Thiết kế 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 n

VIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

TRUNG TÂM CÔNG NGHỆ VI ĐIỆN TỬ VÀ TIN HỌC

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY RỬA SIÊU ÂM TẠI VIỆT NAM

Chủ nhiệm đề tài: MAI XUÂN SỸ

7512

28/9/2009

HÀ NỘI – 2008

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

A Lý thuyết chung: 2

I Công nghệ làm sạch: 2

1 Công nghệ làm sạch truyền thống: 2

2 Làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm: 2

II Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy rửa siêu âm .9

1 Đầu dò siêu âm 9

2 Bể rửa 13

3 Máy phát siêu âm 14

III Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm 15

1 Quan hệ giữa tần số và kích thước của bong bóng 16

2 Tác dụng của hóa chất 177 3 Tác dụng của nhiệt độ: 19

4 Tác dụng của tần số 19

5 Tính quan trọng của sự phân hủy khí hơi 20

IV Một số ứng dụng cụ thể dùng trong kỹ thuật siêu âm .20

B Thực hiện các nội dung nghiên cứu: 21 1 I Đo các tham số trở kháng, điện dung của các cảm biến phục vụ cho thiết kế .21

II Chế tạo máy phát tín hiệu phục vụ cho quá trình nghiên cứu chế thử kích hoạt công suất đầu do siêu âm .24

III Thiết kế bộ xử lý trung tâm phục vụ quá trình điều khiển cấp tín hiệu máy phát và kích hoạt công suất .29

IV Thiết kế chế tạo bộ khuếch đại công suất .41

V Thiết kế mạch bảo vệ quá dòng tốc độ cao 47

VI Thiết kế chế tạo bộ cơ khí gá đỡ cho bể rửa siêu âm 53

VII Xây dựng hệ đo và kiểm tra kết quả chế thử .54

VIII Rửa thử một số dụng cụ y tế: 57

IX Quy trình công nghệ “Thiết kế chế tạo máy rửa siêu âm” trong phòng thí nghiệm 57

X Tính năng kỹ thuật của máy: 60

C Kết luận và kiến nghị: 61

1 Kết luận 61

2 Kiến nghị: 61

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

• 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 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 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 Dưới đây chúng tôi xin mô tả công nghệ làm sạch bề mặt bằng kỹ thuật và công nghệ làm sạch siêu âm

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 các vết bẩn có kích thước nhỏ cỡ vài µm mà không hề xây 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 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 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

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 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:

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

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

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 hình dạng bất kỳ rất có hiệu quả

• 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

• Bộ phận kim loại và nhựa plastic

• Các chi tiết làm bằng kim loại và nhựa PVC

• Linh kiện thạch anh

• Tấm thủy tinh có độ phân giải cao

™ Lĩnh vực y học

• Dụng cụ phẫu thuật

• Thiết bị dùng để tiêm

• Thiết bị tạo ôxu cho máu

• Thiết bị chữa răng

™ Công nghệ hoàn kim

• Đồng hồ và các phụ kiện đồng hồ

• Kim loại và đá quý

Sơ đồ khối của máy rửa siêu âm

Để dẫn năng lượng siêu âm vào hệ có bể rửa siêu âm chúng ta cần có một

cảm biến siêu âm, bể rửa và máy phát siêu âm công suất Máy phát siêu âm

công suất truyền một năng lượng điện ở một tần số nhất định nào đó cho cảm biến siêu âm, cảm biến này biến đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ dưới dạng sóng

1 Đầu dò siêu âm

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) và hiệu ứng áp điện (Piezoelectric)

Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ giảo:

Hiệu ứng từ giảo (Magnetostrictive) là hiện tượng dao động cơ học của vật liệu sắt từ như (permaloy) khi cường độ từ trường đi qua nó thay đổi Thực

tế cho thấy khi dẫn từ trường xoay chiều vào tấm vật liệu sắt từ, tấm vật liệu này bị co giãn về kích thước tạo nên các sóng đứng trên bề mặt vật liệu từ theo tần số biến đổi của từ trường đi qua nó Mức độ dao động này có thể lên tới 1.0

÷ 10µm ở dải tần số 50kHz

Như vậy quá trình tạo sóng âm ở hiệu ứng từ giảo là quá trình biến đổi năng lượng điện sang từ trường và từ trường sang năng lượng cơ học Quá trình biến đổi trên tạo ra sự mất mát về mặt năng lượng do vậy các cảm biến siêu âm

từ giảo thường có hiệu suất thấp Tuy nhiên các vật liệu sắt từ có các đặc tính

cơ học cao vì vậy có thể tạo ra các nguồn sóng siêu âm công suất lớn và khả năng chịu đựng cao các tác động và môi trường khắc nghiệt

Nguyên lý hiệu ứng áp điện (Piezoelectric)

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 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 rảo 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

™ Cấu tạo của cảm biến siêu âm Piezoelectric:

Dưới tác dụng của điện tích đặt trên hai điện cực của cảm biến, lớp gốm cùng điện cực kim loại chịu một lực xoắn rất lớn Do cảm biến có cấu tạo dạng xuyến nên lực có dãn ra biên là không lớn, lực chủ yếu xuất hiện trên bề mặt hình xuyến tạo ra những dao động sóng đứng

Nếu ta gắn chặt cảm biến vào một tấm thép – tấm thép sẽ dạo động, tạo

ra sóng cơ có công suất lớn truyền theo phương vuông góc với trục xuyến Để sóng cơ truyền ra bể rửa hiệu suất cao cần gắn chặt bề mặt cảm biến với đáy bể thông qua lớp cách điện nhưng có điện trở sóng gần với trở sóng của thành bể Các nhà chế tạo đã tạo ra các bể rửa siêu âm dùng vật liệu thép không rỉ 314 – Kết cấu bể, độ dày của nó đã được tính toán sao có hiệu suất siêu âm là cao nhất

Một số khái niệm và định nghĩa các tham số của đầu dò siêu âm

™ Xác định thông số cơ bản của đầu dò hoặc cảm biến

Để thiết kế chế tạo máy rửa siêu âm, điều quan trọng là phải hiểu rõ những thông số cơ bản của cảm biến siêu âm Dưới đây là một số khái niệm chính về cảm biến siêu âm bằng gốm áp điện (PZT)

Như chúng ta đã biết, khi cảm biến PZT được đặt một điện áp – kính thước của cảm biến bị biến dạng Ngược lại, nếu ta tạo ra sự biến dạng về kích thước của cảm biến thì giữa 2 điện cực của cảm biến xuất hiện một điện áp

Quan hệ giữa lực và hiệu quả tương ứng xảy ra trên cảm biến phụ thuộc vào các yếu tố sau: Đặc trưng kỹ thuật của PZT, kích thước và hình dạng của

nó, hướng tác động cơ khí, điện từ lên cảm biến

Để phân biệt hướng sự biến dạng trong cảm biến, người ta dùng hệ tọa

độ 3 chiều

Hệ tạo độ 3 cực này nó là hướng phân cực bên trong cảm biến PZT Hướng của nó được thiết lập bởi một điện áp cao một chiều đưa vào giữa cặp cực đối diện của cảm biến (Định hướng phân cực này xảy ra trong quá trình chế tạo cảm biến) Các cực định hướng này sau đó được thay thế bởi những cực mới gắn trên cặp thứ hai đối diện của cảm biến PZT

Ký hiệu của các đại lượng đặc trưng của PZT:

T = lực tác dụng không đổi = không có lực ngoài đặt vào

E = điện trường không đổi = đoản mạch

D = cường độ điện trường không đổi = hở mạch

S = sức căng không đổi = bắt chặt bằng cơ khí

Hệ số “d”: D được hiểu như là một lực cơ học đã được tạo ra bởi đặt một điện trường vào hai đầu cực PZT, đây gọi là hệ số biến đổi điện cơ và có đơn vị tính là m/V (m:meter, V: điện áp)

dạng lớn, đấy chính là những cảm biến chuyển động (động cơ siêu âm, bộ lái

tích thu được trên điện cực khi có một lực cơ học tác động trên nó ở cả 3

hướng d31 được biểu diễn điện tích thu được trên điện cực khi tác động một lực vuông góc với các trục phân cực

Hình ảnh giới thiệu bộ cảm biến siêu âm:

Ultrasonic Cleaning Transducers (Catalog

Cấu tạo của bể rửa siêu âm và đầu dò gắn dưới đáy bể

3 Máy phát 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 Dưới đây là một số loại máy phát siêu âm do:

- Máy phát siêu âm cung cấp dạng sóng tín hiệu hình vuông:

Nếu ta đặt một sóng hình vuông nên cảm biến siêu âm thì cảm biên sẽ dao động ở rất nhiều tần số khác nhau xung quanh tần số cơ bản của sóng hình vuông

- Dạng xung:

Ở chế độ dạng xung cảm biến siêu âm được kích hoạt ở chế độ đóng ngắt theo một thời gian nhất định có tần số thấp hơn nhiều so với tần số cộng hưởng riêng của nó

- Quét tần số:

Trong một số trường hợp máy phát siêu âm có thể điều biến tần số xung quanh tần số cộng hưởng của nó

- Tần số và biên độ của máy phát siêu âm:

Tần số và biên độ là đặc trung có bản của sóng âm Hình vẽ dưới đây biểu diễn các búp sóng truyền trong môi trường ở các chế độ khác nhau:

III Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu

âm

Sự phân phối năng lượng siêu âm:

Quá trình phân phối năng lượng xảy ra trong kỹ thuật rửa siêu âm yêu cầu phải có hai yếu tố:

- Nguồn sóng tạo ra phải được truyền trong môi trường chất lỏng và mặt cần rửa phải được tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng

- Những bọt bong bóng được tạo ra phải có năng lượng đủ lớn bảo đảm khi nó giải phóng đủ gây nên các tác động đến chất bẩn của toàn bộ bề mặt vật cần tẩy rửa

Hiện tượng tạo thành bọt bong bóng và kích nổ các bọt đó có thể chỉ xảy ra bên trong chất lỏng nhưng không nhất thiết xảy ra trong toàn bộ các loại chất lỏng Một số tính chất vật lý của chất lỏng như là độ nhớt, sức căng bề mặt, áp suất hơi của chất lỏng có ảnh hưởng đến sự hình thành quá trình tạo bọt bong bóng Phần lớn các dung dịch hóa chất đều có tính chất vật lý phù hợp với kỹ thuật và công nghệ rửa siêu âm

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

Tài liệu trích dẫn: Branson ultrasonic cleaner application note

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

Hình minh họa dưới đây mô tả kích thước, mật độ của sóng siêu âm tạo bởi hai tần số khác nhau ở cùng một chế độ công suất siêu âm như nhau

2 Tác dụng của hóa chất

Để quá trình rửa đạt hiệu quả cao nhất ngoài các yếu tố như thời gian, nhiệt

độ, hóa chất tẩy rửa còn một yếu tố đặt biệt quan trọng khác nữa là mật độ bọt khí siêu âm trong dung dịch tẩy rửa

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 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 Sử dụng những công thức cho việc tẩy rửa thích hợp có thể yêu cầu tới một vài các thiết bị mà cần được nghiên cứu xem xét rõ ràng bao gồm cả tăng công suất mang lại hiệu quả

Tài liệu trích dẫn : Branson ultrasonic cleaner application note

Nhiệt độ được đề cập đến đầu tiên khi muốn có được sự sủi bong bóng lớn nhất Hiệu lực của chất tẩy rửa hóa học cũng có quan hệ với nhiệt độ Sự sủi bong bóng hiệu quả lớn nhất ở điều kiện nước tinh khiết với nhiệt độ khoảng

mỗi quy trình tẩy rửa được đưa ra Như vậy mặc dù hiệu ứng sóng siêu âm lớn

cao Những loại chất tẩy rửa khác có thể bị phá vỡ hay mất đi hiệu ứng của

Khử khí độc của dung dịch làm sạch cũng là một vấn đề hết sức quan trọng

để đem lại kết quả làm sạch mong muốn Những dung dịch đó mà lạnh thì cần được giảm khí độc trước khi tiến hành quy trình làm sạch Loại bỏ khí độc được thực hiện sau khi chất hóa học được đưa vào và hoàn thành quá trình vận hành năng lượng sóng siêu âm Thời gian yêu cầu cho việc loại bỏ khí độc là được xem xét ở nhiều mặt khác khác nhau dựa trên dung tích của bể rửa và nhiệt độ dung dịch, có thể là nhiều phút đối với một bể nhỏ đến một giờ đối với một bể rửa lớn hơn Với bể mà không bị nung nóng thì có thể yêu cầu hàng giờ cho việc loại bỏ khí độc Việc khử hết khí độc hoàn thành khi những bong bóng nhỏ của khí không nhìn thấy reo nên trên bề mặt bề mặt của chất lỏng

Tài liệu trích dẫn : Branson ultrasonic cleaner application note

Công suất siêu âm phân phối cho bể rửa siêu âm phải tương thích với toàn

bộ sự sủi bong bóng trong chất lỏng với tải làm việc Đơn vị đo thường được sử dụng để đo công suất siêu âm trong bể rửa là Watts Khi thể tích của bể tăng lên thì công suất / đơn vị thể tích giảm đi Những thiết bị cần làm sạch có kích thước rất lớn hay có hệ số tỉ lệ của bề mặt lớn có thể tăng thêm mức công suất

Thừa công suất có thể là nguyên nhân dẫn tới sự ăn mòn bong bóng hay sự

“cháy” trên phần kim loại Đối với những quá trình làm sạch đạt độ chuẩn xác cao các thiết bị rửa siêu âm có một bộ điều chỉnh công suất và công suất sẽ được điều chỉnh tùy theo mức độ yêu cầu của quá trình làm sạch

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 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 160kHz

Độ nhớt của chất lỏng làm giảm rất nhiều cái 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

4 Tác dụng của tần số

Cường độ xuất hiện bong bóng tỉ lệ thuận với công suất siêu âm Khi công suất siêu âm tăng trên ngưỡng tạo bong bóng một giá trị đáng kể thì cường độ tạo bong bóng triệt tiêu

Cường độ tạo bong bóng tỉ lệ nghịch với tần số siêu âm Khi tần số siêu âm tăng thì cường độ tạo bong bóng giảm do các bong bóng tạo ra có kích thước nhỏ hơn đồng nghĩa với việc năng lượng kích nổ bé hơn Tuy nhiên ở tần số cao việc tăng công suất vượt quá một mức nào đấy thì cường độ tao bong bóng lại được tăng lên Hạn chế đến mức tối đa lượng khí hòa tan trong chất lỏng

5 Tính quan trọng của sự phân hủy khí hơi

Khi một áp suất âm phát triển trong bong bóng, hơi bị phân hủy trong dung dịch sủi bong bóng và bắt đầu khuếch tán dọc theo đường biên giới bên trong bong bóng Khi áp suất hơi giảm đi, sự sủi bong bóng bắt đầu quá trình xẹp xuống do sức căng bề mặt của nó Trong suốt quá trình ép nén bất kỳ hơi khí nào trong bong bóng đều bị nén và cuối cùng lan rộng khắp bề mặt trong lòng chất lỏng Hiệu quả làm sạch lớn nhất

IV Một số ứng dụng cụ thể dùng trong kỹ thuật siêu âm (Chi tiết xem mục

phạm vi ứng dụng trang 7 của báo cáo)

™ Trong Phòng thí nghiệm khoa học

™ Sản xuất công nghiệp

™ Sản xuất công nghệ điện tử

™ Lĩnh vực y học

™ Công nghệ hoàn kim

B Thực hiện các nội dung nghiên cứu:

Đề tài đã thực hiện các nội dung nghiên cứu sau và được mô tả trong các chuyên đề từ 1 ÷ 14:

• Chuyên đề 1: Báo cáo tổng quan về lý thuyết rửa siêu âm

• Chuyên đề 2: Tính toán thiết kế tổng thể

• Chuyên đề 3: Tài liệu dịch lý thuyết cơ bản về công nghệ rửa siêu âm

• Chuyên đề 4: Tài liệu dịch về kỹ thuật đo điện dung, trở kháng

• Chuyên đề 5: Xây dựng hệ đo điện dung, trở kháng

• Chuyên đề 6: Thiết kế chế thử, máy phát hình sin

• Chuyên đề 7: Thiết kế, chế thử bộ nguồn công suất

• Chuyên đề 8: Thiết kế, chế tạo bộ vi xử lý trung tâm

• Chuyên đề 9: Thiết kế, chế tạo bộ khuếch đại công suất

• Chuyên đề 10: Thiết kế, chế tạo mạch bảo vệ quá dòng tốc độ cao

• Chuyên đề 11: Thiết kế, chế tạo bộ cơ khí, gá đỡ cho bể rửa siêu âm

• Chuyên đề 12: Xây dựng hệ đo, đánh giá kết quả chế thử

• Chuyên đề 13: Quy trình công nghệ thiết kế, chế tạo máy rửa siêu âm trong phòng thí nghiệm

• Chuyên đề 14: Thử nghiệm làm sạch dụng cụ y tế bằng máy rửa siêu âm (Biên bản nhận xét, đánh giá kết quả thử nghiệm làm sạch dụng cụ y tế tại bệnh viện Y học hàng không)

Dưới đây là một số nội dung chính đã thực hiện được và đã đạt được một

số kết quả cụ thể như sau:

I Đo các tham số trở kháng, điện dung của các cảm biến phục vụ cho thiết

kế

Để phục vụ cho đề tài nghiên cứu “thiết kế, chế tạo máy rửa siêu âm tại Việt Nam” chúng ta cần phải đo điện dung và trở kháng của các cảm biến siêu

âm

Đo điện dung của cảm biến cũng như xác định trở kháng của mảng mạch trên là thông số công nghệ quan trọng, không thể thiếu phục vụ cho thiết kế chế tạo máy phát siêu âm công suất

Lý thuyết chung về đo điện dung và trở kháng xem chương IV, chuyên

đề về lý thuyết đo điện dung, trở kháng

Sau khi tìm hiểu nghiên cứu các phương pháp đo điện dung và trở kháng chúng tôi thấy máy đo HIOKI 3532 – 50 LRC meter phù hợp cho việc đo và xác định các tham số điện dung, trở kháng của cảm biến siêu âm

Dưới đây chúng tôi giới thiệu các tính năng kỹ thuật và cách vận hành máy đo HIOKI 3532 – 50 LRC meter:

Với việc sử dụng thiết bị đo tần số có thể thay đổi, HIOKI 3532 LCR HiTERER đã cải thiện công suất với tốc độ đáp ứng 5ms, giúp nâng cao hiệu suất đường truyền HIOKI 3532 LCR HiTERER bao trùm phạm vi tần số từ 42Hz đến 5MHz Điều kiện kiểm tra có thể gần với điều kiện vận hành của thiết

bị Độ chính xác ±0.08% Phạm vi sử dụng rộng rãi

Một số thông số chính của thiết bị đo:

Tham số đo |Z|, |Y|, θ, Rp, Rs (ESR), G, X, B, Cp, Cs, Lp, Ls, D, Q Dải đo

Mức tín hiệu đo 10 mV to 5 V rms /10µA to 100 mA rms

Màn hình hiển thị LCD with backlight / 99999 (full 5 digits)

Thời gian đo

Fast: 5ms Normal: 21ms Slow 1: 72ms Slow 2: 140ms

Dưới đây là bảng kết quả đo điện dung và trở kháng của hai bể rửa siêu âm

Ở đây : F(kHz): Tần số ; Y(mS) : addmitance ; Z(kΩ): impedance;

C p (nF): Điện dung song song; C s (nF ): điện dung nối tiếp; L p (mH): Điện cảm song song;

L s (mH): Điện cảm nối tiếp

Bể 1

F(kHz) 40.00 40.50 41.00 41.50 42.00 42.50 43.00 43.50 44.00 44.50 45.00 Y(mS) 0.617 0.678 0.639 0.785 0.747 0.718 0.726 0.729 0.824 0.879 0.905 Z(kΩ) 1.605 1.560 1.417 1.273 1.123 1.616 1.377 1.262 1.212 1.137 1.105

II Chế tạo máy phát tín hiệu phục vụ cho quá trình nghiên cứu chế thử kích hoạt công suất đầu do siêu âm

Để phục vụ cho đề tài nghiên cứu “thiết kế, chế tạo máy rửa siêu âm tại Việt Nam” đề tài cần thiết kế chế tạo máy phát tín hiệu hình Sin có khả năng điều chỉnh tần số nhằm cung cấp nguồn tín hiệu cho bộ khuếch đại công suất dùng để kích hoạt cảm biến

a Các yêu cầu kỹ thuật của máy phát tín hiệu cần đạt:

− Dải tần số: từ 10kHz ÷ 100kHz

− Dạng tín hiệu: Sin

− Biên độ đầu ra: 0 ÷ 5Vpp

− Tải đầu ra: lớn hơn 50Ω

− Điều kiện thay đổi tần số: Điều khiển ngoài (thông qua bộ xử lý trung tâm) hoặc điều khiển trong

b Nội dung nghiên cứu đã thực hiện

Để tạo ra tín hiệu phát có khả năng điều chỉnh tần số ta sử dụng mạch tổ hợp Max038 Dưới đây tôi xin giới thiệu tính năng kỹ thuật của Max038:

Max038 là bộ phát tần số cao, có thể đưa ra các dạng sóng: sin,răng cưa, tam giác, vuông và xung Tần số đầu ra thay đổi trong dải tần từ 0,1 Hz đến 20 MHz Tần số hay chu kỳ có thể được điều chỉnh bằng dòng, áp hay điện trở đầu vào Dạng sóng phát ra theo yêu cầu được lựa chọn bằng các mã tương ứng từ 2 đầu vào logic A0 và A1 Các đầu ra đồng bộ và tách sóng pha tích hợp bên trong cho phép kiểm tra tín hiệu bên ngoài Max038 hoạt động với nguồn cấp

một dòng không đổi đồng thời phát ra các sóng vuông hay tam giác Sự phóng,

thể thay đổi bằng cách hiệu chỉnh điện áp trên hai chân FADJ (8) và DADJ(7) nằm, trong khoảng từ 2 µA đến 750 µA Ngoài ra có thể hiệu chỉnh các tần số nhỏ bằng cách đưa điện áp ±2.4V vào chân FADJ

Dưới đây là sơ đồ cấu trúc của Max038:

Sơ đồ và chức năng các chân của Max 038:

1 REF Đầu ra điện áp chuẩn 2,5 V

3 A0 Đầu vào chọn dạng sóng, tương thích TTL/CMOS

4 A1 Đầu vào chọn dạng sóng, tương thích TTL/CMOS

10 IIN Hiệu chỉnh tần số bằng dòng đầu vào

sóng pha không được sử dụng

14 SYNC Đầu ra tương thích TTL/CMOS liên quan giữa 2 chân DGNG và DV+ cho phép bộ phát bên trong

đồng bộ với tín hiệu bên ngoài

15 DGND Nối đất đầu vào tín hiệu số

16 DV+ Đầu vào nguồn + 5V của tín hiệu số

Sơ đồ mạch dưới đây mô tả toàn bộ sơ đồ mạch của máy phát được thiết

kế cùng bộ khuếch đại công suất

Bảng mạch sau khi lắp ráp linh kiện:

Bảng lựa chọn các thông số kỹ thuật:

Bảng mạch lắp ráp linh kiện:

Sơ đồ mặt in hai mặt có phủ xanh chống ôxy hoá:

Sau khi lắp ráp xong, chúng tôi đã kiểm tra bộ máy phát tín hiệu trên oscilloscope thấy đã đáp ứng được các yêu cầu về thông số kỹ thuật

III Thiết kế bộ xử lý trung tâm phục vụ quá trình điều khiển cấp tín hiệu máy phát và kích hoạt công suất

Như đã nói ỏ trên về mục tiêu ứng dụng của bộ điều khiển trung tâm phục vụ nhiệm vụ nghiên cứu chế thử Trong phần này chúng tôi chi tiết hóa các yêu cầu cụ thể của bộ vi xử lý trung tâm phục vụ nghiện cứu, chế thử

Với chức năng là thiết lập các chế độ điều khiển quá trình cấp tín hiệu điều khiển mạch KĐ công suất kích hoạt các cảm biến siêu âm

Dưới đây chúng tôi xin giới thiệu bộ xử lý trung tâm sử dụng C – Control

II của hãng Conrad electronic

A - Phần cứng

C – Control II là một modul đã được đóng gói bằng nhựa pastics có màn hình hiển thị LCD 2x16 charater, có các núm nút Start, Stop, RUN, và Reset Ngoài ra modul còn có cổng RS232, cổng I/O, cổng CAN

Máy tính

Nguồn cung cấp

Kit phát triển

C – Control II

Khuếch đại công suất

LCD Máy phát tần

Sơ đồ khối của bộ xử lý trung tâm

- Bộ điều khiển C-Control II của hãng Conrad Electric – GmbH (Đức)

- Bảng mạch ứng dụng với các núm nút điều khiển, các phím bấm thiết lập các mạch, các chức năng, các tham số công nghệ dùng để khởi động, dừng, đặt các tham số

- LCD hiển thị tần số ở 2 mức Hz và kHz

- Cổng giao tiếp RS232 dùng để giao tiếp với máy tính

- Digital I/O ports

- LED display 4digit

- 8 channels analog Input

- 10bit ADC

- 3bit PWM Output Phần mềm điều khiển:

- Phần mềm điều khiển hệ thống

- Điều khiển ghép nối máy phát tín hiệu

- Điều khiển ghép nối cấp tín hiệu và kích hoạt bộ KĐ công suất

- Tự động bảo vệ khi quá dòng hoặc hệ thống hoạt động bất thường