ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN tử MÁY RỬA DÙNG SÓNG SIÊU ÂM
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÁY RỬA DÙNG SÓNG SIÊU ÂM
I. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI :
1. Nhiệm vụ phần lý thuyết :
- Tìm hiểu lý thuyết về sóng siêu âm, biến tử siêu âm, thiết bị tẩy rửa dùng sóng siêu âm.
- Tìm hiểu lý thuyết về tính toán biến áp
- Tìm hiểu lý thuyết mạch dao động.
- Nghiên cứu vi điều khiển AVR.
- Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Codevision.
2. Nhiệm vụ phần cơ:
Thiết kế và thi công máy rửa siêu âm với các yêu cầu sau :
- Vật liệu làm bồn phải đảm bảo khả năng truyền dao động tốt. Đáy bồn có thiết kế phù hợp để không cản trở sự truyền dao động từ biến tử siêu âm đến dung dịch tẩy rửa.
- Dung tích bồn rửa là 180lít.
- Lắp đặt bộ phận gia nhiệt và cảm biến nhiệt độ cho máy.
- Bố trí khoảng cách giữa các biến tử hợp lý để nâng cao hiệu suất tẩy rửa.
3. Nhiệm vụ phần điện:
Thiết kế và thi công các mạch điện sau :
- Mạch khuếch đại và tạo dao động sin có tần số khoảng 20 KHz – 30 KHz cho phù hợp với biến tử siêu âm sử dụng.
- Mạch điều khiển trung tâm(điều khiển nhiệt độ, thời gian, công suất).
- Mạch chuyển mạch tiếp điểm điều khiển hoạt động của máy và đóng ngắt các mạch công suất
4. Nhiệm vụ phần mềm:
Thiết kế phần mềm điều khiển máy rửa siêu âm thực hiện các chức năng sau:
- Cài đặt nhiệt độ, thời gian, công suất tẩy rửa và công suất nhiệt.
- Đo và hiển thị nhiệt độ bồn rửa.
- Hiển thị thời gian rửa còn lại trong quá trình máy hoạt động
- Điều khiển hoạt động tẩy rửa và đóng ngắt bộ phận gia nhiệt.
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:Th.S Nguyễn Xuân Quang
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Đây là một đề tài mang tính thực tiễn mà nhóm đã chọn với mong muốn tạo ra một sản phẩm có thể ứng dụng được trong công nghiệp. Dựa trên những tính chất vật lý rất hữu dụng của sóng siêu âm về sự dao động để làm cho thiết bị có tác dụng tẩy rửa với hiệu suất cao hơn các phương pháp tẩy rửa thông thường. Với những đặc trưng của ngành Cơ điện tử là sự kết hợp giữa cơ khí, điện tử và công nghệ thông tin, nhóm đã cố gắng vận dụng những gì đã được học vào đồ án này. Vì thế máy rửa sử dụng sóng siêu âm này là kết quả của các thiết kế cơ khí, thiết kế mạch điện bao gồm cả mạch điều khiển và mạch công suất rồi cuối cùng là lập trình cho vi điều khiển. Đồ án dùng ngôn ngữ lập trình Codevision để viết cho vi điều khiển Atmega8, phần công suất chủ yếu là thiết kế biến áp phù hợp với biến tử siêu âm sử dụng, phần cơ khí quan trọng nhất là bố trí khoảng cách hợp lý giữa các biến tử để tận dụng sự cộng hưởng sóng.
ABSTRACT
This is an applied project that group choosed with purpose is product which can used in industry. Based on physical properties of ultrasonic waves about oscillation to make machine have washing influence higher than common methods. With specification of Mechatronics that is combined by mechanic, electronic and information, group has tried to use knowledge for this project. “Washer using ultrasonic waves” is result of mechanical designs, circuit designs which consist control circuit and power circuit, final task is coding for microcontroller. This project uses Codevision program language for Atmega8, power part is basic to design transformer for tranducer, machanical part is major in arrangement tranducer with reasonable distance.
MỤC LỤC
Trang bìa................................................................................................................................. i
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp.................................................................................................... ii
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn........................................................................................ iii
Nhận xét của giáo viên phản biện.......................................................................................... iv
Lời cảm ơn............................................................................................................................. v
Tóm tắt đề tài......................................................................................................................... vi
Abstract................................................................................................................................ vii
Mục lục................................................................................................................................ viii
Danh sách hình vẽ............................................................................................................xi
Danh sách bảng biểu......................................................................................................xiii
NỘI DUNG CHÍNH................................................................................................ 1
Chương 1 Giới thiệu..................................................................................................... 1
- Đặt vấn đề..................................................................................................................... 1
- Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài...................................................................... 1
- Mục đích nghiên cứu của đề tài..................................................................................... 2
- Giới hạn đề tài............................................................................................................... 2
Chương 2 Sóng siêu âm và tính chất căn bản của sóng............................................ 5
- Khái niệm căn bản......................................................................................................... 3
- Bản chất của sóng – Cơ chế truyền năng lượng.................................................... 3
- Các đặc trưng của sự truyền sóng......................................................................... 4
- Các phương trình cơ bản của sóng........................................................................ 4
- Sóng siêu âm – Đặc điểm ..................................................................................... 5
- Phân loại sóng siêu âm........................................................................................... 6
- Hình dáng của các mặt sóng................................................................................. 8
- Các thông số đặc trưng của sóng siêu âm..................................................................... 9
- Âm trở của môi trường......................................................................................... 10
- Vận tốc của sóng âm............................................................................................ 11
- Âm áp và cường độ sóng âm................................................................................ 12
- Sự bức xạ sóng âm....................................................................................................... 13
- Sự phản xạ sóng........................................................................................................... 15
- Phản xạ sóng khi truyền sóng vuông góc trên giới hạn phân cách giữa
hai môi trường ..................................................................................................... 15
- Phản xạ sóng khi truyền sóng xiên góc trên giới hạn phân cách giữa hai
môi trường.......................................................................................................... 15
- Sự hấp thụ sóng siêu âm của môi trường truyền sóng................................................. 16
Chương 3 Biến tử siêu âm.......................................................................................... 18
3.1 Vai trò và phân loại biến tử......................................................................................... 18
3.1.1 Biến tử phát sóng................................................................................................. 18
3.1.2 Biến tử thu sóng.................................................................................................. 18
3.2. Biến tử áp điện............................................................................................................. 18
3.2.1 Hiệu ứng áp điện thuận........................................................................................ 18
3.2.2 Hiệu ứng áp điện nghịch...................................................................................... 19
3.2.3 Vật liệu áp điện.................................................................................................... 20
3.2.4 Cấu tạo và các thông số đặc trưng của biến tử áp điện....................................... 22
3.2.5 Phạm vi ứng dụng của biến tử áp điện................................................................ 23
3.3 Biến tử từ giảo............................................................................................................. 23
3.3.1 Hiệu ứng từ giảo thuận........................................................................................ 23
3.3.2 Hiệu ứng từ giảo nghịch...................................................................................... 24
3.3.3 Tính chất của hiệu ứng từ giảo............................................................................ 25
3.3.4 Thanh truyền sóng............................................................................................... 26
Chương 4 Thiết bị tẩy rửa dùng sóng siêu âm......................................................... 28
4.1 Cơ sở của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm................................................... 28
4.2 Các yêu cầu cần thiết của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm........................... 29
4.2.1 Tần số sóng siêu âm............................................................................................. 29
4.2.2 Dạng sóng............................................................................................................ 29
4.2.3 Nhiệt độ dung dịch.............................................................................................. 30
4.3 Mô hình máy rửa siêu âm............................................................................................ 31
Chương 5 Biến p......................................................................................................... 32
5.1 Trình tự tính toán biến áp 2 dây quấn.......................................................................... 32
5.2 Tính toán biến áp thực tế............................................................................................. 39
Chương 6 Mạch dao động......................................................................................... 41
6.1 Các vấn đề chung về mạch dao động.......................................................................... 41
6.1.1 Tổng quát về mạch dao động............................................................................... 41
6.1.2 Điều kiện dao động.............................................................................................. 41
6.2 Mạch dao động tạo sóng sin........................................................................................ 42
6.2.1 Mạch dao động R – C.......................................................................................... 42
6.2.2 Mạch dao động L – C.......................................................................................... 42
6.2.3 Mạch dao động Colpits........................................................................................ 43
6.2.4 Mạch dao động dùng thạch anh.......................................................................... 43
Chương 7 Vi điều khiển AVR................................................................................... 44
7.1 Đặc điểm chung vi điều khiển AVR......................................................................... 44
7.2 Sơ đồ chân và Tổ chức bộ nhớ nội của Atmega8.............................................. 44
7.2.1 Chức năng các chân.......................................................................................... 44
7.2.2 Tổ chức bộ nhớ nội........................................................................................... 45
7.2.3 Đặc điểm............................................................................................................. 47
7.2.4 Sơ đồ khối........................................................................................................... 48
Chương 8 Thiết kế....................................................................................................... 49
8.1 Thiết kế cơ khí.......................................................................................................... 49
8.1.1 Đặc điểm............................................................................................................. 49
8.1.2 Mô hình trên Autocad........................................................................................ 49
8.1.3 Mô hình thực tế.................................................................................................. 50
8.2 Sắp xếp vị trí các biến tử siêu âm............................................................................ 51
8.2.1 Cơ sở giao thoa sóng......................................................................................... 51
8.2.2 Yêu cầu của qui trình công nghệ....................................................................... 53
8.2.3 Cc kết quả thực nghiệm thăm dị khoảng cch tc động................................ 54
8.3 Sơ đồ khối mạch điện trong máy rửa siêu âm.......................................................... 55
8.4 Mạch dao động khuếch đại công suất ..................................................................... 56
8.4.1 Sơ đồ nguyên lý................................................................................................ 56
8.4.2 Nguyên lý hoạt động........................................................................................ 57
8.5 Mạch điều khiển....................................................................................................... 58
8.5.1 Sơ đồ nguyên lý................................................................................................ 58
8.5.2 Hoạt động......................................................................................................... 59
8.5.3 Sơ đồ mạch in board điều khiển........................................................................ 59
8.6 Mạch chuyển mạch tiếp điểm................................................................................. 61
8.6.1 Sơ đồ nguyên lý............................................................................................. 61
8.6.2 Hoạt động......................................................................................................... 61
8.7 Lưu đồ các khối.................................................................................................... 62
8.7.1 Khối cài đặt và hiển thị nhiệt độ................................................................... 62
8.7.2 Lưu đồ chương trình điều khiển thời gian ................................................... 65
8.8 Giao diện điều khiển.......................................................................................... 66
Chương 9 Kết luận..................................................................................................... 67
Ti liệu tham khảo............................................................................................................. 68
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Khảo sát cơ chế truyền năng lượng của sóng............................................ 3
Hình 2.2 Cơ chế truyền sóng âm................................................................................. 5
Hình 2.3 Sóng dọc......................................................................................................... 7
Hình 2.4 Sóng ngang……………………………………………………………………………………………………………….7
Hình 2.5 Sự phân bố trong không gian của chùm tia siêu âm………………………………12
Hình 2.6 Biểu đồ phương truyền sóng và tính định hướng của biến tử………………13
Hình 2.7 Sự phản xạ sóng khi truyền sóng vuông góc
trên giới hạn phân cách giữa hai môi trường.............................................................. 14
Hình 2.8 Sự phản xạ sóng khi truyền sóng xiên góc trên giới hạn
phân cách giữa hai môi trường..................................................................................... 15
Hình 3.1 Hiệu ứng áp điện thuận.............................................................................. 18
Hình 3.2 Hiệu ứng áp điện nghịch............................................................................ 19
Hình 3.3 Cấu tạo căn bản của biến tử áp điện........................................................... 22
Hình 3.4 Hiệu ứng từ giảo thuận............................................................................... 24
Hình 3.5 Hiệu ứng từ giảo nghịch............................................................................ .24
Hình 3.6 Minh họa tính chất từ giảo........................................................................ .26
Hình 3.7 Hình dạng một số thanh truyền sóng thông dụng................................... 26
Hình 3.8 Thanh truyền sóng hình trụ....................................................................... 27
Hình 4.1 Hiện tượng xâm thực khí xảy ra trong chất lỏng.................................... 28
Hình 4.2 Hiện tượng vật lý của quá trình tẩy rửa dùng sóng siêu âm.................. 29
Hình 4.3 Dạng sóng gián đoạn................................................................................... 30
Hình 4.4 Dạng sóng thay đổi tần số liên tục............................................................ 30
Hình 4.5 Mô hình máy rửa siêu âm........................................................................... 31
Hình 4.6 Máy rửa siêu âm của hãng Elma............................................................... 31
Hình 5.1 Sơ đồ biến áp 2 dây quấn........................................................................... 32
Hình 5.2 Hình dạng li thp........................................................................................... 32
Hình 6.1 Sơ đồ khối mạch dao động......................................................................... 41
Hình 6.2 Mạch dao động R-C.................................................................................... 42
Hình 6.3 Mạch dao động L-C.................................................................................... 42
Hình 6.4 Mạch dao động Colpits............................................................................... 43
Hình 6.5 Mạch dao động dùng thạch anh................................................................. 43
Hình 7.1 Sơ đồ bố trí chân của Atmega8................................................................. 44
Hình 7.2 Bản đồ bộ nhớ chương trình...................................................................... 46
Hình 7.3 Bản đồ bộ nhớ dữ liệu SRAM.................................................................... 46
Hình 7.4 Sơ đồ khối Atmega8.................................................................................... 48
Hình 8.1 Mơ hình bồn rửa 2D.................................................................................... 49
Hình 8.2 Mơ hình bồn rửa 3D.................................................................................... 50
Hình8.3 Mô hình thực tế .......................................................................................... 50
Hình 8.4 Biến tử phân bố ở mặt đáy......................................................................... 51
Hinh 8.5 Mô tả cơ sở giao thoa sóng........................................................................ 51
Hình 8.6 Mơ tả mối quan hệ giữa L v y.................................................................... 52
Hình 8.7 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa khoảng cách và độ sạch................. 55
Hình 8.8 Sơ đồ khối mạch điện máy rửa.................................................................. 55
Hình 8.9 Sơ đồ nguyên lý mạch dao động khuếch đại công suất......................... 56
Hình 8.10 Hình ảnh mạch cơng suất........................................................................... 57
Hình 8.11 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển............................................................ 58
Hình 8.12 Sơ đồ mạch in board điều khiển............................................................... 59
Hình 8.13 Hình ảnh mạch điều khiển......................................................................... 60
Hình 8.14 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển mạch tiếp điểm...................................... 61
Hình 8.15 Hình ảnh mạch chuyển mạch tiếp điểm.................................................. 61
Hình 8.16 Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ................................................................. 62
Hình 8.17 Lưu đồ giải thuật khối điều khiển nhiệt độ.............................................. 63
Hình 8.18 Lưu đồ giải thuật chống nhiễu ADC khi đọc nhiệt độ............................ 64
Hình 8.19 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển thời gian.............................. 65
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Hình dạng của các mặt sĩng thông thường....................................................... 9
Bảng 2.2 Khối lượng riêng, vận tốc sóng âm,
trở kháng âm của các vật liệu thông dụng..................................................................... 11
Bảng 2.3 Quan hệ giữa tần số, đường kính biến tử và chiều dài trường gần............. 13
Bảng 2.4 Bảng hệ số hấp thụ của một số chất............................................................. 17
Bảng 3.1 Một vài đặc trưng của các biến tử áp điện phổ biến.................................... 21
Bảng 4.1 Một số duung dịch tẩy rửa thông dụng.......................................................... 30
Bảng 5.1 Quan hệ giữa hệ số U% theo công suất biểu kiến.................................... 36
Bảng 5.2 Quan hệ Ch theo S2.......................................................................................... 36
Bảng 5.3 Quan hệ giữa (hiệu suất biến p) theo S2 (công suất biểu kiến thứ cấp máy biến p) 37
Bảng 5.4 Quan hệ giữa J theo S2 (khi biến áp làm việc liên tục, làm nguội tự nhiên, hoặc dùng cấp cách điện thấp Y hay A)............................................................................................................ 39
Bảng 8.1 Các kết quả thực nghiệm thăm dị khoảng cách tác động............................ 54
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay trong các ngành sản xuất công nghiệp, trong lĩnh vực y tế, dân dụng … các thiết bị làm sạch có vai trò quan trọng.
Các phương pháp làm sạch cổ điển như sử dụng tay kết hợp các loại dung dịch không đảm bảo độ sạch của các chi tiết cần làm sạch đặc biệt đối với chi tiết có kết cấu phức tạp, có độ bám dính tạp chất cao. Kỹ thuật tẩy rửa dùng sóng siêu âm ra đời nhằm đáp ứng các yêu cầu về công nghệ làm sạch được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị tẩy rửa với hiệu quả cao, tốc độ nhanh mà các phương pháp khác không đáp ứng được.
Thống kê cho thấy các phương pháp tẩy rửa thông thường độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 70%. Rửa bằng phương pháp rung độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 50%.
Khi rửa chi tiết bằng tay độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 20%. Trong phương pháp tẩy rửa bằng sóng siêu âm độ bẩn chỉ còn lại 0,5%.
Những ưu điểm nổi bật ấy của kỹ thuật tẩy rửa dùng sóng siêu âm đã thôi thúc nhóm nghiên cứu thực hiện đề tài “Thiết kế – chế tạo máy rửa sử dụng sóng siêu âm”. Mong muốn của nhóm nghiên cứu là ứng dụng những gì đã học, đã biết vào thực tế và MÁY RỬA SIÊU ÂM có thể ứng dụng được vào thực tế sản xuất.
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Với xu hướng sử dụng những công nghệ không gây ô nhiễm môi trường, không gây ra tác động độc hại đến sức khoẻ con người như hiện nay, các thiết bị tẩy rửa sử dụng sóng siêu âm là lựa chọn hàng đầu trong lĩnh vực làm sạch ở các ngành công nghiệp. Máy rửa siêu âm sẽ thay thế cho các phương pháp tẩy rửa truyền thống sử dụng các dung dịch tẩy rửa công nghiệp có thành phần hoá học gây độc hại cho môi trường và cho sức khoẻ con người. Việc sử dụng năng lượng sóng siêu âm sẽ mang lại hiệu quả tẩy rửa vượt trội hơn so với các dung dịch tẩy rửa trước đây đặc biệt đối với các vật thể có kích thước nhỏ và hình dạng phức tạp.
Khoa học về sóng siêu âm không chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực tẩy rửa mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như : kiểm tra chất lượng sản phẩm, hệ thống phát hiện di động, đo khoảng cách, đo lưu lượng... Vì thế đề tài cũng là bước khởi đầu để nhóm nghiên cứu tiếp cận với một ngành khoa học đầy tiềm năng phát triển và có khả năng ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực đời sống cũng như tích luỹ được những kiến thức, kinh nghiệm bổ ích.
1.3. Mục đích nghiên cứu của đề tài
- Thiết kế và chế tạo máy rửa sử dụng sóng siêu âm.
- Thiết kế và thi công mạch khuếch đại công suất, tạo dao động sóng sin.
- Thiết kế và thi công mạch cài đặt và hiển thị nhiệt độ của máy rửa siêu âm.
- Thiết kế và thi công mạch cài đặt và hiển thị thời gian của máy rửa siêu âm.
- Thiết kế và thi công mạch chuyển mạch tiếp điểm.
- Thiết kế phần mềm điều khiển hoạt động của máy.
1.4. Giới hạn đề tài
- Máy rửa siêu âm có dung tích 180 lít, sử dụng 9 biến tử phát sóng siêu âm.
- Mạch dao động tạo sóng sin tần số khoảng 20 – 30 KHz, điện áp ngõ ra 1000V, công suất 100W.
- Điều khiển các khối bằng vi điều khiển Atmega8
- Phần mềm điều khiển viết bằng ngôn ngữ Codevision.
CHƯƠNG II
SÓNG SIÊU ÂM VÀ TÍNH CHẤT CĂN BẢN CỦA SĨNG
2.1. Khái niệm căn bản
- Bản chất của sóng – Cơ chế truyền năng lượng
Khảo sát cơ chế truyền năng lượng giữa hai điểm A và B trong thí nghiệm như hình vẽ
Trong trạng thái cân bằng, vật M chịu tác dụng của trọng lực G và sức căng T. Dưới tác dụng của lực ngoài làm M chuyển động từ A→B, sức căng T tăng. Khi rời vị trí B, M sẽ được gia tốc trở về A do tác dụng của sức căng T. Tại A, sức căng T cân bằng với G nhưng do M chuyển động với vận tốc xác định nên M tiếp tục di chuyển về C làm lực căng T giảm, đồng thời trọng lực G sẽ tăng tương đối có xu hướng hãm vật M làm cho nó không còn động năng và dừng lại tại C. Tại C, do trọng lực G lớn hơn sức căng T, Vật M lại chuyển động về phía A, quá trình này lập lại nhiều lần.
Sự di chuyển của vật thể từ A→B; B→A; A→ C; C→ A thể hiện một chu trình dao động. Số lượng chu trình dao động trong một giây thể hiện tần số dao động. Thời gian cần thiết thực hiện một chu trình dao động gọi là một chu kỳ T. Độ di chuyển từ A→B hoặc từ A→C gọi là biên độ dao động.
Mọi vật đều được cấu tạo từ các nguyên tử hay các phân tử, chúng được liên kết với nhau bằng lực nguyên tử . Các lực nguyên tử này là các lực đàn hồi nên có thể xem chúng như là các lò xo.
Nếu có một nguyên tử bị dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu do một lực căng tác dụng, nguyên tử đó sẽ dao động như vật M mô tả ở trên. Do sự liên kết giữa các nguyên tử nên sự dao động của một nguyên tử sẽ làm cho các nguyên tử kế cận dao động theo.
Qua trên ta nói năng lượng cơ học hay sóng cơ học đã được truyền từ vị trí này đến vị trí khác trong môi trường.
2.1.2. Các đặc trưng của sự truyền sóng
a. Tần số
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).
b. Bước sóng
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.
c. Vận tốc
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.
2.1.3. Các phương trình cơ bản của sóng
Khi một sóng cơ học lan truyền trong môi trường, sự dịch chuyển một hạt của môi trường ra khỏi vị trí cân bằng của nó tại một thời điểm bất kỳ t cho bởi phương trình:
a=Aosin2Ðft (2.1)
Với: a là độ dịch chuyển của hạt tại thời điểm t.
Ao là biên độ dao động cực đại của hạt.
F là tần số dao động của hạt.
Xét chuyển động của hạt tại vị trí cách hạt đầu tiên một khoảng cách x ta có
a=Aosin2Ðft( t-x/v ) (2.2)
Với: x là khoảng cách giữa vị trí đang khảo sát và hạt đầu tiên.
v là vận tốc lan truyền của sóng.
Trong một chu kỳ T, một sóng cơ học có vận tốc v đi trong môi trường được một quãng đường được xác định :
= vT = v/f (2.3)
Hay v= f (2.4)
Đây chính là phương trình cơ bản của mọi chuyển động sóng.
Hình 2.2 Cơ chế truyền sóng âm
- Sóng siêu âm – Đặc điểm
Sóng âm là dao động của các hạt của các chất rắn, chất lỏng và chất khí; đó là các chất đàn hồi. Nói một cách khác sóng âm thanh là một sóng đàn hồi lan truyền trong môi trường đàn hồi cũng có nghĩa là mọi vật thể đàn hồi đều lan truyền được sóng âm thanh.
Tuỳ theo dải tần người ta phân chia sóng đàn hồi thành các vùng sau:
- Vùng hạ âm có tần số từ 1Hz đến 20Hz.
- Vùng âm tần có tần số từ 20hz đến 20kHz.
- Vùng siêu âm có tần số từ 20kHz đến 100MHz
- Vùng cực siêu âm có tần số > 100MHz.
Mặc dù có cùng bản chất là sóng đàn hồi nhưng do có tần số khác nhau nên có các ứng dụng khác nhau.
Đặc điểm :
- Sóng siêu âm mang năng lượng lớn hơn sóng âm (chẳng hạn với cùng một biên độ dao động , năng lượng sóng tại tần số 1MHz lớn gấp 106 lần năng lượng sóng tại tần số 1KHz).
- Trong cùng một môi trường truyền sóng, sóng siêu âm có bước sóng ngắn nên có tính định hướng cao. Lợi dụng tính chất này người ta có thể chế tạo các hệ hội tụ để tập trung năng lượng lớn trên một diện tích hẹp.
- Trong dải sóng siêu âm với một điều kiện nhất định xuất hiện hiện tượng xâm thực xảy ra trong chất lỏng. Tính chất này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng.
- Hiệu ứng Doppler: Là hiện tượng tần số và bước sóng thay đổi khi vị trí của nguồn phát sóng thay đổi
2.1.5. Phân loại sóng siêu âm
Trên cơ sở của dạng dao động của các hạt trong môi trường so với phương truyền sóng, sóng siêu âm được phân loại thành sóng dọc, sóng ngang, sóng bản mỏng, sóng mặt.
a. Sóng dọc
Sóng dọc còn gọi là sóng nén. Trong sóng dọc, các vùng nén và dãn kết tiếp nhau được tạo ra do sự dao động của các hạt song song với phương truyền sóng.
Phương truyền sóng Vùng dn Vng nn
Chuyển động của hạt
Hình 2.3 Sóng dọc
Người ta có thể tạo nên sóng dọc bằng cách chấn động vào một trong các mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng. Sóng dọc lan truyền được trong các chất rắn, lỏng, khí với tốc độ lớn, tính định hướng cao, mang năng lượng lớn nên thường được ứng dụng trong thực tế.
b. Sóng ngang
Sóng ngang còn gọi là sóng trượt. Trong sóng ngang, các vùng nén và dãn kế tiếp nhau được tạo ra do sự dao động của các hạt vuông góc với phương truyền sóng.
Phương truyền sóng
Chuyển động của hạt
Hình 2.4 Sóng ngang
Để cho sóng ngang lan truyền được thì liên kết giữa các hạt trong môi trường phải là vững chắc. Sóng ngang chỉ lan truyền được trong môi trường chất rắn. Trong các chất lỏng và chất khí khoảng cách giữa các nguyên tử là quá lớn nên lực tương tác giữa chúng nhỏ, dao động ngang bị tắt dần nhanh chóng.
c. Sóng mặt hay sóng Raleigh
Sóng mặt chỉ truyền được trên bề mặt liên kết giữa chất rắn và chất lỏng. Trong sóng mặt, dao động của hạt theo một quĩ đạo hình Elip với vận tốc chừng 90% vận tốc sóng ngang và truyền trong vùng nhỏ hơn một bước sóng tính từ mặt phân cách.
Sóng mặt thường dùng để kiểm tra kim loại vì sự suy giảm của nó gây ra do môi trường thấp hơn song với sóng ngang hoặc sóng dọc tương ứng, mặt khác sóng mặt còn có thể đi qua các góc cạnh của vật thể có kết cấu phức tạp.
d. Sóng bản mỏng hay sóng Lamb
Khi một sóng lan truyền vào một vật thể có bề dày nhỏ hơn hoặc bằng một phần bước sóng thì sẽ xuất hiện một loại sóng khác gọi là sóng bản mỏng.
Vật liệu bắt đầu dao động như một tấm mỏng tức là sóng tràn ngập toàn bộ bề dày của vật. Vận tốc sóng Lamb phụ thuộc vào vật liệu, bề dày vật liệu, tần số và dạng của sóng.
Sóng bản mỏng tồn tại dưới nhiều dạng phức hợp của dao động của hạt.
Hai dạng cơ bản của sóng là:
- Dạng đối xứng hay dạng dãn nở.
- Dạng phản đối xứng hay dạng uốn cong.
Các dạng của sóng được xác định theo sự dao động của hạt đối với trục trung tâm của vật thể.
Trong sóng Lamb đối xứng sự dịch chuyển của hạt theo chiều dọc của trục bản mỏng và một dịch chuyển theo hình Elip của hạt trên bề mặt. Kết quả là dạng sóng bao gồm những chỗ dày và mỏng nối tiếp nhau.
Trong sóng Lamb phản đối xứng sự dịch chuyển trượt của các hạt theo chiều ngang của trục bản mỏng và một dịch chuyển theo hình Elip của hạt trên mỗi bề mặt .
2.1.6. Hình dáng của các mặt sóng
Nguồn dao động tạo ra sóng siêu âm lan truyền theo mọi hướng của môi trường.
Mỗi một phần tử của môi trường được bao quanh bởi một số lượng lớn các hạt dao động cùng pha. Bề mặt tập hợp những điểm dao động cùng pha gọi là mặt sóng, mặt sóng luôn luôn vuông góc với phương truyền sóng. Hình dáng của mặt sóng phụ thuộc vào cấu tạo bề mặt của nguồn dao động hay hình dáng của biến tử. Có các hình dáng mặt sóng thông thường như bảng 2.1.
Bảng 2.1 Hình dáng các mặt sóng thông thường
|
Phân loại |
Hình cắt của mặt sóng |
Hình cắt của biến tử |
|
Hình cầu
Hình trụ
Hình tấm phẳng
|
- Các thông số đặc trưng của sóng siêu âm
- Âm trở của môi trường
Trở kháng của môi trường còn gọi là độ vang hay độ dội của sóng âm trong môi trường, được xác định theo biểu thức:
Z = đ.V (2.5)
Với: V là vận tốc truyền sóng trong môi trường (m/s).
đ là mật độ khối lượng của môi trường (Kg/m³)
Z là trở kháng âm của môi trường( Rayls)
Như vậy tổng trở âm học là một thông số phụ thuộc môi trường truyền sóng.
- Vận tốc của sóng âm
Vận tốc của sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt phụ thuộc vào kết cấu của vật liệu đặc trưng bởi độ nén và mật độ, không phụ thuộc vào tần số của sóng và kích thước của vật liệu.
- Độ nén
Vận tốc sóng siêu âm tỉ lệ thuận với độ nén của vật liệu. Vật liệu càng khó nén vận tốc sóng lan truyền càng nhanh. Trong môi trường chất khí các phân tử cách xa nhau nên sự liên kết giữa chúng yếu, mỗi hạt phải di chuyển một khoảng cách tương đối lớn trước khi có thể tác động vào phần tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền thấp.
Trong môi trường lỏng và đặc biệt là chất rắn, các phân tử ở gần hơn nên sự liên kết giữa chúng mạnh, mỗi hạt chỉ cần di chuyển một khoảng cánh ngắn để có thể tác động vào phân tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền cao.
- Mật độ
Các vật liệu có mật độ dày thường tạo bởi nhưng phần tử lớn, các phần tử này do có quán tính lớn nên khó dịch chuyển và cũng khó dừng lại. Do vậy, nếu xét riêng mật độ thì vật liệu có mật độ càng lớn thì vận tốc sóng càng giảm.
Trong môi trường lỏng, mật độ và độ nén thường tỉ lệ nghịch nên vận tốc truyền sóng đa số giống nhau.
Trong chất rắn độ nén thường rất lớn hơn mật độ nên vận tốc truyền sóng cao.
Vận tốc sóng được xác định theo biểu thức :
VL = E/ ; VT = G/ ; VS = 0,9 VT ; VT = 0,63 VL (2.6)
- Vận tốc sóng Lamb phụ thuộc nhiều yếu tố như đã nêu.
- Chất rắn lan truyền được sóng mặt, sóng ngang, sóng dọc.
- Chất lỏng lan truyền được sóng dọc và sóng ngang.
- Chất khí lan truyền được sóng dọc.
Bảng 2.2 Khối lượng riêng, vận tốc sóng âm, trở kháng âm của các vật liệu thông dụng
|
Vật liệu |
Khối lượng riêng |
V ngang |
V dọc |
Z.103 Rayls |
|
Aluminium |
2700 |
3130 |
6320 |
17064 |
|
Aluminium- oxide |
3600 |
5500 |
9000 |
32400 |
|
Bismuth |
9800 |
1100 |
2180 |
21364 |
|
Brass |
8100 |
2120 |
4430 |
35883 |
|
Cadmium |
8600 |
1500 |
2780 |
23908 |
|
Castiron |
6900 |
2200 |
5300 |
24150 |
|
Concrete |
2000 |
- |
4600 |
9200 |
|
Copper |
8900 |
2260 |
4700 |
41830 |
|
Glass |
3600 |
2560 |
4260 |
15336 |
|
Glycerine |
1300 |
- |
1920 |
2496 |
|
Gold |
19300 |
1200 |
3240 |
62532 |
|
Grey casting |
7200 |
2650 |
4600 |
33120 |
|
Hart metal |
11000 |
4000 |
6800 |
74800 |
|
Lead |
11400 |
700 |
2160 |
24624 |
|
Maganesium |
1700 |
3050 |
5770 |
9809 |
|
Motor Oil |
870 |
- |
1740 |
1514 |
|
Nicken |
8800 |
2960 |
5630 |
49544 |
|
Platinum |
21400 |
1670 |
3960 |
84744 |
|
Polyamide |
1100 |
1080 |
2620 |
2882 |
|
Polyethylence |
940 |
925 |
2340 |
2200 |
|
Polystyrol |
1060 |
1150 |
2380 |
2523 |
|
Quartz |
2650 |
- |
5760 |
15264 |
|
Quartz glass |
2600 |
3515 |
5570 |
14482 |
|
Silver |
10500 |
1590 |
3600 |
37800 |
|
Stell( low alloy) |
7850 |
3250 |
5940 |
46629 |
|
Stell( calibration block) |
7850 |
3250 |
5920 |
46472 |
|
Tin |
7300 |
1760 |
3320 |
24236 |
- Âm áp và cường độ sóng âm.
a. Âm áp : là một đại lượng đặc trưng cho sức căng biến đổi tuần hoàn trong vật liệu gây nên bởi sự truyền sóng âm, âm áp thể hiện qua biểu thức :
P = 2ðZfa (2.7)
Trong đó P : áp suất âm
Z : trở kháng âm
f : tần số sóng âm
a : biên độ sóng âm
b. Cường độ sóng âm: thể hiện sự truyền năng lượng qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền sóng cho bởi biểu thức:
I = P/S (2.8)
Cường độ I, âm áp P , biên độ dao động a, trở kháng âm Z liên hệ bởi biểu thức :
I = P²/ 2Z I = Pa/2 (2.9)
2.3. Sự bức xạ sóng âm
Sự bức xạ sóng âm phụ thuộc vào các yếu tố chính:
..................................................
Hình 8.17 Lưu đồ giải thuật khối điều khiển nhiệt độ
Hình 8.19 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển thời gian
- Giao diện điều khiển:
Chức năng 10 phím nhấn
Page mode Next page Right shift Up Run
Exit/Save Back page Left shift Down Stop
-Nhấn Page mode: Mn hình sẽ vo trang ci đặt đầu tin
-Next page/Back page: 2 phím lật trang (có 4 trang cài đặt gồm: cài đặt nhiệt độ, cài đặt thời gian, cài đặt công suất rửa, cài đặt công suất điện trở nhiệt)
-Right shift/ Left shift: 2 phím dịch tri phải con nhy trn LCD
-Up/Down: 2 phím tăng/giảm giá trị cài đặt
-Exit/Save: Thoát khỏi chế độ cài đặt và lưu các thông số cài đặt
-Run: Cho máy hoạt động
-Stop: Dừng máy
Trong qu trình chạy, mn hình chính của my hiển thị nhiệt độ hiện tại cịn thời gian thì đếm ngược về 0, khi về 0 sẽ dừng chương trình
Ngồi ra my cịn cĩ 3 nt vặn biến trở để tinh chỉnh công suất của mỗi thanh trong điện trở nhiệt thông qua SSR
CHƯƠNG 9 KẾT LUẬN
Từ những nhiệm vụ đặt ra của đề tài nhóm sinh viên thực hiện đã hoàn thành và đạt được những kết quả sau:
- Phần cơ khí: Thiết kế hệ thống lắp đặt các biến tử siêu âm đúng vị tríđ, bộ phận gia nhiệt và cảm biến nhiệt độ ở những vị trí đã xác định.
- Phần điện : Thiết kế và thi công được các mạch điện sau :
- Mạch dao động – khuếch đại công suất tần số 20 – 30 KHz, điện áp ngõ ra 1000V, công suất 100W.
- Mạch đo và điều khiển nhiệt độ của máy rửa siêu âm.
- Mạch điều khiển và báo thời gian của máy rửa siêu âm
- Mạch chuyển mạch tiếp điểm điều khiển hoạt động của máy và đóng ngắt bộ phận gia nhiệt.
- Phần mềm điều khiển :
- Lập trình cho vi điều khiển thực hiện đo và xử lý nhiệt độ để tác động điều khiển bộ phận gia nhiệt.
- Lập trình cho vi điều khiển xử lý thời gian cài đặt để tác động cho máy rửa hoạt động hay ngưng hoạt động.
Máy rửa siêu âm hoạt động nhờ vào biến tử phát sóng siêu âm hoạt động ở tần số 20 – 30 KHz do mạch dao động cung cấp, và thực hiện được các chức năng sau:
- Quá trình hoạt động của máy được điều khiển bằng hệ thống 10 phím nhấn chức năng
- Máy rửa siêu âm cho phép người sử dụng cài đặt nhiệt độ và thời gian tẩy rửa. Nhiệt độ dung dịch tẩy rửa sẽ được giữ ổn định trong thời gian hoạt động.Các chức năng này được thực hiện nhờ vào các mạch điều khiển trung tâm.
Tuy nhiên đề tài vẫn còn một số hạn chế :
- Do thời gian có hạn nên nhóm chưa hoàn thiện được thêm những tính năng tối ưu khác tương đương với các máy rửa thực tế trong công nghiệp
- Các mạch điện điều khiển được thiết kế và thi công theo môđun nên không được gọn khi kết nối với nhau.
*Định hướng phát triển
Từ những kết luận nêu trên, nhóm sinh viên thực hiện đã đặt ra những mục tiêu trong tương lai để hoàn thiện máy rửa siêu âm.
- Nâng cao công suất của mạch dao động để có thể sử dụng được nhiều biến tử siêu âm hơn nữa.
- Viết giao diện phần mềm điều khiển để có nhiều tính năng chuyên nghiệp hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1 ] PTS. Phạm Thị Hồng Liên. Giáo trình điện tử thông tin. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1996.
[2 ] Hà A Thồi. Bài giảng Kỹ thuật siêu âm. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Khoa Điện tử, 2001.
[3 ] PGS. TS. Nguyễn Hữu Phương. Mạch số. Nhà xuất bản Thống kê.
[4 ] Hoàng Ngọc Văn. Giáo trình điện tử công suất. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Khoa Điện tử, 2004.
[5 ] Dương Minh Trí. Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2002.
...................................................................
PHỤ LỤC
#include <mega8.h>
// Alphanumeric LCD Module functions
#asm
.equ __lcd_port=0x12 ;PORTD
#endasm
#include <lcd.h>
#include <delay.h>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#define keyboard_y1 PORTC.4
#define keyboard_y2 PORTC.3
#define keyboard_x1 PINB.3
#define keyboard_x2 PINB.4
#define keyboard_x3 PINB.5
#define keyboard_x4 PINC.5
#define keyboard_x5 PIND.3
#define relay_temp PORTB.0
#define relay_u2 PORTB.1
#define relay_u1 PORTB.2
#define str_shifter PORTB.2
#define data_shifter PORTB.4
#define data1_shifter PORTB.3
#define clk_shifter PORTB.5
unsigned char mode_menu,data_key;
unsigned char buffer_uart[32];
unsigned char exit_mode,page_mode,counter_minutes,remain_minutes,display_temp_value,status_run;
#define ADC_VREF_TYPE 0xC0
int data_adc_value;
char lcd_buffer[32];
unsigned char value_timer,value_ultrasonic,value_resistan,value_temp;
unsigned char byte1_ultrasonic,byte2_ultrasonic,byte1_resistan,count_noice_adc;
bit bit_pos_nag_adc,bit_run,bit_change_temp,bit_fist_run_relay;
unsigned int old_adc,save_adc;
// Read the AD conversion result
unsigned int read_adc(unsigned char adc_input)
{
ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);
// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage
delay_us(10);
// Start the AD conversion
ADCSRA|=0x40;
// Wait for the AD conversion to complete
while ((ADCSRA & 0x10)==0);
ADCSRA|=0x10;
return ADCW;
}
// Declare your global variables here
void send_shifter(unsigned char data_input,unsigned char data_input_2);
// Timer 1 overflow interrupt service routine
interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void)
{
// Reinitialize Timer 1 value
TCNT1H=0xC2;
TCNT1L=0xF2;
if (counter_minutes++==60)
{
counter_minutes=0x00;
remain_minutes--;
if (remain_minutes==0x00)
{
#asm("cli");
remain_minutes=0;
TIMSK=0x00;
lcd_gotoxy(15,0);
lcd_putsf("S");
send_shifter(0x00,0x00);
!bit_change_temp;
}
else
{
}
int mode_set_value(int value_in,unsigned char max_count);
unsigned char read_key();
unsigned char read_keyboard_vertical();
void display_metter_temp();
void set_power_ultrasonic();
void set_timer();
void set_temp();
void delay_key();
void set_power_resistan();
void run_relay_ultrasonic(unsigned char value_in);
void run_relay_resistan(unsigned char value_in);
void main(void)
{
{
// Declare your local variables here
// Input/Output Ports initialization
// Port B initialization
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T
PORTB=0xF8;
DDRB=0xC7;
// Port C initialization
// Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In
// State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T
PORTC=0x38;
DDRC=0x18;
