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

Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 1 Mở đầu 1. Đặt vấn đề Đã từ xa x−a, mặc dù ch−a nhận thức đ−ợc sự tồn tại của vi khuẩn, nh−ng loài ng−ời cũng đã biết đ−ợc khá nhiều về tác dụng do vi khuẩn gây nên. Đến nay trong quá trình sản xuất và trong cuộc sống, loài ng−ời đã tích lũy đ−ợc 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 th−ớc nhỏ bé và có cấu trúc cơ thể t−ơng đối đơn giản nh−ng 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 th−ờng 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 th−ờng. 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 ng−ời, cho gia súc, gia cầm, tôm cá, cho cây trồng, cây rừng, chúng làm h− hại hoặc biến chất l−ơng 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 nh− trong chăn nuôi, trồng trọt một trong những vấn đề lớn đó là có thể phòng chống đ−ợc các bệnh truyền nhiễm và các ph−ơng pháp đề phòng dịch bệnh có thể lây nhiễm từ súc vật sang ng−ời, từ ng−ời sang ng−ời... 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 đ−ợc hoàn thiện nhằm nâng cao chất l−ợng 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 Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 2 mới để có thể khống chế đ−ợc chúng, sử dụng chúng vào những việc có lợi cho con ng−ời. 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 đ−ợc những tiến bộ của khoa học kỹ thuật đặc biệt là điện tử đã và đang đ−ợc 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 đ−ợc, 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 n−ớc ta hiện nay. 2. Mục đích của đề tài Trên cơ sở những kiến thức đã học đ−ợc trong nhà tr−ờng và những kiến thức thực tế tiếp thu đ−ợc 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 tr−ờng đối với điều kiện phát triển của vi khuẩn. Trình bày nguyên tắc chung của mạch điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 3 Giới thiệu một số sơ đồ điều khiển thực tế đang đ−ợc 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. Ph−ơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu theo ph−ơng pháp lý thuyết - Nghiên cứu theo ph−ơng pháp ứng dụng - Nghiên cứu theo ph−ơng pháp chuyên gia Ch−ơng 1 Tìm hiểu đặc điểm, điều kiện sinh sống của vi khuẩn và tác động của môi tr−ờng đối với sự phát triển của vi khuẩn Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 4 1.1. Khái niệm chung Xung quanh ta ngoài các sinh vật lớn mà chúng ta có thể nhìn thấy đ−ợc còn có vô vàn các sinh vật nhỏ bé, muốn nhìn thấy chúng phải dùng kính hiển vi. Ng−ời 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 ng−ời, động vật, thực vật, trong các sản phẩm l−ơng thực, thực phẩm, vật liệu, hàng hóa... ngay cả ở trong những nơi mà điều kiện sống t−ởng chừng nh− hết sức phức tạp và khắc nhiệt nhất mà vẫn thấy có sự phát triển của vi khuẩn. Chẳng hạn nh− vi khuẩn Pseudomonas bathycetes chúng có thể sống đ−ợc d−ới đáy đại d−ơng, nơi mà có áp suất lên tới 1000 atm và nhiệt độ th−ờng xuyên chỉ vào khoảng 30C. Vi khuẩn Sulfolobus acidorcaldrius phát triển một cách bình th−ờng 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 tr−ờng có độ PH = 10 - 11. Vi khuẩn −a mặn thuộc các chi Halobacterium, Halococcus phát triển đ−ợc 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... Ng−ời ta đã làm thí nghiệm và tính toán đ−ợc rằng trong 1gam đất lấy ở tầng canh tác th−ờng 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 th−ờng có từ 1 - 2 triệu vi sinh vật, trên đ−ờng phố có khoảng 5000 vi sinh vật sinh sống, nh−ng 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 ng−ời 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 (nh− Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 5 ng−ời, 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 tr−ớc đây ch−a đ−ợc tạo thành bởi vi khuẩn. 1.2. Đặc điểm chung của vi khuẩn 1.2.1. Kích th−ớc nhỏ bé Mắt con ng−ời khó thấy đ−ợc rõ những vật có kích th−ớc nhỏ khoảng 1mm. Vậy mà vi khuẩn th−ờng đ−ợc đo bằng micromet. Chính vì vi khuẩn có kích th−ớc nhỏ bé cho nên diện tích bề mặt của vi khuẩn hết sức lớn. Chẳng hạn nh− số l−ợng 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 th−ớc nhỏ bé nhất trong sinh giới nh−ng năng l−ợng hấp thu và chuyển hóa của chúng có thể v−ợt xa các sinh vật bậc cao. Chẳng hạn nh− vi khuẩn Lactic trong 1 giờ có thể phân giải một l−ợng đ−ờng Lactozơ nặng hơn 1000 - 10000 lần khối l−ợng của chúng. Nếu tính số lμ 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 nh− trong các hoạt động sống của con ng−ời. 1.2.3. Sinh tr−ởng 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 tr−ởng và sinh sôi nảy nở cực lớn. Chẳng hạn nh− 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 t−ơng đ−ơng với khoảng 4722 tấn. Tuy nhiên trong thực tế không thể tạo ra đ−ợc các điều kiện sinh tr−ởng lý t−ởng nh− vậy đ−ợc cho nên số l−ợng vi Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 6 khuẩn thu đ−ợc trong 1ml dịch nuôi cấy th−ờng 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 v−ợt 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 đ−ợc những điều kiện sống rất bất lợi. Sự thích ứng của vi khuẩn nhiều khi v−ợt xa trí t−ởng t−ợng của con ng−ời. 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 tr−ởng 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 tr−ởng 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 đ−ợc c−ờng độ bức xạ tới 750.000 rad. Vi khuẩn rất dễ phát sinh biến dị bởi vì th−ờng là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số l−ợng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi tr−ờng sống. Tần số biến dị th−ờng 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 ng−ời, động vật, thực vật, trong đất, trong n−ớc, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi cho đến núi cao, từ n−ớc ngầm cho đến n−ớc biển... Trong đ−ờng ruột của ng−ời số l−ợng vi khuẩn Bacteroides fragilis cao nhất chúng đạt tới số l−ợng 1010 - 1011/g phân, gấp 100 - 1000 lần số l−ợng vi khuẩn Escherichia coli. ở độ sâu 10000m của Đông Thái Bình D−ơng nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo và có áp suất rất cao ng−ời ta phát hiện thấy có khoảng 1 triệu đến 10 tỉ vi khuẩn/ml chủ yếu là vi khuẩn l−u huỳnh. 1.3. Điều kiện sinh sống của vi khuẩn Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 7 Điều kiện sinh sống của vi khuẩn ở đây là các chất dinh d−ỡng và nguồn thức ăn của chúng. 1.3.1. Thành phần tế bào và các chất dinh d−ỡng của vi khuẩn Các chất dinh d−ỡng đối với vi khuẩn là bất kỳ chất nào đ−ợc vi khuẩn hấp thụ từ môi tr−ờng xung quanh và đ−ợc 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 l−ợng. Quá trình hấp thụ các chất dinh d−ỡng để thỏa mãn mọi nhu cầu sinh tr−ởng và phát triển của vi khuẩn. Không phải mọi thành phần của môi tr−ờng nuôi cấy vi khuẩn đều đ−ợc coi là chất dinh d−ỡng. Một số chất rắn cần thiết cho vi khuẩn nh−ng 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 d−ỡng 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 d−ỡng của chúng. Thành phần hóa học cấu tạo bởi các nguyên tố C, H, O, N, các nguyên tố khoáng đa l−ợng và các nguyên tố khoáng vi l−ợng. Chỉ riêng các nguyên tố C, H, O, N, P, S, K, Na đã chiếm đến 98% khối l−ợng khô của tế bào vi khuẩn E.coli. L−ợng 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, l−ợng chứa các nguyên tố cùng loài vi khuẩn cũng không giống nhau. Trong tế bào vi khuẩn các hợp chất đ−ợc chia thành: n−ớc và các muối khoáng, các chất hữu cơ. + N−ớc và muối khoáng N−ớc chiếm đến 70 - 90% khối l−ợng cơ thể của vi khuẩn. Tất cả các phản ứng xảy ra trong tế bào của vi khuẩn đều đòi hỏi có sự tồn tại của n−ớc. Yêu cầu của vi khuẩn đối với n−ớc đ−ợc biểu thị một cách định l−ợng bằng độ hoạt động của n−ớc (ký hiệu là aw) trong môi tr−ờng. Độ hoạt động của n−ớc còn đ−ợc gọi là thế năng của n−ớc (ký hiệu là pw): Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 8 0p paw = Trong đó p là áp lực hơi của dung dịch, p0 là áp lực hơi n−ớc. Chẳng hạn nh− n−ớc nguyên chất có aw = 1, n−ớc biển có aw = 0.980, máu ng−ời có aw= 0.995. Phần n−ớc có thể tham gia vào các quá trình trao đổi chất của vi khuẩn đ−ợc gọi là n−ớc tự do. Đa phần n−ớc trong tế bào vi khuẩn tồn tại ở dạng n−ớc tự do. N−ớc kết hợp là phần n−ớc liên kết với các hợp chất hữu cơ cao phân tử trong tế bào (protein, lipit, hidrat cacbon...). N−ớc liên kết mất khả năng hòa tan và l−u động. Muối khoáng chiếm khoảng 2 - 5% khối l−ợng khô của tế bào. Chúng th−ờng tồn tại d−ới dạng các muối sunphat, photphat, cacbonat, clorua... Trong tế bào chúng th−ờng ở dạng các ion. Dạng cation chẳng hạn nh− Mg2+, Ca2+, K+, Na+... Dạng anion chẳng hạn nh− HPO4 2-, SO4 2-, 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 th−ờng chiếm tới 96% khối l−ợng khô, các chất đơn phân tử chỉ chiếm có 3.5% còn các ion vô cơ chỉ chiếm có 1%. D−ới 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 l−ợng Số phân tử/ tế bào Số loại phân tử Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 9 khô (1) N−ớc - 1 Tổng số các đại phân tử 96 24.609.802 khoảng 2500 Protein 55 2.350.000 khoảng 1850 Polisaccarit 5 4.300 2 (2) Lipit 9.1 22.000.000 4 (3) AND 3.1 2.1 1 ARN 20.5 255.500 khoảng 660 Tổng số các đơn phân tử 3.5 khoảng 350 Axit amin và tiền thể 0.5 khoảng 100 Đ−ờng và tiền thể 2 khoảng 50 Nucleotit và tiền thể 0.5 khoảng 200 Các ion vô vơ 1 18 Tổng cộng 100 Trong đó: (1) là khối l−ợng khô của 1 tế bào vi khuẩn E.coli đang sinh tr−ởng mạnh là 13108.2 −ì 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 đ−ợc cung cấp có thể là chất vô cơ (CO2, NaHCO3, CaCO3...) hoặc chất hữu cơ. Giá trị dinh d−ỡng 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. Ng−ời ta th−ờng sử dụng đ−ờng để làm thức ăn cacbon khi nuôi cấy phần lớn các vi khuẩn dị d−ỡng. Cần chú ý đ−ờng đơn ở nhiệt độ cao có thể bị chuyển hóa thành loại hợp chất có màu tối gọi là đ−ờng cháy rất khó hấp thụ. Trong môi tr−ờng kiềm sau khi khử trùng đ−ờng còn dễ bị axit hóa và làm biến đổi pH môi tr−ờng. Để tránh các hiện t−ợng này khi khử trùng môi tr−ờng chứa đ−ờng ng−ời ta th−ờng chỉ hấp ở áp lực 0.5 atm (112.50C) và duy trì trong 30 phút. Với các loại đ−ờng đơn tốt nhất là nên sử dụng ph−ơng pháp hấp gián Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 10 đoạn hoặc lọc riêng dung dịch đ−ờng (th−ờng 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 tr−ờng đã khử trùng. Khi chế tạo các môi tr−ờng chứa tinh bột tr−ớc hết phải hồ hóa tinh bột ở nhiệt độ 60 - 700C sau đó đun sôi rồi mới đ−a đi khử trùng ở nồi hấp áp lực Xenlulozơ đ−ợc đ−a vào các môi tr−ờng nuôi cấy, vi khuẩn phân giải Xenlulozơ d−ới 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 đ−ợc với thành tế bào từng vi khuẩn. Để nuôi cấy các loại vi khuẩn ng−ời ta th−ờng dùng nồng độ đ−ờng là 0.5 - 0.2%. Hầu hết các vi khuẩn chỉ đồng hóa đ−ợc các loại đ−ờng ở dạng đồng phân D. Các chất hữu cơ chứa cả C và N (pepton, n−ớc thịt, n−ớc chiết ngô, n−ớc chiết đại mạch, n−ớc 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 đ−ợc CO2 và vài loại hợp chất chứa 1C hoặc 2C. Với vi khuẩn dị d−ỡng nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng: nguồn dinh d−ỡng và nguồn năng l−ợng. Nhất là các vi khuẩn gây bệnh sống trong máu, trong các tổ chức hoặc trong ruột của ng−ời và động vật muốn sinh tr−ởng đ−ợc ngoài nguồn cacbon hữu cơ còn cần phải đ−ợc cung cấp một l−ợng nhỏ CO2 thì mới phát triển đ−ợc. 1.3.3. Nguồn thức ăn nitơ của vi khuẩn Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 11 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 ng−ời ta phải bổ sung thêm muối amon (nh− amon sunphat chẳng hạn). Sở dĩ nh− vậy là bởi vì có thức ăn nitơ dễ hấp thụ cho vi khuẩn phát triển đã thì mới có thể sản sinh ra đ−ợc Ureaza để thủy phân Urê. Cũng có loại vi khuẩn sở dĩ không phát triển đ−ợc trên môi tr−ờng chỉ có nguồn thức ăn nitơ là muối amon không phải là không đồng hóa đ−ợc muối này mà là do chúng đòi hỏi phải đ−ợc 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 th−ờng đ−ợc 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 ng−ời ta th−ờng nuôi cấy có những thành phần sau: pepton (5g), cao thịt (3g), NaCl (8g), n−ớc cất (1000ml). Nếu làm môi tr−ờng đặc thì bổ sung thêm 15 - 20g thạch. 1.3.4. Nguồn thức ăn khoáng của vi khuẩn Khi sử dụng các môi tr−ờng thiên nhiên để nuôi cấy vi khuẩn ng−ời ta th−ờng không cần thiết bổ sung các nguyên tố khoáng. Trong nguyên liệu dùng làm các môi tr−ờng này (khoai tây, n−ớc thịt, sữa, huyết thanh, pepton, giá đậu...) th−ờng có chứa đủ các nguyên tố khoáng cần thiết đối với vi khuẩn. Ng−ợc lại khi làm các môi tr−ờng 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 đ−ợc cung cấp với liều l−ợng lớn gọi là các nguyên tố đa l−ợng. Còn các nguyên tố khoáng mà vi khuẩn chỉ đòi hỏi với những liều l−ợng rất nhỏ gọi là các nguyên tố vi l−ợng. Nồng độ cần thiết của từng nguyên tố vi l−ợng trong môi tr−ờng th−ờng chỉ vào khoảng 10-6 - 10-8 M. Hàm l−ợng các chất khoáng chứa trong nguyên Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 12 sinh chất vi khuẩn th−ờng 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 th−ờng là chênh lệch nhau rất nhiều. Chẳng hạn nh− 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 Na2O 0.2-28.08 K2O 2.4-39.8 Cl 0.03-43.69 SO3 0.5-28.8 MgO 0.12-12.0 CaO 0.3-14.0 1.4. Tác động của môi tr−ờng đối với điều kiện phát triển của vi khuẩn Sinh tr−ởng, phát triển và trao đổi chất của vi khuẩn liên quan chặt chẽ với các điều kiện của môi tr−ờng. 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 tr−ờng lên vi khuẩn Với tác dụng tối thiểu của yếu tố môi tr−ờng vi khuẩn bắt đầu sinh tr−ởng và mở đầu các quá trình trao đổi chất, với tác dụng tối thích vi khuẩn sinh tr−ởng, với tốc độ cực đại và biểu hiện hoạt tính trao đổi chất, trao đổi năng l−ợng lớn nhất, với tác dụng cực đại vi khuẩn ngừng sinh tr−ởng và th−ờng bị chết. Tác động của môi tr−ờng 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 C−ờng độ tác dụng của môi tr−ờng C −ờ ng đ ộ ho ạt đ ộn g số ng Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 13 ức khuẩn của yếu tố môi tr−ờng, tế bào ngừng phân chia, nếu loại bỏ yếu tố này khỏi môi tr−ờng vi khuẩn lại tiếp tục sinh tr−ởng và phát triển. Khi có mặt chất diệt khuẩn, vi khuẩn ngừng sinh tr−ởng, phát triển và chết nhanh chóng. Sự chết của tế bào th−ờng không xảy ra ngay một lúc trong quần thể mà diễn ra dần dần, có thể biểu diễn bằng đ−ờng cong tử vong logarit d−ới đây (Hình 1.4b, 1.4c). Hình 1.4b Hình 1.4c Tác dụng ức khuẩn và diệt Tốc độ chết của vi khuẩn tùy theo khuẩn của yếu tố môi tr−ờng thời gian tác dụng của diệt khuẩn Một số yếu tố, chủ yếu là các hóa chất, có thể tác dụng ức khuẩn hoặc diệt khuẩn tùy theo nồng độ. Tác dụng kháng khuẩn của các yếu tố môi tr−ờng chịu ảnh h−ởng của một số điều kiện nh− tính chất và c−ờng độ tác dụng của bản thân yếu tố, đặc tính của vi khuẩn và tính chất của môi tr−ờng. 1.4.1. Cơ chế tác dụng của các yếu tố môi tr−ờng lên vi khuẩn Các yếu tố môi tr−ờng 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 tr−ờng, thể oxi hóa khử, các chất diệt khuẩn) và các yếu tố sinh học (chất kháng sinh). Dù là yếu tố nào nh−ng khi tác dụng bất lợi lên tế bào thì th−ờng gây tổn hại đến các cấu trúc quan Sinh tr−ởng bình th−ờng ức khuẩn Diệt khuẩn Thời gian tác dụng của yếu tố LogN 0 5 10 15 20 50 100 80% 80% 80% V i k hu ẩn s ốn g só t ( % ) Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 14 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: + Phá hủy thành tế bào. + Biến đổi tính thấm của màng tế bào chất: một số chất không nhất thiết phải xâm nhập tế bào. Nh−ng vẫn gây tác dụng kháng khuẩn. + Thay đổi đặc tính keo của nguyên sinh chất: các yếu tố vật lý hay hóa học đều có thể gây nên tác dụng này. + Kìm hãm hoạt tính. + Hủy hoại các quá trình tổng hợp. 1.4.2. Tác động của các yếu tố vật lý + Độ ẩm: hầu hết các quá trình sống của vi khuẩn có liên quan đến n−ớc do đó độ ẩm là yếu tố quan trọng của môi tr−ờng. Đa số vi khuẩn thuộc các sinh vật −a n−ớc nghĩa là chúng cần n−ớc 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 h−ởng sâu sắc đến các quá trình sống của tế bào. Tế bào thu đ−ợc nhiệt chủ yếu từ môi tr−ờng 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 tr−ờng chứa n−ớc ở dạng có thể hấp thụ. Vùng này của n−ớc nằm ở 20 đến khoảng 1000 gọi là vùng sinh động học. Hầu hết tế bào sinh d−ỡng 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 Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 15 trong màng hoặc ảnh h−ởng đến việc hình thành và tiêu thụ ATP cần cho quá trình vận chuyển chủ động các chất dinh d−ỡng. Vi khuẩn th−ờng chịu đựng đ−ợc nhiệt độ thấp. ở nhiệt độ d−ới 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 tr−ờng hợp làm lạnh dần dần xuống d−ới điểm băng cấu trúc của tế bào bị tổn hại do các tinh thể băng đ−ợc tạo thành nh−ng kích th−ớc 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 tr−ởng của vi khuẩn. Giới hạn này rất khác nhau giữa các loại vi khuẩn, t−ơng đối rộng ở các vi khuẩn hoại sinh, nh−ng 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 −a lạnh (Psychrophilic) sinh tr−ởng tốt nhất ở nhiệt độ d−ới 200C, th−ờng gặp trong n−ớc biển, các hố sâu và suối n−ớc 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 −a lạnh dễ dàng thích ứng với nhiệt độ cao hơn. - Vi khuẩn −a 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 ng−ời và động vật, chúng sinh tr−ởng tốt nhất ở 370C ứng với nhiệt độ của cơ thể ng−ời và động vật. - Vi khuẩn −a nóng (Thermophilic) sinh tr−ởng tốt nhất ở 550C. Một số không sinh tr−ởng ở nhiệt độ d−ới +300C. Nhiệt độ sinh tr−ởng cực đại của các vi khuẩn −a nóng dao động giữa +750C và +800C. Các loài Bacillus sống trong đất th−ờng có nhiệt độ sinh tr−ởng khá rộng (15 - 400C). Vi khuẩn E.coli có nhiệt độ sinh tr−ởng 10 - 47.50C. Vi khuẩn gây bệnh lậu (Neisseria gonorrhoeae) phát triển ở nhiệt độ 30 - 400C. Vi khuẩn Methylococus capsulatus sinh tr−ởng thích hợp ở 370C cũng còn có thể sinh tr−ởng ở nhiệt độ 550C. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 16 áp lực, áp suất thẩm thấu và áp suất thủy tĩnh có thể ảnh h−ởng đến cấu trúc của tế bào vi khuẩn. + Âm thanh: sóng âm thanh, đặc biệt trong vùng siêu âm (trên 20KHz), có ảnh h−ởng lớn đến sinh tr−ởng của vi khuẩn. Các tế bào sinh d−ỡng bị chết nhanh tróng. Tế bào con mẫn cảm hơn nhiều so với tế bào già. + Sức căng bề mặt: khi sinh tr−ởng trong môi tr−ờng dịch thể vi khuẩn chịu ảnh h−ởng của sức căng bề mặt của môi tr−ờng. Những thay đổi của sức căng bề mặt có thể là ngừng sinh tr−ởng 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 th−ơng sinh học nếu đ−ợc tế bào hấp thụ thì mức độ gây hại tùy thuộc vào mức năng l−ợng trong l−ợng tử ánh sáng đ−ợc hấp thụ và mức năng l−ợng trong l−ợng tử lại phụ thuộc gián tiếp vào chiều dài sóng của tia chiếu. Các l−ợng 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 h−ởng đến chức phận sống của tế bào tr−ớc hết phải kể đến nồng độ ion hidro (pH), thế oxi hóa khử (Eh) của môi tr−ờng, các chất sát trùng và các chất hóa trị liệu. + Tác động của pH môi tr−ờng: pH của môi tr−ờng có ý nghĩa quyết định đối với sinh tr−ởng 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 h−ởng mạnh mẽ. Cho nên việc xác định thích hợp ban đầu vào việc duy trì pH cần thiết trong thời gian sinh tr−ởng của tế bào là rất quan trọng. Đa số vi khuẩn sinh tr−ởng tốt nhất ở pH trung bình (7.0) nh− nhiều vi khuẩn gây bệnh (môi tr−ờng 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 tr−ờng. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 17 + Các chất diệt khuẩn ( sát trùng): th−ờng 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 Nh− 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 đ−a ra một số kết luận sau: + Vi khuẩn có vai trò vô cùng to lớn đối với con ng−ời, động vật, thực vật… trên trái đất. Chẳng hạn nh− 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 l−ợng đó là việc chúng đóng góp rất lớn trong việc tạo ra dầu mỏ, than đá và khí đốt… + Muốn cho vi khuẩn sinh tr−ởng và phát triển đ−ợc cần phải nuôi cấy trong các môi tr−ờng thích hợp, môi tr−ờng là những chất dinh d−ỡng cần thiết đ−ợc phối hợp theo yêu cầu sinh tr−ởng và phát triển của vi khuẩn đối với điều kiện và hoàn cảnh sống. Ví dụ nh−: • Môi tr−ờng dịch thể hay môi tr−ờng lỏng là môi tr−ờng hợp thành do sự hoà tan của các chất dinh d−ỡng cần thiết ở trong n−ớc, nh− môi tr−ờng n−ớc thịt, n−ớc pepton, n−ớc gan, n−ớc dạ dầy, n−ớc các loại thân củ (nh− ngô, đậu nành, cà rốt). • Môi tr−ờng bán cố thể là môi tr−ờng n−ớc có cho thêm một ít chất (thạch, keo) vào để làm cho môi tr−ờng sánh lại, môi tr−ờng này dùng để theo dõi sự di động của vi khuẩn, nó hợp với điều kiện phát triển sinh lý của vi khuẩn. • Môi tr−ờng cố thể hay môi tr−ờng rắn đặc nh− môi tr−ờng khoai tây để nuôi cấy vi khuẩn lao; môi tr−ờng lỏng thêm thạch để tạo thành môi tr−ờng Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 18 thạch đĩa, thạch nghiêng dùng để phân lập và xem hình thái các khuẩn lạc; môi tr−ờng gelatin để kiểm tra xem vi khuẩn có làm tan chảy gelatin không. • Môi tr−ờng tự nhiên là các môi tr−ờng mà các chất dinh d−ỡng có sẵn trong thiên nhiên nh− máu, huyết thạch, n−ớc tiểu, n−ớc trứng, khoai tây… hay môi tr−ờng nhân tạo là hỗn hợp của nhiều chất dinh d−ỡng cần thiết cho vi khuẩn nh− n−ớc thịt, n−ớc thịt gan… + Ngoài ra ánh sáng cũng rất cần thiết đối với một số loại vi khuẩn nh−ng trong quá trình nuôi cấy nhân tạo ng−ời ta có thể tạo ra môi tr−ờng thích hợp cho vi khuẩn sinh tr−ởng. Nh−ng 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. Nh− vậy, từ những phân tích ở trên chúng tôi thấy ánh sáng, độ ẩm, môi tr−ờng đã đ−ợc 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 đ−ợc sử dụng trong thực tế, cụ thể là đang đ−ợng sử dụng trong bệnh viện Bạch Mai. Ch−ơng 2 Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 19 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 Trong đó: 1) Vỏ tủ: th−ờng làm bằng tôn sắt dày cỡ 1,5mm, ở mặt trong có sơn lớp sơn chịu nhiệt, mặt ngoài sơn chống rỉ. Có loại làm bằng tôn thép không rỉ. 2) Lớp cách nhiệt: th−ờng bằng bông thuỷ tinh để cách nhiệt cho tủ với môi tr−ờng ngoài. 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. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 20 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, th−ờng trong đó có khoảng hai hoặc ba giá đỡ làm bằng thép không rỉ. 7) Gờ đỡ: dùng để đỡ các giá đỡ. 8) Dây đốt: là điện trở dây quấn hình lò xo th−ờng làm bằng Ferô-Niken. 9) Chân đế. 10) Lỗ thoát ẩm: có thể khoá hoặc mở ra giúp cho tủ thoát ẩm. 11) Nhiệt kế: dùng để đo nhiệt độ trong tủ. 12) Hộp chứa đựng mạch điều khiển và các thiết bị liên quan. 13) Khoảng trống phía sau tủ dùng để đ−a 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 l−u thông nhiệt trong tủ. 2.2. Nguyên lý làm việc chung Thông th−ờng vi khuẩn đ−ợc nuôi cấy ở một nhiệt độ nhất định (th−ờng 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 nh− vậy trong suốt khoảng thời gian yêu cầu của việc nuôi cấy vi khuẩn. Nh− vậy, tủ ấm 370C hoạt động theo một chu Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 21 trình khép kín và liên tục trong một thời gian dài mà vẫn đảm bảo đ−ợc sự ổn định nhiệt độ. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển nhiệt độ: đ−ợc thể hiện nh− hình 2.2 d−ới 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 Nh− 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 đ−ợc 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 đ−a tín hiệu sai lệch vào bộ điều khiển cho ra điện áp điều khiển để điều khiển kháng đốt. Nhiệt độ trong tủ luôn đ−ợc cảm biến cảm nhận, nếu nhiệt độ trong tủ ch−a đạt đến nhiệt độ yêu cầu thì bộ điều khiển sẽ tự động điều chỉnh để đ−a nhiệt độ trong tủ bằng nhiệt độ đặt. Quá trình điều khiển nhiệt độ luôn Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 22 đ−ợc ổn định do sai lệch giữa nhiệt độ thực và nhiệt độ đặt luôn luôn đ−ợc 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 l−ợng nên nó đ−ợc 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 đ−ợc nhiệt độ cao, có độ bền cơ học lớn, đặc tính cách nhiệt với môi tr−ờng 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 tr−ờng làm việc. 2.2.2. Khối tạo nhiệt Là điện trở dây quấn hình lò xo th−ờng 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 l−ợng toả ra trên dây đốt khi có dòng điện chạy qua đ−ợc xác định theo biểu thức sau: Q = RI2t (J) Trong đó: Q- nhiệt l−ợng 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 đ−ợc quyết định bởi điện áp đặt lên dây đốt hay là phụ thuộc vào thời gian dẫn điện của phần phía điều khiển cung cấp. 2.2.3. Mạch điều khiển Mạch điều khiển có thể điều khiển bằng các thiết bị cơ khí, có thể điều khiển bằng các thiết bị bán dẫn. 2.2.3.1. Mạch điều khiển bằng các thiết bị cơ khí Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 23 Những tủ sử dụng mạch điều khiển loại này tiện dụng cho ng−ời sử dụng, tiết kiệm năng l−ợng nh−ng 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 nh− không sản xuất mà chỉ tồn tại trong các thiết bị cũ mà hiện tại đang đ−ợc sử dụng ở một số cơ sở Y tế, trạm Thú y, trạm bảo vệ thực vật. Trong tr−ờng hợp này các tủ th−ờng đ−ợc 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 đ−ợc ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điều khiển. Với những −u điểm v−ợt trội nh− là thiết bị gọn nhẹ dễ sử dụng, do đó hầu hết các tủ nuôi cấy vi khuẩn hiện nay đều đ−ợc điều khiển bằng các thiết bị bán dẫn. Hình2.3 d−ới 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 l−ợng thích hợp cho khối cách ly ngõ vào. Khối này thông th−ờng là nguồn cung cấp từ l−ới 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 l−u hay mạch điều khiển công suất và không cho dòng điện chạy ng−ợc lại. Đối với khối cách ly ngõ vào thông th−ờng là biến áp hạ áp nhằm Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 24 tạo ra điện áp t−ơng ứng với điện áp điều khiển, còn đối với khối cách ly ngõ ra th−ờng 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 đ−ợc bằng cách đồng bộ Arccos hoặc đồng bộ xung răng c−a. * Đồng bộ Arccos: điện áp đồng bộ tAU s ωcos= , v−ợt tr−ớc điện áp tAU AK ωsin= của Thyristor (hay Triac) một góc 900. Nên điện áp đ−a vào sẽ cho qua bộ tích phân để đ−ợc 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 (d−ơng và âm). Do đó nếu đặt Us vào cổng đảo và Uđk vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi Us=Uđk, ta sẽ nhận đ−ợc một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh, khi khâu này lật trạng thái: dkUtA =ωcos . Do đó )arccos( A Ut dk=ω . Khi Uđk = A thì 0=tω . Khi Uđk = 0 thì 2/πω =t . Khi Uđk = -A thì πω =t . Nh− vậy, khi điều chỉnh Uđk từ trị Uđk = +A, đến trị Uđk = -A, ta có thể điều chỉnh đ−ợc góc α từ 0 đến π . Nguyên tắc điều khiển trong tr−ờng hợp này thể hiện trên hình 2.4 sau: Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý tạo tín hiệu đồng bộ Hình 2.5 d−ới đây là đồ thị dạng sóng điện áp. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 25 Hình 2.5. Đồ thị dạng sóng đồng bộ Cosin Trong đó: Uss là điện áp điều khiển đóng mở Thyristor (hay Triac). Ph−ơng pháp này đ−ợc sử dụng trong các thiết bị chỉnh l−u đòi hỏi chất l−ợng cao. * Đồng bộ xung răng c−a: ph−ơng pháp đồng bộ xung răng c−a là dùng các mạch chức năng tạo ra tín hiệu điện áp có dạng sóng răng c−a 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), th−ờng đặt vào đầu đảo của khâu so sánh. Điện áp điều khiển, ký hiệu Uc là điện áp một chiều (có thể điều chỉnh đ−ợc biên độ), th−ờng 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 đ−ợc s−ờn xuống của điện áp đầu ra khâu so sánh, s−ờn xuống này thông qua đa hài một trạng thái ổn định, tạo ra một xung điều khiển. Nh− vậy, bằng cách làm biến đổi Uc thì có thể điều chỉnh đ−ợc thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh đ−ợc góc α . Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 26 Giữa α và Uc có mối quan hệ sau: sm c U Uπα = , với Usm = Ucmax. Hình 2.6.d−ới 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 ng−ợc lại nh−ng phải đảm bảo công suất tiêu tán nhỏ hơn công suất cho phép. Độ rộng xung đ−ợc quyết định bởi thời gian dòng qua Triac đạt giá trị dòng mở (tra trong sách tra cứu bán dẫn ứng với loại Triac t−ơng ứng mà ta sử dụng). (6) Khối công suất: khối công suất ở đây th−ờng 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 l−ờng Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 27 Để thực hiện việc đo một đại l−ợng nào đó tuỳ thuộc vào những đại l−ợng cần đo, điều kiện đo cũng nh− 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 l−ờng khác nhau. D−ới đây là sơ đồ khối của hệ thống đo l−ờng tổng quát: Hình 2.7. Sơ đồ khối của hệ thống đo l−ờng Hoạt động của hệ thống đo l−ờng: tín hiệu cần đo là các đại l−ợng vật lý (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất...) qua cảm biến, cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi các đại l−ợng này thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện. Sau đó điện áp hoặc dòng điện đ−ợc đ−a 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 l−ợng vật lý, đặc tr−ng cho đối t−ợng cần đo và biến đổi các đại l−ợng đo thành tín hiệu điện. Đây là khâu quan trọng nhất của một thiết bị đo l−ờng, có nhiều loại chuyển đổi sơ cấp khác nhau tuỳ thuộc vào đại l−ợng đo và đại l−ợng 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 th−ờng 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 đ−a tới, nó có nhiệm vụ tính toán, biến đổi tín hiệu nhận đ−ợc 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 l−ờng số sử dụng vi điều khiển, cũng có thể là mạch đo sử dụng các IC số. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 28 + Đối với mạch đo sử dụng vi điều khiển: có sơ đồ khối nh− hình 2.8 d−ới đây: Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ thống đo l−ờng số dùng vi điều khiển Hoạt động của sơ đồ này nh− sau: đối t−ợng cần đo là đại l−ợng vật lý, dựa vào đặc tính của đối t−ợng cần đo mà chọn một loại cảm biến phù hợp để biến đổi thông số đại l−ợng vật lý cần đo thành đại l−ợng điện, sau đó đ−a 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 t−ơng 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 đ−ợc thực hiện tr−ớc đó, rồi đ−a ra bộ hiển thị. + Đối với mạch đo sử dụng IC số: đ−ợc thể hiện trên sơ đồ khối nh− hình 2.9 sau đây: Hình 2.9. Sơ đồ khối của mạch đo sử dụng IC số Hoạt động của khối này là: ph−ơng pháp đo bằng IC số này cũng gần giống với ph−ơng 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 t−ơng tự - số: trong sinh hoạt và sản xuất ngày nay thì công việc truyền tin cũng nh− là trong điều khiển và hiển thị phần lớn đều đ−ợc thực hiện theo ph−ơng pháp số. Trong khi đó các đối t−ợng mà ta nghiên cứu đều có dạng tín hiệu t−ơng tự (nh− nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, tốc độ quay, tín hiệu âm thanh…). Vì vậy để kết nối giữa nguồn tín hiệu t−ơng tự với các hệ thống xử lý số thì phải dùng các mạch chuyển đổi t−ơng tự sang số Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 29 nhằm chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự sang tín hiệu số hoặc ng−ợc lại khi cần biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu t−ơng 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 t−ơng tự (nh− dòng điện hay điện áp) thành mã số nhị phân có các giá trị t−ơng ứng. Bộ chuyển đổi ADC có rất nhiều ph−ơng pháp khác nhau, mỗi ph−ơng pháp đều có những thông số cơ bản khác nhau nh−: độ chính xác, tốc độ chuyển đổi, giải biến đổi của hiệu ứng t−ơng tự ngõ vào. Nh−ng chúng đều xuất phát từ một nguyên lý chung và đ−ợc thể hiện trên sơ đồ tổng quát hình 2.10 d−ới 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 đ−ợc xác định bằng xung đồng hồ (clock) bộ điều khiển làm thay đổi thành số nhị phân đ−ợc l−u trữ trong thanh ghi (Register). Số nhị phân trong thanh ghi đ−ợc 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>UB thì ngõ ra của bộ so sánh vẫn giữ ở mức cao. Khi UA<UB ngõ ra của bộ so sánh Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 30 xuống mức thấp và quá trình thay đổi số của thanh ghi ng−ng, 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 l−ờng, nó có nhiệm vụ thể hiện kết quả đo l−ờng d−ới dạng những con số t−ơng ứng với đơn vị cần đo sau khi qua mạch đo. Thiết bị hiển thị số th−ờng 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 đ−ợc 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 đ−ợc đoạn mà chỉ thấy toàn mặt của hiển thị màu sáng bạc yếu. Khi có hiệu thế, đoạn và mặt sau BP tác động nh− một tụ điện, tiêu thụ một dòng điện nhỏ. Tần số của điện thế phải thấp và dòng điện này nhỏ tuy nhiên không đ−ợc thấp d−ới 25Hz vì sẽ tạo sự nhấp nháy khó chịu cho mắt. Điện tr−ờng 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 đ−ợc từ mặt sau ở vùng t−ơng 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 đ−ợc 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 đ−ợc đặt mặt sau để rọi sáng nó thay vì chỉ dùng ánh sáng của môi tr−ờng xung quanh đến từ phía tr−ớc. Thiết bị hiển thị này tốn rất ít năng l−ợng nên hiện nay đ−ợc 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 Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 31 biểu diễn các chữ cái hay ký hiệu thì ng−ời 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. −u 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 (th−ờng là mầu xanh, vàng hoặc đỏ) sự phát sáng của LED khác với đèn th−ờng. ở đây chất phát sáng đ−ợc nung nóng làm cho phôton đ−ợc giải phóng. Điều kiện để nó đ−ợc giải phóng là do có sự tập chung cao độ của electron và lỗ trống. Ngoài ra LED cũng có cấu trúc đặc tr−ng của những Diode thông th−ờng 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 đ−ợc ứng dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực chỉ báo và hiển thị kết quả đo (nh− 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 tr−ờng có hai loại là: loại anôt chung và loại catôt chung nh− hình 2.11. Hình 2.11. LED 7 đoạn loại anôt (b) và catôt (a) chung ở loại catôt chung thì catôt của đèn đ−ợc nối đất còn đầu anôt đ−ợc nối qua các điện trở lên đầu ra của mạch giải mã, mạch giải mã làm công việc cấp điện áp Vcc cho LED (th−ờng là 5V). ở loại anôt chung, anôt của các LED đ−ợc nối đến điện áp Vcc (th−ờng 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 Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 32 giá trị trong khoảng Ω≤≤Ω 390180 R 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, đ−ợc dùng để đo và khống chế nhiệt độ. Đây một ph−ơng thức đo l−ờng không điện, đo và khống chế nhiệt độ đ−ợc 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 l−ợng vật lý thì nhiệt độ là một trong những đại l−ợng đ−ợc 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 l−ợng chịu ảnh h−ởng 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 đ−ợc trị số chính xác của nhiệt độ là một vấn đề rất phức tạp. Phần lớn các đại l−ợng vật lý đều có thể xác định một cách định l−ợng nhờ so sánh chúng với một đại l−ợng cùng bản chất đ−ợc gọi là đại l−ợng so sánh. Những đại l−ợng nh− thế gọi là đại l−ợng mở rộng bởi vì chúng có thể xác định bằng bội số hoặc −ớc số của đại l−ợng chuẩn. Ng−ợc lại, nhiệt độ là một đại l−ợng 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 tr−ng vật lý của vật liệu cho tr−ớc ng−ời 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 nh− 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 tr−ng tổng quát. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 33 Các thang nhiệt độ tuyệt đối đ−ợc xác định t−ơng tự nh− nhau và dựa trên các tính chất của chất khí lý t−ởng. Định luật Carnot nêu rõ: hiệu suất η của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn (với nhiệt độ 1θ và nhiệt độ 2θ t−ơng ứng), trong một thang đo bất kỳ, chỉ phụ thuộc vào 1θ và 2θ : ( ) ( )12 F F θη θ= (2-1) Nh− vậy, hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ng−ợc lại, việc lựa chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt ( ) TF =θ khi đó sẽ xác định đ−ợc T nh− là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch đ−ợc viết nh− sau: 2 11 T T−=η (2-2) Trong đó: T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai nguồn. Mặt khác ta cũng biết, chất khí lý t−ởng đ−ợc xác định bởi: nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí, ph−ơng trình đặc tr−ng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ θ nh− sau: p.v = G(θ ) (2-3) Ngoài ra cũng có thể chứng minh đ−ợc là: G(θ ) = RT (2-4) Trong đó: R là hằng số của chất khí lý t−ởng. Giá trị R của một phân tử gam chất khí chỉ phụ thuộc vào đơn vị đo nhiệt độ. để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ. Muốn vậy chỉ cần gán một giá trị số cho nhiệt độ t−ơng ứng với một hiện t−ợng nào đó với điều kiện là hiện t−ợng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại. + Thang đo nhiệt độ động học tuyệt đối: thang Kelvin ( đơn vị là 0K) trong thang đo này ng−ời ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái n−ớc- n−ớc đá- hơi một giá trị số bằng 273,150K. Từ thang nhiệt độ động học tuyệt đối ng−ời ta đã xác định đ−ợc các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit bằng cách dịch chuyển các giá trị nhiệt độ. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 34 + Thang Celsius: trong thang này đơn vị nhiệt độ là (0C). Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin đ−ợc xác định bởi biểu thức sau: T(0C) = T(0K) - 273,15 (2-5) + Thang Fahrenheit: đơn vị đo nhiệt độ là Fahrenheit (0F). Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius với nhiệt độ Fahrenheit xác định bởi biểu thức sau: ( ) ( ){ } 9 53200 −= FTCT (2-6) ( ) ( ) 32 5 9 00 += CTFT (2-7) Bảng 3.1 d−ới đây ghi các giá trị t−ơng ứng của một số nhiệt độ quan trong ở các thang đo khác nhau. Bảng 2.1 Nhiệt độ Kelvin (0K) Celsius (0C) Fahrenheit (0F) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67 Hỗn hợp n−ớc-n−ớc đá 273,15 0 32 Cân bằng n−ớc-n−ớc đá-hơi n−ớc 273,16 0,01 32,018 N−ớc sôi 373,15 100 212 Thực tế có rất nhiều ph−ơng pháp đo nhiệt độ khác nhau, trong đó để có thể đo trực tiếp giá trị nhiệt độ thì ng−ời ta th−ờng sử dụng một số ph−ơng pháp d−ới đây. 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 ng−ời ta sử dụng một số dụng cụ nh−: + Nhiệt kế dãn nở chất lỏng trong ống thuỷ tinh: dụng cụ này đ−ợc 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 Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 35 Xô và Trung Quốc sản xuất tr−ớc đây vẫn đang đ−ợc sử dụng là nhiệt kế công tắc nguyên lý và cấu tạo của nó nh− sau: • Cấu tạo của nhiệt kế công tắc : Nhiệt kế công tắc có dạng nh− 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 nh− sợi tóc và cũng có thể dao động lên xuống đ−ợc. D−ới tác động của nhiệt độ làm cho Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 36 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 d−ới 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 th−ớc của các chất rắn thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Nhiệt độ đo đ−ợc phụ thuộc vào bản chất của vật liệu rắn. Ví dụ nh− ở một số tủ nuôi cấy vi khuẩn tr−ớc 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 nh− sau: • Nguyên lý cấu tạo của thanh dãn nở: nh− hình 2.13 d−ới đây Hình 2.13. Nguyên lý cấu tạo thanh dãn nở Trong đó: 1-Thanh dãn nở, th−ờng 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 đ−ợc cách điện so với vỏ máy. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 37 • Nguyên lý làm việc của thanh dãn nở: sự dãn nở của kim loại đ−ợc xác định theo công thức về hệ số dãn nở kim loại sau: ( )tllt α+= 10 (2-8) Trong đó: lt: là độ dài thanh dãn nở ở t 0C l0: là độ dài thanh dãn nở ở nhiệt độ tiêu chuẩn 0 0C α : là hệ số dãn nở kim loại t: là nhiệt độ ở thời điểm tức thời Nh− vậy, việc chọn hợp kim để làm thanh dãn nở là hệ số dãn nở α lớn và chịu ăn mòn điện hoá cao. Nh−ợc 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 d−ới 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. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 38 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 th−ờng đóng. Khi tủ làm việc thì nhiệt độ trong tủ dù tăng lên nh−ng ch−a đến nhiệt độ khống chế, thanh dãn nở có dãn ra nh−ng ch−a 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 đ−ợc chế tạo bằng Platin. Đây là loại điện trở Platin bởi vì Platin có thể đ−ợc 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 tr−ờng hợp tổng quát, giá trị của điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ: R(T) = R0F(T-T0) (2-8) Trong đó: R0 là điện trở ở nhiệt độ T0; F là hàm đặc tr−ng cho vật liệu; F=1 khi T=T0. Tr−ờng hợp kim loại: Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 39 R(T) = R0(1+AT+BT 2+CT3) (2-9) Trong đó: T đo bằng 0C và T0 = 0 0C; 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 TΔ (Xung quanh giá trị T) nhỏ, nhiệt độ có thể thay đổi theo hàm tuyến tính: ( ) )1)(( TTRTTR RΔ+=Δ+ α (2-11) dT dR TRR . )( 1=α (2-12) Trong đó: Rα là hệ số nhiệt độ của điện trở hay độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T. Hệ số Rα phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ, với Platin ta có Rα =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 min0 ⎥⎦ ⎤Δ R R do vậy nó cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện đ−ợc. min min0 T R R Δ→⎥⎦ ⎤Δ (2-13) Nghĩa là: min0 min . 1 ⎥⎦ ⎤Δ=Δ R RT Rα (2-14) Thí dụ, nếu min0 ⎥⎦ ⎤Δ R R =10-6 và đối với những phép đo xung quanh điểm 00C thì với điện trở Platin có CT 04min 10.6,2 −=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. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 40 Nhiệt kế điện trở Pt100 đ−ợc 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 đ−a tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp thhì ng−ời ta sử dụng nhiều mạch đo khác nhau nh−ng hay dùng nhất là mạch cầu cân bằng và đ−ợc mắc nh− 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 đ−ợc 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 t−ợng nhiệt điện. Quá trình xảy ra hiện t−ợng này nh− sau: nếu ta lấy hai dây dẫn khác nhau về bản chất kim loại và hai sợi dây này đ−ợc 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 t−ợng khuếch tán các điện tử tự do. ở đây tồn tại hai hiện t−ợng đó là hiện t−ợng khuếch tán điện tử tự do giữa hai dây dẫn tại điểm tiếp xúc và hiện t−ợng 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 đ−ợc nối với nhau bởi hai mối hàn có nhiệt độ T1 và T2. Khi đó tại điểm Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 41 tiếp xúc có sự khuếch tán điện tử tự do bởi số l−ợng các điện tử ở đây khác nhau, làm xuất hiện suất điện động tại điểm tiếp xúc mà điện tr−ờng của nó chống lại sự khuếch tán điện tử từ phía dây có số l−ợng điện tử tự do nhiều sang dây có ít hơn. Giá trị suất điện động tiếp xúc phụ thuộc vào bản chất của hai dây dẫn và nhiệt độ tiếp xúc. Mặt khác, nếu đốt nóng một đầu của dây dẫn thì hoạt tính của điện tử tự do ở đầu đốt sẽ tăng lên, giữa hai đầu dây cũng suất hiện suất điện động, do đó dòng điện tử khuếch tán từ đầu nóng sang đầu lạnh, hình 2.16 mô tả sự hình thành suất điện động trong vòng dây A-B với điều kiện số l−ợng điện tử tự do của dây A(NA) lớn hơn số l−ợng điện tử của dây B(NB), nhiệt độ đầu tiếp xúc là t và đầu kia là t0 và t > t0. Hình 2.16. Sơ đồ sức điện động Theo định luật Kêichôp, sức điện động trong vòng dây đ−ợc xác định là: E = eAB(t) - eA(t,t0) - eAB(t0) + eB(t,t0) (2-15) Sức điện động này sẽ sinh ra dòng điện chạy trong vòng dây. Trong thực tế, giá trị eA(t,t0) và eB(t,t0) rất nhỏ so với eAB(t) và eAB(t0) nên có thể bỏ qua. Khi đó sức điện động là: E = eAB(t) - eAB(t0) (2-16) Nh− vậy, sức điện động sinh ra trong các vòng dây tỷ lệ với hiệu nhiệt độ ở hai đầu dây. Nghĩa là thông qua giá trị suất điện động E đo đ−ợc thì ta sẽ biết đ−ợc hiệu nhiệt độ ở hai đầu dây. Trong thực tế, cặp nhiệt điện th−ờng đ−ợc sử dụng để đo một môi tr−ờng hay vật thể. Nhiệt độ của một đầu đ−ợc eA(t,t0) eB(t,t0) eAB(t) eAB(t0) Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 42 giữ cố định, đầu này đ−ợc gọi là đầu tự do hay đầu lạnh, đầu còn lại đ−ợc đặt vào môi tr−ờng đo nhiệt độ và đ−ợc gọi là đầu làm việc. Ph−ơng trình cơ bản của cặp nhiệt điện làm cảm biến đo nhiệt độ có dạng nh− sau: E = f(T) (2-17) ở điều kiện chuẩn khi chia độ các cặp nhiệt quy định T0 = 0 0C. Việc sử dụng cặp nhiệt điện có rất nhiều −u điểm nh−: kích th−ớc cặp nhiệt nhỏ nên có thể đo nhiệt độ ở từng điểm của đối t−ợng nghiên cứu và tăng tốc độ hồi đáp. một −u điểm nổi bật nữa là cặp nhiệt điện cung cấp suất điện động nên khi đo không cần có dòng chạy qua và do vậy không có hiệu ứng đốt nóng. Suất điện động của cặp nhiệt trong mỗi dải rộng của nhiệt độ là hàm không tuyến tính của nhiệt độ cần đo. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi suất điện động E phụ thuộc vào nhiệt độ của một số loại cặp nhiệt nh− hình 2.17. Hình 2.17. Sự thay đổi nhiệt của suất điện động E của một số loại cặp nhiệt điện + Sơ đồ đo: để đo sức điện động E thì phải ghép đ−ợc thiết bị đo (TBD) vào trong mạch của cặp nhiệt điện. Việc ghép nối này phải đảm bảo không làm thay đổi giá trị sức điện động sinh ra trong cặp nhiệt điện. Trong thực tế Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 43 th−ờng có hai cách ghép nối cặp nhiệt điện đó là: ghép nối qua đầu tự do và ghép nối qua một điện cực nhiệt. • Ghép nối qua đầu tự do đ−ợc mô tả nh− hình sau: Hình 2.18. Sơ đồ nối thiết bị đo qua đầu tự do của cặp nhiệt điện a) Mạch điện b) Sơ đồ t−ơng đ−ơng Từ mạch t−ơng đ−ơng, theo định luật Kiechôp có: E = eAB(t) – eAC(t0) + eBC(t0) (2-18) Khi t=t0 trong vong dây không tồn tại dòng điện, khi đó E=0. (2-18) => 0 = eAB(t0) – eAC(t0) + eBC(t0) (2-19) => eAB(t0) = eAC(t0) + eBC(t0) (2-20) Nh− vậy ta có: E = eAB(t) - eAB(t0) (2-21) Nghĩa là thiết bị đo không làm thay đổi suất điện động sinh ra trong vòng dây. • Ghép nối TBĐ trong điện cực nhiệt đ−ợc mô tả nh− hình sau: Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 44 Hình 2.19. Sơ đồ nối TBĐ trong điện cực nhiệt a) Mạch điện b) Sơ đồ t−ơng d−ơng Theo định luật Kiechôp áp dụng đối với sơ đồ mạch t−ơng đ−ơng có: E = eAB(t) – eAB(t0) – eBC(t1) + eBC(t1) (2-22) Hay E = eAB(t) – eAB(t0) (2-23) Vậy từ hai cách ghép nối trên thấy E = eAB(t) – eAB(t0), nghĩa là thiết bị đo không có ảnh h−ởng đến tính chất của cặp nhiệt điện và ng−ợc lại. Trong thực tế thì một số cặp nhiệt điện có dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế, chẳng hạn nh− ở nhiệt độ thấp năng suất nhiệt điện của nó giảm đi làm cho tính chính xác trong phép đo bị hạn chế. ở nhiệt độ cao có thể xảy ra hiện t−ợng tăng kích th−ớc hạt tinh thể làm tăng độ dòn cơ học, thậm chí có thể bị nóng chảy hoặc có thể xảy ra hiện t−ợng bay hơi một trong các thành phần trong hợp kim làm cặp nhiệt điện. 2.2.5.4. Khống chế nhiệt độ bằng cảm biến vi mạch LM335 LM335 là loại cảm biến nhiệt độ chính xác trong dải nhiệt độ từ -400C đến +1000C, nó làm việc nh− hai Diode Zener và độ biến thiên điện áp theo nhiệt độ là 10mV/10C. Sơ đồ cấu tạo bên trong vi mạch LM335 có dạng nh− hình 2.20. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 45 Hình 2.20. Sơ đồ cấu tạo vi mạch LM335 Đặc tuyến của LM335 đ−ợc mô tả nh− sau: U =10ìT (mV) = 2730 + 10ì t (mV) = 2,73 + 0,01ì t (V) Trong đó: T: là giá trị nhiệt độ tính theo nhiệt độ Kelvin (0K). t: là giá trị nhiệt độ tính theo nhiệt độ Celsius (0C). Để cho vi mạch làm việc tin cậy và ổn định thì dòng điện cho phép qua nó là Aμ400 đến 5mA. Khi làm việc ở nhiệt độ 250C và dòng điện làm việc là 1mA thì điện áp ra của vi mạch nằm trong khoảng 2,94V đến 3.04V. Đặc biệt là LM335 có độ chính xác cao, tính năng cảm biến nhiệt độ rất nhạy, chẳng hạn nh− ở nhiệt độ 250C nó có sai số không quá 1%. Nh− vậy, trong quá trình tự động điều khiển nhiệt độ, để có thể điều chỉnh nhiệt độ theo đúng yêu cầu của đối t−ợng nghiên cứu thì việc sử dụng nhiệt kế dãn nở chất lỏng và nhiệt kế dãn nở chất rắn để điều chỉnh nhiệt độ là điều hết sức khó khăn vì tính −u việt của nó không cao. Mặt khác nhiệt độ là một đại l−ợng không điện, do đó để điều chỉnh đ−ợc nó một cách tuyến tính theo giá trị đặt tr−ớc thì phải chuyển đổi thành đại l−ợng điện, thiết bị dùng để chuyển đổi nhiệt độ thành đại l−ợng điện điện gọi là cảm biến. Vì vậy, để đo nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn mà có sử dụng cảm biến nhiệt để đo nhiệt Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 46 độ và chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện áp hay dòng điện. Các cảm biến nhiệt độ đã trình bày ở trên, mỗi loại có nguyên lý chuyển đổi khác nhau. Cặp nhiệt điện đ−ợc sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp và nó có −u điểm là chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu điện áp và có thể đo nhiệt độ ở những không gian chật hẹp, nh−ng có nh−ợc điểm là khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng hẹp nh− tủ nuôi cấy vi khuẩn thì cặp nhiệt điện hoạt động có độ chính xác không cao, sai số lớn, còn nhiệt kế điện trở là cảm biến chuyển đổi nhiệt độ sang điện trở, sau đó muốn chuyển đổi thành tín hiệu điện áp hay dòng điện thì phải dùng thiết bị chuyển đổi đó là mạch cầu cân bằng, đối với loại này mạch điện có phần phức tạp nh−ng cũng đ−ợc dùng khá phổ biến trong thực tế nh−ng để đo nhiệt độ một cách chính xác thì cảm biến này có độ chính xác không cao do có đặc tính phi tuyến. Trong khi đó cảm biến vi mạch điện tử có những −u điểm có thể khắc phục đ−ợc những nh−ợc điểm của các cảm biến trên, đó là độ nhạy lớn, có thể đo đ−ợc nhiệt độ trong khoảng hẹp. Do đó trong đề tài này, để đo nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn em chọn loại cảm biến vi mạch. 2.3. Khuếch đại thuật toán trong so sánh và khuếch đại tín hiệu OA (là chữ viết tắt của Operational Amplifier) là bộ khuyếch đại thuật toán thuộc về bộ khuếch đại dòng điện một chiều, có hệ số khuyếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai và một đầu ra chung. Hiện nay các bộ khuếch đại thuật toán đóng vai trò rất quan trọng và đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin và xung, trong bộ ổn áp và bộ lọc tích cực… Cấu tạo và ký hiệu của OA: cấu tạo cơ sở của OA với các tầng đầu là các tầng khuếch đại vi sai dùng làm tầng vào. Tầng ra của OA th−ờng là tầng lặp emito (CC) để dịch mức một chiều. Vì hệ số khuếch đại của tầng emito gần bằng 1, nên hệ số khuếch đại đạt đ−ợc nhờ tầng vào và các tầng khuếch đại bổ xung mắc giữa tầng vi sai và tầng CC. Tùy thuộc vào hệ số khuếch đại của OA mà quyết định số l−ợng tầng giữa. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 47 Ký hiệu quy −ớc của một bộ khuếch đại thuật toán nh− hình 2.21. Với đầu vào U(v.k) (hay Uv+) gọi là đầu vào không đảo, đầu vào thứ hai U(v.d) (hay Uv-) gọi là đầu vào đảo. Ec1 (hay E(c1)) và Ec2 (hay E(c2)) là hai nguồn cung cấp (có thể là nguồn không đối xứng). Hình 2.21. Ký hiệu của khuếch đại thuật toán Đặc tuyến truyền đạt điện áp của bộ khuếch đại thuật toán: đặc tuyến có dạng nh− hình 2.22 sau: Hình 2.22. Đặc tuyến truyền đạt của OA Đặc tuyến truyền đạt của OA gồm hai đ−ờng đặc tuyến t−ơng ứng với các đầu vào đảo và không đảo. Mỗi đ−ờng đặc tuyến có một đoạn nằm ngang ứng với chế độ bão hoà và một đoạn ứng với chế độ khuếch đại. Trên những đoạn đó khi thay đổi điện áp tín hiệu đặt vào, điện áp ra của bộ khuếch đại không đổi và đ−ợc xác định bằng các giá trị U+rmax, U - rmax gọi là giá trị điện áp ra cực đại (điện áp bão hòa) gần bằng Ec của nguồn cung cấp. Đoạn đặc tính Urmax Urmax +Ec -Ec Uv Ur Đầu vào không đảo Đầu vào đảo Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 48 biểu thị phụ thuộc tỷ lệ của điện áp ra với điện áp vào, với góc nghiêng xác định hệ số khuếch đại của OA. v r U UK Δ Δ= Trong đó trị số K tùy thuộc vào từng loại OA, có thể từ vài trăm nghìn lần. Giá trị K lớn cho phép thực hiện hồi tiếp âm nhằm cải thiện nhiều tính chất quan trọng của OA. Đ−ờng cong trên hình 2.22 là đ−ờng đặc tính lý t−ởng đi qua gốc tọa độ. Trạng thái Ur = 0 khi Uv = 0 gọi là trạng thái cân bằng của OA. Tuy nhiên với những OA thực tế th−ờng khó có thể đạt đ−ợc cân bằng hoàn toàn, tức là khi Uv = 0 thì Ur có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn không. Nguyên nhân là do tác động của các linh kiện bên trong khuếch đại vi sai. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tham số OA gây nên độ trôi điện áp đầu vào và điện áp đầu ra theo nhiệt độ. Vì vậy trong mạch điện để cân bằng ban đầu cho OA ng−ời ta đ−a vào một trong các đầu vào của nó một trong các điện áp phụ thích hợp hoặc một điện trở để điều chỉnh dòng thiên áp ở mạch vào. Ngoài ra điện trở ra cũng là một trong những tham số quan trong của OA. OA phải có điện trở ra nhỏ (cỡ hàng chục, hàng trăm Ω ) để đảm bảo điện áp ra lớn khi điện trở tải nhỏ. Một số mạch ứng dụng cơ bản của OA: + Khuếch đại đảo hình2.23 sau: Hình 2.23 Tại nút N có I1=Iht ; ht NNv R UrU R UU −=− 1 Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 49 Với giả thiết OA lý t−ởng UN=UP, UP=0 nên UN=0; => ht rv R U R U −= 1 Ù 1R R U UK ht v r −== Trong đó K: là hệ số khuếch đại Tổng trở vào: 1 1 1 R R U U I UZ v vv v === + Khuếch đại không đảo hình 2.24. Hình 2.24 Trong mạch có hồi tiếp âm điện áp đặt vào đầu đảo. UN=UP, mà UP=Uv => UN=Uv; rN URR RU 21 1 += => 1 21 R R U UK v r +== + Mạch đệm hình 2.25: Hình 2.25 Hệ số khuếch đại (K) với mạch điện áp 100% Uv = Ur Ù K = 1. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 50 2.4. Triac dùng trong mạch động lực Triac là một dụng cụ bán dẫn có tên là Bidirectinal Triode Thyrixtor, là một loại Thyrixtor có ba cực, làm việc đ−ợc với cả hai chiều d−ơng và âm của điện áp và dòng điện. Vì có khả năng dẫn dòng đ−ợc cả hai chiều nên đ−ợc gọi là Triac (Triode Altemating Current), và cho phép sử dụng Triac trong mạch xoay chiều nh− một khóa điện hoặc nh− một bộ biến đổi trị số dòng điện xoay chiều. Nên các cực đ−ợc gọi là cực chuẩn T1 và cực vỏ T2, cực cửa G. Cấu tạo của Triac Triac đ−ợc cấu tạo bởi bốn lớp bán dẫn PNPN đặt xen kẽ nhau nh− hình 2.26 và có thể coi nh− hai Thyrixtor PNPN và NPNP nối song song với nhau. Cực cổng của Triac đ−ợc cấu tạo phức tạp hơn để có thể điều khiển theo các cách khác nhau: Hình 2.26. Sơ đồ cấu tạo và ký hiệu Triac Mạch t−ơng đ−ơng của Triac đ−ợc mô tả nh− nh− hình 2.27 d−ới đây: Hình 2.27. Mạch t−ơng đ−ơng của Triac Nguyên lý làm việc của Triac Triac gần nh− t−ơng đ−ơng với hai Thyrixtor nối song song ng−ợc. Tr−ờng hợp T2(+), G(+), Thyrixtor T mở cho dòng chảy qua nh− một Thyrixtor thông th−ờng. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 51 Tr−ờng hợp T2(-), G(-), các điện tử từ N3 phóng vào P2. Phần lớn bị điện tr−ờng tiếp xúc Ej1 hút vào khiến cho barier này giảm thấp, gần nh− toàn bộ điện áp ngoài đ−ợc đặt lên J2 làm cho barier này cao lên. Nếu điện áp ngoài đủ lớn làm cho barier này cao đến mức hút vào những điện tích thiểu số (các điện tử của P1) và làm động năng của chúng đủ lớn để bẻ gẫy các liên kết của các nguyên tử Si trong vùng. Kết quả là xảy ra phản ứng dây chuyền và T bắt đầu mở cho dòng chảy qua. Đặc tính Volt-Ampe (V-A) Đặc tính V-A của Triac là mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp I = f(U) nh− hình 2.28 d−ới đây: Hình 2.28. Đặc tính V-A của Triac Đặc tính V-A của Triac gồm có hai phần đối xứng nhau qua điểm 0 hai phần này giống nhau nh− đặc tính V-A của hai SCR mắc ng−ợc chiều. Khi dòng điện cổng thay đổi, điện áp thuận khóa dòng cũng thay đổi. Dòng điện cực cổng tăng lên, điện áp thuận khởi động càng giảm. Triac có thể mở theo 4 kiểu + Mở bằng xung điều khiển uG > 0 khi 021 >TTu + Mở bằng xung điều khiển uG TTu + Mở bằng xung điều khiển uG < 0 khi 021 <TTu + Mở bằng xung điều khiển uG > 0 khi 021 <TTu Nh− vậy, có hai cách điều khiển Triac có hiệu suất cao là: Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 52 - UG > 0 với 012 >TTu dòng từ T2 đến T1. - UG < 0 với 012 <TTu dòng từ T1 đến T2. Các thông số của Triac + Điện áp định mức (Udm): là điện áp cực đại cho phép đặt vào Triac theo chiều thuận hoặc chiều ng−ợc trong một thời gian dài. + Dòng điện hiệu dụng định mức (Idm): là dòng điện lớn nhất có thể đi qua Triac trong một thời gian dài. + Dòng điện điều khiển Triac (IG): là dòng điện điều khiển IG đảm bảo mở Triac. + Điện áp điều khiển Triac (UG): là điện áp điều khiển đảm bảo mở Triac. + Dòng điện duy trì (Ih): là trị số tối thiểu của dòng điện anot đi qua Triac để duy trì Triac ở trạng thái mở. + Điện áp rơi định mức trên Triac ( uΔ ): là điện áp rơi trên Triac khi Triac dẫn và dòng điện qua Triac bằng dòng điện định mức. Triac làm việc ở chế độ thông-khoá Trong điều kiện làm việc chuẩn thì việc khóa một Triac giống nh− việc khóa một Thyrixtor khi giá trị dòng giảm d−ới giá trị dòng điện duy trì. Với một phụ tải đ−ợc cấp từ một nguồn xoay chiều hình sin qua bộ biến đổi dòng điện dùng Triac hoặc dùng hai Thyrixtor mắc song song ng−ợc chiều thì có thể có hai chế độ làm việc: + Chế độ thông-khóa nh− một bộ đóng-cắt không tiếp điểm. Khi đóng, phụ tải đ−ợc nối với nguồn và tiêu thụ đủ công suất. Khi cắt, phụ tải bị cắt khỏi nguồn, công suất tiêu thụ bằng không. + Chế độ thông với việc điều chỉnh dòng điện xoay chiều qua việc điều khiển góc mở α . ứng dụng của Triac Dùng để điều chỉnh ánh sáng điện, nhiệt độ trong lò, điều chỉnh chiều quay và tốc độ động cơ một chiều… Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 53 2.5. Giới thiệu sơ đồ nguyên lý của một số tủ nuôi cấy vi khuẩn đang đ−ợc sử dụng 2.5.1. Tủ Galenkamp (Anh) * Sơ đồ nguyên lý: nh− hình 2.29 Trong đó: - TH: là cảm biến nhiệt điện trở. - Q2 là Transistor một mặt ghép (hay UJT). - LP: là đèn báo. -VR1,VR2 là các biến trở tinh chỉnh nhiệt độ đặt, T1 là biến áp xung. * Nguyên lý hoạt động của tủ nh− sau: tủ sử dụng bộ cảm biến điện trở nhiệt (TH) đ−ợc lắp nằm trong mạch cầu đo l−ờng ABCD. Ban đầu tủ ch−a hoạt động, đặt nhiệt độ cho tủ bằng điều chỉnh biến trở VR3. Sau đó cấp nguồn điện xoay chiều cho tủ, cầu D1 có điện một chiều và đ−ợc ổn áp bằng diode zener D2. Khi điện trở của TH còn lớn mà trị số R9+VR1>R5 và thế ở A d−ơng hơn B, do thế ở A d−ơng hơn cực phát của Q3 làm cho Q3 khoá, cực phát của Q4 d−ơng hơn cực gốc của Q4 làm cho Q4 mở, nạp điện cho C2 để tạo s−ờn tr−ớc của dao động, đến khi C2 nạp đầy thì Q2 bắt đầu thông. Kết quả là trên cuộn sơ cấp của biến áp xung có xung và cảm ứng sang thứ cấp cho ra xung để mở Triac, lúc này góc kích α nhỏ Triac mở cấp dòng điện cho dây đốt và tủ bắt đầu nóng dần lên, tủ nóng đến trị số đặt thì cảm biến TH giảm dần trị số làm cho thế ở B d−ơng lên và thế ở A giảm xuống đến khi làm cho Q3 thông còn Q4 khoá, tụ C2 không đ−ợc nạp. Transistor 1 tiếp giáp (hay UJT) khoá, biến áp xung không có xung tác động. Triac khoá do không có xung kích, ngắt dòng cấp cho dây đốt. sau khoảng thời gian nào đó tủ nguội dần làm cho cảm biến TH lại tăng trị số, tăng tới mức cầu lại chuyển trạng thái, và quá trình này cứ lặp đi lại quanh giá trị nhiệt độ mà ta cần khống chế. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 54 Hình 2.29. Sơ đồ nguyên lý tủ Galenkamp Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 55 2.5.2. Tủ Model 101-A1(Trung Quốc) * Sơ đồ nguyên lý: nh− hình 2.30: Trong đó: TH là cảm biến điện trở nhiệt làm bằng Platin khi nhiệt độ tăng thì điện trở cũng tăng tuyến tính; P là cuộn dây rơle; VR1,VR2 là các biến trở điều chỉnh để tạo tín hiệu điện áp đặt (hay nhiệt độ đặt). * Nguyên lý hoạt động của tủ nh− sau: khi cấp nguồn điện xoay chiều 220V, tủ làm việc ngay và lúc này do nhiệt độ trong tủ thấp trị số của cảm biến nhiệt điện trở TH nhỏ nên đầu ra 1 của U1A(LMA324) nhỏ, U1B(LMA324) lắp theo kiểu khuếch đại cân bằng vi sai, tín hiệu ra chân 7 phụ thuộc vào tín hiệu vào ở chân 5, 6, U1C(LMA324) mắc theo kiểu khuếch đại phản hồi âm có đảo dấu nên tín hiệu ra ở chân 8 có giá trị d−ơng, U1D(LMA324) mắc theo kiểu khuếch đại phản hồi âm không đảo nên ở chân 14 có giá trị điện áp d−ơng so với mát, điện áp này qua R14 vào cực bazơ của Q1, làm cho Q1 thông. Khi đó cuộn dây rơle P có dòng đi qua, hút tiếp điểm cấp điện cho dây đốt và LED xanh sáng báo hiệu tủ đang làm việc. Sau khoảng thời gian nhất định nào đó thì tủ nóng lên lớn hơn giá trị nhiệt độ đặt ở VR1,VR2, giá trị điện trở của cảm biến nhiệt TH tăng lên làm cho tín hiệu vào chân 2 tăng lên, làm cho tín hiệu vào chân 5 cũng tăng lên bằng tín hiệu vào chân 6. Khi đó tín hiệu ra ở chân 7 có giá trị là 0V, đ−a vào chân 9 kết quả là tín hiệu ra ở chân 8 có giá trị âm đ−ợc khuếch đại tiếp qua U1D(LMA324) làm cho chân 14 có điện áp âm đ−a vào cực bazơ của Q1 làm cho Q1 bị khoá, không cho dòng qua rơle P, không cho dòng qua dây đốt, LED đỏ sáng, LED xanh tắt và quá trình trên cứ lặp đi lặp lại theo yêu cầu của ng−ời sử dụng. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 56 Hình 2.30. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tủ Model 101-A1 Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 57 2.5.3. Tủ TC200M (Liên Xô) * Sơ đồ nguyên lý: nh− hình 2.31. Trong đó: MBA là máy biến áp hạ áp; CC1, CC2 là cầu chì 1A; HE1, HE2 là dây đốt; KA là nút ấn; P1 là rơle một chiều 24V; P2 là rơle một chiều 110V; TK là nhiệt kế công tắc; L1, L2 là các đèn báo. * Nguyên lý hoạt động của tủ: tủ này sử dụng nhiệt kế công tắc để điều khiển, tủ có thể làm việc ở hai mức công suất: + Tủ làm việc ở mắc công suất nhỏ (hai dây đốt đ−ợc mắc nối tiếp với nhau): ban đầu ta đặt nhiệt kế công tắc ở mức nhiệt độ yêu cầu, cấp nguồn xoay chiều 220V bằng cách bật công tắc nguồn CT, rơle P1 có điện hút ngay tiếp điểm P1(5-6) cấp dòng cho dây đốt theo chiều từ CC1-P1(5- 6)-P2(13-14)-HE2-P2(3-4)-HE1-CC2, tủ nóng dần, đèn báo L2 sáng, L1 tắt. + Tủ làm việc với chế độ công suất lớn (hai dây đốt làm việc song song): đặt nhiệt độ bằng nhiệt kế công tắc, đóng nguồn xoay chiều, ấn nút KA, KA1 tạm thời nhả ra, KA2 đóng, khi đó cuộn dây rơle P2 có điện hút tiếp điểm P2(9-10) tự duy trì và KA2 nhả ra, KA1 đóng lại, còn P2(13-14), P2(3-4) nhả ra; P2(7-8), P2(1-2), P2(5-6), P2(11-12) đóng lại. Khi đó HE1, HE2 làm việc song song với nhau, HE1 đ−ợc cấp dòng theo chiều từ CC2- P2(7-8)-HE1-P2(5-6)-CC1, còn HE2 đ−ợc cấp dòng theo chiều từ CC2- KA1-P2(11-12)-P2(1-2)-CC1 đồng thời cả hai đèn báo L1, L2 cùng sáng. Trong cả hai tr−ờng hợp trên khi nhiệt độ trong tủ đạt đến nhiệt độ đặt thì thuỷ ngân trong nhiệt kế công tắc nối tiếp điểm TK lại, khi đó cực gốc của transistor (Q1) d−ơng lên đột ngột và d−ơng hơn cực phát làm cho Q1 khoá lại, cuộn dây rơle P1 mất điện cắt tiếp điểm P1(5-6), khi đó cuộn dây rơle P2 cũng mất điện, sau khoảng thời gian nhất định tiếp điểm TK lại mở ra dây đốt lại đ−ợc cấp dòng, quá trình trên cứ lặp đi lặp lại theo yêu cầu của ng−ời sử dụng. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 58 Hình 2.31. Sơ đồ nguyên lý tủ TC200M(Liên Xô) Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 59 2.6. Kết luận Qua việc nghiên cứu ở ch−ơng 1 thì ở ch−ơng này đã nêu đ−ợc nguyên tắc cấu tạo, nguyên tắc làm việc chung của tủ nuôi cấy vi khuẩn. Đặc biệt là đã giới thiệu một cách tổng quát về quy trình tự động điều khiển nhiệt độ. Giới thiệu một số sơ đồ và nguyên lý hoạt động của một số loại tủ nuôi cấy vi khuẩn đang đ−ợc sử dụng tại bệnh viện Bạch Mai Hà Nội. Từ những kết quả đó tôi tiến hành thiết kế mạch tự động điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn. Ch−ơng 3 Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 60 Thiết kế mạch tự động điều khiển Nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn 3.1. nhiệm vụ của thiết kế Nhiệm vụ cần thực hiện là thiết kế một mạch điều khiển nhiệt độ có giải nhiệt độ từ 00C đến 900C. Đặc biệt là trong đề tài này để thiết kế mạch điều khiển nhiệt độ tủ nuôi cấy vi khuẩn. Th−ờng ta phải khống chế nhiệt độ ở 370C. Vì vậy yêu cầu đặt ra ở đây là: • Thiết kế bộ đo dùng cảm biến đo nhiệt độ. • Thiết kế bộ chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự sang số và đ−a ra hiển thị. • Thiết kế mạch tạo tín hiệu điện áp chuẩn. • Thiết kế mạch điều khiển kháng đốt trong tủ. 3.2. Sơ đồ khối và chức năng của từng khối Hình 3.1. Sơ đồ khối của mạch điều khiển nhiệt độ Chức năng và nhiệm vụ của từng khối: • Khối cảm biến: có nhiệm vụ đo l−ờng nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn. • Khối chuyển đổi: có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu thích hợp. • Khối A/D: có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu t−ơng tự sang tín hiệu số. • Khối giải mã: có nhiệm vụ giải mã nhị phân sang mã thập phân. • Khối hiển thị: hiển thị tín hiệu đo và tín hiệu chuẩn. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 61 • Khối so sánh: có nhiệm vụ so sánh tín hiệu đo đ−ợc với tín hiệu chuẩn rồi đ−a ra tín hiệu điền khiển. • Khối tín hiệu chuẩn: nhằm tạo ra tín hiệu chuẩn để so sánh với tín hiệu đo. • Mạch điều khiển: tạo ra tín hiệu điều khiển t−ơng ứng để đ−a ra điều khiển kháng đốt. • Kháng đốt có nhiệm vụ tạo ra nhiệt độ thích hợp cho tủ nuôi cấy vi khuẩn. 3.3. Tính toán thiết kế và phân tích nguyên lý hoạt động của từng khối 3.3.1. Mạch điều khiển 3.3.1.1. Mạch động lực Sơ đồ nguyên lý mạch lực của tủ nuôi cấy vi khuẩn nh− hình 3.2 sau: Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực Hoạt động của sơ đồ nh− sau: khi có xung điều khiển tác động vào cực bazơ của Tranzitor (Q1) (loại NPN), các xung này là các xung nhọn d−ơng. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 62 Tranzitor này làm việc nh− một khóa điện tử, trạng thái làm việc phụ thuộc vào xung điều khiển. Mỗi khi có xung nhọn d−ơng tác động vào cực bazơ của Tranzitor, làm cho Q1 mở. Kết quả là trên cuộn sơ cấp của biến áp xung (BAX) có xung, cảm ứng sang cuộn thứ cấp của BAX tác động tới cực điều khiển của Triac (GT) làm cho Triac mở với những góc mở có giá trị khác nhau để cấp dòng điện xoay chiều cho điện trở dây đốt (Rt). Khi tín hiệu điều khiển Uđk tăng lên ( nhiệt độ trong tủ nuôi cấy thấp), mạch so sánh lật trạng thái sớm hơn vì vậy các xung nhọn đ−ợc phát sớm hơn, các xung này qua BAX đặt lên cực điều khiển của Triac làm cho nó mở sớm, dòng điện nguồn xoay chiều 220V/50Hz cung cấp cho điện trở dây đốt tăng lớn. Do đó nhiệt độ của tủ nuôi cấy nóng dần lên cho đến khi bằng nhiệt độ đặt và Triac sẽ dẫn dòng trong một khoảng thời gian nhất định, vì Triac có thể mở cho dòng điện chảy qua khi có điện áp d−ơng đặt lên anốt và xung áp d−ơng đặt vào cực điều khiển, sau khi Triac đã mở thì xung điều khiển có tác động cũng không có tác dụng và đến lúc nào đó nhiệt độ trong tủ tăng cảm biến nhiệt độ sẽ tác động làm cho tín hiệu điều khiển giảm làm cho xung nhọn phát ra muộn hơn, góc kích của Triac lớn, dòng điện cấp cho điện trở dây đốt sẽ giảm khi đó nhiệt độ trong tủ giảm xuống cho đến khi bằng nhiệt độ đặt và đ−ợc kéo dài trong một khoảng thời gian nào đó thì nhiệt độ trong tủ lại giảm nhỏ hơn nhiệt độ đặt thì quá trình lại ngựơc lại và quá trình này cứ lặp đi lặp lại. Nh− vậy, nhiệt độ trong trong tủ nuôi cấy vi khuẩn sẽ luôn luôn đ−ợc giữ ổn định ở giá trị nhiệt độ đặt. BAX ở đây có tác dụng vừa làm chức năng cách ly mạch điều khiển với mạch động lực, vừa làm chức năng tạo xung để mở Triac. Diode (D1) đ−ợc mắc ở đây có chức năng triệt tiêu các xung âm sinh ra trong mạch sơ cấp của BAX và loại trừ hiện t−ợng quá điện áp trên các cực C, E của Tranzitor do suất điện động cảm ứng sinh ra trên cuộn sơ cấp của BAX. Tụ điện C1, R1 mắc song song với Triac có tác dụng tránh hiện t−ợng mở không mong muốn. Bởi vì khi xảy ra tr−ờng hợp điện áp đặt lên Triac tăng với Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 63 tốc độ lớn hơn điện áp giới hạn của Triac thì Triac cũng có thể chuyển từ trạng thái khoá sang trạng thái mở mặc dù dòng điều khiển bằng 0V. Chọn 1R =25Ω , 1 0,47C Fμ= . Điện trở RLP có tác dụng hạn chế dòng cho đèn báo LP. Rt là điện trở dây đốt. Qua quá trình thực tập chúng tôi tìm hiểu và nghiên cứu thực tế trong các tủ nuôi cấy vi khuẩn trong bệnh viện Bạch Mai và một số nơi thấy thông th−ờng các tủ có công suất 1,2KW, điện áp định mức qua tủ là 220V. Trên cơ sở này tôi tiến hành tính toán chọn linh kiện cho mạch động lực. Tính toán chọn linh kiện cho mạch động lực: + Chọn Triac loại BTA08 ( TO220AB) từ sách “Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn”. Tg: D−ơng Minh Trí , thông số kỹ thuật của Triac gồm có: Uađm = 600V Iađm = 8A UGT = 1,5V IGT = 100mA AtG μ20= + Chọn BAX có hệ số biến áp là k = 1. Vì BAX làm nhiệm vụ cách ly giữa mạch điều khiển với mạch động lực và tạo xung để điều khiển góc mở cho Triac. Khi đó U1 = U2 = UGT = 1,5V và I1 = I 2= IGT = 100mA. Trong đó I1, U1 là dòng điện và điện áp sơ cấp của BAX. Còn I2, U2 là dòng điện và điện áp thứ cấp của BAX. + Chọn điện áp cung cấp ECC = 9V. Từ sơ đồ mạch động lực thấy khi Q1 mở thì ECC = I1ìR2 + U1 + UCE => Ω=ì −−=−−= − 7210100 3.05.19 3 1 1 2 I UUER CECC Chọn Ω=1002R Vì I1 = IC = 100mA. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 64 => Chọn Tranzitor (Q1) 2SC1815 (loại NPN) với các thông số nh− sau: IC =150mA; 130β = ; PC = 400mW;T=1250C; Vậy dòng mAII CB 77,0130 100 === β + Chọn Diode (D1): do hiệu ứng Lenxơ, nếu không có Diode D1 thì suất điện động cảm ứng sẽ sinh ra quá điện áp trên các cực C, E của Tranzitor (Q1) có thể đánh thủng Tranzitor (Q1) này. Do đó chọn Diode loại 1N4001 có các thông số kỹ thuật nh− sau: Uđm = 50V; Iđm = 1A. + Chọn đèn báo (LP) là LED với dòng điện làm việc từ 5mA đến 20mA và điện áp làm việc là 2V. Do đó để hạn chế điện áp cho đèn thì phải dùng điện trở là: Ω== K mA VRLED 2210 220 3.3.1.2. Mạch so sánh Trong mạch tự động điều khiển nhiệt độ, để nhiệt độ trong tủ có thể tự động điều chỉnh đ−ợc về nhiệt độ chuẩn mà đã đ−ợc đặt tr−ớc thì phải sử dụng bộ so sánh để so sánh tín hiệu đo đ−ợc nhờ cảm biến với tín hiệu chuẩn đã đặt tr−ớc. Sai lệch ở đầu ra của bộ so sánh sẽ đ−ợc xử lý ở mạch hiệu chỉnh sai số. Ngoài ra, để tạo ra đ−ợc tín hiệu xung điều khiển góc mở của Triac cấp nguồn cho bộ tạo nhiệt (ở đây là dây đốt) thì cũng cần phải có bộ so sánh để có thể so sánh tín hiệu điện áp điều khiển với tín hiệu điện áp của bộ tạo xung răng c−a đồng bộ. Để có thể so sánh những khối này có thể dùng mạch khuếch đại thuật toán hoặc tranzitor. Trong đề tài này em sử dụng mạch khuếch đại thuật toán TL082 với các thông số kỹ thuật của TL082 (hoặc TL084) nh− sau: Điện áp vào: 3 18VU V= ± ữ± . Điện áp vào lớn nhất: 30VU = ± . Công suất tiêu hao: P=680mW. Nguồn cung cấp: 15CCV = ± . Dòng điện làm việc Ilv=1mA ở nhiệt độ làm việc 250C thì TL082( hoặc TL084) có một số tính chất sau: Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 65 Hệ số khuếch đại điện áp: k=106dB. Dòng điện dịch: 30pA. Tốc độ ra tăng điện áp đầu ra 13 /V sμ . Độ trôi điện áp thứ nguyên: 13± . Sơ đồ mạch so sánh hai tín hiệu có dạng nh− hình 3.3 sau: Hình 3.3. Sơ đồ mạch so sánh Hoạt động của sơ đồ nh− sau: khi cho hai tín hiệu điện áp đặt Uđặt, và tín hiệu điện áp đo đ−ợc từ cảm biến Uđo vào mạch so sánh thì: Nếu Uđặt > Uđo => tín hiệu Ura có giá trị âm. Khi đó nhiệt độ trong tủ thấp hơn nhiệt độ đăt, bộ so sánh sẽ đ−a đến bộ điều khiển tín hiệu đóng mở Triac để đ−a nhiệt độ trong tủ về giá trị nhiệt độ đặt. Nếu Uđặt < Uđo thì tín hiệu Ura có giá trị d−ơng. Khi đó nhiệt độ trong tủ lớn hơn nhiệt độ đặt, bộ so sánh sẽ đ−a tín hiệu ra đến khối tạo tín hiệu điều khiển để khoá Triac cắt nguồn cấp cho bộ tạo nhiệt. 3.3.1.3. Mạch tạo xung điều khiển góc mở Sơ đồ tạo xung điều khiển cho nh− hình 3.4 sau: Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 66 Hình 3.4. Sơ đồ mạch tạo xung điều khiển Hoạt động của khối nh− sau: tín hiệu điều khiển Uđk là kết quả của sự sai lệch điện áp. ở đây nó t−ơng ứng với sự chênh lệch giữa nhiệt độ thực đo đ−ợc nhờ cảm biến và nhiệt độ đặt nhờ bộ tạo tín hiệu chuẩn. Tín hiệu xung răng c−a UX đ−ợc so sánh với tín hiệu điều khiển Uđk nhờ bộ so sánh dùng khuếch đại thuật toán TL082. Tín hiệu xung răng c−a đ−ợc đ−a vào đầu không đảo còn tín hiệu điều khiển đ−ợc đ−a vào đầu đảo. Bộ so sánh này đ−ợc mắc theo nguyên lý không có phản hồi nên tín hiệu ra của nó có thể là bão hòa d−ơng hoặc bão hòa âm phụ thuộc vào mối t−ơng quan giữa tín hiệu điều khiển Uđk và tín hiệu xung răng c−a UX. Khi tín hiệu xung lớn hơn tín hiệu điều khiển thì tín hiệu ra của bộ so sánh có dạng xung vuông. Xung vuông này qua bộ vi phân R-C sẽ tạo ra các xung nhọn mỗi khi xung vuông lật trạng thái. Độ rộng của các xung này phụ thuộc vào dung l−ợng của tụ điện C2, các xung nhọn này khi qua bộ vi phân vẫn còn có xung âm. Sau khi đi qua Diode (D2) thì các xung âm bị chặn lại. Nh− vậy, xung điều khiển góc mở là những xung nhọn d−ơng có thời điểm xuất hiện là lúc giao nhau giữa điện áp điều khiển với s−ờn sau của xung răng c−a. Sơ đồ dạng xung nh− hình 3.5 sau: Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 67 Hình 3.5. Sơ đồ dạng xung Bộ vi phân R-C có tác dụng sửa dạng xung đầu ra của bộ so sánh sao cho độ rộng và biên độ thích hợp với Triac cần điều khiển. Độ rộng xung đ−ợc quyết định bởi thời gian dòng qua Triac đạt đến giá trị dòng điều khiển (Tra trong sách tra cứu ứng với loại Triac sử dụng). Gọi tx là độ rộng xung: sRCtx μ202,2 42 ≈ìì≈ Chọn FC μ47,02 = => Ω=ì= 4,1947,02,2 20 4 F sR μ μ thực tế chỉ có điện trở có giá trị Ω= 204R . Nh− vậy, trong mạch vi phân R-C chọn Ω= 204R , FC μ47,02 = . Tính chọn R3 với I = 0,77mA => ΚΩ=Ω=−ì −−=−−Δ−= − 77013.913.97701001077.0 3.05.199 32 )1( 2 3 RI UUR QC BED Chọn ΚΩ=103R Chọn D2 (loại 1N4001) có các thông số kỹ thuật là: UD2 = 50V; ID2 =1A. Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 68 3.3.1.4. Mạch tạo xung răng c−a đồng bộ Trong thực tế muốn điều chỉnh Triac đóng mở (với một góc mở α nào đó) tự động theo yêu cầu của bài toán thì chúng ta cần phải tạo ra đ−ợc tín hiệu điện áp đồng bộ với tín hiệu điện áp đặt lên anôt-catôt của Triac. Để làm đ−ợc việc này ng−ời ta th−ờng tạo ra xung răng c−a đồng bộ (hay còn gọi là điều khiển thẳng đứng tuyến tính) đây là ph−ơng pháp hay đ−ợc sử dụng nhất ngoài ra ng−ời ta cũng có thể điều khiển theo nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS. Trong đề tài này tôi sử dụng ph−ơng pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Sơ đồ mạch tạo xung răng c−a đồng bộ nh− hình 3.6 sau: Hình 3.6. Sơ đồ mạch tạo xung răng c−a đồng bộ Hoạt động của mạch tạo xung răng c−a đồng bộ này nh− sau: nguyên lý chung để tạo ra xung răng c−a là đầu tiên ta phải tạo ra đ−ợc xung vuông sau đó dùng mạch tích phân cho ra xung răng c−a. Trong đề tài này tôi thiết kế mạch tạo xung răng c−a có sử dụng bộ khuếch đại thuật toán TL082, nó gồm có 2 OA (U1A và U1B) đóng trong một vỏ, U1A(TL082) đ−ợc dùng trong mạch tạo xung vuông, U1B(TL082) dùng cho mạch tích phân tạo xung răng c−a. Mạch tạo xung vuông: mạch gồm máy biến áp giảm áp và một bộ so sánh tín hiệu vào với mát, bộ so sánh ở đây là U1A(TL082). Khi có tín hiệu điện áp ở nửa chu kỳ d−ơng của tín hiệu xoay chiều vào đầu không đảo của U1A(TL082) lúc đó đầu vào không đảo sẽ d−ơng hơn đầu vào đảo nên đầu ra Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 69 của U1A(TL082) sẽ có tín hiệu xung điện áp bão hoà +9V (với giả thiết bộ so sánh này là lý t−ởng) thì tín hiệu vào đầu không đảo giảm dần đến lúc nhỏ hơn đầu vào đảo và âm dần khi đó đầu ra của U1A(TL082) lật trạng thái đến chế độ bão hoà âm (-9V) trong khoảng thời gian nào đó thì tín hiệu đầu vào không đảo d−ơng hơn đầu đảo, đầu ra của tín hiệu sẽ lật trạng thái và có tín hiệu xung điện áp d−ơng, quá trình lại tiếp tục lặp đi lặp lại nh− vậy. Sơ đồ dạng xung của mạch này nh− hình 3.7 sau: Hình 3.7. Sơ đồ dạng xung vuông Mạch tạo xung răng c−a: mạch gồm có một khâu tích phân, Diode chỉ cho tín hiệu d−ơng đi qua và một Tranzitor (Q2) để đóng mở, hoạt động của mạch này là khi có xung d−ơng qua Diode vào đầu không đảo của TL082(U1B) d−ơng hơn đầu vào đảo nên cho tín hiệu qua U1B(TL082) đồng thời nạp cho tụ C3 tín hiệu ra lúc này tăng dần tuỳ thuộc vào dung l−ợng của tụ lớn hay nhỏ, còn khi tín hiệu vào là xung âm sẽ đi vào cực B của Q2 khi đó Q2 sẽ mở cho dòng chảy qua khi đó tín hiệu ở đầu vào không đảo nhỏ hơn tín hiệu đầu đảo do đó xung ra sẽ giảm dần nh−ng nhờ có tụ C3 nên xung ra chỉ giảm Báo cáo tốt nghiệp Phạm Tuấn Anh-TĐH46 Khoa Cơ điện - - Tr−ờng ĐHNNI-Hμ Nội 70 đến 0V thì tụ lại phóng. Do đó ở đầu ra ta sẽ nhận đ−ợc một chuỗi xung răng c−a. Sơ đồ dạng xung đầu ra có dạng nh− hình 3.8 sau: Hình 3.8. Sơ đồ dạng xung răng c−a Tính toán lựa chọn các linh kiện trong mạch này nh− sau: Độ rộng xung ra của mạch tích phân R6 - C3 và khuếch đại thuật toán U1B(TL082) là τ)32,2(R3) (2,2