Ses ötesi tezmizlik cihazı ölçümleri sonuçları analizi
Measurements and analysis of results of cleaning device
Yazar: CEM TUNC
Danışman: YRD. DOÇ. DR. METİN HÜNER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Ultrason = Ultrasound

Özet:
Bütün canlıların gereksinim duyduğu su, hava ve toprak endüstrinin gelişmesine paralel olarak çeşitli sentetik maddeler ve diğer toksit atıklarla kirletilmiş ve Dünya'nın birçok yöresi yaşanmaz duruma getirilmiştir. Çevreyi koruyucu önlemler almadan gelişi güzel sanayileşen ülkelerde denetimsizlik, düzensiz kentleşme, hızla artan nüfus ya da toplumun eğitimsizliğinden kaynaklanan sorumsuzluk sonucu, sağlıklı yaşamamız için vazgeçilmez bir gereksinim olan doğa çok kötü bir şekilde kirletilmiştir.Son dönemlerde temizlikte kullanılan deterjanların doğaya, dolayısıyla insan sağlığına olan zararları merak ve endişeyle tartışılmaktadır. İhmaller ve sorumsuzluklar sonucu olan çevre kirlenmesi sorunu bugünün insanlarının torunlarına bırakacağı en kötü miras olacaktır.Temizlik endüstrisinde su temelli ve petrol temelli temizleyiciler yerine doğaya dost alternatif temizleme teknikleri geliştirilmeye çalışılmıştır. Daha geliştirme aşamasında olan bu tekniklerin sentetik temizleyicilere göre temizleme oranları çok düşüktür. Doğaya dost teknoloji olması açısından geliştirilmesi gereken bir yöntemdir ve gelişime açıktır.Endüstride yeni üretilen veya kullanılmakta olan pek çok cihaz, aparat ve makine parçaları, yüzey kalitelerini arttırmak amacıyla bir takım temizleme işlemlerine tabi tutulurlar. Geleneksel parça temizleme metodları olarak kumlamayı, benzin-talaş karışımını, sıcak yağlamayı ve spreyle yıkamayı sayabiliriz. Çeşitli ve sürekli gelişen teknolojiler, minyatür parça üretimindeki hızlı gelişmeler hassas ve kritik temizlik ihtiyacını doğurmuştur. Tek tabaka halindeki kirlilik, yüzeyin ıslaklık kabiliyetini, adezyonunu, optik ve elektrik özelliklerini değiştirebilir. Ayrıca 1-2µm büyüklüğündeki parçacıklar, korozyon izleri ve iyonlar optik, tıbbi cihaz, uzay, eczacılık, takım-kaplama, disk sürücüleri, yarı iletkenler ve otomotiv endüstrisi gibi dallarda, imalat mühendislerinin günlük ilgi alanları arasına girmiştir. Bu yüzden pek çok firma kendi temizlik standartını bile oluşturmaya başlamıştır[1].Teknolojinin ilerlemesi hassas, kritik ve doğaya saygılı temizleme yöntemlerine yönelinmesine yol açmaktadır. Yeni temizlik yöntemlerinin geliştirilmesinde mikrodenetleyicilerin gelişmesinin payı büyüktür ve bu sayede ses ötesi temizlemenin temelleri atılmıştır.Ses Ötesi temizleme ilk defa RCA (Radio Corporation of America) adlı firmanın araştırma laboratuvarında bulunmuştur. Freon gazı kullanarak soğutma işlemi yaparken 300kHz'de çalışan bir kristalin etrafında dalga hareketinin ortaya çıktığı tesadüfen fark edildi. Fark edilen bu ilginç dalga hareketinin uzun süre bir temizleme metodu olduğu anlaşılamadı. Bugün endüstride 18kHz hala rutin olarak kullanılmaktadır[2].Bu çalışmada, ultrasonik temizleme etkinliğinin frekans ve sıcaklık parametrelerine göre değişiminin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda ultrasonik temizleme cihazı ile 3'er dakikalik testler yapılmıştır. Testler sırasında aluminyum folyo, temizleme kazanına dik bir şekilde daldırılmıştır. Tasarlanan sistem temizleme kazanındaki sıcaklık, sıvı yüksekliği, temizlenen malzeme gibi parametrelerden dolayı temizleme verimliliğindeki azalma sorunlarına karşı çeşitli frekanslardaki tarama teknikleri ile deneyler yapılmıştır. Dar bir frekans aralığında tarama özelliği kullanılarak daha homojen bir temizleme örüntüsü elde edildiği yapılan deneyler ile gözlemlenmiş olup sonuçları tezde yer almaktadır.Deneylerde kullanılan ses ötesi temizleme makinesinin çalışabilme aralığı 37-42kHz frekans aralığıdır. Kazan su sıcaklığı 20-80°C arasına herhangi bir sıcaklık değerine ayarlanabilmektedir. Sistemde otomatik çalışma modu, manuel çalışma modu, ve anahtarlamalı çalışma modu olmak üzere üç çalışma modu bulunmaktadır. Manuel çalışma modunda 37-42kHz frekans aralığında ayarlanan bir frekansta ultrasonik dönüştürücü sürülmektedir. Otomatik çalışma modunda ise kullanıcının ayarladığı frekans, merkez frekansı olarak seçilerek 2kHz'lik bant genişliğinde frekans tarama tekniği kullanılmıştır. Anahtarlamalı çalışma modu, prensip olarak manuel çalışma moduna benzemektedir. Manuel çalışma moduna ek olarak susma süresi parametresi anahtarlamalı çalışma modunda kullanılmaktadır. Susma süresi 1 sn, 2 sn, 3 sn, 4 sn olarak istenilen şekilde seçilebilmektedir. Seçilen değere göre ultrasonik üreteç, ultrasonik sinyali seçilen saniye kadar üretir ve sonra seçilen saniye kadar susar. Bu işlem sistemin çalışma süresi boyunca ultrasonik sinyalin üretilmesi ve durdurulması şeklinde devam eder. Ses ötesi temizleme cihazı 1-5 dakika arasında değişen çalışma sürelerine ayarlanıp çalıştırılabilmektedir. Cihaz çalışır durumda iken kalan süre saniye bazında LCD ekranda gösterilmektedir[3].Ses ötesi temizleme sistemleri çelikten yapılmış bir kazan, bu kazanın altına özel bir yapıştırıcı ile yapıştırılmış bir veya birden fazla ses ötesi dönüştürücü, ses ötesi üreteç ve temizleme sıvısından oluşmaktadır. Ses ötesi sinyal üreteçleri yüksek frekanslı sinyalleri (20-120kHz) üretirler. Temizleme kazanının altına yapıştırılmış olan ses ötesi dönüştürücüler bu sinyaller ile sürüldüklerinde temizleme kazanındaki sıvıda alçak ve yüksek basınç bölgeleri meydana getiren ses ötesi dalgalar üretirler. Bu basınç dalgaları, temizleme sıvısı içinde mikroskobik milyonlarca kabarcık oluşturur. Bu kabarcıklar alçak basınçta genişleyerek büyürken yüksek basınçta büzülerek şiddetli bir şekilde patlarlar. Bu olaya ses ötesi kavitasyon adı verilir ve ses ötesi temizleme sistemlerinin çalışma prensibini oluşturur[3].Bu çalışmada, ses ötesi temizleme etkinliğinin frekans ve sıcaklık parametrelerine göre değişiminin incelenmesi amaçlanmıştır ve temizleme etkinliğinin yüzey temizliğinde kullanımı ve öneminden bahsedilmiştir. Deneyler kazan sıvısının 20°C-70°C sıcaklık aralığında ve 37-42 kHz frekans aralığında yapılmıştır. Deneylerin sonuçları MATLAB görüntü işleme teknikleri ile hesaplanmıştır ve bu hesaplamalar analizde kullanılmıştır.Deney sonuçları analiz edebilmek adına folyoda oluşan deliklerin x ve y koordinatlarındaki ağırlık merkezleri, cismin alanları cinsinden standart sapmaları, folyoda oluşan deliklerin ortalama alanları ve toplam alanları MATLAB görüntü işleme metodları kullanılarak bulunmuştur.Deliklerin belirtilen parametreleri hesaplanırken, taratılan folyonun görüntüsü orjinal resmi 8 bitlik ifade edilecek resme dönüştürülmüştür. 8 bitlik görüntüde renkler 0(siyah)'dan 255(beyaz)'e kadar gri tondaki renklerle ifade edilmektedir. Delikler ile folyoyu birbirinden ayrılabilmek için eşik değer olarak 200 seçilmiştir. Renk değeri 200 den büyük olan pikselleri beyaz olarak(1), değeri 200' den küçük pikseller siyaha(0) dönüştürülmüştür, bu sayede de temizleme kalitesinin analizi için gerekli matematiksel büyüklükler hesaplanması için ilk adım atılmıştır.Daha sonra işlem adımlarında kullanılacak görüntüyü gürültülerden kurtarmak için ise birtakım işlemler yapılmıştır. Alanları hesaplanacak görüntülerin içinde oluşan gürültülerden kurtarmak için resmi 2 bitlik hale çevirme işleminin tam tersi uygulanmıştır. Yani 200 den küçük piksel değerleri beyaza çevrilip diğerleri siyaha çevrilmiştir. Bu durumda hesaplanan beyaz bölgelerden bir adet olmalıydı fakat deliklerin içinde bulunan gürültülerden dolayı birden fazla beyaz alan oluşmuştur. En büyük alan haricindeki beyaz alanları delik olacak şekilde değerleri yenilenmiştir. Gürültülerden temizlenmiş alan artık hesaplamalarda kullanacağımız deliklere dönüşmüştür. Bu işlemden sonra deliklerin hepsinin alanları, deliklerin orta merkezlerinin x ve y koordinatları hesaplanmıştır. Hesaplanan bu parametreler ile folyo üzerindeki delikleri ortak ağırlık merkezleri, deliklerin toplam alanları, delik alanları cinsinden standart sapmaları, delik ağırlık merkezinin x ve y koordinatları hesaplanmıştır. Bütün hesaplanan parametrelerin sonuçlarına göre değişen sıcaklık ve değişen frekanslardaki en iyi temizleme yöntemi bulunmaya çalışılmıştır. En iyi temizleme yöntemini ise deliklerin homojenliği ve folyo üzerinde oluşan toplam alanın büyüklüğüne göre karar verilmiştir.Bu çalışmayla tasarlanmış olan ses ötesi temizleme cihazının hangi sıcaklık ve frekanslarda etkin bir şekilde çalıştığı bilgisine ulaşılmıştır. Sıcaklık ve frekans değişimlerinin incelenmesi ses ötesi temizleme cihazının hangi yönlerde ilerlenmesini gösterecek bir çalışmadır.

Abstract:
Water, air and soil which are all creatures? living environments are polluted parallel to the development of industry with various synthetic materials and other toxic wastes. Many regions became uninhabitable because of environmental problems. Especially in developing countries where weak control of measures for environmental protection, irregular urbanization, rapidly growing population or irresponsibility of uneducated community are commun issues, nature is greatly polluted.In recent years damages of detergents, to both the environment and to human health, are discussed in concern. As a result of negligence and irresponsibilities the environment pollution problem will be the worst inherit being left to descandants.In cleaning industry instead of water-based and oil-based cleaners, environment-friendly alternative cleaning techniques are tried to develop. This techniques which are still under development, cleaning rates are very low with respect of synthetic cleaners. Because of being an environment-friendly technology, It needs to be developed.In order to increase the quality of the surface of many new devices, apparatus and machine parts which are produced or used in industry, are subject to a number cleaning operations. Being parts of traditional methods of cleaning blast, petrol sawdust mix, hot lubrication and spray-washing can be counted. Various and ever-evolving technologies, rapid developments in the production of miniature parts have led to the need for critical and sensitive cleaning. Pollution in the form of a single layer can change its wetting ability of surface, adhesion, optical and electrical properties.In addition, the size of 1-2?m particles, traces of corrosion and ions entered to manufacturing engineers? daily related fields such as the automotive industry, optical, medical device, aerospace, pharmacy, team-coating, disk drives, semiconductors. Even so, many companies started to establish their own standards of cleanliness[1].The advancement of technology is a guidance to sensitive, critical and nature-friendly cleaning methods. Development of microcontroller has a great aid in development of new cleaning methods.Ultrasonic cleaning firstly was founded in RCA(Radio Corporation of America) firm?s research laboratories. During a freon gas using cooling process at 300kHz wave movements were noticed around a crystalline by chance. This observed interesting wave action could not be understood for a long time to be a cleaning method. Today 18 kHz is still routinely used in industry[2].In this study the ultrasonic cleaning efficiency?s dependence on frequency and temperature is investigated. In this context,3-minutes tests were carried out with ultrasonic cleaning device. During test aluminium foils were vertically immersed into the cleaning tank. In order to eliminate the dependence of the cleaning efficiency on the liquid height and the shape of the cleaned object the transducer is driven with a changing frequency. Using a narrow frequency range around the resonance frequency , a more homogeneous cleaning pattern is obtained.Working range of ultrasonic cleaning machine used in the experiments is 37-42KHz.Boiler water temperature can be adjusted between 20-80 C.In manual operation mode the frequency is set in the frequency range of 37-42KHz. In automatic operation mode, with the frequency set by user is chosen as central frequency at 2 kHz bandwidth , frequency scanning technique was used. Switched operation mode, in principle, is similar to manual operation mode. In addition to manual operation mode, in switching operating mode time of silence parameter is used. Silent time can be selected as 1 sec, 2 sec, 3 sec or 4 sec.According to the selected value , ultrasonic generator generates the ultrasonic signal for selected seconds and then stops for the selected seconds. This process continues in the form of producting and stopping of ultrasonic signal during the cleaning process. The duration of the cleaning time can be set between 1-5 minutes. While the device is running the remaining time is shown on the LCD screen in seconds[3].Ultrasonic cleaning systems are generally consist of a steel boiler, one or more ultrasonic transducer glued with a special adhesive to the bottom of this boiler, an ultrasonic generator and cleaning fluid. Each of these units of engineering issues need to be addressed as an issue.Ultrasonic signal generators produce high frequency signals (20-120 kHz). Ultrasonic converters which is glued to the bottom of the cleaning boiler when is driven with these signals, generate ultrasonic waves which give rise low and high pressure zones on fluid of cleaning boiler . These pressure waves, Create millions of microscopic bubbles within the cleaning fluid. This bubbles at low pressure expand while at high pressure they violently implode. This phenomenon is known as ultrasonic cavitation and makes up the principle of ultrasonic cleaning systems.Ultrasonic cleaning method is reliable, fast and material friendly.For this purpose Type of dirt is not important it can be such as sawdust or dust and also may be such as a machining chips or emulsion /oil waste, separation compound or fingerprint in form of film. Ultrasound has cleaner effect in a liquid bath, at the same time need for chemicals in general is less and cleaning processes are noticeably reduced. Therefore, ultrasonic cleaning is a preferred method of including many branches, particularly the automotive and automotive supplier industry, machine and plant construction, fittings and sanitary fittings industry, optics, precision mechanics works, watch industry, electroplating, electronics, micro technology, photovoltaic, semiconductor industry, care, and maintenance work.In this study, the effectiveness of the ultrasonic cleaning was investigated according to changes of the parameters such as frequency, temperature and mentioned the importance and the efficiency of the surface cleaning. Studies were made with boiler fluid at range between 20°C-70°C temperature and 37-42 KHz frequency. Examination of the results of experiments was done in MATLAB. It was seen that sweeping the frequency between 37 ? 42 KHz, more homogeneous cleaning pattern is obtained in foil tests. Scans were analysied using image processing techniques.Foil test is a practical method of showing the power and washing profile in the ultrasonic boiler approximately. Foil is immersed in an ultrasonic boiler horizontally or vertically. It is seen that the foil is worn away as a result of bursts of cavitation. Degree or homogeneity of these abrasions on the foil provides information about the quality of washing of the boiler. As a result of the foil tests, the best cleaning efficiency of the system (the internal dimensions of boiler 150x135x150 mm3 , the boiler water volume 2.5 liters) was obtained when the operating frequency was 38 kHz and water temperature was 60°C. In ultrasonic washing machine prototype which is developed in the project, frequency, operating mode, operating time and temperature of the boiler can be adjusted manually. It can manually work on the value of a selected frequency range between 37 ? 42 KHz[1].In order to be able to analyze the experimental results x and y coordinates of center of gravity of the holes in foil , standard deviations of the fields in the object, average areas of holes occuring on foil have been calculated using MATLAB image processing methods.To calculate specified parameters of the holes, image of scanned foil is converted to a 8-bit image. 8-bit image has gray-tone colors ,value is from 0 (black) to 256 (white). To distinguish the holes and the foil from each other, 200 was chosen as the threshold value. The color value that is larger than 200, pixels is transformed into white (1), the value that is smallerthan 200 is transformed into black (0), whereby the necessary mathematical quantities are calculated for the analysis of the quality of cleaning.Actions have been taken to save the image to be used in the steps of the process from noise. In images where noise may be present reverse process of converting two-bit is applied. So pixel values smaller than 200 have been transformed into white, others have been transformed into black. In this case, the calculated white areas should be one piece, but due to noise in the holes more than one white space had been occured. The code is written to ensure that there is no other white dot or region other than the biggest white area. The area cleaned from noise is now transformed into the holes be used in calculations. After this operation, for all areas of the holes, x and y coordinates of medium centers of the holes are calculated. Wıth these parameters , the holes on foil, common gravity center , the total areas of the holes, the standard deviations of hole areas, x and y coordinates of the gravity center were calculated. According to the results of all calculated parameters, the best cleaning is found by changing temperature and frequency. The best method of cleaning decided on according to homogeneity of the holes and the size of the total area on the foil. In this study the effective running of the ultrasonic device is achievied.