Ttcnvđt&th
BKHvcn
Ttcnvđt&th
BKHvcn

BKHvcn
Ttcnvđt&th

Bộ khoa học và công nghệ
Viện nghiên cứu ứng dụng công nghệ
Trung tâm công nghệ vi điện tử và tin học
C6 thanh xuân bắc, Hà Nội
Báo cáo đề tài

Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo
thông số độ dẫn và áp suất của dung dịch lọc máu
cho máy lọc thận nhân tạo Cơ quan chủ trì
:
Trung tâm công nghệ vi điện tử và tin học
Chủ nhiệm đề tài
:

đề ra.

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

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

TT Cụng ngh vi in t v
Tin hc- VDCN

12
B
Cỏn b tham gia nghiờn
cu

1
KS.Nguyn Th Minh
Hng

-nt- 12
2
KS.Nguyn Th Thu Hoi

5
2. Cấu tạo
5
3. Các thông số cần kiểm tra
5
4. Nguyên lý hoạt động
6
5.Yêu cầu về thông số kỹ thuật
6
6. Lý do phải dùng máy đo độ dẫn và áp suất kiểm tra
6
Phần II: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy đo độ dẫn điện,
áp suất của dung dịch lọc máu
7
I. Mục đích yêu cầu
7
II. Lý thuyết đo độ dẫn
8
A. Độ dẫn điện
8
1. Định luật Ohm, điện dẫn suất 11
2. Cách đo độ dẫn 12
3. Hiệu ứng phân cực 14
4. Sự làm bẩn bề mặt điện cực
14
5. Điện trở cáp nối
15
6. Hiệu ứng điện trờng ở biên cực đo
15
7. Tính bền của đầu đo

4
2. Thiết kế sensor đo nhiệt độ 24
3. Sensor áp suất tem-tech pfa SE 3200/SE 3300 24
3.1. Đặc tính
24
3.2. ứng dụng của sensor SE 3300
25
3.3. Nguyên lý hoạt động
25
4. Thiết kế mạch đo 26
4.1. Yêu cầu về mạch đo
26
4.2. Mạch khuếch đại
26
4.3.Sơ đồ khối của mạch khuếch đại 26
4.4. Thiết kế vỏ máy 27
4.5. Các phép đo để hiệu chỉnh máy đo 27
a. Đo nhiệt độ 27
b. Bù trừ nhiệt độ cho độ dẫn của dung dịch 27
c. Đo độ dẫn 27
d. Đo áp suất 28
5. Kết quả thực nghiệm 28
5.1. Sự phụ thuộc của độ dẫn vào nhiệt độ
28
5.2. Sự phụ thuộc của độ dẫn vào nhiệt độ có bù nhiệt máy CTP0105 29
5.3. Sự phụ thuộc của độ dẫn vào nhiệt độ có bù nhiệt máy HDM97
31
5.4. Sự phụ thuộc của độ dẫn vào nồng độ máy CTP0105 & HDM97 32
5.5. Sự phụ thuộc của áp suất vào điện áp của máy
HDM97 & CTP0105 34

2. Cấu tạo.
Máy lọc thận nhân tạo gồm những phần chính sau:
- Quả lọc máu: có hai phần và màng thẩm thấu ( lỗ của màng thẩm thấu có
đờng kính 1 nm) ở giữa, một phần cho máu (áp suất dơng) đi qua, một phần
cho dịch lọc máu(áp suất âm) đi qua.
- Bơm máu. Loại bơm nhu động.
- Bơm dịch. Loại bơm lu lợng thẩm tách.
- Hệ thống tạo nớc RO.
- Dung dịch acetate đậm đặc; dung dịch bicarbonate A,B.
- Hệ tự động đốt nóng dung dịch lọc máu sau khi pha trộn lên 37
0
C.
3. Các thông số cần kiểm tra.
- Độ dẫn điện của dung dịch lọc máu acetate và bicarbonate ( Để kiểm tra
nồng độ Na

0
C 0,1
0
C
- Độ dẫn điện của dung dịch lọc máu cho phép trong khoảng:
13,5 mS/cm ữ 14,7 mS/cm 0,1 mS/cm
Đây là giới hạn độ dẫn đợc phép của dung dịch mà máy tự động pha. Giới
hạn này bảo đảm nồng độ Na
+
an toàn cho bệnh nhân.
- áp suất của dung dịch lọc máu luôn luôn là áp suất âm so với áp suất động
mạch và tĩnh mạch.
- Không đợc phép cho bọt khí đi vào trong cơ thể bệnh nhân.
- Lu lợng của máu : ~ 300 ml/min
- Lu lợng của dung dịch lọc máu : ~ 500 ml/min
Máy lọc thận nhân tạo sẽ tự động báo động và ngừng máy sau khi phát hiện
bất cứ thông số kỹ thuật nào sai với các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn.
6. Lý do phải dùng máy đo độ dẫn và áp suất kiểm tra.
Với những máy secondhand thì các thông số kỹ thuật của dung dịch do máy
pha và số chỉ thị của máy không trùng nhau. Việc hiển thị không chính xác
các thông số kỹ thuật sẽ gây nguy hiểm cho bệnh nhân. Do vậy cần có máy
kiểm tra thông số kỹ thuật để phản ánh đúng các thông số kỹ thuật của dung
dịch lọc máu của máy lọc thận nhân tạo.


8
Máy đo độ dẫn điện chế tạo đợc sẽ dùng để thay thế những máy đo độ dẫn
điện bị hỏng trong các hệ máy lọc thận. Không những thế nó còn đợc dùng
để kiểm tra chất lợng dung dịch lọc máu cho những hệ máy có chất lợng
không cao.
Hệ máy lọc thận nhân tạo là một hệ máy rất phức tạp và tinh vi cho nên từng
bớc một nghiên cứu chế tạo những máy kiểm tra, thiết bị điều khiển quan
trọng trong đó là rất cần thiết. Việc này làm tiền đề cho việc tiến tới làm chủ
hoàn toàn hệ máy lọc thận nhân tạo và trên cơ sở đó có thể chế tạo ra hệ máy
lọc thận nhân tạo dùng trong nớc ta một cách chủ động.
II. Lý thuyết đo độ dẫn.
A. Độ dẫn điện.
Độ dẫn điện đợc định nghĩa là khả năng dẫn dòng điện của khối chất. Nó
là đại lợng nghịch đảo của điện trở. Tất cả các khối chất đều có độ dẫn đến
vài cấp độ nhng khoảng rất rộng, từ khoảng rất thấp (chất cách điện nh là
benzen, thuỷ tinh) đến rất cao (bạc, đồng và kim loại nói chung). Trong kim
loại dòng điện là những hạt tải e
-
. Trong các khí bị ion hoá, ngoài các e
-
, các
ion có điện tích dơng đóng vai trò dẫn điện. Trong khi với nớc dòng diện là
những hạt tải ion mang điện tích. Sự xắp xếp các phần tử chất lỏng theo trật tự
kém nhất do đó không thể dẫn nh sự chuyển động của các điện tử tự do. Vì
vậy, loại hạt tích điện khác nữa sẽ đợc dùng trong mục đích này nếu bất kỳ
dòng nào là dòng chảy của toàn bộ các hạt tích điện. Sự ion hoá sẽ cung cấp
những hạt tải cần thiết. Sự ion hoá dựa vào xu hớng của hầu hết các hợp chất
hữu cơ hoà tan đợc từng phần hoặc toàn bộ tách ra hai hoặc nhiều hơn các
thành phần cơ bản, gọi là ion, có điện tích trái dấu. Những hạt tích điện này
hoặc các ion, tác dụng nh là các dòng hạt tải đem lại dòng điện phân. Nó là

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

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

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

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

Nớc mật đờng

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

12
Trong đó:
l: Chiều dài [cm]
q : Tiết diện [cm
2
]
: Điện trở suất [.cm]
k : Điện dẫn suất [S.cm
-1
]
Trong chất lỏng ngời ta chú ý đến điện trở suất. Từ phơng trình (2.3) &
(2.4) ta có:
k= l/ = l/q. R= K/R (2.5)
Hệ số sensor (K) liên quan đến đặc trng vật lý của sensor. K đợc xác định
đối với hai tấm phẳng, song song làm điện cực đo cách nhau một khoảng l và
có diện tích q.
Nếu chọn kích thớc hình học của các điện cực đối với 1cm
3
của chất lỏng
sao cho tỉ số K = l/q= 1cm
-1
thì phơng trình (2.5) trở thành
k= 1/R (2.6)
Nh thế việc đo điện dẫn suất đợc đa về đo trị số nghịch đảo của điện trở.
Trong thực tế, giá trị hệ số sensor (K) đợc ghi vào trong máy đo và sự biến
đổi từ độ dẫn điện này đến độ dẫn điện khác không thay đổi một cách tự động.
Giá trị K đợc dùng với các giá trị khác nhau với khoảng đo tuyến tính của
sensor đợc lựa chọn. Thông thờng với nớc tinh khiết: K= 0.1 cm

các bản cực thì điện thế này sẽ làm trung hoà các ion gần các bản cực, đó là
nguyên nhân của sự phân cực và điện trở đo đợc sẽ cao hơn điện trở thực.
Điều này có thể đợc loại trừ bằng việc dùng điện thế xoay chiều (AC).
Nhng sau đó ngời thiết kế thiết bị đo phải điều chỉnh đối với hiệu ứng tụ
điện và những hiệu ứng khác. Các thiết bị mẫu có hai điện cực tinh xảo dùng
dạng sóng AC phức tạp để giảm nhỏ nhất hiệu ứng này và bằng việc dùng
sensor chuẩn đo nhiệt độ để hiệu chỉnh hệ số nhiệt ta sẽ thu đợc kết quả
chính xác về độ dẫn của dung dịch đo.
Lý thuyết sensor 4 cực đo và lợi ích thực tế.
Do không thể hiệu chỉnh đợc đối với sự lắng đọng của các chất trong
dung dịch ở trên bề mặt của các điện cực và loại trừ nó hoàn toàn ra khỏi phép
đo độ dẫn cho nên chỉ có thể làm giảm cực tiểu sự ảnh hởng của nó đến phép
đo. Kỹ thuật tinh vi hơn là dùng 4 cực đo. 4 cực đo độ dẫn có lợi ích thực tiễn
cho dung dịch có độ dẫn cao. Đó là những u điểm sau:
- Làm giảm cực tiểu sự ảnh hởng của hiệu ứng phân cực và sự làm bẩn
điện cực.
- Loại trừ lỗi do điện trở cáp nối và điện trở nối sensor.
4 điện trở đo gồm 2 điện cực đo dòng và điện cực thế. Cực truyền dùng thế
xoay chiều và dòng xoay chiều giữa 2 cực đo dòng đợc đo để xác định độ
dẫn. Biên độ thế xoay chiều trên 2 cực dẫn đợc kiểm tra bằng việc đo điện
thế trên 2 cực sensor. Cần phải tạo ra một điện từ trờng đủ mạnh cho sensor
và điện từ trờng này sẽ tạo ra dòng điện dẫn giữa hai cực của sensor tỷ lệ với
14
độ dẫn điện của dung dịch. Khi đó lỗi do sự phân cực, sự làm bẩn điện cực và
điện trở của dây nối là nhỏ nhất.
3. Hiệu ứng phân cực.
Khi dùng điện áp DC cho các điện cực độ dẫn, các ion có trong dung dịch
sẽ đợc tích điện trên điện cực và bằng việc từ bỏ hoặc chấp nhận điện tích,
hình dạng phân tử bị thay đổi. Lúc đó dòng các ion bên trong sẽ thực hiện liên
tục với thời gian rất ngắn và do đó dòng điện sẽ giảm xuống không [12].

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

C và hiệu ứng nhiệt phải đợc loại trừ.
B. Đo độ dẫn bằng phơng pháp hỗ cảm từ [4].
1. Nguyên tắc thiết kế.
Dựa trên hiện tợng hỗ cảm. Hiện tợng hỗ cảm của hai mạch là sự xuất
hiện s.đ.đ cảm ứng của một trong hai mạch khi làm biến thiên dòng điện ở
trong mạch kia. Sự biến thiên của mạch này sẽ gây ra sự biến thiên từ thông
qua mạch kia và tạo nên trong mạch đó một s.đ.đ cảm ứng.
S.đ.đ hỗ cảm trong 2 mạch đợc tính theo công thức.

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

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

/dt ;

l
1
, l
2
là các cuộn dây có lõi ferit.
M là hệ số hỗ cảm của dung dịch cần đo độ dẫn điện.3. Cơ cấu hoạt động.
Tín hiệu hình sin từ máy phát chuẩn qua cuộn l
1
có lõi ferit truyền qua dung
dịch và gây ra trong cuộn l
2
một s.đ.đ hỗ cảm. Đo s.đ.đ hỗ cảm thu đợc trên
cuộn l
2
chúng ta biết đợc độ dẫn điện của dung dịch - từ đó tính ra nồng độ i on
trong dung dịch. Các tụ C
1
, C
2
, V
2
dùng để bù thành phần cộng hớng nối tiếp và
cộng hớng song song của U, I trên cuộn hỗ cảm l
2
. Mà thực chất của vấn đề là
bù vào giá trị của M. Khi đó giá trị đo đợc mới chính xác [5].
4. Tính chất của lõi Ferit [13].

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


0

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

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

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

2
T
kt
T 11
=



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


a
U
b
=

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

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

dt
dT
C

=



tổng

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

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


0
+ P
I

22

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

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

RR
/
/


= 1+ 2à +
ll
RR
/
/


+
ll /
/





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

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

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