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

Ttcnvđt&th
BKHvcn
Ttcnvđt&th
BKHvcn

BKHvcn
Ttcnvđt&th




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
1
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 nớc 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 ngời vì dung dịch lọc máu sẽ tiếp xúc trực tiếp với
máu ngời bệnh.
Máy đo đã đợc 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.

2
* Cơ quan phối hợp chính.
- Bệnh viện Bạch Mai
- Công ty Cổ phần máy lọc thận Việt Nam

Những ngời thực hiện:
TT Họ và tên Cơ quan công tác
Số tháng làm
việc cho đề tài
A
Ch nhim ti
ThS.Nguyn Duy Tin

TT Cụng ngh vi in t v
Tin hc- VDCN

12
B
Cỏn b tham gia nghiờn
cu

1
KS.Nguyn Th Minh
Hng

-nt- 12
2
KS.Nguyn Th Thu Hoi

-nt- 6
3
ThS.Nguyn Chớ Long

-nt- 12
4
KS.ng Anh c

-nt- 6
5
KS.Nguyn Vn Thờm Cụng ty c phn mỏy lc
thn nhõn to Vit Nam
6
6
KS.Nguyn Quc Ton Cụng ty c phn mỏy lc
thn nhõn to Vit Nam
6




3

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 trờng 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 phơng 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 hởng của cấu trúc hình học 18
C. Độ dẫn nhiệt 19
1. Định luật Fourier cho độ dẫn nhiệt 19
2. Phơng trình nhiệt
19
3. Phép lấy đạo hàm phơng trình nhiệt
20
D. áp suất của dung dịch
20
1. Phng phỏp o ỏp sut i vi dung dch
20
2. Nguyờn lý o ỏp sut
21
III.Phần thực nghiệm
23
A. Dung dịch để đo độ dẫn 23
1. Nớc 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

4
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








5
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
đờng kính 1 nm) ở giữa, một phần cho máu (áp suất dơng) đi qua, một phần
cho dịch lọc máu(áp suất âm) đi qua.
- Bơm máu. Loại bơm nhu động.
- Bơm dịch. Loại bơm lu lợng thẩm tách.
- Hệ thống tạo nớc 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 37
0
C.
3. Các thông số cần kiểm tra.
- Độ dẫn điện của dung dịch lọc máu acetate và bicarbonate ( Để kiểm tra
nồng độ Na

+
)
- áp suất động mạch (áp suất dơng)
- áp suất tĩnh mạch (áp suất dơng)
- áp suất dung dịch lọc máu (áp suất âm- nhằm tạo ra áp lực thẩm thấu trong
quả lọc máu)
- Bọt khí trong bầu đựng máu
- Lu lợng dung dịch lọc máu và lu lợng máu
- Khống chế nhiệt độ chuẩn 37
0
C
- Nồng độ K
+
, Cl
-

- Tiêu chuẩn độ dẫn điện của nớc RO
6
- Độ rút nớc của bệnh nhân ( Sau 3 giờ chạy máy, bệnh nhân sẽ mất khoảng
3 ~ 4 kg nớc)
4. Nguyên lý hoạt động.
Máu của bệnh nhân đợc đa đến quả lọc máu bằng bơm nhu động( lu
lợng ~300 ml/min). Đồng thời dung dịch acetate đậm đặc sau khi pha với
nớc RO cũng đợc đa tới quả lọc máu( lu lợng ~ 500 ml/min). Chiều
dòng chảy của máu và dung dịch ngợc 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
đợc bài tiết qua vách ngăn và theo dung dịch lọc máu đi ra ngoài.
5.Yêu cầu về thông số kỹ thuật.
- Nớc RO có độ dẫn điện: 2àS/cm
- Nhiệt độ: 37,0

0
C 0,1
0
C
- Độ dẫn điện của dung dịch lọc máu cho phép trong khoảng:
13,5 mS/cm ữ 14,7 mS/cm 0,1 mS/cm
Đây là giới hạn độ dẫn đợc phép của dung dịch mà máy tự động pha. Giới
hạn này bảo đảm nồng độ Na
+
an toàn cho bệnh nhân.
- áp suất của dung dịch lọc máu luôn luôn là áp suất âm so với áp suất động
mạch và tĩnh mạch.
- Không đợc phép cho bọt khí đi vào trong cơ thể bệnh nhân.
- Lu lợng của máu : ~ 300 ml/min
- Lu lợng 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.

7
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 nớc ta số ngời bị bệnh urê cao trong
máu do suy thận gây nên ngày càng tăng, nhng máy lọc thận nhân tạo không
có đủ số lợng để đáp ứng nhu cầu đó. Hơn nữa máy mới lại rất đắt (từ
25.000$ đến 30.000$/ máy) mà ngời phải chạy máy phần đông là ngời
nghèo không đủ tiền trả khấu hao thiết bị. Trong các bệnh viện lớn của nớc
ta số máy mới có đợc rất ít, mà chủ yếu là sử dụng những máy các nớc đã
dùng hàng chục năm. Do đó có sự cố kỹ thuật của máy cũ thờng xuyên xảy
ra và phụ kiện để thay thế cũng không có. Điều này gây ảnh hởng rất lớn đến
công việc điều trị cho ngời bệnh. Theo thống kê của GS, BS Nguyễn Nguyên
Khôi, Trởng khoa Chống độc của BVBM cả nớc ta cần hơn 1200 máy lọc
thận dùng đợc, 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 thờng 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 ngời 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 đợc độ
dẫn của dung dịch thì hệ máy đó phải dừng hoạt động ngay.
Từ trớc tới nay ở nớc ta cha 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 nớc việc nghiên cứu chế tạo máy đo độ dẫn điện là rất
cần thiết và cấp bách.

8
Máy đo độ dẫn điện chế tạo đợc sẽ dùng để thay thế những máy đo độ dẫn
điện bị hỏng trong các hệ máy lọc thận. Không những thế nó còn đợc dùng
để kiểm tra chất lợng dung dịch lọc máu cho những hệ máy có chất lợng
không cao.
Hệ máy lọc thận nhân tạo là một hệ máy rất phức tạp và tinh vi cho nên từng
bớc 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 nớc ta một cách chủ động.
II. Lý thuyết đo độ dẫn.
A. Độ dẫn điện.
Độ dẫn điện đợc định nghĩa là khả năng dẫn dòng điện của khối chất. Nó
là đại lợng nghịch đảo của điện trở. Tất cả các khối chất đều có độ dẫn đến
vài cấp độ nhng khoảng rất rộng, từ khoảng rất thấp (chất cách điện nh 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 dơng đóng vai trò dẫn điện. Trong khi với nớc 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 nh sự chuyển động của các điện tử tự do. Vì
vậy, loại hạt tích điện khác nữa sẽ đợc 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 hớng của hầu hết các hợp chất
hữu cơ hoà tan đợc 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 nh là các dòng hạt tải đem lại dòng điện phân. Nó là

đặc tính vật lý của các hạt tải của môi trờng 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 đợc xác định bởi nồng độ các ion mang điện cũng
nh là tốc độ di chuyển của chúng trong dung dịch . Nh vậy với hầu hết các
9
dung dịch nếu nồng độ các chất đợc 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 nớc 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, đa 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 đợc đo hiệu
chuẩn với dung dịch chuẩn hoặc với dung dịch sạch (dung dịch tinh khiết) tại
nhiệt độ chuẩn (25
0
C).
Đơn vị của độ dẫn.
Đơn vị của phép đo đợc 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 lợng các loại nớc 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), trớc đây đợc gọi là mho. Trong toàn khối vật liệu

ngời ta dùng đơn vị đó để tiện lợi khi nói về độ dẫn đặc biệt. Đây là độ dẫn
đợc đo giữa 2 mặt đối diện có diện tích 1cm
2
của thể tích 1cm
3
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 đợc dùng để mô tả độ dẫn của dung dịch
nớc. Các đơn vị tơng ứng cho trở kháng đặc biệt (hoặc điện trở suất) là
ohm - cm, megaohm - cm (M - cm) và kilohm - cm (k - cm).
Với nớc siêu sạch ngời ta thờng dùng đơn vị điện trở suất là M cm .
Với nớc có tạp chất nhiều ta dùng đơn vị k cm. Với các dung dịch hoá học
10
đậm đặc và rất loãng ngời ta dùng đơn vị mS/cm và àS/cm. Trong việc áp
dụng này có sự liên hệ chặt chẽ của độ dẫn gần nh 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 nớc [1].
Bảng 1A.
Kiểu loại mẫu
Độ dẫn
à
S/ cm ở 25
0
C
Nớc tinh khiết
Nớc đã khử ion
Nớc uống
Nớc biển
Nớc bẩn

Nớc ma
Nớc thải công nghiệp
5% NaOH
50% NaOH
10% CHl
32%HCl
31,0%HNO
3

0,055
1,0
50
53,000
85ữ 9000
100ữ 10000
8000ữ 130000
22300
150000
700000
700000
865000


Mỗi loại axit, kiềm hoặc muối có đờng đặc trng riêng của nồng độ với độ
dẫn. Kim loại có độ dẫn lớn bởi vì hầu hết các điện tích chuyển động với tốc
độ ánh sáng, trong khi đó ở trong nớc các ion chuyển động rất chậm và do đó
độ dẫn cũng rất thấp. Sự tăng nhiệt độ làm cho độ nhớt của nớc giảm đi và
các ion có thể chuyển động nhanh hơn. Bởi vì các ion có kích thớc và số
lợng khác nhau trong dung dịch nên hiệu ứng nhiệt độ là khác nhau cho mỗi
loại ion. Một cách đặc trng: độ dẫn khác nhau khoảng 1%- 3%/

0
C và hệ số
nhiệt độ này có thể khác nhau đối với mỗi nhiệt độ và nồng độ dung dịch
(Bảng 2A).




11
Bảng 2A. Sự thay đổi % độ dẫn của một số dung dịch theo nhiệt độ[1].
Dung dịch
% /
0
C

Nớc tinh khiết
NaCl
5%NaOH
Axit loãng Ammonia
10%HCl
5% H
2
SO
4
98% H
2
SO
4

Nớc mật đờng

4,55
2,12
1,72
1,88
1,32
0,96
2,84
5,64
1. Định luật Ohm, điện dẫn suất [3].
Độ dẫn điện là khả năng dẫn điện của dung dịch. Nớc tinh khiết ở nhiệt
độ thông thờng luôn luôn có cùng một độ dẫn. Độ dẫn của mẫu nớc tinh
khiết phụ thuộc vào cách đo nh thế nào, độ lớn của mẫu đo ra sao, khoảng
cách xa nhau của các điện cực bao nhiêu vv
Định nghĩa:
Độ dẫn G đợc xác định là sự nghịch đảo của điện trở R, G đợc đo giữa
các mặt đối diện 1cm
2
của 1cm
3
khối chất lỏng tại nhiệt độ tiêu chuẩn.
Từ định luật Ohm ta có:
R = 1/ G (2.1)
G = I/ V (2.2)
Trong đó:
I: Cờng độ dòng điện [A]
V: Điện thế [V]
G: Độ dẫn điện [S]
R: Điện trở []
Các phơng trình sau đây có giá trị cho cả chất rắn và chất lỏng.
R = .l/q (2.3)

G =1/R= k.q/l (2.4)

12
Trong đó:
l: Chiều dài [cm]
q : Tiết diện [cm
2
]
: Điện trở suất [.cm]
k : Điện dẫn suất [S.cm
-1
]
Trong chất lỏng ngời ta chú ý đến điện trở suất. Từ phơng trình (2.3) &
(2.4) ta có:
k= l/ = l/q. R= K/R (2.5)
Hệ số sensor (K) liên quan đến đặc trng vật lý của sensor. K đợc 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 thớc hình học của các điện cực đối với 1cm
3
của chất lỏng
sao cho tỉ số K = l/q= 1cm
-1
thì phơng trình (2.5) trở thành
k= 1/R (2.6)
Nh thế việc đo điện dẫn suất đợc đa về đo trị số nghịch đảo của điện trở.
Trong thực tế, giá trị hệ số sensor (K) đợc 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 đợc dùng với các giá trị khác nhau với khoảng đo tuyến tính của
sensor đợc lựa chọn. Thông thờng với nớc tinh khiết: K= 0.1 cm

-1
; trong
khi với nớc môi trờng 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 nh nớc tinh khiết chỉ số độ dẫn thấp do đó mà ngời
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 tơng quan của độ dẫn với nồng độ. Sự tơng tác ion có thể xảy ra sau sự
liên hệ tuyến tính giữa độ dẫn và nồng độ, chẳng hạn nh dung dịch H
2
SO
4
.
13
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 hởng đến giá trị đo độ dẫn nên phép đo
chuẩn đợc thực hiện với dung dịch chuẩn sau đó đợc 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 đợc sẽ cao hơn điện trở thực.
Điều này có thể đợc loại trừ bằng việc dùng điện thế xoay chiều (AC).
Nhng sau đó ngời 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 đợc 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 đợc 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 hởng 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 u điểm sau:
- Làm giảm cực tiểu sự ảnh hởng 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 đợc đo để xác định độ
dẫn. Biên độ thế xoay chiều trên 2 cực dẫn đợc kiểm tra bằng việc đo điện
thế trên 2 cực sensor. Cần phải tạo ra một điện từ trờng đủ mạnh cho sensor
và điện từ trờng này sẽ tạo ra dòng điện dẫn giữa hai cực của sensor tỷ lệ với
14
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 đợc 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 đợc 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 trờng hợp dùng sensor 2 điện cực. Sự ảnh
hởng này có thể đợc 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 hởng giống nh sự
phân cực, điều này làm giá trị đọc độ dẫn thấp hơn so với thực tế. Sự ảnh
hởng này cũng đợc bù trừ với hệ 4 cực đo.
Làm sạch điện cực:
Việc đơn giản nhng rất quan trọng đòi hỏi phép đo có kết quả chính
xác và có tính lặp lại cao là sự làm sạch điện cực.
Phơng pháp làm sạch:
- Thông dụng nhất là dùng nớc nóng với xà phòng.
- Đối với dung dịch có hydroxide đợc 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.
15
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 nớc cất hoặc nớc khử ion và đo lại hằng số điện cực trớc khi
dùng.
5. Điện trở cáp nối.

Điện trở cáp nối sẽ cộng với giá trị đo độ dẫn của mẫu đo trong trờng hợp
đầu đo có hai điện cực gây ra sai lệch kết quả đo. Điện trở này đợc bù trừ
trong trờng 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 trờng ở biên cực đo.
Hiệu ứng điện trờng ở biên cực đo có thể gây ra lỗi cho phép đo độ dẫn.
Đây là một phần của điện trờng đo mà phần phình ra ở ngoài diện tích lý
thuyết 1cm
3
. Lỗi này có thể đợc hiệu chỉnh ra khỏi phép đo, nhng sau đó
ảnh hởng đến phép đo nếu có bất kỳ đối tợng nào tơng tác với điện trờng
của đầu đo, chẳng hạn nh kích thớc của bình đựng mẫu đo. Đầu đo độ dẫn
cao cấp đợc thiết kế để giảm nhỏ nhất hiệu ứng này. Nếu toàn bộ trờng đo
đợc nằm trong khối điện cực thì tránh đợc lỗi điện trờng 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 nớc tinh khiết vật liệu thép không gỉ đợc lựa chọn. Vật liệu thuỷ
tinh và Pt đợc 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 nớc siêu sạch điện trở suất chỉ khác nhau 5,5%/
0
C ở gần
25
0
C , với nớc ion muối có hệ số nhiệt 2%/
0
C. Trong khi đó axit và các loại
dung dịch khác có hệ số nhiệt 1,5%/

0
C.
Độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ theo phơng trình:
G
T
= G
T25
[ 1+ à(t- t
25
)]
16
Trong đó: à là hệ số nhiệt của dung dịch
G
T25
là độ dẫn nhiệt của dung dịch tại 25
0
C
t
25
là nhiệt độ 25
0
C.
t là nhiệt độ đo .
Thông thờng độ dẫn nhiệt của sensor đợc hiệu chỉnh bù với nhiệt độ bằng
điện trở nhiệt.
Máy đo độ dẫn đợc hiệu chỉnh với dung dịch chuẩn trớc 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 đợc kết quả chính xác nhất. Độ dẫn chuẩn của dung dịch
đợc đo chuẩn ở nhiệt độ 25
0

C và hiệu ứng nhiệt phải đợc loại trừ.
B. Đo độ dẫn bằng phơng pháp hỗ cảm từ [4].
1. Nguyên tắc thiết kế.
Dựa trên hiện tợng hỗ cảm. Hiện tợng 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 đợc tính theo công thức.

dt
dI
ME
1
1
=
;
dt
dI
ME
2
2
=

Nghĩa là độ hỗ cảm của 2 mạch là đại lợng đo bằng s.đ.đ cảm ứng xuất
hiện ở một trong 2 mạch khi dòng điện trong mạch kia giảm đi sau mỗi đơn vị
thời gian. ( Từ E
c
= - d

/dt ;

=MI suy ra E = - M
dt
dI
với M = const;

là
thông lợng cảm ứng từ)
Trong đó:
I
1
, I
2
là dòng qua 2 mạch kín. [I] = A
M là hệ số hỗ cảm phụ thuộc hình dạng, kích thớc, vị trí tơng hỗ của
hai mạch và phụ thuộc vào môi trờng xung quanh.
[M] = Henry (H)

17
2. Sơ đồ nguyên lý đo [7].









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

l
1
, l
2
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 l
1
có lõi ferit truyền qua dung
dịch và gây ra trong cuộn l
2
một s.đ.đ hỗ cảm. Đo s.đ.đ hỗ cảm thu đợc trên
cuộn l
2
chúng ta biết đợc độ dẫn điện của dung dịch - từ đó tính ra nồng độ i on
trong dung dịch. Các tụ C
1
, C
2
, V
2
dùng để bù thành phần cộng hớng nối tiếp và
cộng hớng song song của U, I trên cuộn hỗ cảm l
2
. Mà thực chất của vấn đề là
bù vào giá trị của M. Khi đó giá trị đo đợc mới chính xác [5].
4. Tính chất của lõi Ferit [13].

Vì ferit có điện trở suất lớn (10
8
m) nên thực tế ferit không có tổn hao năng
lợng do dòng Fucô sinh ra. Khi nhiệt độ tăng thì tính từ d của ferit bị giảm đi
(hay độ cảm từ của ferit giảm đi vì
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
B
T
e

. Khi nhiệt độ tăng làm hệ số khuếch tán tăng, thời gian
C
1
C
2
r
2
r
1
M
l
1
l
2

18
c trú của các phân tử ở vị trí cân bằng giảm đi. Năng lợng chuyển động
nhiệt tăng lên làm độ dẫn điện của dung dịch tăng.
ảnh hởng của điện từ trờng ngoài lên dung dịch: Nh ta đã biết thời gian
c trú trung bình của phân tử


0

(
0
là chu kỳ dao động quanh vị trí cân
bằng của phân tử). Khi trờng ngoài có tần số dao động riêng cỡng bức làm
thay đổi
0
. Với tần số càng tăng thì làm

giảm đi khi đó hệ số khuếch tán
của phân tử trong dung dịch tăng lên.
6. ảnh hởng của cấu trúc hình học :
- Với lõi ferit:
Vì
t
l
tc
d
d
ME =
nên E
tc

phụ thuộc M
Do đó kích thớc hình học của lõi ferit, cuộn dây ảnh hởng rõ rệt đến độ từ
hoá J, B H, à. Nh vậy với mỗi kích thớc 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 thớc hình dạng của vật chứa dung dịch và Sensor [8]. Nếu vật đựng có
kích thớc nhỏ thì ảnh hởng đến hệ số khuếch tán của các phân tử trong
dung dịch, ảnh hởng đến quãng đờng 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 thớc lớn hơn rất nhiều so với kích
thớc của Sensor đo thì khắc phục đợc sự bất đồng nhất về mật độ dòng điện
trong dung dịch ở phần hỗ cảm của Sensor, kết quả ít bị ảnh hởng.
Nh vậy ta có thể xác định đợc nồng độ của các loại dung dịch bằng cách
chọn các loại sensor [9] khác nhau cho các loại dung dịch khác nhau.


19
C. Độ dẫn nhiệt [2].
1. Định luật Fourier cho độ dẫn nhiệt.
Năng lợng nhiệt sẽ lu thông từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt
độ thấp khi có một gradien nhiệt độ bên trong vật thể. Hiện tợng này gọi là
sự dẫn nhiệt và đợc mô tả bởi phơng trình Fourier:
q = -kT
Trong đó:
q: là véc tơ thông lợng nhiệt cho bởi trờng nhiệt có nhiệt độ T.
k: là hệ số dẫn nhiệt
dấu ( - ): có nghĩa thông lợng nhiệt giảm theo gradien nhiệt độ.

2. Phơng trình nhiệt.
Trờng nhiệt bên trong vật thể phụ thuộc vào tổng nhiệt độ nóng, dung
lợng của nó và dẫn nhiệt tại biên với môi trờng xung quanh.
Phơng trình nhiệt:

2
T
kt
T 11
=



q
tổng
Với các điều kiện biên:
T(
a
) = T
qui ớc
q(
b
) = q
qui ớc


a
U
b
=

Trong phơng trình nhiệt năng lợng tổng cộng trên một đơn vị thể tích đợc
thể hiện rõ qua sự khuếch tán nhiệt độ liên hệ với hệ số dẫn nhiệt k, nhiệt
dùng riêng C, mật độ bởi phơng trình:

C
k


=

Đối với trạng thái dừng:

2
T
k
1
=
q
tổng



20
3. Phép lấy đạo hàm phơng trình nhiệt.
Theo định luật bảo toàn năng lợng đối với vật thể nhỏ, phơng trình
nhiệt đợc mô tả:
Nhiệt độ đợc
dẫn vào
+
Nhiệt tổng cộng

bên trong
=
Nhiệt độ
dẫn ra
+
Sự thay đổi năng
lợng tích luỹ bên
trong
Kết hợp nhiệt đợc dẫn vào và dẫn ra ta có:
Nhiệt chủ yếu
đợc dẫn ra
=
Nhiệt tổng cộng
bên trong
-
Sự thay đổi năng lợng
tích luỹ bên trong
Phơng trình toán học đợc mô tả:
q = q
tổng
-
dt
de

Sự thay đổi năng lợng 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
de

=
Dùng các phơng trình trên thay cho q trong phơng trình dẫn nhiệt
Fourier ta có phơng trình nhiệt.
(-kT) = q
tổng
-
dt
dT
C


-k
2
T + q
t
T
C =



tổng

T
2
= q
kt
T 11

=



tổng

D. áp suất của dung dịch.
1. Phng phỏp o ỏp sut i vi dung dch :
p sut ca dung dch c cho tỏc dng lờn mt b mt xỏc nh ca thnh
ng, nh vy u tiờn ỏp sut c bin thnh lc.Vic o ỏp sut c a
v o lc.Tt c lc tỏc dng lờn mt mt phng xỏc nh l thc o ỏp sut.
o ỏp sut c hi
u l o ỏp sut i vi mt ỏp sut nh chun ( ỏp sut
21
khí quyển).
2. Nguyên lý đo áp suất :
+ Tổng quát:
Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng trên diện tích.
p =
A
F


Trong đó : p là áp suất , [p] = Pascal (Pa) = N/m
2

F là lực, [F]=N
A là diện tích, [A]= m
2

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. 10
5
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:
P
I
= V
0
²/2

Ở đó :

= mật độ chất lỏng
V
0
= vận tốc chất lỏng
Theo lý thuyết Bernoulli cho dòng chảy nằm ngang [5]:
P
s
= P

0
+ P
I

22

Ở đó:
P
s
= áp suất tổng cộng
P
0
= áp suất tĩnh

Mạch đo được dùng với cầu Wheatstone sử dụng các sensor áp suất với
màng sọc co dãn kim loại. Ưu thế của màng sọc co dãn là có trị số đo chính
xác, kích thước bé. Nguyên tắc : khi một sợi dây điện bị kéo căng ra, nó trở
nên dài hơn và nhỏ hơn : điện trở của nó gia tăng, khi nó bị nén co lại , nó trở
nên ngắn hơn và to hơn : điện trở của nó giả
m đi. Nếu ta giữ nó trong ranh
giới đàn hồi , sau khi co dãn nó vẫn giữ nguyên kích thước và trị số điện trở
như trước. Nếu ta gắn chặt dây điện này trên một phần tử cần đo đạc, sự biến
dạng của dây điện thay đổi theo sự biến dạng của phần tử này. Sự thay đổi
điện trở của dây điện tươ
ng ứng với lực, áp suất làm biến dạng phần tử mà ta
cần khảo sát.
Điện trở của dây dẫn điện :
R = ρ
s
l

Sự thay đổi tương đối của R:
∆R / R = ∆l / l − ∆s / s + ∆ρ / ρ
Thay vì mặt cắt ngang s , chúng ta đưa vào phương trình trên đường kính
D:
∆R / R = ∆l / l − 2 ∆D / D + ∆ρ / ρ

Độ nhạy K của màng sọc co dãn là tỷ lệ giữa sự thay đổi điện trở và độ
giãn nở:
K =
l
l
RR
/
/
∆
∆

Thay trị số Poisson : µ = −
l
l
DD
/
/
∆
∆

23
Ta cú: K =
ll

RR
/
/


= 1+ 2à +
ll
RR
/
/


+
ll /
/





Vi cỏc vt liu thụng thng à = 0,2 ữ 0,5 , do ú K = 2.

III. Phần thực nghiệm.
A. Dung dịch để đo độ dẫn [10].
1. Nớc để đo độ dẫn.
Nớc RO đợc lấy từ BVBM. Nớc RO đợc đảm bảo các yêu cầu về chỉ
tiêu sinh hoá của dung dịch lọc máu. Độ dẫn của nớc RO nằm trong khoảng:
2àS. cm
-1
ữ 5à S. cm

-1

2. Dung dịch acetate, dung dịch bicarbonate A,B ( A: acid bicarbonate ,
B: basic bicarbonate) dùng cho dung dịch lọc máu.
Dung dịch đậm đặc Acetate gồm những thành phần:
- Sodium chloride
- Potasium chloride
- Calcium chloride. 2H
2
O
- Magnesium chloride. 6H
2
O
- Sodium acetate.3 H
2
O
Sau khi pha dung dịch đậm đặc với nớc RO theo tỷ lệ 1/35 dung dịch
pha phải đảm bảo các chỉ tiêu sau:
- Sodium 141.00mMol/l
- Potassium 2.00mMol/l
- Calcium 1.75mMol/l
- Choride 112.50mMol/l
- Acetate 35.00mMol/l

B. Thiết kế sensor và mạch khuếch đại.
1. Sensor đo độ dẫn [7].
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.
24
Nguyên lý:

Sensor gồm hai phần: một phần phát tín hiệu và một phần thu tín hiệu. Tín
hiệu phát là tín hiệu xoay chiều hình sin. Dùng tín hiệu xoay chiều để tránh sự
phân cực trong chất điện phân [12].
Yêu cầu về sensor: sensor phải có sự ổn định lâu dài về thời gian và không bị
ảnh hởng bởi nhiễu điện từ của môi trờng. Không bị ảnh hởng của nhiệt độ
dung dịch. Chịu đợc môi trờng ẩm ớt và dung dịch muối acetate. Có độ
bền cơ học tốt. Có tính cơ động cao. Tín hiệu thu đợc phải phản ánh đợc giá
trị độ dẫn của dung dịch cần đo thông qua giá trị độ dẫn của sensor và hệ số
nhiệt của sensor.
Đặc tính kỹ thuật của lõi ferit FeMnZn: à = 3000; H
c
= 0,2 ơcxtet ;
H
max
=10 ơcxtet ; B
max
= 3800ữ4000 ; B
r
= 2800ữ3000 ; f < 1MHz ;
d
trong
= 8mm; d
ngoài
= 10mm; h = 5mm
2. Thiết kế sensor đo nhiệt độ [2].
- Dùng nhiệt điện trở Pt
- Đo đợc nhiệt độ của dung dịch
- Bù nhiệt cho phép đo độ dẫn
- Chịu đợc môi trờng có dung dịch muối Acetate, Bicarbonate
3. Sensor áp suất tem-tech pfa SE 3200/SE 3300 [14].

(PFA: Seal - Free Perfluoroalkoxy resin)
Sensor áp suất SE 3300 đợc dùng cho dung dịch có độ tinh khiết cao.
3.1. Đặc tính:
- Là sensor gốm hợp chất nano cùng với sự cố kết đồng nhất
với màng PFA
- Sensor đợc cấu tạo là một hộp kín tránh đợc sự nhiễm bẩn.
- Khoảng đo áp suất rộng đo từ áp suất chân không 0 psia đến 150 psia
- Thiết kế gắn liền sensor nhiệt để bù nhiệt.
- Gắn bộ chỉ thị rò rỉ.
- Phần bị thấm ớt đợc làm bằng màng PFA có độ tinh khiết cao.