân tạo gồm những phần chính sau:

- Quả lọc máu: có hai phần và màng thẩm thấu ( lỗ của màng thẩm thấu có

đường kính 1 nm) ở giữa, một phần cho máu (áp suất dương) đi qua, một phần cho dịch lọc máu(áp suất âm) đi qua

- Bơm máu Loại bơm nhu động

- Bơm dịch Loại bơm lưu lượng thẩm tách

- Hệ thống tạo nước RO

- Dung dịch acetate đậm đặc; dung dịch bicarbonate A,B

- Hệ tự động đốt nóng dung dịch lọc máu sau khi pha trộn lên 370C

- Bọt khí trong bầu đựng máu

- Lưu lượng dung dịch lọc máu và lưu lượng máu

- Khống chế nhiệt độ chuẩn 370C

- Nồng độ K+, Cl

Tiêu chuẩn độ dẫn điện của nước RO

- Độ rút nước của bệnh nhân ( Sau 3 giờ chạy máy, bệnh nhân sẽ mất khoảng

3 ~ 4 kg nước)

4 Nguyên lý hoạt động

Máu của bệnh nhân được đưa đến quả lọc máu bằng bơm nhu động( lưu lượng ~300 ml/min) Đồng thời dung dịch acetate đậm đặc sau khi pha với nước RO cũng được đưa tới quả lọc máu( lưu lượng ~ 500 ml/min) Chiều dòng chảy của máu và dung dịch ngược chiều nhau Do áp lực thẩm thấu tồn tại ở vách ngăn của quả lọc mà các chất độc ( urê) trong cơ thể bệnh nhân sẽ

được bài tiết qua vách ngăn và theo dung dịch lọc máu đi ra ngoài

5.Yêu cầu về thông số kỹ thuật

- Không được phép cho bọt khí đi vào trong cơ thể bệnh nhân

- Lưu lượng của máu : ~ 300 ml/min

- Lưu lượng của dung dịch lọc máu : ~ 500 ml/min

Máy lọc thận nhân tạo sẽ tự động báo động và ngừng máy sau khi phát hiện bất cứ thông số kỹ thuật nào sai với các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn

6 Lý do phải dùng máy đo độ dẫn và áp suất kiểm tra

Với những máy secondhand thì các thông số kỹ thuật của dung dịch do máy pha và số chỉ thị của máy không trùng nhau Việc hiển thị không chính xác các thông số kỹ thuật sẽ gây nguy hiểm cho bệnh nhân Do vậy cần có máy kiểm tra thông số kỹ thuật để phản ánh đúng các thông số kỹ thuật của dung dịch lọc máu của máy lọc thận nhân tạo

phần II: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo độ dẫn

điện, áp suất Của dung dịch lọc máu

I Mục đích yêu cầu

Hiện nay trong điều kiện thực tế của nước ta số người bị bệnh urê cao trong máu do suy thận gây nên ngày càng tăng, nhưng máy lọc thận nhân tạo không

có đủ số lượng để đáp ứng nhu cầu đó Hơn nữa máy mới lại rất đắt (từ 25.000$ đến 30.000$/ máy) mà người phải chạy máy phần đông là người nghèo không đủ tiền trả khấu hao thiết bị Trong các bệnh viện lớn của nước

ta số máy mới có được rất ít, mà chủ yếu là sử dụng những máy các nước đã dùng hàng chục năm Do đó có sự cố kỹ thuật của máy cũ thường xuyên xảy

ra và phụ kiện để thay thế cũng không có Điều này gây ảnh hưởng rất lớn đến công việc điều trị cho người bệnh Theo thống kê của GS, BS Nguyễn Nguyên Khôi, Trưởng khoa Chống độc của BVBM cả nước ta cần hơn 1200 máy lọc thận dùng được, trong khi đó mới chỉ có 130 máy đang hoạt động Số bệnh nhân tăng lên mà không có đủ máy để đáp ứng

Trong hệ máy lọc thận thì máy đo độ dẫn điện của dung dịch lọc máu là thiết bị quan trọng nhất Thông số đo của thiết bị này quyết định sự hoạt động của hệ máy lọc thận tiếp tục hay dừng lại

Thông thường riêng đối với máy lọc thận nhân tạo bao giờ cũng phải có sẵn sàng một máy dự trữ kèm theo một máy đang chạy để đề phòng sự cố xảy ra cho người bệnh Và thêm nữa các hệ máy phải chạy thay phiên nhau 24 giờ Cho nên việc kiểm tra liên tục độ dẫn của dung dịch lọc máu là cực kỳ quan trọng Nếu hệ máy lọc thận nhân tạo nào đó không kiểm tra chính xác được độ dẫn của dung dịch thì hệ máy đó phải dừng hoạt động ngay

Từ trước tới nay ở nước ta chưa có cơ sở nào nghiên cứu về vấn đề này Để

đáp ứng nhu cầu thiết thực cho các bệnh viện và đáp ứng yêu cầu nội địa hoá thiết bị y tế của Nhà nước việc nghiên cứu chế tạo máy đo độ dẫn điện là rất cần thiết và cấp bách

Máy đo độ dẫn điện chế tạo được sẽ dùng để thay thế những máy đo độ dẫn

điện bị hỏng trong các hệ máy lọc thận Không những thế nó còn được dùng

để kiểm tra chất lượng dung dịch lọc máu cho những hệ máy có chất lượng không cao

Hệ máy lọc thận nhân tạo là một hệ máy rất phức tạp và tinh vi cho nên từng bước một nghiên cứu chế tạo những máy kiểm tra, thiết bị điều khiển quan trọng trong đó là rất cần thiết Việc này làm tiền đề cho việc tiến tới làm chủ hoàn toàn hệ máy lọc thận nhân tạo và trên cơ sở đó có thể chế tạo ra hệ máy lọc thận nhân tạo dùng trong nước ta một cách chủ động

II Lý thuyết đo độ dẫn

A Độ dẫn điện

Độ dẫn điện được định nghĩa là khả năng dẫn dòng điện của khối chất Nó

là đại lượng nghịch đảo của điện trở Tất cả các khối chất đều có độ dẫn đến vài cấp độ nhưng khoảng rất rộng, từ khoảng rất thấp (chất cách điện như là benzen, thuỷ tinh) đến rất cao (bạc, đồng và kim loại nói chung) Trong kim loại dòng điện là những hạt tải e- Trong các khí bị ion hoá, ngoài các e-, các ion có điện tích dương đóng vai trò dẫn điện Trong khi với nước dòng diện là những hạt tải ion mang điện tích Sự xắp xếp các phần tử chất lỏng theo trật tự kém nhất do đó không thể dẫn như sự chuyển động của các điện tử tự do Vì vậy, loại hạt tích điện khác nữa sẽ được dùng trong mục đích này nếu bất kỳ dòng nào là dòng chảy của toàn bộ các hạt tích điện Sự ion hoá sẽ cung cấp những hạt tải cần thiết Sự ion hoá dựa vào xu hướng của hầu hết các hợp chất hữu cơ hoà tan được từng phần hoặc toàn bộ tách ra hai hoặc nhiều hơn các thành phần cơ bản, gọi là ion, có điện tích trái dấu Những hạt tích điện này hoặc các ion, tác dụng như là các dòng hạt tải đem lại dòng điện phân Nó là

đặc tính vật lý của các hạt tải của môi trường dùng để xác định độ dẫn điện (hoặc là độ dẫn điện phân đặc biệt) của dung dịch Những dung dịch này có giá trị độ dẫn xấp xỉ giá trị độ dẫn trung gian giữa chất cách điện và kim loại Nói chung độ dẫn điện được xác định bởi nồng độ các ion mang điện cũng như là tốc độ di chuyển của chúng trong dung dịch Như vậy với hầu hết các

dung dịch nếu nồng độ các chất được hoà tan càng lớn thì sẽ dẫn đến việc tăng nồng độ ion và độ dẫn điện sẽ càng tăng Hiệu ứng này tiếp tục cho đến lúc dung dịch trở nên quá hỗn độn hạn chế sự chuyển động tự do của các ion

và độ dẫn có thể bị giảm đi thực sự mặc dù nồng độ tăng

Phạm vi rộng rãi của các thiết bị độ dẫn là khả năng đo độ dẫn điện của các chất lỏng trong khoảng từ nước siêu sạch (độ dẫn thấp) đến các dòng hoá chất cô đặc (độ dẫn cao) Đo độ dẫn của các chất lỏng là điều quan tâm chính trong công nghiệp và y tế

Những thuận lợi và bất lợi của phép đo độ dẫn:

Nói chung, phép đo độ dẫn xảy ra nhanh, an toàn, không phá huỷ, rẻ và bền

Độ tin cậy và tính lặp lại rất tốt

Nguyên lý trở ngại của độ dẫn là phép đo không đặc biệt; nó không thể phân biệt rõ ràng giữa các loại ion khác nhau, đưa ra số ghi tỷ lệ với hiệu ứng kết hợp của tất cả các ion có mặt để thay thế Vì vậy nó sẽ phải được đo hiệu chuẩn với dung dịch chuẩn hoặc với dung dịch sạch (dung dịch tinh khiết) tại nhiệt độ chuẩn (250C)

Đơn vị của độ dẫn

Đơn vị của phép đo được dùng để mô tả độ dẫn và điện trở là khá cơ bản Với một đơn vị đã biết, có thể mô tả một cách định lượng các loại nước và dung dịch

Đơn vị cơ bản của điện trở là ohm Độ dẫn là nghịch đảo của điện trở, và đơn

vị của nó là Siemens (S), trước đây được gọi là mho Trong toàn khối vật liệu người ta dùng đơn vị đó để tiện lợi khi nói về độ dẫn đặc biệt Đây là độ dẫn

được đo giữa 2 mặt đối diện có diện tích 1cm2 của thể tích 1cm3 của khối vật liệu Phép đo này có đơn vị là Siemens/cm (S/cm) Đơn vị àS/cm và mS/cm là thông dụng nhất được dùng để mô tả độ dẫn của dung dịch nước Các đơn vị tương ứng cho trở kháng đặc biệt (hoặc điện trở suất) là ohm - cm, megaohm - cm (MΩ - cm) và kilohm - cm (kΩ - cm)

Với nước siêu sạch người ta thường dùng đơn vị điện trở suất là MΩ cm Với nước có tạp chất nhiều ta dùng đơn vị kΩ cm Với các dung dịch hoá học

đậm đặc và rất loãng người ta dùng đơn vị mS/cm và àS/cm Trong việc áp dụng này có sự liên hệ chặt chẽ của độ dẫn gần như là trực tiếp với tạp chất,

đặc biệt ở nồng độ thấp Do đó, sự gia tăng độ dẫn chỉ ra sự gia tăng của tạp chất, hoặc nói một cách tổng quát đó là sự gia tăng nồng độ trong dung dịch Bảng 1A Độ dẫn của một số ion hoà tan trong nước [1]

Bảng 1A

Kiểu loại mẫu Độ dẫn àS/ cm ở 25 0 C

Nước tinh khiết Nước đã khử ion Nước uống Nước biển Nước bẩn Nước mưa Nước thải công nghiệp 5% NaOH

50% NaOH 10% CHl 32%HCl 31,0%HNO3

0,055 1,0

50 53,000 85ữ 9000 100ữ 10000 8000ữ 130000

độ ánh sáng, trong khi đó ở trong nước các ion chuyển động rất chậm và do đó

độ dẫn cũng rất thấp Sự tăng nhiệt độ làm cho độ nhớt của nước giảm đi và các ion có thể chuyển động nhanh hơn Bởi vì các ion có kích thước và số lượng khác nhau trong dung dịch nên hiệu ứng nhiệt độ là khác nhau cho mỗi loại ion Một cách đặc trưng: độ dẫn khác nhau khoảng 1%- 3%/ 0C và hệ số nhiệt độ này có thể khác nhau đối với mỗi nhiệt độ và nồng độ dung dịch (Bảng 2A)

Bảng 2A Sự thay đổi % độ dẫn của một số dung dịch theo nhiệt độ[1]

Dung dịch % / 0CNước tinh khiết

1 Định luật Ohm, điện dẫn suất [3]

Độ dẫn điện là khả năng dẫn điện của dung dịch Nước tinh khiết ở nhiệt

độ thông thường luôn luôn có cùng một độ dẫn Độ dẫn của mẫu nước tinh khiết phụ thuộc vào cách đo như thế nào, độ lớn của mẫu đo ra sao, khoảng cách xa nhau của các điện cực bao nhiêu vv…

Hệ số sensor (K) liên quan đến đặc trưng vật lý của sensor K được xác định

đối với hai tấm phẳng, song song làm điện cực đo cách nhau một khoảng l và

có diện tích q

Nếu chọn kích thước hình học của các điện cực đối với 1cm3 của chất lỏng sao cho tỉ số K = l/q= 1cm-1 thì phương trình (2.5) trở thành

k= 1/R (2.6) Như thế việc đo điện dẫn suất được đưa về đo trị số nghịch đảo của điện trở Trong thực tế, giá trị hệ số sensor (K) được ghi vào trong máy đo và sự biến

đổi từ độ dẫn điện này đến độ dẫn điện khác không thay đổi một cách tự động Giá trị K được dùng với các giá trị khác nhau với khoảng đo tuyến tính của sensor được lựa chọn Thông thường với nước tinh khiết: K= 0.1 cm-1; trong khi với nước môi trường và các dung dịch công nghiệp K= 0.4ữ1 cm-1 Sensor với K đạt tới 10cm-1 là tốt nhất đối với mẫu có dẫn rất cao Đối với một vài dung dịch, chẳng hạn như nước tinh khiết chỉ số độ dẫn thấp do đó mà người

ta hay dùng diện trở suất và điện trở để thay thế Điện trở suất tỉ lệ nghịch với tính dẫn và điện trở tỷ lệ nghịch với độ dẫn

2 Cách đo độ dẫn [1]

Độ dẫn của dòng điện dễ dàng thay đổi theo sự thay đổi của nồng độ ion trong dung dịch, độ dẫn của dung dịch tỷ lệ với nồng độ ion có trong nó Cần chú ý rằng một vài dung dịch có nồng độ rất cao có thể không thấy trực tiếp sự tương quan của độ dẫn với nồng độ Sự tương tác ion có thể xảy ra sau sự liên hệ tuyến tính giữa độ dẫn và nồng độ, chẳng hạn như dung dịch H2SO4

Đơn giản nhất có hai tấm phẳng điện cực đo đặt đối diện nhau trong dung dịch và cho điện thế đi qua hai điện cực, chúng ta sẽ đo dòng điện chạy giữa hai điện cực

Vì dạng hình học của cực đo ảnh hưởng đến giá trị đo độ dẫn nên phép đo chuẩn được thực hiện với dung dịch chuẩn sau đó được so sánh với các dung dịch khác với cùng cực đo

Thực ra có rất nhiều khó khăn trong thực tế Dung dịch có tính dẫn điện là nhờ có sự chuyển động của các ion Nếu dùng điện thế một chiều (DC) giữa các bản cực thì điện thế này sẽ làm trung hoà các ion gần các bản cực, đó là nguyên nhân của sự phân cực và điện trở đo được sẽ cao hơn điện trở thực

Điều này có thể được loại trừ bằng việc dùng điện thế xoay chiều (AC) Nhưng sau đó người thiết kế thiết bị đo phải điều chỉnh đối với hiệu ứng tụ

điện và những hiệu ứng khác Các thiết bị mẫu có hai điện cực tinh xảo dùng dạng sóng AC phức tạp để giảm nhỏ nhất hiệu ứng này và bằng việc dùng sensor chuẩn đo nhiệt độ để hiệu chỉnh hệ số nhiệt ta sẽ thu được kết quả chính xác về độ dẫn của dung dịch đo

Lý thuyết sensor 4 cực đo và lợi ích thực tế

Do không thể hiệu chỉnh được đối với sự lắng đọng của các chất trong dung dịch ở trên bề mặt của các điện cực và loại trừ nó hoàn toàn ra khỏi phép

đo độ dẫn cho nên chỉ có thể làm giảm cực tiểu sự ảnh hưởng của nó đến phép

đo Kỹ thuật tinh vi hơn là dùng 4 cực đo 4 cực đo độ dẫn có lợi ích thực tiễn cho dung dịch có độ dẫn cao Đó là những ưu điểm sau:

- Làm giảm cực tiểu sự ảnh hưởng của hiệu ứng phân cực và sự làm bẩn

điện cực

- Loại trừ lỗi do điện trở cáp nối và điện trở nối sensor

4 điện trở đo gồm 2 điện cực đo dòng và điện cực thế Cực truyền dùng thế xoay chiều và dòng xoay chiều giữa 2 cực đo dòng được đo để xác định độ dẫn Biên độ thế xoay chiều trên 2 cực dẫn được kiểm tra bằng việc đo điện thế trên 2 cực sensor Cần phải tạo ra một điện từ trường đủ mạnh cho sensor

và điện từ trường này sẽ tạo ra dòng điện dẫn giữa hai cực của sensor tỷ lệ với

độ dẫn điện của dung dịch Khi đó lỗi do sự phân cực, sự làm bẩn điện cực và

điện trở của dây nối là nhỏ nhất

3 Hiệu ứng phân cực

Khi dùng điện áp DC cho các điện cực độ dẫn, các ion có trong dung dịch

sẽ được tích điện trên điện cực và bằng việc từ bỏ hoặc chấp nhận điện tích, hình dạng phân tử bị thay đổi Lúc đó dòng các ion bên trong sẽ thực hiện liên tục với thời gian rất ngắn và do đó dòng điện sẽ giảm xuống không [12] Vì vậy điện áp AC được dùng để đo độ dẫn Tuy nhiên sự phân cực có thể vẫn còn xảy ra ở nửa chu kỳ của một chiều phân cực, kết quả làm yếu dòng diện dẫn

Lỗi của sự phân cực xảy ra trong trường hợp dùng sensor 2 điện cực Sự ảnh hưởng này có thể được bù trừ với hệ 4 điện cực

4 Sự làm bẩn bề mặt điện cực

Điện cực bẩn sẽ là chất bẩn trong dung dịch và là nguyên nhân làm độ dẫn thay đổi Mỡ, dầu, ngón tay và các chất bẩn khác ở trên cảm biến có thể là nguyên nhân làm sai phép đo và độ nhạy ngẫu nhiên

Sự lắng đọng trên bề mặt của sensor 2 điện cực có ảnh hưởng giống như sự phân cực, điều này làm giá trị đọc độ dẫn thấp hơn so với thực tế Sự ảnh hưởng này cũng được bù trừ với hệ 4 cực đo

Làm sạch điện cực:

Việc đơn giản nhưng rất quan trọng đòi hỏi phép đo có kết quả chính xác và có tính lặp lại cao là sự làm sạch điện cực

Phương pháp làm sạch:

- Thông dụng nhất là dùng nước nóng với xà phòng

- Đối với dung dịch có hydroxide được làm sạch với 5-10% dung dịch hydrochloric acid

- Đối với dung dịch có tác nhân cáu bẩn hữu cơ (mỡ, dầu, etc…) làm sạch điện cực đo với acetone

- Đối với tảo và vi khuẩn có trong dung dịch, làm sạch điện cực đo bằng dung dịch tẩy trắng

Làm sạch điện cực bằng cách nhúng hoặc đổ tràn điện cực bằng dung dịch làm sạch và rung lắc 2 hoặc 3 phút Khi cần phải làm sạch điện cực tốt hơn ta dùng dung dịch axit hydrochloric đặc trộn với 50% isopropanol Rửa điện cực vài lần với nước cất hoặc nước khử ion và đo lại hằng số điện cực trước khi dùng

5 Điện trở cáp nối

Điện trở cáp nối sẽ cộng với giá trị đo độ dẫn của mẫu đo trong trường hợp

đầu đo có hai điện cực gây ra sai lệch kết quả đo Điện trở này được bù trừ trong trường hợp đầu đo bốn điện cực và không có lỗi xảy ra Đây là một điều quan trọng trong các phép đo độ dẫn

6 Hiệu ứng điện trường ở biên cực đo

Hiệu ứng điện trường ở biên cực đo có thể gây ra lỗi cho phép đo độ dẫn

Đây là một phần của điện trường đo mà phần phình ra ở ngoài diện tích lý thuyết 1cm3 Lỗi này có thể được hiệu chỉnh ra khỏi phép đo, nhưng sau đó

ảnh hưởng đến phép đo nếu có bất kỳ đối tượng nào tương tác với điện trường của đầu đo, chẳng hạn như kích thước của bình đựng mẫu đo Đầu đo độ dẫn cao cấp được thiết kế để giảm nhỏ nhất hiệu ứng này Nếu toàn bộ trường đo

được nằm trong khối điện cực thì tránh được lỗi điện trường biên gây bởi kích

cỡ của bình đựng mẫu đo

7 Tính bền của đầu đo

Vật liệu làm đầu đo có thể chọn để phù hợp với yêu cầu của việc áp dụng

Đối với nước tinh khiết vật liệu thép không gỉ được lựa chọn Vật liệu thuỷ tinh và Pt được lựa chọn đối với mẫu hoá học

8 Sự phụ thuộc của độ dẫn điện của dung dịch vào nhiệt độ

Độ dẫn của dung dịch phụ thuộc rất mạnh vào nhiệt độ và thành phần dung dịch Ví dụ: Với nước siêu sạch điện trở suất chỉ khác nhau 5,5%/ 0C ở gần

250C , với nước ion muối có hệ số nhiệt 2%/ 0C Trong khi đó axit và các loại dung dịch khác có hệ số nhiệt 1,5%/ 0C

Độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình:

GT= GT25[ 1+ à(t- t25)]

Trong đó: à là hệ số nhiệt của dung dịch

GT25 là độ dẫn nhiệt của dung dịch tại 250C

t25 là nhiệt độ 250C

t là nhiệt độ đo

Thông thường độ dẫn nhiệt của sensor được hiệu chỉnh bù với nhiệt độ bằng

điện trở nhiệt

Máy đo độ dẫn được hiệu chỉnh với dung dịch chuẩn trước khi tiến hành đo

độ dẫn của dung dịch Lựa chọn dung dịch chuẩn gần với đặc tính độ dẫn của dung dịch đo để có được kết quả chính xác nhất Độ dẫn chuẩn của dung dịch

được đo chuẩn ở nhiệt độ 250C và hiệu ứng nhiệt phải được loại trừ

B Đo độ dẫn bằng phương pháp hỗ cảm từ [4]

1 Nguyên tắc thiết kế

Dựa trên hiện tượng hỗ cảm Hiện tượng hỗ cảm của hai mạch là sự xuất hiện s.đ.đ cảm ứng của một trong hai mạch khi làm biến thiên dòng điện ở trong mạch kia Sự biến thiên của mạch này sẽ gây ra sự biến thiên từ thông qua mạch kia và tạo nên trong mạch đó một s.đ.đ cảm ứng

S.đ.đ hỗ cảm trong 2 mạch được tính theo công thức

dt

dI M

E1= ư 1 ;

dt

dI M

M là hệ số hỗ cảm phụ thuộc hình dạng, kích thước, vị trí tương hỗ của

hai mạch và phụ thuộc vào môi trường xung quanh

[M] = Henry (H)

2 Sơ đồ nguyên lý đo [7]

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý đo độ dẫn điện bằng sự hỗ cảm từ

l1, l2 là các cuộn dây có lõi ferit

M là hệ số hỗ cảm của dung dịch cần đo độ dẫn điện.

3 Cơ cấu hoạt động

Tín hiệu hình sin từ máy phát chuẩn qua cuộn l1 có lõi ferit truyền qua dung

dịch và gây ra trong cuộn l2 một s.đ.đ hỗ cảm Đo s.đ.đ hỗ cảm thu được trên

cuộn l2 chúng ta biết được độ dẫn điện của dung dịch - từ đó tính ra nồng độ i on trong dung dịch Các tụ C1, C2, V2 dùng để bù thành phần cộng hướng nối tiếp và

cộng hướng song song của U, I trên cuộn hỗ cảm l2 Mà thực chất của vấn đề là

bù vào giá trị của M Khi đó giá trị đo được mới chính xác [5]

4 Tính chất của lõi Ferit [13]

Vì ferit có điện trở suất lớn (∼108 Ωm) nên thực tế ferit không có tổn hao năng lượng do dòng Fucô sinh ra Khi nhiệt độ tăng thì tính từ dư của ferit bị giảm đi

(hay độ cảm từ χ của ferit giảm đi vì χ ∼

T

1

)

5.Tính chất của dung dịch

Đối với dung dịch: vận tốc chuyển động nhiệt trung bình của các phân tử trong dung dịch ∼ eưB Khi nhiệt độ tăng làm hệ số khuếch tán tăng, thời gian

cư trú của các phân tử ở vị trí cân bằng giảm đi Năng lượng chuyển động nhiệt tăng lên làm độ dẫn điện của dung dịch tăng

ảnh hưởng của điện từ trường ngoài lên dung dịch: Như ta đã biết thời gian cư trú trung bình của phân tử τ ∼ τ0 (τ0 là chu kỳ dao động quanh vị trí cân bằng của phân tử) Khi trường ngoài có tần số dao động riêng cưỡng bức làm thay đổi τ0 Với tần số càng tăng thì làm τ giảm đi khi đó hệ số khuếch tán của phân tử trong dung dịch tăng lên

d

d M

E = ư nên Etc phụ thuộc M

Do đó kích thước hình học của lõi ferit, cuộn dây ảnh hưởng rõ rệt đến độ từ hoá J, B H, à Như vậy với mỗi kích thước hình học nhất định của lõi ferit ta

sẽ có các giá trị thông số J, B, H, à thích hợp cho việc sử dụng

- Với dung dịch: Chất lỏng không có hình dạng cố định Hình dạng của chất lỏng phụ thuộc vào hình dạng vật chứa nó Vùng đo của Sensor phụ thuộc vào kích thước hình dạng của vật chứa dung dịch và Sensor [8] Nếu vật đựng có kích thước nhỏ thì ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán của các phân tử trong dung dịch, ảnh hưởng đến quãng đường tự do trung hình của phân tử Điều này dẫn đến độ linh động của các phân tử trong dung dịch bị giảm làm cho mật độ dòng điện trong dung dịch gây ra bởi các phân tử không đồng nhất ở phần hỗ cảm của Sensor đó thay đổi nó làm cho kết quả đo bị thay đổi, không

đồng nhất Nếu vật đựng dung dịch có kích thước lớn hơn rất nhiều so với kích thước của Sensor đo thì khắc phục được sự bất đồng nhất về mật độ dòng điện trong dung dịch ở phần hỗ cảm của Sensor, kết quả ít bị ảnh hưởng

Như vậy ta có thể xác định được nồng độ của các loại dung dịch bằng cách chọn các loại sensor [9] khác nhau cho các loại dung dịch khác nhau

C Độ dẫn nhiệt [2]

1 Định luật Fourier cho độ dẫn nhiệt

Năng lượng nhiệt sẽ lưu thông từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt

độ thấp khi có một gradien nhiệt độ bên trong vật thể Hiện tượng này gọi là

sự dẫn nhiệt và được mô tả bởi phương trình Fourier:

υaUυb = υ Trong phương trình nhiệt năng lượng tổng cộng trên một đơn vị thể tích được

thể hiện rõ qua sự khuếch tán nhiệt độ liên hệ với hệ số dẫn nhiệt k, nhiệt

3 Phép lấy đạo hàm phương trình nhiệt

Theo định luật bảo toàn năng lượng đối với vật thể nhỏ, phương trình nhiệt được mô tả:

Nhiệt độ được

dẫn vào +

Nhiệt tổng cộng bên trong =

Nhiệt độ dẫn ra +

Sự thay đổi năng lượng tích luỹ bên

trong Kết hợp nhiệt được dẫn vào và dẫn ra ta có:

Nhiệt chủ yếu

được dẫn ra =

Nhiệt tổng cộng bên trong -

Sự thay đổi năng lượng tích luỹ bên trong Phương trình toán học được mô tả:

∇q = qtổng-

dt de

Sự thay đổi năng lượng e bên trong liên hệ với khả năng tích trữ nhiệt của vật thể bởi sự tăng nhiệt độ của nó:

dt

dT C dt

D áp suất của dung dịch

1 Phương phỏp đo ỏp suất đối với dung dịch :

Áp suất của dung dịch được cho tỏc dụng lờn một bề mặt xỏc định của thành ống, như vậy đầu tiờn ỏp suất được biến thành lực.Việc đo ỏp suất được đưa

về đo lực.Tất cả lực tỏc dụng lờn một mặt phẳng xỏc định là thước đo ỏp suất

Đo ỏp suất được hiểu là đo ỏp suất đối với một ỏp suất định chuẩn ( ỏp suất

Trong đó : p là áp suất , [p] = Pascal (Pa) = N/m2

F là lực, [F]=N

A là diện tích, [A]= m2

Các d¹ng đo áp suất:

a Áp suất tuyệt đối ( psia)

b Áp suất vi sai (psid)

c Áp suất đo ( gauge)

d Áp suất phức hợp ( compound)

Đơn vị chuyển đổi của áp suất :

1atm = 1,01325 bar = 1,01325 105 Pa = 14,7 psi = 760,0 Torr =760,0 mmHg + Nguyên lý đo áp suất của máy đo áp suất của chất lỏng chuyển động:

Áp suất trong chất lỏng chuyển động song song với hướng dòng chảy được gọi là áp suất va chạm:

Điện trở của dây dẫn điện :

R = ρ

s l

Sự thay đổi tương đối của R:

R R

D D

/

/

∆

∆

Ta cú: K =

l l

R R

R R

2 Dung dịch acetate, dung dịch bicarbonate A,B ( A: acid bicarbonate ,

B: basic bicarbonate) dùng cho dung dịch lọc máu

Theo lý thuyết phép đo độ dẫn, tuỳ theo giá trị cần đo độ dẫn của dung dịch

mà ta có thể thiết kế chế tạo sensor cho phù hợp với dung dịch