bctntlvn (69).pdf

937 views

Published on

0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
937
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3
Actions
Shares
0
Downloads
13
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

bctntlvn (69).pdf

  1. 1. Luận văn tốt nghiệp Đề tài: Nghiên cứu và thiết kế môhình điều khiển nhiệt độ trong tủ nuôi cấy vi khuẩn
  2. 2. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 Më ®Çu1. §Æt vÊn ®Ò §· tõ xa x−a, mÆc dï ch−a nhËn thøc ®−îc sù tån t¹i cña vi khuÈn,nh−ng loµi ng−êi còng ®· biÕt ®−îc kh¸ nhiÒu vÒ t¸c dông do vi khuÈn g©ynªn. §Õn nay trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt vµ trong cuéc sèng, loµi ng−êi ®· tÝchlòy ®−îc rÊt nhiÒu kinh nghiÖm quý b¸u vÒ c¸c biÖn ph¸p øng dông nh÷ng vikhuÈn cã Ých vµ phßng tr¸nh nh÷ng vi khuÈn cã h¹i. Vi khuÈn cã kÝch th−íc nhá bÐ vµ cã cÊu tróc c¬ thÓ t−¬ng ®èi ®¬n gi¶nnh−ng chóng cã tèc ®é sinh s«i n¶y në rÊt nhanh chãng vµ ho¹t ®éng trao ®æichÊt v« cïng m¹nh mÏ. Vi khuÈn cã kh¶ n¨ng gãp phÇn ph©n gi¶i hÇu hÕt c¸clo¹i chÊt trªn Tr¸i §Êt, kÓ c¶ c¸c chÊt rÊt khã ph©n gi¶i, hoÆc c¸c chÊt th−êngg©y ®éc h¹i ®Õn c¸c nhãm sinh vËt kh¸c. Bªn c¹nh kh¶ n¨ng ph©n gi¶i vikhuÈn cßn cã kh¶ n¨ng tæng hîp nhiÒu hîp chÊt h÷u c¬ phøc t¹p trong ®iÒukiÖn nhiÖt ®é, ¸p suÊt b×nh th−êng. Ngoµi nh÷ng t¸c dông to lín cña vi khuÈn th× chóng ta còng kh«ng thÓkh«ng kÓ ®Õn kh«ng Ýt nh÷ng vi khuÈn cã h¹i, chóng g©y bÖnh cho ng−êi, chogia sóc, gia cÇm, t«m c¸, cho c©y trång, c©y rõng, chóng lµm h− h¹i hoÆc biÕnchÊt l−¬ng thùc, thùc phÈm, nguyªn vËt liÖu, hµng hãa. Chóng s¶n sinh ra c¸c®éc tè trong ®ã cã nh÷ng ®éc tè hÕt søc ®éc h¹i. Trong Y häc còng nh− trong ch¨n nu«i, trång trät mét trong nh÷ng vÊn®Ò lín ®ã lµ cã thÓ phßng chèng ®−îc c¸c bÖnh truyÒn nhiÔm vµ c¸c ph−¬ngph¸p ®Ò phßng dÞch bÖnh cã thÓ l©y nhiÔm tõ sóc vËt sang ng−êi, tõ ng−êi sangng−êi... Trong xu thÕ ¸p dông réng r·i §iÖn tö, Tin häc vµo cuéc sèng, hÇu hÕtc¸c thiÕt bÞ hiÖn nay cã sö dông §iÖn tö ®· vµ ®ang ®−îc hoµn thiÖn nh»mn©ng cao chÊt l−îng cuéc sèng. §Æc biÖt lµ trong Y häc vµ trong ch¨n nu«i, ®Ócã thÓ nu«i cÊy vµ duy tr× sù sèng cña nh÷ng vi khuÈn nh»m nghiªn cøu phôcvô cho cuéc sèng vµ s¶n xuÊt, ®Æc biÖt lµ phôc vô cho viÖc nghiªn cøu khoahäc nh»m ph¸t hiÖn ra nh÷ng vi khuÈn cã Ých kh¸c vµ nh÷ng vi khuÈn cã h¹iKhoa C¬ ®iÖn -1- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  3. 3. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46míi ®Ó cã thÓ khèng chÕ ®−îc chóng, sö dông chóng vµo nh÷ng viÖc cã lîi chocon ng−êi. Khi ®ã, tñ nu«i cÊy vi khuÈn cã sö dông m¹ch ®iÖn tö vµo ®iÒukhiÓn ®· ra ®êi nh»m duy tr× sù sèng cho vi khuÈn vµ nu«i cÊy chóng ë nhiÖt®é vµ thêi gian nhÊt ®Þnh nµo ®ã. MÆc dï trªn thÕ giíi hiÖn nay cã kh¸ nhiÒu chñng lo¹i thiÕt bÞ nu«i cÊyhiÖn ®¹i, c«ng suÊt lín. Song mét phÇn nµo ®ã kh«ng hoµn toµn phï hîp víi®iÒu kiÖn ë ViÖt Nam. Do ®ã, ®Ó ®¸p øng phÇn nµo ®ã nh÷ng nhu cÇu trªn cïng víi sù n¾m b¾t®−îc nh÷ng tiÕn bé cña khoa häc kü thuËt ®Æc biÖt lµ ®iÖn tö ®· vµ ®ang ®−îcøng dông m¹nh mÏ vµo cuéc sèng vµ s¶n xuÊt chóng t«i tiÕn hµnh ®Ò tµi:“Nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ m¹ch tù ®éng ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é trong tñ nu«icÊy vi khuÈn”. Trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn ®Ò tµi chóng t«i tiÕn hµnh nghiªncøu vµ kh¶o s¸t c¸c lo¹i tñ nu«i cÊy trong bÖnh viÖn B¹ch Mai, kh¶o s¸t sùbiÕn ®æi cña nhiÖt ®é vµ thêi gian trong qu¸ tr×nh nu«i cÊy. Tõ kÕt qu¶ ®ãchóng t«i tiÕn hµnh x©y dùng m« h×nh vµ l¾p r¸p trªn thùc tÕ. Víi nh÷ng kÕtqu¶ ®· ®¹t ®−îc, kh¼ng ®Þnh hÖ thèng ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é trong tñ nu«i cÊy dochóng t«i thiÕt kÕ lµ hoµn toµn cã tÝnh kh¶ thi trong ®iÒu kiÖn n−íc ta hiÖn nay.2. Môc ®Ých cña ®Ò tµi Trªn c¬ së nh÷ng kiÕn thøc ®· häc ®−îc trong nhµ tr−êng vµ nh÷ng kiÕnthøc thùc tÕ tiÕp thu ®−îc trong qu¸ tr×nh thùc tËp chóng t«i m¹nh d¹n ®Ò xuÊt,thiÕt kÕ m¹ch tù ®éng ®iÒu chØnh nhiÖt ®é trong tñ nu«i cÊy vi khuÈn vµ l¾p r¸pm¹nh tù ®éng ®iÒu chØnh nhiÖt ®é. M¹ch nµy cã thÓ dïng ®Ó thay thÕ c¸c m¹ch®iÒu chØnh nhiÖt ®é trong c¸c tñ gÆp sù cè cÇn söa ch÷a ®Ó kh«ng lµm gi¸n®o¹n thêi gian nghiªn cøu cña c¸c nhµ vi sinh vËt. §Æc biÖt, m¹ch nµy còng cãthÓ dïng ®Ó l¾p míi.3. Néi dung cña ®Ò tµi T×m hiÓu kh¸i qu¸t vÒ ®Æc ®iÓm vµ c¸c ®iÒu kiÖn sèng cña vi khuÈn, c¸ct¸c ®éng cña m«i tr−êng ®èi víi ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn cña vi khuÈn. Tr×nh bµy nguyªn t¾c chung cña m¹ch ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é tñ nu«i cÊy.Khoa C¬ ®iÖn -2- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  4. 4. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 Giíi thiÖu mét sè s¬ ®å ®iÒu khiÓn thùc tÕ ®ang ®−îc sö dông vµ nh÷ngphô kiÖn quan träng ®èi víi m¹ch ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é. TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ m¹ch ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é trong tñ nu«i cÊy vikhuÈn.4. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu - Nghiªn cøu theo ph−¬ng ph¸p lý thuyÕt - Nghiªn cøu theo ph−¬ng ph¸p øng dông - Nghiªn cøu theo ph−¬ng ph¸p chuyªn gia Ch−¬ng 1T×m hiÓu ®Æc ®iÓm, ®iÒu kiÖn sinh sèng cña vi khuÈn vµ t¸c ®éng cña m«i tr−êng ®èi víi sù ph¸t triÓn cña vi khuÈnKhoa C¬ ®iÖn -3- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  5. 5. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H461.1. Kh¸i niÖm chung Xung quanh ta ngoµi c¸c sinh vËt lín mµ chóng ta cã thÓ nh×n thÊy ®−îccßn cã v« vµn c¸c sinh vËt nhá bÐ, muèn nh×n thÊy chóng ph¶i dïng kÝnh hiÓnvi. Ng−êi ta gäi chóng lµ vi khuÈn. Vi khuÈn sèng ë kh¾p mäi n¬i trªn Tr¸i §Êt: tõ ®Ønh nói cao cho ®Õn tËn®¸y biÓn s©u, trong kh«ng khÝ, trong ®Êt, trong hÇm má, trong s«ng ngßi, aohå, trªn da, trong tõng bé phËn cña c¬ thÓ ng−êi, ®éng vËt, thùc vËt, trong c¸cs¶n phÈm l−¬ng thùc, thùc phÈm, vËt liÖu, hµng hãa... ngay c¶ ë trong nh÷ngn¬i mµ ®iÒu kiÖn sèng t−ëng chõng nh− hÕt søc phøc t¹p vµ kh¾c nhiÖt nhÊt mµvÉn thÊy cã sù ph¸t triÓn cña vi khuÈn. Ch¼ng h¹n nh− vi khuÈn Pseudomonas bathycetes chóng cã thÓ sèng®−îc d−íi ®¸y ®¹i d−¬ng, n¬i mµ cã ¸p suÊt lªn tíi 1000 atm vµ nhiÖt ®éth−êng xuyªn chØ vµo kho¶ng 30C. Vi khuÈn Sulfolobus acidorcaldrius ph¸ttriÓn mét c¸ch b×nh th−êng trong nhiÖt ®é kho¶ng tõ 85 – 900C. Vi khuÈnThiobacillus ferroxidans ph¸t triÓn trong c¸c dung dÞch ë má s¾t cã ®é pH = 1 - 2.Vi khuÈn Streptococcus faecalis l¹i cã thÓ ph¸t triÓn tèt ë m«i tr−êng cã ®éPH = 10 - 11. Vi khuÈn −a mÆn thuéc c¸c chi Halobacterium, Halococcusph¸t triÓn ®−îc trong c¸c dung dÞch b·o hßa muèi (32% NaCl). Cã c¶ nh÷ng vikhuÈn cã kh¶ n¨ng ®ång hãa dÇu má, phenol, khÝ thiªn nhiªn... Ng−êi ta ®· lµm thÝ nghiÖm vµ tÝnh to¸n ®−îc r»ng trong 1gam ®Êt lÊy ëtÇng canh t¸c th−êng cã kho¶ng tõ 1 - 22 tØ con vi khuÈn, 0.5 - 14 triÖu x¹khuÈn, 3 - 50 triÖu vi nÊm, 10 - 30 ngh×n vi t¶o... vµ trong 1m3 kh«ng khÝ ëphÝa trªn chuång gia sóc th−êng cã tõ 1 - 2 triÖu vi sinh vËt, trªn ®−êng phè cãkho¶ng 5000 vi sinh vËt sinh sèng, nh−ng ®Æc biÖt trªn mÆt biÓn chØ cã kho¶ngtõ 1 - 2 vi sinh vËt sinh sèng mµ th«i. §Æc biÖt lµ kÓ tõ ®Çu thËp kû 70 cña thÕ kû XX ng−êi ta ®· b¾t ®Çu thùchiÖn thµnh c«ng thao t¸c di truyÒn ë vi khuÈn. §ã lµ viÖc chuyÓn mét gen haymét nhãm gen tõ mét vi khuÈn hay mét tÕ bµo c¸c vi khuÈn bËc cao (nh−Khoa C¬ ®iÖn -4- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  6. 6. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46ng−êi, ®éng vËt, thùc vËt) sang tÕ bµo cña vi khuÈn kh¸c. Vi khuÈn mang gent¸i tæ hîp nhiÒu khi ®· mang l¹i nh÷ng lîi Ých rÊt to lín bëi v× cã thÓ s¶n sinh ëquy m« c«ng nghiÖp nh÷ng s¶n phÈm tr−íc ®©y ch−a ®−îc t¹o thµnh bëi vikhuÈn.1.2. §Æc ®iÓm chung cña vi khuÈn 1.2.1. KÝch th−íc nhá bÐ M¾t con ng−êi khã thÊy ®−îc râ nh÷ng vËt cã kÝch th−íc nhá kho¶ng1mm. VËy mµ vi khuÈn th−êng ®−îc ®o b»ng micromet. ChÝnh v× vi khuÈn cãkÝch th−íc nhá bÐ cho nªn diÖn tÝch bÒ mÆt cña vi khuÈn hÕt søc lín. Ch¼ngh¹n nh− sè l−îng cÇu khuÈn chiÕm thÓ tÝch 1cm3 cã diÖn tÝch bÒ mÆt lµ 6m2. 1.2.2. HÊp thu nhiÒu, chuyÓn hãa nhanh Vi khuÈn tuy cã kÝch th−íc nhá bÐ nhÊt trong sinh giíi nh−ng n¨ngl−îng hÊp thu vµ chuyÓn hãa cña chóng cã thÓ v−ît xa c¸c sinh vËt bËc cao.Ch¼ng h¹n nh− vi khuÈn Lactic trong 1 giê cã thÓ ph©n gi¶i mét l−îng ®−êngLactoz¬ nÆng h¬n 1000 - 10000 lÇn khèi l−îng cña chóng. NÕu tÝnh sè μl O2mµ mçi mg chÊt kh« cña c¬ thÓ vi khuÈn tiªu hao trong mét giê th× ë m« l¸hoÆc m« rÔ thùc vËt lµ 0.5 - 4, ë tæ chøc gan vµ thËn ®éng vËt lµ 10 - 20, ë vikhuÈn thuéc chi Pseudomonas lµ 1200, ë vi khuÈn thuéc chi Azotobacter lµ2000. N¨ng lùc chuyÓn hãa sinh hãa m¹nh mÏ cña vi sinh vËt dÉn ®Õn nh÷ngt¸c dông lín lao cña chóng trong thiªn nhiªn còng nh− trong c¸c ho¹t ®éngsèng cña con ng−êi. 1.2.3. Sinh tr−ëng nhanh, ph¸t triÓn m¹nh So víi c¸c sinh vËt kh¸c th× vi sinh vËt nãi chung vµ vi khuÈn nãi riªngcã tèc ®é sinh tr−ëng vµ sinh s«i n¶y në cùc lín. Ch¼ng h¹n nh− vi khuÈnEscherichia coli trong c¸c ®iÒu kiÖn thÝch hîp th× cø kho¶ng 12 - 20 phót l¹iph©n chia mét lÇn. NÕu lÊy thêi gian thÕ hÖ lµ 20 phót th× mçi giê ph©n chia 3lÇn, 24 giê ph©n chia 72 lÇn, tõ mét tÕ bµo ban ®Çu sÏ sinh ra 5 × 1021 tÕ bµot−¬ng ®−¬ng víi kho¶ng 4722 tÊn. Tuy nhiªn trong thùc tÕ kh«ng thÓ t¹o ra®−îc c¸c ®iÒu kiÖn sinh tr−ëng lý t−ëng nh− vËy ®−îc cho nªn sè l−îng viKhoa C¬ ®iÖn -5- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  7. 7. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46khuÈn thu ®−îc trong 1ml dÞch nu«i cÊy th−êng chØ ®¹t tíi møc ®é 108 - 109 tÕbµo. 1.2.4. N¨ng lùc thÝch øng m¹nh vµ dÔ ph¸t sinh biÕn dÞ N¨ng lùc thÝch øng cña vi khuÈn v−ît rÊt xa so víi ®éng vËt vµ thùc vËt.Trong qu¸ tr×nh tiÕn hãa l©u dµi vi khuÈn ®· t¹o cho m×nh nh÷ng c¬ chÕ ®iÒuhßa trao ®æi chÊt ®Ó thÝch øng ®−îc nh÷ng ®iÒu kiÖn sèng rÊt bÊt lîi. Sù thÝchøng cña vi khuÈn nhiÒu khi v−ît xa trÝ t−ëng t−îng cña con ng−êi. PhÇn lín vikhuÈn cã thÓ gi÷ nguyªn søc sèng ë nhiÖt ®é cña nit¬ láng (-1960C), thËm chÝë nhiÖt ®é cña hidr« láng (-2530C), mét sè vi khuÈn cã thÓ sinh tr−ëng ë nhiÖt®é 2500C, thËm chÝ 3000C. Mét sè vi khuÈn cã thÓ thÝch nghi víi nång ®é 32%NaCl. Vi khuÈn Thiobaccillus thioxidans cã thÓ sinh tr−ëng ë pH = 0.5 trongkhi vi khuÈn Thiobacillus denitrificans l¹i thÝch hîp víi ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn ëpH = 10,7. Vi khuÈn Micrococus radidurans cã thÓ chÞu ®−îc c−êng ®é bøc x¹tíi 750.000 rad. Vi khuÈn rÊt dÔ ph¸t sinh biÕn dÞ bëi v× th−êng lµ ®¬n bµo, ®¬n béi, sinhs¶n nhanh, sè l−îng nhiÒu, tiÕp xóc trùc tiÕp víi m«i tr−êng sèng. TÇn sè biÕndÞ th−êng lµ 10- 5- 10-10. 1.2.5. Ph©n bè réng, chñng lo¹i nhiÒu Vi khuÈn ph©n bè ë kh¾p mäi n¬i trªn Tr¸i §Êt. Chóng cã mÆt trªn c¬thÓ ng−êi, ®éng vËt, thùc vËt, trong ®Êt, trong n−íc, trong kh«ng khÝ, trªn mäi®å dïng, vËt liÖu, tõ biÓn kh¬i cho ®Õn nói cao, tõ n−íc ngÇm cho ®Õn n−ícbiÓn... Trong ®−êng ruét cña ng−êi sè l−îng vi khuÈn Bacteroides fragilis caonhÊt chóng ®¹t tíi sè l−îng 1010 - 1011/g ph©n, gÊp 100 - 1000 lÇn sè l−îng vikhuÈn Escherichia coli. ë ®é s©u 10000m cña §«ng Th¸i B×nh D−¬ng n¬i hoµn toµn tèi t¨m,l¹nh lÏo vµ cã ¸p suÊt rÊt cao ng−êi ta ph¸t hiÖn thÊy cã kho¶ng 1 triÖu ®Õn 10tØ vi khuÈn/ml chñ yÕu lµ vi khuÈn l−u huúnh.1.3. §iÒu kiÖn sinh sèng cña vi khuÈnKhoa C¬ ®iÖn -6- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  8. 8. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 §iÒu kiÖn sinh sèng cña vi khuÈn ë ®©y lµ c¸c chÊt dinh d−ìng vµ nguånthøc ¨n cña chóng. 1.3.1. Thµnh phÇn tÕ bµo vµ c¸c chÊt dinh d−ìng cña vi khuÈn C¸c chÊt dinh d−ìng ®èi víi vi khuÈn lµ bÊt kú chÊt nµo ®−îc vi khuÈnhÊp thô tõ m«i tr−êng xung quanh vµ ®−îc chóng sö dông lµm nguyªn liÖu ®Ócung cÊp cho c¸c qu¸ tr×nh tæng hîp t¹o ra c¸c thµnh phÇn cña tÕ bµo hoÆc ®Ócung cÊp cho qu¸ tr×nh trao ®æi n¨ng l−îng. Qu¸ tr×nh hÊp thô c¸c chÊt dinh d−ìng ®Ó tháa m·n mäi nhu cÇu sinhtr−ëng vµ ph¸t triÓn cña vi khuÈn. Kh«ng ph¶i mäi thµnh phÇn cña m«i tr−êng nu«i cÊy vi khuÈn ®Òu ®−îccoi lµ chÊt dinh d−ìng. Mét sè chÊt r¾n cÇn thiÕt cho vi khuÈn nh−ng chØ lµmnhiÖm vô b¶o ®¶m c¸c ®iÒu kiÖn thÝch hîp vÒ thÕ oxy hãa - khö, vÒ pH, vÒ ¸psuÊt thÈm thÊu, vÒ c©n b»ng ion... ChÊt dinh d−ìng ph¶i lµ nh÷ng hîp chÊt cãtham gia vµo c¸c qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt néi bµo. Thµnh phÇn hãa häc cña tÕ bµo vi khuÈn quyÕt ®Þnh nhu cÇu dinh d−ìngcña chóng. Thµnh phÇn hãa häc cÊu t¹o bëi c¸c nguyªn tè C, H, O, N, c¸cnguyªn tè kho¸ng ®a l−îng vµ c¸c nguyªn tè kho¸ng vi l−îng. ChØ riªng c¸cnguyªn tè C, H, O, N, P, S, K, Na ®· chiÕm ®Õn 98% khèi l−îng kh« cña tÕbµo vi khuÈn E.coli. L−îng chøa c¸c nguyªn tè ë c¸c vi khuÈn kh¸c nhau lµ kh«ng gièngnhau. ë c¸c ®iÒu kiÖn nu«i cÊy kh¸c nhau, c¸c giai ®o¹n kh¸c nhau, l−îng chøac¸c nguyªn tè cïng loµi vi khuÈn còng kh«ng gièng nhau. Trong tÕ bµo vi khuÈnc¸c hîp chÊt ®−îc chia thµnh: n−íc vµ c¸c muèi kho¸ng, c¸c chÊt h÷u c¬. + N−íc vµ muèi kho¸ng N−íc chiÕm ®Õn 70 - 90% khèi l−îng c¬ thÓ cña vi khuÈn. TÊt c¶ c¸cph¶n øng x¶y ra trong tÕ bµo cña vi khuÈn ®Òu ®ßi hái cã sù tån t¹i cña n−íc. Yªu cÇu cña vi khuÈn ®èi víi n−íc ®−îc biÓu thÞ mét c¸ch ®Þnh l−îngb»ng ®é ho¹t ®éng cña n−íc (ký hiÖu lµ aw) trong m«i tr−êng. §é ho¹t ®éngcña n−íc cßn ®−îc gäi lµ thÕ n¨ng cña n−íc (ký hiÖu lµ pw):Khoa C¬ ®iÖn -7- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  9. 9. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 p aw = p0 Trong ®ã p lµ ¸p lùc h¬i cña dung dÞch, p0 lµ ¸p lùc h¬i n−íc. Ch¼ngh¹n nh− n−íc nguyªn chÊt cã aw = 1, n−íc biÓn cã aw = 0.980, m¸u ng−êicã aw= 0.995. PhÇn n−íc cã thÓ tham gia vµo c¸c qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt cña vi khuÈn®−îc gäi lµ n−íc tù do. §a phÇn n−íc trong tÕ bµo vi khuÈn tån t¹i ë d¹ng n−íctù do. N−íc kÕt hîp lµ phÇn n−íc liªn kÕt víi c¸c hîp chÊt h÷u c¬ cao ph©n tötrong tÕ bµo (protein, lipit, hidrat cacbon...). N−íc liªn kÕt mÊt kh¶ n¨ng hßatan vµ l−u ®éng. Muèi kho¸ng chiÕm kho¶ng 2 - 5% khèi l−îng kh« cña tÕ bµo. Chóngth−êng tån t¹i d−íi d¹ng c¸c muèi sunphat, photphat, cacbonat, clorua... TrongtÕ bµo chóng th−êng ë d¹ng c¸c ion. D¹ng cation ch¼ng h¹n nh− Mg2+, Ca2+,K+, Na+... D¹ng anion ch¼ng h¹n nh− HPO42-, SO42-, HCO3-, Cl-... C¸c ion trongtÕ bµo vi khuÈn lu«n tån t¹i ë nh÷ng tØ lÖ nhÊt ®Þnh nh»m duy tr× ®é pH vµ lùcthÈm thÊu thÝch hîp cho tõng lo¹i vi khuÈn. + ChÊt h÷u c¬ ChÊt h÷u c¬ trong tÕ bµo vi khuÈn chñ yÕu cÊu t¹o bëi c¸c nguyªn tè C,H, O, N, P, S... Riªng 4 nguyªn tè C, H, O, N ®· chiÕm tíi 90 - 97% toµn béchÊt kh« cña tÕ bµo. §ã lµ c¸c nguyªn tè chñ chèt ®Ó cÊu t¹o nªn protein, axitnucleic, lipit, hidrat cacbon. Trong tÕ bµo vi khuÈn c¸c hîp chÊt ®¹i ph©n töth−êng chiÕm tíi 96% khèi l−îng kh«, c¸c chÊt ®¬n ph©n tö chØ chiÕm cã 3.5%cßn c¸c ion v« c¬ chØ chiÕm cã 1%. D−íi ®©y lµ b¶ng tæng kÕt thµnh phÇn hãa häc cña mét tÕ bµo vi khuÈndo nhµ khoa häc F.C.Neidhardt tæng kÕt n¨m 1987.B¶ng 1.1 Ph©n tö % Khèi l−îng Sè ph©n tö/ tÕ bµo Sè lo¹i ph©n töKhoa C¬ ®iÖn -8- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  10. 10. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 kh« (1)N−íc - 1Tæng sè c¸c ®¹i ph©n tö 96 24.609.802 kho¶ng 2500Protein 55 2.350.000 kho¶ng 1850Polisaccarit 5 4.300 2 (2)Lipit 9.1 22.000.000 4 (3)AND 3.1 2.1 1ARN 20.5 255.500 kho¶ng 660Tæng sè c¸c ®¬n ph©n tö 3.5 kho¶ng 350Axit amin vµ tiÒn thÓ 0.5 kho¶ng 100§−êng vµ tiÒn thÓ 2 kho¶ng 50Nucleotit vµ tiÒn thÓ 0.5 kho¶ng 200C¸c ion v« v¬ 1 18Tæng céng 100 Trong ®ã: (1) lµ khèi l−îng kh« cña 1 tÕ bµo vi khuÈn E.coli ®angsinh tr−ëng m¹nh lµ 2.8 × 10 −13 g; (2) lµ Pepidoglican vµ glicogen; (3) lµ 4lo¹i photpholipit, mçi lo¹i cã nhiÒu nhãm kh¸c nhau phô thuéc vµo thµnhphÇn axit bÐo. 1.3.2. Nguån thøc ¨n cacbon cña vi khuÈn §èi víi vi khuÈn nguån cacbon ®−îc cung cÊp cã thÓ lµ chÊt v« c¬ (CO2,NaHCO3, CaCO3...) hoÆc chÊt h÷u c¬. Gi¸ trÞ dinh d−ìng vµ kh¶ n¨ng hÊp thôc¸c nguån thøc ¨n cacbon kh¸c nhau phô thuéc vµo 2 yÕu tè: mét lµ thµnhphÇn hãa häc vµ tÝnh chÊt sinh lÝ cña nguån thøc ¨n nµy, hai lµ ®Æc ®iÓm sinh lÝcña tõng lo¹i vi khuÈn. Ng−êi ta th−êng sö dông ®−êng ®Ó lµm thøc ¨n cacbon khi nu«i cÊyphÇn lín c¸c vi khuÈn dÞ d−ìng. CÇn chó ý ®−êng ®¬n ë nhiÖt ®é cao cã thÓ bÞchuyÓn hãa thµnh lo¹i hîp chÊt cã mµu tèi gäi lµ ®−êng ch¸y rÊt khã hÊp thô.Trong m«i tr−êng kiÒm sau khi khö trïng ®−êng cßn dÔ bÞ axit hãa vµ lµm biÕn®æi pH m«i tr−êng. §Ó tr¸nh c¸c hiÖn t−îng nµy khi khö trïng m«i tr−êngchøa ®−êng ng−êi ta th−êng chØ hÊp ë ¸p lùc 0.5 atm (112.50C) vµ duy tr× trong30 phót. Víi c¸c lo¹i ®−êng ®¬n tèt nhÊt lµ nªn sö dông ph−¬ng ph¸p hÊp gi¸nKhoa C¬ ®iÖn -9- Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  11. 11. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46®o¹n hoÆc läc riªng dung dÞch ®−êng (th−êng dïng nång ®é 20%) b»ng nÕnläc hoÆc mµng läc vi khuÈn sau ®ã míi dïng thao t¸c v« trïng ®Ó bæ sung vµoc¸c m«i tr−êng ®· khö trïng. Khi chÕ t¹o c¸c m«i tr−êng chøa tinh bét tr−íc hÕt ph¶i hå hãa tinh bétë nhiÖt ®é 60 - 700C sau ®ã ®un s«i råi míi ®−a ®i khö trïng ë nåi hÊp ¸p lùcXenluloz¬ ®−îc ®−a vµo c¸c m«i tr−êng nu«i cÊy, vi khuÈn ph©n gi¶iXenluloz¬ d−íi d¹ng giÊy läc, b«ng hoÆc c¸c lo¹i bét Xenluloz¬. Khi sö dông lipit, parafin, dÇu má... §Ó lµm nguån cacbon nu«i cÊy métsè lo¹i vi khuÈn ph¶i th«ng khÝ m¹nh ®Ó cho tõng giät nhá cã thÓ tiÕp xóc ®−îcvíi thµnh tÕ bµo tõng vi khuÈn. §Ó nu«i cÊy c¸c lo¹i vi khuÈn ng−êi ta th−êng dïng nång ®é ®−êng lµ0.5 - 0.2%. HÇu hÕt c¸c vi khuÈn chØ ®ång hãa ®−îc c¸c lo¹i ®−êng ë d¹ng®ång ph©n D. C¸c chÊt h÷u c¬ chøa c¶ C vµ N (pepton, n−íc thÞt, n−íc chiÕt ng«, n−ícchiÕt ®¹i m¹ch, n−íc chiÕt gi¸ ®Ëu... ) cã thÓ sö dông võa lµm nguån C võa lµmnguån N ®èi víi vi khuÈn. Ph¹m vi ®ång hãa c¸c nguån thøc ¨n cacbon cña tõng loµi vi khuÈn côthÓ rÊt kh¸c nhau: cã thùc nghiÖm cho thÊy loµi vi khuÈn Pseudomonas cepaciacã thÓ ®ång hãa trªn 90 lo¹i nguån thøc ¨n cacbon kh¸c nhau, trong khi ®ã c¸cvi khuÈn sinh metan chØ cã thÓ ®ång hãa ®−îc CO2 vµ vµi lo¹i hîp chÊt chøa1C hoÆc 2C. Víi vi khuÈn dÞ d−ìng nguån thøc ¨n cacbon lµm c¶ hai chøc n¨ng:nguån dinh d−ìng vµ nguån n¨ng l−îng. NhÊt lµ c¸c vi khuÈn g©y bÖnh sèngtrong m¸u, trong c¸c tæ chøc hoÆc trong ruét cña ng−êi vµ ®éng vËt muèn sinhtr−ëng ®−îc ngoµi nguån cacbon h÷u c¬ cßn cÇn ph¶i ®−îc cung cÊp métl−îng nhá CO2 th× míi ph¸t triÓn ®−îc. 1.3.3. Nguån thøc ¨n nit¬ cña vi khuÈnKhoa C¬ ®iÖn - 10 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  12. 12. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 Nguån nit¬ dÔ hÊp thô nhÊt ®èi víi vi khuÈn lµ NH3 vµ NH+4. NhiÒu khi®Ó nu«i cÊy vi khuÈn b»ng nguån nit¬ lµ Urª ng−êi ta ph¶i bæ sung thªm muèiamon (nh− amon sunphat ch¼ng h¹n). Së dÜ nh− vËy lµ bëi v× cã thøc ¨n nit¬ dÔhÊp thô cho vi khuÈn ph¸t triÓn ®· th× míi cã thÓ s¶n sinh ra ®−îc Ureaza ®Óthñy ph©n Urª. Còng cã lo¹i vi khuÈn së dÜ kh«ng ph¸t triÓn ®−îc trªn m«i tr−êng chØcã nguån thøc ¨n nit¬ lµ muèi amon kh«ng ph¶i lµ kh«ng ®ång hãa ®−îc muèinµy mµ lµ do chóng ®ßi hái ph¶i ®−îc cung cÊp thªm mét vµi lo¹i axit aminkh«ng thay thÕ nµo ®ã. Vi khuÈn cã kh¶ n¨ng ®ång hãa rÊt tèt nit¬ chøa trong c¸c thøc ¨n h÷uc¬. C¸c thøc ¨n nµy sÏ võa lµ nguån cacbon võa lµ nguån nit¬ cung cÊp cho vikhuÈn. Nguån nit¬ h÷u c¬ th−êng ®−îc sö dông ®Ó nu«i cÊy vi khuÈn lµ Peptonlo¹i chÕ phÈm thñy ph©n kh«ng triÖt ®Ó cña mét nguån protein nµo ®Êy. §èi víi ®a sè vi khuÈn ng−êi ta th−êng nu«i cÊy cã nh÷ng thµnh phÇnsau: pepton (5g), cao thÞt (3g), NaCl (8g), n−íc cÊt (1000ml). NÕu lµm m«itr−êng ®Æc th× bæ sung thªm 15 - 20g th¹ch. 1.3.4. Nguån thøc ¨n kho¸ng cña vi khuÈn Khi sö dông c¸c m«i tr−êng thiªn nhiªn ®Ó nu«i cÊy vi khuÈn ng−êi tath−êng kh«ng cÇn thiÕt bæ sung c¸c nguyªn tè kho¸ng. Trong nguyªn liÖudïng lµm c¸c m«i tr−êng nµy (khoai t©y, n−íc thÞt, s÷a, huyÕt thanh, pepton,gi¸ ®Ëu...) th−êng cã chøa ®ñ c¸c nguyªn tè kho¸ng cÇn thiÕt ®èi víi vi khuÈn.Ng−îc l¹i khi lµm c¸c m«i tr−êng tæng hîp (dïng nguyªn liÖu hãa chÊt) b¾tbuéc ph¶i bæ sung ®ñ c¸c nguyªn tè kho¸ng cÇn thiÕt. Nh÷ng nguyªn tè mµ vikhuÈn ®ßi hái ph¶i ®−îc cung cÊp víi liÒu l−îng lín gäi lµ c¸c nguyªn tè ®al−îng. Cßn c¸c nguyªn tè kho¸ng mµ vi khuÈn chØ ®ßi hái víi nh÷ng liÒul−îng rÊt nhá gäi lµ c¸c nguyªn tè vi l−îng. Nång ®é cÇn thiÕt cña tõng nguyªn tè vi l−îng trong m«i tr−êng th−êngchØ vµo kho¶ng 10-6 - 10-8 M. Hµm l−îng c¸c chÊt kho¸ng chøa trong nguyªnKhoa C¬ ®iÖn - 11 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  13. 13. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46sinh chÊt vi khuÈn th−êng thay ®æi tïy lo¹i, tïy giai ®o¹n ph¸t triÓn vµ tïy ®iÒukiÖn nu«i cÊy. Thµnh phÇn kho¸ng cña tÕ bµo vi khuÈn kh¸c nhau th−êng lµchªnh lÖch nhau rÊt nhiÒu. Ch¼ng h¹n nh− theo nghiªn cøu cña Mesrobiana vµPeunesko n¨m 1963 cho biÕt thµnh phÇn kho¸ng ë mét sè vi khuÈn g©y bÖnh lµ(% chÊt kho¸ng): 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 0.3-14.01.4. T¸c ®éng cña m«i tr−êng ®èi víi ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn cña vi khuÈn Sinh tr−ëng, ph¸t triÓn vµ trao ®æi chÊt cña vi khuÈn liªn quan chÆt chÏvíi c¸c ®iÒu kiÖn cña m«i tr−êng. C¸c ®iÒu kiÖn nµy bao gåm hµng lo¹t c¸cyÕu tè kh¸c nhau, t¸c ®éng qua l¹i víi nhau. §a sè c¸c yÕu tè ®ã ®Òu cã mét®Æc tÝnh t¸c dông chung biÓu hiÖn ë ba ®iÓm ho¹t ®éng: cùc tiÓu, tèi thÝch vµcùc ®¹i. Tèi thÝch C−êng ®é ho¹t ®éng sèng Cùc tiÓu Cùc ®¹i C−êng ®é t¸c dông cña m«i tr−êng H×nh 1.4a. §å thÞ biÓu diÔn t¸c dông cña m«i tr−êng lªn vi khuÈn Víi t¸c dông tèi thiÓu cña yÕu tè m«i tr−êng vi khuÈn b¾t ®Çu sinhtr−ëng vµ më ®Çu c¸c qu¸ tr×nh trao ®æi chÊt, víi t¸c dông tèi thÝch vi khuÈnsinh tr−ëng, víi tèc ®é cùc ®¹i vµ biÓu hiÖn ho¹t tÝnh trao ®æi chÊt, trao ®æin¨ng l−îng lín nhÊt, víi t¸c dông cùc ®¹i vi khuÈn ngõng sinh tr−ëng vµth−êng bÞ chÕt. T¸c ®éng cña m«i tr−êng lªn vi khuÈn cã thÓ lµ thuËn lîi hoÆc bÊt lîi.T¸c ®éng bÊt lîi sÏ dÉn ®Õn t¸c dông øc khuÈn hoÆc diÖt khuÈn. Do t¸c dôngKhoa C¬ ®iÖn - 12 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  14. 14. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46øc khuÈn cña yÕu tè m«i tr−êng, tÕ bµo ngõng ph©n chia, nÕu lo¹i bá yÕu tènµy khái m«i tr−êng vi khuÈn l¹i tiÕp tôc sinh tr−ëng vµ ph¸t triÓn. Khi cãmÆt chÊt diÖt khuÈn, vi khuÈn ngõng sinh tr−ëng, ph¸t triÓn vµ chÕt nhanhchãng. Sù chÕt cña tÕ bµo th−êng kh«ng x¶y ra ngay mét lóc trong quÇn thÓmµ diÔn ra dÇn dÇn, cã thÓ biÓu diÔn b»ng ®−êng cong tö vong logarit d−íi®©y (H×nh 1.4b, 1.4c). 100 LogN Vi khuÈn sèng sãt (%) 80% Sinh tr−ëng b×nh th−êng 50 øc khuÈn 80% DiÖt khuÈn 80% Thêi gian t¸c dông cña yÕu tè 0 5 10 15 20 H×nh 1.4b H×nh 1.4c T¸c dông øc khuÈn vµ diÖt Tèc ®é chÕt cña vi khuÈn tïy theo khuÈn cña yÕu tè m«i tr−êng thêi gian t¸c dông cña diÖt khuÈn Mét sè yÕu tè, chñ yÕu lµ c¸c hãa chÊt, cã thÓ t¸c dông øc khuÈn hoÆcdiÖt khuÈn tïy theo nång ®é. T¸c dông kh¸ng khuÈn cña c¸c yÕu tè m«i tr−êng chÞu ¶nh h−ëng cñamét sè ®iÒu kiÖn nh− tÝnh chÊt vµ c−êng ®é t¸c dông cña b¶n th©n yÕu tè,®Æc tÝnh cña vi khuÈn vµ tÝnh chÊt cña m«i tr−êng. 1.4.1. C¬ chÕ t¸c dông cña c¸c yÕu tè m«i tr−êng lªn vi khuÈn C¸c yÕu tè m«i tr−êng bªn ngoµi t¸c dông lªn tÕ bµo thuéc ba lo¹i: YÕu tè vËtlý (®é Èm, nhiÖt ®é, tia bøc x¹...), yÕu tè hãa häc (pH m«i tr−êng, thÓ oxi hãa khö,c¸c chÊt diÖt khuÈn) vµ c¸c yÕu tè sinh häc (chÊt kh¸ng sinh). Dï lµ yÕu tè nµonh−ng khi t¸c dông bÊt lîi lªn tÕ bµo th× th−êng g©y tæn h¹i ®Õn c¸c cÊu tróc quanKhoa C¬ ®iÖn - 13 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  15. 15. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46träng cho sù sèng cña tÕ bµo. Nh÷ng tæn h¹i ®ã dÉn ®Õn ph¸ hñy chøc phËn ho¹t®éng cña c¸c cÊu tróc vµ lµm tÕ bµo chÕt. Chõng nµo tÕ bµo cã thÓ sèng sãt chÝnh lµdo chóng ®· thÝch øng víi yÕu tè ®· cho b»ng nh÷ng thay ®æi vÒ sinh lý hoÆc ditruyÒn. Nh÷ng t¸c dông cã h¹i cña c¸c yÕu tè bªn ngoµi tÕ bµo vi khuÈn thÓ hiÖn ënh÷ng biÕn ®æi sau: + Ph¸ hñy thµnh tÕ bµo. + BiÕn ®æi tÝnh thÊm cña mµng tÕ bµo chÊt: mét sè chÊt kh«ng nhÊt thiÕt ph¶ix©m nhËp tÕ bµo. Nh−ng vÉn g©y t¸c dông kh¸ng khuÈn. + Thay ®æi ®Æc tÝnh keo cña nguyªn sinh chÊt: c¸c yÕu tè vËt lý hay hãa häc®Òu cã thÓ g©y nªn t¸c dông nµy. + K×m h·m ho¹t tÝnh. + Hñy ho¹i c¸c qu¸ tr×nh tæng hîp. 1.4.2. T¸c ®éng cña c¸c yÕu tè vËt lý + §é Èm: hÇu hÕt c¸c qu¸ tr×nh sèng cña vi khuÈn cã liªn quan ®Õn n−íc do®ã ®é Èm lµ yÕu tè quan träng cña m«i tr−êng. §a sè vi khuÈn thuéc c¸c sinh vËt −an−íc nghÜa lµ chóng cÇn n−íc ë d¹ng tù do, dÔ hÊp thô. + NhiÖt ®é: ho¹t ®éng trao ®æi chÊt cña vi khuÈn cã thÓ coi lµ kÕt qu¶ cña c¸cph¶n øng hãa häc. V× c¸c ph¶n øng nµy phô thuéc chÆt chÏ vµo nhiÖt ®é nªn yÕu tènhiÖt ®é râ rµng ¶nh h−ëng s©u s¾c ®Õn c¸c qu¸ tr×nh sèng cña tÕ bµo. TÕ bµo thu®−îc nhiÖt chñ yÕu tõ m«i tr−êng bªn ngoµi, mét phÇn còng do c¬ thÓ th¶i ra do kÕtqu¶ cña ho¹t ®éng trao ®æi chÊt. Ho¹t ®éng cña vi khuÈn bÞ giíi h¹n trong m«i tr−êng chøa n−íc ë d¹ng cã thÓhÊp thô. Vïng nµy cña n−íc n»m ë 20 ®Õn kho¶ng 1000 gäi lµ vïng sinh ®éng häc. HÇu hÕt tÕ bµo sinh d−ìng cña vi khuÈn chÕt ë nhiÖt ®é cao do proteinbÞ biÕn tÝnh. Vi khuÈn chÕt ë nhiÖt ®é cao còng cã thÓ cßn lµ hËu qu¶ cñakh«ng ho¹t hãa ARN vµ sù ph¸ ho¹i mµng tÕ bµo chÊt. ë nhiÖt ®é thÊp cã thÓ lµm ngõng qu¸ tr×nh vËn chuyÓn c¸c chÊt hßa tanqua mµng tÕ bµo chÊt do thay ®æi h×nh kh«ng gian cña mét sè permeaza chøaKhoa C¬ ®iÖn - 14 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  16. 16. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46trong mµng hoÆc ¶nh h−ëng ®Õn viÖc h×nh thµnh vµ tiªu thô ATP cÇn cho qu¸tr×nh vËn chuyÓn chñ ®éng c¸c chÊt dinh d−ìng. Vi khuÈn th−êng chÞu ®ùng ®−îc nhiÖt ®é thÊp. ë nhiÖt ®é d−íi ®iÓmb¨ng hoÆc thÊp h¬n chóng kh«ng thÓ thùc hiÖn ho¹t ®éng trao ®æi chÊt râ rÖt.NhiÖt ®é thÊp cã thÓ coi lµ yÕu tè øc khuÈn nÕu lµm l¹nh kh¸ nhanh. Trongtr−êng hîp lµm l¹nh dÇn dÇn xuèng d−íi ®iÓm b¨ng cÊu tróc cña tÕ bµo bÞ tænh¹i do c¸c tinh thÓ b¨ng ®−îc t¹o thµnh nh−ng kÝch th−íc nhá, do ®ã tÕ bµokh«ng bÞ ph¸ hñy. Giíi h¹n gi÷a nhiÖt ®é cùc tiÓu vµ nhiÖt ®é cùc ®¹i lµ vïng nhiÖt sinhtr−ëng cña vi khuÈn. Giíi h¹n nµy rÊt kh¸c nhau gi÷a c¸c lo¹i vi khuÈn, t−¬ng®èi réng ë c¸c vi khuÈn ho¹i sinh, nh−ng rÊt hÑp ë c¸c vi khuÈn g©y bÖnh. Tïytheo quan hÖ víi vïng nhiÖt cã thÓ chia vi khuÈn thµnh mét sè nhãm sau: - Vi khuÈn −a l¹nh (Psychrophilic) sinh tr−ëng tèt nhÊt ë nhiÖt ®é d−íi200C, th−êng gÆp trong n−íc biÓn, c¸c hè s©u vµ suèi n−íc l¹nh, ch¼ng h¹n vikhuÈn ph¸t quang, vi khuÈn s¾c. Ho¹t tÝnh trao ®æi chÊt ë c¸c vi khuÈn nµythÊp. Trong ®iÒu kiÖn phßng thÝ nghiÖm nhiÒu vi khuÈn −a l¹nh dÔ dµng thÝchøng víi nhiÖt ®é cao h¬n. - Vi khuÈn −a Êm (Mesophilic) chiÕm ®a sè, cÇn nhiÖt ®é trong kho¶ng200C – 400C. Ngoµi c¸c d¹ng ho¹i sinh ta cßn gÆp c¸c loµi kÝ sinh, g©y bÖnhcho ng−êi vµ ®éng vËt, chóng sinh tr−ëng tèt nhÊt ë 370C øng víi nhiÖt ®é cñac¬ thÓ ng−êi vµ ®éng vËt. - Vi khuÈn −a nãng (Thermophilic) sinh tr−ëng tèt nhÊt ë 550C. Mét sèkh«ng sinh tr−ëng ë nhiÖt ®é d−íi +300C. NhiÖt ®é sinh tr−ëng cùc ®¹i cña c¸cvi khuÈn −a nãng dao ®éng gi÷a +750C vµ +800C. C¸c loµi Bacillus sèng trong ®Êt th−êng cã nhiÖt ®é sinh tr−ëng kh¸ réng(15 - 400C). Vi khuÈn E.coli cã nhiÖt ®é sinh tr−ëng 10 - 47.50C. Vi khuÈn g©ybÖnh lËu (Neisseria gonorrhoeae) ph¸t triÓn ë nhiÖt ®é 30 - 400C. Vi khuÈnMethylococus capsulatus sinh tr−ëng thÝch hîp ë 370C còng cßn cã thÓ sinhtr−ëng ë nhiÖt ®é 550C.Khoa C¬ ®iÖn - 15 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  17. 17. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 ¸p lùc, ¸p suÊt thÈm thÊu vµ ¸p suÊt thñy tÜnh cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn cÊutróc cña tÕ bµo vi khuÈn. + ¢m thanh: sãng ©m thanh, ®Æc biÖt trong vïng siªu ©m (trªn 20KHz),cã ¶nh h−ëng lín ®Õn sinh tr−ëng cña vi khuÈn. C¸c tÕ bµo sinh d−ìng bÞ chÕtnhanh trãng. TÕ bµo con mÉn c¶m h¬n nhiÒu so víi tÕ bµo giµ. + Søc c¨ng bÒ mÆt: khi sinh tr−ëng trong m«i tr−êng dÞch thÓ vi khuÈnchÞu ¶nh h−ëng cña søc c¨ng bÒ mÆt cña m«i tr−êng. Nh÷ng thay ®æi cña søcc¨ng bÒ mÆt cã thÓ lµ ngõng sinh tr−ëng vµ tÕ bµo cã thÓ bÞ chÕt. + C¸c tia bøc x¹: ¸nh s¸ng cã thÓ g©y ra nh÷ng biÕn ®æi hãa häc. Do ®ã,nh÷ng tæn th−¬ng sinh häc nÕu ®−îc tÕ bµo hÊp thô th× møc ®é g©y h¹i tïythuéc vµo møc n¨ng l−îng trong l−îng tö ¸nh s¸ng ®−îc hÊp thô vµ møc n¨ngl−îng trong l−îng tö l¹i phô thuéc gi¸n tiÕp vµo chiÒu dµi sãng cña tia chiÕu.C¸c l−îng tö bøc x¹ g©y lªn nh÷ng biÕn ®æi hãa häc cña c¸c ph©n tö vµ nguyªntö cã chiÒu dµi sãng kho¶ng 10000 A0. 1.4.3. T¸c ®éng cña c¸c yÕu tè hãa häc Trong sè c¸c t¸c ®éng hãa häc ¶nh h−ëng ®Õn chøc phËn sèng cña tÕbµo tr−íc hÕt ph¶i kÓ ®Õn nång ®é ion hidro (pH), thÕ oxi hãa khö (Eh) cñam«i tr−êng, c¸c chÊt s¸t trïng vµ c¸c chÊt hãa trÞ liÖu. + T¸c ®éng cña pH m«i tr−êng: pH cña m«i tr−êng cã ý nghÜa quyÕt®Þnh ®èi víi sinh tr−ëng vµ ph¸t triÓn cña vi khuÈn. C¸c ion H+ vµ OH- lµ haiion ho¹t ®éng lín nhÊt trong tÊt c¶ c¸c ion, nh÷ng biÕn ®æi dï nhá trong nång®é cña chóng còng cã ¶nh h−ëng m¹nh mÏ. Cho nªn viÖc x¸c ®Þnh thÝch hîpban ®Çu vµo viÖc duy tr× pH cÇn thiÕt trong thêi gian sinh tr−ëng cña tÕ bµo lµrÊt quan träng. §a sè vi khuÈn sinh tr−ëng tèt nhÊt ë pH trung b×nh (7.0) nh−nhiÒu vi khuÈn g©y bÖnh (m«i tr−êng tù nhiªn lµ m¸u vµ b¹ch huyÕt m¸u cñac¬ thÓ ®éng vËt). + T¸c ®éng cña thÕ oxi hãa khö (Eh): biÓu thÞ møc ®é tho¸ng khÝ cñam«i tr−êng.Khoa C¬ ®iÖn - 16 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  18. 18. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 + C¸c chÊt diÖt khuÈn ( s¸t trïng): th−êng dïng nhÊt lµ phenol vµ c¸chîp chÊt cña phenol, c¸c ancohol, halogen, kim lo¹i nÆng, H2O2, c¸c thuècnhuém, xµ phßng vµ c¸c chÊt röa tæng hîp cña muèi amon bËc bèn. 1.4.4. T¸c ®éng cña c¸c yÕu tè sinh häc C¸c yÕu tè sinh häc t¸c ®éng cã h¹i lªn qu¸ tr×nh sinh sèng cña vi khuÈn®ã lµ kh¸ng thÓ vµ chÊt kh¸ng sinh.1.5. KÕt luËn Nh− vËy, qua qu¸ tr×nh nghiªn cøu vµ t×m hiÓu vÒ quy tr×nh nu«i cÊy vikhuÈn, c¸c ®iÒu kiÖn sinh sèng cña vi khuÈn chóng t«i ®−a ra mét sè kÕt luËnsau: + Vi khuÈn cã vai trß v« cïng to lín ®èi víi con ng−êi, ®éng vËt, thùcvËt… trªn tr¸i ®Êt. Ch¼ng h¹n nh− chóng tham gia tÝch cùc vµo qu¸ tr×nh ph©ngi¶i c¸c x¸c h÷u c¬, c¸c phÕ th¶i c«ng nghiÖp. §Æc biÖt lµ vi khuÈn cã vai trßrÊt quan träng trong ngµnh n¨ng l−îng ®ã lµ viÖc chóng ®ãng gãp rÊt lín trongviÖc t¹o ra dÇu má, than ®¸ vµ khÝ ®èt… + Muèn cho vi khuÈn sinh tr−ëng vµ ph¸t triÓn ®−îc cÇn ph¶i nu«i cÊytrong c¸c m«i tr−êng thÝch hîp, m«i tr−êng lµ nh÷ng chÊt dinh d−ìng cÇn thiÕt®−îc phèi hîp theo yªu cÇu sinh tr−ëng vµ ph¸t triÓn cña vi khuÈn ®èi víi ®iÒukiÖn vµ hoµn c¶nh sèng. VÝ dô nh−: • M«i tr−êng dÞch thÓ hay m«i tr−êng láng lµ m«i tr−êng hîp thµnh dosù hoµ tan cña c¸c chÊt dinh d−ìng cÇn thiÕt ë trong n−íc, nh− m«i tr−êngn−íc thÞt, n−íc pepton, n−íc gan, n−íc d¹ dÇy, n−íc c¸c lo¹i th©n cñ (nh− ng«,®Ëu nµnh, cµ rèt). • M«i tr−êng b¸n cè thÓ lµ m«i tr−êng n−íc cã cho thªm mét Ýt chÊt(th¹ch, keo) vµo ®Ó lµm cho m«i tr−êng s¸nh l¹i, m«i tr−êng nµy dïng ®Ó theodâi sù di ®éng cña vi khuÈn, nã hîp víi ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn sinh lý cña vikhuÈn. • M«i tr−êng cè thÓ hay m«i tr−êng r¾n ®Æc nh− m«i tr−êng khoai t©y ®Ónu«i cÊy vi khuÈn lao; m«i tr−êng láng thªm th¹ch ®Ó t¹o thµnh m«i tr−êngKhoa C¬ ®iÖn - 17 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  19. 19. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46th¹ch ®Üa, th¹ch nghiªng dïng ®Ó ph©n lËp vµ xem h×nh th¸i c¸c khuÈn l¹c; m«itr−êng gelatin ®Ó kiÓm tra xem vi khuÈn cã lµm tan ch¶y gelatin kh«ng. • M«i tr−êng tù nhiªn lµ c¸c m«i tr−êng mµ c¸c chÊt dinh d−ìng cã s½ntrong thiªn nhiªn nh− m¸u, huyÕt th¹ch, n−íc tiÓu, n−íc trøng, khoai t©y…hay m«i tr−êng nh©n t¹o lµ hçn hîp cña nhiÒu chÊt dinh d−ìng cÇn thiÕt cho vikhuÈn nh− n−íc thÞt, n−íc thÞt gan… + Ngoµi ra ¸nh s¸ng còng rÊt cÇn thiÕt ®èi víi mét sè lo¹i vi khuÈn nh−ngtrong qu¸ tr×nh nu«i cÊy nh©n t¹o ng−êi ta cã thÓ t¹o ra m«i tr−êng thÝch hîpcho vi khuÈn sinh tr−ëng. Nh−ng nhiÖt ®é th× do ®iÒu kiÖn khÝ hËu lu«n thay®æi v× vËy khi nhiÖt ®é thay ®æi cã thÓ lµm cho vi khuÈn chÕt. Do ®ã nhiÖt ®é lµrÊt cÇn quan t©m, trong nghiªn cøu, ch÷a trÞ vµ s¶n xuÊt th× viÖc duy tr× nhiÖt®é nh»m duy tr× sù sèng cho vi khuÈn lµ vÊn ®Ò rÊt quan träng. Nh− vËy, tõ nh÷ng ph©n tÝch ë trªn chóng t«i thÊy ¸nh s¸ng, ®é Èm, m«itr−êng ®· ®−îc c¸c nhµ vi sinh vËt nghiªn cøu vµ t¹o ra. Do ®ã trong ®Ò tµi nµychóng t«i chØ quan t©m ®Õn nhiÖt ®é. Víi nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu vµ t×m hiÓu vÒ vi khuÈn, t«i tiÕn hµnh nghiªncøu vµ t×m hiÓu mét sè tñ nu«i cÊy vi khuÈn ®ang ®−îc sö dông trong thùc tÕ,cô thÓ lµ ®ang ®−îng sö dông trong bÖnh viÖn B¹ch Mai. Ch−¬ng 2Khoa C¬ ®iÖn - 18 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  20. 20. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 Giíi thiÖu chung vÒ tù ®éng ®iÒu khÓn nhiÖt ®é trong tñ nu«i cÊy vi khuÈn ®ang ®−îc sö dông hiÖn nay2.1. Nguyªn lý cÊu t¹o chung H×nh d¸ng vµ cÊu t¹o bªn trong cña mét sè tñ nu«i cÊy vi khuÈn hiÖnnay ®ang ®−îc sö dông ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 2.1 sau: H×nh 2.1. S¬ ®å cÊu t¹o cña tñ nu«i cÊy vi khuÈn Trong ®ã: 1) Vá tñ: th−êng lµm b»ng t«n s¾t dµy cì 1,5mm, ë mÆt trong cã s¬n líps¬n chÞu nhiÖt, mÆt ngoµi s¬n chèng rØ. Cã lo¹i lµm b»ng t«n thÐp kh«ng rØ. 2) Líp c¸ch nhiÖt: th−êng b»ng b«ng thuû tinh ®Ó c¸ch nhiÖt cho tñ víim«i tr−êng ngoµi. 3) Cöa ngoµi b»ng t«n thÐp, xung quanh cã mét gio¨ng ami¨ng. 4) Cöa trong b»ng kÝnh chÞu nhiÖt cho phÐp nh×n thÊy vËt sÊy vµ c¸chnhiÖt ra ngoµi.Khoa C¬ ®iÖn - 19 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  21. 21. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 5) Sµng ng¨n c¸ch gi÷a ®iÖn trë d©y ®èt víi phÇn nu«i cÊy bªn trong,m¾t sµng cã nhiÒu lç thñng ®Ó nhiÖt cã thÓ ®i vµo bªn trong. 6) Gi¸ ®ì: ®Ó xÕp, ®ùng c¸c vËt sÊy, th−êng trong ®ã cã kho¶ng hai hoÆcba gi¸ ®ì lµm b»ng thÐp kh«ng rØ. 7) Gê ®ì: dïng ®Ó ®ì c¸c gi¸ ®ì. 8) D©y ®èt: lµ ®iÖn trë d©y quÊn h×nh lß xo th−êng lµm b»ngFer«-Niken. 9) Ch©n ®Õ. 10) Lç tho¸t Èm: cã thÓ kho¸ hoÆc më ra gióp cho tñ tho¸t Èm. 11) NhiÖt kÕ: dïng ®Ó ®o nhiÖt ®é trong tñ. 12) Hép chøa ®ùng m¹ch ®iÒu khiÓn vµ c¸c thiÕt bÞ liªn quan. 13) Kho¶ng trèng phÝa sau tñ dïng ®Ó ®−a d©y chuyÒn tÝn hiÖu ®iÒukhiÓn vµo tñ. 14) C¶m biÕn nhiÖt ®é. 15) N¾p m¸y cã thÓ th¸o ra söa ch÷a khi tñ gÆp sù cè. 16) Qu¹t dïng ®Ó l−u th«ng nhiÖt trong tñ.2.2. Nguyªn lý lµm viÖc chung Th«ng th−êng vi khuÈn ®−îc nu«i cÊy ë mét nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh (th−ênglµ 370C). Do ®ã, trong qu¸ tr×nh lµm viÖc khi nhiÖt ®é trong tñ gÇn b»ng nhiÖt®é ®Æt th× hÖ thèng ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é sÏ tù ®éng c¾t ®Ó ngõng viÖc cÊp ®iÖncho d©y ®èt cho ®Õn khi nhiÖt ®é trong tñ b»ng nhiÖt ®é ®Æt, do qu¸n tÝnh nªnd©y ®èt vÉn nãng lªn vµ nhiÖt ®é trong tñ lín h¬n nhiÖt ®é ®Æt ®Õn mét thêi®iÓm nµo ®ã nhiÖt ®é trong tñ l¹i gi¶m xuèng thÊp h¬n vµ dao ®éng quanh gi¸trÞ nhiÖt ®é ®Æt. Sau ®ã ®Õn mét thêi ®iÓm nµo ®ã th× nhiÖt ®é trong tñ l¹i h¹cho ®Õn khi thÊp h¬n nhiÖt ®é ®Æt th× hÖ thèng ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é l¹i ®iÒukhiÓn ®ãng ®iÖn cho d©y ®èt lµm nhiÖt ®é t¨ng dÇn lªn ®Õn gi¸ trÞ cÇn thiÕt vµqu¸ tr×nh t¹o nhiÖt l¹i lÆp l¹i liªn tôc nh− vËy trong suèt kho¶ng thêi gian yªucÇu cña viÖc nu«i cÊy vi khuÈn. Nh− vËy, tñ Êm 370C ho¹t ®éng theo mét chuKhoa C¬ ®iÖn - 20 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  22. 22. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46tr×nh khÐp kÝn vµ liªn tôc trong mét thêi gian dµi mµ vÉn ®¶m b¶o ®−îc sù æn®Þnh nhiÖt ®é. S¬ ®å khèi cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é: ®−îc thÓ hiÖn nh− h×nh 2.2d−íi ®©y: H×nh 2.2. S¬ ®å khèi cña hÖ thèng ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é Trong ®ã: U®Æt: tÝn hiÖu ®iÖn ¸p ®Æt tx: nhiÖt ®é thùc trong tñ t: nhiÖt ®é do d©y ®èt t¹o ra U®k: tÝn hiÖu ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn Nh− vËy, hÖ thèng ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é ë ®©y lµ hÖ thèng kÝn vµ cã sù håitiÕp tÝn hiÖu. Sù håi tiÕp ë ®©y cã nhiÖm vô lµm gi¶m sai lÖch (e) gi÷a tÝn hiÖu®Æt (U®Æt) víi tÝn hiÖu ra cña hÖ thèng. NhiÖt ®é thùc trong tñ Êm ®−îc c¶mbiÕn nhiÖt ®é nhËn biÕt, qua hÖ thèng chuyÓn ®æi ®Ó chuyÓn tõ nhiÖt ®é thµnhtÝn ®iÖn ¸p (U®o), sau ®ã so s¸nh víi tÝn hiÖu ®Æt. NÕu cã sai lÖch qua bé sos¸nh ®−a tÝn hiÖu sai lÖch vµo bé ®iÒu khiÓn cho ra ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn ®Ó ®iÒukhiÓn kh¸ng ®èt. NhiÖt ®é trong tñ lu«n ®−îc c¶m biÕn c¶m nhËn, nÕu nhiÖt ®étrong tñ ch−a ®¹t ®Õn nhiÖt ®é yªu cÇu th× bé ®iÒu khiÓn sÏ tù ®éng ®iÒu chØnh®Ó ®−a nhiÖt ®é trong tñ b»ng nhiÖt ®é ®Æt. Qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é lu«nKhoa C¬ ®iÖn - 21 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  23. 23. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46®−îc æn ®Þnh do sai lÖch gi÷a nhiÖt ®é thùc vµ nhiÖt ®é ®Æt lu«n lu«n ®−îc hiÖuchØnh víi tèc ®é nhanh nhê bé ®iÒu khiÓn. ¦u ®iÓm cña viÖc ®iÒu khiÓn nµy lµ cã kh¶ n¨ng cung cÊp nhiÖt cho tñmét c¸ch æn ®Þnh, liªn tôc vµ hao tæn Ýt n¨ng l−îng nªn nã ®−îc øng dông rÊtnhiÒu trong ®êi sèng. 2.2.1. Buång t¹o nhiÖt Do lu«n ph¶i chÞu nhiÖt ®é cao do kh¸ng ®èt to¶ ra nªn yªu cÇu ®èi víibuång t¹o nhiÖt lµ ph¶i chÞu ®−îc nhiÖt ®é cao, cã ®é bÒn c¬ häc lín, ®Æc tÝnhc¸ch nhiÖt víi m«i tr−êng bªn ngoµi vµ tÝnh æn ®Þnh nhiÖt ®é cao. §Æc ®iÓmquan träng n÷a cña buång t¹o nhiÖt lµ kh«ng bÞ ¨n mßn nhiÒu bëi m«i tr−ênglµm viÖc. 2.2.2. Khèi t¹o nhiÖt Lµ ®iÖn trë d©y quÊn h×nh lß xo th−êng lµm b»ng Fer«-Niken, lµ béphËn quan träng cña khèi t¹o nhiÖt, nã cung cÊp nhiÖt cho qu¸ tr×nh nu«i cÊymçi khi cã dßng ®iÖn ch¹y qua nã. NhiÖt l−îng to¶ ra trªn d©y ®èt khi cã dßng®iÖn ch¹y qua ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc sau: Q = RI2t (J) Trong ®ã: Q- nhiÖt l−îng to¶ ra tõ d©y ®èt (J) R- ®iÖn trë cña d©y ®èt ( Ω ) I- dßng ®iÖn ch¹y qua d©y ®èt (A) t- thêi gian dßng ®iÖn ch¹y qua d©y ®èt (s) Gi¸ trÞ dßng ®iÖn ch¹y qua d©y ®èt lu«n ®−îc quyÕt ®Þnh bëi ®iÖn ¸p ®Ætlªn d©y ®èt hay lµ phô thuéc vµo thêi gian dÉn ®iÖn cña phÇn phÝa ®iÒu khiÓncung cÊp. 2.2.3. M¹ch ®iÒu khiÓn M¹ch ®iÒu khiÓn cã thÓ ®iÒu khiÓn b»ng c¸c thiÕt bÞ c¬ khÝ, cã thÓ ®iÒukhiÓn b»ng c¸c thiÕt bÞ b¸n dÉn. 2.2.3.1. M¹ch ®iÒu khiÓn b»ng c¸c thiÕt bÞ c¬ khÝKhoa C¬ ®iÖn - 22 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  24. 24. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 Nh÷ng tñ sö dông m¹ch ®iÒu khiÓn lo¹i nµy tiÖn dông cho ng−êi södông, tiÕt kiÖm n¨ng l−îng nh−ng chóng sö dông c¸c bé ®ãng c¾t trªn c¬ sëc¸c tiÕp ®iÓm c¬ khÝ nªn tñ hay bÞ trôc trÆc do bÞ bÈn tiÕp ®iÓm. MÆt kh¸c ®échÝnh x¸c kh«ng cao, nªn lo¹i nµy hiÖn nay hÇu nh− kh«ng s¶n xuÊt mµ chØ tånt¹i trong c¸c thiÕt bÞ cò mµ hiÖn t¹i ®ang ®−îc sö dông ë mét sè c¬ së Y tÕ,tr¹m Thó y, tr¹m b¶o vÖ thùc vËt. Trong tr−êng hîp nµy c¸c tñ th−êng ®−îc®iÒu khiÓn b»ng nhiÖt kÕ c«ng t¾c hoÆc lµ thanh d·n në. 2.2.3.2. M¹ch ®iÒu khiÓn b»ng c¸c thiÕt bÞ b¸n dÉn C«ng nghÖ b¸n dÉn ®ang lµ mét trong nh÷ng ngµnh mòi nhän vµ ®−îcøng dông rÊt nhiÒu trong c¸c thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn. Víi nh÷ng −u ®iÓm v−ît tréinh− lµ thiÕt bÞ gän nhÑ dÔ sö dông, do ®ã hÇu hÕt c¸c tñ nu«i cÊy vi khuÈn hiÖnnay ®Òu ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng c¸c thiÕt bÞ b¸n dÉn. H×nh2.3 d−íi ®©y lµ s¬ ®å khèi cña khèi m¹ch ®iÒu khiÓn: H×nh 2.3. S¬ ®å khèi m¹ch ®iÒu khiÓn Thyristor hay Triac (1) Khèi nguån: cã nhiÖm vô cung cÊp nguån n¨ng l−îng thÝch hîp chokhèi c¸ch ly ngâ vµo. Khèi nµy th«ng th−êng lµ nguån cung cÊp tõ l−íi ®iÖnxoay chiÒu 220V, tÇn sè 50Hz. (2) Khèi c¸ch ly: khèi nµy bao gåm khèi c¸ch ly ngâ vµo vµ khèi c¸chly ngâ ra. Cã nhiÖm vô c¸ch ly phÇn ®iÖn ¸p nguån víi phÇn c«ng suÊt cñam¹ch chØnh l−u hay m¹ch ®iÒu khiÓn c«ng suÊt vµ kh«ng cho dßng ®iÖn ch¹yng−îc l¹i. §èi víi khèi c¸ch ly ngâ vµo th«ng th−êng lµ biÕn ¸p h¹ ¸p nh»mKhoa C¬ ®iÖn - 23 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  25. 25. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46t¹o ra ®iÖn ¸p t−¬ng øng víi ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn, cßn ®èi víi khèi c¸ch ly ngâra th−êng lµ biÕn ¸p xung. (3) Khèi ®ång bé: cã nhiÖm vô t¹o ra tÝn hiÖu ®ång bé víi tÝn hiÖu ®iÒukhiÓn nh»m t¹o ra d¹ng xung thÝch hîp ®iÒu khiÓn khèi c«ng suÊt ë ®©y cã thÓlµ Triac hay Thyristor, khèi nµy cã thÓ t¹o ®−îc b»ng c¸ch ®ång bé ArccoshoÆc ®ång bé xung r¨ng c−a. * §ång bé Arccos: ®iÖn ¸p ®ång bé U s = A cos ωt , v−ît tr−íc ®iÖn ¸pU AK = A sin ωt cña Thyristor (hay Triac) mét gãc 900. Nªn ®iÖn ¸p ®−a vµo sÏcho qua bé tÝch ph©n ®Ó ®−îc ®iÖn ¸p ®ång bé Us. Sau ®ã lÊy ®iÖn ¸p Us sos¸nh víi ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn. §iÖn ¸p ®iÒu khiÓn (U®k ) lµ ®iÖn ¸p mét chiÒu, cãthÓ ®iÒu chØnh biªn ®é ®iÖn ¸p theo hai chiÒu (d−¬ng vµ ©m). Do ®ã nÕu ®Æt Usvµo cæng ®¶o vµ U®k vµo cæng kh«ng ®¶o cña kh©u so s¸nh th× khi Us=U®k, ta sÏnhËn ®−îc mét xung rÊt m¶nh ë ®Çu ra cña kh©u so s¸nh, khi kh©u nµy lËt U dktr¹ng th¸i: A cos ωt = U dk . Do ®ã ωt = arccos( ). A Khi U®k = A th× ωt = 0 . Khi U®k = 0 th× ωt = π / 2 . Khi U®k = -A th× ωt = π . Nh− vËy, khi ®iÒu chØnh U®k tõ trÞ U®k = +A, ®Õn trÞ U®k = -A, ta cã thÓ®iÒu chØnh ®−îc gãc α tõ 0 ®Õn π . Nguyªn t¾c ®iÒu khiÓn trong tr−êng hîpnµy thÓ hiÖn trªn h×nh 2.4 sau: H×nh 2.4. S¬ ®å nguyªn lý t¹o tÝn hiÖu ®ång bé H×nh 2.5 d−íi ®©y lµ ®å thÞ d¹ng sãng ®iÖn ¸p.Khoa C¬ ®iÖn - 24 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  26. 26. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 H×nh 2.5. §å thÞ d¹ng sãng ®ång bé Cosin Trong ®ã: Uss lµ ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn ®ãng më Thyristor (hay Triac). Ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc sö dông trong c¸c thiÕt bÞ chØnh l−u ®ßi hái chÊtl−îng cao. * §ång bé xung r¨ng c−a: ph−¬ng ph¸p ®ång bé xung r¨ng c−a lµ dïngc¸c m¹ch chøc n¨ng t¹o ra tÝn hiÖu ®iÖn ¸p cã d¹ng sãng r¨ng c−a ®Ó so s¸nhvíi ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn. TÝn hiÖu ®iÖn ¸p ®ång bé, ký hiÖu Us, ®ång bé víi ®iÖn¸p ®Æt trªn an«t-cat«t cña Thyristor (Triac), th−êng ®Æt vµo ®Çu ®¶o cña kh©uso s¸nh. §iÖn ¸p ®iÒu khiÓn, ký hiÖu Uc lµ ®iÖn ¸p mét chiÒu (cã thÓ ®iÒu chØnh®−îc biªn ®é), th−êng ®Æt vµo ®Çu kh«ng ®¶o cña kh©u so s¸nh. Khi ®ã, hiÖu®iÖn thÕ ®Çu vµo cña kh©u so s¸nh lµ ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn Thyristor (Triac): U®k = Uc - Us. Mçi khi Us = Uc th× kh©u so s¸nh lËt tr¹ng th¸i, ta nhËn ®−îc s−ên xuèngcña ®iÖn ¸p ®Çu ra kh©u so s¸nh, s−ên xuèng nµy th«ng qua ®a hµi mét tr¹ngth¸i æn ®Þnh, t¹o ra mét xung ®iÒu khiÓn. Nh− vËy, b»ng c¸ch lµm biÕn ®æi Ucth× cã thÓ ®iÒu chØnh ®−îc thêi ®iÓm xuÊt hiÖn xung ra, tøc lµ ®iÒu chØnh ®−îcgãc α .Khoa C¬ ®iÖn - 25 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  27. 27. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 Gi÷a α vµ Uc cã mèi quan hÖ sau: Uc α =π , víi Usm = Ucmax. U sm H×nh 2.6.d−íi ®©y biÓu diÔn d¹ng sãng ®iÒu khiÓn H×nh2.6. S¬ ®å d¹ng sãng ®iÒu khiÓn (4) Khèi so s¸nh: lµm nhiÖm vô so s¸nh gi÷a ®iÖn ¸p ®ång bé víi ®iÖn¸p ®iÒu khiÓn. §Ó so s¸nh khèi nµy dïng m¹ch thuËt to¸n. (5) Khèi t¹o d¹ng xung: khèi nµy cã nhiÖm vô söa d¹ng xung ®Çu ra cñabé so s¸nh sao cho cã ®é réng vµ biªn ®é thÝch hîp víi Triac cÇn kÝch, cã thÓchän dßng kÝch lín, ®iÖn ¸p kÝch nhá hoÆc ng−îc l¹i nh−ng ph¶i ®¶m b¶o c«ngsuÊt tiªu t¸n nhá h¬n c«ng suÊt cho phÐp. §é réng xung ®−îc quyÕt ®Þnh bëithêi gian dßng qua Triac ®¹t gi¸ trÞ dßng më (tra trong s¸ch tra cøu b¸n dÉnøng víi lo¹i Triac t−¬ng øng mµ ta sö dông). (6) Khèi c«ng suÊt: khèi c«ng suÊt ë ®©y th−êng sö dông Triac hayThyristor ®Ó ®iÒu khiÓn cho dßng ®iÖn xoay chiÒu ®i qua ®Ó cÊp nguån cho®iÖn trë d©y ®èt ë mét sè tñ nu«i cÊy vi khuÈn. 2.2.4. M¹ch ®o l−êngKhoa C¬ ®iÖn - 26 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  28. 28. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 §Ó thùc hiÖn viÖc ®o mét ®¹i l−îng nµo ®ã tuú thuéc vµo nh÷ng ®¹i l−îngcÇn ®o, ®iÒu kiÖn ®o còng nh− ®é chÝnh x¸c theo yªu cÇu cña mét phÐp ®o mµ cãthÓ thùc hiÖn ®o b»ng nhiÒu c¸ch kh¸c nhau trªn c¬ së cña c¸c hÖ thèng ®o l−êngkh¸c nhau. D−íi ®©y lµ s¬ ®å khèi cña hÖ thèng ®o l−êng tæng qu¸t: H×nh 2.7. S¬ ®å khèi cña hÖ thèng ®o l−êng Ho¹t ®éng cña hÖ thèng ®o l−êng: tÝn hiÖu cÇn ®o lµ c¸c ®¹i l−îng vËt lý(nhiÖt ®é, ®é Èm, ¸p suÊt...) qua c¶m biÕn, c¶m biÕn cã nhiÖm vô chuyÓn ®æic¸c ®¹i l−îng nµy thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ¸p hoÆc dßng ®iÖn. Sau ®ã ®iÖn ¸p hoÆcdßng ®iÖn ®−îc ®−a vµo m¹ch chØ thÞ sè chuyÓn thµnh tÝn hiÖu sè, qua bé gi¶im· ®Õn bé hiÓn thÞ. 2.2.4.1. Kh©u chuyÓn ®æi vµ khuÕch ®¹i tÝn hiÖu * ChuyÓn ®æi tÝn hiÖu: lµm nhiÖm vô tiÕp nhËn trùc tiÕp c¸c ®¹i l−îngvËt lý, ®Æc tr−ng cho ®èi t−îng cÇn ®o vµ biÕn ®æi c¸c ®¹i l−îng ®o thµnh tÝnhiÖu ®iÖn. §©y lµ kh©u quan träng nhÊt cña mét thiÕt bÞ ®o l−êng, cã nhiÒu lo¹ichuyÓn ®æi s¬ cÊp kh¸c nhau tuú thuéc vµo ®¹i l−îng ®o vµ ®¹i l−îng biÕnthiªn ë ®Çu ra cña chuyÓn ®æi thuËn lîi cho viÖc tÝnh to¸n. * KhuÕch ®¹i tÝn hiÖu ®o nhiÖt ®é: trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu vµ t×mhiÓu thùc tÕ ë mét sè tñ nu«i cÊy vi khuÈn t¹i bÖnh viÖn B¹ch Mai chóng t«ithÊy th−êng sö dông bé khuÕch ®¹i tÝn hiÖu ®o b»ng khuÕch ®¹i thuËt to¸n. 2.2.4.2. M¹ch chØ thÞ sè Lµ kh©u thu thËp, gia c«ng tÝn hiÖu ®o tõ kh©u chuyÓn ®æi ®−a tíi, nã cãnhiÖm vô tÝnh to¸n, biÕn ®æi tÝn hiÖu nhËn ®−îc tõ bé chuyÓn ®æi sao cho phïhîp víi yªu cÇu thÓ hiÖn kÕt qu¶ ®o cña bé chØ thÞ sè. M¹ch ®o ë ®©y cã thÓ lµm¹ch ®o l−êng sè sö dông vi ®iÒu khiÓn, còng cã thÓ lµ m¹ch ®o sö dông c¸cIC sè.Khoa C¬ ®iÖn - 27 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  29. 29. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 + §èi víi m¹ch ®o sö dông vi ®iÒu khiÓn: cã s¬ ®å khèi nh− h×nh 2.8d−íi ®©y: H×nh 2.8. S¬ ®å khèi cña hÖ thèng ®o l−êng sè dïng vi ®iÒu khiÓn Ho¹t ®éng cña s¬ ®å nµy nh− sau: ®èi t−îng cÇn ®o lµ ®¹i l−îng vËt lý,dùa vµo ®Æc tÝnh cña ®èi t−îng cÇn ®o mµ chän mét lo¹i c¶m biÕn phï hîp ®ÓbiÕn ®æi th«ng sè ®¹i l−îng vËt lý cÇn ®o thµnh ®¹i l−îng ®iÖn, sau ®ã ®−a vµom¹ch chÕ biÕn chuyÓn ®æi tÝn hiÖu (bao gåm bé c¶m biÕn, hÖ thèng khuÕch®¹i, xö lý tÝn hiÖu). Bé chuyÓn ®æi tÝn hiÖu sang tÝn hiÖu sè ADC (AnalogDigital Converter) lµm nhiÖm vô chuyÓn ®æi tÝn hiÖu t−¬ng tù sang tÝn hiÖu sè®Ó kÕt nèi víi vi ®iÒu khiÓn. Bé vi ®iÒu khiÓn cã nhiÖm vô thùc hiÖn nh÷ngphÐp tÝnh vµ xuÊt ra nh÷ng lÖnh trªn c¬ së tr×nh tù nh÷ng lÖnh chÊp hµnh ®·®−îc thùc hiÖn tr−íc ®ã, råi ®−a ra bé hiÓn thÞ. + §èi víi m¹ch ®o sö dông IC sè: ®−îc thÓ hiÖn trªn s¬ ®å khèi nh−h×nh 2.9 sau ®©y: H×nh 2.9. S¬ ®å khèi cña m¹ch ®o sö dông IC sè Ho¹t ®éng cña khèi nµy lµ: ph−¬ng ph¸p ®o b»ng IC sè nµy còng gÇngièng víi ph−¬ng ph¸p ®o sö dông vi ®iÒu khiÓn chØ kh¸c nhau ë chç lµ thay v×ph¶i lËp tr×nh vµ mua bé n¹p cho con vi ®iÒu khiÓn th× cã thÓ sö dông ngay c¸ccon IC gi¶i m·. * Bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè: trong sinh ho¹t vµ s¶n xuÊt ngµy nay th×c«ng viÖc truyÒn tin còng nh− lµ trong ®iÒu khiÓn vµ hiÓn thÞ phÇn lín ®Òu®−îc thùc hiÖn theo ph−¬ng ph¸p sè. Trong khi ®ã c¸c ®èi t−îng mµ ta nghiªncøu ®Òu cã d¹ng tÝn hiÖu t−¬ng tù (nh− nhiÖt ®é, ¸p suÊt, ¸nh s¸ng, tèc ®équay, tÝn hiÖu ©m thanh…). V× vËy ®Ó kÕt nèi gi÷a nguån tÝn hiÖu t−¬ng tù víic¸c hÖ thèng xö lý sè th× ph¶i dïng c¸c m¹ch chuyÓn ®æi t−¬ng tù sang sèKhoa C¬ ®iÖn - 28 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  30. 30. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46nh»m chuyÓn ®æi tÝn hiÖu t−¬ng tù sang tÝn hiÖu sè hoÆc ng−îc l¹i khi cÇn biÕn®æi tÝn hiÖu sè sang tÝn hiÖu t−¬ng tù th× ph¶i dïng m¹ch chuyÓn ®æi DAC(Digital Analog converter). Nguyªn t¾c thùc hiÖn chuyÓn ®æi ADC lµ chuyÓn ®æi tÝn hiÖu ngâ vµot−¬ng tù (nh− dßng ®iÖn hay ®iÖn ¸p) thµnh m· sè nhÞ ph©n cã c¸c gi¸ trÞ t−¬ngøng. Bé chuyÓn ®æi ADC cã rÊt nhiÒu ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau, mçi ph−¬ngph¸p ®Òu cã nh÷ng th«ng sè c¬ b¶n kh¸c nhau nh−: ®é chÝnh x¸c, tèc ®échuyÓn ®æi, gi¶i biÕn ®æi cña hiÖu øng t−¬ng tù ngâ vµo. Nh−ng chóng ®ÒuxuÊt ph¸t tõ mét nguyªn lý chung vµ ®−îc thÓ hiÖn trªn s¬ ®å tæng qu¸t h×nh2.10 d−íi ®©y: H×nh 2.10. S¬ ®å khèi tæng qu¸t cña m¹ch ADC Ho¹t ®éng: ®Çu tiªn kÝch xung ®iÒu khiÓn (Startcommand) ®Ó bé ADCho¹t ®éng. T¹i mét tÇn sè ®−îc x¸c ®Þnh b»ng xung ®ång hå (clock) bé ®iÒukhiÓn lµm thay ®æi thµnh sè nhÞ ph©n ®−îc l−u tr÷ trong thanh ghi (Register).Sè nhÞ ph©n trong thanh ghi ®−îc chuyÓn thµnh ®iÖn ¸p UB b»ng bé chuyÓn ®æiDAC. Bé so s¸nh sÏ so s¸nh ®iÖn ¸p UB víi ®iÖn ¸p ngâ vµo UA. NÕu UA>UBth× ngâ ra cña bé so s¸nh vÉn gi÷ ë møc cao. Khi UA<UB ngâ ra cña bé so s¸nhKhoa C¬ ®iÖn - 29 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  31. 31. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46xuèng møc thÊp vµ qu¸ tr×nh thay ®æi sè cña thanh ghi ng−ng, lóc nµy UB gÇnb»ng UA, vµ nh÷ng sè trong thanh ghi lµ nh÷ng sè chuyÓn ®æi. * Bé hiÓn thÞ sè: lµ kh©u cuèi cïng cña hÖ thèng ®o l−êng, nã cã nhiÖmvô thÓ hiÖn kÕt qu¶ ®o l−êng d−íi d¹ng nh÷ng con sè t−¬ng øng víi ®¬n vÞ cÇn®o sau khi qua m¹ch ®o. ThiÕt bÞ hiÓn thÞ sè th−êng lµ hiÓn thÞ b»ng tinh thÓláng hoÆc lµ hiÓn thÞ b»ng LED 7 thanh. §èi víi thiÕt bÞ hiÓn thÞ b»ng tinh thÓ láng LCD (Liquid CrystalDisplay) lo¹i ph¶n x¹ gåm cã hai tÊm thuû tinh xÕp song song víi nhau, ë gi÷alµ líp tinh thÓ láng. Mét ®iÖn thÕ xoay chiÒu ®−îc ¸p ngang qua chÊt láng nµy,cô thÓ lµ gi÷a ®o¹n (®· phñ kim lo¹i) cÇn hiÓn thÞ vµ mÆt sau (Back plane-BP)phñ kim lo¹i. Khi kh«ng cã hiÖu ®iÖn thÕ th× ®o¹n phñ kim lo¹i ph¶n x¹ ¸nhs¸ng (¸nh s¸ng ®Õn tõ xung quanh), líp tinh thÓ láng trong suèt nªn ¸nh s¸ngcòng ph¶n x¹ ë mÆt sau BP nªn ta kh«ng thÊy ®−îc ®o¹n mµ chØ thÊy toµn mÆtcña hiÓn thÞ mµu s¸ng b¹c yÕu. Khi cã hiÖu thÕ, ®o¹n vµ mÆt sau BP t¸c ®éngnh− mét tô ®iÖn, tiªu thô mét dßng ®iÖn nhá. TÇn sè cña ®iÖn thÕ ph¶i thÊp vµdßng ®iÖn nµy nhá tuy nhiªn kh«ng ®−îc thÊp d−íi 25Hz v× sÏ t¹o sù nhÊpnh¸y khã chÞu cho m¾t. §iÖn tr−êng bªn trong tô ph¸ vì sù s¾p xÕp trËt tù cñac¸c ph©n tö cña chÊt tinh thÓ láng lµm chÊt láng gi÷a ®o¹n vµ mÆt sau BPkh«ng cßn trong suèt nªn ¸nh s¸ng kh«ng ph¶n x¹ ®−îc tõ mÆt sau ë vïngt−¬ng øng víi ®o¹n trë nªn ®en, xuÊt hiÖn râ rµng trªn nÒn s¸ng b¹c cßn l¹i cñamµn hiÓn thÞ. NÕu nhiÒu ®o¹n cïng tèi ta sÏ cã c¸c sè, c¸c ký tù,… Mµn h×nhtinh thÓ láng ®−îc bè trÝ c¸c ®iÓm ¶nh thµnh mét ma trËn vµ mçi ®iÓm ¶nh cñanã cã mét ®Þa chØ. ë mét sè lo¹i mµn h×nh LCD lo¹i dÉn x¹, tÊm ®iÖn ph¸tquang ®−îc ®Æt mÆt sau ®Ó räi s¸ng nã thay v× chØ dïng ¸nh s¸ng cña m«itr−êng xung quanh ®Õn tõ phÝa tr−íc. ThiÕt bÞ hiÓn thÞ nµy tèn rÊt Ýt n¨ng l−îngnªn hiÖn nay ®−îc dïng rÊt phæ biÕn. Lµm s¸ng mét ®o¹n cña LCD 7 thanh,hay mét h×nh d¹ng nµo kh¸c cña mét LCD nãi chung, thËt ra lµ lµm tèi ®o¹nhay h×nh d¹ng ®ã. Nã kh¸c víi LED 7 thanh ë chç lµ khi sö dông LCD cÇnph¶i cã tÝn hiÖu mÆt sau d¹ng sãng vu«ng víi tÇn sè tõ 30Hz ®Õn 200Hz. §ÓKhoa C¬ ®iÖn - 30 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  32. 32. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46biÓu diÔn c¸c ch÷ c¸i hay ký hiÖu th× ng−êi ta dïng ®Ìn 16 thanh vµ ma trËn®iÓm. §èi víi thiÕt bÞ hiÓn thÞ b»ng LED 7 thanh: ®©y lµ mét linh kiÖn quang®iÖn tö. −u ®iÓm cña nã lµ tÇn sè ho¹t ®éng cao, thÓ tÝch nhá, c«ng suÊt tiªuhao kh«ng lín l¾m, kh«ng lµm sôt ¸p khi khëi ®éng… §Æc ®iÓm quan trängcña LED lµ kh«ng cÇn kÝnh läc vÉn cho ra mÇu s¾c (th−êng lµ mÇu xanh, vµnghoÆc ®á) sù ph¸t s¸ng cña LED kh¸c víi ®Ìn th−êng. ë ®©y chÊt ph¸t s¸ng®−îc nung nãng lµm cho ph«ton ®−îc gi¶i phãng. §iÒu kiÖn ®Ó nã ®−îc gi¶iphãng lµ do cã sù tËp chung cao ®é cña electron vµ lç trèng. Ngoµi ra LEDcòng cã cÊu tróc ®Æc tr−ng cña nh÷ng Diode th«ng th−êng tøc lµ còng cã d¹ngmét mÆt ghÐp P-N, cã chiÒu dÉn ®iÖn vµ chiÒu kh«ng dÉn ®iÖn, v× nã cã thÓtÝch nhá, c«ng suÊt tiªu thô thÊp. Do ®ã nã rÊt thÝch hîp víi c¸c m¹ch logicnªn LED ®−îc øng dông rÊt réng r·i trong mäi lÜnh vùc chØ b¸o vµ hiÓn thÞ kÕtqu¶ ®o (nh− nhiÖt ®é, ®é Èm, ®iÖn ¸p, dßng ®iÖn, thêi gian…) hoÆc mét tr¹ngth¸i cña m¹ch logic. §èi víi LED 7 thanh hiÖn nay trªn thÞ tr−êng cã hai lo¹ilµ: lo¹i an«t chung vµ lo¹i cat«t chung nh− h×nh 2.11. H×nh 2.11. LED 7 ®o¹n lo¹i an«t (b) vµ cat«t (a) chung ë lo¹i cat«t chung th× cat«t cña ®Ìn ®−îc nèi ®Êt cßn ®Çu an«t ®−îc nèiqua c¸c ®iÖn trë lªn ®Çu ra cña m¹ch gi¶i m·, m¹ch gi¶i m· lµm c«ng viÖc cÊp®iÖn ¸p Vcc cho LED (th−êng lµ 5V). ë lo¹i an«t chung, an«t cña c¸c LED®−îc nèi ®Õn ®iÖn ¸p Vcc (th−êng lµ 5V), muèn ®o¹n nµy s¸ng ta nèi ®Çu cat«tcña ®o¹n ®ã xuèng møc thÊp th«ng qua ®iÖn trë ®Ó giíi h¹n dßng ®iÖn, R cãKhoa C¬ ®iÖn - 31 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  33. 33. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46gi¸ trÞ trong kho¶ng 180Ω ≤ R ≤ 390Ω nÕu Vcc lµ 5V. Cßn cæng gi¶i m· lµmnhiÖm vô nèi c¸c ®Çu cat«t xuèng m¸t. 2.2.5. C¶m biÕn nhiÖt ®é C¶m biÕn nhiÖt ®é lµ mét dông cô chuyªn biÖt, ®−îc dïng ®Ó ®o vµkhèng chÕ nhiÖt ®é. §©y mét ph−¬ng thøc ®o l−êng kh«ng ®iÖn, ®o vµ khèngchÕ nhiÖt ®é ®−îc chia thµnh nhiÒu gi¶i nhiÖt ®é kh¸c nhau cã thÓ lµ ®o vµkhèng chÕ nhiÖt ®é ë gi¶i nhiÖt ®é thÊp, ®o vµ khèng chÕ nhiÖt ®é ë gi¶i nhiÖt®é trung b×nh, còng cã thÓ lµ ®o vµ khèng chÕ nhiÖt ®é ë gi¶i nhiÖt ®é cao. Trong tÊt c¶ c¸c ®¹i l−îng vËt lý th× nhiÖt ®é lµ mét trong nh÷ng ®¹il−îng ®−îc quan t©m nhiÒu nhÊt. §ã lµ v× nhiÖt ®é cã vai trß quyÕt ®Þnh trongnhiÒu tÝnh chÊt cña vËt chÊt. Mét trong nh÷ng ®Æc ®iÓm t¸c ®éng cña nhiÖt ®élµ lµm thay ®æi mét c¸ch liªn tôc c¸c ®¹i l−îng chÞu ¶nh h−ëng cña nã. BëivËy, trong nghiªn cøu khoa häc, trong c«ng nghiÖp vµ trong ®êi sèng hµngngµy viÖc ®o nhiÖt ®é lµ ®iÒu rÊt cÇn thiÕt. Tuy nhiªn, ®Ó ®o ®−îc trÞ sè chÝnh x¸c cña nhiÖt ®é lµ mét vÊn ®Ò rÊtphøc t¹p. PhÇn lín c¸c ®¹i l−îng vËt lý ®Òu cã thÓ x¸c ®Þnh mét c¸ch ®Þnhl−îng nhê so s¸nh chóng víi mét ®¹i l−îng cïng b¶n chÊt ®−îc gäi lµ ®¹il−îng so s¸nh. Nh÷ng ®¹i l−îng nh− thÕ gäi lµ ®¹i l−îng më réng bëi v× chóngcã thÓ x¸c ®Þnh b»ng béi sè hoÆc −íc sè cña ®¹i l−îng chuÈn. Ng−îc l¹i, nhiÖt®é lµ mét ®¹i l−îng gia t¨ng nªn viÖc nh©n vµ chia nhiÖt ®é kh«ng cã mét ýnghÜa vËt lý râ rµng. Bëi vËy, nghiªn cøu c¬ së vËt lý ®Ó thiÕt lËp thang ®onhiÖt ®é lµ mét vÊn ®Ò rÊt cÇn thiÕt. * Thang ®o nhiÖt ®é: c¸c tÝnh chÊt vËt lý cña vËt liÖu phô thuéc vµonhiÖt ®é cña chóng. Tõ sù thay ®æi nhiÖt cña mét ®Æc tr−ng vËt lý cña vËt liÖucho tr−íc ng−êi ta lu«n lu«n cã thÓ x¸c ®Þnh mét thang nhiÖt ®é cho phÐp ®onhiÖt ®é vµ ®Æc biÖt lµ nhËn biÕt sù c©n b»ng cña hai nhiÖt ®é. Tuy vËy, thangnhiÖt ®é nh− thÕ lµ hoµn toµn tuú tiÖn bëi v× nã liªn quan ®Õn mét tÝnh chÊt ®ÆcbiÖt cña mét vËt thÓ ®Æc biÖt, nã kh«ng cho phÐp g¸n cho gi¸ trÞ nhiÖt ®é mét ýnghÜa vËt lý riªng. ChØ cã xuÊt ph¸t tõ c¸c ®Þnh luËt nhiÖt ®éng häc míi cã thÓx¸c ®Þnh thang nhiÖt ®é cã ®Æc tr−ng tæng qu¸t.Khoa C¬ ®iÖn - 32 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  34. 34. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 C¸c thang nhiÖt ®é tuyÖt ®èi ®−îc x¸c ®Þnh t−¬ng tù nh− nhau vµ dùa trªnc¸c tÝnh chÊt cña chÊt khÝ lý t−ëng. §Þnh luËt Carnot nªu râ: hiÖu suÊt η cña mét®éng c¬ nhiÖt thuËn nghÞch ho¹t ®éng gi÷a hai nguån (víi nhiÖt ®é θ1 vµ nhiÖt ®éθ 2 t−¬ng øng), trong mét thang ®o bÊt kú, chØ phô thuéc vµo θ1 vµ θ 2 : F (θ 1 ) η = (2-1) F (θ 2 ) Nh− vËy, hµm F phô thuéc vµo thang ®o nhiÖt ®é. Ng−îc l¹i, viÖc lùachän hµm F sÏ quyÕt ®Þnh thang ®o nhiÖt ®é. §Æt F (θ ) = T khi ®ã sÏ x¸c ®Þnh®−îc T nh− lµ nhiÖt ®é nhiÖt ®éng häc tuyÖt ®èi vµ hiÖu suÊt cña ®éng c¬ nhiÖtthuËn nghÞch ®−îc viÕt nh− sau: T1 η = 1− (2-2) T2 Trong ®ã: T1 vµ T2 lµ nhiÖt ®é nhiÖt ®éng häc tuyÖt ®èi cña hai nguån.MÆt kh¸c ta còng biÕt, chÊt khÝ lý t−ëng ®−îc x¸c ®Þnh bëi: néi n¨ng U chØ phôthuéc vµo nhiÖt ®é cña chÊt khÝ, ph−¬ng tr×nh ®Æc tr−ng liªn hÖ gi÷a ¸p suÊt p,thÓ tÝch v vµ nhiÖt ®é θ nh− sau: p.v = G( θ ) (2-3) Ngoµi ra còng cã thÓ chøng minh ®−îc lµ: G( θ ) = RT (2-4) Trong ®ã: R lµ h»ng sè cña chÊt khÝ lý t−ëng. Gi¸ trÞ R cña mét ph©n tögam chÊt khÝ chØ phô thuéc vµo ®¬n vÞ ®o nhiÖt ®é. ®Ó cã thÓ g¸n mét gi¸ trÞ sècho T, cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®¬n vÞ cho nhiÖt ®é. Muèn vËy chØ cÇn g¸n mét gi¸ trÞsè cho nhiÖt ®é t−¬ng øng víi mét hiÖn t−îng nµo ®ã víi ®iÒu kiÖn lµ hiÖnt−îng nµy hoµn toµn x¸c ®Þnh vµ cã tÝnh lÆp l¹i. + Thang ®o nhiÖt ®é ®éng häc tuyÖt ®èi: thang Kelvin ( ®¬n vÞ lµ 0K)trong thang ®o nµy ng−êi ta g¸n cho nhiÖt ®é cña ®iÓm c©n b»ng cña ba tr¹ngth¸i n−íc- n−íc ®¸- h¬i mét gi¸ trÞ sè b»ng 273,150K. Tõ thang nhiÖt ®é ®énghäc tuyÖt ®èi ng−êi ta ®· x¸c ®Þnh ®−îc c¸c thang míi lµ thang Celsius vµthang Fahrenheit b»ng c¸ch dÞch chuyÓn c¸c gi¸ trÞ nhiÖt ®é.Khoa C¬ ®iÖn - 33 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  35. 35. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 + Thang Celsius: trong thang nµy ®¬n vÞ nhiÖt ®é lµ (0C). Quan hÖ gi÷anhiÖt ®é Celsius vµ nhiÖt ®é Kelvin ®−îc x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc sau: T(0C) = T(0K) - 273,15 (2-5) + Thang Fahrenheit: ®¬n vÞ ®o nhiÖt ®é lµ Fahrenheit (0F). Quan hÖ gi÷anhiÖt ®é Celsius víi nhiÖt ®é Fahrenheit x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc sau: ( ) {( ) }9 T 0 C = T 0 F − 32 5 (2-6) ( ) 9 ( ) T 0 F = T 0 C + 32 5 (2-7) B¶ng 3.1 d−íi ®©y ghi c¸c gi¸ trÞ t−¬ng øng cña mét sè nhiÖt ®é quantrong ë c¸c thang ®o kh¸c nhau.B¶ng 2.1 Kelvin Celsius Fahrenheit NhiÖt ®é (0K) (0C) (0F)§iÓm 0 tuyÖt ®èi 0 -273,15 -459,67Hçn hîp n−íc-n−íc ®¸ 273,15 0 32C©n b»ng n−íc-n−íc ®¸-h¬i n−íc 273,16 0,01 32,018N−íc s«i 373,15 100 212 Thùc tÕ cã rÊt nhiÒu ph−¬ng ph¸p ®o nhiÖt ®é kh¸c nhau, trong ®ã ®Ó cãthÓ ®o trùc tiÕp gi¸ trÞ nhiÖt ®é th× ng−êi ta th−êng sö dông mét sè ph−¬ngph¸p d−íi ®©y. 2.2.5.1. Khèng chÕ nhiÖt ®é b»ng nhiÖt kÕ §Ó khèng chÕ nhiÖt ®é trong tñ nu«i cÊy vi khuÈn hiÖn nay mµ dïngb»ng nhiÖt kÕ th× ng−êi ta sö dông mét sè dông cô nh−: + NhiÖt kÕ d·n në chÊt láng trong èng thuû tinh: dông cô nµy ®−îc dïng®Ó khèng chÕ nhiÖt ®é trong kho¶ng tõ -2000C ®Õn 7500C, nguyªn lý ho¹t ®éngcña lo¹i nhiÖt kÕ nµy lµ dùa trªn sù d·n në v× nhiÖt cña chÊt láng trong nhiÖtkÕ. Mµ tiªu biÓu cho dông cô nµy mµ cã mét sè tñ nu«i cÊy vi khuÈn do LiªnKhoa C¬ ®iÖn - 34 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  36. 36. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46X« vµ Trung Quèc s¶n xuÊt tr−íc ®©y vÉn ®ang ®−îc sö dông lµ nhiÖt kÕ c«ngt¾c nguyªn lý vµ cÊu t¹o cña nã nh− sau: • CÊu t¹o cña nhiÖt kÕ c«ng t¾c : NhiÖt kÕ c«ng t¾c cã d¹ng nh− h×nh 2.12 sau: H×nh 2.12. S¬ ®å cÊu t¹o cña nhiÖt kÕ c«ng t¾c Trong ®ã: 1- BÇu thñy ng©n; 2- Cét cho thñy ng©n d©ng lªn; 3- D©y b¹chkim; 4- Gèi vÝt v« tËn vµ cÇu nèi tiÕp ®iÓm ®éng; 5-Trôc vÝt v« tËn; 6- B¶ng ®ÆtnhiÖt ®é trªn; 7- Vá ngoµi; 8- Lâi s¾t non; 9- Nam ch©m vÜnh cöu; 10-VÝt ®ÞnhvÞ nhiÖt ®é; 11- æ c¾m nhiÖt kÕ; 12- Nhùa g¸ lâi nhiÖt kÕ; 13- £cu ®Æt nhiÖt ®évµ g¾n tiÕp ®iÓm ®éng; 14- B¶ng ®Æt nhiÖt ®é trªn; 15- B¶ng xem nhiÖt ®é. • Nguyªn t¾c ho¹t ®éng cña nhiÖt kÕ c«ng t¾c: Khi xoay nam ch©m vÜnh cöu (9) th× lâi s¾t non (8) còng chuyÓn ®éngtheo lµm cho ªcu ®Æt nhiÖt ®é vµ g¾n tiÕp ®iÓm (13) ch¹y trªn trôc vÝt (5), ®ångthêi thay ®æi kho¶ng c¸ch cÆp tiÕp ®iÓm mµ mét m¸ cña tiÕp ®iÓm chÞu sù ®iÒukhiÓn cña cét thñy ng©n, cßn mét m¸ cña tiÕp ®iÓm lµ d©y b¹c nhá nh− sîi tãcvµ còng cã thÓ dao ®éng lªn xuèng ®−îc. D−íi t¸c ®éng cña nhiÖt ®é lµm choKhoa C¬ ®iÖn - 35 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  37. 37. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46cét thñy ng©n d©ng lªn lµm cho tiÕp ®iÓm ch¹m vµo d©y b¹c, t¸c ®éng ra bªnngoµi vµ ®ãng m¹ch ®iÒu khiÓn. PhÇn phÝa d−íi cña nhiÖt kÕ c«ng t¾c lµ phÇnchØ thÞ chÝnh x¸c nhiÖt ®é cña tñ. + NhiÖt kÕ d·n në chÊt r¾n: lo¹i nhiÖt kÕ nµy ho¹t ®éng dùa trªnnguyªn lý kÝch th−íc cña c¸c chÊt r¾n thay ®æi khi nhiÖt ®é thay ®æi. NhiÖt ®é®o ®−îc phô thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt liÖu r¾n. VÝ dô nh− ë mét sè tñ nu«icÊy vi khuÈn tr−íc ®©y cã sö dông dông cô nµy trong m¹ch ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é®ã lµ thanh d·n në do Liªn X« vµ Trung Quèc chÕ t¹o, cÊu t¹o vµ nguyªn lýho¹t ®éng cña thanh d·n në nh− sau: • Nguyªn lý cÊu t¹o cña thanh d·n në: nh− h×nh 2.13 d−íi ®©y H×nh 2.13. Nguyªn lý cÊu t¹o thanh d·n në Trong ®ã: 1-Thanh d·n në, th−êng lµm b»ng hîp kim cã ®é d·n në lín, h×nh d¸ng cã d¹ng xo¾n ruét hoÆc th¼ng… 2- èng b¶o vÖ thanh d·n në. 3- VÝt ®iÒu chØnh nhiÖt ®é. 4- CÇn tiÕp ®iÓm thuéc thanh d·n në. 5- CÇn tiÕp ®iÓm thuéc nóm ®iÒu chØnh nhiÖt ®é. 6- Lß xo gi÷ thanh 5. 7- Lß so gi÷ thanh 6. 8- CÆp tiÕp ®iÓm b»ng Platin vµ tiÕp ®iÓm ®−îc c¸ch ®iÖn so víi vá m¸y.Khoa C¬ ®iÖn - 36 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  38. 38. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 • Nguyªn lý lµm viÖc cña thanh d·n në: sù d·n në cña kim lo¹i ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc vÒ hÖ sè d·n në kim lo¹i sau: lt = l 0 (1 + αt ) (2-8) Trong ®ã: lt: lµ ®é dµi thanh d·n në ë t0C l0: lµ ®é dµi thanh d·n në ë nhiÖt ®é tiªu chuÈn 00C α : lµ hÖ sè d·n në kim lo¹i t: lµ nhiÖt ®é ë thêi ®iÓm tøc thêi Nh− vËy, viÖc chän hîp kim ®Ó lµm thanh d·n në lµ hÖ sè d·n në α línvµ chÞu ¨n mßn ®iÖn ho¸ cao. Nh−îc ®iÓm cña lo¹i nµy lµ khi ë nhiÖt ®é thÊpth× ®é d·n në nhá do ®ã viÖc ®iÒu chØnh lµ kh«ng chÝnh x¸c. Ho¹t ®éng cña thanh d·n në trong tñ nu«i cÊy vi khuÈn vµ qu¸ tr×nh ®ãngc¸c tiÕp ®iÓm cho m¹ch ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é thÓ hiÖn trªn h×nh 2.14 d−íi ®©y. H×nh 2.14. M« t¶ bé ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é b»ng thanh d·n në Trong ®ã: 1a- Thanh d·n në. 1b- Trôc truyÒn ®éng. 2- èng b¶o vÖ c¸ch ®iÖn. 3- VÝt ®iÒu chØnh nhiÖt ®é ®Æt.Khoa C¬ ®iÖn - 37 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  39. 39. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 4- CÇu tiÕp ®iÓm thuéc thanh d·n në. 5- CÇu tiÕp ®iÓm ®iÒu chØnh nhiÖt ®é. 6- Lß so gi÷ cÇn 5. 7- Lß so gi÷ cÇn 4. 8- CÆp tiÕp ®iÓm Platin. 9- VÝt b¾t d©y tiÕp ®iÓm 8. 10- Nóm chØ nhiÖt ®é. 11- Chèt chÆt vÝt v« tËn. 12- MÆt bÝch ®Ó b¾t vµo vá tñ. Trªn h×nh vÏ thÊy, do cã cÆp lß so 6 vµ 7 nªn tiÕp ®iÓm 8 th−êng ®ãng.Khi tñ lµm viÖc th× nhiÖt ®é trong tñ dï t¨ng lªn nh−ng ch−a ®Õn nhiÖt ®ékhèng chÕ, thanh d·n në cã d·n ra nh−ng ch−a ®ñ lùc ®Ó t¸ch cÆp tiÕp ®iÓm 8ra. Khi nhiÖt ®é trong tñ tiÕp tôc t¨ng lªn tíi nhiÖt ®é ®Æt, khi ®ã kho¶ng c¸chgi÷a vÕ ph¶i trôc 4 vµ 5 b»ng kh«ng, t¹i ®ã cÆp lß so 6 vµ 7 vÉn gi÷ cho cÆptiÕp ®iÓm 8 dÝnh vµo nhau. Khi nhiÖt ®é t¨ng qu¸ nhiÖt ®é ®Æt, khi ®ã vÕ ph¶icÇn 6 tiÕp tôc ®i lªn cßn vÕ tr¸i cÇn 5 ®øng yªn, t¸ch cÆp tiÕp ®iÓm 8 ra c¾tnguån ®iÖn cho kh¸ng ®èt. Khi nhiÖt ®é gi¶m xuèng, thanh d·n në co l¹i, vÕph¶i cÇn 6 ®i xuèng ®ãng tiÕp ®iÓm 8 l¹i vµ ®ãng nguån ®iÖn cho kh¸ng ®èt. 2.2.5.2. Khèng chÕ nhiÖt ®é b»ng c¶m biÕn nhiÖt ®é Pt100 C¶m biÕn nhiÖt ®é Pt100 lµ lo¹i nhiÖt kÕ ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o b»ngPlatin. §©y lµ lo¹i ®iÖn trë Platin bëi v× Platin cã thÓ ®−îc chÕ t¹o víi ®é tinhkhiÕt rÊt cao (99,999%). §iÒu nµy cho phÐp t¨ng ®é chÝnh x¸c cña c¸c tÝnhchÊt ®iÖn cña vËt liÖu. Ngoµi ra tÝnh tr¬ vÒ ho¸ häc vµ sù æn ®Þnh trong cÊu tróctinh thÓ cña Platin ®¶m b¶o sù æn ®Þnh cña c¸c ®Æc tÝnh dÉn ®iÖn cña ®iÖn trëchÕ t¹o tõ lo¹i vËt liÖu nµy. XÐt trong tr−êng hîp tæng qu¸t, gi¸ trÞ cña ®iÖn trë phô thuéc vµo nhiÖt ®é: R(T) = R0F(T-T0) (2-8) Trong ®ã: R0 lµ ®iÖn trë ë nhiÖt ®é T0; F lµ hµm ®Æc tr−ng cho vËt liÖu;F=1 khi T=T0. Tr−êng hîp kim lo¹i:Khoa C¬ ®iÖn - 38 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  40. 40. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 R(T) = R0(1+AT+BT2+CT3) (2-9) Trong ®ã: T ®o b»ng 0C vµ T0 = 00C; A, B, C lµ c¸c h»ng sè. Víi Platin cã A = 3,97.10-3; B = -5,8.10-7; C = 0, R0 = 100 Ω lµ ®iÖn trëcña c¶m biÕn nhiÖt 00C. Nh− vËy, cã ®iÖn trë cña Platin phô thuéc vµo nhiÖt ®é theo c«ng thøc sau:R(T) = 100(1+3,97.10-3t-5,8.10-7t2) Ω (2-10) Khi cã nhiÖt ®é biÕn thiªn ΔT (Xung quanh gi¸ trÞ T) nhá, nhiÖt ®é cãthÓ thay ®æi theo hµm tuyÕn tÝnh: R(T + ΔT ) = R(T )(1 + α R ΔT ) (2-11) 1 dR αR = . (2-12) R (T ) dT Trong ®ã: α R lµ hÖ sè nhiÖt ®é cña ®iÖn trë hay ®é nh¹y nhiÖt ë nhiÖt ®éT. HÖ sè α R phô thuéc vµo vËt liÖu vµ nhiÖt ®é, víi Platin ta cã α R =3,9.10-3/0C. ChÊt l−îng cña thiÕt bÞ ®o x¸c ®Þnh gi¸ trÞ nhá nhÊt mµ nã cã thÓ ®o ΔR ⎤®−îc ⎥ do vËy nã còng x¸c ®Þnh sù thay ®æi nhá nhÊt cña nhiÖt ®é cã thÓ R0 ⎦ minph¸t hiÖn ®−îc. ΔR ⎤ ⎥ → ΔTmin (2-13) R0 ⎦ min NghÜa lµ: 1 ΔR ⎤ (2-14) ΔTmin = α R R0 ⎥ min . ⎦ ΔR ⎤ -6 0 ThÝ dô, nÕu ⎥ =10 vµ ®èi víi nh÷ng phÐp ®o xung quanh ®iÓm 0 C R0 ⎦ minth× víi ®iÖn trë Platin cã ΔTmin = 2,6.10 −4 0 C . Nh− vËy tõ kÕt qu¶ trªn ra thÊy ®iÖntrë nhiÖt chÕ t¹o b»ng Platin cã ®é nh¹y nhiÖt kh¸ cao vµ rÊt thÝch hîp trongviÖc ®o nhiÖt ®é thay ®æi trong kho¶ng nhá.Khoa C¬ ®iÖn - 39 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  41. 41. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 NhiÖt kÕ ®iÖn trë Pt100 ®−îc cÊu t¹o bëi mét d©y Platin quÊn trªn métlâi c¸ch ®iÖn ®Æt trong vá kim lo¹i cã hai ®Çu nèi ra ngoµi. §Ó sö dông lo¹inhiÖt kÕ ®iÖn trë nµy trong viÖc ®o nhiÖt ®é vµ ®−a tÝn hiÖu nhiÖt ®é sang tÝnhiÖu ®iÖn ¸p thh× ng−êi ta sö dông nhiÒu m¹ch ®o kh¸c nhau nh−ng hay dïngnhÊt lµ m¹ch cÇu c©n b»ng vµ ®−îc m¾c nh− h×nh 2.15 sau: H×nh 2.15. S¬ ®å cÇu ®iÖn trë Khi cÇu c©n b»ng th× Ura = 0V, khi cã sù thay ®æi ®iÖn trë, Rt thay ®æilµm cho cÇu mÊt c©n b»ng, lóc ®ã ®iÖn ¸p ra thay ®æi tØ lÖ víi sù thay ®æi cñaRt. Tõ mèi quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é vµ Rt ta cã thÓ biÕt ®−îc mèi quan hÖ gi÷anhiÖt ®é vµ ®iÖn ¸p qua cÇu ®iÖn trë. 2.2.5.3. Khèng chÕ nhiÖt ®é b»ng cÆp nhiÖt ngÉu CÆp nhiÖt ®iÖn lµ lo¹i c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é, nã cã t¸c dông chuyÓn ®æitÝn hiÖu nhiÖt ®é sang tÝn hiÖu ®iÖn ¸p dùa trªn hiÖn t−îng nhiÖt ®iÖn. Qu¸ tr×nhx¶y ra hiÖn t−îng nµy nh− sau: nÕu ta lÊy hai d©y dÉn kh¸c nhau vÒ b¶n chÊtkim lo¹i vµ hai sîi d©y nµy ®−îc hµn chÆt hai ®Çu, khi ®èt nãng mét ®Çu th×trong vßng d©y sÏ xuÊt hiÖn dßng ®iÖn gäi lµ dßng nhiÖt ®iÖn. Sù xuÊt hiÖndßng nhiÖt ®iÖn nµy chØ cã thÓ gi¶i thÝch b»ng hiÖn t−îng khuÕch t¸n c¸c ®iÖntö tù do. ë ®©y tån t¹i hai hiÖn t−îng ®ã lµ hiÖn t−îng khuÕch t¸n ®iÖn tö tù dogi÷a hai d©y dÉn t¹i ®iÓm tiÕp xóc vµ hiÖn t−îng khuÕch t¸n ®iÖn tö trong mçid©y dÉn khi cã sù chªnh lÖch nhiÖt ®é ë hai ®Çu d©y dÉn. CÆp nhiÖt ®iÖn cã cÊu t¹o gåm hai lo¹i d©y dÉn A vµ B kh¸c nhau vÒ b¶nchÊt ®−îc nèi víi nhau bëi hai mèi hµn cã nhiÖt ®é T1 vµ T2. Khi ®ã t¹i ®iÓmKhoa C¬ ®iÖn - 40 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  42. 42. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46tiÕp xóc cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö tù do bëi sè l−îng c¸c ®iÖn tö ë ®©y kh¸cnhau, lµm xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng t¹i ®iÓm tiÕp xóc mµ ®iÖn tr−êng cña nãchèng l¹i sù khuÕch t¸n ®iÖn tö tõ phÝa d©y cã sè l−îng ®iÖn tö tù do nhiÒusang d©y cã Ýt h¬n. Gi¸ trÞ suÊt ®iÖn ®éng tiÕp xóc phô thuéc vµo b¶n chÊt cñahai d©y dÉn vµ nhiÖt ®é tiÕp xóc. MÆt kh¸c, nÕu ®èt nãng mét ®Çu cña d©y dÉnth× ho¹t tÝnh cña ®iÖn tö tù do ë ®Çu ®èt sÏ t¨ng lªn, gi÷a hai ®Çu d©y còng suÊthiÖn suÊt ®iÖn ®éng, do ®ã dßng ®iÖn tö khuÕch t¸n tõ ®Çu nãng sang ®Çu l¹nh,h×nh 2.16 m« t¶ sù h×nh thµnh suÊt ®iÖn ®éng trong vßng d©y A-B víi ®iÒukiÖn sè l−îng ®iÖn tö tù do cña d©y A(NA) lín h¬n sè l−îng ®iÖn tö cña d©yB(NB), nhiÖt ®é ®Çu tiÕp xóc lµ t vµ ®Çu kia lµ t0 vµ t > t0. eAB(t0) eA(t,t0) eB(t,t0) eAB(t) H×nh 2.16. S¬ ®å søc ®iÖn ®éng Theo ®Þnh luËt Kªich«p, søc ®iÖn ®éng trong vßng d©y ®−îc x¸c ®Þnh lµ: E = eAB(t) - eA(t,t0) - eAB(t0) + eB(t,t0) (2-15) Søc ®iÖn ®éng nµy sÏ sinh ra dßng ®iÖn ch¹y trong vßng d©y. Trong thùctÕ, gi¸ trÞ eA(t,t0) vµ eB(t,t0) rÊt nhá so víi eAB(t) vµ eAB(t0) nªn cã thÓ bá qua.Khi ®ã søc ®iÖn ®éng lµ: E = eAB(t) - eAB(t0) (2-16) Nh− vËy, søc ®iÖn ®éng sinh ra trong c¸c vßng d©y tû lÖ víi hiÖu nhiÖt®é ë hai ®Çu d©y. NghÜa lµ th«ng qua gi¸ trÞ suÊt ®iÖn ®éng E ®o ®−îc th× ta sÏbiÕt ®−îc hiÖu nhiÖt ®é ë hai ®Çu d©y. Trong thùc tÕ, cÆp nhiÖt ®iÖn th−êng®−îc sö dông ®Ó ®o mét m«i tr−êng hay vËt thÓ. NhiÖt ®é cña mét ®Çu ®−îcKhoa C¬ ®iÖn - 41 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  43. 43. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46gi÷ cè ®Þnh, ®Çu nµy ®−îc gäi lµ ®Çu tù do hay ®Çu l¹nh, ®Çu cßn l¹i ®−îc ®Ætvµo m«i tr−êng ®o nhiÖt ®é vµ ®−îc gäi lµ ®Çu lµm viÖc. Ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n cña cÆp nhiÖt ®iÖn lµm c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é cãd¹ng nh− sau: E = f(T) (2-17) ë ®iÒu kiÖn chuÈn khi chia ®é c¸c cÆp nhiÖt quy ®Þnh T0 = 00C. ViÖc södông cÆp nhiÖt ®iÖn cã rÊt nhiÒu −u ®iÓm nh−: kÝch th−íc cÆp nhiÖt nhá nªn cãthÓ ®o nhiÖt ®é ë tõng ®iÓm cña ®èi t−îng nghiªn cøu vµ t¨ng tèc ®é håi ®¸p.mét −u ®iÓm næi bËt n÷a lµ cÆp nhiÖt ®iÖn cung cÊp suÊt ®iÖn ®éng nªn khi ®okh«ng cÇn cã dßng ch¹y qua vµ do vËy kh«ng cã hiÖu øng ®èt nãng. SuÊt ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt trong mçi d¶i réng cña nhiÖt ®é lµ hµmkh«ng tuyÕn tÝnh cña nhiÖt ®é cÇn ®o. §å thÞ biÓu diÔn sù thay ®æi suÊt ®iÖn®éng E phô thuéc vµo nhiÖt ®é cña mét sè lo¹i cÆp nhiÖt nh− h×nh 2.17. H×nh 2.17. Sù thay ®æi nhiÖt cña suÊt ®iÖn ®éng E cña mét sè lo¹i cÆp nhiÖt ®iÖn + S¬ ®å ®o: ®Ó ®o søc ®iÖn ®éng E th× ph¶i ghÐp ®−îc thiÕt bÞ ®o (TBD)vµo trong m¹ch cña cÆp nhiÖt ®iÖn. ViÖc ghÐp nèi nµy ph¶i ®¶m b¶o kh«ng lµmthay ®æi gi¸ trÞ søc ®iÖn ®éng sinh ra trong cÆp nhiÖt ®iÖn. Trong thùc tÕKhoa C¬ ®iÖn - 42 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  44. 44. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46th−êng cã hai c¸ch ghÐp nèi cÆp nhiÖt ®iÖn ®ã lµ: ghÐp nèi qua ®Çu tù do vµghÐp nèi qua mét ®iÖn cùc nhiÖt. • GhÐp nèi qua ®Çu tù do ®−îc m« t¶ nh− h×nh sau: H×nh 2.18. S¬ ®å nèi thiÕt bÞ ®o qua ®Çu tù do cña cÆp nhiÖt ®iÖn a) M¹ch ®iÖn b) S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng Tõ m¹ch t−¬ng ®−¬ng, theo ®Þnh luËt Kiech«p cã: E = eAB(t) – eAC(t0) + eBC(t0) (2-18) Khi t=t0 trong vong d©y kh«ng tån t¹i dßng ®iÖn, khi ®ã E=0.(2-18) => 0 = eAB(t0) – eAC(t0) + eBC(t0) (2-19) => eAB(t0) = eAC(t0) + eBC(t0) (2-20) Nh− vËy ta cã: E = eAB(t) - eAB(t0) (2-21) NghÜa lµ thiÕt bÞ ®o kh«ng lµm thay ®æi suÊt ®iÖn ®éng sinh ra trongvßng d©y. • GhÐp nèi TB§ trong ®iÖn cùc nhiÖt ®−îc m« t¶ nh− h×nh sau:Khoa C¬ ®iÖn - 43 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  45. 45. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 H×nh 2.19. S¬ ®å nèi TB§ trong ®iÖn cùc nhiÖt a) M¹ch ®iÖn b) S¬ ®å t−¬ng d−¬ng Theo ®Þnh luËt Kiech«p ¸p dông ®èi víi s¬ ®å m¹ch t−¬ng ®−¬ng cã: E = eAB(t) – eAB(t0) – eBC(t1) + eBC(t1) (2-22) Hay E = eAB(t) – eAB(t0) (2-23) VËy tõ hai c¸ch ghÐp nèi trªn thÊy E = eAB(t) – eAB(t0), nghÜa lµ thiÕt bÞ®o kh«ng cã ¶nh h−ëng ®Õn tÝnh chÊt cña cÆp nhiÖt ®iÖn vµ ng−îc l¹i. Trong thùc tÕ th× mét sè cÆp nhiÖt ®iÖn cã d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc bÞ h¹nchÕ, ch¼ng h¹n nh− ë nhiÖt ®é thÊp n¨ng suÊt nhiÖt ®iÖn cña nã gi¶m ®i lµmcho tÝnh chÝnh x¸c trong phÐp ®o bÞ h¹n chÕ. ë nhiÖt ®é cao cã thÓ x¶y ra hiÖnt−îng t¨ng kÝch th−íc h¹t tinh thÓ lµm t¨ng ®é dßn c¬ häc, thËm chÝ cã thÓ bÞnãng ch¶y hoÆc cã thÓ x¶y ra hiÖn t−îng bay h¬i mét trong c¸c thµnh phÇntrong hîp kim lµm cÆp nhiÖt ®iÖn. 2.2.5.4. Khèng chÕ nhiÖt ®é b»ng c¶m biÕn vi m¹ch LM335 LM335 lµ lo¹i c¶m biÕn nhiÖt ®é chÝnh x¸c trong d¶i nhiÖt ®é tõ -400C®Õn +1000C, nã lµm viÖc nh− hai Diode Zener vµ ®é biÕn thiªn ®iÖn ¸p theonhiÖt ®é lµ 10mV/10C. S¬ ®å cÊu t¹o bªn trong vi m¹ch LM335 cã d¹ng nh−h×nh 2.20.Khoa C¬ ®iÖn - 44 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  46. 46. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 H×nh 2.20. S¬ ®å cÊu t¹o vi m¹ch LM335 §Æc tuyÕn cña LM335 ®−îc m« t¶ nh− sau: U =10 × T (mV) = 2730 + 10 × t (mV) = 2,73 + 0,01 × t (V) Trong ®ã: T: lµ gi¸ trÞ nhiÖt ®é tÝnh theo nhiÖt ®é Kelvin (0K). t: lµ gi¸ trÞ nhiÖt ®é tÝnh theo nhiÖt ®é Celsius (0C). §Ó cho vi m¹ch lµm viÖc tin cËy vµ æn ®Þnh th× dßng ®iÖn cho phÐp quanã lµ 400μA ®Õn 5mA. Khi lµm viÖc ë nhiÖt ®é 250C vµ dßng ®iÖn lµm viÖc lµ1mA th× ®iÖn ¸p ra cña vi m¹ch n»m trong kho¶ng 2,94V ®Õn 3.04V. §Æc biÖtlµ LM335 cã ®é chÝnh x¸c cao, tÝnh n¨ng c¶m biÕn nhiÖt ®é rÊt nh¹y, ch¼ngh¹n nh− ë nhiÖt ®é 250C nã cã sai sè kh«ng qu¸ 1%. Nh− vËy, trong qu¸ tr×nh tù ®éng ®iÒu khiÓn nhiÖt ®é, ®Ó cã thÓ ®iÒuchØnh nhiÖt ®é theo ®óng yªu cÇu cña ®èi t−îng nghiªn cøu th× viÖc sö dôngnhiÖt kÕ d·n në chÊt láng vµ nhiÖt kÕ d·n në chÊt r¾n ®Ó ®iÒu chØnh nhiÖt ®é lµ®iÒu hÕt søc khã kh¨n v× tÝnh −u viÖt cña nã kh«ng cao. MÆt kh¸c nhiÖt ®é lµmét ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn, do ®ã ®Ó ®iÒu chØnh ®−îc nã mét c¸ch tuyÕn tÝnhtheo gi¸ trÞ ®Æt tr−íc th× ph¶i chuyÓn ®æi thµnh ®¹i l−îng ®iÖn, thiÕt bÞ dïng ®ÓchuyÓn ®æi nhiÖt ®é thµnh ®¹i l−îng ®iÖn ®iÖn gäi lµ c¶m biÕn. V× vËy, ®Ó ®onhiÖt ®é trong tñ nu«i cÊy vi khuÈn mµ cã sö dông c¶m biÕn nhiÖt ®Ó ®o nhiÖtKhoa C¬ ®iÖn - 45 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  47. 47. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46®é vµ chuyÓn ®æi nhiÖt ®é thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ¸p hay dßng ®iÖn. C¸c c¶m biÕnnhiÖt ®é ®· tr×nh bµy ë trªn, mçi lo¹i cã nguyªn lý chuyÓn ®æi kh¸c nhau. CÆpnhiÖt ®iÖn ®−îc sö dông kh¸ phæ biÕn trong c«ng nghiÖp vµ nã cã −u ®iÓm lµchuyÓn ®æi tÝn hiÖu nhiÖt ®é sang tÝn hiÖu ®iÖn ¸p vµ cã thÓ ®o nhiÖt ®é ënh÷ng kh«ng gian chËt hÑp, nh−ng cã nh−îc ®iÓm lµ khi nhiÖt ®é thay ®æitrong kho¶ng hÑp nh− tñ nu«i cÊy vi khuÈn th× cÆp nhiÖt ®iÖn ho¹t ®éng cã ®échÝnh x¸c kh«ng cao, sai sè lín, cßn nhiÖt kÕ ®iÖn trë lµ c¶m biÕn chuyÓn ®æinhiÖt ®é sang ®iÖn trë, sau ®ã muèn chuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ¸p haydßng ®iÖn th× ph¶i dïng thiÕt bÞ chuyÓn ®æi ®ã lµ m¹ch cÇu c©n b»ng, ®èi víilo¹i nµy m¹ch ®iÖn cã phÇn phøc t¹p nh−ng còng ®−îc dïng kh¸ phæ biÕntrong thùc tÕ nh−ng ®Ó ®o nhiÖt ®é mét c¸ch chÝnh x¸c th× c¶m biÕn nµy cã ®échÝnh x¸c kh«ng cao do cã ®Æc tÝnh phi tuyÕn. Trong khi ®ã c¶m biÕn vi m¹ch®iÖn tö cã nh÷ng −u ®iÓm cã thÓ kh¾c phôc ®−îc nh÷ng nh−îc ®iÓm cña c¸cc¶m biÕn trªn, ®ã lµ ®é nh¹y lín, cã thÓ ®o ®−îc nhiÖt ®é trong kho¶ng hÑp.Do ®ã trong ®Ò tµi nµy, ®Ó ®o nhiÖt ®é trong tñ nu«i cÊy vi khuÈn em chän lo¹ic¶m biÕn vi m¹ch.2.3. KhuÕch ®¹i thuËt to¸n trong so s¸nh vµ khuÕch ®¹i tÝn hiÖu OA (lµ ch÷ viÕt t¾t cña Operational Amplifier) lµ bé khuyÕch ®¹i thuËtto¸n thuéc vÒ bé khuÕch ®¹i dßng ®iÖn mét chiÒu, cã hÖ sè khuyÕch ®¹i lín, cãhai ®Çu vµo vi sai vµ mét ®Çu ra chung. HiÖn nay c¸c bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n®ãng vai trß rÊt quan träng vµ ®−îc øng dông réng r·i trong kü thuËt khuÕch®¹i, t¹o tÝn hiÖu h×nh sin vµ xung, trong bé æn ¸p vµ bé läc tÝch cùc… CÊu t¹o vµ ký hiÖu cña OA: cÊu t¹o c¬ së cña OA víi c¸c tÇng ®Çu lµc¸c tÇng khuÕch ®¹i vi sai dïng lµm tÇng vµo. TÇng ra cña OA th−êng lµ tÇnglÆp emito (CC) ®Ó dÞch møc mét chiÒu. V× hÖ sè khuÕch ®¹i cña tÇng emito gÇnb»ng 1, nªn hÖ sè khuÕch ®¹i ®¹t ®−îc nhê tÇng vµo vµ c¸c tÇng khuÕch ®¹i bæxung m¾c gi÷a tÇng vi sai vµ tÇng CC. Tïy thuéc vµo hÖ sè khuÕch ®¹i cña OAmµ quyÕt ®Þnh sè l−îng tÇng gi÷a.Khoa C¬ ®iÖn - 46 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi
  48. 48. B¸o c¸o tèt nghiÖp Ph¹m TuÊn Anh-T§H46 Ký hiÖu quy −íc cña mét bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n nh− h×nh 2.21. Víi®Çu vµo U(v.k) (hay Uv+) gäi lµ ®Çu vµo kh«ng ®¶o, ®Çu vµo thø hai U(v.d)(hay Uv-) gäi lµ ®Çu vµo ®¶o. Ec1 (hay E(c1)) vµ Ec2 (hay E(c2)) lµ hai nguåncung cÊp (cã thÓ lµ nguån kh«ng ®èi xøng). H×nh 2.21. Ký hiÖu cña khuÕch ®¹i thuËt to¸n §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t ®iÖn ¸p cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n: ®Æc tuyÕn cã d¹ng nh− h×nh 2.22 sau: Ur +Ec §Çu vµo §Çu vµo ®¶o Urmax kh«ng ®¶o Uv Urmax -Ec H×nh 2.22. §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t cña OA §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t cña OA gåm hai ®−êng ®Æc tuyÕn t−¬ng øng víic¸c ®Çu vµo ®¶o vµ kh«ng ®¶o. Mçi ®−êng ®Æc tuyÕn cã mét ®o¹n n»m ngangøng víi chÕ ®é b·o hoµ vµ mét ®o¹n øng víi chÕ ®é khuÕch ®¹i. Trªn nh÷ng®o¹n ®ã khi thay ®æi ®iÖn ¸p tÝn hiÖu ®Æt vµo, ®iÖn ¸p ra cña bé khuÕch ®¹ikh«ng ®æi vµ ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c gi¸ trÞ U+rmax, U-rmax gäi lµ gi¸ trÞ ®iÖn ¸pra cùc ®¹i (®iÖn ¸p b·o hßa) gÇn b»ng Ec cña nguån cung cÊp. §o¹n ®Æc tÝnhKhoa C¬ ®iÖn - 47 - Tr−êng §HNNI-Hμ Néi

×