Thiết kế bộ điều khiển nhiệt độ cho lò nuôi tinh thể kiểu bridgman (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ TÀI ĐẠI THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LỊ NI TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN Chun ngành Mã số : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ : 85.20.11.4 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2022 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Đỗ Thế Cần Phản biện 1: TS Võ Như Thành Phản biện 2: TS Đoàn Lê Anh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện tử họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 26 tháng năm 2022 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu Truyền thông, Trường Đại học Bách Khoa - Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội MỞ ĐẦU I Lý cho ̣n đề tài Nằm xu chung giới, việc ứng dụng kỹ thuật hạt nhân phục vụ đời sống phát triển mạnh mẽ Việt Nam năm gần Trong y tế, công nghiệp hay nông nghiệp … thấy xuất kỹ thuật hạt nhân Kèm theo phát triển việc sử dụng số lượng lớn hệ detector có chứa tinh thể nhấp nháy, đặc biệt lĩnh vực y tế, quan trắc mơi trường Mặc dù nói cơng nghệ ni tinh thể giới có bước tiến dài xa Tuy nhiên, hướng tìm chất mới, hỗn hợp pha trộn mang lại hiệu suất ghi đo tốt Hướng gần khơng có biên giới, hội cho nhà khoa học Việt Nam với lợi kiên trì, sáng tạo, khơng ngại khó khăn, thiếu thốn Chi phí ngun vật liệu, giá thành nhân công rẻ nước ưu cạnh tranh lớn chạy đua giá thành sản phẩm Ngồi ra, với bùng nổ cơng nghệ thơng tin, việc truyền tải, tìm kiếm tài liệu, phối hợp làm việc trao đổi, chia sẻ kinh nghiệm gần tồn cầu hóa, khơng bị giới hạn nhiều năm trước Điều làm cho tốc độ phát triển tay nghề, hiểu biết, tiệm cận tới trình độ kĩ thuật giới nhanh nhiều Tuy nhiên, Việt Nam, dừng lại việc nhập hệ thiết bị ghi đo xạ, chưa có đơn vị định hướng nghiên cứu phát triển chế tạo tinh thể nhấp nháy, dẫn đến không làm chủ hoàn toàn thiết bị, bị động việc sửa chữa, thay hệ đo, đặc biệt bỏ ngỏ lĩnh vực nghiên cứu định hướng ứng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội dụng thú vị Chính vậy, định hướng nghiên cứu ni tinh thể nhấp nháy mở hướng cho lĩnh vực vật lý hạt nhân ứng dụng nhiều tiềm cho nước ta Có nhiều phương pháp ni tinh thể: ni nóng chảy có: phương pháp Verneuil, Czokhralski, Bridgman, ni dung dịch có: kết tinh thủy nhiệt, làm lạnh từ từ, Mỗi phương pháp lại có tham số tương ứng (công suất điện đầu vào, công suất nhiệt tỏa ra, chế học tạo thành tinh thể, loại tinh thể áp dụng phương pháp, tính chất tinh thể sau ni được, ) khác nhau, phương pháp lị nung Bridgman chứng minh phù hợp cho việc tạo tinh thể to, nhanh hơn, đơn giản so với phương pháp khác Trên thị trường, thiết bị nuôi công nghiệp Bridgman nước ngồi chế tạo cịn nhiều hạn chế, ví dụ cơng suất điện đầu vào cơng suất nhiệt khơng có khả thay đổi (nên thường ni loại tinh thể) Kích thước hình dạng tinh thể ni từ thiết bị thường bị giới hạn khơng thể thay đổi Ngồi ra, q trình ni tinh thể chứa đựng nhiều tham số khác cần hiệu chỉnh, thay đổi kết tốt Vì vậy, nhóm nghiên cứu giới theo hướng nuôi tinh thể tiếp cận theo cách tự chế tạo hệ lò nung Bridgman Những yếu tố ảnh hưởng chin ́ h đến chấ t lươ ̣ng tinh thể sự ổ n định nhiê ̣t đô ̣, phân bố nhiê ̣t vùng nuôi tinh thể , giao đô ̣ng quá trình nuôi tinh thể Chính lý đó, đề tài này chúng tơi nghiên cứu Fuzzy-PID cho lị nung tinh thể kiể u bridgman để mở đường cho hướng nghiên cứu nuôi tinh thể Việt Nam II Mục tiêu nghiên cứu Ởn định nhiê ̣t ̣ cho lị nung tinh thể kiể u bridgman với sai số ±2.5oC so với nhiệt độ cài đặt cho cuộn dây THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội III Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đố i tươ ̣ng nghiên cứu: lò nung tinh thể kiể u bridgman Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu pha ̣m vi nhiê ̣t đô ̣ nung khoảng 800oC với thời gian nuôi tinh thể 15-20 ngày IV Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu phương pháp lý thuyết thực nghiệm kiể m chứng nhiề u lầ n để so sánh với kết tính tốn, mơ Phân tić h đánh giá mức độ tương quan các yế u tố đầ u vào đế n yế u tố đầ u sản phẩ m, chất lượng sản phẩm Phân tích phương pháp thiết kế truyền động khí Phân tích tối ưu kết cấu, phân tích truyề n nhiê ̣t theo thời gian thực với phần mềm Creo- Ansys Phân tích thiế t kế các bô ̣ PID với phầ n mề n Matlab V Ý nghĩa khoa ho ̣c và thực tiễn Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn nước và thế giới Đề tài ta ̣o tiề n đề đinh ̣ hướng cho các nghiên cứu phát triể n nước về sau này, ở nước chưa có đề tài lớn làm chế tạo thiết bị nung nóng chảy tinh thể Thiết bị góp phần cải thiện số điểm chưa hoàn thiện thiết bị nước ngồi sản xuất thay đổi cơng xuất đầu vào để nuôi nhiều loại tinh thể khác ứng với giá trị nhiệt độ nóng chảy khác VI Dự kiế n kế t quả đa ̣t đươ ̣c Kết dự kiến: Lò nung sau chế ta ̣o có khả ổ n đinh ̣ o nhiê ̣t với sai số ±2.5 C so với nhiệt độ cài đặt cho cuộn dây VII Dàn ý, nô ̣i dung chin ́ h Bài tiểu luận trình bày theo cấu trúc sau: Mục lục THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Danh mục hình vẽ, đồ thị Danh mục bảng Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt Mở đầu Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Thiết kế điều khiển Fuzzy– PID cho lị ni tinh thể kiểu Bridgman Chương 4: Kết thực tế chạy lò Kết luận triển vọng Tài liệu tham khảo CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Chương trình bày tổng quan tinh thể gì? Ứng dụng tinh thể lĩnh vực sống, nguyên lý nuôi tinh thể phương pháp Bridgman nghiên cứu ngồi nước lị ni tinh thể 1.1 TINH THỂ LÀ GÌ VÀ ỨNG DỤNG CỦA TINH Tinh thể là: Theo khoa học, tinh thể hiểu vật thể cấu tạo từ ion, nguyên tử phân tử theo trật tự định Theo kết nghiên cứu cho thấy, tinh chiếm đến 99% lớp vỏ Trái Đất dạng vô sinh kim loại, khoáng vật, hay cây, tế bào sinh vật, ADN, Ứng dụng tinh thể NaI: bị xạ ion hố tinh thể NaI phát photon dùng máy dò nhấp nháy (scintillation detector), chủ yếu y học hạt nhân, địa vật lý, vật lý hạt nhân phép đo môi trường NaI(Tl) vật liệu phát THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội quang dùng rộng rãi có lượng sản xuất lớn vật liệu dò phát quang Các tinh thể gắn với ống nhân quang (photomultiplier tube), bình kín, natri iodide có tính hút ẩm Một vài thơng số (như độ phóng xạ, lưu ảnh, độ sáng) đạt đến cách thay đổi việc hình thành tinh thể Tinh thể độ kích thích cao dùng máy tìm kiếm tia X với chất lượng quang phổ cao NaI dùng dạng đơn tinh thể đa tinh thể cho mục đích Sản lượng tiêu thụ tinh thể giới năm 2014-2020 dự đoán đến năm 2024, đánh giá dựa giá trị tinh thể sử dụng ( đơn vị triệu USD) Trong biểu đồ thể tăng trưởng sử dụng tinh thể nhóm ngành qua năm Theo số liệu thống kê giá trị sử dụng tinh thể có xu hướng tăng qua năm dự báo tăng năm 2024 Quá trình nghiên cứu phát triển tinh thể, nói q trình nghiên cứu tinh thể sớm vào năm 40 kỷ 20 Trong năm việc nghiên cứu diễn chậm, trình nghiên cứu tinh thể khơng cao, đến năm 2010 bùng nổ trình nghiên cứu tinh thể với việc xuất nhiều loại tinh thể năm 2010 Và tính đến thời điểm q trình nghiên cứu tinh thể trì phát triển giới Nhiều tinh thể tạo theo thời gian 1.2 NGUYÊN LÝ NUÔI TINH THỂ BẰNG LỊ NUNG TINH THỂ NĨNG CHẢY KIỂU BRIGDMAN Trên giới có phương pháp ni tinh thể khác như: Phương pháp nuôi tinh thể hữu cơ, Phương pháp nuôi tinh thể chất dẻo, Phương pháp nuôi tinh thể chất vô Tuy nhiên phân tích kỹ vào phương án phương pháp nuôi tinh thể kiểu THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Bridgman phương án phù hợp để tạo tinh thể vô ưu điểm sau: phương pháp sử dụng cho sản xuất tinh thể vơ cơ, phương pháp có độ phức tạp thấp, chi phí nghiên cứu phù hợp có khả thay đổi kích thước tinh thể ni Phương pháp nuôi tinh thể kiểu brigdman phương 1.3 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.3.1 Một số nghiên cứu nước ngồi Lị ni tinh thể EQ-SKJ-BG1650-LD 1.3.1.1 Ưu điểm: - Lị Bridgman để đơng đặc định hướng Thỏi đa tinh thể có đường kính lên đến 37mm - Ba mô-đun sưởi ấm điều khiển riêng lẻ & quạt làm mát điều chỉnh tốc độ lối lò mang lại lợi để tạo nhiệt độ lớn Gradient giao diện nóng chảy / tinh thể cần thiết - Hệ thống lấy mẫu tự động cho phép nạp / dỡ mẫu thuận tiện Giai đoạn quay chén nung tùy chọn thêm vào với chi phí bổ sung cho phát triển thỏi đơn tinh thể - Ba nhiệt độ PID điều khiển với 30 phân đoạn lập trình để điều khiển xác tốc độ sưởi, tốc độ làm mát thời gian dừng - Tích hợp bảo vệ nhiệt hỏng cặp nhiệt điện - Bộ điều khiển nhiệt độ Châu Âu, với độ xác nhiệt độ - Ba cặp nhiệt điện loại B (một cặp nhiệt độ cho vùng) - Có thể tùy chọn số tính theo nhu cầu Nhược điểm: - Giá bán máy cao 1.3.1.2 Lị ni tinh thể SKJ-BG-1200 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Ưu điểm: - SKJ-BG-1200 lò tăng trưởng tinh thể Bridgman 1200ºC nhỏ với ống thạch anh ID 72 mm - Máy tính điều khiển hình cảm ứng bao gồm để điều khiển tốc độ di chuyển, khoảng cách di chuyển, nhiệt độ lò nhiệt độ nồi nấu riêng biệt, áp suất khí bên ống - Hai điều khiển Eurothermo hai cặp nhiệt loại K bao gồm với độ xác - Một cặp nhiệt điều khiển nhiệt độ lò - Một cặp nhiệt hiển thị nhiệt độ chén nung đáy - Một cảm biến áp suất kỹ thuật số với van điện từ lắp đặt để kiểm sốt áp suất ống mức khơng đổi từ 0,01MPa - 0,02Mpa Nhược điểm: - Giá bán máy cao 1.3.1.3 Lị ni tinh thể OTF-1200X-S-VT-BMGH Ưu điểm - Lị ống đứng nhỏ gọn chia hai vùng - Tốc độ giảm dần dây lập trình vịng phân đoạn - Động bước DC xác điều khiển tốc độ di chuyển - Phạm vi tốc độ kéo: 1-500 um / giây với độ xác - Tổng chiều dài cọc điều khiển hình cảm ứng: 350mm - Cơng suất: 50W, 110V - 240V C - Điều chỉnh nhiệt độ hai vùng sưởi tạo cấu hình gradient nhiệt khác Nhược điểm: - Giá bán máy cao 1.3.2 Một số nghiên cứu nước THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Tính đến thời điểm nước chưa có nghiên cứu thiết bị ni cấy tinh thể Việc nghiên cứu tinh thể dựa vào ngồn tinh thể nhập từ nước hoạc nhập máy móc từ nước ngồi để ni tinh thể Việc địi hỏi nguồn kinh phí lớn bị phụ thuộc vào công nghệ nước ngồi LỊ NUNG TINH ỨNG DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 1.4 Trong phạm vi luận văn lần đối tượng đưa đáng giá thông số lị nung nhóm tự thiết kế phát triển Hiện máy trình nghiên cứu phát triển nên số hạn chế mặt kỹ thuật cần cải thiện nâng cấp sau CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÙNG GIA NHIỆT 2.1 Về lò nung tinh thể kiểu Bridgman chi làm loại Bridgman động Bridgman tĩnh Sự khác biệt phương pháp có hay khơng chuyển động tinh thể vùng nhiệt Đối với lò nung Bridgman động lại chi làm nhiều loại phụ thuộc vào số cuộn dây gia nhiệt sử dụng 2.1.1 2.1.1.1 Một số phương pháp điều khiển nhiệt Lò nung tinh thể Bridgman tĩnh Khái niệm: Lò nung tinh thể Bridgman tĩnh lò nung sử dụng nguồn nhiệt đặt đầu ống tinh thể Một nguồn nhiệt đặt phái nguồn nhiệt đặt phái Tinh thể nuôi cố định vùng nhiệt mà không cần dịch chuyển Để thay đổi đường Gradient nhiệt nhiệt độ vùng nhiệt thay đổi, giúp cho vùng lạnh hình thành phát triển từ vùng nhiệt phía Q trình ni kết thúc tồn lò nung đưa vè nhiệt độ THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội lạnh, lúc tinh thẻ hoàn thành chuyển qua trình hạ nhiệt độ - lúc nhiệt độ tinh thể cao Ưu điểm: Đối với phương án tinh thể khơng cần 2.1.1.2 Lị nung tinh thể Bridgman động với cuộn dây Khái niệm: Lò nung tinh thể Bridgman động với cuộn dây lò nung sử dụng cuộn dây để điều khiển vùng nóng vùng lạnh Việc thay đổi giá trị nhiệt độ thực cách thay đổi khaongr cách quấn dây Tại vùng nhiệt cao cuộn dây quấn sát hơn, vùng nhiệt thấp vòng dây quấn thưa Dựa vào lượng nhiệt sinh đơn vị chiều dài lượng nhiệt sinh vùng nóng cao vùng lạnh thấp 2.1.1.3 Lò nung tinh thể Bridgman động với cuộn dây Khái niệm: Lò nung tinh thể Bridgman động với cuộn dây lò nung sử dụng cuộn dây Với cuộn dây điều khiển vùng nóng cuộn dây vùng lạnh Điều đặc biệt lị nung kiểu có vùng trung gian khơng có quấn dây trở Vùng xem vùng chuyển tiếp cho vùng nóng vùng lạnh linh hoạt song hạn chế 2.1.1 Lò nung tinh thể Bridgman động với nhiều cuộn dây Khái niệm: Lò nung tinh thể Bridgman động với cuộn dây lò nung sử dụng nhiều cuộn dây trở Việc tạo đường Gradient nhiệt thực dựa vào việc thay đổi nhiệt độ cài đặt cuộn dây Việc lị nung có nhiều cuộn dây việc điều chỉnh đường Gradient nhiệt linh hoạt 2.1.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế Sau phân tích đánh giá phương pháp thiết kế vùng gia nhiệt số máy có thị trường phần trên, kết hợp với điều kiện thực tế nhóm Do nhóm có nguồn nhân THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 10 chưa có nhiều kinh nghiệm thiết kế chế tạo máy, đặc biệt làm việc với đề tài Việt Nam Để tạo đường Gradient nhiệt độ hình trên, phương pháp sử dụng việc sử dụng cuộn dây để làm nóng phần lò nung theo độ cao, cuộn dây điều khiển độc lập thông qua mạch công suất đóng ngắt IGBT Và nhờ khả điều chỉnh nhiệt theo vị trí lị nung linh hoạt 2.2 Phương pháp điều khiển ổn đinh nhiệt độ 2.2.1 Một số phương pháp ổn định nhiệt độ phổ biến 2.2.1.1 Phướng pháp sử dụng thuật toán PID Một điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều khiển tự động) tổng quát sử dụng rộng rãi hệ thống điều khiển công nghiệp – điều khiển PID điều khiển sử dụng nhiều điều khiển phản hồi Bộ điều khiển PID tính tốn giá trị "sai số" hiệu số giá trị đo thông số biến đổi giá trị đặt mong muốn Bộ điều khiển thực giảm tối đa sai số cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào Trong trường hợp khơng có kiến thức (mơ hình tốn học) hệ thống điều khiển điều khiển PID điều khiển tốt Tuy nhiên, để đạt kết tốt nhất, thông số PID sử dụng tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất hệ thống-trong kiểu điều khiển giống nhau, thông số phải phụ thuộc vào đặc thù hệ thống 2.2.1.2 Phương pháp sử dung thuật tốn Fuzzy Lơgic mờ (tiếng Anh: Fuzzy logic) phát triển từ lý thuyết tập mờ để thực lập luận cách xấp xỉ thay lập luận THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 11 xác theo lôgic vị từ cổ điển Lơgic mờ coi mặt ứng dụng lý thuyết tập mờ để xử lý giá trị giới thực cho toán phức tạp (Klir 1997) 2.2.1.3 Phương pháp sử dụng thuật toán Fuzzy – PID Chất lượng hệ thống phụ thuộc vào tham số KP, TI, TD điều khiển PID Nhưng hệ số điều khiển PID tính tốn cho chế độ làm việc cụ thể hệ thống với tham số đối tượng xác định Vì trình làm việc, tham số đối tượng thay đổi đầu hệ thống thay đổi, nghĩa điều khiển PID không đảm bảo chất lượng đầu hệ mong muốn Các hệ cần điều khiển thực tế chủ yếu hệ phi tuyến, có chứa tham số trước, tham số hệ thường biến thiên theo thời gian, chí chứa phần tử phi tuyến khơng thể mơ hình hố được, đồng thời trình làm việc hệ chịu ảnh hưởng nhiễu đến hệ từ môi trường 2.2.2 Phân tích lựa chọn phương án ổn định nhiệt độ Sau q trình phân tích điều khiển nêu phương pháp đề xuất là: sử dụng kết hợp mộ mờ Fuzzy kết hợp với PID, cấu trúc hệ điều khiển mơ tả hình 2.8 Tuy nhiên Bộ Fuzzy – PID thiết kế theo định hướng khác Nhiệm vụ Fuzzy hạn chế công suất tối đa cấp vào cho PID dựa nhiệt độ phản hồi giúp cải thiện khả điều khiển tốc độ gia nhiệt cho lò nung, giúp thiết bị tránh bị sốc nhiệt Bên cạnh đặc trưng cảm biến khơng thay đổi đột ngột mà cần có thời gian đáp ứng lâu Nếu cơng suất lớn nhiệt độ bên cao nhiều so với nhiệt độ đo THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 12 cảm biến nên có vọt lố nhiệt cao vào giai đoạn đầu trình gia nhiệt KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC 2.3 Sau phần tích lựa chọn thiết kế vùng gia nhiệt phương pháp ổn định nhiệt độ lị nung thiết kế với cuộn trở gia nhiệt độc lập ổn định thuật toán Fuzzy – PID Sau hoàn thiện phần thiết kế kết nhóm mong bao gồm mục tiêu như: - Sai số cuộn dây đạt cho nhiệt độ thay đổi từ - Linh hoạt thay đổi đường Gradient nhiệt phục vụ cho việc nuôi nhiều loại tinh thể khác Bên cạnh kết nhóm cịn mong muốn chất lượng nhiệt độ lị nung đảm bảo để nuôi tinh thể có chất lượng cao Và lị nung hoạt động ổn định thời gian dài, chi tiết có thuổi thọ hoạt động cao CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY PID CHO LỊ NI TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN THIẾT KẾ BỘ FUZZY CÔNG SUẤT TRÊN PHẦN 3.1 MỀM MATLAB 3.1.1 Thiết Thiết kế Fuzzy công suất phần mềm MATLAB Mạch công suất điều khiển theo phương án băm xung PWM, điều khiển từ Board mạch arduino nên độ rộng xung PWM có giá trị 0-255 tương ứng với độ rộng xung điều khiển có tần số xấp xỉ 1kHz Hình 3.1 cho thấy thay đổi độ rộng xung làm việc với trường hợp 90% thời gian xung mức cao 10% thời THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 13 gian xung mức cao mối liên hệ thời gian xung mức cao thời gian chu kỳ xung điều khiển Bộ quy luật thiết kế dựa việc thực nghiệm nhiều lần nhằm tạo quy luật tối ưu, vừa đảm bảo tốc độ gia nhiệt không dài vừa đảm bảo thiết bị không bị hư hại thay đổi đột ngột nhiệt, đảm bảo trình gia nhiệt không bị gián đoạn 3.1.2 Kết chạy thực tế Fuzzy Sau thiết kế Fuzzy phần mềm Matlab ta thực việc code fuzzy chạy tảng mạch Arduino Các số liệu nhiệt độ thiết lập tự động với việc tăng dần từ đến với độ tăng lần Vì đầu Fuzzy thấp nên việc thay đổi đầu theo nhiệt độ nhỏ, nhiên việc bắn xung Arduino làm việc với số nguyên nên sau chạy Fuzzy đầu bỏ phần thập phân phí sau giữ lại phần nguyên 3.2 THIẾT KẾ BỘ FUZZY- PID Do lò nung cuộn dây có chiều dài khác dẫn đến yếu tố vật lý không tương đồng, bên cạnh việc bố trí vị trí khác yếu tố dẫn đến khác biệt cuộn dây Chính lý nên thông số PID cuộn dây khác nhau, dẫn đến cần thiết kế cho cuộn dây PID riêng biệt, phụ thuộc vào tính chất cuộn dây THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 14 CHƯƠNG 4: CHẠY THỰC NGHIỆM 4.1 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BỘ FUZZY ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC Với việc kết hợp Fuzzy PID theo cách – Cả Fuzzy PID đồng thời điều khiển công suất cấp cho cuộn dây, vấn đề đưa Fuzzy có làm ảnh hưởng đến độ xác PID khơng, ảnh hưởng Fuzzy đến kết Để giải đáp vấn đề náy nhóm thực thí nhiệm bao gồm: Thí nghiệm chạy PID với cơng suất đầu băm xung có độ rộng 10% ( tương đương với việc băm xung 25 Arduino) thí nhiệm thứ sử dụng kết hợp với Fuzzy thiết kế kết thu thể hình 4.1 4.2 Giải thích cho hiệu việc áp dụng Fuzzy cho việc hạn chế vọt lố nhiệt thí nghiệm hiểu sau Khi áp dụng Fuzzy để điều tiết cơng suất nhiệt độ cấp bị hạn chế theo khoảng với cơng suất cấp lị nung nung đến nhiệt độ định Việc tăng công suất để tăng nhiệt độ cấp từ cuộn dây lại bị phụ thuộc vào nhiệt độ đọc mà giúp cho việc ổn định nhiệt độ diễn tốt tốc độ đáp ứng cảm biến Ngoài việc xử dụng kết hợp hàm Fuzzy để hạn chế cơng suất cịn giúp cho thiết bị tăng độ bền.Đối chứng cuộn dây trường hợp có sử dụng khơng sử dụng kết hợp điều khiển Fuzzy với điều khiển PID Hình 4.3 cuộn dây khơng sử dụng điều khiển Fuzzy Cuộn dây hình 4.3 có thời gian nung 650oC thời gian Ta thấy cuộn dây bị tổn hại nhiều Mức độ oxy hóa cuộn dây lớn, phần lớn chiều dài cuộn dây bị rỉ sét cịn lại khoảng 30% kích thước so với ban THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 15 đầu Nhiều đoạn bị đứt gãy trình sử dụng đoạn chưa gãy giịn có nguy bị đứt cao lần chạy Nguyên nhân gây tượng nhiệt độ caaos vào cho cuộn dây cao khiến cho oxy hóa diễn mạnh mễ cuộn dây Từ đẩy nhanh q trình hư hỏng Với tốc độ hư hỏng dây trở thời gian ngắn thí nghiệm thiết bị khơng đủ điều kiện để chạy thực tế, chạy thực tế trung bình 12-15 ngày thấy sử dụng kết hợp điều khiển Fuzzy cho kết rõ rệt Các cuộn dây sau nung 650oC thời gian ngày gần khơng có thay đổi nhiều Sự khác biệt so với ban đầu chuyển màu KẾT QUẢ CHẠY BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY - PID 4.2 THỰC TẾ 4.2.1 Kết chạy Fuzzy - PID Để đánh giá độ ổn định nhiệt cho lò nung ta thực việc nung đồng thời cuộn dây lên nhiều mốc nhiệt độ khác từ 200800oC, thời gian lấy mẫu 1.3 giây Thời gian giới hạn vấn đề cơng nghệ máy cần có thời gian để truyền liệu thu thập từ Aduino nano – sử dụng với chức Slave đọc nhiệt độ điều khiển công suất, cho Arduino mega – sử dụng với chức Master nhận giá trị nhiệt độ chức giao tiếp Thời gian lấy mẫu Arduino nano thực tế thấp nhiều so với thời gian lấy mẫu Arduino mega Thời gian lấy mẫu Arduino nano rơi vào khoàng 200ms Với tần số lấy mẫu cao việc điều chỉnh công suất tức thời với việc thay đổi giá trị nhiệt độ Từ kết nhận bảng ta thấy sai số phân bố theo luật phân bố Gauss với sai số tập trung quanh giá trị định THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 16 Những giá trị sai số cao có tỷ lệ thấp, việc xuất sai số cảm biến tín hiệu nhiễu sinh GRADIENT NHIỆT CỦA MÁY THEO CÁC NHIỆT 4.3 ĐỘ Một yếu tố quan trọng lị nung Gradien nhiệt độ, yêu cầu đường Gradien cần có độ xác so với đường chuẩn để tinh thể đạt chất lượng tốt, để đánh giá đường Gradien nhiệt lò nung ta thực thí nghiệm tương ứng với đường Gradien cho việc ni tinh thể CsI THỰC NGHIỆM NI MỘT SỐ TINH THỂ 4.4 Một thực nhiệm để kiểm tra chất lượng máy kiểm tra sản phẩm máy, sản phẩm tinh thể Trong báo cáo trình bày số kết ni tinh thể từ lị nung Bridgman với thống số điều khiển chương trước 4.4.1 Tinh thể KDP Tinh thể đầu tiền lựa chọn cho thí nghiệm tinh thể KDP, tinh thể có điều kiện ni đơn giản, với: nhiệt độ nóng chảy thấp, khơng q nhạy cảm với độ ẩm, thời gian nuôi tạo tinh thể thấp Nhiệt độ nóng chảy KDP thời gian ni 50 Hình 4.4 kết tinh thể KDP sau ni Hình 4.4 a tinh thể KDP với kích thước nhỏ Hình 4.4 b tinh thể KDP với kích thước lớn Ở hình 4.6 a tinh thể có xuất vết nứt Nguyên ngân dẫn đến vết nứt hạ nhiệt độ q trình ni ko đảm bảo Tốc độ hạ nhiệt lớn ( tinh thể lấy khỏi lị sau hồn thành mà khơng thơng qua bước hạ nhiệt độ) làm tinh thể xuất vết nứt Tuy nhiên trình hình thành tinh thể THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 17 đảm bảo, tinh thể suốt khơng có bọt khí Và tinh thể nên sai sót q trình thực khơng thể tránh khỏi Tuy nhiên từ kết khảnh định chất lượng nhiệt độ đảm bảo cho trình nuôi tinh thể KDP Sau thu kết hình 4.6 a, Thì tinh thể sau ni giữ nguyên lò lò nung hạ nhiệt độ Với việc lò nung cách nhiệt tốt nên tốc độ hạ nhiệt lò thấp khoảng /hr Hình 4.6 b cho thấy kết tinh thể KDP tốt quan sát mắt Tinh thể suốt khơng có bọt khí xuất tinh thể Tuy nhiên đâu tinh thể dễ nuôi nên việc đo đạc chuyên sâu không đề cập đến Tuy nhiên với thành cơng tinh thể KDP đánh giá chất lượng nhiệt độ lò 4.4.2 Tinh thể NaI Tinh thể NaI: tinh thể có độ nóng chảy cao tinh thể có yêu cầu kỹ thuật cao Do muối NaI háo nước nên việc làm mẫu cần thực Glove box có độ ẩm 5% Sau cho muối NaI vào ống nghiệm cần seal kín tránh việc độ ẩm loạt vào q trình ni Hình 4.5 kết tinh thể NaI sau ni Một khó khăn ni tinh thể NaI bám dính tinh thể NaI với thành ống nghiệm lớn Việc lấy tinh thể khỏi ông nghiệm vô khó khăn, khó để giữ cho tinh thể giữ nguyên lấy khỏi ống nghiệm Bên cạnh việc hạ nhiệt độ tinh thể NaI yêu cầu cao tốc độ hạ nhiệt , với độ độ hạ nhiệt giúp cho tinh thể NaI an toàn, tránh trường hợp bị bể co giãn không tinh thể NaI ống nghiệm 4.4.3 Tinh thể CsI THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 18 Tinh thể CsI: Tinh thể CsI có điều kiện nhiệt độ yêu cầu độ ẩm tương tự tinh thể NaI với nhiệt độ nóng chảy thực mẫu Glove box có độ ẩm 5% Tuy nhiên khắc với tinh thể NaI, tinh thể CsI có tốc độ hạ nhiệt cao với tốc độ hạ nhiệt Hình 4.8 kết tinh thể CsI sau ni Sau cắt tinh thể đo kiểm tra phổ với tia alpha tạ nhiệt độ thấp Kết đo chùm tia alpha với hiệu suất ghi đo đạt 12.5% (FWHM) mức lượng 60keV Am241 Đây hiệu suất ghi đo tốt so với mẫu tinh thể CsI thưởng mại thị trường Hiệu suất ghi đo mẫu CsI thương mại 9-10% Tuy nhiên để đánh giá hiệu suất ghi đo mẫu CsI ta cần đánh giá đến độ tinh khiết muôi CsI sử dụng Mẫu muối dùng để tạo mẫu CsI thí nghiệm có độ tinh khiết thấp 99,5% Thơng thường để nuôi mẫu tinh thể độ tinh khiết yêu cầu từ 99,99% Về kết đo cần có kiểm tra đánh giá độ xác nên chưa đề cập cụ thể Ngoài để đánh giá chất lượng tinh thể cần thực thêm số thí nghiệm khác, đo phổ tia Gamma, THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 19 KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG - Đề tài ổn định nhiệt độ cho lò nung tinh thể kiểu Bridgman, giúp cho lị nung đáp ứng u cầu để ni tinh thể với mức nhiệt độ khác ( đại diện NaI) với thời gian nuôi kéo dài đến 15 20 ngày Nhiệt độ sai số máy giao động khoảng , giá trị sai số lớn so với yêu cầu lò nung tinh thể Vấn đề sai số chưa thể giảm hạn chế phần cứng Tuy nhiên bước đầu đưa đánh giá số ảnh hưởng từ thiết bị dẫn đến sai số phép đo từ đưa đinh hướng phát triển sau - Triển vọng: Với việc cải thiện chất lượng phần cứng ( cảm biến, mạch xử lý phần khí máy) sai số máy cải thiện Bên cạnh với hiểu biết kinh nghiệm thí nghiệm hướng tới ni loại tinh thể khó với yêu cầu khắt khe Và quan trọng mở hướng nghiên cứu tinh thể nói chung lị nung tinh thể nói riêng Việt Nam THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 20 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ - “Thiết kế ngun mẫu lị nung tinh thể nóng chảy kiểu Bridgman”, Lâm Tấn Trúc, Võ Tài Đại, Lê Tuấn Anh, Trần Văn Huy, Phan Việt Cương, Báo cáo hội nghị khoa học công nghệ hạt nhân cán trẻ nghành lượng nguyên tử lần thứ 6, Hà Nội 2020 - “Nghiên cứu tính chất tinh thể nhấp nháy ni lị nung bridgman tự chế tạo”, Lâm Tấn Trúc, Võ Tài Đại, Lê Tuấn Anh, Tăng Trung Kiên, Phan Việt Cương, Báo cáo hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14, Đà Lạt 2021 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ... phẩm tinh thể Trong báo cáo trình bày số kết ni tinh thể từ lò nung Bridgman với thống số điều khiển chương trước 4.4.1 Tinh thể KDP Tinh thể đầu tiền lựa chọn cho thí nghiệm tinh thể KDP, tinh thể. .. PHÁP THIẾT KẾ VÙNG GIA NHIỆT 2.1 Về lò nung tinh thể kiểu Bridgman chi làm loại Bridgman động Bridgman tĩnh Sự khác biệt phương pháp có hay khơng chuyển động tinh thể vùng nhiệt Đối với lò nung Bridgman. .. nội 18 Tinh thể CsI: Tinh thể CsI có điều kiện nhiệt độ yêu cầu độ ẩm tương tự tinh thể NaI với nhiệt độ nóng chảy thực mẫu Glove box có độ ẩm 5% Tuy nhiên khắc với tinh thể NaI, tinh thể CsI