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

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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2022 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 : KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Mã số : 85.20.11.4 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ THẾ CẦN Đà Nẵng - Năm 2022 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới TS Đỗ Thế Cần tận tình hướng dẫn truyền cho em kinh nghiệm quý báu nghiên cứu khoa học Em xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể q thầy giáo Khoa Cơ khí, Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình làm luận văn Em xin cảm ơn ủng hộ bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi trình làm luận văn Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn đến gia đình động viên ủng hộ suốt trình làm luận văn Mặc dù cố gắng hoàn thành luận văn nhiên hạn chế kinh nghiệm, kiến thức thời gian có hạn tác động tiêu cực từ tác động dịch Covid-19 toàn quốc giới nên đề tài nghiên cứu khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong thơng cảm góp ý Quý Thầy để em tiếp tục nghiên cứu hoàn thành tốt sau Đà Nẵng, ngày 11 tháng 07 năm 2022 Tác giả luận văn Võ Tài Đại THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, kết nghiên cứu trình bày luận văn trung thực, khách quan chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận văn cám ơn, thơng tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Đà Nẵng, ngày 11 tháng 07 năm 2022 Tác giả luận văn Võ Tài Đại THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội iii TÓM TẮT LUẬN VĂN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LỊ NI TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN Học viên: Võ Tài Đại Mã số: 85.20.11.4 Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện tử Khóa: 41 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – 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 … 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 khơng làm chủ hồn tồn thiết bị, bị động việc sửa chữa, thay hệ đo, đặc biệt bỏ ngỏ lĩnh vực nghiên cứu định hướng ứng dụng thú vị Chính vậy, định hướng nghiên cứu nuôi tinh thể nhấp nháy mở hướng cho lĩnh vực vật lý hạt nhân ứng dụng nhiều tiềm cho nước ta Một thông số quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng tinh thể độ ổn định nhiệt độ Nghiên cứu điều khiển Fuzzy- PID góp phần làm chất lượng lị ni tinh thể tốt Từ khóa – điều khiển Fuzzy PID, Lị ni tinh thể kiểu Brigdman, tinh thể NaI DESIGN TEMPERATURE CONTROLLER FOR BRIDGMAN CRYSTAL GROWTH Abstract – In line with the general trend of the world, the application of nuclear technology to daily life has been developing strongly in Vietnam in recent years In medicine, industry or agriculture However, in Vietnam, we have just been stopping from importing radiation measuring equipment systems There is no unit oriented research, development, and manufacturing of strobe crystals, leading to an inability to master completely passive equipment, especially leaving open an interesting application-oriented basic research area Therefore, the research orientation of flashing crystals will open a new direction for the field of nuclear physics with many potential applications for our country One of the important parameters affecting crystal quality is temperature stability Research on FuzzyPID controller will contribute to better quality of crystal culture furnace Key words - Fuzzy PID controller, Brigdman type crystal furnace, NaI crystal THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1:GIỚITHIỆU 1.1 TINH THỂ LÀ GÌ VÀ ỨNG DỤNG CỦA TINH 1.2 NGUYÊN LÝ NUÔI TINH THỂ BẰNG LỊ NI TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN 13 1.3 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU Ở TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 15 1.3.1Một số nghiên cứu nước 15 1.3.1.1Lị ni tinh thể EQ-SKJ-BG1650-LD 15 1.3.1.2Lị ni tinh thể SKJ-BG-1200 17 1.3.1.3Lị ni tinh thể OTF-1200X-S-VT-BMGH 18 1.3.2Một số nghiên cứu nước 20 1.4LÒ NUNG TINH ỨNG DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 20 CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN 23 2.1PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÙNG GIA NHIỆT 23 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội v 2.1.1Một số phương pháp điều khiển nhiệt 24 2.1.1.1Lị ni tinh thể kiểu Bridgman tĩnh 24 2.1.1.2Lị ni tinh thể kiểu Bridgman động với cuộn dây 25 2.1.1.3Lò nuôi tinh thể kiểu Bridgman động với cuộn dây 26 2.1.1.4Lị ni tinh thể kiểu Bridgman động với nhiều cuộn dây 26 2.1.2Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 27 2.2Phương pháp điều khiển ổn đinh nhiệt độ 28 2.2.1Một số phương pháp ổn định nhiệt độ phổ biến 28 2.2.1.1Phướng pháp sử dụng thuật toán PID 28 2.2.1.2Phương pháp sử dung thuật toán Fuzzy 33 2.2.1.3Phương pháp sử dụng thuật toán Fuzzy – PID 35 2.2.2Phân tích lựa chọn phương án ổn định nhiệt độ 37 2.3KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC 38 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY PID CHO LÒ NUÔI TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN 39 3.1THIẾT KẾ BỘ FUZZY CÔNG SUẤT TRÊN PHẦN MỀM MATLAB 39 3.1.1Thiết Thiết kế Fuzzy công suất phần mềm MATLAB 39 3.1.2Kết chạy thực tế Fuzzy 43 3.2THIẾT KẾ BỘ FUZZY- PID 44 3.3TÍNH TỐN HỆ SỐ VÀ MƠ PHỎNG BỘ PID BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 51 CHƯƠNG 4:NHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 57 4.1ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BỘ FUZZY ĐẾN ĐỘ CHÍNH XÁC 57 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội vi 4.2KẾT QUẢ CHẠY BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY - PID THỰC TẾ 59 4.2.1Kết chạy Fuzzy - PID 59 4.3GRADIENT NHIỆT CỦA MÁY THEO CÁC NHIỆT ĐỘ 65 4.4THỰC NGHIỆM NUÔI MỘT SỐ TINH THỂ: 67 4.4.1Tinh thể KDP 67 4.4.2Tinh thể NaI 68 4.4.3Tinh thể CsI 69 KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG 74 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tinh thể Sapphire (Nguồn Internet) Hình 1.2 Giản đồ detector với tinh thể NaI (Tl) [12] Hình 1.3 Hệ ghi đo xạ biển [14] Hình 1.4 Hệ phân tích phổ gamma [15] Hình 1.5 Máy X quang ECAM Scintron Dual Head SPECT Camera Gamma [16] Hình 1.6 Máy gia tốc Tandem Pelletron 5SDH-2 [17] 10 Hình 1.7 Máy soi hàng hóa sân bay [18] 10 Hình 1.8 Tỷ lệ tiêu thụ tinh thể lĩnh vực qua năm (Nguồn Internet) 11 Hình 1.9 Quá trình phát triển tinh thể (Nguồn Internet) 12 Hình 1.10 Sơ đồ cấu tạo lị ni tinh thể kiểu Bridgman [23] 13 Hình 1.11 Cấu tạo cụm gia nhiệt nguyên lý di chuyển tinh thể trường nhiệt [24] 15 Hình 1.12 Lị ni tinh thể EQ-SKJ-BG1650-LD [26] 16 Hình 1.13 Lị ni tinh thể SKJ-BG-1200 [26] 18 Hình 1.14 Lị ni tinh thể OTF-1200X-S-VT-BMGH [26] 19 Hình 1.15 Lị ni tinh thể kiểu Bridgman thực tế 21 Hình 2.1 Gradient nhiệt độ lý tưởng lị ni tinh thể kiểu Bridgman động (Nguồn Internet) 23 Hình 2.2 Gradient nhiệt độ lý tưởng lị ni tinh thể kiểu Bridgman tĩnh (Nguồn Internet) 24 Hình 2.3 Bố trí cuộn dây lị ni tinh thể kiểu Bridgman với cuộn dây (Nguồn Internet) 25 Hình 2.4 Bố trí cuộn dây lị ni tinh thể kiểu Bridgman với cuộn dây (Nguồn Internet) 26 Hình 2.5 Bố trí cuộn dây lò nung 27 Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ PID [27] 28 Hình 2.7 Hàm độ [27] 30 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội viii Hình 2.8 Sự ảnh hưởng hệ số [27] 31 Hình 2.9 Cấu trúc hệ điều khiển Fuzzy – PID 37 Hình 3.1 Điều chế chiều rộng xung [34] 39 Hình 3.2 Giao diện mơ mờ 41 Hình 3.3 Hàm đầu vào hệ Fuzzy 42 Hình 3.4 Hàm đầu hệ Fuzzy 42 Hình 3.5 Giao diện system Identification 45 Hình 3.6 Giao diện import Data 45 Hình 3.7 Chọn mơ hình xử lý tín hiệu 46 Hình 3.8 Kết hàm truyền sau phân tích 46 Hình 3.9 So sánh chạy mô hàm truyền so với số liệu ban đầu 47 Hình 3.10 Kết hàm truyền cuộn dây số sau phân tích 47 Hình 3.11 So sánh chạy mơ hàm truyền so với số liệu ban đầu 48 Hình 3.12 Kết hàm truyền cuộn dây số sau phân tích 48 Hình 3.13 So sánh chạy mơ hàm truyền so với số liệu ban đầu 49 Hình 3.14 Kết hàm truyền cuộn dây số sau phân tích 49 Hình 3.15 So sánh chạy mô hàm truyền so với số liệu ban đầu 50 Hình 3.16 Kết hàm truyền cuộn dây số sau phân tích 50 Hình 3.17 So sánh chạy mô hàm truyền so với số liệu ban đầu 51 Hình 3.18 Sơ đồ khối mô Matlab 51 Hình 3.19 ToolBox PID tuner để xác định hệ số PID 52 Hình 4.1 Kết gia nhiệt có sử dụng Fuzzy 57 Hình 4.2 Kết gia nhiệt không sử dụng fuzzy 57 Hình 4.3 Cuộn dây không sử dụng kết hợp Fuzzy 59 Hình 4.4 Cuộn dây sử dụng kết hợp Fuzzy 59 Hình 4.5 Biểu đồ nhiệt độ cuộn dây số 60 Hình 4.6 Biểu đồ nhiệt độ cuộn dây số 61 Hình 4.7 Biểu đồ nhiệt độ cuộn dây số 61 Hình 4.8 Biểu đồ nhiệt độ cuộn dây số 61 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 16 2.3 Phần mềm điều khiển: Từ yêu cầu kĩ thuật kể trên, phần mềm điều khiển thiết kế sau: Hình 2.5: Sơ đồ khối chứng hệ điều khiển THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 17 Hình 2.6: Sơ đồ hoạt động mạch điều khiển trung tâm THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 18 Kết bàn luận 3.1 Cấu tạo Thiết bị chế tạo lắp ráp theo yêu cầu thiết kế Ảnh 3.4: Lò nung thực tế 3.2 Phân bố nhiệt bên lõi: Các giá trị nhiệt độ đo cảm biến bên lõi cảm biến đặt bên cốc nung tinh thể trình bày hình 3.1 hình 3.2 Đường màu cam giá trị nhiệt độ ghi nhận cảm biến (gần miệng lị) có giao động nhiệt lớn thất thoát nhiệt đối lưu, điểm cần cải thiện cảm biến lại đặt thân lò cho giá trị ổn định với dạng đồ thị lý thuyết phương pháp PID mô matlab Đường màu xanh lam (outside themocouple) cảm biến nhiệt đặt bên cốc đựng tinh thể, ghi lại nhiệt độ thực tế mà tinh thể nhận q trình ni, kết thu nhiệt độ giao động ổn định, không vượt 3℃ so với nhiệt độ cài THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 19 đặt suốt tiếng thử nghiệm Hình 3.1: Giao động nhiệt cảm biến lõi cảm biến cốc đựng tinh thể, thời gian đo tiếng Hình 3.2: Giao động nhiệt cảm biến lõi cảm biến cốc đựng tinh thể THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 20 Hình 3.3: Giao động nhiệt cảm biến cùng, gần miệng lò Phân bố nhiệt lò nung: Dù phân bố nhiệt bên lõi chưa có dạng tiêu chuẩn phần 10 cm gần miệng lị bị thất nhiệt lớn Tuy nhiên, phân bố nhiệt phần lại lõi đảm bảo yêu cầu lý thuyết Bridgman, hồn tồn tùy chỉnh, tùy theo mong muốn người vận hành yêu cầu kĩ thuật q trình ni loại tinh thể Như độ dốc của đường chuyển pha (từ lỏng sang rắn tinh thể), bên độ chênh lệch nhiệt độ đoạn chuyển pha Hình 3.5: Phân bố nhiệt bên lõi theo mức nhiệt độ THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 21 + Phần mềm điều khiển lị nung: Hình 3.6: Giao diện điều khiển hiển thị lị nung + Các tinh thể ni KDP (nhiệt độ nóng chảy 252 ℃) Đây hóa chất phổ biến thường dùng để nuôi tinh thể phương pháp dung dịch Chúng tơi sử dụng hóa chất để kiểm tra độ ổn định thiết bị NaI (nhiệt độ nóng chảy 661 ℃) Mẫu 1(258℃ thời gian nuôi 10 tiếng) ảnh 3.7a tinh thể chưa tan hồn tồn nhiệt độ chưa đủ cao thời gian kết tinh chưa đủ lâu Mẫu (262℃ 12 tiếng) ảnh 3.7b sau tăng thêm nhiệt độ thời gian, tinh thể thu có kết tốt Qua kiểm tra trực quan đèn lazer, tinh thể đồng đều, ko có bọt khí, khơng bị nứt THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 22 vỡ bề mặt Mẫu ảnh 3.7c (262℃ 12 tiếng) đường kính tinh thể ni gấp đơi mẫu Mục đích kiểm tra hiệu q trình tạo tinh thể gia tăng kích thước Kết tinh thể tốt, suốt Mẫu NaI (690 độ C 12 tiếng) ảnh 3.7d tinh thể đục, biểu việc thời gian kết tinh chưa đủ (các mẫu NaI khơng thành cơng) Hình 3.7: Các tinh thể ni sử dụng lị nung Bridgman tự chế tạo Hình 3.8: Kích thước mẫu tinh thể NaI 99% đường kính 10 mm THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 23 Kết luận Sau giai đoạn thiết kế, chế tạo thành cơng lị nung, nhóm nghiên cứu tiến hành giai đoạn nuôi thử nghiệm số tinh thể mẫu để kiểm tra tính hoạt động lị nung tối ưu thông số kĩ thuật Đặc biệt với việc nuôi thành công tinh thể NaI (độ tinh khiết 99%) chứng minh cho tính hiệu tiềm nghiên cứu Hiện nhóm tiếp tục nuôi thử nghiệm mẫu NaI để hiệu chỉnh thông số, cho tinh thể có độ suốt tính chất tốt hơn, hoàn tất giai đoạn Tiếp theo giai đoạn thử nghiệm nuôi NaI thành công tiếp tục triển khai giai đoạn nuôi thử nghiệp CsI (99%) CsI: Na Khi có tinh thể CsI:Na tiến hành giai đoạn 4, thực thí nghiệm đo đạc suất phát sáng nhấp nháy độ phân giải lượng tinh thể, so sánh với sản phẩm thương mại, từ có báo cáo đánh giá hiệu lò nung cách tổng quát THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ... để tạo kết tinh khác tinh thể, làm cho chất lượng tinh thể không đồng Về mặt lý thuyết muối sử dụng ni tinh thể với lị nuôi tinh thể kiểu Bridgman ( hay nuôi tinh thể kiểu nóng chảy muối tinh khiết)... quan tinh thể gì? Ứng dụng tinh thể lĩnh vực sống, ngun lý ni tinh thể lị ni tinh thể kiểu Bridgman nghiên cứu nước lị ni tinh thể 1.1 TINH THỂ LÀ GÌ VÀ ỨNG DỤNG CỦA TINH Theo khoa học, tinh thể. .. THIẾT KẾ VÙNG GIA NHIỆT Về lị ni 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 lị ni tinh thể kiểu