Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành sản xuất công nghiệp, y tế và đời sống dân dụng, công tác làm sạch các chi tiết kỹ thuật giữ vai trò quan trọng đối với chất lượng sản phẩm và độ an toàn vận hành. Các phương pháp làm sạch truyền thống chủ yếu dùng sức người kết hợp với dung dịch tẩy rửa thủ công bộc lộ nhiều điểm hạn chế: tốn nhiều thời gian, công sức và không thể làm sạch hoàn toàn các vật thể có kết cấu phức tạp, nhiều ngóc ngách, khe hẹp, lỗ nhỏ hoặc bề mặt có độ bám dính tạp chất cao. Sự phát triển của kỹ thuật tẩy rửa bằng sóng siêu âm mang lại giải pháp làm sạch với tốc độ nhanh, hiệu quả cao và an toàn. Tuy nhiên, các đề tài khóa trước tại đơn vị đào tạo khi thiết kế và thi công máy rửa siêu âm công nghiệp chưa đạt được hiệu quả làm sạch tối ưu. Do đó, nhóm nghiên cứu lựa chọn đề tài thiết kế và thi công bồn rửa dùng sóng siêu âm nhằm tạo ra thiết bị thực tế phục vụ nhu cầu tẩy rửa chi tiết tinh vi và đồ dùng sinh hoạt.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm ba nội dung chính:

  1. Thiết kế và chế tạo mô hình bồn rửa sử dụng sóng siêu âm dung tích nhỏ.
  2. Thiết kế và thi công mạch khuếch đại công suất cung cấp điện áp và tần số phù hợp cho biến tử siêu âm.
  3. Thiết kế phần mềm điều khiển tự động toàn bộ hoạt động của hệ thống bồn rửa.

Để đạt được các mục tiêu trên, nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành các nội dung công việc cụ thể:

  • Nội dung 1: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, nguyên tắc tạo sóng siêu âm và khảo sát các dòng máy rửa thực tế trên thị trường.
  • Nội dung 2: Tìm hiểu các loại biến tử siêu âm, mạch công suất, mạch nguồn và cấu trúc bồn rửa.
  • Nội dung 3: Tính toán, lựa chọn linh kiện, mô phỏng và thiết kế mạch tạo xung, mạch công suất, mạch nguồn và mạch điều khiển.
  • Nội dung 4: Thi công phần cứng gồm các board mạch (điều khiển, nguồn, công suất) và gia công phần khung cơ khí cho bồn rửa.
  • Nội dung 5: Đánh giá kết quả thực hiện các khối chức năng.
  • Nội dung 6: Lắp ráp hoàn chỉnh, vận hành hệ thống và đo đạc kiểm tra các thông số kỹ thuật.
  • Nội dung 7: Chạy thử nghiệm thực tế, phát hiện và sửa lỗi phần cứng cũng như phần mềm.
  • Nội dung 9: Cân chỉnh toàn bộ hệ thống để đạt độ ổn định.
  • Nội dung 10: Viết báo cáo tổng kết đồ án tốt nghiệp.
  • Nội dung 11: Báo cáo bảo vệ đề tài tốt nghiệp trước hội đồng chuyên môn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bồn rửa tẩy rửa bằng sóng siêu âm kết hợp gia nhiệt tự động, tập trung vào biến tử gốm áp điện (PZT), mạch công suất dao động tự kích và bộ điều khiển vi xử lý.
  • Phạm vi thông số kỹ thuật giới hạn: Bồn rửa có dung tích 2 lít; sử dụng một biến tử phát sóng siêu âm công suất 60 W, tần số hoạt động 40 kHz; hệ thống gia nhiệt sử dụng điện trở nhiệt công suất 100 W; thời gian thực hiện đề tài từ tháng 09/2017 đến tháng 01/2018 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên bản chất vật lý của sóng siêu âm và hiệu ứng xâm thực cơ học trong môi trường chất lỏng:

  • Bản chất sóng siêu âm: Sóng siêu âm là sóng cơ học (sóng dọc) lan truyền trong môi trường đàn hồi với dải tần số từ 20 kHz đến 100 MHz. Trong kỹ thuật tẩy rửa, dải tần số hiệu dụng thường nằm trong khoảng từ 20 kHz đến 60 kHz (đề tài chọn tần số chuẩn 40 kHz).
  • Các đại lượng đặc trưng:
    • Trở kháng âm của môi trường: $Z = \rho \cdot V$ (Rayls), trong đó $V$ là vận tốc truyền sóng (m/s) và $\rho$ là mật độ khối lượng của môi trường (kg/m³).
    • Ám áp: $P = 2\pi f Z a$, đại diện cho sức căng biến đổi tuần hoàn trong môi trường do sóng âm tạo ra ($f$ là tần số, $a$ là biên độ dao động).
    • Cường độ sóng âm: $I = \frac{P^2}{Z}$, biểu thị năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền sóng.
  • Biến tử áp điện (PZT - Lead Zirconate Titanate): Hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện nghịch. Khi đặt một điện áp xoay chiều có tần số $f = 40\text{ kHz}$ lên hai bề mặt điện cực của tấm gốm áp điện, tấm gốm sẽ dãn nở và co lại tuần hoàn, chuyển đổi năng lượng điện thành dao động cơ học bức xạ vào đáy bồn rửa.
  • Cơ sở hiện tượng xâm thực (Cavitation): Dưới tác động của dao động siêu âm, các bọt khí siêu vi trong chất lỏng liên tục hình thành, dao động, hợp nhất thành bọt khí lớn hơn và nổ vỡ khi áp suất đạt tới giới hạn. Quá trình vỡ bọt khí tạo ra các vi tia chất lỏng với lực va đập cơ học rất lớn kèm theo sự gia tăng áp suất và nhiệt độ cục bộ, giúp bóc tách các lớp bụi bẩn, cặn rỉ, dầu mỡ bám dính trên bề mặt và trong các khe hẹp của vật thể.
  • Cơ chế tác động nhiệt và hóa chất: Nhiệt độ dung dịch duy trì từ 30°C đến 60°C làm giảm sức căng bề mặt và tăng hoạt tính hóa học. Dung dịch tẩy rửa đóng vai trò hòa tan và phá vỡ liên kết bề mặt của chất bẩn.

Phương pháp nghiên cứu áp dụng trong đồ án:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành về sóng siêu âm công suất, linh kiện bán dẫn công suất, nguyên lý biến áp xung và vi điều khiển.
  • Phương pháp khảo sát thực tế: Khảo sát các thông số kỹ thuật của các dòng máy rửa siêu âm thương mại hiện có trên thị trường Việt Nam (điển hình như dòng máy GT Sonic VGT-1730QT công suất siêu âm 100 W, công suất nhiệt 100 W, dung tích 3 lít, tần số 40 kHz của Trung Quốc, cùng các hãng Elma, Emag, Derui, Heweida).
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán thông số mạch từ của biến áp xung lõi ferit (diện tích mặt cắt, mật độ từ thông, số vòng dây sơ cấp/thứ cấp, tiết diện dây quấn) và mạch dao động công suất.
  • Phương pháp thực nghiệm: Thi công mạch in, lắp ráp khung vỏ cơ khí, nạp chương trình điều khiển và chạy thử nghiệm tẩy rửa trên mẫu thử thực tế (linh kiện cơ khí, chùm chìa khóa kim loại bị bẩn và rỉ sét).

Nguồn dữ liệu:

  • Dữ liệu tra cứu thông số kỹ thuật từ datasheet của các linh kiện điện tử: vi điều khiển ATmega2560, cảm biến nhiệt độ LM35, relay bán dẫn Omron G3MB-202P, màn hình cảm ứng TFT LCD Shield 2.4 inch, lõi ferit biến áp xung.
  • Bảng tổng hợp thành phần hóa chất và nhiệt độ tẩy rửa cho các kim loại (thép, đồng, nhôm, kẽm):
Dung dịch rửa Thành phần hóa chất Nhiệt độ (°C) Kim loại áp dụng Ứng dụng tẩy rửa
Dung dịch kiềm nhẹ $\text{Na}_3\text{PO}_4$ (30 g/l), $\text{NaCl}$ (5–25 g/l) 50 Thép Rửa các chi tiết rất bẩn
Dung dịch silicat Thủy tinh lỏng (20 g/l), $\text{Na}_3\text{PO}_4$ (30 g/l) 50 Thép Rửa các chi tiết rất bẩn
Dung dịch trung tính Thủy tinh lỏng (20 g/l), $\text{Na}_3\text{PO}_4$ (5 g/l), $\text{Na}_2\text{CO}_3$ (5 g/l) 50 Đồng, Nhôm, Kẽm Rửa các chi tiết bẩn
Dung dịch axit mạnh $\text{HNO}_3$ (40%), $\text{H}_2\text{SO}_4$ (10%), $\text{H}_2\text{O}$ (50%) 50 Thép rỉ Làm sạch vẩy, rỉ sét
Dung dịch tẩy bóng $\text{NaOH}$ (100 g/l), $\text{NaF}$ (50 g/l) 40–60 Nhôm Làm bóng bề mặt nhôm

Thiết kế và thi công hệ thống

Kiến trúc sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống bồn rửa siêu âm được tổ chức thành 5 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

  1. Khối nguồn cung cấp: Nhận nguồn điện lưới 220 VAC, chỉnh lưu và lọc thành nguồn 311 VDC cung cấp cho mạch công suất siêu âm; đồng thời biến đổi tạo nguồn DC 5V ổn định cấp cho khối điều khiển vi xử lý.
  2. Khối xử lý và hiển thị: Trung tâm điều khiển sử dụng kit Arduino Mega 2560 kết hợp màn hình cảm ứng TFT Shield 2.4 inch và cảm biến nhiệt độ LM35. Khối này tiếp nhận tương tác cảm ứng của người dùng, đọc dữ liệu nhiệt độ bồn rửa, xử lý thuật toán và xuất tín hiệu điều khiển đóng ngắt các relay.
  3. Khối cấp nhiệt: Gồm thanh nhiệt điện trở công suất 100 W gắn ở đáy bồn, hoạt động với nguồn xoay chiều 220 VAC thông qua chuyển mạch tiếp điểm bán dẫn của module Relay rắn (SSR).
  4. Khối công suất: Mạch khuếch đại dao động công suất đẩy kéo phối hợp với biến áp xung, tạo ra điện áp xoay chiều cao tần 620 VAC ở tần số 40 kHz để kích hoạt biến tử phát sóng siêu âm.
  5. Bồn rửa: Thùng chứa dung tích 2 lít làm bằng thép không rỉ, đáy bồn gắn biến tử gốm áp điện PZT và màng dao động truyền sóng vào dung dịch tẩy rửa.

Thiết kế mạch công suất dao động tự kích

Mạch công suất sử dụng cấu hình nửa cầu (half-bridge) tự kích dao động:

  • Điện áp lưới 220 VAC qua bộ chỉnh lưu cầu và tụ lọc tạo ra điện áp một chiều $V_{DC} = 220\sqrt{2} \approx 311\text{ V}$. Cặp tụ $C_3, C_4$ đóng vai trò chia áp và cân bằng điểm giữa.
  • Phần tử khuếch đại công suất gồm hai transistor $Q_1$ và $Q_2$. Cuộn sơ cấp của biến áp xung $T_1$ được nối giữa điểm giữa của cặp tụ và điểm đấu chung của hai transistor.
  • Cơ chế hồi tiếp tự kích: Biến áp hồi tiếp $T_2$ gồm cuộn dây lấy mẫu dòng $L_3$ mắc nối tiếp với biến tử siêu âm. Tín hiệu dòng điện qua $L_3$ cảm ứng hỗ cảm sang hai cuộn kích $L_1$ và $L_2$ có cực tính ngược nhau, lần lượt kích dẫn cực bazơ (B) của $Q_1$ và $Q_2$:
    • Khi $L_3$ dẫn thuận, $L_1$ xuất hiện điện áp dương làm $Q_1$ dẫn bão hòa, đóng điện áp $+311\text{ V}$ vào cuộn sơ cấp $T_1$, sau đó $Q_1$ ngắt.
    • Khi $L_3$ dẫn nghịch, $L_2$ kích làm $Q_2$ dẫn bão hòa, cấp điện áp $-311\text{ V}$ vào cuộn sơ cấp $T_1$, sau đó $Q_2$ ngắt và chu trình lặp lại.
  • Tần số chuyển mạch tự động đồng bộ theo tần số cộng hưởng của nhánh tải biến tử gốm áp điện quanh điểm 40 kHz.

Tính toán thông số biến áp xung

Biến áp xung $T_1$ sử dụng lõi ferit với diện tích mặt cắt hiệu dụng $A_e = 125\text{ mm}^2 = 1{,}25\text{ cm}^2$. Tần số hoạt động $f = 40\text{ kHz}$, mật độ từ thông bão hòa lựa chọn $B_{max} = 1500\text{ Gauss}$, điện áp ngõ vào một chiều $V_{in} = 311\text{ VDC}$.

Số vòng dây cuộn sơ cấp được tính theo công thức: $$N_{pri} = \frac{V_{in} \cdot 10^8}{4 \cdot f \cdot B_{max} \cdot A_e} = \frac{311 \cdot 10^8}{4 \cdot 40000 \cdot 1500 \cdot 1{,}25} \approx 103{,}6\text{ (vòng)}$$ Chọn giá trị nguyên thực tế: $N_{pri} = 104\text{ vòng}$.

Điện áp yêu cầu ở cuộn thứ cấp cấp cho biến tử là $V_{out} = 620\text{ VAC}$. Số vòng dây cuộn thứ cấp được xác định qua tỉ số biến áp: $$N_{sec} = N_{pri} \cdot \frac{V_{out}}{V_{in}} = 104 \cdot \frac{620}{311} \approx 207{,}3\text{ (vòng)}$$ Chọn giá trị nguyên thực tế: $N_{sec} = 208\text{ vòng}$.

Tính toán tiết diện và đường kính dây quấn với mật độ dòng điện cho phép của dây đồng $J = 6\text{ A/mm}^2$:

  • Cuộn thứ cấp ($P_{sec} = 60\text{ W}$, $U_{sec} = 620\text{ V}$): $$I_{sec} = \frac{60}{620} \approx 0{,}096\text{ A}$$ $$S_{sec} = \frac{I_{sec}}{J} = \frac{0{,}096}{6} = 0{,}016\text{ mm}^2 \implies d_{sec} = \sqrt{\frac{4 \cdot S_{sec}}{\pi}} \approx 0{,}14\text{ mm}$$ Để đảm bảo độ bền cơ học và chịu xung dòng, nhóm chọn dây quấn thứ cấp có đường kính $d_{sec} = 0{,}3\text{ mm}$.
  • Cuộn sơ cấp (tính với công suất sơ cấp dự phòng $P_{pri} = 80\text{ W}$, $U_{pri} = 311\text{ V}$): $$I_{pri} = \frac{80}{311} \approx 0{,}257\text{ A}$$ $$S_{pri} = \frac{I_{pri}}{J} = \frac{0{,}257}{6} \approx 0{,}043\text{ mm}^2 \implies d_{pri} = \sqrt{\frac{4 \cdot S_{pri}}{\pi}} \approx 0{,}23\text{ mm}$$ Chọn thực tế dây quấn sơ cấp có đường kính $d_{pri} = 0{,}5\text{ mm}$.

Bảng tổng hợp thông số tính toán và linh kiện biến áp xung:

Thông số biến áp xung Giá trị lý thuyết Giá trị lựa chọn thi công
Vật liệu lõi từ Lõi ferit cao tần Lõi ferit ($A_e = 1{,}25\text{ cm}^2$)
Số vòng dây sơ cấp ($N_{pri}$) 103,6 vòng 104 vòng
Số vòng dây thứ cấp ($N_{sec}$) 207,3 vòng 208 vòng
Đường kính dây sơ cấp ($d_{pri}$) 0,23 mm 0,5 mm
Đường kính dây thứ cấp ($d_{sec}$) 0,14 mm 0,3 mm
Điện áp sơ cấp / thứ cấp 311 VDC / 620 VAC 311 VDC / 620 VAC

Mạch điều khiển và giao diện người - máy

  • Bộ điều khiển trung tâm: Sử dụng board Arduino Mega 2560 mang vi điều khiển ATmega2560 (tần số dao động 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB, SRAM 8 KB, 54 chân I/O số và 16 kênh ADC).
  • Cảm biến nhiệt độ: LM35 gắn tiếp xúc với đáy bồn rửa, cấp tín hiệu điện áp tương tự tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ (10 mV/°C) về chân Analog A46 của Arduino. Vi điều khiển chuyển đổi ADC để tính toán nhiệt độ thực tế của chất lỏng.
  • Điều khiển gia nhiệt: Sử dụng module Relay rắn SSR OMRON G3MB-202P (kích 5 VDC, ngõ ra cách ly quang Photo Triac chịu dòng 0,1–2 A ở 75–240 VAC). Khi nhiệt độ đo được nhỏ hơn nhiệt độ cài đặt, chân I/O xuất mức cao (5 V) kích SSR đóng điện cho điện trở nhiệt 100 W; khi đạt nhiệt độ cài đặt, SSR ngắt điện.
  • Điều khiển thời gian tẩy rửa: Sử dụng module 1 relay cơ 5 VDC (tiếp điểm chịu tải 250 VAC/10 A) để cấp hoặc ngắt nguồn xoay chiều vào mạch công suất siêu âm. Thời gian đếm lùi được hiển thị trực tiếp trên màn hình, khi hết giờ relay tự động ngắt.
  • Màn hình hiển thị và nhập liệu: Màn hình Arduino TFT Shield 2.4 inch (độ phân giải 240x320 pixel, cảm ứng điện trở, giao tiếp qua các chân D5–D13 và A0–A3) gắn trực tiếp trên board Arduino. Giao diện cho phép người dùng chạm để chọn 4 mức nhiệt độ (30°C, 40°C, 50°C, 60°C) và 5 mức thời gian (2, 5, 10, 20, 30 phút).
  • An toàn hệ thống: Hệ thống được lắp đặt cầu dao chống giật ELCB (Earth Leakage Circuit Breaker) nhằm ngắt điện nguồn tự động khi xảy ra sự cố rò rỉ dòng điện ra vỏ kim loại hoặc dung dịch chất lỏng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh các kỹ thuật làm sạch thủ công không đáp ứng được yêu cầu về độ sạch đối với các chi tiết phức tạp. Tác giả nêu rõ hạn chế của các đề tài khóa trước tại trường (máy rửa công nghiệp chưa đạt hiệu quả cao) làm cơ sở triển khai đề tài bồn rửa mới. Chương này xác định rõ 3 mục tiêu cốt lõi, danh sách 10 nội dung nhiệm vụ cụ thể từ nghiên cứu lý thuyết đến thi công chạy thử, phạm vi giới hạn kỹ thuật (dung tích bồn 2 lít, biến tử 40 kHz, công suất 60 W) và bố cục tổng thể gồm 6 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết nền tảng vật lý về sóng cơ học đàn hồi, đặc tính lan truyền sóng siêu âm, âm trở, âm áp và cường độ âm. Tác giả phân tích sâu về hiệu ứng áp điện thuận - nghịch, cấu tạo và đặc tính dao động của biến tử gốm áp điện PZT so với biến tử từ giảo. Nội dung tiếp theo giải thích bản chất hiện tượng xâm thực sóng siêu âm trong chất lỏng, cơ chế tạo bọt khí, phá vỡ bọt khí làm sạch màng bụi bẩn bão hòa, cũng như ảnh hưởng của dạng sóng (chùm xung gián đoạn, tần số thay đổi), nhiệt độ dung dịch và các hóa chất tẩy rửa chuyên dụng. Cuối chương, tác giả giới thiệu chi tiết phần cứng sử dụng (Relay cơ, Relay SSR Omron G3MB-202P, Arduino Mega 2560, TFT LCD Shield 2.4 inch, biến áp xung, mạch dao động R-C, L-C) và lập bảng khảo sát thông số bồn rửa GT Sonic VGT-1730QT (3L, 40 kHz, 100 W siêu âm, 100 W nhiệt).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày sơ đồ khối hệ thống gồm 5 khối chức năng và phân tích nguyên lý hoạt động của từng khối. Trọng tâm của chương là tính toán chi tiết mạch công suất đẩy kéo tự kích dao động:

  • Trình bày công thức và kết quả tính toán biến áp xung trên lõi ferit ($A_e = 1{,}25\text{ cm}^2$): số vòng sơ cấp $N_{pri} = 104$ vòng, số vòng thứ cấp $N_{sec} = 208$ vòng, đường kính dây sơ cấp 0,5 mm và thứ cấp 0,3 mm.
  • Phân tích chi tiết đường dẫn dòng điện qua cặp transistor $Q_1, Q_2$ và biến áp hồi tiếp $T_2$ ($L_1, L_2, L_3$) để nâng áp từ 311 VDC lên 620 VAC cấp cho biến tử.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý khối cấp nhiệt (điện trở nhiệt 100 W), khối cài đặt và ổn định nhiệt độ (cảm biến LM35 đọc về chân analog 46), khối đếm thời gian và sơ đồ nguyên lý toàn mạch hoàn chỉnh.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình gia công phần cứng và phần mềm:

  • Thi công board mạch công suất bằng phương pháp ủi và ăn mòn mạch in, hàn linh kiện transistor, biến áp xung và tụ cao áp.
  • Lắp ráp cơ khí: Chế tạo khung chân bồn rửa, gắn board công suất bên trong khung, ốp tấm nhôm (aluminium) bảo vệ bên ngoài, gắn bồn rửa inox 2 lít và cố định biến tử siêu âm vào đáy bồn.
  • Lắp đặt kit Arduino Mega 2560, màn hình cảm ứng TFT Shield 2.4 inch và aptomat chống giật ELCB trên thân vỏ máy.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển toàn hệ thống, lưu đồ điều khiển nhiệt độ và lưu đồ điều khiển thời gian; viết chương trình điều khiển trên môi trường Arduino IDE và nạp vào vi điều khiển.
  • Đưa ra quy trình thao tác và hướng dẫn vận hành chi tiết qua giao diện màn hình cảm ứng.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 công bố các hình ảnh và dữ liệu thực nghiệm sau khi hoàn thiện chế tạo:

  • Hệ thống hoạt động đồng bộ: Màn hình cảm ứng hiển thị trực quan, nhận lệnh cài đặt thời gian và nhiệt độ chính xác; mạch công suất kích biến tử dao động mạnh mẽ, tạo ra hiện tượng xâm thực sôi bọt khí trong bồn nước.
  • Thực nghiệm kiểm chứng tẩy rửa: Tiến hành ngâm rửa linh kiện cơ khí và một chùm chìa khóa kim loại bị bám bẩn, oxy hóa rỉ sét. Hình ảnh so sánh trước, trong và sau quá trình rửa cho thấy bề mặt chùm chìa khóa được bóc tách sạch các lớp tạp chất bám dính mà không làm biến dạng cơ học chi tiết.
  • Nhận xét và đánh giá: Hệ thống đạt các yêu cầu kỹ thuật ban đầu đề ra, độ ổn định cao, đảm bảo an toàn điện nhờ có ELCB.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được: hoàn thành thiết kế thi công bồn rửa siêu âm 2 lít tần số 40 kHz, mạch công suất 60 W ngõ ra 620 VAC và giao diện điều khiển số cảm ứng. Đồng thời, tác giả thẳng thắn chỉ ra các giới hạn hiện tại và đề xuất định hướng cải tiến hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật thực nghiệm

Đồ án đã chế tạo thành công một thiết bị bồn rửa siêu âm hoàn chỉnh với các thông số đo đạc và kiểm nghiệm thực tế:

Bộ phận / Thông số Giá trị thiết kế và thi công thực tế
Dung tích bồn rửa 2 lít (vật liệu inox chống ăn mòn)
Loại biến tử siêu âm Gốm áp điện PZT (Piezoelectric transducer)
Tần số dao động siêu âm 40 kHz
Công suất phát sóng siêu âm 60 W
Điện áp xoay chiều kích biến tử 620 VAC (tạo ra từ biến áp xung sơ cấp 311 VDC)
Công suất điện trở gia nhiệt 100 W (sử dụng nguồn 220 VAC)
Các mức nhiệt độ cài đặt 4 mức: 30°C, 40°C, 50°C, 60°C (đo qua cảm biến LM35)
Các mức thời gian cài đặt 5 mức: 2 phút, 5 phút, 10 phút, 20 phút, 30 phút
Bộ điều khiển & Hiển thị Arduino Mega 2560 kết hợp TFT Shield 2.4 inch cảm ứng
Cơ chế đóng cắt công suất Relay cơ 5V (khối siêu âm) và Relay rắn SSR Omron (khối nhiệt)
Thiết bị bảo vệ an toàn Aptomat chống giật ELCB tích hợp trên thân vỏ

Kết quả thử nghiệm thực tế trên các linh kiện cơ khí và chùm chìa khóa kim loại bị rỉ sét chứng minh hiện tượng xâm thực của sóng siêu âm kết hợp gia nhiệt đã làm sạch hiệu quả bề mặt kim loại, đánh bật cặn bẩn bám chặt trong các khe rãnh nhỏ mà phương pháp rửa tay không xử lý được.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Làm chủ quy trình tính toán, quấn dây và thi công biến áp xung cao tần ferit đạt điện áp 620 VAC ở tần số 40 kHz phối hợp trở kháng với biến tử áp điện.
  • Ứng dụng thành công mạch công suất nửa cầu tự kích dao động hồi tiếp dòng qua biến áp $T_2$, giúp hệ thống tự động bám tần số cộng hưởng của biến tử mà không cần mạch phát xung ngoài phức tạp.
  • Hiện đại hóa giao diện điều khiển bồn rửa bằng màn hình cảm ứng màu TFT Shield thay thế hoàn toàn các công tắc xoay cơ học thường thấy trên các dòng máy giá rẻ, đồng thời tích hợp thuật toán ổn định nhiệt tự động qua relay bán dẫn SSR và cảm biến LM35.
  • Thiết kế tích hợp hoàn chỉnh hệ thống điện trong khung vỏ nhôm chắc chắn, có trang bị ELCB bảo vệ chống giật, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người vận hành trong môi trường chất lỏng dẫn điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (theo ghi nhận thực tế từ văn bản đồ án):

  • Dung tích bồn rửa còn nhỏ (mới đạt 2 lít) và chỉ sử dụng 01 biến tử siêu âm 60 W, do đó phạm vi tẩy rửa chỉ giới hạn ở các đồ dùng, linh kiện nhỏ lẻ, chưa đáp ứng được nhu cầu tẩy rửa các chi tiết cơ khí kích thước lớn trong công nghiệp.
  • Mạch công suất hoạt động ở mức công suất cố định 60 W, chưa có tính năng điều chỉnh biên độ công suất phát sóng siêu âm linh hoạt theo từng loại vật liệu cần rửa.
  • Hệ thống chưa được trang bị van xả nước và cơ chế thoát nước tự động ở đáy bồn (người dùng phải nghiêng bồn để đổ dung dịch sau khi sử dụng).

Hướng phát triển đề tài:

  • Mở rộng dung tích bồn rửa lên quy mô lớn hơn (5 lít, 10 lít hoặc lớn hơn) và lắp đặt nhiều biến tử siêu âm phân bố đều dưới đáy hoặc thành bồn để tăng cường mật độ năng lượng xâm thực.
  • Thiết kế mạch điều khiển cho phép điều chỉnh công suất siêu âm theo nhiều cấp độ khác nhau.
  • Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật quét tần số (frequency sweep) hoặc điều chế chùm xung gián đoạn nhằm hạn chế hiện tượng sóng đứng, giúp năng lượng siêu âm phân bố đồng đều, triệt tiêu các "điểm chết" trong bể rửa.
  • Thiết kế bổ sung hệ thống van xả nước thải tự động và mạch tuần hoàn lọc cặn dung dịch tẩy rửa để tái sử dụng hóa chất.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng và lĩnh vực nghiên cứu sau:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Điện tử Công nghiệp – Y sinh và Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về một đồ án thiết kế phần cứng hoàn chỉnh kết hợp giữa điện tử công suất, kỹ thuật siêu âm và lập trình nhúng vi điều khiển.
  • Người làm đề tài về biến áp xung và mạch dao động công suất cao tần: Chương 3 là tài liệu hữu ích với các công thức tính toán số vòng dây, tiết diện lõi từ ferit, mật độ dòng điện và nguyên lý hoạt động của mạch dao động nửa cầu tự kích hồi tiếp dòng.
  • Người nghiên cứu ứng dụng vi điều khiển và giao diện cảm ứng: Chương 4 cung cấp giải pháp ghép nối Arduino Mega 2560 với màn hình cảm ứng điện trở TFT Shield 2.4 inch, kỹ thuật lập trình giao diện người dùng (GUI) và giải thuật điều khiển nhiệt độ dùng relay rắn SSR kết hợp cảm biến LM35.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạch công suất của bồn rửa tạo ra mức điện áp và tần số bao nhiêu để kích hoạt biến tử siêu âm?

Mạch công suất biến đổi nguồn một chiều 311 VDC thông qua mạch nửa cầu hai transistor và biến áp xung cao tần $T_1$ để tạo ra điện áp xoay chiều khoảng 620 VAC ở tần số 40 kHz, cung cấp trực tiếp cho biến tử gốm áp điện (PZT) công suất 60 W.

2. Biến áp xung được tính toán với số vòng dây và đường kính dây quấn cụ thể là bao nhiêu?

Theo tính toán thiết kế trên lõi ferit có diện tích mặt cắt hiệu dụng $A_e = 1{,}25\text{ cm}^2$ và mật độ từ thông $B_{max} = 1500\text{ Gauss}$:

  • Cuộn sơ cấp ($N_{pri}$): Quấn 104 vòng, sử dụng dây đồng đường kính 0,5 mm (tính toán lý thuyết là 0,23 mm).
  • Cuộn thứ cấp ($N_{sec}$): Quấn 208 vòng, sử dụng dây đồng đường kính 0,3 mm (tính toán lý thuyết là 0,14 mm).

3. Người dùng có thể thiết lập các mức nhiệt độ và thời gian tẩy rửa cụ thể nào trên máy?

Trên giao diện màn hình cảm ứng TFT Shield 2.4 inch, hệ thống cung cấp các mức lựa chọn cố định:

  • Nhiệt độ: 4 mức gồm 30°C, 40°C, 50°C và 60°C.
  • Thời gian: 5 mức gồm 2 phút, 5 phút, 10 phút, 20 phút và 30 phút.

4. Hệ thống sử dụng linh kiện gì để đóng ngắt điện trở nhiệt gia nhiệt và thông số của nó ra sao?

Hệ thống sử dụng module Relay rắn (Solid State Relay - SSR) OMRON G3MB-202P. Module này được kích bằng điện áp 5 VDC (dòng tiêu thụ 20 mA), đóng ngắt nguồn xoay chiều 220 VAC cho điện trở nhiệt 100 W với dải điện áp chịu đựng 75–240 VAC, dòng định mức 0,1–2 A và được cách ly quang an toàn bằng Photo Triac.

5. Hiện tượng vật lý cốt lõi nào trong chất lỏng tạo nên khả năng tẩy rửa của bồn siêu âm?

Hiện tượng vật lý cốt lõi là sự xâm thực sóng siêu âm (Cavitation). Khi chùm sóng siêu âm 40 kHz lan truyền trong chất lỏng, áp suất âm thay đổi tuần hoàn làm xuất hiện và phát triển hàng triệu bọt khí siêu vi. Các bọt khí này dao động, liên kết thành bọt lớn rồi nổ vỡ dữ dội, tạo ra các xung kích áp suất cực lớn kèm nhiệt độ cao cục bộ, đánh bật các phần tử chất bẩn bám dính trên bề mặt và trong các khe hẹp của vật cần rửa.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công bồn rửa dùng sóng siêu âm" của sinh viên Nguyễn Phú Cường và Nguyễn Lộc Dương đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thành công một thiết bị tẩy rửa siêu âm dung tích 2 lít, hoạt động ở tần số 40 kHz với công suất siêu âm 60 W và công suất nhiệt 100 W. Hệ thống tích hợp hoàn chỉnh khối công suất tự kích dao động qua biến áp xung nâng áp lên 620 VAC, bộ điều khiển vi xử lý Arduino Mega 2560 kết hợp màn hình cảm ứng màu TFT 2.4 inch và cơ chế an toàn điện bằng ELCB. Kết quả thử nghiệm thực tế trên các linh kiện cơ khí và đồ dùng kim loại rỉ sét đã chứng minh tính hiệu quả vượt trội của phương pháp làm sạch bằng sóng siêu âm so với các phương pháp tẩy rửa thủ công truyền thống.