Nghiên cứu và thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn

Nghiên cứu và thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn

Mở đầu 1 Đặt vấn đề

Đã từ xa xưa, mặc dù chưa nhận thức được sự tồn tại của vi khuẩn, nhưng loài người cũng đã biết được khá nhiều về tác dụng do vi khuẩn gây nên Đến nay trong quá trình sản xuất và trong cuộc sống, loài người đã tích lũy được rất nhiều kinh nghiệm quý báu về các biện pháp ứng dụng những vi khuẩn có ích và phòng tránh những vi khuẩn có hại

Vi khuẩn có kích thước nhỏ bé và có cấu trúc cơ thể tương đối đơn giản nhưng chúng có tốc độ sinh sôi nảy nở rất nhanh chóng và hoạt động trao đổi chất vô cùng mạnh mẽ Vi khuẩn có khả năng góp phần phân giải hầu hết các loại chất trên Trái Đất, kể cả các chất rất khó phân giải, hoặc các chất thường gây độc hại đến các nhóm sinh vật khác Bên cạnh khả năng phân giải vi khuẩn còn có khả năng tổng hợp nhiều hợp chất hữu cơ phức tạp trong điều kiện nhiệt độ, áp suất bình thường

Ngoài những tác dụng to lớn của vi khuẩn thì chúng ta cũng không thể không kể đến không ít những vi khuẩn có hại, chúng gây bệnh cho người, cho gia súc, gia cầm, tôm cá, cho cây trồng, cây rừng, chúng làm hư hại hoặc biến chất lương thực, thực phẩm, nguyên vật liệu, hàng hóa Chúng sản sinh ra các độc tố trong đó có những độc tố hết sức độc hại

Trong Y học cũng như trong chăn nuôi, trồng trọt một trong những vấn đề lớn đó là có thể phòng chống được các bệnh truyền nhiễm và các phương pháp đề phòng dịch bệnh có thể lây nhiễm từ súc vật sang người, từ người sang người

Trong xu thế áp dụng rộng rãi Điện tử, Tin học vào cuộc sống, hầu hết các thiết bị hiện nay có sử dụng Điện tử đã và đang được hoàn thiện nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống Đặc biệt là trong Y học và trong chăn nuôi, để có thể nuôi cấy và duy trì sự sống của những vi khuẩn nhằm nghiên cứu phục vụ cho cuộc sống và sản xuất, đặc biệt là phục vụ cho việc nghiên cứu khoa học nhằm phát hiện ra những vi khuẩn có ích khác và những vi khuẩn có hại

mới để có thể khống chế được chúng, sử dụng chúng vào những việc có lợi cho con người Khi đó, tủ nuôi cấy vi khuẩn có sử dụng mạch điện tử vào điều khiển đã ra đời nhằm duy trì sự sống cho vi khuẩn và nuôi cấy chúng ở nhiệt độ và thời gian nhất định nào đó

Mặc dù trên thế giới hiện nay có khá nhiều chủng loại thiết bị nuôi cấy hiện đại, công suất lớn Song một phần nào đó không hoàn toàn phù hợp với điều kiện ở Việt Nam

Do đó, để đáp ứng phần nào đó những nhu cầu trên cùng với sự nắm bắt được những tiến bộ của khoa học kỹ thuật đặc biệt là điện tử đã và đang được ứng dụng mạnh mẽ vào cuộc sống và sản xuất chúng tôi tiến hành đề tài:

“Nghiên cứu và thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn” Trong quá trình thực hiện đề tài chúng tôi tiến hành nghiên

cứu và khảo sát các loại tủ nuôi cấy trong bệnh viện Bạch Mai, khảo sát sự biến đổi của nhiệt độ và thời gian trong quá trình nuôi cấy Từ kết quả đó chúng tôi tiến hành xây dựng mô hình và lắp ráp trên thực tế Với những kết quả đã đạt được, khẳng định hệ thống điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy do chúng tôi thiết kế là hoàn toàn có tính khả thi trong điều kiện nước ta hiện nay

2 Mục đích của đề tài

Trên cơ sở những kiến thức đã học được trong nhà trường và những kiến thức thực tế tiếp thu được trong quá trình thực tập chúng tôi mạnh dạn đề xuất, thiết kế mạch tự động điều chỉnh nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn và lắp ráp mạnh tự động điều chỉnh nhiệt độ Mạch này có thể dùng để thay thế các mạch điều chỉnh nhiệt độ trong các tủ gặp sự cố cần sửa chữa để không làm gián đoạn thời gian nghiên cứu của các nhà vi sinh vật Đặc biệt, mạch này cũng có thể dùng để lắp mới

3 Nội dung của đề tài

Tìm hiểu khái quát về đặc điểm và các điều kiện sống của vi khuẩn, các tác động của môi trường đối với điều kiện phát triển của vi khuẩn

Trình bày nguyên tắc chung của mạch điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy

Giới thiệu một số sơ đồ điều khiển thực tế đang được sử dụng và những phụ kiện quan trọng đối với mạch điều khiển nhiệt độ

Tính toán và thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết - Nghiên cứu theo phương pháp ứng dụng - Nghiên cứu theo phương pháp chuyên gia

Chương 1

Tìm hiểu đặc điểm, điều kiện sinh sống của vi khuẩn và tác động của môi trường đối với sự phát triển của vi khuẩn

1.1 Khái niệm chung

Xung quanh ta ngoài các sinh vật lớn mà chúng ta có thể nhìn thấy được còn có vô vàn các sinh vật nhỏ bé, muốn nhìn thấy chúng phải dùng kính hiển vi Người ta gọi chúng là vi khuẩn

Vi khuẩn sống ở khắp mọi nơi trên Trái Đất: từ đỉnh núi cao cho đến tận đáy biển sâu, trong không khí, trong đất, trong hầm mỏ, trong sông ngòi, ao hồ, trên da, trong từng bộ phận của cơ thể người, động vật, thực vật, trong các sản phẩm lương thực, thực phẩm, vật liệu, hàng hóa ngay cả ở trong những nơi mà điều kiện sống tưởng chừng như hết sức phức tạp và khắc nhiệt nhất mà vẫn thấy có sự phát triển của vi khuẩn

Chẳng hạn như vi khuẩn Pseudomonas bathycetes chúng có thể sống được dưới đáy đại dương, nơi mà có áp suất lên tới 1000 atm và nhiệt độ thường xuyên chỉ vào khoảng 30C Vi khuẩn Sulfolobus acidorcaldrius phát triển một cách bình thường trong nhiệt độ khoảng từ 85 – 900C Vi khuẩn Thiobacillus ferroxidans phát triển trong các dung dịch ở mỏ sắt có độ pH = 1 - 2 Vi khuẩn Streptococcus faecalis lại có thể phát triển tốt ở môi trường có độ PH = 10 - 11 Vi khuẩn ưa mặn thuộc các chi Halobacterium, Halococcus phát triển được trong các dung dịch bão hòa muối (32% NaCl) Có cả những vi khuẩn có khả năng đồng hóa dầu mỏ, phenol, khí thiên nhiên

Người ta đã làm thí nghiệm và tính toán được rằng trong 1gam đất lấy ở tầng canh tác thường có khoảng từ 1 - 22 tỉ con vi khuẩn, 0.5 - 14 triệu xạ khuẩn, 3 - 50 triệu vi nấm, 10 - 30 nghìn vi tảo và trong 1m3 không khí ở phía trên chuồng gia súc thường có từ 1 - 2 triệu vi sinh vật, trên đường phố có khoảng 5000 vi sinh vật sinh sống, nhưng đặc biệt trên mặt biển chỉ có khoảng từ 1 - 2 vi sinh vật sinh sống mà thôi

Đặc biệt là kể từ đầu thập kỷ 70 của thế kỷ XX người ta đã bắt đầu thực hiện thành công thao tác di truyền ở vi khuẩn Đó là việc chuyển một gen hay một nhóm gen từ một vi khuẩn hay một tế bào các vi khuẩn bậc cao (như

người, động vật, thực vật) sang tế bào của vi khuẩn khác Vi khuẩn mang gen tái tổ hợp nhiều khi đã mang lại những lợi ích rất to lớn bởi vì có thể sản sinh ở quy mô công nghiệp những sản phẩm trước đây chưa được tạo thành bởi vi khuẩn

1.2 Đặc điểm chung của vi khuẩn

1.2.1 Kích thước nhỏ bé

Mắt con người khó thấy được rõ những vật có kích thước nhỏ khoảng 1mm Vậy mà vi khuẩn thường được đo bằng micromet Chính vì vi khuẩn có kích thước nhỏ bé cho nên diện tích bề mặt của vi khuẩn hết sức lớn Chẳng hạn như số lượng cầu khuẩn chiếm thể tích 1cm3 có diện tích bề mặt là 6m2

1.2.2 Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh

Vi khuẩn tuy có kích thước nhỏ bé nhất trong sinh giới nhưng năng lượng hấp thu và chuyển hóa của chúng có thể vượt xa các sinh vật bậc cao Chẳng hạn như vi khuẩn Lactic trong 1 giờ có thể phân giải một lượng đường Lactozơ nặng hơn 1000 - 10000 lần khối lượng của chúng Nếu tính số μl O2

mà mỗi mg chất khô của cơ thể vi khuẩn tiêu hao trong một giờ thì ở mô lá hoặc mô rễ thực vật là 0.5 - 4, ở tổ chức gan và thận động vật là 10 - 20, ở vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas là 1200, ở vi khuẩn thuộc chi Azotobacter là 2000 Năng lực chuyển hóa sinh hóa mạnh mẽ của vi sinh vật dẫn đến những tác dụng lớn lao của chúng trong thiên nhiên cũng như trong các hoạt động sống của con người

1.2.3 Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh

So với các sinh vật khác thì vi sinh vật nói chung và vi khuẩn nói riêng có tốc độ sinh trưởng và sinh sôi nảy nở cực lớn Chẳng hạn như vi khuẩn Escherichia coli trong các điều kiện thích hợp thì cứ khoảng 12 - 20 phút lại phân chia một lần Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân chia 3 lần, 24 giờ phân chia 72 lần, từ một tế bào ban đầu sẽ sinh ra 5ì1021 tế bào tương đương với khoảng 4722 tấn Tuy nhiên trong thực tế không thể tạo ra được các điều kiện sinh trưởng lý tưởng như vậy được cho nên số lượng vi

khuẩn thu được trong 1ml dịch nuôi cấy thường chỉ đạt tới mức độ 108 - 109 tế bào

1.2.4 Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị

Năng lực thích ứng của vi khuẩn vượt rất xa so với động vật và thực vật Trong quá trình tiến hóa lâu dài vi khuẩn đã tạo cho mình những cơ chế điều hòa trao đổi chất để thích ứng được những điều kiện sống rất bất lợi Sự thích ứng của vi khuẩn nhiều khi vượt xa trí tưởng tượng của con người Phần lớn vi khuẩn có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-1960C), thậm chí ở nhiệt độ của hidrô lỏng (-2530C), một số vi khuẩn có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 2500C, thậm chí 3000C Một số vi khuẩn có thể thích nghi với nồng độ 32% NaCl Vi khuẩn Thiobaccillus thioxidans có thể sinh trưởng ở pH = 0.5 trong khi vi khuẩn Thiobacillus denitrificans lại thích hợp với điều kiện phát triển ở pH = 10,7 Vi khuẩn Micrococus radidurans có thể chịu được cường độ bức xạ tới 750.000 rad

Vi khuẩn rất dễ phát sinh biến dị bởi vì thường là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống Tần số biến dị thường là 10- 5- 10-10

1.2.5 Phân bố rộng, chủng loại nhiều

Vi khuẩn phân bố ở khắp mọi nơi trên Trái Đất Chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong đất, trong nước, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi cho đến núi cao, từ nước ngầm cho đến nước biển

Trong đường ruột của người số lượng vi khuẩn Bacteroides fragilis cao nhất chúng đạt tới số lượng 1010 - 1011/g phân, gấp 100 - 1000 lần số lượng vi khuẩn Escherichia coli

ở độ sâu 10000m của Đông Thái Bình Dương nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo và có áp suất rất cao người ta phát hiện thấy có khoảng 1 triệu đến 10 tỉ vi khuẩn/ml chủ yếu là vi khuẩn lưu huỳnh

1.3 Điều kiện sinh sống của vi khuẩn

Điều kiện sinh sống của vi khuẩn ở đây là các chất dinh dưỡng và nguồn

thức ăn của chúng

1.3.1 Thành phần tế bào và các chất dinh dưỡng của vi khuẩn

Các chất dinh dưỡng đối với vi khuẩn là bất kỳ chất nào được vi khuẩn hấp thụ từ môi trường xung quanh và được chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp cho các quá trình tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho quá trình trao đổi năng lượng

Quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng để thỏa mãn mọi nhu cầu sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn

Không phải mọi thành phần của môi trường nuôi cấy vi khuẩn đều được coi là chất dinh dưỡng Một số chất rắn cần thiết cho vi khuẩn nhưng chỉ làm nhiệm vụ bảo đảm các điều kiện thích hợp về thế oxy hóa - khử, về pH, về áp suất thẩm thấu, về cân bằng ion Chất dinh dưỡng phải là những hợp chất có tham gia vào các quá trình trao đổi chất nội bào

Thành phần hóa học của tế bào vi khuẩn quyết định nhu cầu dinh dưỡng của chúng Thành phần hóa học cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, các nguyên tố khoáng đa lượng và các nguyên tố khoáng vi lượng Chỉ riêng các nguyên tố C, H, O, N, P, S, K, Na đã chiếm đến 98% khối lượng khô của tế bào vi khuẩn E.coli

Lượng chứa các nguyên tố ở các vi khuẩn khác nhau là không giống nhau ở các điều kiện nuôi cấy khác nhau, các giai đoạn khác nhau, lượng chứa các nguyên tố cùng loài vi khuẩn cũng không giống nhau Trong tế bào vi khuẩn

các hợp chất được chia thành: nước và các muối khoáng, các chất hữu cơ

aw =

Trong đó p là áp lực hơi của dung dịch, p0 là áp lực hơi nước Chẳng hạn như nước nguyên chất có aw = 1, nước biển có aw = 0.980, máu người có aw= 0.995

Phần nước có thể tham gia vào các quá trình trao đổi chất của vi khuẩn được gọi là nước tự do Đa phần nước trong tế bào vi khuẩn tồn tại ở dạng nước tự do Nước kết hợp là phần nước liên kết với các hợp chất hữu cơ cao phân tử trong tế bào (protein, lipit, hidrat cacbon ) Nước liên kết mất khả năng hòa tan và lưu động

Muối khoáng chiếm khoảng 2 - 5% khối lượng khô của tế bào Chúng thường tồn tại dưới dạng các muối sunphat, photphat, cacbonat, clorua Trong tế bào chúng thường ở dạng các ion Dạng cation chẳng hạn như Mg2+, Ca2+, K+, Na+ Dạng anion chẳng hạn như HPO42-, SO42-, HCO3-, Cl- Các ion trong tế bào vi khuẩn luôn tồn tại ở những tỉ lệ nhất định nhằm duy trì độ pH và lực

thẩm thấu thích hợp cho từng loại vi khuẩn

+ Chất hữu cơ

Chất hữu cơ trong tế bào vi khuẩn chủ yếu cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, P, S Riêng 4 nguyên tố C, H, O, N đã chiếm tới 90 - 97% toàn bộ chất khô của tế bào Đó là các nguyên tố chủ chốt để cấu tạo nên protein, axit nucleic, lipit, hidrat cacbon Trong tế bào vi khuẩn các hợp chất đại phân tử thường chiếm tới 96% khối lượng khô, các chất đơn phân tử chỉ chiếm có 3.5% còn các ion vô cơ chỉ chiếm có 1%

Dưới đây là bảng tổng kết thành phần hóa học của một tế bào vi khuẩn do nhà khoa học F.C.Neidhardt tổng kết năm 1987

Bảng 1.1

Phân tử % Khối lượng Số phân tử/ tế bào Số loại phân tử

2ì ư g; (2) là Pepidoglican và glicogen; (3) là 4 loại photpholipit, mỗi loại có nhiều nhóm khác nhau phụ thuộc vào thành phần axit béo

1.3.2 Nguồn thức ăn cacbon của vi khuẩn

Đối với vi khuẩn nguồn cacbon được cung cấp có thể là chất vô cơ (CO2, NaHCO3, CaCO3 ) hoặc chất hữu cơ Giá trị dinh dưỡng và khả năng hấp thụ các nguồn thức ăn cacbon khác nhau phụ thuộc vào 2 yếu tố: một là thành phần hóa học và tính chất sinh lí của nguồn thức ăn này, hai là đặc điểm sinh lí của từng loại vi khuẩn

Người ta thường sử dụng đường để làm thức ăn cacbon khi nuôi cấy phần lớn các vi khuẩn dị dưỡng Cần chú ý đường đơn ở nhiệt độ cao có thể bị chuyển hóa thành loại hợp chất có màu tối gọi là đường cháy rất khó hấp thụ Trong môi trường kiềm sau khi khử trùng đường còn dễ bị axit hóa và làm biến đổi pH môi trường Để tránh các hiện tượng này khi khử trùng môi trường chứa đường người ta thường chỉ hấp ở áp lực 0.5 atm (112.50C) và duy trì trong 30 phút Với các loại đường đơn tốt nhất là nên sử dụng phương pháp hấp gián

đoạn hoặc lọc riêng dung dịch đường (thường dùng nồng độ 20%) bằng nến lọc hoặc màng lọc vi khuẩn sau đó mới dùng thao tác vô trùng để bổ sung vào các môi trường đã khử trùng

Khi chế tạo các môi trường chứa tinh bột trước hết phải hồ hóa tinh bột ở nhiệt độ 60 - 700C sau đó đun sôi rồi mới đưa đi khử trùng ở nồi hấp áp lực Xenlulozơ được đưa vào các môi trường nuôi cấy, vi khuẩn phân giải Xenlulozơ dưới dạng giấy lọc, bông hoặc các loại bột Xenlulozơ

Khi sử dụng lipit, parafin, dầu mỏ Để làm nguồn cacbon nuôi cấy một số loại vi khuẩn phải thông khí mạnh để cho từng giọt nhỏ có thể tiếp xúc được với thành tế bào từng vi khuẩn

Để nuôi cấy các loại vi khuẩn người ta thường dùng nồng độ đường là 0.5 - 0.2% Hầu hết các vi khuẩn chỉ đồng hóa được các loại đường ở dạng đồng phân D

Các chất hữu cơ chứa cả C và N (pepton, nước thịt, nước chiết ngô, nước chiết đại mạch, nước chiết giá đậu ) có thể sử dụng vừa làm nguồn C vừa làm nguồn N đối với vi khuẩn

Phạm vi đồng hóa các nguồn thức ăn cacbon của từng loài vi khuẩn cụ thể rất khác nhau: có thực nghiệm cho thấy loài vi khuẩn Pseudomonas cepacia có thể đồng hóa trên 90 loại nguồn thức ăn cacbon khác nhau, trong khi đó các vi khuẩn sinh metan chỉ có thể đồng hóa được CO2 và vài loại hợp chất chứa 1C hoặc 2C

Với vi khuẩn dị dưỡng nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng: nguồn dinh dưỡng và nguồn năng lượng Nhất là các vi khuẩn gây bệnh sống trong máu, trong các tổ chức hoặc trong ruột của người và động vật muốn sinh trưởng được ngoài nguồn cacbon hữu cơ còn cần phải được cung cấp một lượng nhỏ CO2 thì mới phát triển được

1.3.3 Nguồn thức ăn nitơ của vi khuẩn

Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi khuẩn là NH3 và NH+

4 Nhiều khi để nuôi cấy vi khuẩn bằng nguồn nitơ là Urê người ta phải bổ sung thêm muối amon (như amon sunphat chẳng hạn) Sở dĩ như vậy là bởi vì có thức ăn nitơ dễ hấp thụ cho vi khuẩn phát triển đã thì mới có thể sản sinh ra được Ureaza để thủy phân Urê

Cũng có loại vi khuẩn sở dĩ không phát triển được trên môi trường chỉ có nguồn thức ăn nitơ là muối amon không phải là không đồng hóa được muối này mà là do chúng đòi hỏi phải được cung cấp thêm một vài loại axit amin không thay thế nào đó

Vi khuẩn có khả năng đồng hóa rất tốt nitơ chứa trong các thức ăn hữu cơ Các thức ăn này sẽ vừa là nguồn cacbon vừa là nguồn nitơ cung cấp cho vi khuẩn

Nguồn nitơ hữu cơ thường được sử dụng để nuôi cấy vi khuẩn là Pepton loại chế phẩm thủy phân không triệt để của một nguồn protein nào đấy

Đối với đa số vi khuẩn người ta thường nuôi cấy có những thành phần sau: pepton (5g), cao thịt (3g), NaCl (8g), nước cất (1000ml) Nếu làm môi trường đặc thì bổ sung thêm 15 - 20g thạch

1.3.4 Nguồn thức ăn khoáng của vi khuẩn

Khi sử dụng các môi trường thiên nhiên để nuôi cấy vi khuẩn người ta thường không cần thiết bổ sung các nguyên tố khoáng Trong nguyên liệu dùng làm các môi trường này (khoai tây, nước thịt, sữa, huyết thanh, pepton, giá đậu ) thường có chứa đủ các nguyên tố khoáng cần thiết đối với vi khuẩn Ngược lại khi làm các môi trường tổng hợp (dùng nguyên liệu hóa chất) bắt buộc phải bổ sung đủ các nguyên tố khoáng cần thiết Những nguyên tố mà vi khuẩn đòi hỏi phải được cung cấp với liều lượng lớn gọi là các nguyên tố đa lượng Còn các nguyên tố khoáng mà vi khuẩn chỉ đòi hỏi với những liều lượng rất nhỏ gọi là các nguyên tố vi lượng

Nồng độ cần thiết của từng nguyên tố vi lượng trong môi trường thường chỉ vào khoảng 10-6 - 10-8 M Hàm lượng các chất khoáng chứa trong nguyên

sinh chất vi khuẩn thường thay đổi tùy loại, tùy giai đoạn phát triển và tùy điều kiện nuôi cấy Thành phần khoáng của tế bào vi khuẩn khác nhau thường là chênh lệch nhau rất nhiều Chẳng hạn như theo nghiên cứu của Mesrobiana và Peunesko năm 1963 cho biết thành phần khoáng ở một số vi khuẩn gây bệnh là (% chất khoáng):

P2O5 4.93-74 8 Na2O0.2-28.08

K2O 2.4-39.8 Cl 0.03-43.69 SO3 0.5-28.8 MgO0.12-12.0

1.4 Tác động của môi trường đối với điều kiện phát triển của vi khuẩn

Sinh trưởng, phát triển và trao đổi chất của vi khuẩn liên quan chặt chẽ với các điều kiện của môi trường Các điều kiện này bao gồm hàng loạt các yếu tố khác nhau, tác động qua lại với nhau Đa số các yếu tố đó đều có một đặc tính tác dụng chung biểu hiện ở ba điểm hoạt động: cực tiểu, tối thích và cực đại

Hình 1.4a Đồ thị biểu diễn tác dụng của môi trường lên vi khuẩn

Với tác dụng tối thiểu của yếu tố môi trường vi khuẩn bắt đầu sinh trưởng và mở đầu các quá trình trao đổi chất, với tác dụng tối thích vi khuẩn sinh trưởng, với tốc độ cực đại và biểu hiện hoạt tính trao đổi chất, trao đổi năng lượng lớn nhất, với tác dụng cực đại vi khuẩn ngừng sinh trưởng và thường bị chết

Tác động của môi trường lên vi khuẩn có thể là thuận lợi hoặc bất lợi Tác động bất lợi sẽ dẫn đến tác dụng ức khuẩn hoặc diệt khuẩn Do tác dụng

Tối thích

Cực đại Cực tiểu

Cường độ tác dụng của môi trường

ức khuẩn của yếu tố môi trường, tế bào ngừng phân chia, nếu loại bỏ yếu tố này khỏi môi trường vi khuẩn lại tiếp tục sinh trưởng và phát triển Khi có mặt chất diệt khuẩn, vi khuẩn ngừng sinh trưởng, phát triển và chết nhanh chóng Sự chết của tế bào thường không xảy ra ngay một lúc trong quần thể mà diễn ra dần dần, có thể biểu diễn bằng đường cong tử vong logarit dưới đây (Hình 1.4b, 1.4c)

1.4.1 Cơ chế tác dụng của các yếu tố môi trường lên vi khuẩn

Các yếu tố môi trường bên ngoài tác dụng lên tế bào thuộc ba loại: Yếu tố vật lý (độ ẩm, nhiệt độ, tia bức xạ ), yếu tố hóa học (pH môi trường, thể oxi hóa khử, các chất diệt khuẩn) và các yếu tố sinh học (chất kháng sinh) Dù là yếu tố nào nhưng khi tác dụng bất lợi lên tế bào thì thường gây tổn hại đến các cấu trúc quan

Sinh trưởng bình thường

Diệt khuẩn Thời gian tác dụng của yếu tố LogN

50100

trọng cho sự sống của tế bào Những tổn hại đó dẫn đến phá hủy chức phận hoạt động của các cấu trúc và làm tế bào chết Chừng nào tế bào có thể sống sót chính là do chúng đã thích ứng với yếu tố đã cho bằng những thay đổi về sinh lý hoặc di truyền

Những tác dụng có hại của các yếu tố bên ngoài tế bào vi khuẩn thể hiện ở những biến đổi sau:

+ Độ ẩm: hầu hết các quá trình sống của vi khuẩn có liên quan đến nước do

đó độ ẩm là yếu tố quan trọng của môi trường Đa số vi khuẩn thuộc các sinh vật ưa nước nghĩa là chúng cần nước ở dạng tự do, dễ hấp thụ

+ Nhiệt độ: hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn có thể coi là kết quả của các

phản ứng hóa học Vì các phản ứng này phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ nên yếu tố nhiệt độ rõ ràng ảnh hưởng sâu sắc đến các quá trình sống của tế bào Tế bào thu được nhiệt chủ yếu từ môi trường bên ngoài, một phần cũng do cơ thể thải ra do kết quả của hoạt động trao đổi chất

Hoạt động của vi khuẩn bị giới hạn trong môi trường chứa nước ở dạng có thể hấp thụ Vùng này của nước nằm ở 20 đến khoảng 1000 gọi là vùng sinh động học

Hầu hết tế bào sinh dưỡng của vi khuẩn chết ở nhiệt độ cao do protein bị biến tính Vi khuẩn chết ở nhiệt độ cao cũng có thể còn là hậu quả của không hoạt hóa ARN và sự phá hoại màng tế bào chất

ở nhiệt độ thấp có thể làm ngừng quá trình vận chuyển các chất hòa tan qua màng tế bào chất do thay đổi hình không gian của một số permeaza chứa

trong màng hoặc ảnh hưởng đến việc hình thành và tiêu thụ ATP cần cho quá trình vận chuyển chủ động các chất dinh dưỡng

Vi khuẩn thường chịu đựng được nhiệt độ thấp ở nhiệt độ dưới điểm băng hoặc thấp hơn chúng không thể thực hiện hoạt động trao đổi chất rõ rệt Nhiệt độ thấp có thể coi là yếu tố ức khuẩn nếu làm lạnh khá nhanh Trong trường hợp làm lạnh dần dần xuống dưới điểm băng cấu trúc của tế bào bị tổn hại do các tinh thể băng được tạo thành nhưng kích thước nhỏ, do đó tế bào không bị phá hủy

Giới hạn giữa nhiệt độ cực tiểu và nhiệt độ cực đại là vùng nhiệt sinh trưởng của vi khuẩn Giới hạn này rất khác nhau giữa các loại vi khuẩn, tương đối rộng ở các vi khuẩn hoại sinh, nhưng rất hẹp ở các vi khuẩn gây bệnh Tùy theo quan hệ với vùng nhiệt có thể chia vi khuẩn thành một số nhóm sau:

- Vi khuẩn ưa lạnh (Psychrophilic) sinh trưởng tốt nhất ở nhiệt độ dưới 200C, thường gặp trong nước biển, các hố sâu và suối nước lạnh, chẳng hạn vi khuẩn phát quang, vi khuẩn sắc Hoạt tính trao đổi chất ở các vi khuẩn này thấp Trong điều kiện phòng thí nghiệm nhiều vi khuẩn ưa lạnh dễ dàng thích ứng với nhiệt độ cao hơn

- Vi khuẩn ưa ấm (Mesophilic) chiếm đa số, cần nhiệt độ trong khoảng 200C – 400C Ngoài các dạng hoại sinh ta còn gặp các loài kí sinh, gây bệnh cho người và động vật, chúng sinh trưởng tốt nhất ở 370C ứng với nhiệt độ của cơ thể người và động vật

- Vi khuẩn ưa nóng (Thermophilic) sinh trưởng tốt nhất ở 550C Một số không sinh trưởng ở nhiệt độ dưới +300C Nhiệt độ sinh trưởng cực đại của các vi khuẩn ưa nóng dao động giữa +750C và +800C

Các loài Bacillus sống trong đất thường có nhiệt độ sinh trưởng khá rộng (15 - 400C) Vi khuẩn E.coli có nhiệt độ sinh trưởng 10 - 47.50C Vi khuẩn gây bệnh lậu (Neisseria gonorrhoeae) phát triển ở nhiệt độ 30 - 400C Vi khuẩn Methylococus capsulatus sinh trưởng thích hợp ở 370C cũng còn có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 550C

áp lực, áp suất thẩm thấu và áp suất thủy tĩnh có thể ảnh hưởng đến cấu trúc của tế bào vi khuẩn

+ Âm thanh: sóng âm thanh, đặc biệt trong vùng siêu âm (trên 20KHz),

có ảnh hưởng lớn đến sinh trưởng của vi khuẩn Các tế bào sinh dưỡng bị chết nhanh tróng Tế bào con mẫn cảm hơn nhiều so với tế bào già

+ Sức căng bề mặt: khi sinh trưởng trong môi trường dịch thể vi khuẩn

chịu ảnh hưởng của sức căng bề mặt của môi trường Những thay đổi của sức căng bề mặt có thể là ngừng sinh trưởng và tế bào có thể bị chết

+ Các tia bức xạ: ánh sáng có thể gây ra những biến đổi hóa học Do đó,

những tổn thương sinh học nếu được tế bào hấp thụ thì mức độ gây hại tùy thuộc vào mức năng lượng trong lượng tử ánh sáng được hấp thụ và mức năng lượng trong lượng tử lại phụ thuộc gián tiếp vào chiều dài sóng của tia chiếu Các lượng tử bức xạ gây lên những biến đổi hóa học của các phân tử và nguyên tử có chiều dài sóng khoảng 10000 A0

1.4.3 Tác động của các yếu tố hóa học

Trong số các tác động hóa học ảnh hưởng đến chức phận sống của tế bào trước hết phải kể đến nồng độ ion hidro (pH), thế oxi hóa khử (Eh) của môi trường, các chất sát trùng và các chất hóa trị liệu

+ Tác động của pH môi trường: pH của môi trường có ý nghĩa quyết

định đối với sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn Các ion H+ và OH- là hai ion hoạt động lớn nhất trong tất cả các ion, những biến đổi dù nhỏ trong nồng độ của chúng cũng có ảnh hưởng mạnh mẽ Cho nên việc xác định thích hợp ban đầu vào việc duy trì pH cần thiết trong thời gian sinh trưởng của tế bào là rất quan trọng Đa số vi khuẩn sinh trưởng tốt nhất ở pH trung bình (7.0) như nhiều vi khuẩn gây bệnh (môi trường tự nhiên là máu và bạch huyết máu của cơ thể động vật)

+ Tác động của thế oxi hóa khử (Eh): biểu thị mức độ thoáng khí của

môi trường

+ Các chất diệt khuẩn ( sát trùng): thường dùng nhất là phenol và các

hợp chất của phenol, các ancohol, halogen, kim loại nặng, H2O2, các thuốc nhuộm, xà phòng và các chất rửa tổng hợp của muối amon bậc bốn

1.4.4 Tác động của các yếu tố sinh học

Các yếu tố sinh học tác động có hại lên quá trình sinh sống của vi khuẩn đó là kháng thể và chất kháng sinh

1.5 Kết luận

Như vậy, qua quá trình nghiên cứu và tìm hiểu về quy trình nuôi cấy vi khuẩn, các điều kiện sinh sống của vi khuẩn chúng tôi đưa ra một số kết luận sau:

+ Vi khuẩn có vai trò vô cùng to lớn đối với con người, động vật, thực vật… trên trái đất Chẳng hạn như chúng tham gia tích cực vào quá trình phân giải các xác hữu cơ, các phế thải công nghiệp Đặc biệt là vi khuẩn có vai trò rất quan trọng trong ngành năng lượng đó là việc chúng đóng góp rất lớn trong việc tạo ra dầu mỏ, than đá và khí đốt…

+ Muốn cho vi khuẩn sinh trưởng và phát triển được cần phải nuôi cấy trong các môi trường thích hợp, môi trường là những chất dinh dưỡng cần thiết được phối hợp theo yêu cầu sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn đối với điều kiện và hoàn cảnh sống Ví dụ như:

• Môi trường dịch thể hay môi trường lỏng là môi trường hợp thành do sự hoà tan của các chất dinh dưỡng cần thiết ở trong nước, như môi trường nước thịt, nước pepton, nước gan, nước dạ dầy, nước các loại thân củ (như ngô, đậu nành, cà rốt)

• Môi trường bán cố thể là môi trường nước có cho thêm một ít chất

(thạch, keo) vào để làm cho môi trường sánh lại, môi trường này dùng để theo dõi sự di động của vi khuẩn, nó hợp với điều kiện phát triển sinh lý của vi

khuẩn

• Môi trường cố thể hay môi trường rắn đặc như môi trường khoai tây để nuôi cấy vi khuẩn lao; môi trường lỏng thêm thạch để tạo thành môi trường

thạch đĩa, thạch nghiêng dùng để phân lập và xem hình thái các khuẩn lạc; môi

trường gelatin để kiểm tra xem vi khuẩn có làm tan chảy gelatin không

• Môi trường tự nhiên là các môi trường mà các chất dinh dưỡng có sẵn trong thiên nhiên như máu, huyết thạch, nước tiểu, nước trứng, khoai tây… hay môi trường nhân tạo là hỗn hợp của nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho vi

khuẩn như nước thịt, nước thịt gan…

+ Ngoài ra ánh sáng cũng rất cần thiết đối với một số loại vi khuẩn nhưng trong quá trình nuôi cấy nhân tạo người ta có thể tạo ra môi trường thích hợp cho vi khuẩn sinh trưởng Nhưng nhiệt độ thì do điều kiện khí hậu luôn thay đổi vì vậy khi nhiệt độ thay đổi có thể làm cho vi khuẩn chết Do đó nhiệt độ là rất cần quan tâm, trong nghiên cứu, chữa trị và sản xuất thì việc duy trì nhiệt độ nhằm duy trì sự sống cho vi khuẩn là vấn đề rất quan trọng

Như vậy, từ những phân tích ở trên chúng tôi thấy ánh sáng, độ ẩm, môi trường đã được các nhà vi sinh vật nghiên cứu và tạo ra Do đó trong đề tài này chúng tôi chỉ quan tâm đến nhiệt độ

Với những kết quả nghiên cứu và tìm hiểu về vi khuẩn, tôi tiến hành nghiên cứu và tìm hiểu một số tủ nuôi cấy vi khuẩn đang được sử dụng trong thực tế, cụ thể là đang đượng sử dụng trong bệnh viện Bạch Mai

Chương 2

Giới thiệu chung về tự động điều khển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn đang đ−ợc sử dụng hiện nay

2.1 Nguyên lý cấu tạo chung

Hình dáng và cấu tạo bên trong của một số tủ nuôi cấy vi khuẩn hiện nay đang đ−ợc sử dụng đ−ợc thể hiện trên hình 2.1 sau:

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo của tủ nuôi cấy vi khuẩn

3) Cửa ngoài bằng tôn thép, xung quanh có một gioăng amiăng

4) Cửa trong bằng kính chịu nhiệt cho phép nhìn thấy vật sấy và cách nhiệt ra ngoài

5) Sàng ngăn cách giữa điện trở dây đốt với phần nuôi cấy bên trong, mắt sàng có nhiều lỗ thủng để nhiệt có thể đi vào bên trong

6) Giá đỡ: để xếp, đựng các vật sấy, thường trong đó có khoảng hai hoặc ba giá đỡ làm bằng thép không rỉ

12) Hộp chứa đựng mạch điều khiển và các thiết bị liên quan

13) Khoảng trống phía sau tủ dùng để đưa dây chuyền tín hiệu điều khiển vào tủ

14) Cảm biến nhiệt độ

15) Nắp máy có thể tháo ra sửa chữa khi tủ gặp sự cố 16) Quạt dùng để lưu thông nhiệt trong tủ

2.2 Nguyên lý làm việc chung

Thông thường vi khuẩn được nuôi cấy ở một nhiệt độ nhất định (thường là 370C) Do đó, trong quá trình làm việc khi nhiệt độ trong tủ gần bằng nhiệt độ đặt thì hệ thống điều khiển nhiệt độ sẽ tự động cắt để ngừng việc cấp điện cho dây đốt cho đến khi nhiệt độ trong tủ bằng nhiệt độ đặt, do quán tính nên dây đốt vẫn nóng lên và nhiệt độ trong tủ lớn hơn nhiệt độ đặt đến một thời điểm nào đó nhiệt độ trong tủ lại giảm xuống thấp hơn và dao động quanh giá trị nhiệt độ đặt Sau đó đến một thời điểm nào đó thì nhiệt độ trong tủ lại hạ cho đến khi thấp hơn nhiệt độ đặt thì hệ thống điều khiển nhiệt độ lại điều khiển đóng điện cho dây đốt làm nhiệt độ tăng dần lên đến giá trị cần thiết và quá trình tạo nhiệt lại lặp lại liên tục như vậy trong suốt khoảng thời gian yêu cầu của việc nuôi cấy vi khuẩn Như vậy, tủ ấm 370C hoạt động theo một chu

trình khép kín và liên tục trong một thời gian dài mà vẫn đảm bảo được sự ổn định nhiệt độ

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ: được thể hiện như hình 2.2

dưới đây:

Hình 2.2 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ

Trong đó:

Uđặt: tín hiệu điện áp đặt tx: nhiệt độ thực trong tủ t: nhiệt độ do dây đốt tạo ra Uđk: tín hiệu điện áp điều khiển

Như vậy, hệ thống điều khiển nhiệt độ ở đây là hệ thống kín và có sự hồi tiếp tín hiệu Sự hồi tiếp ở đây có nhiệm vụ làm giảm sai lệch (e) giữa tín hiệu đặt (Uđặt) với tín hiệu ra của hệ thống Nhiệt độ thực trong tủ ấm được cảm biến nhiệt độ nhận biết, qua hệ thống chuyển đổi để chuyển từ nhiệt độ thành tín điện áp (Uđo), sau đó so sánh với tín hiệu đặt Nếu có sai lệch qua bộ so sánh đưa tín hiệu sai lệch vào bộ điều khiển cho ra điện áp điều khiển để điều khiển kháng đốt Nhiệt độ trong tủ luôn được cảm biến cảm nhận, nếu nhiệt độ trong tủ chưa đạt đến nhiệt độ yêu cầu thì bộ điều khiển sẽ tự động điều chỉnh để đưa nhiệt độ trong tủ bằng nhiệt độ đặt Quá trình điều khiển nhiệt độ luôn

được ổn định do sai lệch giữa nhiệt độ thực và nhiệt độ đặt luôn luôn được hiệu chỉnh với tốc độ nhanh nhờ bộ điều khiển

Ưu điểm của việc điều khiển này là có khả năng cung cấp nhiệt cho tủ một cách ổn định, liên tục và hao tổn ít năng lượng nên nó được ứng dụng rất nhiều trong đời sống

2.2.1 Buồng tạo nhiệt

Do luôn phải chịu nhiệt độ cao do kháng đốt toả ra nên yêu cầu đối với buồng tạo nhiệt là phải chịu được nhiệt độ cao, có độ bền cơ học lớn, đặc tính cách nhiệt với môi trường bên ngoài và tính ổn định nhiệt độ cao Đặc điểm quan trọng nữa của buồng tạo nhiệt là không bị ăn mòn nhiều bởi môi trường làm việc

2.2.2 Khối tạo nhiệt

Là điện trở dây quấn hình lò xo thường làm bằng Ferô-Niken, là bộ phận quan trọng của khối tạo nhiệt, nó cung cấp nhiệt cho quá trình nuôi cấy mỗi khi có dòng điện chạy qua nó Nhiệt lượng toả ra trên dây đốt khi có dòng điện chạy qua được xác định theo biểu thức sau:

Q = RI2t (J)

Q- nhiệt lượng toả ra từ dây đốt (J) R- điện trở của dây đốt (Ω)

I- dòng điện chạy qua dây đốt (A)

t- thời gian dòng điện chạy qua dây đốt (s)

Giá trị dòng điện chạy qua dây đốt luôn được quyết định bởi điện áp đặt lên dây đốt hay là phụ thuộc vào thời gian dẫn điện của phần phía điều khiển

Những tủ sử dụng mạch điều khiển loại này tiện dụng cho người sử dụng, tiết kiệm năng lượng nhưng chúng sử dụng các bộ đóng cắt trên cơ sở các tiếp điểm cơ khí nên tủ hay bị trục trặc do bị bẩn tiếp điểm Mặt khác độ chính xác không cao, nên loại này hiện nay hầu như không sản xuất mà chỉ tồn tại trong các thiết bị cũ mà hiện tại đang được sử dụng ở một số cơ sở Y tế, trạm Thú y, trạm bảo vệ thực vật Trong trường hợp này các tủ thường được điều khiển bằng nhiệt kế công tắc hoặc là thanh dãn nở

2.2.3.2 Mạch điều khiển bằng các thiết bị bán dẫn

Công nghệ bán dẫn đang là một trong những ngành mũi nhọn và được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điều khiển Với những ưu điểm vượt trội như là thiết bị gọn nhẹ dễ sử dụng, do đó hầu hết các tủ nuôi cấy vi khuẩn hiện nay đều được điều khiển bằng các thiết bị bán dẫn

Hình2.3 dưới đây là sơ đồ khối của khối mạch điều khiển:

Hình 2.3 Sơ đồ khối mạch điều khiển Thyristor hay Triac

(1) Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp nguồn năng lượng thích hợp cho

khối cách ly ngõ vào Khối này thông thường là nguồn cung cấp từ lưới điện xoay chiều 220V, tần số 50Hz

(2) Khối cách ly: khối này bao gồm khối cách ly ngõ vào và khối cách

ly ngõ ra Có nhiệm vụ cách ly phần điện áp nguồn với phần công suất của mạch chỉnh lưu hay mạch điều khiển công suất và không cho dòng điện chạy ngược lại Đối với khối cách ly ngõ vào thông thường là biến áp hạ áp nhằm

tạo ra điện áp tương ứng với điện áp điều khiển, còn đối với khối cách ly ngõ ra thường là biến áp xung

(3) Khối đồng bộ: có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu đồng bộ với tín hiệu điều

khiển nhằm tạo ra dạng xung thích hợp điều khiển khối công suất ở đây có thể là Triac hay Thyristor, khối này có thể tạo được bằng cách đồng bộ Arccos hoặc đồng bộ xung răng cưa

* Đồng bộ Arccos: điện áp đồng bộ Us = Acosωt, vượt trước điện áp

UAK =sinω của Thyristor (hay Triac) một góc 900 Nên điện áp đưa vào sẽ cho qua bộ tích phân để được điện áp đồng bộ Us Sau đó lấy điện áp Us so sánh với điện áp điều khiển Điện áp điều khiển (Uđk ) là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh biên độ điện áp theo hai chiều (dương và âm) Do đó nếu đặt Usvào cổng đảo và Uđk vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi Us=Uđk, ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh, khi khâu này lật trạng thái: Acosωt=Udk Do đó arccos()

Khi Uđk = A thì ωt=0 Khi Uđk = 0 thì ωt=π/2 Khi Uđk = -A thì ωt=π

Như vậy, khi điều chỉnh Uđk từ trị Uđk = +A, đến trị Uđk = -A, ta có thể điều chỉnh được góc α từ 0 đến π Nguyên tắc điều khiển trong trường hợp này thể hiện trên hình 2.4 sau:

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý tạo tín hiệu đồng bộ

Hình 2.5 dưới đây là đồ thị dạng sóng điện áp

Hình 2.5 Đồ thị dạng sóng đồng bộ Cosin Trong đó: Uss là điện áp điều khiển đóng mở Thyristor (hay Triac) Phương pháp này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao

* Đồng bộ xung răng cưa: phương pháp đồng bộ xung răng cưa là dùng

các mạch chức năng tạo ra tín hiệu điện áp có dạng sóng răng cưa để so sánh với điện áp điều khiển Tín hiệu điện áp đồng bộ, ký hiệu Us, đồng bộ với điện áp đặt trên anôt-catôt của Thyristor (Triac), thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh Điện áp điều khiển, ký hiệu Uc là điện áp một chiều (có thể điều chỉnh được biên độ), thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh Khi đó, hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là điện áp điều khiển Thyristor (Triac):

Uđk = Uc - Us

Mỗi khi Us = Uc thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được sườn xuống của điện áp đầu ra khâu so sánh, sườn xuống này thông qua đa hài một trạng thái ổn định, tạo ra một xung điều khiển Như vậy, bằng cách làm biến đổi Ucthì có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh được góc α

Giữa α và Uc có mối quan hệ sau:

α= , với Usm = Ucmax Hình 2.6.dưới đây biểu diễn dạng sóng điều khiển

Hình2.6 Sơ đồ dạng sóng điều khiển

(4) Khối so sánh: làm nhiệm vụ so sánh giữa điện áp đồng bộ với điện

áp điều khiển Để so sánh khối này dùng mạch thuật toán

(5) Khối tạo dạng xung: khối này có nhiệm vụ sửa dạng xung đầu ra của

bộ so sánh sao cho có độ rộng và biên độ thích hợp với Triac cần kích, có thể chọn dòng kích lớn, điện áp kích nhỏ hoặc ngược lại nhưng phải đảm bảo công suất tiêu tán nhỏ hơn công suất cho phép Độ rộng xung được quyết định bởi thời gian dòng qua Triac đạt giá trị dòng mở (tra trong sách tra cứu bán dẫn ứng với loại Triac tương ứng mà ta sử dụng)

(6) Khối công suất: khối công suất ở đây thường sử dụng Triac hay

Thyristor để điều khiển cho dòng điện xoay chiều đi qua để cấp nguồn cho điện trở dây đốt ở một số tủ nuôi cấy vi khuẩn

2.2.4 Mạch đo lường

Để thực hiện việc đo một đại lượng nào đó tuỳ thuộc vào những đại lượng cần đo, điều kiện đo cũng như độ chính xác theo yêu cầu của một phép đo mà có thể thực hiện đo bằng nhiều cách khác nhau trên cơ sở của các hệ thống đo lường khác nhau

Dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống đo lường tổng quát:

Hình 2.7 Sơ đồ khối của hệ thống đo lường

Hoạt động của hệ thống đo lường: tín hiệu cần đo là các đại lượng vật lý

(nhiệt độ, độ ẩm, áp suất ) qua cảm biến, cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng này thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện Sau đó điện áp hoặc dòng điện được đưa vào mạch chỉ thị số chuyển thành tín hiệu số, qua bộ giải mã đến bộ hiển thị

2.2.4.1 Khâu chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu

* Chuyển đổi tín hiệu: làm nhiệm vụ tiếp nhận trực tiếp các đại lượng

vật lý, đặc trưng cho đối tượng cần đo và biến đổi các đại lượng đo thành tín hiệu điện Đây là khâu quan trọng nhất của một thiết bị đo lường, có nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau tuỳ thuộc vào đại lượng đo và đại lượng biến thiên ở đầu ra của chuyển đổi thuận lợi cho việc tính toán

* Khuếch đại tín hiệu đo nhiệt độ: trong quá trình nghiên cứu và tìm

hiểu thực tế ở một số tủ nuôi cấy vi khuẩn tại bệnh viện Bạch Mai chúng tôi thấy thường sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu đo bằng khuếch đại thuật toán

2.2.4.2 Mạch chỉ thị số

Là khâu thu thập, gia công tín hiệu đo từ khâu chuyển đổi đưa tới, nó có nhiệm vụ tính toán, biến đổi tín hiệu nhận được từ bộ chuyển đổi sao cho phù hợp với yêu cầu thể hiện kết quả đo của bộ chỉ thị số Mạch đo ở đây có thể là mạch đo lường số sử dụng vi điều khiển, cũng có thể là mạch đo sử dụng các IC số

+ Đối với mạch đo sử dụng vi điều khiển: có sơ đồ khối như hình 2.8 dưới đây:

Hình 2.8 Sơ đồ khối của hệ thống đo lường số dùng vi điều khiển

Hoạt động của sơ đồ này như sau: đối tượng cần đo là đại lượng vật lý, dựa vào đặc tính của đối tượng cần đo mà chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại lượng vật lý cần đo thành đại lượng điện, sau đó đưa vào mạch chế biến chuyển đổi tín hiệu (bao gồm bộ cảm biến, hệ thống khuếch đại, xử lý tín hiệu) Bộ chuyển đổi tín hiệu sang tín hiệu số ADC (Analog Digital Converter) làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số để kết nối với vi điều khiển Bộ vi điều khiển có nhiệm vụ thực hiện những phép tính và xuất ra những lệnh trên cơ sở trình tự những lệnh chấp hành đã được thực hiện trước đó, rồi đưa ra bộ hiển thị

+ Đối với mạch đo sử dụng IC số: được thể hiện trên sơ đồ khối như hình 2.9 sau đây:

Hình 2.9 Sơ đồ khối của mạch đo sử dụng IC số

Hoạt động của khối này là: phương pháp đo bằng IC số này cũng gần giống với phương pháp đo sử dụng vi điều khiển chỉ khác nhau ở chỗ là thay vì phải lập trình và mua bộ nạp cho con vi điều khiển thì có thể sử dụng ngay các con IC giải mã

* Bộ chuyển đổi tương tự - số: trong sinh hoạt và sản xuất ngày nay thì

công việc truyền tin cũng như là trong điều khiển và hiển thị phần lớn đều được thực hiện theo phương pháp số Trong khi đó các đối tượng mà ta nghiên cứu đều có dạng tín hiệu tương tự (như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, tốc độ quay, tín hiệu âm thanh…) Vì vậy để kết nối giữa nguồn tín hiệu tương tự với các hệ thống xử lý số thì phải dùng các mạch chuyển đổi tương tự sang số

nhằm chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số hoặc ngược lại khi cần biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự thì phải dùng mạch chuyển đổi DAC (Digital Analog converter)

Nguyên tắc thực hiện chuyển đổi ADC là chuyển đổi tín hiệu ngõ vào tương tự (như dòng điện hay điện áp) thành mã số nhị phân có các giá trị tương ứng

Bộ chuyển đổi ADC có rất nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp đều có những thông số cơ bản khác nhau như: độ chính xác, tốc độ chuyển đổi, giải biến đổi của hiệu ứng tương tự ngõ vào Nhưng chúng đều xuất phát từ một nguyên lý chung và được thể hiện trên sơ đồ tổng quát hình 2.10 dưới đây:

Hình 2.10 Sơ đồ khối tổng quát của mạch ADC

Hoạt động: đầu tiên kích xung điều khiển (Startcommand) để bộ ADC hoạt động Tại một tần số được xác định bằng xung đồng hồ (clock) bộ điều khiển làm thay đổi thành số nhị phân được lưu trữ trong thanh ghi (Register) Số nhị phân trong thanh ghi được chuyển thành điện áp UB bằng bộ chuyển đổi

DAC Bộ so sánh sẽ so sánh điện áp UB với điện áp ngõ vào UA Nếu UA>UBthì ngõ ra của bộ so sánh vẫn giữ ở mức cao Khi UA<UB ngõ ra của bộ so sánh

xuống mức thấp và quá trình thay đổi số của thanh ghi ngưng, lúc này UB gần bằng UA, và những số trong thanh ghi là những số chuyển đổi

* Bộ hiển thị số: là khâu cuối cùng của hệ thống đo lường, nó có nhiệm

vụ thể hiện kết quả đo lường dưới dạng những con số tương ứng với đơn vị cần đo sau khi qua mạch đo Thiết bị hiển thị số thường là hiển thị bằng tinh thể lỏng hoặc là hiển thị bằng LED 7 thanh

Đối với thiết bị hiển thị bằng tinh thể lỏng LCD (Liquid Crystal Display) loại phản xạ gồm có hai tấm thuỷ tinh xếp song song với nhau, ở giữa là lớp tinh thể lỏng Một điện thế xoay chiều được áp ngang qua chất lỏng này, cụ thể là giữa đoạn (đã phủ kim loại) cần hiển thị và mặt sau (Back plane-BP) phủ kim loại Khi không có hiệu điện thế thì đoạn phủ kim loại phản xạ ánh sáng (ánh sáng đến từ xung quanh), lớp tinh thể lỏng trong suốt nên ánh sáng cũng phản xạ ở mặt sau BP nên ta không thấy được đoạn mà chỉ thấy toàn mặt của hiển thị màu sáng bạc yếu Khi có hiệu thế, đoạn và mặt sau BP tác động như một tụ điện, tiêu thụ một dòng điện nhỏ Tần số của điện thế phải thấp và dòng điện này nhỏ tuy nhiên không được thấp dưới 25Hz vì sẽ tạo sự nhấp nháy khó chịu cho mắt Điện trường bên trong tụ phá vỡ sự sắp xếp trật tự của các phân tử của chất tinh thể lỏng làm chất lỏng giữa đoạn và mặt sau BP không còn trong suốt nên ánh sáng không phản xạ được từ mặt sau ở vùng tương ứng với đoạn trở nên đen, xuất hiện rõ ràng trên nền sáng bạc còn lại của màn hiển thị Nếu nhiều đoạn cùng tối ta sẽ có các số, các ký tự,… Màn hình tinh thể lỏng được bố trí các điểm ảnh thành một ma trận và mỗi điểm ảnh của nó có một địa chỉ ở một số loại màn hình LCD loại dẫn xạ, tấm điện phát quang được đặt mặt sau để rọi sáng nó thay vì chỉ dùng ánh sáng của môi trường xung quanh đến từ phía trước Thiết bị hiển thị này tốn rất ít năng lượng nên hiện nay được dùng rất phổ biến Làm sáng một đoạn của LCD 7 thanh, hay một hình dạng nào khác của một LCD nói chung, thật ra là làm tối đoạn hay hình dạng đó Nó khác với LED 7 thanh ở chỗ là khi sử dụng LCD cần phải có tín hiệu mặt sau dạng sóng vuông với tần số từ 30Hz đến 200Hz Để

biểu diễn các chữ cái hay ký hiệu thì người ta dùng đèn 16 thanh và ma trận điểm

Đối với thiết bị hiển thị bằng LED 7 thanh: đây là một linh kiện quang điện tử ưu điểm của nó là tần số hoạt động cao, thể tích nhỏ, công suất tiêu hao không lớn lắm, không làm sụt áp khi khởi động… Đặc điểm quan trọng của LED là không cần kính lọc vẫn cho ra mầu sắc (thường là mầu xanh, vàng hoặc đỏ) sự phát sáng của LED khác với đèn thường ở đây chất phát sáng được nung nóng làm cho phôton được giải phóng Điều kiện để nó được giải phóng là do có sự tập chung cao độ của electron và lỗ trống Ngoài ra LED cũng có cấu trúc đặc trưng của những Diode thông thường tức là cũng có dạng một mặt ghép P-N, có chiều dẫn điện và chiều không dẫn điện, vì nó có thể tích nhỏ, công suất tiêu thụ thấp Do đó nó rất thích hợp với các mạch logic nên LED được ứng dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực chỉ báo và hiển thị kết quả đo (như nhiệt độ, độ ẩm, điện áp, dòng điện, thời gian…) hoặc một trạng thái của mạch logic Đối với LED 7 thanh hiện nay trên thị trường có hai loại là: loại anôt chung và loại catôt chung như hình 2.11

Hình 2.11 LED 7 đoạn loại anôt (b) và catôt (a) chung

ở loại catôt chung thì catôt của đèn được nối đất còn đầu anôt được nối qua các điện trở lên đầu ra của mạch giải mã, mạch giải mã làm công việc cấp điện áp Vcc cho LED (thường là 5V) ở loại anôt chung, anôt của các LED được nối đến điện áp Vcc (thường là 5V), muốn đoạn này sáng ta nối đầu catôt của đoạn đó xuống mức thấp thông qua điện trở để giới hạn dòng điện, R có

giá trị trong khoảng 180Ω≤R≤390Ω nếu Vcc là 5V Còn cổng giải mã làm nhiệm vụ nối các đầu catôt xuống mát

2.2.5 Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là một dụng cụ chuyên biệt, được dùng để đo và

khống chế nhiệt độ Đây một phương thức đo lường không điện, đo và khống chế nhiệt độ được chia thành nhiều giải nhiệt độ khác nhau có thể là đo và khống chế nhiệt độ ở giải nhiệt độ thấp, đo và khống chế nhiệt độ ở giải nhiệt độ trung bình, cũng có thể là đo và khống chế nhiệt độ ở giải nhiệt độ cao

Trong tất cả các đại lượng vật lý thì nhiệt độ là một trong những đại lượng được quan tâm nhiều nhất Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất Một trong những đặc điểm tác động của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó Bởi vậy, trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp và trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là điều rất cần thiết

Tuy nhiên, để đo được trị số chính xác của nhiệt độ là một vấn đề rất phức tạp Phần lớn các đại lượng vật lý đều có thể xác định một cách định lượng nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất được gọi là đại lượng so sánh Những đại lượng như thế gọi là đại lượng mở rộng bởi vì chúng có thể xác định bằng bội số hoặc ước số của đại lượng chuẩn Ngược lại, nhiệt độ là một đại lượng gia tăng nên việc nhân và chia nhiệt độ không có một ý nghĩa vật lý rõ ràng Bởi vậy, nghiên cứu cơ sở vật lý để thiết lập thang đo nhiệt độ là một vấn đề rất cần thiết

* Thang đo nhiệt độ: các tính chất vật lý của vật liệu phụ thuộc vào

nhiệt độ của chúng Từ sự thay đổi nhiệt của một đặc trưng vật lý của vật liệu cho trước người ta luôn luôn có thể xác định một thang nhiệt độ cho phép đo nhiệt độ và đặc biệt là nhận biết sự cân bằng của hai nhiệt độ Tuy vậy, thang nhiệt độ như thế là hoàn toàn tuỳ tiện bởi vì nó liên quan đến một tính chất đặc biệt của một vật thể đặc biệt, nó không cho phép gán cho giá trị nhiệt độ một ý nghĩa vật lý riêng Chỉ có xuất phát từ các định luật nhiệt động học mới có thể xác định thang nhiệt độ có đặc trưng tổng quát

Các thang nhiệt độ tuyệt đối được xác định tương tự như nhau và dựa trên các tính chất của chất khí lý tưởng Định luật Carnot nêu rõ: hiệu suất η của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn (với nhiệt độ θ1 và nhiệt độ

θ tương ứng), trong một thang đo bất kỳ, chỉ phụ thuộc vào θ1 và θ2:

( )( )12

Như vậy, hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ Ngược lại, việc lựa chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ Đặt F( )θ=T khi đó sẽ xác định được T như là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch được viết như sau:

Trong đó: T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai nguồn Mặt khác ta cũng biết, chất khí lý tưởng được xác định bởi: nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí, phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ θ như sau:

+ Thang đo nhiệt độ động học tuyệt đối: thang Kelvin ( đơn vị là 0K) trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước- nước đá- hơi một giá trị số bằng 273,150K Từ thang nhiệt độ động học tuyệt đối người ta đã xác định được các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ

+ Thang Celsius: trong thang này đơn vị nhiệt độ là (0C) Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định bởi biểu thức sau:

Bảng 3.1 dưới đây ghi các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan

trong ở các thang đo khác nhau Bảng 2.1

(0K)

Celsius (0C)

Fahrenheit (0F)

2.2.5.1 Khống chế nhiệt độ bằng nhiệt kế

Để khống chế nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn hiện nay mà dùng bằng nhiệt kế thì người ta sử dụng một số dụng cụ như:

+ Nhiệt kế dãn nở chất lỏng trong ống thuỷ tinh: dụng cụ này được dùng

để khống chế nhiệt độ trong khoảng từ -2000C đến 7500C, nguyên lý hoạt động của loại nhiệt kế này là dựa trên sự dãn nở vì nhiệt của chất lỏng trong nhiệt kế Mà tiêu biểu cho dụng cụ này mà có một số tủ nuôi cấy vi khuẩn do Liên

Xô và Trung Quốc sản xuất trước đây vẫn đang được sử dụng là nhiệt kế công tắc nguyên lý và cấu tạo của nó như sau:

• Cấu tạo của nhiệt kế công tắc :

Nhiệt kế công tắc có dạng như hình 2.12 sau:

Hình 2.12 Sơ đồ cấu tạo của nhiệt kế công tắc

Trong đó: 1- Bầu thủy ngân; 2- Cột cho thủy ngân dâng lên; 3- Dây bạch kim; 4- Gối vít vô tận và cầu nối tiếp điểm động; 5-Trục vít vô tận; 6- Bảng đặt nhiệt độ trên; 7- Vỏ ngoài; 8- Lõi sắt non; 9- Nam châm vĩnh cửu; 10-Vít định vị nhiệt độ; 11- ổ cắm nhiệt kế; 12- Nhựa gá lõi nhiệt kế; 13- Êcu đặt nhiệt độ và gắn tiếp điểm động; 14- Bảng đặt nhiệt độ trên; 15- Bảng xem nhiệt độ

• Nguyên tắc hoạt động của nhiệt kế công tắc:

Khi xoay nam châm vĩnh cửu (9) thì lõi sắt non (8) cũng chuyển động theo làm cho êcu đặt nhiệt độ và gắn tiếp điểm (13) chạy trên trục vít (5), đồng thời thay đổi khoảng cách cặp tiếp điểm mà một má của tiếp điểm chịu sự điều khiển của cột thủy ngân, còn một má của tiếp điểm là dây bạc nhỏ như sợi tóc và cũng có thể dao động lên xuống được Dưới tác động của nhiệt độ làm cho

cột thủy ngân dâng lên làm cho tiếp điểm chạm vào dây bạc, tác động ra bên ngoài và đóng mạch điều khiển Phần phía dưới của nhiệt kế công tắc là phần chỉ thị chính xác nhiệt độ của tủ

+ Nhiệt kế dãn nở chất rắn: loại nhiệt kế này hoạt động dựa trên

nguyên lý kích thước của các chất rắn thay đổi khi nhiệt độ thay đổi Nhiệt độ đo được phụ thuộc vào bản chất của vật liệu rắn Ví dụ như ở một số tủ nuôi cấy vi khuẩn trước đây có sử dụng dụng cụ này trong mạch điều khiển nhiệt độ đó là thanh dãn nở do Liên Xô và Trung Quốc chế tạo, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thanh dãn nở như sau:

• Nguyên lý cấu tạo của thanh dãn nở: như hình 2.13 dưới đây

Hình 2.13 Nguyên lý cấu tạo thanh dãn nở

1-Thanh dãn nở, thường làm bằng hợp kim có độ dãn nở lớn, hình dáng có dạng xoắn ruột hoặc thẳng…

2- ống bảo vệ thanh dãn nở 3- Vít điều chỉnh nhiệt độ

4- Cần tiếp điểm thuộc thanh dãn nở

5- Cần tiếp điểm thuộc núm điều chỉnh nhiệt độ 6- Lò xo giữ thanh 5

7- Lò so giữ thanh 6

8- Cặp tiếp điểm bằng Platin và tiếp điểm được cách điện so với vỏ máy

• Nguyên lý làm việc của thanh dãn nở: sự dãn nở của kim loại được xác

định theo công thức về hệ số dãn nở kim loại sau:

Như vậy, việc chọn hợp kim để làm thanh dãn nở là hệ số dãn nở α lớn và chịu ăn mòn điện hoá cao Nhược điểm của loại này là khi ở nhiệt độ thấp thì độ dãn nở nhỏ do đó việc điều chỉnh là không chính xác

Hoạt động của thanh dãn nở trong tủ nuôi cấy vi khuẩn và quá trình đóng các tiếp điểm cho mạch điều khiển nhiệt độ thể hiện trên hình 2.14 dưới đây

Hình 2.14 Mô tả bộ điều khiển nhiệt độ bằng thanh dãn nở

Trong đó:

1a- Thanh dãn nở 1b- Trục truyền động 2- ống bảo vệ cách điện 3- Vít điều chỉnh nhiệt độ đặt

4- Cầu tiếp điểm thuộc thanh dãn nở 5- Cầu tiếp điểm điều chỉnh nhiệt độ 6- Lò so giữ cần 5

7- Lò so giữ cần 4 8- Cặp tiếp điểm Platin 9- Vít bắt dây tiếp điểm 8 10- Núm chỉ nhiệt độ 11- Chốt chặt vít vô tận 12- Mặt bích để bắt vào vỏ tủ

Trên hình vẽ thấy, do có cặp lò so 6 và 7 nên tiếp điểm 8 thường đóng

Khi tủ làm việc thì nhiệt độ trong tủ dù tăng lên nhưng chưa đến nhiệt độ khống chế, thanh dãn nở có dãn ra nhưng chưa đủ lực để tách cặp tiếp điểm 8 ra Khi nhiệt độ trong tủ tiếp tục tăng lên tới nhiệt độ đặt, khi đó khoảng cách giữa vế phải trục 4 và 5 bằng không, tại đó cặp lò so 6 và 7 vẫn giữ cho cặp tiếp điểm 8 dính vào nhau Khi nhiệt độ tăng quá nhiệt độ đặt, khi đó vế phải cần 6 tiếp tục đi lên còn vế trái cần 5 đứng yên, tách cặp tiếp điểm 8 ra cắt nguồn điện cho kháng đốt Khi nhiệt độ giảm xuống, thanh dãn nở co lại, vế phải cần 6 đi xuống đóng tiếp điểm 8 lại và đóng nguồn điện cho kháng đốt

2.2.5.2 Khống chế nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt độ Pt100

Cảm biến nhiệt độ Pt100 là loại nhiệt kế điện trở được chế tạo bằng

Platin Đây là loại điện trở Platin bởi vì Platin có thể được chế tạo với độ tinh

khiết rất cao (99,999%) Điều này cho phép tăng độ chính xác của các tính chất điện của vật liệu Ngoài ra tính trơ về hoá học và sự ổn định trong cấu trúc tinh thể của Platin đảm bảo sự ổn định của các đặc tính dẫn điện của điện trở chế tạo từ loại vật liệu này

Xét trong trường hợp tổng quát, giá trị của điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ:

R(T) = R0(1+AT+BT2+CT3) (2-9) Trong đó: T đo bằng 0C và T0 = 00C; A, B, C là các hằng số

Với Platin có A = 3,97.10-3; B = -5,8.10-7; C = 0, R0 = 100Ω là điện trở của cảm biến nhiệt 00C

Nh− vậy, có điện trở của Platin phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức sau: R(T) = 100(1+3,97.10-3t-5,8.10-7t2) Ω (2-10)

Khi có nhiệt độ biến thiên ΔT (Xung quanh giá trị T) nhỏ, nhiệt độ có thể thay đổi theo hàm tuyến tính:

(TT) R(T)(1 T)

Trong đó: αR là hệ số nhiệt độ của điện trở hay độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T Hệ số αR phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ, với Platin ta có αR=3,9.10-3/0C Chất l−ợng của thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo

đ−ợc

do vậy nó cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể

phát hiện đ−ợc

R⎥ →Δ⎦

(2-13)

=10-6 và đối với những phép đo xung quanh điểm 00C

thì với điện trở Platin có T 0C

Δ Nh− vậy từ kết quả trên ra thấy điện trở nhiệt chế tạo bằng Platin có độ nhạy nhiệt khá cao và rất thích hợp trong việc đo nhiệt độ thay đổi trong khoảng nhỏ

Nhiệt kế điện trở Pt100 được cấu tạo bởi một dây Platin quấn trên một lõi cách điện đặt trong vỏ kim loại có hai đầu nối ra ngoài Để sử dụng loại nhiệt kế điện trở này trong việc đo nhiệt độ và đưa tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp thhì người ta sử dụng nhiều mạch đo khác nhau nhưng hay dùng nhất là mạch cầu cân bằng và được mắc như hình 2.15 sau:

Hình 2.15 Sơ đồ cầu điện trở

Khi cầu cân bằng thì Ura = 0V, khi có sự thay đổi điện trở, Rt thay đổi làm cho cầu mất cân bằng, lúc đó điện áp ra thay đổi tỉ lệ với sự thay đổi của Rt Từ mối quan hệ giữa nhiệt độ và Rt ta có thể biết được mối quan hệ giữa nhiệt độ và điện áp qua cầu điện trở

2.2.5.3 Khống chế nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu

Cặp nhiệt điện là loại cảm biến đo nhiệt độ, nó có tác dụng chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp dựa trên hiện tượng nhiệt điện Quá trình xảy ra hiện tượng này như sau: nếu ta lấy hai dây dẫn khác nhau về bản chất kim loại và hai sợi dây này được hàn chặt hai đầu, khi đốt nóng một đầu thì trong vòng dây sẽ xuất hiện dòng điện gọi là dòng nhiệt điện Sự xuất hiện dòng nhiệt điện này chỉ có thể giải thích bằng hiện tượng khuếch tán các điện tử tự do ở đây tồn tại hai hiện tượng đó là hiện tượng khuếch tán điện tử tự do giữa hai dây dẫn tại điểm tiếp xúc và hiện tượng khuếch tán điện tử trong mỗi dây dẫn khi có sự chênh lệch nhiệt độ ở hai đầu dây dẫn

Cặp nhiệt điện có cấu tạo gồm hai loại dây dẫn A và B khác nhau về bản chất được nối với nhau bởi hai mối hàn có nhiệt độ T1 và T2 Khi đó tại điểm