Để cho dung dịch tẩy rửa hịa tan đƣợc các hạt bụi bẩn điều cần thiết là dung dịch cần phải đƣợc tiếp xúc trực tiếp với hạt bụi. Trong trƣờng hợp này quá trình tẩy rửa đĩng vai trị tạo sự tiếp xúc giữa hĩa chất hoặc bụi bẩn.
Hình 2. 12 Quá trình làm sạch 1.
Khi hĩa chất hịa tan bụi bẩn thì một lớp hĩa chất gần sát bề mặt của vật dần dần bị bão hịa do vậy tác dụng hịa tan của nĩ ngày một dày nhƣ vậy quá trình tẩy rửa bị chậm lại hoặc mất hẳn. Để quá trình làm sạch nhanh hơn cần bổ xung thƣờng xuyên hĩa chất tẩy rửa mới.
19
Hình 2. 13 Quá trình làm sạch 2.
Với việc tạo bọt sĩng và bắn phá bề mặt bằng bọt sĩng, sĩng siêu âm đã làm tăng hiệu suất tẩy rửa bằng cách hạn chế sự hình thành lớp hĩa chất bão hịa tạo điều kiện cho lớp hĩa chất tích cực trực tiếp tiếp xúc với bề mặt vật cần rửa.
Hình 2. 14 Quá trình làm sạch 3.
Một vài bụi bẩn khơng hịa tan mà chỉ bám một cách lỏng lẻo trên bề mặt của vật nhờ lực liên kết ion . Những bụi bẩn này dễ dàng loại bỏ bằng cách cƣỡng bức một lực
20
lớn hơn lực bám dính của nĩ với bề mặt là bụi bẩn đã đƣợc tách ra khỏi bề mặt một cách dễ dàng.
Hình 2. 15 Quá trình làm sạch 4.
Để quá trình tẩy rửa siêu âm đạt hiệu quả cao địi hỏi dung dịch tẩy rửa phải dính ƣớt đƣợc các hạt bụi bẩn cần làm sạch.
Hình 2. 16 Quá trình làm sạch 5.
Những yếu tố cần lƣu ý khi sử dụng phƣơng pháp làm sạch bằng sĩng siêu âm kết hợp dung dịch.
21
Lựa chọn tần số siêu âm: hầu hết các bể rửa cĩ tần số siêu âm trong khoảng 38-45 kHz , đáp ứng hầu hết các nhu cầu làm sạch thơng thƣờng. Tần số siêu âm thấp hơn sẽ tạo ra các bĩng chân khơng lớn hơn, vì vậy khi chúng vỡ ra sẽ giải phĩng năng lƣợng làm sạch lớn hơn. Trong các quá trình làm sạch thơ, các tần số thấp dƣới 25kHz lại cho hiệu quả tốt hơn.Tuy nhiên, tần số thấp cũng làm tăng độ ồn hoạt động.Để làm sạch các loại vật liệu giá trị cao nhƣ trang sức, thiết bị điện tử, kim loại nhẹ cĩ bề mặt bĩng nhẵn thì lại địi hỏi tần số rất cao 130kHz.
Lựa chọn cơng suất siêu âm: dung tích dung dịch càng lớn thì cơng suất siêu âm càng cao. Mặc dù cơng suất cao thƣờng cho thấy hiệu quả làm sạch cao hơn và quá trình nhanh hơn, nhƣng cơng suất quá lớn cĩ thể làm hỏng các bộ phận điện tử, bề mặt vật liệu (kim loại nhƣ nhơm…), vì vậy cần tìm một cơng suất tối ƣu cho quá trình.
Lựa chọn dung dịch tẩy rửa phù hợp: trong thực tế cĩ rất nhiều dạng bụi bẩn khác nhau cĩ thể tan hoặc khơng tan trong dung dịch tẩy rửa. Để cơng nghệ rửa siêu âm cĩ hiệu quả cần phải chọn chất tẩy rửa phù hợp.
22
CHƢƠNG 3:TÍNH TỐN, THIẾT KẾ, THI CƠNG 3.1.Thiết kế mơ hình.
3.1.1.Các bộ phận chính của mơ hình.
Bể rửa và đầu phát siêu âm:
Nhiệm vụ: chứa dung dịch để tẩy rửa kim phun.
Thiết kế: đầu phát và bể đƣợc hàn cố định với nhau để đảm bảo sự truyền dao động là tối ƣu. Sau đĩ đo các kích thức cần thiết để thiết kế khung vỏ và bố trí.
Hình 3. 1 Bể rửa và đầu phát siêu âm mơ phỏng trên phần mềm Catia.
Bình chứa:
Nhiệm vụ: chứa dung dịch súc rửa kim phun, và chƣa dung dịch hồi về sau súc rửa.
Thiết kế: vật liệu: nhựa PVC, dễ gia cơng, giá thành rẻ. Bố trí bình chứa tiết kiệm khơng gian và dễ thêm dung dịch.
23
Đo các kích thƣớc cần thiết để thiết kế khung vỏ.
Hình 3. 2Bình chứa thiết kế trên phần mềm Catia.
Bộ gá, ống nghiệm chứa và đo lưu lượng:
Nhiệm vụ: gá ống phân phối dung dịch, gá kim phun, chứa dung dịch phun ra là đo lƣu lƣợng.
Bộ gá và ống nghiệm đã đƣợc sản xuất với kích thƣớc tiêu chuẩn cĩ bán trên thi trƣờng.
24
Hình 3. 3Bộ gá và ống nghiệm mơ phỏng trên phần mềm Catia.
3.1.2.Thiết kế khung vỏ.
Sau khi cĩ kích thƣớc của các bộ phận tiến hành thiết kế khung, vỏ để bố trí các bộ phận.
Khung:
Vật liệu: sắt vuơng rỗng cạnh 1cm, dày 1.5mm.
Ƣu điểm: bền, chắc, dễ gia cơng hàn, cắt ; gá, cố định các chi tiết, giá thành rẻ. Thực hiện: cắt sắt theo kích thƣớc thiết kế, sau đĩ hàn các thanh sắt với nhau bằng máy hàn điện theo hình dạng thiết kế, sau đĩ chờ nguội và mài nhẵn các mối hàn.
25
Vỏ:
Vật liệu: mika tấm dày 3mm
Ƣu điểm: thẩm mỹ cao, dễ khoan, cắt.
Thực hiện: đo kích thƣớc thực tế của khung đã gia cơng, sau đĩ dùng phần mềm Autocad để máy cắt lazer gia cơng.
Hình 3. 5Bản vẻ vỏ mơ hình trên phần mềm Cad.
3.1.3.Thiết kế bố trí và phương pháp cố định trên mơ hình.
Yêu cầu về cách bố trí: các bộ phận của mơ hình phải bố trí đảm bảo tính an tồn về rị rỉ, an tồn về điện và đảm bảo sự thuận tiện sử dụng, sửa chữa, bảo dƣỡng. Dựa trên kích thƣớc thực tế bố trí vị trí phù hợp và tiết kiệm tối đa khơng gian.
26
Các chi tiết đƣợc lắp với khung bằng bulơng và đai ốc để đảm bảo độ chắc chắn.
Hình 3. 7 Mơ hình lắp ghép thực tế 1.
Hình 3. 8 Mơ hình lắp ghép thực tế 2.
3.2.Tổng quan hệ thống.
Hoạt động của hệ thống đƣợc tĩm tắt nhƣ hình (3.4). Hệ thống đƣợc chia ra hai phần độc lập: khối siêu âm và khối điều khiển.
Khối siêu âm đƣợc điều khiển bằng IC SG3525 cĩ nhiệm vụ tạo ra xung kích mosfet với tần số cao cĩ thể thay đổi đƣợc. Sau đĩ thơng qua khối cơng suất tạo ra điện áp xoay chiều cĩ tần số theo sự điệu khiển của IC SG3525 để điều khiển loa siêu âm tạo ra rung động tác dụng vào bể rửa.
27
Khối điều khiển do Module Arduino Nano điều khiển, cĩ nhiệm vụ tiếp nhận thao tác ngƣời dùng từ hệ thống các nút điều khiển, điều khiển bơm và kim theo các chế độ đã đƣợc lập trình và hiển thị ra màn hình LCD (2x16).
Hình 3. 9Tổng quan hệ thống.
3.3.Khối siêu âm.
3.3.1.Loa siêu âm.
3.3.1.1. Định nghĩa.
Hiệu ứng áp điện – piezoelectric effect – piezoelectric phenomena là một hiện tƣợng đƣợc nhà khống vật học ngƣời Pháp đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đĩ đƣợc anh em nhà Pierre và Jacques Curie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880. Hiện tƣợng xảy ra nhƣ sau: ngƣời ta tìm đƣợc một loại chất cĩ tính chất hĩa học gần giống gốm (ceramic) và nĩ cĩ hai hiệu ứng thuận và nghịch nhƣng khi áp vào nĩ một trƣờng điện thì nĩ biến đổi hình dạng và ngƣợc lại khi dùng lực cơ học tác động vào nĩ thì nĩ tạo ra dịng điện. Nĩ nhƣ một máy biến đổi trực tiếp từ năng lƣợng điện sang năng lƣợng cơ học và ngƣợc lại. Nếu nhƣ theo chiều hƣớng thuận, cĩ nghĩa là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngƣợc lại là áp điện nghịch : tác động hiệu thế vào vạt thì sẽ sinh ra cơng biến dạng làm biến đổi lực. Một vật đƣợc cấu tạo bởi ba yếu tố PZT ( chì Pb, zorconi, titan ) sẽ cĩ tính chất áp điện. ( VD: thạch anh ).
28 3.3.1.2. Hiện tượng áp điện thuận.
Một tấm thạch anh cĩ bề dày l0 đƣợc phủ một lớp bạc hai bên bề mặt để tạo thành các điện cực. Trên hai bản cực nối một điện kế nhƣ hình:
Hình 3. 10Hiện tượng áp điện thuận.
Khi tác động một lực kéo sao cho bề dày của tấm mỏng biến đổi với ll = lo + l, nhận thấy kim của điện kế lệch về bên trái. Điều này chứng tỏ hai bên bản cực của tấm mỏng xuất hiện các điện tích trái dấu.[5]
Ngƣợc lại khi tác dụng một lực nén sao cho bề mặt của tấm mỏng biến đổi với ll = lo - l, ta nhận thấy kim của điện kế lệch về bên phải. Nhƣ vậy trên hai bản cực của tấm mỏng các điện tích đã đổi chiều.
Quan hệ giữa điện tích Q và lực F đƣợc xác định bởi cơng thức: Q = K x F Trong đĩ: Q: điện tích (Coulomb)
K: hằng số áp điện (K = 6.9x10-8
) F: giá trị của lực kéo hoặc nén (kg).
Qua đĩ kết luận rằng khi tác dụng một lực 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 cĩ cùng tần số với dao động cơ học đã tác dụng.
29 3.3.1.3. Hiện tượng áp điện nghịch.
Hình 3. 11Hiện tượng áp điện nghịch.
Xét tấm thạch anh mỏng nhƣ trên, bây giờ ta nối hai bản cực của tấm với một nguồn điện cĩ chiều lần lƣợt nhƣ hình(3.6). Ta nhận thấy bề dày của tấm áp điện biến đổi với ll = lo + l, và khi đổi chiều nguồn cấp điện bề dày biến đổi với ll = lo + l
Quan hệ giữa l và điện áp V đƣợc xác định: l = K x V
Trong đĩ: l: là độ biến thiên kích thƣớc hình học của tấm áo điện. K: hằng số áp điện ( K = 6.9x10-8).
V: giá trị của nguồn điện (V).
Kết luận khi đặt lên hai điện cực của tấm áp điện một tín hiệu điện xoay chiều cĩ tần số f thì bề dày của tấm áp điện sẽ biến đổi liên lục với cùng tần số và nhƣ vậy dao động cơ học sẽ đƣợc bức xạ ra mơi trƣờng.
30
Đây chính là nguyên tắc chế tạo biến tử phát sĩng siêu âm.
Thực nghiệm cho thấy biên độ dao động đạt giá trị cực đại khi giá trị tần số 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 cơng thức:
fo = k/ l
Trong đĩ: k: hệ số dao động riêng (kHz.mm)
fo: tần số dao động riêng của tấm áp điện. l : bề dài của tấm áp điện (mm).
3.3.1.4. Cấu tạo đầu rung siêu âm.
Hình 3. 13Cấu tạo đầu rung siêu âm.
3.3.2.Module điều khiển siêu âm.
IC SG3525 do các hãng ST Mircroelectronis, Fairchild ...sản xuất . SG3525 đƣợc sử dụng nhiều trong các thiết kế DC-DC converter, DC-AC inverter, hệ thống UPS....
31
Hình 3. 14Sơ đồ nguyên lí IC SG3525. 3.3.2.2. Cách sử dụng IC SG3525.
Hình 3. 15Sơ đồ chân kết nối IC SG3525.
Chân 1 (đầu vào đảo) và chân 2 (đầu vào khơng đảo) là các đầu vào của bộ khuếch đại vi sai đƣợc tích hợp trên IC. Chúng ta cĩ thể hiểu nĩ là bộ so sánh 2 tín hiệu lối vào của bộ so sánh, đầu ra của bộ so sánh này đƣợc sử dụng để tăng hoặc giảm độ rộng xung . Khi điện áp chân 1 cao hơn so với chân 2 thì độ rộng xung sẽ giảm và ngƣợc lại.
32
Chân 16 là đầu ra của khối tạo điện áp chuẩn. SG3525 cĩ một module ổn áp bên trong, cĩ điện áp ổn đầu ra là đƣợc lấy trên chân 16 là + 5.1V với độ chính xác +/- 1%. Điện áp tham chiếu này thƣờng đƣợc sử dụng để làm tham chiếu chuẩn cho bộ khuếch đại vi sai (cĩ 2 đầu vào là chân 1 và 2). Điện áp tham chiếu cĩ thể đƣợc kết nối trực tiếp hoặc thơng qua bộ chia áp đến một chân cuả bộ khêch đại vi sai.
Chân 15 là chân VCC, tức nguồn. nguồn cấp cho IC nằm trong khoảng từ 8 đến 35V. SG3525 cĩ một mạch khĩa tồn bộ hoạt động khi điện áp nguồn cấp thấp hơn 8V Chân 13,Vc, điện áp cấp đến tầng ra của SG3525. Chân này đƣợc kết nối đến các colector của các transistor NPN ở tầng ra. Điện áp cấp cho chân này cĩ giá trị từ 4.5 đến 35V. Điện áp đầu ra bộ điều khiển sẽ thấp hơn điện áp Vc một chút, đúng bằng độ thơng bão hịa của transistor. khi điều khiển Mosfet, giá trị Vc phải nằm trong khoảng từ 8 đến 18V (Khoảng điện áp để MOSFET dẫn hồn tồn mà khơng đánh thủng cực G ) Chân 12 nối mass.
Chân 11 và chân 14 là các đầu ra. Các đầu ra của SG3525 cĩ thể trực tiếp điều khiển MOSFET và IGBT. Các đầu ra này cĩ thể chịu đƣợc dịng 100 mA liên tục và 500 mA dịng đỉnh. Khi yêu cầu dịng điều khiển lớn hơn, các đầu ra này cĩ thể đƣợc kết hợp cùng với các transistor rời rạc hoặc các mạch điều khiển chuyên dụng. Khi sử dụng mạch cầu hoặc bán cầu, muốn sử dụng SG3525 để điều khiển thì cần phải cĩ biến áp để điều khiển Mosfet bên trên của cầu. phần Mosfet bên dƣới cĩ thể điều khiển trực tiếp.
Chân 10 là chân Shutdow. Khi chân này ở mức thấp, PWM sẽ đƣợc cho phép sử dụng. Khi ở mức cao, mạch PWM sẽ bị cấm ngay lập tức. Chân này cĩ thể đƣợc sử dụng để cắt lập tức tín hiệu ra PWM. Ngồi ra cĩ thể shutdow bằng cách đƣa điện áp chân 9 và 8 về mức thấp, tuy nhiên về tốc độ đáp ứng thì khơng thể nhanh bằng chân 10. Khi thiết kế mạch, chân này khơng đƣợc để hở, vì nhiễu cĩ thể tác động vào và làm ảnh hƣởng đến hoạt động PWM.
Chân 9 là chân bù, kết hợp với chân 1 để hình thành nên mạch bù phản hồi. Chân 3, 4 là hai chân dùng để đo kiểm thơng qua máy oscilloscope.
3.3.2.3. Tính tốn tần số IC SG3525.
Tần số PWM sẽ phụ thuộc vào 3 linh kiện chính đĩ là RD (chân 7),RT( chân 6) và CT(chân 5). Tần số đƣợc tính theo cơng thức:
33
Với RT và RD tính theo ơm và CT tính theo Fara,f tính theo Hz. RD thƣờng cĩ giá trị từ 10 đến 47 ơm. Dải giá trị của điện trở này theo nhà sản xuất là từ 0 đến 500 Ơm RT phải nằm trong giá trị từ 2 đến 150 Kilơ ơm. CT cĩ giá trị từ 1nF (mã 102 )đến 0.2uF (mã 224). Tần số giao động nằm từ 100 Hz đến 400KHz. Lƣu ý rằng tần số ra của tầng ra chỉ bằng một nửa của cơng thức trên. ví dụ đối với inverter 50 Hz thì tần số ra ra của tầng ra là 50Hz,do đĩ biểu thức f sẽ là 100Hz.
Một tụ điện cĩ thể nối từ chân 8 của IC xuống đất để thực hiện chức năng soft- start (khởi động mềm). Điện dung của tụ điện càng lớn, thời gian khởi động mềm (tức khoảng thời gian mà độ rộng xung D tăng từ 0 đến độ rộng xung theo yêu cầu) là càng lớn. Đối với SG3525, tụ Soft-start đƣợc nối từ chân 8 xuống đất cĩ giá trị từ 1uF đến 22uF.
3.3.3.Module siêu âm cơng suất.
3.3.3.1. Mosfet.
Mosfet là Transistor hiệu ứng trƣờng (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là một Transistorđặc biệt cĩ cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thơng thƣờng mà ta đã biết. Mosfet thƣờng cĩ cơng suất lớn hơn rất nhiều so với BJT. Đối với tín hiệu 1 chiều thì nĩ coi nhƣ là 1 khĩa đĩng mở. Mosfet cĩ nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trƣờng để tạo ra dịng điện, là linh kiện cĩ trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu.
34
Hình 3. 16Cấu tạo mosfet kênh N.
G : Gate gọi là cực cổng S : Source gọi là cực nguồn D : Drain gọi là cực máng
Trong đĩ : G là cực điều khiển đƣợc cách ly hồn tồn với cấu trúc bán dẫn cịn lại bởi lớp điện mơi cực mỏng nhƣng cĩ độ cách điện cực lớn dioxit-silic (Sio2). Hai cực cịn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đĩn các hạt mang điện.
Mosfet cĩ điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vơ cùng lớn , cịn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (