Giới thiệu
Công nghệ làm sạch truyền thống
Làm sạch là vấn đề mà tất cả chúng ta thường xuyên phải đối mặt hàng ngày Nói một cách bao quát hơn, đó là sự tẩy rửa những chất liệu không cần thiết, rắc rối ra khỏi từ những vị trí của những thiết bị bộ phận cần làm sạch
Sự làm sạch có thể được thực hiện bằng nhiều cách Một trong những phương pháp truyền thống thông thường thủ công là ngâm thiết bị trong dung dịch Phương pháp này là sự kết hợp của tác động hóa học và tác động cơ học Phương pháp truyền thống chủ yếu là dùng bàn chải, chổi để làm sạch với những bộ phận có cấu trúc đơn giản, được dùng cho bề mặt phẳng, nhẵn mà không phải là những vùng ngóc ngách hay chỗ khó cọ chải trực tiếp
Quy trình rửa nhanh, đơn giản, không đòi hỏi công nghệ cao
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.
Làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm
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
3 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 a Nguyên lý làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm
Vậy siêu âm là gì? Và nó được ứng dụng như thế nào để chế tạo máy rửa siêu âm?
Công nghệ rửa các vật thể bằng hóa chất tẩy rửa và tác động cơ học ngày nay đã không còn đáp ứng được yêu cầu về làm sạch bề mặt và nâng cao chất lượng của sản phẩm trong sản xuất công nghiệp, trong tẩy rửa các dụng cụ y tế, dụng cụ quang học, dụng cụ màng lọc tinh vi trong công nghệ sinh học và công nghệ chế tạo hóa chất
Với sự kết hợp của một số hóa chất tẩy rửa và công nghệ rửa siêu âm cho phép chúng ta làm sạch bề mặt của vật cần tẩy rửa ở mọi vât thể có cấu tạo ngóc ngách, hoặc cỏc vết bẩn cú kớch thước nhỏ cỡ vài àm mà khụng hề xõy xước hoặc làm biến dạng bề mặt hay hình dạng của vật
Sóng siêu âm là sóng có tần số lớn hơn 18kHz, ở tần số này người không thể nghe thấy được
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, v.v… 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
4 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 Để công nghệ rửa siêu âm có hiệu suất cao chúng ta phải áp dụng các dung môi tẩy rửa phù hợp cho từng loại chất bẩn bảo đảm chất bị chia tách dễ hòa tan trong dung môi và tách dễ dàng ra khỏi bề mặt vật cần rửa Trong quá trình rửa siêu âm lớp dung môi tẩy rửa gần với bề mặt vật dần dần bị bão hòa do mật độ chất bẩn tách ra khỏi vật tăng Như vậy theo thời gian các dung môi tẩy rửa lớp gần với bề mặt vật mất khả năng kích hoạt Để tăng hiệu suất tẩy rửa ta có thể chao lắc vật hoặc thay đổi cường độ sóng siêu âm theo một tần số thấp hơn nhiều so với tần số làm việc thực tế của sóng siêu âm Đối với bề mặt vật cần rửa có nhiều hốc, lỗ sâu trong vật hoặc có hình dáng ngoằn ngèo chúng ta cần đặt vật trong bể rửa ở tư thế sao cho chất bẩn tách ra dễ dàng di chuyển ra khỏi lỗ, hốc của nó Trong một số trường hợp cần tạo một dòng chất lỏng tuần hoàn trong dung dịch tẩy rửa
Như vậy để rửa siêu âm hiệu quả cao cần có một quy trình rửa cụ thể cho từng đối tượng vật cần rửa cũng như dạng bụi bẩn bám trên vật đó b Các đặc trưng của sự truyền sóng
- Tần số của một sóng cơ học cũng là tần số dao động của các nguyên tử của môi trường mà trong đó sóng truyền Tần số biểu thị số lượng chu kỳ trong một giây Ký hiệu của tần số là f, đơn vị là Hertz(Hz)
- Bước sóng là quãng đường sóng truyền được trong khoảng thời gian một chu kỳ T
Các nguyên tử ở cách nhau một quãng đường sẽ có cùng trạng thái dao động tức là dao động cùng pha khi sóng truyền qua môi trường
- 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 c Khối lượng riêng, vận tốc sóng âm, trở kháng âm của các vật liệu thông dụng
6 d Quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm
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
Hình dưới đây mô tả quá trình tẩy rửa bề mặt của một vật 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 vẽ)
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
Chức năng
Cấu tạo của thiết bị rửa siêu âm
- Để có thể làm sạch các đồ vật, cấu tạo của thiết bị làm sạch bằng sóng siêu âm cũng rất quan trọng, chúng cần có các bộ phận chính sau:
+ Đầu khuếch đại sóng siêu âm,
+ Bể chứa kèm các loại chất lỏng làm sạch
- Trong đó, đầu khuếch đại sóng siêu âm và máy phát điện đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị, chúng được xác định bởi kích thước bể rửa Đồng thời, hiệu quả tổng thể của việc làm sạch phụ thuộc vào chất lỏng làm sạch
Hình 2.2 Hình ảnh tổng thể của máy rửa siêu âm a) Đầu khuếch đại sóng siêu âm
- Là bộ chuyển đổi phát ra sóng siêu âm bằng cách cộng hưởng với tần số siêu âm phát ra của máy phát điện
- Hiện nay có hai loại hiệu ứng vật lý có thể tạo ra nguồn sóng siêu âm công suất lớn là:
+ Hiệu ứng từ rảo(Magnetostrictive)
+ Hiệu ứng áp điện (Piezoelectric)
Hình 2.3.Đầu khuếch đại sóng siêu âm đa tần số b) Máy phát điện phát sóng siêu âm
- Thực hiện chức năng cung cấp năng lượng cho đầu khuếch đại sóng siêu âm, biến đổi năng lượng điện từ các nguồn điện vào một hình thức phù hợp với hiệu quả của các
14 đầu khuếch đại tại tần số sử dụng bằng cách tạo ra một tín hiệu điện tử của điện áp cao rồi gửi nó đến các đầu khuếch đại sóng siêu âm
- Hiện nay rất nhiều hãng trên thế giới chế tạo nhiều máy phát siêu âm với nhiều chủng loại khác nhau Máy phát siêu âm thực chất là một máy điện công suất lớn nhằm tạo ra nguồn điện công suất lớn tần số sóng siêu âm dải từ 20 kHz cho đến 120kHz có công suất từ vài chục Watts đến hàng kWatts tùy theo mục đích sử dụng - Máy phát siêu âm bao gồm máy phát tín hiệu và bộ khuếch đại công suất dải rộng nhằm kích hoạt đầu dò siêu âm
Hình 2.4 Máy phát sóng siêu âm c) Bể chứa và các loại chất lỏng làm sạch
- Bể chứa: thường được làm bằng chất liệu thép không gỉ, có khả năng chịu được môi trường axit và bazo
- Chất lỏng làm sạch: có thể là nước tinh khiết hoặc một loại dung dịch có tính kiềm hay axit yếu đóng vai trò như một chất tẩy rửa
- Thiết bị rửa siêu âm có nhiều dạng khác nhau: máy rửa siêu âm độc lập, máy rửa siêu âm tách biệt hai khối, máy rửa siêu âm nhiều khối đa chức năng (Hình 2.6)
Hình 2.7 Cấu tạo của bể chứa và đầu dò dưới đáy bể
Chức năng
Cây chức năng của hệ thống
- Ý nghĩa của từng chức năng:
+ Chọn dung dịch: Máy sẽ có 3 ngăn chứa dung dịch, khi rửa ta sẽ chọn dung dịch phù hợp để rửa
+ Rửa tùy chỉnh: Trong chế độ này sẽ thực hiện các thao tác như chọn tần số của sóng siêu âm, thời gian rửa…
+ Rửa tự động: Chế độ này sẽ đem chi tiết rửa theo tần số và thời gian đã được lập trình mặc định
+ Rửa sạch: Rửa lại chi tiết bằng nước
+ Sấy: Làm khô chi tiết bằng quạt hoặc máy sấy
Lưu đồ quá trình hoạt động của hệ thống
Mô phỏng giao diện hệ thống
Giới thiệu về Arduino UNO R3 và LCD 16x2
Arduino Uno là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip Atmega328P Uno có 14 chân I/O digital (trong đó có 6 chân xuất xung PWM), 6 chân Input analog, 1 thạch anh 16MHz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn DC, 1 nút reset
Uno hỗ trợ đầy đủ những thứ cần thiết để chúng ta có thể bắt đầu làm việc
Sơ đồ chi tiết của Uno R3:
Hình 3.2 Uno R3 b Thông số kỹ thuật – Uno R3
Vi điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp cấp (hoạt động tốt) 7 – 12 V Điện áp cấp (giới hạn) 6 – 12 V
Chân I/O digital 14 ( có 6 chân xuất xung PWM)
Dòng điện mỗi chân I/O 20 mA
32 kB (Atmega328P) – trong đó 0.5 kB dùng cho bootloader.
Tốc độ xung nhịp 16 MHz
Sơ đồ chân của vi điều khiển ATmega328P:
♦ Digital : Các chân I/O digital (chân số 2 – 13) được sử dụng làm chân nhập, xuất tín hiệu số thông qua các hàm chính: pinMode(), digitalWrite(), digitalRead() Điện áp hoạt động là 5V, dòng điện qua các chân này ở chế độ bình thường là 20mA, cấp dòng quá 40mA sẽ phá hỏng vi điều khiển
♦ Analog : Uno có 6 chân Input analog (A0 – A5), độ phân giải mỗi chân là
10 bit (0 – 1023) Các chân này dùng để đọc tín hiệu điện áp 0 – 5V (mặc định) tương ứng với 1024 giá trị, sử dụng hàm analogRead()
♦ PWM : các chân được đánh số 3, 5, 6, 9, 10, 11; có chức năng cấp xung PWM (8 bit) thông qua hàm analogWrite()
♦ UART : Atmega328P cho phép truyền dữ liệu thông qua hai chân 0 (RX) và chân 1 (TX)
Có hai cách cấp nguồn chính cho bo mạch Uno: cổng USB và jack DC
Giới hạn điện áp cấp cho Uno là 6 – 20V Tuy nhiên, dải điện áp khuyên dùng là 7 –
12 V (tốt nhất là 9V) Lý do là nếu nguồn cấp dưới 7V thì điện áp ở ‘chân 5V’ có thể thấp hơn 5V và mạch có thể hoạt động không ổn định; nếu nguồn cấp lớn hơn 12V có thể gấy nóng bo mạch hoặc phá hỏng
Các chân nguồn trên Uno:
- Vin: chúng ta có thể cấp nguồn cho Uno thông qua chân này Cách cấp nguồn này ít được sử dụng
- 5V: Chân này có thể cho nguồn 5V từ bo mạch Uno Việc cấp nguồn vào chân này hay chân 3.3 V đều có thể phá hỏng bo mạch
- 3.3V: Chân này cho nguồn 3.3 V và dòng điện maximum là 50mA
- GND: chân đất e Điều khiển LCD1602 bằng Arduino UNO
LCD pinout - sơ đồ chân của LCD a VSS: tương đương với GND - cực âm b VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V) c Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình d Register Select (RS): điều khiển địa chỉ nào sẽ được ghi dữ liệu e Read/Write (RW): Bạn sẽ đọc (read mode) hay ghi (write mode) dữ liệu? Nó sẽ phụ thuộc vào bạn gửi giá trị gì vào f Enable pin: Cho phép ghi vào LCD
22 g D0 - D7: 8 chân dư liệu, mỗi chân sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW nếu bạn đang ở chế độ đọc (read mode) và nó sẽ nhận giá trị HIGH hoặc LOW nếu đang ở chế độ ghi (write mode) h Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn màn hình LCD
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Khi nhất nút COMBINE trên hệ thống, lúc này sẽ kích hoạt chức năng rửa kết hợp, Với chức năng rửa kết hợp hệ thống sẽ hoạt động theo 9 bước sau:
Bước 1: Ống dẫn Drain hoạt động (5v) setup 5s chuyển qua bước 2
Bước 2: Thêm chất tẩy rửa Detergent, lúc này chúng ta sẽ có 3 lựa chọn dung dịch rửa, sau khi setup dung dịch rửa, sau 5s chuyển qua bước 3
Bước 3: Fill water hoạt động đổ đầy nước khi đạt yêu cầu cảm biến chất lỏng ngắt điện, chuyển qua bước 4
Bước 4: Sau khi đổ đầy nước chúng ta có 2 lựa chọn mức tần số rửa là 45khz và 140khz, Lúc này bộ phát sóng siêu âm ULTRASONIC bắt đầu hoạt động theo tần số vừa setup bật trong 5s tắt trong 5s bật lại trong 10s, chuyển qua bước thứ 5
Bước 5: Quay lại Drain để xả dung dịch vừa rửa, chuyển qua bước 6
Bước 6: Bỏ qua bước thêm dung dịch rửa ở bước 2, FILL WATER hoạt động đổ đầy nước tinh khiết, lúc này chỉ sử dụng nước tinh khiết để rửa sạch chi tiết, chuyển qua bước 7
Bước 7: Lúc này bộ phát sóng siêu âm ULTRASONIC bắt đầu hoạt động với tần số đã setup trước đó bật trong 5s tắt trong 5s, chuyển qua bước 8
Bước 8: Quay lại Drain để xả nước, chuyển qua bước 9
Bước 9: FAN hoạt động làm khô chi tiết, kết thúc
