Ses ötesi temizleme etkinliğinin çeşitli parametrelere göre incelenmesi
Examination of cleaning efficiency of ultrasound with respect to various parameters
Yazar: SUNAY GÜLER
Danışman: YRD. DOÇ. DR. METİN HÜNER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Ultrasonik temizleme cihazı = Ultrasonic cleaning device

Özet:
Temizlik endüstrisinde bugün, kimyasal çözücülerin yerine doğaya dost alternatif temizleme yöntemleri kullanılarak temizleme teknikleri geliştirilmeye çalışılmaktadır. Bunlar su temelli ve petrol temelli temizliyicilerdir; fakat bu temizleme yöntemleri çoğunlukla temizleyici olarak kimyasal çözücülere oranla daha az etkilidir ve istenilen kalitede temizlik elde edilememektedir.Temizlik endüstrisi istenilen temizliği sağlamak için araştırmalar yapmış ve son yıllarda elde edilen yeniliklerin pek çoğunu ultrasonik temizleme yöntemleri teşkil etmiştir. Ultrasonik temizlik genellikle hassas temizlemelerde, hızlı, ucuz, güvenilir ve daha kaliteli temizlik sağladığı için kimyasal temizliğe alternatif olarak kullanılır.Mikrodenetleyicilerin geliştirilmesi ile endüstriyel otomasyonda büyük bir çığır açılmıştır. Mikroişlemci temelli elektronik devreler giderek yaygınlaşarak çok değişik uygulama alanlarında yerini almıştır. Cihazların küçültülmesi ve ortaya çıkan yeni ihtiyaçlar sebebi ile gerek hız ve gerekse işlem kapasitesi yönünden daha gelişmiş mikroişlemci yongaları tasarlanarak piyasaya sunulmuştur. İçlerinde analog sayısal dönüştürücü de bulunan PIC mikrodenetleyicileri bunlara güzel bir örnektir. Bu elemanlar sensör tabanlı endüstriyel otomasyon uygulamalarında tasarımcılara büyük kolaylıklar sağlamaktadır.Ultrasonik temizleme sistemleri genel olarak paslanmaz çelikten yapılmış bir kazan, bu kazan altına özel bir yapıştırıcı ile yapıştırılmış bir veya birden fazla ultrasonik dönüştürücü, ultrasonik üreteç ve temizleme sıvısından oluşmaktadır. Bu birimlerin her biri mühendislik konusu olarak ele alınması gereken konulardır.Ultrasonik sinyal üreteçleri yüksek frekanslı sinyalleri (20-120 kHz) üretirler. Temizleme kazanının altına yapıştırılmış olan ultrasonik dönüştürücüler bu sinyaller ile sürüldüklerinde temizleme kazanındaki sıvıda alçak ve yüksek basınç bölgeleri meydana getiren ultrasonik 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 ultrasonik kavitasyon adı verilir ve ultrasonik temizleme sistemlerinin çalışma prensibini oluşturur.Bu tez çalışmasında, endüstriyel üretim ve laboratuar çalışmalarında kullanımı gün geçtikçe yaygınlaşan ultrasonik temizleme sistemlerinin elektronik devrelerinin tasarımında, gelişmiş bir PIC mikrodenetleyicisinin avantajlarından maksimum oranda faydalanılması düşünülmüştür. Yapılan piyasa ön araştırmaları sonucunda ülkemizde bu konuda üretim yapan firmaların nerede ise tamamen eski ve analog tabanlı ultrasonik üreteç devreleri yapısında oldukları, mikrodenetleyici temelli daha gelişmiş ürünlerin ise yurt dışı pazarlardan ithal edildikleri anlaşılmıştır. Bu konuda dışa bağımlılığı ortadan kaldırmak ve özgün bir endüstriyel ürün tasarlamak için bu yüksek lisans tez çalışmasına başlanmıştır.Bu çalışmada, ultrasonik temizleme etkinliğinin frekans, güç, sıcaklık, dalga şekli gibi çeşitli parametlere göre değişiminin incelenmesi amaçlanmıştır. 40 kHz'lik ultrasonik temizleme makineleri için mikrodenetleyici tabanlı, geliştirilmiş kontrol özelliklerine sahip bir ultrasonik üreteç devresinin sürücü ve güç kartı devre tasarımları gerçekleştirilmiştir. Çalışmada ultrasonik temizleme etkinliğinin yüzey temizliğinde kullanımı ve öneminden bahsedilmiştir. Tasarlanan sistem temizleme kazanındaki sıcaklık, sıvı yüksekliği, temizlenen malzeme gibi parametrelerden dolayı temizleme verimliliğindeki azalma problemlerine karşı çeşitli frekans tarama teknikleri ile bir çözüm sunmaktadır. Dar bir frekans bandında tarama özelliği kullanılarak daha homojen bir temizleme örüntüsü elde edildiği folyo testleri ile gözlenmiş olup sonuçları tezde yer almıştır. Bunların yanında temizleme makinesine sıcaklık ve zaman kontrolü eklenmiştir. Güç katında kısa devre problemlerine karşı koruma devreleri ilave edilmiştir. Yüksek gerilim ve alçak gerilimler birbirinden yalıtılmıştır.Tasarlanan ultrasonik temizleme makinesi 37-42 kHz çalışma frekansı aralığında çalışabilmektedir. Kazan su sıcaklığı 20oC-80oC arasına herhangi bir sıcaklık değerine set edilebilmektedir. Sistemde manuel çalışma modu, otomatik çalışma modu ve anahtarlamalı çalışma modu olmak üzere üç adet çalışma modu bulunmaktadır. Manuel çalışma modunda 37-42 kHz frekans aralığında set edilen bir frekansta ultrasonik dönüştürücü sürülmektedir. Otomatik çalışma modunda ise kullanıcının set ettiği frekans, merkez frekansı olarak alınarak 2 kHz'lik bant genişliğinde frekans tarama tekniği kullanılmıştır. Anahtarlamalı çalışma, prensip olarak manuel çalışma moduna benzemektedir. Manuel çalışma moduna ek olarak susma süresi parametresi bu çalışma modunda kullanılmaktadır. Susma süresi 1 sn, 2 sn, 3 sn, 4 sn şeklinde seçilebilmektedir. Seçilen değere göre ultrasonik üreteç, ultrasonik sinyali set edilen saniye kadar üretir ve sonra set edilen saniye kadar susar. Bu işlem çalışma süresi boyunca ultrasonik sinyalin üretilmesi ve durdurulması şeklinde devam eder. Sistem 1-5 dakika arasında değişen çalışma sürelerine ayarlanıp çalıştırılabilmektedir. Sistem çalışır durumda iken kalan süre saniye bazında LCD ekranda gösterilir.Sistemde 5 adet güç seviyesi bulunmaktadır. Güç kontrolü PWM darbeleri arasındaki ölü bant gecikmesinin arttırılıp azaltılmasıyla sağlanmaktadır. Ultrasonik dönüştürücü yarım köprü DC-AC inverter devresi kullanılarak sürülmüştür. Yarım köprü devre topolojisinde sadece iki adet güç transistörüne ihtiyaç duyulduğundan bu yapı tercih edilmiştir. Ultrasonik dönüştürücünün sürülmesinde bu devre topolojisinde sürülebilmesi için ECCP (Enhanced Capture/Compare/PWM) modülü olan bir mikrodenetleyiciye gereksinim vardır. Bu modül sayesinde birbirinin eşleniği iki adet PWM sinyali üretilir ve bu sinyaller yarım köprü devre topolojisindeki transistörlerin sürülmesinde kullanılır. Mikrodenetleyicinin programlanabilen ölü bant gecikmesi değiştirilerek ultrasonik sinyalin gücü değiştirilebilmektedir.Ultrasonik dönüştürücünün sürülmesinde tepeden tepeye genliği 100-300V olan modüle edilmiş ultrasonik sinyaller üretildiğinden, bu tasarım için yüksek gerilimlerde performansı daha iyi olan IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) transistörler kullanılmıştır. Sistem üzerindeki alçak ve yüksek gerilimler optokuplörlü devreler ile birbirinden yalıtılmıştır. Böylece yüksek gerilimlerden dolayı alçak gerilimlerde çalışan mikrodenetleyici ve LCD ekranın çalışmasındaki parazitik etki ortadan kalkmıştır.Ultrasonik dönüştürücüden maksimum güç alabilmek için ultrasonik dönüştürücü ile güç katının arasına empedans uydurma devresi eklenmiştir. Empedans uydurma devresinin tasarımı için öncelikle kullanılan ultrasonik dönüştürücünün RLC eşdeğer devresi çıkarılmıştır. Ultrasonik dönüştürücü modellemede literatürde yaygın bir şekilde kullanılan ?Butterworth-Van Dyke Transducer Model? modeli kullanılmıştır. Kullanılan ultrasonik dönüştürücünün karakteristiği kapasitif olduğundan empedans uydurma devresi olarak dönüştürücüye seri bir endüktans ilave edilmiştir.Sistemin yazılım tasarımında C programlama dili kullanılmıştır. Sistem açıldığında önceki çalışma moduna ilişkin sıcaklık, çalışma frekansı, çalışma süresi ve güç seviyesi gibi parametreler EEPROM'dan okunur. Kullanıcı dilerse bu parametreleri değiştirebilmektedir. Kazan sıcaklığı anlık olarak okunmakta ve set edilen sıcaklık değerine geldiğinde sistem otomatik olarak ısıtıcıyı kapatmaktadır. BAŞLA/DUR düğmesine basılarak sistem çalıştırılır. Sistem set edilen çalışma süresi bitiminde otomatik olarak ultrasonik sinyal üretimini durdurur ve yüksek besleme gerilimini röle aracılığıyla kapatır. Kullanıcı çalışma süresinin bitmesini beklemeden de sistemi durdurabilmektedir.Folyo testi ultrasonik kazanın kabaca ne kadar güçte ve nasıl bir profilde yıkama yaptığını gösteren pratik bir yöntemdir. Folyo, ultrasonik kazana yatay veya dik olarak daldırılır. Folyonun kazanda oluşan kavitasyon patlamaları sonucu aşındığı görülür. Bu aşınmaların folyo üzerindeki homojenliği ve derecesi kazanın yıkama kalitesi hakkında bilgi vermektedir. Kazan iç ebatları 150x135x150 mm3, kazan su miktarı 2,5 litre, çalışma frekansı 38 kHz, su sıcaklığı 60oC'de iken yapılan folyo testleri sonucunda sistemde en iyi temizleme etkinliğinin elde edildiği görülmüştür.Proje kapsamında geliştirilen ultrasonik yıkama makinesi prototipinde frekans, güç seviyesi, çalışma modu, çalışma süresi ve kazan sıcaklığı manuel olarak ayarlanabilmektedir. 37-42 kHz aralığında seçilen bir frekans değerinde manuel olarak çalışabilmektedir. Endüstriyel veya laboratuvar tipi modellere kolaylıkla adapte edilebilir. Elektronik sarf malzemeleri hariç yerli teknoloji kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Temizleme sıvısının sıcaklık kontrolü mikrodenetleyici aracılığıyla yapılmaktadır. Bu özelliklerinden dolayı piyasadaki birçok ürüne göre daha avantajlıdır.Tez raporunda ultrasonik dalgaların tanımı ve doğası, ultrasonik temizleme konusu, mikrodenetleyici tabanlı ultrasonik temizleme makinesinin tasarım aşamaları yazılım ve donanım yönleri, çalışma modları ve folyo testi sonuçları yer almıştır.

Abstract:
There are lots of cleaning methods that are used for many years in several industrial areas. These are acid based vapor degreasing techniques. Vapor degreasing techniques use chlorinated and fluorinated solvents that damage the ecology of our planet. At the same time, cleaning requirements are continually increasing. Cleanliness has become an important issue in many industries where it never was in the past. As a result, it continually needs to be developed. Cleanliness was always important in industries such as electronics which has critical role for growing technology. It is obvious that each advance in technology demands greater and greater attention to cleanliness for its success. Cleaning technology is in a state of change. Utrasonic cleaning technology is commonly used to clean many different types of objects, including jewellery, lenses, watches, electronic equipments, mechanical components, dental and surgical instruments.In recent years, the cleaning industry researches for environmentally friendly cleaning methods to find an alternative cleaning technique instead of chemical cleaning. These are water based and petroleum based cleaning techniques. But they are often less effective as cleaners than the solvents and may not perform adequately in some applications. Ultrasonic energy is now used extensively in critical cleaning applications. This project is intended to familiarize the reader with the definition, nature and the basic theory of ultrasonic waves, ultrasonic cleaning phenomena and how ultrasonic energy can be most effectively applied to enhance a variety of cleaning processes.The cleaning industry has made many researches to provide desired cleaning efficieny and in recent years, ultrasonic cleaning methods have made lots of innovation in cleaning industry. Ultrasonic cleaning is commonly used for an alternative way to chemical cleaning in critical cleaning process. Because ultrasonic cleaning is faster, cheaper, more reliable and higher quality cleaning process rather than the chemical cleaning process.New era has just begun with the improvements of microcontrollers in industrial automation. Microprocessor based electronic circuits are started to be used in several application areas. Because of decreasing of dimensions of devices and several new requirements, faster microprocessor chips are designed and they are released in the market. PIC microcontrollers, which have their own ADC inside, are a good example for this development. These kind of components provide easier and flexible design to designers on sensor based applications in industrial automation.Ultrasonic cleaning systems are generally consisted of a tank that is made of stainless steel, one or more ultrasonic transducers which are located under the tank with a speacial glue, an ultrasonic generator and a cleaning solution. Each of the units of ultrasonic cleaning system must be approached as an engineering issue.Ultrasonic signal generators produce high frequency signals between 20-120 kHz. High and low pressure ultrasonic waves occur in the liquid of the cleaning tank when ultrasonic transducers are driven by these kind of ultrasonic signals. These pressure waves make millions of microscopic bubbles in cleaning liquid. These bubbles become larger under low pressure. On the other hand, they implode by getting smaller under high pressure. This event is called as ultrasonic cavitation and it is the principle of ultrasonic cleaning systems.In this study, it is aimed to benefit from the advantages of an advanced PIC microcontroller on designing of electronic circuits of ultrasonic cleaning systems which are commonly used in industrial manufacture and laboratory studies. After having made research in the industrial market, it seems that lots of companies in our country use former technology and they all design only analog based ultrasonic generator circuits. However, microcontroller based advanced products come from abroad. For these reasons, this thesis study has been started to get rid of dependency to other countries and to design a genuine industrial product.In this study, it is aimed to examine the cleaning efficiency of ultrasound with respect to various parameters such as frequency, power, temperature, shape of wave. Driver and power units of a microcontroller based ultrasonic generator, which has advanced controlling functions are designed and implemented for 40 kHz ultrasonic cleaning machines. The importance and usage of ultrasonic frequencies for surface cleaning purposes are addressed. The designed generator provides a solution with several frequency scanning techniques against degradation problems of cleaning efficiency caused by parameters such as temperature, height of liquid, material that is cleaned. Since its operation has the property of frequency sweeping in a narrow frequency band, more homogenous cleaning patterns have been observed in the foil tests, and the related results are included in this report. Morever, temperature and timing control is added to cleaning machine. Protections against short circuits in the power unit are added. High voltages and low voltages are isolated from each other.Designed ultrasonic cleaning machine can operate at any frequency between 37-42 kHz operating frequencies. Temperature of water in ultrasonic tank can be set at any degree between 20oC-80oC. In this system, there are three operation mode such as manuel mode, automatic mode and switching mode. In manuel mode, ultrasonic transducer is driven with a frequency which is choosen between 37-42 kHz. In automatic mode, the frequency, which is set by the user, is taken as central frequency and frequency scanning technique is applied in 2 kHz band width around this central frequency. In switching mode, ultrasonic transducer is driven during on time and than it is stopped during silent time until operation time is over. The system can be operated during any time that is choosen between 1-5 minutes. When the system operates, reminder of time is shown on LCD screen.There are 5 power levels in the system. Power control of the system is provided by increasing or decreasing dead band delay between PWM pulses. Ultrasonic transducer is driven by using a half-bridge DC-AC inverter circuit topology. This topology is preferred because only two power transistors are needed. To drive ultrasonic transducer by using this circuit topology, a microcontroller with ECCP (Enhanced Capture/Compare/PWM) module is needed. Two complementary PWM signals are generated and these signals are used to drive power transistors in half-bridge circuit topology. The power of ultrasonic signal can be changed by increasing or decreasing of programmable dead band delay of the microcontroller.Because of driving ultrasonic transducer with modulated ultrasonic signals that have 100-300V peak to peak amplitude, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) transistor, which has higher performance than MOSFET in high voltage operations, is selected for this design. High voltage and low voltage are isolated from each other by using optocouplers, so parasitic effects that come from high voltages to microcontroller and LCD screen are prevented.Impedance matching circuit is added between ultrasonic transducer and power stage to get maximum power from ultrasonic transducer. First of all, RLC equivalent circuit of ultrasonic transducer is determined to design impedance matching circuit. ?Butterworth-Van Dyke Transducer Model?, which is widely used in literature, is used to model the ultrasonic transducer. Due to capasitive characteristic of the ultrasonic transducer, an inductor is connected serially to the transducer as for impedance matching.C programming language is used for software design of the system. When the system is started, parameters of last operation mode such temperature, operation frequency, operation time and power level are read from EEPROM of the microcontroller. Temperature of the tank is read permanently and the system stops heater when the temperature of the tank reaches setted temperature value. The system stops generating ultrasonic signal when operation time is over and the system closes high voltage power supply via relay at the same time. However, user can also stop the system without waiting the system finishes its work.Folio test is a practical way to understand how much power is in the tank and what kind of cleaning profile occurs in the ultrasonic cleaning tank. Folio is dipped into ultrasonic tank horizontally or vertically. Due to implosion of cavitation in the tank, folio gets holes. These holes on the folio give information about homogeneity and cleaning efficiency of the tank. After the folio tests, the best cleaning efficiency in the system is achieved when tank?s inner dimension is 150x135x150 mm3, 2,5 litre water is in the tank, operating frequency is 38 kHz and temperature of the water is 60oC.Frequency, power level, operation mode, operation time and temperature of the tank can be set manually in this prototype of utrasonic cleaning machine, which is designed in the project. This prototype can operate manually with any frequency between 37-42 kHz. It can be adapted easily to industrial or laboratory model of ultrasonic cleaning systems. Temperature of water in the tank is controlled by microcontroller. Due to these advantages of this prototype of ultrasonic cleaning machine, it seems to be superior than many other machines sold in market.Examination of cleaning efficiency of ultrasound with respect to various parameters has been studied for 40 kHz ultrasonic cleaning machines. In this study, only one ultrasonic cleaning tank was used during the folio test. New driving methods such as frequency sweeping and signal switching techniques were invented and tested for the ultrasonic transducer located under the ultrasonic cleaning tank with different frequencies.In the thesis report, definition and nature of ultrasonic waves, ultrasonic cleaning phenomena, design steps of the ultrasonic cleaning machine, software and hardware aspects, operation modes, folio test results are included.