Thiết kế và thi công máy rửa dùng sóng siêu âm trong công nghiệp

Trong công đoạn bảo trì thì một trong những phần quan trọng nhất là tẩy rửa các thiết bị, máy móc bị rỉ sét hoặc tạp chất bám vào… Các công nghệ làm sạch truyền thống tẩy rửa bằng thủ c

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY RỬA

DÙNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHIỆP

GVHD: ThS HÀ A THỒI SVTH: ĐINH HÀ TRUNG MSSV: 15341033

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01/2017

S K L 0 0 4 5 4 3

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử Truyền Thông Mã ngành: 141

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY RỬA DÙNG SÓNG SIÊU ÂM

TRONG CÔNG NGHIỆP

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

Máy rửa có công suất 60W tần số làm việc 40Khz

2 Nội dung thực hiện:

- Tổng hợp lý thuyết về máy rửa siêu âm, các thành phần liên quan đến máy rửa

- Khảo sát máy rửa đang có trên thị trường

- Thiết kế sơ đồ tổng thể máy rửa siêu âm

- Viết chương trình cho VĐK PIC 16F887

- Thiết kế mạch tạo xung

- Thiết kế mạch công suất cao tần

- Đo đạc các thông số theo yêu cầu

- Lắp ráp thi công hệ thống

- Cân chỉnh hệ thống

- Viết sách luận văn

- Báo cáo đề tài tốt nghiệp

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM

Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp

Tp.HCM, ngày… tháng….năm 2016

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG BỂ RỬA SIÊU ÂM DÙNG TRONG CÔNG NGHIỆP

Tuần/ngày Nội dung nhận Xác

GVHD

Tuần 1 Tìm hiểu, lựa chọn đề tài, gặp giáo viên hướng dẫn

Tuần 2 Tìm hiểu tổng quan các phương pháp thực hiện đề tài

Tuần 3 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, nguyên tắc tạo ra sóng siêu âm, khảo sát

các máy rửa thực tế có trên thị trường

Tuần 4 Tìm hiểu về các loại biến tử siêu âm, thiết bị gia nhiệt, mạch công

suất, mạch tạo xung, mạch nguồn, bể rửa

Tuần 5,6,7 Tính toán, lựa chọn linh kiện, vật liệu, mô phỏng và thiết kế mạch tạo

xung, mạch công suất, mạch nguồn, mạch điều khiển, thiết kế, thi công phần khung cho bể rửa

Tuần 8,9,10,11 Thi công mạch (điều khiển, hiển thị, mạch nguồn, công suất)

Tuần 12 Lắp ráp, vận hành thử hệ thống, đo đạc, kiểm tra các thông số

Tuần 13 Hoàn thiện hệ thống, viết báo cáo

Tuần 14 Chạy thử hệ thống, sửa lỗi phần cứng và phần mềm

Tuần 15 Hoàn thiện báo cáo, nộp báo cáo, gặp giáo viên phản biện

GV HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ và tên)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi Đinh Hà Trung cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dựa vào một số tài liệu trước đó và dưới sự hướng dẫn của Giảng Viên Hà A Thồi

Các kết quả tính toán công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kì công trình nào khác

LỜI CẢM ƠN

Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Hà A Thồi - Giảng viên bộ môn Điện

Tử Công Nghiệp, người đã hướng dẫn tận tình và rất khoa học từ lúc bắt đầu làm đồ án cho tới những ngày cuối cùng

Em chân thành cảm ơn bạn Huỳnh Nguyên Trà, Nguyễn Phú Quý, Nguyễn Văn Đoài, Dương Văn Tuấn đã có những chia sẻ về những khó khăn và kinh nghiệm khi làm việc thực tế với mạch điện tử công suất

Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài

Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 153410A, B đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài

Cảm ơn cha mẹ đã không ngừng hỗ trợ kinh phí thực hiện đồ án

Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 1

1.4 Giới hạn 1

1.5 Bố cục 2

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 Tổng hợp lý thuyết sóng siêu âm 4

2.1.1 Bản chất của sóng âm 4

2.1.2 Sóng siêu âm đặc điểm 4

2.1.3 Các đại lượng đặc trưng của sóng 5

2.2 Công nghệ làm sạch 8

2.2.1 Công nghệ làm sạch truyền thống 8

2.2.2 Làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm 8

2.2.3 Nguyên lý làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm 9

2.2.4 Quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm 9

2.2.5 Ưu điểm công nghệ tẩy rửa bằng sóng siêu âm 12

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm 13

2.3.1 Quan hệ giữa tần số và kích thước của bong bóng 13

2.3.2 Tác dụng của hóa chất 15

2.3.3 Tác dụng của nhiệt độ 16

2.3.4 Thời gian cần thiết để làm sạch 17

2.3.5 Công suất siêu âm và thể tích bể rửa 17

2.4 Biến tử siêu âm trong tẩy rửa, phân loại biến tử theo cấu tạo 17

2.4.1 Biến tử áp điện 18

2.4.2 Biến tử từ giảo 20

2.5 Vi điều khiển PIC 16F887 21

2.6 MOSFET 23

2.6.1 Cấu tạo của Mosfet 23

2.6.2 Nguyên lý hoạt động 25

2.7 Biến áp xung 25

2.8 Nghịch lưu 26

2.9 Khảo sát máy rửa siêu âm và biến tử siêu âm có trên thị trường 26

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 29 3.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 29

3.2 Thiết kế khối công suất 30

3.2.1 Tính toán biến áp xung có công suất phù hợp với mạch 30

3.3 Thiết kế khối điều khiển 40

3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 41

3.5 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 43

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 45 4.1 Thi công hệ thống 45

4.1.1 Thi công bo mạch 45

4.1.2 Lắp ráp và kiểm tra 50

4.2 Thi công mô hình 50

4.3 Lập trình hệ thống 51

4.4 Hướng dẫn sử dụng 52

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 53 5.1 Mạch điều khiển 53

5.2 Mạch công suất 53

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 55 6.1 Kết luận 55

6.2 Hướng phát triển đề tài 55

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình Trang

Hình 2.1: Các dạng cân bằng 4

Hình 2.2: Biểu diễn dạng sóng 6

Hình 2.3: Các vùng giãn và nén 6

Hình 2.4: Quá trình tẩy rửa 1 10

Hình 2.5: Quá trình tẩy rửa 2 11

Hình 2.6: Quá trình tẩy rửa 3 11

Hình 2.7: Quá trình tẩy rửa 4 12

Hình 2.8: Quá trình tẩy rửa 5 12

Hình 2.9: Quan hệ giữa tần số và kích thước bong bóng 14

Hình 2.10: Hiệu ứng áp điện thuận 18

Hình 2.11: Hiệu ứng áp điện nghịch 19

Hình 2.12: Cấu tạo biến tử 20

Hình 2.13: Hiệu ứng từ giảo nghịch 21

Hình 2.14: Vi điều khiển PIC16F887 23

Hình 2.15: Cấu tạo Mosfet 24

Hình 2.16: Ký hiệu Mosfet 24

Hình 2.17: Biến áp xung 25

Hình 2.18: Biểu diễn điện áp ngõ vào và ngõ ra của mạch nghịch lưu 26

Hình 2.19: Máy rửa siêu âm gia nhiệt Derui DR-MH100 10 lít 27

Hình 2.20: Biến tử siêu âm trong tẩy rửa 28

Hình 3.1: Biến áp xung tính toán được 31

Hình 3.3: Điện áp chuẩn ngõ ra mạch nghịch lưu 33

Hình 3.4: Lựa chọn mosfet 34

Hình 3.5: Mạch kích mosfet 35

Hình 3.6: Biểu đồ thời gian đóng cắt mosfet từ datasheet 36

Hình 3.7: Hàm tạo dead-time 37

Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng Proteus 37

Hình 3.9: Dạng sóng ngõ ra PIC và ngõ vào cực G của mosfet 38

Hình 3.10: Điện áp ngõ ra kích cho biến tử 39

Hình 3.11: Mạch điều khiển 40

Hình 3.12: Mạch nguồn 155V cấp cho sơ cấp 41

Hình 3.13: Mạch nguồn 12V cấp cho mosfet 42

Hình 3.14: Mạch nguồn 5V cấp cho mạch điều khiển 42

Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 43

Hình 4.1: Sơ đồ layout linh kiện 45

Hình 4.2: Mạch điều khiển sau khi thi công 47

Hình 4.3: Quấn biến áp xung 48

Hình 4.4: Mặt sau mạch công suất sau khi thi công 48

Hình 4.5: Mặt trước mạch công suất sau khi thi công 49

Hình 4.6: Mạch nguồn 49

Hình 4.7: Lắp ráp bể rửa siêu âm 49

Hình 4.8: Mạch công suất và mạch nguồn sau khi đã lắp ráp xong 50

Hình 4.9: Mô hình máy rửa sau khi thi công 51

Hình 4.10: Chương trình điều khiển hệ thống bật tắt 51

Hình 5.1: Kết quả tẩy rửa 53

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2.1: Một số dung dịch tẩy rửa thông dụng 15

Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật máy rửa siêu âm 27

Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật biến tử siêu âm 28

Bảng 3.1: Bảng thông số kĩ thuật của IRF840 34

Bảng 3.2: Bảng thông số PC847 ở nhiệt độ 25℃ 35

Bảng 4.1: Thông số và số lượng các linh kiện cần mua 45

TÓM TẮT

Ngày nay nền sản xuất công nghiệp ngày càng hiện đại, các dây truyền sản xuất yêu cầu có những sản phẩm đầu vào và đầu ra sạch hoặc là cực kì sạch Do đó công nghệ tẩy rửa phải đáp ứng kịp với các yêu cầu khắt khe của việc tẩy rửa như quy trình tẩy rửa phải nhanh, rửa các thiết bị có cấu tạo phức tạp, ngóc ngách bên trong thiết bị, ít ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Từ vấn đề đặt ra, đề tài thiết kế và thi công máy rửa siêu âm trong công nghiệp được lựa chọn Đề tài là mô hình máy rửa sử dụng vi điều khiển PIC 16F887 tạo xung kích tới mạch công suất tạo ra điện áp và tần số cao cấp cho biến tử Biến tử sẽ tạo ra dao động cơ học với tần số 40khz

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay nền sản xuất công nghiệp đang có những bước tiến vượt bậc, đi đôi với

đó cần có các phương tiện kĩ thuật để bảo trì các hệ thống Trong công đoạn bảo trì thì một trong những phần quan trọng nhất là tẩy rửa các thiết bị, máy móc bị rỉ sét hoặc tạp chất bám vào…

Các công nghệ làm sạch truyền thống (tẩy rửa bằng thủ công) đã không còn đáp ứng được những yêu cầu mới đề ra, như là tẩy rửa các thiết bị có cấu tạo phức tạp, nhiều ngóc ngách nhỏ, có thể làm chày xước thiết bị máy móc do tác động cơ học không mong muốn Vì thế máy rửa siêu âm ra đời để khắc phục các nhược điểm trên

Đề tài khóa trước đã nghiên cứu và thực hiện máy rửa hoa quả dùng sóng siêu âm, nhưng kết quả chưa như mong đợi nên nhóm em quyết định thực hiện đồ án về máy rửa siêu âm nhưng với hướng đối tượng là các thiết bị, máy móc trong công nghiệp

1.2 Mục tiêu

Sử dụng vi điều khiển PIC16F887 điều khiển hệ thống mạch công suất, tính toán công suất phù hợp cho đối tượng cần tẩy rửa

1.3 Nội dung nghiên cứu

 Khảo sát máy rửa siêu âm đang có trên thị trường

 Tổng hợp lý thuyết về máy rửa siêu âm, các thành phần liên quan đến máy rửa

 Lựa chọn phương án thiết kế mạch công suất, mạch tạo xung phù hợp với khả năng và kiến thức lý thuyết đã được học

 Lựa chọn tần số phù hợp với nhu cầu thiết kế, tác động của tần số đến khả năng tẩy rửa

1.4 Giới hạn

 Dung tích máy rửa 4 lít, sử dụng biến tử phát sóng siêu âm với tần số 40Khz, công suất 60 Watt

 Điều khiển các khối dùng vi điều khiển PIC 16F887

 Hệ thống điều khiển cho phép người dùng chọn khởi động hoặc dừng lại hệ

1.5 Bố cục

 Chương 1: Tổng Quan

 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

 Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế

 Chương 4: Thi công hệ thống

 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Nội dung các chương như sau:

 Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày tổng quan về đề tài nghiên cứu, các nhiệm vụ, các giới hạn

và hướng đi của đề tài phải thực hiện

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về sóng siêu âm, biến tử siêu âm, cấu tạo biến tử siêu âm trong thực tế, các mạch dao động tạo xung, các linh kiện điện tử dùng trong mạch công suất, các loại máy rửa có trên thị trường, giới thiệu về vi điều khiển PIC16F887 và biến áp xung

 Chương 3: Tính toán và thiết kế

Nội dung chương này Đề cập đến các yêu cầu của kỹ thuật của máy rửa bằng sóng siêu âm và các tính toán, thiết kế và lựa chọn mạch công suất, mạch tạo xung, thể tích bể rửa… tính toán linh kiện thiết kế Mô phỏng mạch công suất trên các phần mềm có hỗ trợ trước khi đưa vào thi công

 Chương 4: Thi công hệ thống

Chương này gồm các bước thi công hệ thống, chuẩn thiết kế lưu đồ giải thuật cho

hệ thống và hướng dẫn sử dụng hệ thống

 Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Chương này trình bày kết quả thực hiện, các thông số đo đạc được và chỉnh sửa, các nhận xét về ưu điểm, nhược điểm và đánh giá so với mục tiêu của đề tài

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương này trình bày kết luận nghiên cứu đề tài và đề ra các giải pháp phát triển cho đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng hợp lý thuyết sóng siêu âm

Sóng siêu âm cũng là một sóng cơ và có các tính chất căn bản thông qua các thông

số như tần số, bước sóng…

2.1.1 Bản chất của sóng âm

Các môi trường chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau Lúc bình thường, mỗi phần tử có một vị trí cân bằng bền [1]

Hình 2.1: Các dạng cân bằng Nếu tác động một lực lên một phần tử A nào đó bên trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phần tử A bị kéo về vị trí cân bằng, một mặt nó cũng chịu tác dụng bởi lực tác động nên phần tử A sẽ di chuyển qua – lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phần tử A thực hiện chuyển động dưới dạng dao động Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường Dạng dao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ, nói một cách khác, sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng

2.1.2 Sóng siêu âm đặc điểm

Sóng âm là dao động của các hạt của chất rắn, chất lỏng và chất khí, đó là các chất đàn hồi Nói một cách khác sóng âm thanh là sóng đàn hồi lan truyền trong môi trường đàn hồi cũng có nghĩa là mọi vật thể đàn hồi đều lan truyền được sóng âm thanh

Tùy theo dải tần người ta phân chia sóng đàn hồi thành các vùng sau:

 Sóng siêu âm mang năng lượng lớn hơn sóng âm (chẳng hạn với cùng một biên

độ dao động, năng lượng sóng tại tần số 1Mhz lớn gấp 106 lần năng lượng sóng tại tần số 1Khz)

 Trong cùng một môi trường truyền sóng, sóng siêu âm có bước sóng ngắn nên có tính định hướng cao, năng lượng sóng truyền đi theo một phương nhất định Lợi dụng tính chất này người ta có thể chế tạo các hệ hội tụ để tập trung năng lượng lớn trên một diện tích hẹp

 Trong dải sóng siêu âm với một điều kiện nhất định xuất hiện hiện tượng xâm thực sóng xảy ra trong chất lỏng Tính chất này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng

 Hiệu ứng Doppler

2.1.3 Các đại lượng đặc trưng của sóng

Hình bên dưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất

Hình 2.2: Biểu diễn dạng sóng

Hình 2.3: Các vùng giãn và nén Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:

• Chu kỳ T = (s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn

• Tần số f = (Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây

• Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một đơn vị thời gian

• Độ dài bước sóng λ = (μm): là quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ (λ = v.T = v/f) Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng λ là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau

c Vận tốc

Tốc độ năng lượng được truyền giữa hai điểm trong môi trường bởi sự chuyển

động của sóng được gọi là vận tốc v của sóng

d Sự hấp thụ sóng siêu âm của môi trường truyền sóng

Trong quá trình lan truyền sóng trong môi trường, cường độ sóng bị suy giảm dần do sự hấp thụ của môi trường và do sự tán xạ của sóng Sự suy giảm năng lượng phụ thuộc vào các yếu tố:

- Tính dẫn nhiệt, hệ số ma sát, tính không đồng nhất của môi trường

K: hệ số dẫn nhiệt của môi trường

Cp: nhiệt riêng tại áp suất cố định

Lúc này biên độ dao động tính theo biểu thức:

𝐴𝑥 = 𝐴𝑜𝑒−𝑥

Như vậy khi biết biên độ dao động tại vị trí x người ta có thể biết được hệ số hấp thụ sóng của môi trường

• Quy trình rửa nhanh, đơn giản, không đòi hỏi công nghệ cao

• Rẻ tiền

• Không thể rửa được những thiết bị có cấu tạo phức tạp, có khe hở

hẹp, ngóc ngách nhỏ bên trong thiết bị

• Gây xước bề mặt do dùng bàn chải hoặc chổi

• Biến dạng bề mặt, cấu trúc gây gẫy vỡ các chi tiết nhỏ, mỏng của

thiết bị

2.2.2 Làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm

[2] Ngày nay nền sản xuất công nghiệp ngày càng hiện đại các dây chuyền sản xuất ra đời bảo đảm sản xuất hàng triệu sản phẩm cùng loại trong một năm Thực tế này đòi hỏi chất lượng, độ đồng đều kích thước, độ lặp lại rất cao để bảo đảm lắp lẫn một cách dễ dàng, tốn ít thời gian công sức và hạ giá thành sản phẩm Để đạt được điều đó các dây chuyền công nghệ thường trang bị nhiều thiết bị rửa siêu âm trong các công đoạn khác nhau Bảo đảm làm sạch “tuyệt đối” bề mặt của các sản phẩm trước khi bước

sang công đoạn gia công khác trên sản phẩm đó Công nghệ rửa siêu âm đặc biệt rất cần trong công nghiệp chế tạo các bản mạch điện tử có mật độ linh kiện cao, trong các thiết

bị chế tạo các chi tiết cơ khí bằng kim loại, có hình dáng ngóc ngách, nhiều lỗ nhưng, phải có độ sạch, độ cứng, độ chính xác cao Công nghệ rửa siêu âm giúp chúng ta

xử lý các bụi bẩn trên bề mặt chi tiết trên trước khi đưa vào công đoạn phủ mặt, làm bóng bề mặt

2.2.3 Nguyên lý làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm

Sóng siêu âm là sóng có tần số lớn hơn 18kHz, ở tần số này người không thể nghe thấy được[2]

Trong máy rửa siêu âm tần số sóng thường nằm trong dải từ 20kHz - 200kHz Sóng siêu âm dùng trong các máy rửa siêu âm áp dụng cho các dây chuyền sản suất và làm sạch các dụng cụ y tế có tần số lớn từ 10kHz - 50kHz Các máy rửa siêu âm dùng tần số cao hơn 50kHz được ứng dụng để rửa các dụng cụ quang học, màng lọc sinh học, công nghiệp, máy làm sạch răng ở các bệnh viện

Sóng siêu âm ở các máy rửa siêu âm là sóng cơ và nó mang đầy đủ các tính chất vật lý như phương thức truyền, tính phản xạ, giao thoa sóng,… trong các môi trường truyền khác nhau

Khi một sóng cơ học được tạo ra trong không khí hay trong chất lỏng, dưới tác dụng của áp suất một lượng vật chất được dồn nén tạo thành các con sóng, sóng này được dịch chuyển về phía có áp suất thấp hơn và được lan truyền theo các hướng khác nhau nhưng mạnh hơn cả vẫn là hướng thẳng trực tiếp của lực đẩy Chùm sóng này chứa

vô số chùm sóng có tần số cao hơn tạo nên vì vậy xuất hiện trong búp sóng vô vàn các búp sóng nhỏ thường được gọi là bong bóng Kích thước những bong bóng này phát triển khá đa dạng, thông thường phụ thuộc vào tần số của sóng siêu âm Sóng siêu âm càng cao kích thước sóng bong bóng càng nhỏ

Những bong bóng này di chuyển kế tiếp nhau trong môi trường chất lỏng cho đến khi đập vào bề mặt vật cản trên đường truyền sóng Dưới tác dụng lực nén của sóng các bong bóng vỡ tung tạo ra các vụ nổ, bắn các hạt chất lỏng trực tiếp vào bề mặt vật Những vụ bắn phá này chia cắt các màn chất bẩn, bụi cặn phủ trên bề mặt và kéo chúng

ra khỏi vật khi có áp suất âm xuất hiện trong lòng chất lỏng gần sát bề mặt vật

Khi cấp điện cho cảm biến siêu âm, cảm biến này tạo ra những dao động sóng cơ trên bề mặt của nó với tần suất lớn hơn 20.000 dao động/giây Sóng cơ này được truyền trực tiếp vào thép không rỉ của bể rửa siêu âm và tạo ra những xung kích có tần số cao trong lòng chất lỏng của bể rửa siêu âm Dưới tác động của những xung kích cơ học tần

số cao vô số bong bóng kích thước nhỏ được tạo ra trong thời gian ngắn và được truyền theo mọi hướng trong lòng chất lỏng và sự dịch chuyển này tuân thủ hoàn toàn các định luật của sóng cơ trong chất lỏng Những chùm bong bóng dịch chuyển lên phía trước và đập vào bề mặt của vật cần rửa tạo ra một sự bắn phá cơ học lên bụi bẩn bám trên bề mặt Dưới tác động lực bắn phá này thì những bụi bẩn bị tách ra khỏi bề mặt và dễ dàng tan vào dung môi tẩy rửa nhờ tác dụng của hóa chất Như vậy bọt càng nhỏ khả năng chui sâu càng lớn do đó có tác dụng tẩy rửa bề mặt của các vật có các lỗ hoặc có cấu tạo ngoằn nghèo phức tạp, mà công nghệ rửa thông thường không thể nào đạt được Các hình dưới đây mô tả quá trình tẩy rửa bề mặt của một vật :

Hình 2.4: Quá trình tẩy rửa 1

Để cho dung dịch tẩy rửa hòa tan được các hạt bụi bẩn điều cần thiết là dung dịch cần phải được tiếp xúc trực tiếp với hạt bụi Trong trường hợp này quá trình tẩy rửa đóng vai trò tạo sự tiếp xúc giữa hóa chất hoặc bụi bẩn

Khi hóa chất hòa tan bụi bẩn thì một lớp hóa chất gần sát bề mặt của vật dần dần

bị bão hòa do vậy tác dụng hòa tan của nó ngày một dày như vậy quá trình tảy rửa bị chậm lại hoặc mất hẳn Để quá trình làm sạch nhanh hơn cần bổ xung thường xuyên hóa chất tẩy rửa mới (xem hình dưới)

Hình 2.5: Quá trình tẩy rửa 2 Với việc tạo bọt sóng và bắn phá bề mặt bằng bọt sóng, sóng siêu âm đã làm tăng hiệu suất tẩy rửa bằng cách hạn chế sự hình thành lớp hóa chất bão hòa tạo điều kiện cho lớp hóa chất tích cực trực tiếp tiếp xúc với bề mặt vật cần rửa

Hình 2.6: Quá trình tẩy rửa 3 Một vài bụi bẩn không hòa tan mà chỉ bám một cách lỏng lẻo trên bề mặt của vật nhờ lực liên kết ion hoặc lực Cohesive Những bụi bẩn này dễ dàng bị loại bỏ bằng cách cưỡng bức một lực lớn hơn lực bám dính của nó với bề mặt là bụi bẩn đã được tách ra khỏi bề mặt một cách dễ dàng Xem hình dưới :

Hình 2.7: Quá trình tẩy rửa 4

Để quá trình tẩy rửa siêu âm đạt hiệu quả cao đòi hỏi dung dịch tẩy rửa phải dính ướt được các hạt bụi bẩn cần làm sạch

Hình 2.8: Quá trình tẩy rửa 5 Trong thực tế có rất nhiều dạng bụi bẩn khác nhau có thể tan hoặc không tan trong dung dịch tẩy rửa Để công nghệ rửa siêu âm có hiệu quả cần phải chọn chất tẩy rửa phù hợp cũng như cung cấp năng lượng siêu âm cần thiết và yếu tố nhiệt độ cũng không kém phần quan trọng thúc đẩy quá trình làm sạch bề mặt

2.2.5 Ưu điểm công nghệ tẩy rửa bằng sóng siêu âm

Khác với các kiểu tẩy rửa khác sóng siêu âm thông qua các bong bóng có thể tiếp cận với các điểm khác nhau về độ sâu, độ ngoắt nghéo, và rửa sạch bề mặt của vật có

 Tính làm sạch ổn định chắc chắn là không gì sánh nổi Tác dụng làm sạch đồng đều của sóng siêu âm đối với tất cả các vật có kích lớn hay nhỏ, đơn giản hay phức tạp, đơn lẻ hay rửa nhiều bộ phận trong một lượt Công nghệ rửa siêu âm giúp ta làm sạch kỹ lưỡng hoàn hảo các chất bẩn trên toàn bộ bề mặt vật và không phụ thuộc vào người vận hành

 An toàn và đúng quy định về môi trường từ việc giảm bớt nồng độ hóa học nguy hiểm hay có thể thay thế được của sự ăn mòn chất làm sạch trung gian

 Làm giảm bớt sự tiếp xúc trực tiếp của người vận hành với chất làm sạch nguy hiểm

 Tiết kiệm năng lượng, nhân lực và giá thành thấp

 Máy rửa siêu âm mang lại giá trị năng suất thực sự cho ứng dụng làm sạch chính xác

2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm 2.3.1 Quan hệ giữa tần số và kích thước của bong bóng

Tần số cao tạo ra kích thước bong bóng nhỏ hơn tần số thấp Những bong bóng

có kích thước nhỏ có thể tạo ra trong một giãn cách nhỏ hơn một bong bóng có kích thước lớn Hình bên dưới thể hiện kích cỡ của bọt bong bóng so vơi tần số

Hình 2.9: Quan hệ giữa tần số và kích thước bong bóng

Cường độ sóng kích trong nước được tạo ra các sự kích nổ bong bóng có quan

hệ trực tiếp đến kích thước của bọt bong bóng Đối với những bọt bong bóng kích thước lớn thường do sóng kích có cường độ lớn tạo nên Kích thước của bong bóng tỉ lệ nghịch với tần số siêu âm do đó những kích thước bong bóng lớn thường được tạo ra bởi tần số thấp Những sóng được tạo ra ở tần số thấp thì thời gian giữa hai búp sóng dài cho phép quá trình hình thành và phát triển các bọt bong bóng có thời gian lớn hơn Số lượng các bong bóng tăng theo sự tăng của tần sô Nếu công suất siêu âm đầu vào không đổi thì những bọt bong bóng được tạo ra ở tần số thấp có khả năng kích nổ mạnh hơn những bong bóng tạo ra ở tần số cao

Ứng dụng

Na3PO4

NaCl

30 g/l 5-25 g/l

rất bẩn Thủy tinh lỏng

Rửa các chi tiết rất bẩn

Lựa chọn hợp chất hóa học thích hợp đặc biệt quan trọng để mang lại thành công toàn diện cho quy trình làm sạch bằng kỹ thuật sóng siêu âm Sự lựa chọn thành phần hóa học này phải được tương thích với thành phần base kim loại được rửa và có khả năng tẩy rửa chất bẩn [3] Nó cũng phải có phải có khả năng tạo sự sủi bong bóng tốt Hầu hết những chất tẩy rửa hóa học có thể được sử dụng thuận lợi với kỹ thuật sóng siêu âm Chúng có những công thức đặc biệt để sử dụng cho kỹ thuật rửa siêu âm

2.3.3 Tác dụng của nhiệt độ

Nhiệt độ được coi là tham số quan trọng nhất trong việc tạo ra cường độ cực đại của bong bóng [2] Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi độ nhớt, khả năng hòa tan của khí trong chất lỏng, mức độ khuếch tán của khí trong chất lỏng và áp suất hơi Ở nước tinh khiết thì mức độ tạo bong bóng đạt đến cực đại ở nhiệt độ gần 160℉ (~ 71℃)

Độ nhớt của chất lỏng làm giảm rất nhiều các cường độ tạo bong bóng Đa số các loại chất lỏng có độ nhớt giảm khi nhiệt độ tăng Để việc tạo bong bóng có hiệu quả cao chất lỏng cần phải chứa lượng khí hòa tan nhỏ nào đó Khí hòa tan ở trong chất lỏng sẽ được giải phóng trong quá trình tạo bong bóng và nó ngăn cản sự vỡ bong bóng dạng cưỡng bức Trên thực tế khi nhiệt độ tăng, lượng khí hòa tan trong chất lỏng giảm Sự khuếch tán của khí hòa tan tăng khi nhiệt độ tăng

Khi nhiệt độ trong chất lỏng tăng quá cao dẫn đến chất lỏng gần tới cái quá trình bay hơi như vậy quá trình tạo bong bóng bằng hơi rất dễ xảy ra Những bong bóng chứa đầy hơi tăng thì cường độ của bong bóng này giảm và một vài nơi trong bể bắt đầu bốc hơi

Ảnh hưởng nhiệt độ:

 Hiệu suất siêu âm tốt nhất là khoảng 65% Điểm sôi của chất lỏng trong sử dụng

 Nhiệt độ trên 65% của điểm sôi sẽ giảm chà lực của hệ thống

 Hầu hết các chất tẩy rửa siêu âm Sử dụng nhiệt độ giữa 54 và 82℃

 Khi sử dụng vật liệu có tính axit, Sử dụng nhiệt độ thấp nhất có thể để giảm thiệt hại của bề mặt bể rửa siêu âm

Nhiệt độ phù hợp cho các đối tượng cần tẩy rửa:

 Hầu hết các bộ phận công nghiệp được làm sạch tốt nhất ở nhiệt độ 50-70 ℃, nhất là khi làm sạch những bộ phận của kính hiển vi

 Các phần tử điện, điện tử được làm sạch tốt nhất ở 45-55℃

 Các vật dụng ảnh hưởng bởi khí đốt có thể phải làm sạch ở nhiệt độ cao nhất lên đến 80℃

 Đối với các vật dụng có vật liệu làm từ những thứ mềm mỏng, có liên kết hóa học chỉ cần làm sạch ở nhiệt độ thường

 Dụng cụ thí nghiệm, dụng cụ y tế có đặc thù riêng nên làm sạch siêu âm ở nhiệt

độ 55-65℃

2.3.4 Thời gian cần thiết để làm sạch

Điều này được xác định bởi các điều kiện về nhiệt độ, loại đất, nồng độ của hóa chất làm sạch, tần số xung kích… Phải mất thời gian cho quá trình tẩy rửa sẽ diễn ra Trong một bồn, có thể mất từ năm đến 15 phút ; trong bình xịt áp suất cao của một chất tẩy rửa chất lượng, có thể mất một vài giây

2.3.5 Công suất siêu âm và thể tích bể rửa

Công suất siêu âm (watt/gallon, watt/lít) được mô tả theo những cách khác nhau

từ các nhà sản xuất thiết bị Công suất siêu âm được tính như năng lượng chuyển cho bộ chuyển đổi và đơn vị là watt cho mỗi gallon (hoặc lít) dung dịch tẩy rửa Hầu hết các chất tẩy rửa cần 50-100 watt cho mỗi gallon (3.78 lít)

Khi công suất siêu âm tăng lên số lượng bong bóng cũng tăng, khả năng làm sạch tăng cũng tăng lên nhưng chỉ đến một mức giới hạn Công suất tăng hơn nữa ta không chỉ lãng phí năng lượng, ta có nguy cơ gây tổn hại các chi tiết được làm sạch

Một định nghĩa khác: tổng công suất chính là năng lượng cần thiết để vận hành toàn bộ bể rửa siêu âm bao gồm máy phát siêu âm và bộ gia nhiệt (nếu có) Không nên nhầm lẫn với công suất siêu âm

Công suất đỉnh được định nghĩa là công suất siêu âm được tạo ra ở đỉnh của sóng

âm và có thể bằng 2, 4 hoặc 8 lần so với công suất trung bình

2.4 Biến tử siêu âm trong tẩy rửa, phân loại biến tử theo cấu tạo

Biến tử siêu âm là thiết bị trực tiếp biến đổi năng lượng điện có tần số siêu âm thành dao động cơ học có cùng tần số[1] Ngược lại một biến tử siêu âm cũng có khả

Theo hai chức năng đó, biến tử được phân chia thành biến tử thu sóng và biến tử phát sóng Phần bên dưới đây chỉ bàn về phân loại biến tử siêu âm theo cấu tạo

2.4.1 Biến tử áp điện

Biến tử áp điện được chế tạo dựa trên cơ sở hiệu ứng áp điện do Curie tìm ra vào năm 1880 Một số vật liệu nhựa như tinh thể thạch anh, barium titanate có dao động sóng

cơ khi áp nên nó những dòng điện tích xoay chiều Tuy nhiên những vật liệu này thường dao động không ổn định và khả năng chịu tải cơ học thấp Từ những năm 1940 các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo ra cảm biến Piezoelectric có công suất lớn, độ bền cao với cơ học và môi trường đặc biệt rất ổn định về mặt tần số

Tuy nhiên hiệu ứng biến dạng trong Piezoelectric thường bé hơn nhiều so biên

độ dao động của biến tử từ giảo Thông thường biên độ dao động của Piezoelectric thường nằm trong khoảng 0.1µm ÷ 7µm Tuy vậy tần số làm việc của Piezoelectric có thể lên đến 5MHz

Xét về phương diện công suất thì cảm biến siêu âm từ giảo có công suất cao hơn nhiều so với cảm biến siêu âm Piezoelectric Xét về phương diện biến đổi năng lượng thì cảm biến Piezoelectric có khả năng biến đổi thuật nghịch – Điện năng – Cơ năng – Điện năng Kích thước vật lý của cảm biến siêu âm gọn nhỏ thường được dùng để chế tạo máy rửa siêu âm

a Hiệu ứng áp điện thuận

Một tấm thạch anh có bề dày 𝑙0 được phủ một lớp bạc lên hai bề mặt để tạo thành các điện cực Trên hai bản cực người ta nối một điện kế như hình vẽ

Hình 2.10: Hiệu ứng áp điện thuận Khi tác động một lực kéo sao cho bề dầy của tấm mỏng biến đổi với 𝑙𝑙 = 𝑙𝑜+ 𝑙, người ta nhận thấy kim của điện kế lệch về bên trái Điều này chứng tỏ trên hai bản cực của tấm mỏng xuất hiện các điện tích trái dấu

Ngược lại khi tác động một lực nén sao cho bề dầy của tấm mỏng biến đổi với

𝑙𝑙 = 𝑙𝑜 − 𝑙, người ta nhận thấy kim của điện kế lệch về bên phải Như vậy trên hai bản cực của tấm mỏng các điện tích đã đổi chiều

Quan hệ giữa điện tích Q và lực F được xác định bởi : 𝑄 = 𝐾 × 𝐹

Trong đó: Q: điện tích (Coulomb)

K: hằng số áp điện bằng 6.9 × 10−8

F: giá trị của lực ké, nén (kg)

Qua trên nhận thấy rằng khi lực tác động lên bề mặt tấm mỏng là các dao động

cơ học biến đổi thì trên hai điện cực của tấm mỏng sẽ xuất hiện một tín hiệu điện xoay chiều có cùng tần số biến đổi với dao động cơ học

Các loại vật liệu mang tính chất như trên được gọi là vật liệu áp điện

Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử thu sóng siêu âm

b Hiệu ứng áp điện nghịch

Hình 2.11: Hiệu ứng áp điện nghịch Bây giờ nối hai điện cực của tấm áp điện đến nguồn điện một chiều như hình 2.11, người ta nhận thấy bề dầy của tấm áp điện biến đổi với 𝑙𝑙 = 𝑙𝑜+ 𝑙

Ngược lại khi đảo chiều nguồn cấp điện, bề dầy của tấm áp điện biến đổi với

𝑙𝑙 = 𝑙𝑜 − 𝑙

Quan hệ giữa 𝑙 và điện áp V được xác định bởi 𝐿 = 𝐾 × 𝑉

L : độ biến thiên kích thước hình học của tấm áp điện

K : hằng số áp điện 6.9 × 10−8

V: giá trị của nguồn điện phân cực

Theo đó có thể kết luận rằng khi đặt lên bề mặt tấm áp điện một tín hiệu điện xoay chiều có tần số f thì bề dầy của tấm mỏng sẽ biến đổi liên tục với cùng tần số và như vậy một dao động cơ học đã được bức xạ ra ngoài môi trường

Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử phát sóng siêu âm

Thực nghiệm cho thấy biên độ dao động đạt giá trị cực đại khi tần số dao động của nguồn V bằng với tần số dao động riêng của tấm áp điện Tần số dao động riêng của tấm áp điện phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo và bề dày theo biểu thức :

𝑓𝑜 = 𝑘 ∕ 𝑙 Với k : hệ số dao động riêng (khz.mm)

𝑓𝑜 : tần số dao động riêng của tấm áp điện

L : bề dầy của tấm áp điện (mm)

c Cấu tạo và hình dáng của biến tử áp điện

Hình 2.12: Cấu tạo biến tử

2.4.2 Biến tử từ giảo

Hiệu ứng từ giảo nghịch

Hình 2.13: Hiệu ứng từ giảo nghịch Bây giờ nối hai đầu của cuộn dây đến nguồn điện một chiều như hình bên trái người ta nhận thấy chiều dài của khung từ biến đổi với 𝑙𝑙 = 𝑙𝑜 + 𝑙

Ngược lại khi đảo chiều nguồn cấp điện thì chiều dài của khung từ biến đổi với

𝑙𝑙 = 𝑙𝑜 − 𝑙

Theo đó có thể kết luận rằng khi đặt lên cuộn dây một tín hiệu điện xoay chiều

có tần số f thì chiều dài của khung từ sẽ biến đổi liên tục với cùng tần số và như vậy một dao động cơ học đã được bức xạ ra ngoài môi trường

Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử phát sóng siêu âm từ giảo

2.5 Vi điều khiển PIC 16F887

PIC 16F877A [4] là loại vi điều khiển 8 bit tầm trung của hãng microchip PIC 16F877A có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC với chỉ 35 lệnh cơ bản, tất

cả các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ, ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh

Nó có các tính năng mà vi điều khiển hiện đại thường có Với giá thành thấp, và hàng loạt các ứng dụng, chất lượng cao và dễ dàng mua, nó là một giải pháp lý tưởng trong các ứng dụng như: kiểm soát các quá trình khác nhau trong ngành công nghiệp, điều khiển thiết bị, đo lường các giá trị khác nhau… Một số tính năng chính của nó là được liệt kê dưới đây

 Kiến trúc RISC

 Chỉ có 35 tập lệnh

 Tất cả các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ, ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh

 Power-Saving Sleep Mode

 Brown-out Reset (BOR) với tùy chọn kiểm soát phần mềm

 35 đầu vào / đầu ra chân

 Dòng điện ra cao cho led

 phần mềm và lập trình điện trở kéo lên

 Bộ nhớ ROM 8K trong công nghệ FLASH

 Chip có thể được lập trình lại lên đến 100.000 lần

 In-Circuit Serial Programming tùy chọn

 Chip có thể được lập trình nhúng trong một số đối tượng thiết bị

 Hai bộ so sánh tương tự

 Điện áp tham chiếu cố định (0.6V)

 Lập trình điện áp tham chiếu trên chip

 Điều khiển lái ngõ ra PWM

2.6.1 Cấu tạo của Mosfet

Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ

Hình 2.15: Cấu tạo Mosfet Cấu tạo của Mosfet Kênh N:

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ Ký hiệu:

Hình 2.16: Ký hiệu Mosfet Qua đó ta thấy Mosfet này có chân tương đương với Transitor

+ Chân G tương đương với B

+ Chân D tương đương với chân C