Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy nuôi cấy vi sinh vật

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy nuôi cấy vi sinh vật. Trình bày về quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy nuôi cấy vi sinh vật...Trình bày về quá...

- BỘ GIÁO DỤCVÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KE, CHE TAO MAY

NUOI CAY VI SINH VAT

NGANH: KY THUAT DIEN T

MA SO 60.52.70

DUONG HUU QUANG

eo, >3 Z /^ HOA HOC: TS NGUYEN NAM QUAN

Đề tài tôi trình bày trong luận văn này là “nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy nuôi cấy vi sinh vật ứng dụng cho ngành sinh học và hoá học”

Trong nền kinh tế của nước ta hiện nay, ngành công nghệ sinh học, hoá học đang là một trong sáu hướng mũi nhọn phát triển kinh tế Trên thực tế, hai ngành này đã đóng góp nhiều thành tựu trong quá trình phát triển của nền kinh tế nước

ta Hàng năm, ngành nông nghiệp đã có được nhiều thuận lợi từ các kết quả nghiên cứu của hai ngành này như: cải thiện giống lúa, phân bón, thuốc trừ sâu hại, thức ăn chăn nuôi Công nghệ sinh học Việt Nam cũng có thành tựu to lớn trong việc nghiên cứu virus gây bệnh trong dịch viêm đường hô hấp cấp, sự phát triển của các ngành khác như thực phẩm, dịch vụ, vật liệu, đều liên quan chặt chẽ tới hai ngành sinh học và hoá học

Có vai trò quan trọng như vậy đối với nên kinh tế nước ta nhưng sinh học và hoá học cũng gặp không ít khó khăn, một trong các khó khăn của bai ngành này

là trang thiết bị phục vụ cho ngành cần khá nhiều và và hầu hết do các hãng nước

ngoài cung cấp với giá thành khá đắt, việc bảo hành, bảo trì cho trang thiết bị lại phức tạp và thường tốn thời gian Có thể lấy ví dụ một phòng thí nghiệm nhỏ

phục vụ cho công nghệ sinh học với các thiết bị ngoại nhập giá thành thiết bị có

thể lên tới 5 tỷ VND, việc sửa chữa bảo dưỡng lại phụ thuộc các hãng thiết bị

Trong nghiên cứu Sinh học, Hoá học, có nhiều yếu tố trong môi trường ảnÏ

hưởng tới đối tượng nghiên cứu như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, độ lưu động thành phần môi trường Vì vậy để tạo ra môi trường giả lập, hệ thống thiết b: phòng thí nghiệm sinh học, hoá học có nhiều loại máy để giả lập các yếu tố mô

trường như: máy ổn nhiệt chu trình giả lập môi trường nhiệt độ biến đổi nhanh v chính xác, f6 nuôi cây giả lập môi trường nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, máy lắc ổi nhiệt giả lập môi trường nhiệt độ, độ lưu động, 7T CÓ; giả lập môi trường yếnr

khí Trong đó máy lắc ổn nhiệt là một loại máy thường xuyên được sử dụng, rấ

cần thiết đối với các phòng thí nghiệm Máy lắc ổn nhiệt được các hãng nước ngoài cung cấp với giá thành rất cao, chế độ bảo hành sửa chữa không được tốt vi

có một số đặc điểm chưa phù hợp với điều kiện khí hậu và cách sử dụng trong

nước

Trong luận văn này, tôi xin trình bày về máy nuôi cấy vi sinh vật Máy nuô

cấy vi sinh vật hay còn gọi là máy lắc (shaking incubator) là một loại máy

chuyên dụng, ứng dụng chủ yếu trong nghiên cứu sinh hoc, hoa hoc Trons

ngành sinh học, máy chuyên dùng để tạo môi trường giả lập trong quá trình nuô cấy các chủng vi sinh vật Trong hoá học, máy chuyên dùng để tạo môi trường

thuận lợi cho các phản ứng hoá học

Hiện nay, hầu hết các trung tâm trong nước đều phải nhập khẩu máy từ nước ngoài, chi phí lắp đặt và bảo hành, bảo trì đều rất cao Do vậy nhu cầu chế tạo ¡:

máy lắc trong nước là thiết thực Bên cạnh đó, để chế tạo ra một máy lắc ổn nhié

hoàn chỉnh thì ngoài các vấn đề về cơ khí, nhiệt lạnh, khung vỏ, vấn đề điển

khiển các bộ phận chấp hành cũng khá phức tạp, mang tính kỹ thuật cao BO dié khiển phải điều khiển được nhiều loại tải mang tính chất khác nhau Việc ché tac

máy lắc trong nước đòi hỏi một sự nghiên cứu nghiêm túc và chuyên tâm V

học”

Chương I : Tổng quan

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trong phần phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có liên quan

mật thiết đến đề tài của luận văn, do khong tìm được để tài nào có liên quan trong nước, chúng tôi xin được phân tích, đánh giá một số loại mấy của nước ngoài đã có mặt trên thị trường, cụ thể ở đây là các loại máy của Đức, Mỹ là các hang IKA, SHELLAB, HERAOUS

Hình H.1: Máy lắc ổn nhiệt của hãng SHELLAB ( Mỹ):

2 WLS om

fhe

: Tomensie

Hinh 1.2: Bảng thông 86 k§ thudt cia may lac on nhigt hang SUELLAB

Qua nghiên cứu thực tế tiếp xúc với máy lác cha hang SHELLAB ching tôi

cé duoc nhitng théng tin sau:

+ Náy sử dụng motor một chiều không chối than công xuất tB0W để

tạo Chuyén Gong lac tron

e Phan gia nhiét may str dung hé thong nén moi chất để gia nhiệt nóng

và lạnh với hệ thống van đảo chỉ

Vi Diéu Khién Piúc, điều khiển Đảm

xune có phản hồi với motor và đóng ngất với máy nến dung môi,

Hình ILA: Bảng thông số kỹ thuật ctia may lac IKA.

lắc tròn

e_ Máy sử dụng mạch số để điều khiển và hiển thị

se Máy sử dụng kết cấu trục lệch tâm để tạo chuyển động lắc tròn và kết cấu ba tầng trượt lên nhau để dẫn động

Pad

L2 Những vấn đề tồn tại và hướng nghiên cứu của chúng lôi

Trước thực tế đó, chúng tôi là những cán bộ thuộc Khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã thực hiện việc tìm hiểu và khảo sát

lĩnh vực thiết bị phục vụ ngành công nghệ sinh học và hoá học Sau một thời gian tìm hiểu, chúng tôi đạt được kết luận như sau:

e Trong các thiết bị phục vụ nghiên cứu sinh học, hoá học, có khoảng

50% số lượng thiết bị Việt Nam có thể chế tạo được ngay trong thời điểm hiện tại, 80% số lượng thiết bị Việt Nam có thể chế tạo được

nếu đầu tư nghiên cứu

e Thiết bị nếu chế tạo ở Việt Nam sẽ có giá thành rẻ hơn do giảm được các chi phí như: chi phí nhân công, chi phí chất xám, chi phí vận

chuyển và các chi phí phải trả khác: thuế nhập khẩu, phí trả chuyên

gia lắp đặt, bảo hành, bảo trì, hướng dẫn sử dụng

e Thiết bị nếu chế tạo tại Việt Nam sẽ có khả năng phù hợp hơn vi điều kiện khí hậu và con người nước ta, khả năng bảo hành bảo trì tốt

hơn.

e Các thiết bị chế tạo tại Việt Nam sẽ có giao điện tiếng Việt cho phép

sử dụng thuận tiện và dễ dàng hơn

e Thiết bị nếu chế tạo tại Việt Nam sẽ có khả năng nâng cấp bổ xung

chức năng phù hợp với các nghiên cứu mang đặc thù khí hậu và điều

kiện kinh tế của nước ta tốt hơn

e_ Đặc biệt các sản phẩm chế tạo tại Việt Nam với giá thành hạ sẽ tạo cơ

hội lớn hơn cho sinh viên các trường đại học và các viện nghiên cứu được sử dụng các trang thiết bi trong qua trình nghiên cứu khoa học ngay tại khi còn ngồi trên chế nhà trường

Qua các kết luận trên, chúng tôi quyết định nghiên cứu chế tạo một thiết bị

cân thiết đối với công việc nghiên cứu sinh học, hoá học, là máy lắc có ổn nhiệ

(shaking incubator) loại công suất lớn nhất dùng trong phòng thí nghiệm Mục

đích của sản phẩm trước hết là kiểm chứng lại các kết luận trên để tiến tới chế tạc

Học Chúng tôi xây dựng quy trình nghiên cứu chế tạo sản phẩm theo husr

chuyên môn hoá từng ngành nhưng có sự thống nhất cao giữa các ngành

Ngh

ké ci

Chương II : Nội dung nghiên cứu trước thiết kế

Nguyên lý hoạt động máy nuôi cấy vị sinh vật và lựa chọn phương án thiết kế ckLế

tạo

IL1 Các chỉ tiêu yêu cầu của sản phẩm:

A Yêu cầu thực tế của máy

Xuất phát từ nhu cầu thực tế là trong công việc nghiên cứu của ngành Sinh Học và Hoá Học luôn cần phải tạo ra miột môi trường phù hợp cho chế phẩm sinh học hoặc mẫu hoá chất để chế phẩm sinh học có thể phát triển hay phan tis hoá học có thể xảy ra Hai yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất tới sinh phẩm

và ho:

phẩm trong môi trường là nhiệt độ và độ lưu động, ngoài ra còn có các yếu t:

khác như ánh sáng, từ trường, điện trường, thành phần môi trường nhưng

hiệ được điều đó chúng ta phải làm như sau:

- — Tạo ra một bàn giữ bình nghiệm có khả năng lắc tròn (tạo độ lưu

_ 'Téc do lic phải điều chỉnh chính xác được.

Mô hình đề xuất của máy như sau:

Khoana clara phin ide khits

Hình IILI: Mô hình đề xuất

B Các chỉ tiêu cụ thể và thông số của phần lắc

Bàn lắc trong buồng phải có khả năng lắc tròn với chỉ tiêu đủ để sinh phẩm hoặc hoá phẩm có thể hoạt động tốt nhất Chuyển động lắc tròn là chuyển động

như sau:

Một vật chuyển động lắc tròn nghĩa là mọi điểm trên vật đó chuyển động

theo một quỹ đạo tròn bán kính như nhau nhưng vị trí tương đối của các điểm là

cố định về khoảng cách và hướng

Hình IIIL2: Mô tả chuyển động lắc tròn Phần lắc có nhiệm vụ tạo ra chuyển động lắc có biên độ (bán kính) tr 1 ~

cm, có tốc độ điều chỉnh được trong dải từ 10 ~ 360 vòng/phút

C Các chỉ tiêu cụ thể và thông số của phần ổn nhiệt

Buồng ổn nhiệt có chức năng tạo ra nhiệt độ ổn định theo ý muốn của ngưÈ

sử dụng trong khoảng từ 10 ~ 50 °C Tốc độ gia nhiệt phải đủ nhanh (tron,

khoảng 30 phút có thể đạt tới nhiệt độ xa nhất Đối với thể tích buồng chứ:

phần gia nhiệt phải đáp ứng được các chỉ tiêu trên đối với buồng gia nhiệt dun

tích 400 lít

IL2 Tính toán thông số và lựa chọn phương án thiết kế:

A Tính toán thông số cho phần lắc

Để tạo được chuyển động lắc tròn cần chế tạo hai phần chính là:

-_ Cơ cấu truyền chuyển động: để tạo ra chuyển động lắc tròn từ chuyển động quay tròn ta dùng cơ cấu trục lệch tâm

» | _ trục dẫn động

|

Hình IIL3: Mô tả kết cẩu trục lệch tâm

Trong kết cấu trên buli có nhiệm vụ nhận chuyển động từ motor khiến cho

tục dẫn động quay Trục dẫn động quay kéo theo củ lệch tâm quay và trục d¿n

động chuyển động tròn xung quanh tâm của trục dẫn động

- _ Cơ cấu định hướng chuyển động: sau khi đã tạo được chuyển động líc

tròn nhờ cơ cấu trục lệch tâm Do có ma sát ở vòng bị bắt vào bàn lắc

nên có thể dẫn tới hiện tượng cả phần bàn lắc sẽ có thêm một thant

phần chuyển động tr xoay tròn Xung quanh tâm của trục dẫn động

Hình 111.4: Truc lệch tâm và các mô men chuyển động

- Để khắc phục hiện tượng trên ta cần thực biện cơ cấu dẫn động có chú

năng triệt tiêu chuyển động tự xoay tròn nhưng vẫn cho phép chuyể động lắc tròn Thực hiện việc này ta có thể dùng ba loại kết cấu thôn

dụng chúng tôi tạm đặt tên như sau:

e Kết cấu viên bi tròn lăn trong hai bát úp vào nhau: ý tưởng cỈ: yếu của kết cấu này là ta có thể ràng buộc hai phần: phần cố địn

và phần lắc chỉ cho chúng chuyển động tương đối với nhau tron một khoảng cố định bằng kết cấu cụ thể như hình sau:

Bát lõm gắn trên bàn lắc

một số ưu, nhược điểm như sau:

e Ché tao don giản

năng chống mài mòn cao

e_ Vật liệu chế tạo cần có khả

øe Khả năng chịu lực kém

e Ma sát lớn

e Gay tiếng ồn lớn

e Kết cấu ba tầng trượt trên nhau: Với ý tưởng chủ đạo là nếu “a

gắn động cho tầng thứ hai có thể chuyển động theo trục X với tầng thứ nhất (tầng cố định) và tầng thứ ba có thể chuyển động theo trục Y với tầng thứ hai thì tầng thứ ba có thể chuyển động

theo ca hai trục với tầng thứ nhất

Hình II.6: Mô tả kết cấu ba tầng trượi trên nhau

Nếu gắn kết cấu này vào giữa hai tầng cố định và lắc thì ta có thể loại b được chuyển động tự quay Sau đây là ưu, nhược điểm của kết cấu này:

se _ Chế tạo không đơn giản nhưng cũng không quá phức tạp

e Vat liéu chế tạo cần có khả năng chịu mài mồn cao.

se _ Kết cấu nhiều trục lệch tâm: ý tưởng chủ đạo là nếu tạo thêm từ

hai trục lệch tâm nữa (ngoại trừ trục dẫn động) trở lên thì các điểm trên bàn lắc chỉ có thể chuyển động lắc tròn mà không thể

Hình HL7: Mô tả kết cấu nhiều trục lệch tâm

Khi chúng ta thực hiện theo cơ cấu này thì chúng ta có thể loại bỏ được chuyển động tự quay của bàn lắc Sau đây là ưu, nhược điểm của cơ cấu:

© Ché tao rat phức tạp do yêu cầu độ chính xác cao

e_ Vật liệu chế tạo ít ảnh hưởng tới độ bền

e Ma sát nhỏ

se Gây tiếng ồn nhỏ

e Khả năng chịu lực tỐI

Do ý định của nhóm nghiên cứu chúng tôi là chế tạo phần lắc lớn nên qua đánh giá chúng tôi thấy kết cấu nhiều trục lệch tâm là phù hợp nhất

Sau khi lựa chọn kết cấu tạo chuyển động lắc tròn, chúng tôi xin trình bày

những tính toán để lựa chọn phần phát động tức là motOr Để tạo được chuyể! động quay tròn với các chỉ tiêu tối đa là tải tối đa là 20 Kg, bán kính lắc I:

2,5cm, tốc độ tối đa là 360 vòng/phút ta có thể tính được công suất motor nk

Vậy công sinh ra bằng : 0,942 x 196 = 184J

Vậy có nghĩa là công suất đủ để chạy cho tải là 184 W (chưa tính đến hị:

Và chúng tôi lựa chọn công suất motor là 400W Với mức công suất này máy có thể chạy ổn định và có độ bén cao

Có hai lựa chọn cho phần motor là motor một chiều và motor xoay chiều:

ø_ Các đặc tinh cha motor một chiều: motor một chiều gồm có hai

loại chính

o_ Motor một chiều có chổi than, là loại rmmotor sử dụng cặp điện cực than để chuyển cặp cực cho rô to Motor này có tốc độ cao, công suất lớn nhưng hiệu suất motor nhỏ, độ

bền thấp, gây nhiễu đường nguồn lớn Giải pháp sử dụng

motor loại này sẽ làm cho máy có độ bền không cao

©o_ Motor một chiều không có chổi than, là loại motor sử dụng

mạch điện tử để chuyển cặp cực cho rô to Motor này có hiệu suất cao, độ bền lớn, ít gây nhiễu đường nguồn nhưng công suất không cao và tốc độ không cao bằng loại dùng

chổi than Giải pháp sử dụng motor loại này máy sẽ có

công suất không cao

Motor một chiều có thể điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp cấp cho motor Dạng đặc tính điện áp - tốc độ của motor một chiều như sau:

wee N

e Các đặc tính cla motor xoay chiều: motor xoay chiều cũng ‹ hai loại chính

một pha Motor loại này có hiệu suất trung bình, độ b khá, công xuất nằm trong một đải rộng, nhiễu nguồn g

ra không lớn Giải pháp stt dung motor nay sẽ cho máy

chạy Ổn định, độ bền khá

o_ Motor xoay chiều ba pha, là loại motor chạy với điện lưới

ba pha Motor loại này có hiệu suất cao, độ bền cao, công suất lựa chọn trong đải rộng, nhiễu nguồn gây ra không lớn Giải pháp sử dụng motor này sẽ cho máy chạy én

Với đường đặc tính như trên ta có thể thấy việc điều khiến tốc độ cho

motor xoay chiều bằng tăng giảm điện 4p là khong kha thi So di nhu vay

la vi nguyén ly cla motor xoay chiều là lợi dụng dòng điện xoay chiều để tao ra tir trudng quay bén trong stato Như vậy tần số của từ trường xoay +€ bằng tần số của điện ap xoay chiều cấp vào motor và không phụ thuộc vào điện áp cấp vào Khi ta giảm điện áp cấp cho motor vẫn có hiện tượng

giảm tốc độ là đo có hiện tượng trượt, nghĩa là từ trường quay bên trong

motor không đủ mạnh để kéo roto quay dẫn đến motor sẽ bỏ lỡ một chu kỳ

quay Năng lượng điện cấp cho chu kỳ này không được chuyển hoá sang

năng lượng cơ dẫn đến sẽ chuyển hoá sang năng lượng nhiệt làm chc

motor nóng lên Ngoài ra tốc độ biến đổi theo điện áp do hiện tượng trượ còn phụ thuộc vào tải của máy Như vậy ta không thể dùng thay đổi điệt

áp để điều khiển tốc độ motor xoay chiều Muốn điều khiển tốc độ motO

xoay chiều ta phải thay đổi tần số của điện áp xoay chiều cấp cho motOI Sau đây là đường đặc tính tần số tốc độ của mOftOrT XoaY chiều:

Như vậy tốc độ của motor sẽ thay đổi tuyến tính theo tần số của điện áp cấp

cho motor trong một khoảng nào đó Khi tần số tăng đến một giá trị nhất định thì motor không thể đáp ứng được nữa và đó là vận tốc tối đa của motor

Sau khi xem sét đánh giá các đặc điểm của các loại motor và các phương

pháp điều khiển chúng tôi đề xuất phương ấn chế tạo như sau:

e Sit dung motor xoay chiéu ba pha céng xuất 400W.

e_ Sử dụng phương án điều khiển toc do motor bằng điều tần

Sau đây chúng tôi xin trình bày quá trình tính toán lựa chọn phương án thiết kế giải quyết vấn đề tốc độ định mức của motor Đặc diém ctia motor xoay chiều là tốc độ của motor phụ thuộc vào tần số và số cuộn bên trong mOtOT Thông thường ở tần số điện lưới cũng là tần số hoạt động tốt nhất (50/60H2) motor sẽ quay với tốc độ 1500 vòng/phút Như vậy ta sẽ phải giảm tốc độ của motor xuống 360 vòng/phút (tỷ số 1/3,75) bằng hộp giảm tốc gắn liền với mofOr Chúng tôi lựa chọn loại hộp giảm tốc đầu ngang để giảm chiều cao của khoang

`

-

chita motor

B Tính toán thông số cho phần ổn nhiệt

e Tính toán thông số cho hệ thống làm nóng

Dưa trên các chỉ tiêu chúng ta trong phần làm nóng là có khả năng làm tan; nhiệt độ của buồng 400 lít lên nhiệt độ 50° C từ nhiệt độ môi trường tron, khoảng thời gian là 30 phút, ta có thể tính được công suất của điện trở đốt nóng Theo công thức Q = C„x M x At trong đó Q là nhiệt lượng, Cụ là nhiệt dun riêng của không khí, M là khối lượng không khí cần gia nhiệt, At là khoảng các giữa nhiệt độ cần tới và nhiệt độ ban đầu Tuy nhiên chúng ta còn phải tính để các yếu tố làm tổn thất nhiệt lượng như: sự tổn thất nhiệt lượng ra vỏ, sự hấp th nhiệt của các vật thể trong buồng, khả năng trao đổi nhiệt giữa điện trở đốt nón

khô và không khí Sau khi tính toán và thử nghiệm chúng tôi kết luận công su

của điện trở đốt nóng khô phải lớn hơn 400W

Tuy nhiên đối với điện trở đốt nóng khô công suất lớn hơn 400W chúng không thể trao đổi nhiệt hiệu suất cao được với không khí có nghĩa là néu

điện trở nhiệt trực tiếp trong buồng lắc thì sẽ sinh ra hiện tượng nhiệt độ không

đồng đều giữa các điểm trong buồng Để có thể tạo ra một buồng lắc với nhiệt độ đồng đều thì ta phải tạo ra một buồng gia nhiệt riêng tách rời sau đó tạo một luồng lưu thông không khí tốc độ lớn giữa buồng gia nhiệt và buồng lắc

Sau đây là thông số của các linh kiện sử dụng và mô hình chúng tôi đề xuất:

“Điện trẻ đết táng khả

Quạt lơu thông không khí

Hình HII II: Mô hình buông gia nhiệt nóng Trong mô hình trên điện trở đốt nóng khô có công xuất 5OOW, quạt gió có khả năng tạo ra một lưu lượng gió khoảng 450m” khí trong một giờ

s _ Tính toán thông số cho hệ thống làm lạnh

Dựa trên chỉ tiêu là có thể làm lạnh cho khối khí trong buồng 400 lít xuống tới 10°C trong khoảng 30 phút ta có thể tính được công suất của hệ thống làu lạnh bằng cách tương tự như ở trên Tuy nhiên khả năng trao đổi nhiệt của giài lạnh với không khí là tốt hơn ở điện trở đốt nóng cho nên công xuất của hệ thốn; làm lạnh chỉ cần khoảng 300W Cũng do có khả năng trao đổi nhiệt tốt hơn ch‹ nên hệ thống lạnh ít gây ra hiện tượng không đồng đều trong buồng, do vay t: không cần phải chế tạo buồng gia nhiệt riêúg cho phần lạnh

Ta có hai phương pháp làm lạnh là: -

© Làm lạnh theo nguyên lý bán dẫn

o Lam ianh theo nguyên lý nén

Làm lạnh theo nguyên lý bán dẫn là phương pháp làm lạnh dựa trê tính chất của một cặp chất bán dẫn mà khi ta cho dòng điện một chiề chạy qua nó sẽ hút nhiệt trên một mặt và toả nhiệt trên một mặt

Sau đây là linh kiện làm lạnh bằng phiến bán dẫn có cung cấp trên thị

trường:

Catt Side

Blandard connector 7 8ovatsd with feat shrink tubing

Hot Sido

f+} Positive

Hinh HI.13: hinh dang tấm làm lạnh bán dân

Phương pháp làm lạnh này cho ta hệ thống nhỏ gọn, đáp ứng nhanh

nhưng để thực hiện cũng có những khó khăn như:

"- Độ dày miếng bán dẫn nhỏ cho nên bố trí vị trí khó

s,- phiển bản đấu Peltier

" Nguồn cấp cho miếng bán dẫn là một chiều dòng cao nên

chế tạo phức tạp Đối với phiến bán dẫn công suất lạnh 260W thì nguồn cung cấp là 16V, 35A

" Mặt lạnh của miếng bán dẫn chỉ hoạt động tot khi ta tén nhiệt tốt cho mặt nóng

Theo nguyên lý bảo toàn năng lượng thì ta sẽ thấy năng lượng tỏa ra ¢ mặt nóng cũng xấp xỉ với năng lượng hút vao G mat lanh ca tam Peltier Dc vậy nếu ta không phát tán hết năng lượng toả ra ở mặt nóng thì năng lượng

đó sẽ truyền sang phần mặt lạnh củả tấm Peltier Công suất làm lạnh củ: tấm Peltier sẽ xấp xỉ bằng công suất phát tán được nhiệt lượng bên mặt nóng của tấm

” Công suất của miếng bán dẫn chế tạo sẵn trên thị trường l¿ nhỏ

Đa số các dạng tấm Peltier bán trên thị trường là dạng công suất nh‹ chuyên dùng cho các ứng dụng công suất nhỏ như làm lạnh nước trong câ' nước uống, làm mát IC trong mạch

Làm lạnh bằng phương pháp nén môi chất là dựa trên nguyên lý tC nhiệt và hút nhiệt trong quá trình bay hơi và ngưng tụ Phương pháp này ¢

những ưu, nhược điểm sau:

“Hệ thống lớn, công kênh và nhiều khâu

phân tán hợp lý vào tổng thể máy

"Công suất của hệ thống có thể nâng cao tuỳ ý -

©o_ Nâng cao công suất của hệ thống làm lạnh có nghĩa là làm

tăng quá trình hút nhiệt của giàn lạnh, để đạt được mục

đích này chúng ta chỉ cần làm những việc sau:

o Tăng công suất hút nhiệt của giàn lạnh (nghĩa là tăng lượng môi chất hoá lỗng)

o Tăng khả năng trao đổi nhiệt của giàn lạnh (nghĩa là táng

bề mặt tiếp xúc của giàn lạnh với môi trường, dùng chất

liệu có hệ số trao đổi nhiệt cao làm bề mặt trao đổi nhiệt

với môi trường, tăng lượng không khí lưu thông qua bề mặt trao đổi nhiệt)

o Tang khả năng tan nhiệt của giàn nóng trong hệ thống

lạnh, để quá trình ngưng tụ điễn ra tốt hơn (thực chất cũng

là tăng bể mặt tiếp xúc, khả năng trao đổi nhiệt của vật liệu và lưu lượng khí đi qua bề mặt trao đổi nhiệt)

Sau khi xem xét các ưu, nhược điểm của hai hệ thống nói trên chúng tôi lựa chọn sử dụng hệ thống làm lạnh bằng nền dung môi

Mô hình thông số hệ thống đề xuất của chúng tôi như sau:

Máy nén công suất 320W, giàn lạnh công suất 400W, giàn nóng công

suất 400W

C Tính toán thông số cho phần mạch điều khiển

Sau khi đã lựa chọn thiết kế cho hệ thống lắc và hệ thống ổn nhiệt, chúng tô xin trình bày những nghiên cứu và tính toán cho việc điều khiển hai hệ thống trên Trước hết để điều khiển phần lắc ta cần thực hiện những việc sau: Đo tốc

độ, hiển thị tốc độ, điều khiển tốc độ, điều khiển phần lắc đóng ngắt đúng th 7 gian

tạo ra xung vuông ở đầu ra mắt kẹp.

Hình III.17: Cảm biến khi không bị chắn

Khi không có vật chấn ở giữa, transitor quang ở trạng thái thông điệt

trở giữa hai đầu C và E rất nhỏ hơn điện trở nối trên nguồn => điện áp điển

Khi có vật chắn ở giữa, transitor quang ở trạng thái ngắt điện trở giữa

hai đầu C và E rất lớn hơn điện trở nối trên nguồn => điện áp điểm đo gần -

bằng 5V,

Phần tạo ra do mắt kẹp bị chan Chu kỳ xung _ |

có thể đo được thời gian quay hết một vòng bằng độ rộng n chu kỳ, từ đó có

thể tính được tốc độ quay của motOr

e_ Vòng cảm ứng từ, là phương pháp sử dụng nguyên lý cảm ứng từ để tạo xung từ chuyển động quay, sau đó đo tần số của xung đó để tính

ra vận tốc quay của motor Cách thực hiện phương pháp này cũng giống với phương pháp trên nhưng bộ phận tạo xung là một vòng cảm ứng từ

Sau khi đã có dãy xung vuông thể hiện tốc độ của motOr, chúng ta cần

số hoá tần số của dãy xung đó, để số hoá tần số này chúng ta có thể thực

hiện bằng hai cách:

Đếm số xung tạo được trong một đơn vị thời gian:

Cách làm là sử dụng Vi điều khiển, đưa xung vào chân ngất (ntcrrup),

để ở chế độ ngắt sườn, tức là sẽ xảy ra ngất khi có sườn âm của xung Mỗi lần xảy ra ngất (ngắt ngoài) ta cho biến “đếm ngất” tăng lên 1

Bên cạnh đó, ta thiết lập bộ đếm của Vi điều khiển sao cho cứ sau một

khoảng thời gian nhất định lại xảy ra ngắt một lần Mỗi lần xảy ra ngắt (ngắt

bộ định thời), ta sẽ làm những việc sau: đọc giá trị của biến “đếm ngắt”, xcá

gần bằng khoảng thời gian đếm

Khoảng thời gian đêm

Hinh 11.20:Hinh vé biéu thi sai s6 ctta phuong pháp đếm xung

Đo độ dài của một chu kỳ xung:

Cách làm là sử dụng Vi điều khiển, đưa xung vào chân ngất, để ở chế

độ ngắt sườn, tức là sẽ sảy ra ngắt khi có sườn âm của xung

Bên cạnh đó chúng ta đặt bộ định thời ở chế độ đếm thời gian, vậy mỗi

khi có ngắt ngoài bộ định thời bắt đầu hoạt động với TL0, THO bằng 0, khi

nhận được ngắt ngoài tiếp theo ta cho bộ đếm ngừng hoạt động và đọc giá trị

từ thanh ghi TL0, THO Như vậy ta sẽ có được giá trị của một chu kỳ xung

Từ giá trị của một chu kỳ xung, ta có thể tính được tần số của xung, từ đó có

thể tính được tốc độ quay của motor

Tuy nhiên, phương pháp đo này bị hạn chế bởi dung lượng của thanh

shi trong bộ định thời, nếu thời gian của một chu kỳ qua dai thi thanh gai

của bộ định thời sẽ bị vượt qua giá trị tối đa, khi đó thanh ghi sẽ bị tràn, dẫn đến tính toán sai nhầm tốc độ motor Như vậy nếu tốc độ motor chậm đến một giá trị nào đó thì hệ thống sẽ không đo được Ngoài ra, nếu sử dụng

3Ð

phương pháp này để đo tần số xung thì ta thấy tốc độ lấy mẫu của hệ thống phụ thuộc vào tần số của xung dao động, nếu tần số dao động (hay tốc độ motor) lớn thì tốc độ lấy mẫu sẽ nhanh, nếu tần số dao động (hay tốc độ motor) nhỏ thì tốc độ lấy mẫu sẽ chậm

Thêm vào đó, nếu tốc độ mofor quá nhanh thì phép đo sẽ có sai số lớn

Cụ thể là nếu xung tạo ra có một chu kỳ gần bằng một đơn vị thời gian cua

hai phương pháp này là đo khá chính xác Nhược điểm của hai phương 4r này là đải đo tốc độ sẽ hạn chế, không thể rộng thoải mái Phương phát dùng mắt thu phát hồng ngoại có nhược điểm là phải đảm bảo đĩa chắn sáng

tạo xung luôn sạch, nếu không sạch có thể gây ra xung giả, dẫn đến tín

toán sai nhầm.

e Do tan s6 cấp cho motor, đối với phương pháp điều khiển vận tốc

motor bằng thay đổi tần số cấp cho motor thì tần số cấp cho motor sẽ quyết `

định vận tốc quay của motor Do vậy ta có thể đo tần số cấp cho motor để

tính ra tốc độ quay của motor

Phương pháp này chỉ là một phương pháp cụ thể ứng dụng trong trường

hợp Motor xoay chiều được điều khiển bởi biến tần Trường hợp này biến

tần tạo ra một dòng điện đủ công suất với tần số phụ thuộc tốc độ mong

Tnuốn của motOr

Trên thực tế, nếu thiết kế kết nối giữa motor và biến tần phù hợp các thông số kỹ thuật (công xuất hoạt động của biến tần phải lớn hơn công xuất tiêu thụ của motor ) và các thiết bị hoạt động tốt thì ta thấy khi biến tần cung cấp một tần số nhất định thì motor sẽ quay ở một tốc độ tương ứng Và tần số biến tần cung cấp là do mạch điều khiển truyền cho biến tần Như

vậy, về nguyên tắc ta có thể thấy mạch điều khiển cung cấp thông số quy

định tốc độ motor, nếu chúng ta muốn kiểm tra phan hồi ta có thể lấy tín

hiệu phản hồi tại một số điểm

Lây tín hiệu phân hội 1.ây tinbiệu phần hội

Hình IHIIL22: Hình vẽ sơ đồ khối chỉ ra một số điểm có thể lấy tín hiệt

phản hồi

Theo phương pháp đo tần số cấp cho motor thì ta lấy tín hiệu phản hồi

tại điểm giữa biến tần và motor Sau khi xử lý biến đổi tín hiệu, ta có thé lay

được tín hiệu đỉnh 5V có tần số bằng tần số cấp cho motor, dùng phương pháp đo tân số đo ở phần trên ta sẽ kiểm tra được biến tần có hoạt động đúng không

b) Phần điều khiển tốc độ motor:

Thực hiện việc này ta co những phương pháp sau:

e Tăng giảm điện áp cấp cho motor

Khi giảm điện áp cấp cho motor từ điện áp định mức suống, tức là giảm cường độ của véc tơ từ trường quay, sẽ sảy ra hiện tượng trượt tức là hiện tượng từ trường không đủ mạnh để kéo rô to chuyển động dẫn đến motor bỏ

lỡ một số vòng quay Phương pháp này nếu dùng cho mofor công suất lớn sẽ

có nhược điểm là sinh nhiệt lớn, tăng giảm không tuyến tính và tốc độ ngoài phụ thuộc vào điện áp cấp còn phụ thuộc vào cả tải trọng

e Tăng giảm dòng hiệu dụng cấp cho motor (còn gọi là phương phar

băm xung)

Phương pháp này về nguyên lý cũng giống phương pháp trên nhưng không giảm điện áp cấp mà ta giảm dòng hiệu dụng cấp cho motor bằng cách giảm thời gian cấp nguồn cho mofor trong mỗi chu kỳ Và tất nhiêr phương pháp này cũng gặp phải các nhược điểm như ở trên

e© Tăng giảm tần số cấp cho motor

Phương pháp này trên lý thuyết là không làm thay đổi hiệu suất củ:

motor khi thay đổi tốc độ, nghĩa là sẽ không làm tăng sinh nhiét trén motor Chúng ta có thể thực hiện phương pháp này bằng cách chỉnh lưu điện áp lướ

xoay chiều thành điện áp một chiều, sau đó tạo ra một đao động có tần số

điều chỉnh được để điều khiển điện áp một chiều trên bằng một linh kiên công suất (thyrisfor, transitor ) để tạo ra được một điện ấp xoay chiều biên

độ lớn, tần số điều chỉnh được

Sau khi xem xét đánh giá các ưu nhược điểm của các phương pháp trên chúng tôi đưa ra một lựa chọn đề xuất là sử dụng phương pháp điều khiển tốc độ cho motor là phương pháp biến đổi tần số, phương pháp đo tốc độ của

motor là phương pháp đo tần số dòng điện cung cấp cho mmotor

c) Phần điều khiển Ổn nhiệt:

Trước hết đối với hệ thống làm nóng, ta cần phải điều khiển được công suất của điện trở đốt nóng Công suất tối đa của điện trở đốt nóng là 500W, tức là khi cấp điện lưới cho điện trở thì dòng đi qua nó sẽ là 2,27 Ampe, có

hai cách để điều chỉnh công suất của điện trở đốt nóng

O Tăng giảm điện áp cấp cho điện trở

o Bam xung để tăng giảm đòng hiệu dụng cấp cho điện trở

Phương pháp tăng giảm điện áp cấp cho điện trở được thực hiện như sau: Ta dùng một linh kiện công suất cấp điện cho điện trở theo sơ đồ nối tiếp nếu linh kiện công suất này mở hoàn toàn thì công suất của điện trở đốt nóng là 100%, còn nếu linh kiện công suất không mở hoàn toàn thì điện áp nguồn cấp sẽ rơi một phần trên linh kiện, một phần trên điện trở đốt nóng Tuy nhiên phần điện áp rơi trên linh kiện công suất sẽ tạo ra một nhiệt lượng

đáng kể làm giảm tuổi thọ của linh kiện