ULTRASONĐK TEMĐZLEME CĐHAZI TASARIMI VE GERÇEKLEŞTĐRĐLMESĐ DESING AND IMPLEMENTATION OF ULTRASONIC CLEANING DEVICE

Transkript

1 ULTRASONĐK TEMĐZLEME CĐHAZI TASARIMI VE GERÇEKLEŞTĐRĐLMESĐ DESING AND IMPLEMENTATION OF ULTRASONIC CLEANING DEVICE Fecir DURAN Gazi Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Bölümü, 06500, Teknikokullar, Ankara Mustafa TEKE Çankırı Karatekin Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Elektronik ve Otomasyon Bölümü, 18200, Taşmescit, Çankırı ÖZET Bu çalışma da, ultrasonik temizleme cihazı tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir.ultrasonik dönüştürücü çalışma frekansına ulaşılması ile ilgili deney yapılmıştır.rezonans frekansında çalışan sistem tarafından temizleme tankında oluşan kavitasyon miktarı ile rezonansın dışında dönüştürücü tarafından temizleme tankında oluşan kavitasyon miktarı alüminyum folyo deneyi ile gözlenmiştir.ultrasonik dönüştürücüleri sürmek için tam köprü invertör devre mosfet ve mosfet sürücü ile tasarlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Ultrasonik temizleme, invertör, kavitasyon ABSTRACT In this study, ultrasonic cleaning device has been designed and implemented. Experiment that is related with reaching to the working frequency of ultrasonic converter has been done. Amount of created cavitation in the cleaning tank by the system that works at rezonance frequency and amount of created cavitation in the cleaning tank by the converter that is out of rezonance have been observed with aluminum foil experiment. Full bridge inverter circuit has been designed with mosfet and mosfet driver to drive the ultrasonic converters. Key Words : Ultrasonic cleaning, inverter, cavitation 1

2 1. GĐRĐŞ Günümüzde çok çeşitli temizleme yöntemleri kullanılmaktadır. Bu yöntemlerden çoğu ya çok pahalı yada çok zahmetli olabilmektedir. Bununla birlikte kullanılan temizleme yöntemi içerisindeki kimyasal olaylar sonucu oluşan çevre kirliliği de oldukça kötü sonuçlara neden olmaktadır. Ultrasonik enerji yaygın olarak kritik temizleme uygulamalarında hız artışı ve alternatif kimyasalların temizlik etkinliği geliştirmek amacıyla kullanılmaktadır.[1,2] Ultrasonik temizleme RCA (Radio Corporationof America) adlı firmanın araştırma laboratuarında bulunmuştur. Freon gazı kullanarak soğutma işlemi yaparken 300 khz de çalışan bir kristalin etrafında dalga hareketinin ortaya çıktığı fark edildi. Tesadüfen fark edilen bu ilginç dalga hareketinin bir temizleme metodu olduğu uzun süre anlaşılamadı. Ultrasoniğin temizlik amacı ile kullanımında seçilen frekans khz arasındadır. Bugün hala endüstride 18 khz rutin olarak kullanılmaktadır.[3] 2. ULTRASONĐK DALGALAR ĐLE TEMĐZLĐK Đnsan kulağının duyabileceği sınırın üzerindeki (16 Khz ve üzeri )mekanik ses dalgaları birimine ultrasonik denir. [4,5,6] Ses, cisimlerin titreşimi sonucu meydana gelen bir enerji türüdür. [7,8] Ses dalgasının tonunu ve ses dalgasının etki alanını, ses dalgasının frekansı belirlemektedir. Düşük frekanslar bas ya da düşük tonları, yüksek frekanslar, tiz ya da yüksek tonlar üretir. Ultrasonik temizleme için kullanılan en temel frekanslar khz aralığındadır. Ultrasoniğin içeri işleyebilme özelliği vardır. Bu özelliği sayesinde tıpta da kullanılmakta ve röntgen ışınlarına göre daha güvenlidirler. 50 khz üzeri frekanslar genellikle kuyumculuk ve diş protez işlemlerinde, masaüstü ultrasonik temizleyiciler olarak kullanılmaktadır.[3] 2.1 Ultrasonik Temizleme Teorisi Ultrasonik temizleme sistemi paslanmaz çelikten oluşan metal bir tank ve bu tankın tabanına veya yanına yapışık piezo seramik dönüştürücüler, ultrasonik üreteç( jeneratör) ve temizleme suyundan oluşur.[3] Ultrasonik temizliğin mantığı şudur; sıvı içerisinde oluşan yüksek frekansta (20 khz- 400 khz) milyonlarca vakum enerjisi içeren mikroskobik hava kabarcığının kirli yüzeylere çarparak patlaması sayesinde kireç, pas ve istenmeyen dokuların yüzeyden hızlıca uzaklaştırılması işlemidir.[7,9,10,11] Şekil 1 de görüldüğü gibi sıvı içerisindeki hava kabarcıkları (baloncuklar ve vakum boşluğu) düşük basınç altında genişleyerek büyürken, yüksek basınç altında ise şiddetli bir biçimde sönme işine maruz kalarak bir içsel patlama ile yok olurlar. Bu olay anında C lik bir sıcaklık artışı meydana gelir. Baloncukların sönme işine maruz kalarak yok olması sırasında boşalan hacme temizleme sıvısı molekülleri hızla hareket eder ve bu olay ultrasonik kavitasyon olarak adlandırılır. Şekil 1. Sıvı Đçerisindeki Kavitasyon Oluşumu 2

3 2.2.Ultrasonik Temizleme Ünitelerinin Bileşenleri Temel olarak ultrasonik temizleme cihazı aşağıdaki bileşenlerden oluşur; Ultrasonik sinyal jeneratörü Kristal Sıvı tankı 1) Ultrasonik sinyal jeneratörü: Đhtiyaca bağlı güçlerde imal edilir. Bu birim kristalleri sürer ve ultrasonik enerjiye dönüştürür.30w başlangıç gücüdür ve kw lar mertebesine kadar imal edilebilir.[12] 2) Kristal: Jeneratörden gelen sinyali mekanik enerjiye dönüştüren birimdir ve cihazın kalitesini birebir etkiler. Üretimi yüksek bilgi düzeyi gerektirir ve doğru kalibre edilmemiş kristaller cihazın ömrünü doğrudan etkiler. 3) Sıvı tankı: temizleme işleminin gerçekleştirildiği sıvının depolandığı birimdir. Şekil 2.Ultrasonik Sinyal Jeneratörü, Dönüştürücüler,Temizleme Tankı [3,13] Temizleme tankının boyutu temizlenecek olan parçanın boyutuna bağlıdır. Kullanılacak tüm ürünler temizleme tankının boyutu ile ilgilidir Ultrasonik Sinyal Jeneratörü Jeneratörler günümüzde teknolojik olarak ileri düzeydedir. Merkez frekansı koruyan otomatik izleme devresine sahiptirler. Merkez frekans değişken yüklerin baskısı altında kaldığında otomatik olarak koruma altına alınır. Bu ileri düzey jeneratörler sayesinde eski tip jeneratörlerin kullanımı sonrasında temizleme tankı içerisinde oluşan sabit lokosyonlu duran dalgalar ortadan kaldırılmış olur.ultrasonik jeneratörler düşük frekanslı akımı, yüksek frekanslı elektrik enerjisine çeviren elektronik bir devredir. Ultrasonik jeneratörler özel uygulamalarda 400 khz e kadar kullanılmaktadır Ultrasonik Dönüştürücüler (Kristal ) Ultrasonik temizleme sisteminin kalbini dönüştürücüler oluşturur. Sinyal jeneratöründen gelen ultrasonik sinyalleri, temizleme sıvısı içinde ultrasonik dalgalara dönüştürerek temizleme olayında önemli rolü olan elemandır. Đki tür ultrasonik dönüştürücü vardır. Piezoelektrik ve elektromanyetik dönüştürücülerdir. Bunlar manyetik enerjiyi alternatif elektrik enerjisine veya tam tersine dönüştürme işini değişik yollarla yaparlar.[3] Ultrasonik dönüştürücüler için dönüştürücünün tipi değil üreteceği kavitasyon en önemli faktördür. [14] 2.5. Sıvı Tankı Standart tanklar optimum temizleme yapmak ve sıcaklığı 50 0 c c arasında tutabilmek için termostat kontrollü ısıtıcılara sahip elemanlardır. Isıtma işlemi, temizlik sıvısının zehirli gazlardan arındırılmasında hızlandırıcı etki yaratır. Ultrasonik tankların şekilleri genellikle dikdörtgen olur ve büyüklüğüne bakılmaksızın paslanmaz çelikten üretilirler. Kullanılan paslanmaz çelik hem ince hem de dayanıklılık için sağlam malzemelerden imal edilmiştir. 3

4 3. ULTRASONĐK TEMĐZLEME CĐHAZI TASARIMI Şekil 3 de tasarımını hazırladığımız çalışmanın blok şeması verilmiştir. Sistemi meydana getiren bütün parçalar uyum içersinde çalışmaktadır. Sistemi oluşturan parçalar; mikrodenetleyici, yıkama tankı, ultrasonik dönüştürücüler ve invertör devresidir. Mikro denetleyici devresi tuş takımı ile LCD yi(liquid Crystal Display) içine alan sistemin denetleme devresidir. Yıkama tankı, içersine temizleme sıvısı konulup alt kısmına ultrasonik dönüştürücülerin monte edilip temizliğinin gerçekleştiği çelik bir kazandır. Ultrasonik dönüştürücüler, temizleme tankının alt kısmına monte edilen titreşimi sağlayan kristallerdir. Tankın büyüklüğüyle orantılı sayıda tanka monte edilir. Đnvertör devresi, şebekeden elde edilen AC yi DC ye dönüştürdükten sonra anahtarlama yöntemiyle ve çıkışa bağlanan yüksek frekans trafosu ile istenen yüksek gerilimli ve frekanslı sinyali elde etmek için tasarlanmıştır. Şekil 3. Tasarımı Hazırlanmış Sistemin Blok Diyagramı 3.1.Kullanılan Mikro denetleyicinin Özelliği Ultrasonik dönüştürücülerin çalışması için gerekli olan sinyali üreten sistem denetleyici devresidir. Temelde ultrasonik dönüştürücünün çalışma frekansı mikrodenetleyicide elde edilir ve buradan tasarlanan invertör devresine gönderilerek gerekli gerilimle dönüştürücü anahtarlanmış olur. Đnvertörün çalışması ve doğru anahtarların sırayla açılmasını mikro denetleyici sağlamaktadır. Mikro denetleyicinin PWM çıkışları senkronize bir şekilde invertöre ulaşmalı ve eşleniğiyle birlikte doğru sırayla invertördeki mosfetleri anahtarlamalıdır. PIC18fxxxx ailesindeki mikro denetleyicinin ve PWM çıkışlarının komplementinin (terslenmiş halinin) bulunması invertör devresini sürme işlemini kolaylaştırmaktadır. Şekil 4. Ölü Zaman Gecikmesi 3.2. Yıkama Tankı Ultrasonik temizleme sistemi temelde iki tiptir. Ultrasonik dönüştürücü tanka sabitlenmiş halde olmakla birlikte dönüştürücüler tanka daldırılabilir tipte de olabilmektedir. Çalışmamızda çelik 4

5 tanka sabitlenmiş olarak ultrasonik dönüştürücüyü kullanmaktayız. Temizlenecek malzemenin temizlik sıvısı içine tamamıyla daldırılması gerekmektedir. Bu sebeple kullanılacak tankın boyutları temizlenecek malzeme türüne göre boyutlandırılmalıdır. Günümüzde ultrasonik temizleme cihazını kuyumcu, protez ve gözlük işlerinde kullanımı oldukça fazladır. Tasarımımızda kullandığımız tankın boyutu da bu sektöre göre dizayn edilmiştir. 3.3 Ultrasonik Dönüştürücüler Ultrasonik temizleme cihazında kullanılan yıkama tankının büyüklüğüne göre alt ya da yan kısmına ultrasonik dönüştürücüler monte edilmektedir. Tankın boyutu büyüdükçe monte edilen dönüştürücü sayısı da artmaktadır. 3.4 Tam Köprü (Full Bridge ) PWM Modu ile DC/AC Dönüştürücü (Đnvertör) Ultrasonik dönüştürücünün çalışma frekansını ve genliğini oluşturmak için invertör devreleri kullanılmaktadır. Bu devreler sayesinde istenilen anahtarlama frekansıyla çıkmak mümkün olmaktadır. Çalışmada tam köprü dönüştürücü kullanılmış ve anahtarlama frekansı olarak ta 38,8kHz kullanılmıştır. Tank yüzeyine yapıştırılan ultrasonik dönüştürücülerin rezonans frekansları 38,8 olduğu için anahtarlama frekansını da aynı değer olarak seçmekteyiz. Dönüştürücü rezonans frekansında en yüksek akımı çekmekte olup kazana yaydığı titreşimde bu anda maksimum olmaktadır. Dolayısıyla kullanılan dönüştürücünün frekansıyla aynı değerlikli frekans üreten bir mevcut tasarlanmıştır. Tam köprü invertörde yarım köprü invertörün haricinde artı gerilim eksi gerilim ve sıfır gerilim elde edilebilmesidir. Bu kullanılan anahtarların açma kapama sürelerinde değişimlerle oluşmaktadır. Şekil 5. Tam Köprü Đnvertör Devresi Tam köprü devresi iki yarım köprü devresinden meydana gelmektedir. Aralarındaki fark köprüde anahtarların açık kapalı süreleri yani anahtarlama frekansına göre kapasite değerinin seçilmesidir. Bu kapasite değeri sistemin rezonans frekansına göre ayarlanmalıdır. Bu sebeple seri RLC rezonans anında çekilebilecek yüksek akım ve düşen yüksek gerilim anahtarlama elemanlarının bozulmasına sebep olmaktadır. Bu nedenle çalışmamızda tam köprü invertör devresi kullanmaktayız. Anahtar sayısı fazla olması dezavantaj olmakla beraber rezonans frekansını anahtarları süren frekansı değiştirmenin yetmesiyle yani kapasite değerini değiştirme gibi bir durumla uğraşmadan sistemi kontrol etmek ve çalıştırmak mümkün olmaktadır khz de anahtarlama mosfetler ve bu mosfetlerin oluşturduğu köprüye bağlı Ferit nüveli bir transformatör sayesinde şebekenin doğrultulmuş DC gerilimi anahtarlanarak AC volt arası değişen yüksek genlikli bir sinyal ile sürülmektedir. 5

6 4. DENEYSEL SONUÇLARIN DEĞERLENDĐRĐLMESĐ Ultrasonik temizleme sisteminde kullanılan dönüştürücü rezonans anında çalıştığında kavitasyon temizleme tankına homojen olarak dağılmaktadır. Sistem rezonansa ulaşamadığı takdirde kavitasyon baloncukları belli alanlarda oluşmakta ve temizliği tam gerçekleştirememektedir. 5. SONUÇ Şekil 6. Rezonans Çalışma durumu ve Rezonansa gelmeme durumu Ultrasonik temizleme sistemi tasarımında kullanılan dönüştürücünün rezonans frekansı tam olarak hesaplanırsa sistemin çalışması daha verimli olacaktır. Temizleme sıvısının içerisindeki mikro baloncukların gözle tespit edilememesinden uygulamada bunu tespit etmek için alüminyum folyo testi yapılmaktadır. Rezonans anında tankın her noktasında bu baloncuklar hissedilirken diğer durumlarda sadece belli noktalarda baloncuklar bulunmaktadır. KAYNAKÇA [1] ) [2] By F. John Fuchs,Ultrasonic Cleaning: Fundamental Theory and Application, Blackstone Ney Ultrasonics, [3] "Mikrodenetleyici Kontrollü Ultrasonik Temizleme Makinesi Tasarımı" Yüksek lisans tezi Tangel, C.,2009 Kocaeli [4] David, J., Cheeke, N., Fundamentals and Applications of Ultrasonic Waves, CRC Press, (2002). [5] Ensminger, D., Ultrasonics: Fundamentals, Technology, Applications, Marcel Dekker, (1998). [6] Kocis, S., Figura, Z., Ultrasic Measurements and Technologies, Chapman&Hall Ister cience Limited Translation, (1996). [7] ) [8] Novelline, R., Squire's Fundamentals of Radiology (5th ed.). Harvard University Press. pp (1997). [9] Yakut, M., Tangel, A., Tangel, C., A microcontroller-based generator design for ultrasonic cleaning machines, ISTANBUL UNIVERSITY-Journal of Electrical and Electronics Engineers, Vol.9 (1), pp , [10] Guvenc, U., Yakut, M., Tangel, A., Ultrasonik temizlik sistemlerinde rezonans frekansı tespiti için yinelemeli frekans bandı tarama tekniği, Gömülü Sistemler ve Uygulamaları Sempozyumu - GÖMSIS 2010, Đstanbul Teknik Üniversitesi, 4-5 Kasım 2010, Đstanbul, sayfa21. [11] Tangel, A., Yakut, M., Afacan, E., Guvenc, U., Sengul, H., 2010 International Conference on Applied Electronics (September 2010), pg. 1-4, An FPGA- based multiple-output PWM pulse generator for ultrasonic cleaning machines, [12] [13] [14] "FPGA Tabanlı çok Fonksiyonlu Ultrasonik Temizleme Makinesi Tasarımı ve Prototip Üretimi" Ulvi GÜVENÇ Yüksek Lisans Tezi 2011 Kocaeli 6