ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VÕ TÀI ĐẠI

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ CHO LỊ NI
TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN

Chuyên ngành
Mã số

: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
: 85.20.11.4

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2022


Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Thế Cần
Phản biện 1: TS. Võ Như Thành
Phản biện 2: TS. Đoàn Lê Anh

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử họp tại Trường Đại học Bách
khoa vào ngày 26 tháng 6 năm 2022

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách
Khoa
- Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


1
MỞ ĐẦU
I. Lý do cho ̣n đề tài
Nằm trong xu thế chung của thế giới, việc ứng dụng kỹ thuật hạt
nhân phục vụ đời sống đang phát triển mạnh mẽ ở Việt Nam trong
những năm gần đây. Trong y tế, công nghiệp hay nông nghiệp …
đều thấy sự xuất hiện của kỹ thuật hạt nhân. Kèm theo sự phát triển
này là việc sử dụng số lượng lớn các hệ detector có chứa tinh thể
nhấp nháy, đặc biệt trong lĩnh vực y tế, quan trắc mơi trường.
Mặc dù có thể nói rằng công nghệ nuôi tinh thể trên thế giới đã có
những bước tiến rất dài và xa. Tuy nhiên, hướng đi chính hiện nay là
tìm ra những chất mới, những hỗn hợp pha trộn mới mang lại hiệu
suất ghi đo tốt hơn. Hướng đi này gần như khơng có biên giới, là cơ
hội cho các nhà khoa học Việt Nam với lợi thế về sự kiên trì, sáng
tạo, khơng ngại khó khăn, thiếu thốn.
Chi phí ngun vật liệu, cũng như giá thành nhân công rẻ trong
nước cũng là một ưu thế cạnh tranh rất lớn của chúng ta trong cuộc
chạy đua về giá thành sản phẩm.
Ngoài ra, với sự bùng nổ của cơng nghệ thơng tin, việc truyền tải,
tìm kiếm tài liệu, phối hợp làm việc cũng như trao đổi, chia sẻ kinh
nghiệm đã gần như là tồn cầu hóa, khơng cịn bị giới hạn như nhiều

năm trước đây. Điều này sẽ làm cho tốc độ phát triển tay nghề, hiểu
biết, tiệm cận tới trình độ kĩ thuật thế giới của chúng ta nhanh hơn
nhiều.
Tuy nhiên, ở Việt Nam, chúng ta mới chỉ dừng lại ở việc nhập các
hệ thiết bị ghi đo bức xạ, chưa có đơn vị nào định hướng nghiên cứu
phát triển và chế tạo tinh thể nhấp nháy, dẫn đến khơng làm chủ
được hồn tồn thiết bị, bị động trong việc sửa chữa, thay thế hệ đo,
đặc biệt là bỏ ngỏ một lĩnh vực nghiên cứu cơ bản định hướng ứng
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


2
dụng thú vị. Chính vì vậy, định hướng nghiên cứu nuôi tinh thể nhấp
nháy sẽ mở ra hướng mới cho lĩnh vực vật lý hạt nhân ứng dụng
nhiều tiềm năng cho nước ta. Có nhiều phương pháp ni tinh thể:
ni nóng chảy có: phương pháp Verneuil, Czokhralski, Bridgman,
... ni dung dịch có: kết tinh thủy nhiệt, làm lạnh từ từ, ... Mỗi một
phương pháp lại có các tham số tương ứng (công suất điện đầu vào,
công suất nhiệt tỏa ra, cơ chế cơ học tạo thành tinh thể, loại tinh thể
có thể áp dụng phương pháp, tính chất của tinh thể sau khi ni
được, ...) khác nhau, trong đó phương pháp lò nung Bridgman được
chứng minh phù hợp cho việc tạo tinh thể to, nhanh hơn, đơn giản
hơn so với các phương pháp khác.
Trên thị trường, thiết bị nuôi công nghiệp Bridgman do nước
ngồi chế tạo cũng cịn nhiều hạn chế, ví dụ như cơng suất điện đầu
vào và cơng suất nhiệt khơng có khả năng thay đổi (nên thường chỉ
có thể ni 1 loại tinh thể). Kích thước và hình dạng của tinh thể
ni được từ các thiết bị này cũng thường bị giới hạn khơng thể thay

đổi. Ngồi ra, q trình ni tinh thể cịn chứa đựng rất nhiều tham
số khác cần hiệu chỉnh, thay đổi để cho ra các kết quả tốt hơn. Vì
vậy, các nhóm nghiên cứu trên thế giới theo hướng nuôi tinh thể đều
tiếp cận theo cách tự chế tạo hệ lò nung Bridgman.
Những yếu tố ảnh hưởng chin
́ h đến chấ t lươ ̣ng tinh thể là sự ổ n
định nhiê ̣t đô ̣, phân bố nhiê ̣t trong vùng nuôi tinh thể , giao đô ̣ng
trong quá trình nuôi tinh thể . Chính lý do đó, trong đề tài này chúng
tơi nghiên cứu bộ Fuzzy-PID cho lò nung tinh thể kiể u bridgman để
mở đường cho hướng nghiên cứu nuôi tinh thể tại Việt Nam.
II. Mục tiêu nghiên cứu
Ổn định nhiê ̣t đơ ̣ cho lị nung tinh thể kiể u bridgman với sai số
±2.5oC so với nhiệt độ cài đặt cho mỗi cuộn dây.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


3
III.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đố i tươ ̣ng nghiên cứu: lò nung tinh thể kiể u bridgman

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu trong pha ̣m vi nhiê ̣t đô ̣ nung
trong khoảng 800oC với thời gian nuôi tinh thể trong 15-20 ngày.
IV. Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm
kiể m chứng nhiề u lầ n để so sánh với kết quả tính tốn, mơ phỏng.
Phân tić h đánh giá mức độ tương quan của các yế u tố đầ u vào đế n

yế u tố đầ u ra sản phẩ m, chất lượng sản phẩm.
Phân tích các phương pháp thiết kế bộ truyền động trong cơ khí.
Phân tích tối ưu các kết cấu, phân tích sự truyề n nhiê ̣t theo thời gian
thực với phần mềm Creo- Ansys. Phân tích thiế t kế các bô ̣ PID với
phầ n mề n Matlab.
V. Ý nghĩa khoa ho ̣c và thực tiễn
Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong nước và trên thế
giới. Đề tài sẽ ta ̣o tiề n đề về đinh
̣ hướng cho các nghiên cứu phát
triể n trong nước về sau này, do ở trong nước chưa có đề tài nào lớn
làm về chế tạo thiết bị nung nóng chảy tinh thể.
Thiết bị hiện góp phần cải thiện 1 số điểm chưa hoàn thiện của
các thiết bị do nước ngồi sản xuất như có thể thay đổi công xuất đầu
vào để nuôi được nhiều loại tinh thể khác nhau ứng với các giá trị
nhiệt độ nóng chảy khác nhau.
VI. Dự kiế n kế t quả đa ̣t đươ ̣c
Kết quả dự kiến: Lò nung sau khi chế ta ̣o có khả năng ổ n đinh
̣
o
nhiê ̣t với sai số ±2.5 C so với nhiệt độ cài đặt cho mỗi cuộn dây.
VII. Dàn ý, nô ̣i dung chin
́ h
Bài tiểu luận được trình bày theo cấu trúc sau:
Mục lục
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


4

Danh mục hình vẽ, đồ thị
Danh mục các bảng
Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt
Mở đầu
Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Tổng quan.
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển Fuzzy– PID cho lị ni
tinh thể kiểu Bridgman.
Chương 4: Kết quả thực tế khi chạy lò
Kết luận và triển vọng
Tài liệu tham khảo
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
Chương này sẽ trình bày tổng quan về tinh thể là gì? Ứng dụng
của tinh thể trong các lĩnh vực của cuộc sống, nguyên lý nuôi tinh
thể bằng phương pháp Bridgman và các nghiên cứu trong và ngồi
nước về lị ni tinh thể.
1.1

TINH THỂ LÀ GÌ VÀ ỨNG DỤNG CỦA TINH
Tinh thể là: Theo khoa học, tinh thể được hiểu là những vật thể

được cấu tạo từ các ion, nguyên tử hoặc phân tử theo trật tự nhất
định. Theo kết quả của một nghiên cứu cho thấy, tinh thế chiếm đến
99% lớp vỏ Trái Đất ở dạng vơ sinh như kim loại, khống vật, hay
cây, tế bào sinh vật, ADN,...
Ứng dụng của tinh thể NaI: khi bị bức xạ ion hố thì tinh thể NaI
sẽ phát ra photon và được dùng trong các máy dò nhấp nháy
(scintillation detector), chủ yếu trong y học hạt nhân, địa vật lý, vật
lý hạt nhân và trong các phép đo môi trường. NaI(Tl) là vật liệu phát
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.


Lưu hành nội bộ


5
quang được dùng rộng rãi nhất và có lượng sản xuất lớn nhất trong
các vật liệu dò phát quang. Các tinh thể được gắn với các ống nhân
quang (photomultiplier tube), trong bình kín, vì natri iodide có tính
hút ẩm. Một vài thơng số (như độ phóng xạ, lưu ảnh, độ sáng) có thể
đạt đến bằng cách thay đổi việc hình thành tinh thể. Tinh thể ở độ
kích thích cao được dùng trong máy tìm kiếm tia X với chất lượng
quang phổ cao. NaI có thể được dùng ở dạng đơn tinh thể hoặc đa
tinh thể cho mục đích này.
Sản lượng tiêu thụ tinh thể trên thế giới trong các năm 2014-2020
và dự đoán đến năm 2024, được đánh giá dựa trên giá trị tinh thể sử
dụng ( đơn vị triệu USD). Trong biểu đồ cũng thể hiện sự tăng
trưởng sử dụng tinh thể trong 4 nhóm ngành chính qua các năm.
Theo số liệu thống kê giá trị sử dụng tinh thể có xu hướng tăng đều
qua các năm và dự báo vẫn sẽ tăng cho đến năm 2024.
Quá trình nghiên cứu và phát triển tinh thể, có thể nói quá trình
nghiên cứu tinh thể bắt đầu từ khá sớm vào những năm 40 của thế kỷ
20. Trong những năm đầu tiên của việc nghiên cứu diễn ra khá chậm,
quá trình nghiên cứu ra các tinh thể không cao, đến năm 2010 thì
mới là sự bùng nổ của quá trình nghiên cứu tinh thể với việc xuất
hiện nhiều loại tinh thể mới trong năm 2010. Và tính đến thời điểm
hiện tại quá trình nghiên cứu tinh thể vẫn được duy trì và phát triển
trên thế giới. Nhiều tinh thể mới vẫn được tạo ra theo thời gian.
1.2

NGUYÊN LÝ NUÔI TINH THỂ BẰNG LỊ NUNG


TINH THỂ NĨNG CHẢY KIỂU BRIGDMAN
Trên thế giới có các phương pháp ni tinh thể khác nhau như:
Phương pháp nuôi tinh thể hữu cơ, Phương pháp nuôi tinh thể bằng
chất dẻo, Phương pháp nuôi tinh thể bằng chất vơ cơ. Tuy nhiên khi
phân tích kỹ vào các phương án thì phương pháp ni tinh thể kiểu
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


6
Bridgman là phương án phù hợp nhất để tạo các tinh thể vô cơ bởi
các ưu điểm sau: đây là phương pháp được sử dụng cho sản xuất các
tinh thể vơ cơ, là phương pháp có độ phức tạp thấp, chi phí nghiên
cứu phù hợp và có khả năng thay đổi kích thước tinh thể ni.
Phương pháp ni tinh thể kiểu brigdman là phương
1.3

MỘT SỐ NGHIÊN CỨU Ở TRONG VÀ NGỒI NƯỚC

1.3.1

Một số nghiên cứu của nước ngồi
Lị ni tinh thể EQ-SKJ-BG1650-LD

1.3.1.1

Ưu điểm:
-


Lị Bridgman để đơng đặc định hướng Thỏi đa tinh thể có

đường kính lên đến 37mm.
-

Ba mơ-đun sưởi ấm được điều khiển riêng lẻ & quạt làm mát

có thể điều chỉnh tốc độ ở lối ra lò mang lại lợi thế để tạo ra nhiệt
độ lớn hơn. Gradient tại giao diện nóng chảy / tinh thể khi cần
thiết.
- Hệ thống lấy mẫu tự động cho phép nạp / dỡ mẫu thuận tiện
nhất. Giai đoạn quay chén nung tùy chọn có thể được thêm vào
với chi phí bổ sung cho sự phát triển của thỏi đơn tinh thể.
- Ba nhiệt độ PID. bộ điều khiển với 30 phân đoạn có thể lập trình
để điều khiển chính xác tốc độ sưởi, tốc độ làm mát và thời gian
dừng.
- Tích hợp bảo vệ quá nhiệt và hỏng cặp nhiệt điện.
- Bộ điều khiển nhiệt độ Châu Âu, với độ chính xác nhiệt độ .
- Ba cặp nhiệt điện loại B (một cặp nhiệt độ cho mỗi vùng).
- Có thể tùy chọn một số tính năng theo nhu cầu.
Nhược điểm:
- Giá bán của máy cao.
1.3.1.2

Lị ni tinh thể SKJ-BG-1200

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



7
Ưu điểm:
- SKJ-BG-1200 là lò tăng trưởng tinh thể Bridgman 1200ºC nhỏ
với ống thạch anh ID 72 mm
- Máy tính điều khiển màn hình cảm ứng được bao gồm để điều
khiển tốc độ di chuyển, khoảng cách di chuyển, nhiệt độ của lò và
nhiệt độ nồi nấu riêng biệt, cũng như áp suất khí bên trong ống
- Hai bộ điều khiển Eurothermo và hai cặp nhiệt loại K được bao
gồm với độ chính xác
- Một cặp nhiệt điều khiển nhiệt độ của lò
- Một cặp nhiệt hiển thị nhiệt độ của chén nung ở đáy
- Một cảm biến áp suất kỹ thuật số với van điện từ được lắp đặt để
kiểm sốt áp suất ống ở mức khơng đổi từ 0,01MPa - 0,02Mpa
Nhược điểm:
- Giá bán của máy cao.
1.3.1.3

Lị ni tinh thể OTF-1200X-S-VT-BMGH

Ưu điểm
- Lò ống đứng nhỏ gọn chia hai vùng
- Tốc độ giảm dần của dây có thể lập trình được trong vịng 3
phân đoạn.
- Động cơ bước DC chính xác điều khiển tốc độ di chuyển.
- Phạm vi tốc độ kéo: 1-500 um / giây với độ chính xác
- Tổng chiều dài cọc điều khiển bằng màn hình cảm ứng: 350mm
- Cơng suất: 50W, 110V - 240V C
- Điều chỉnh nhiệt độ của hai vùng sưởi có thể tạo ra cấu hình

gradient nhiệt khác nhau
Nhược điểm:
- Giá bán của máy cao
1.3.2

Một số nghiên cứu trong nước

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


8
Tính đến thời điểm hiện nay trong nước chưa có nghiên cứu về
thiết bị nuôi cấy tinh thể. Việc nghiên cứu tinh thể hiện đang dựa vào
ngồn tinh thể nhập khẩu từ nước ngồi hoạc nhập máy móc từ nước
ngồi về để ni tinh thể. Việc này địi hỏi nguồn kinh phí lớn và
ln bị phụ thuộc vào các cơng nghệ của nước ngồi.
LỊ NUNG TINH ỨNG DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

1.4

Trong phạm vi của luận văn lần này đối tượng được đưa ra đáng
giá về các thơng số là lị nung do nhóm tự thiết kế và phát triển. Hiện
tại máy vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và phát triển nên vẫn
còn một số hạn chế về mặt kỹ thuật cần được cải thiện và nâng cấp
về sau
CHƯƠNG 2:

TỔNG QUAN


PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÙNG GIA NHIỆT

2.1

Về lò nung tinh thể kiểu Bridgman được chi ra làm 2 loại chính là
Bridgman động và Bridgman tĩnh. Sự khác biệt của 2 phương pháp
này là có hay khơng sự chuyển động của tinh thể trong vùng nhiệt.
Đối với lò nung Bridgman động lại được chi ra làm nhiều loại phụ
thuộc vào số cuộn dây gia nhiệt được sử dụng.
2.1.1
2.1.1.1

Một số phương pháp điều khiển nhiệt
Lò nung tinh thể Bridgman tĩnh

Khái niệm: Lò nung tinh thể Bridgman tĩnh là lò nung sử dụng 2
nguồn nhiệt đặt ở 2 đầu của ống tinh thể. Một nguồn nhiệt được đặt
phái dưới và 1 nguồn nhiệt được đặt phái trên. Tinh thể được nuôi sẽ
được cố định trong vùng nhiệt mà không cần dịch chuyển. Để thay
đổi đường Gradient nhiệt thì nhiệt độ tại 2 vùng nhiệt được thay đổi,
giúp cho vùng lạnh được hình thành và phát triển từ vùng nhiệt phía
dưới. Q trình ni sẽ kết thúc khi tồn bộ lị nung đưa vè nhiệt độ
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


9
lạnh, lúc này tinh thẻ đã hoàn thành và chuyển qua quá trình hạ nhiệt

độ - vì lúc này nhiệt độ của tinh thể vẫn rất cao.
Ưu điểm: Đối với phương án này thì tinh thể khơng cần
2.1.1.2

Lị nung tinh thể Bridgman động với 1 cuộn dây

Khái niệm: Lò nung tinh thể Bridgman động với 1 cuộn dây là lò
nung chỉ sử dụng 1 cuộn dây để điều khiển cả vùng nóng và vùng
lạnh. Việc thay đổi giá trị nhiệt độ được thực hiện bằng cách thay đổi
khaongr cách quấn dây. Tại vùng nhiệt cao cuộn dây được quấn sát
hơn, tại các vùng nhiệt thấp các vòng dây được quấn thưa hơn. Dựa
vào lượng nhiệt sinh ra trên 1 đơn vị chiều dài thì lượng nhiệt sinh ra
tại vùng nóng sẽ cao hơn và vùng lạnh sẽ thấp hơn.
2.1.1.3. Lò nung tinh thể Bridgman động với 2 cuộn dây
Khái niệm: Lò nung tinh thể Bridgman động với 2 cuộn dây là lò
nung được sử dụng 2 cuộn dây. Với 1 cuộn dây điều khiển vùng
nóng và 1 cuộn dây vùng lạnh. Điều đặc biệt của lò nung kiểu này là
sẽ có 1 vùng trung gian ở đó khơng có quấn dây trở. Vùng này được
xem là vùng chuyển tiếp cho vùng nóng và vùng lạnh.
linh hoạt hơn song vẫn cịn hạn chế.
2.1.1. Lò nung tinh thể Bridgman động với nhiều hơn 2 cuộn dây
Khái niệm: Lò nung tinh thể Bridgman động với 2 cuộn dây là lò
nung được sử dụng nhiều hơn 2 cuộn dây trở. Việc tạo đường
Gradient nhiệt được thực hiện dựa vào việc thay đổi nhiệt độ cài đặt
của từng cuộn dây. Việc lị nung có càng nhiều cuộn dây thì việc
điều chỉnh đường Gradient nhiệt càng linh hoạt hơn
2.1.2

Phân tích lựa chọn phương án thiết kế


Sau khi phân tích và đánh giá các phương pháp thiết kế vùng gia
nhiệt của một số máy hiện có trên thị trường như trong phần trên, và
kết hợp với điều kiện thực tế của nhóm. Do nhóm có nguồn nhân sự
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


10
ít và chưa có nhiều kinh nghiệm trong thiết kế và chế tạo máy, đặc
biệt là khi làm việc với một đề tài mới ở Việt Nam.
Để có thể tạo được đường Gradient nhiệt độ như hình trên, một
phương pháp được sử dụng đó là việc sử dụng 5 cuộn dây để làm
nóng từng phần của lị nung theo độ cao, những cuộn dây này được
điều khiển độc lập thông qua một mạch cơng suất đóng ngắt bởi
IGBT. Và nhờ vậy khả năng điều chỉnh nhiệt theo các vị trí trong lò
nung được linh hoạt hơn.
2.2

Phương pháp điều khiển ổn đinh nhiệt độ

2.2.1

Một số phương pháp ổn định nhiệt độ phổ biến

2.2.1.1

Phướng pháp sử dụng thuật toán PID

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral

Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều
khiển tự động) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống
điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử
dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID
sẽ tính tốn giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi
và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai
số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp
khơng có kiến thức cơ bản (mơ hình tốn học) về hệ thống điều
khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên,
để đạt được kết quả tốt nhất, các thơng số PID sử dụng trong tính
tốn phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều
khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ
thống.
2.2.1.2

Phương pháp sử dung thuật tốn Fuzzy

Lơgic mờ (tiếng Anh: Fuzzy logic) được phát triển từ lý thuyết
tập mờ để thực hiện lập luận một cách xấp xỉ thay vì lập luận chính
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


11
xác theo lơgic vị từ cổ điển. Lơgic mờ có thể được coi là mặt ứng
dụng của lý thuyết tập mờ để xử lý các giá trị trong thế giới thực cho
các bài toán phức tạp (Klir 1997).
2.2.1.3


Phương pháp sử dụng thuật toán Fuzzy – PID

Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, TI, TD
của bộ điều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ
được tính tốn cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống với các
tham số của đối tượng là xác định được. Vì vậy trong quá trình làm
việc, nếu tham số của đối tượng thay đổi thì đầu ra của hệ thống
cũng thay đổi, nghĩa là bộ điều khiển PID khơng cịn đảm bảo chất
lượng đầu ra của hệ như mong muốn được nữa. Các hệ cần điều
khiển trong thực tế chủ yếu là các hệ phi tuyến, có chứa các tham số
khơng biết trước, các tham số của hệ thường biến thiên theo thời
gian, thậm chí chứa phần tử phi tuyến khơng thể mơ hình hố được,
đồng thời trong q trình làm việc hệ chịu ảnh hưởng của nhiễu đến
hệ từ mơi trường.
2.2.2

Phân tích lựa chọn phương án ổn định nhiệt độ

Sau quá trình phân tích các bộ điều khiển được nêu ở trên thì một
phương pháp được đề xuất đó là: sử dụng kết hợp mộ bộ mờ Fuzzy
kết hợp với một bộ PID, cấu trúc hệ điều khiển được mô tả trên hình
2.8. Tuy nhiên Bộ Fuzzy – PID được thiết kế theo một định hướng
khác. Nhiệm vụ của bộ Fuzzy là hạn chế công suất tối đa cấp vào cho
bộ PID dựa trên nhiệt độ hiện tại được phản hồi về giúp cải thiện khả
năng điều khiển tốc độ gia nhiệt cho lò nung, giúp các thiết bị tránh
bị sốc nhiệt. Bên cạnh đó do đặc trưng của cảm biến khơng thay đổi
đột ngột mà cần có thời gian đáp ứng khá lâu. Nếu cơng suất lớn thì
nhiệt độ bên ngồi sẽ cao hơn rất nhiều so với nhiệt độ đo được của

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.


Lưu hành nội bộ


12
cảm biến nên sẽ có sự vọt lố nhiệt khá cao vào giai đoạn đầu của quá
trình gia nhiệt.
KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC

2.3

Sau khi phần tích lựa chọn thiết kế vùng gia nhiệt và phương
pháp ổn định nhiệt độ như trên thì lị nung sẽ được thiết kế với 5
cuộn trở gia nhiệt độc lập và được ổn định bởi thuật tốn Fuzzy –
PID. Sau khi hồn thiện phần thiết kế thì kết quả nhóm mong bao
gồm các mục tiêu như:
- Sai số của mỗi cuộn dây đạt cho nhiệt độ thay đổi từ
- Linh hoạt thay đổi đường Gradient nhiệt phục vụ cho việc nuôi
nhiều loại tinh thể khác nhau.
Bên cạnh những kết quả trên nhóm cịn mong muốn chất lượng
nhiệt độ của lò nung đảm bảo để ni ra được những tinh thể có chất
lượng cao. Và lị nung có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài,
các chi tiết có thuổi thọ hoạt động cao.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY PID CHO
LỊ NI TINH THỂ KIỂU BRIDGMAN
THIẾT KẾ BỘ FUZZY CÔNG SUẤT TRÊN PHẦN

3.1

MỀM MATLAB

3.1.1

Thiết Thiết kế bộ Fuzzy công suất trên phần mềm

MATLAB
Mạch công suất được điều khiển theo phương án băm xung
PWM, được điều khiển từ Board mạch arduino nên độ rộng xung
PWM có giá trị 0-255 tương ứng với độ rộng xung điều khiển và có
tần số xấp xỉ 1kHz. Hình 3.1 cho thấy sự thay đổi độ rộng xung làm
việc với 2 trường hợp 90% thời gian xung ở mức cao và 10% thời

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


13
gian xung ở mức cao và cũng như mối liên hệ giữa thời gian xung ở
mức cao và thời gian của mỗi chu kỳ xung trong điều khiển.
Bộ quy luật này được thiết kế dựa trên việc thực nghiệm nhiều lần
nhằm tạo ra được một bộ quy luật tối ưu, vừa đảm bảo tốc độ gia
nhiệt không quá dài vừa đảm bảo các thiết bị không bị hư hại do sự
thay đổi đột ngột của nhiệt, những cũng đảm bảo q trình gia nhiệt
khơng bị gián đoạn.
3.1.2

Kết quả chạy thực tế bộ Fuzzy

Sau khi thiết kế bộ Fuzzy trên phần mềm Matlab ta thực hiện việc
code bộ fuzzy trên và chạy trên nền tảng mạch Arduino. Các số liệu

về nhiệt độ được thiết lập tự động với việc tăng dần từ 0 đến với độ
tăng mỗi lần là.
Vì đầu ra của bộ Fuzzy khá thấp nên việc thay đổi của đầu ra theo
nhiệt độ là rất nhỏ, tuy nhiên việc bắn xung trên Arduino chỉ có thể
làm việc với các số nguyên vậy nên sau khi chạy bộ Fuzzy đầu ra của
được bỏ phần thập phân phí sau và chỉ giữ lại phần nguyên.
3.2

THIẾT KẾ BỘ FUZZY- PID
Do trong lò nung các cuộn dây có chiều dài khác nhau dẫn đến

các yếu tố vật lý là không tương đồng, bên cạnh đó việc bố trí ở
những vị trí khác nhau cũng là một trong các yếu tố dẫn đến sự khác
biệt giữa các cuộn dây. Chính vì những lý do này nên các thông số
của bộ PID của các cuộn dây là khác nhau, dẫn đến cần thiết kế cho
mỗi cuộn dây một bộ PID riêng biệt, phụ thuộc vào tính chất của mỗi
cuộn dây.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


14
CHƯƠNG 4: CHẠY THỰC NGHIỆM
4.1

ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BỘ FUZZY ĐẾN ĐỘ

CHÍNH XÁC

Với việc kết hợp Fuzzy và PID theo một cách khá mới – Cả 2 bộ
Fuzzy và PID đều đồng thời điều khiển công suất cấp cho cuộn dây,
thì vấn đề được đưa ra là bộ Fuzzy có làm ảnh hưởng đến độ chính
xác của bộ PID không, và ảnh hưởng của bộ Fuzzy đến kết quả như
thế nào. Để giải đáp vấn đề náy nhóm đã thực hiện 2 thí nhiệm bao
gồm: Thí nghiệm chạy bộ PID với cơng suất đầu ra được băm xung
có độ rộng 10% ( tương đương với việc băm xung 25 trên Arduino)
và thí nhiệm thứ 2 là sử dụng kết hợp với bộ Fuzzy đã thiết kế. kết
quả thu được thể hiện trong 2 hình 4.1 và 4.2.
Giải thích cho sự hiệu quả của việc áp dụng Fuzzy cho việc hạn
chế được sự vọt lố nhiệt trong thí nghiệm có thể hiểu như sau. Khi áp
dụng Fuzzy để điều tiết cơng suất thì nhiệt độ cấp ra cũng sẽ bị hạn
chế theo từng khoảng vì với mỗi cơng suất được cấp thì lị nung sẽ
chỉ nung đến 1 nhiệt độ nhất định. Việc tăng công suất để tăng nhiệt
độ cấp từ cuộn dây lại bị phụ thuộc vào nhiệt độ đọc được và chính
vì vậy mà đã giúp cho việc ổn định nhiệt độ diễn ra tốt hơn dù cho
tốc độ đáp ứng của cảm biến.
Ngoài ra việc xử dụng kết hợp hàm Fuzzy để hạn chế cơng suất
cịn giúp cho thiết bị tăng được độ bền.Đối chứng các cuộn dây giữa
2 trường hợp có sử dụng và khơng sử dụng kết hợp bộ điều khiển
Fuzzy với bộ điều khiển PID. Hình 4.3 cuộn dây khi khơng sử dụng
bộ điều khiển Fuzzy. Cuộn dây trong hình 4.3 có thời gian nung ở
650oC trong thời gian 8 giờ. Ta thấy cuộn dây bị tổn hại nhiều. Mức
độ oxy hóa của các cuộn dây là rất lớn, phần lớn chiều dài của các
cuộn dây bị rỉ sét và chỉ còn lại khoảng 30% kích thước so với ban
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



15
đầu. Nhiều đoạn bị đứt gãy trong quá trình sử dụng. những đoạn
chưa gãy cũng rất giịn là có nguy cơ bị đứt cao trong lần chạy tiếp
theo. Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do nhiệt độ caaos vào
cho cuộn dây cao và khiến cho sự oxy hóa diễn ra mạnh mễ trên
cuộn dây. Từ đó đẩy nhanh quá trình hư hỏng. Với tốc độ hư hỏng
dây trở trong thời gian ngắn như thí nghiệm thì thiết bị không đủ
điều kiện để chạy thực tế, khi mỗi làn chạy thực tế mất trung bình
12-15 ngày.
có thể thấy được khi sử dụng kết hợp bộ điều khiển Fuzzy cho
một kết quả rõ rệt. Các cuộn dây sau khi nung ở 650oC trong thời
gian 6 ngày thì gần như khơng có sự thay đổi gì nhiều. Sự khác biệt
so với ban đầu là sự chuyển màu.
KẾT QUẢ CHẠY BỘ ĐIỀU KHIỂN FUZZY - PID

4.2

THỰC TẾ
4.2.1

Kết quả chạy bộ Fuzzy - PID

Để đánh giá độ ổn định nhiệt cho lò nung ta thực hiện việc nung
đồng thời các cuộn dây lên nhiều mốc nhiệt độ khác nhau từ 200800oC, thời gian lấy mẫu 1.3 giây. Thời gian này được giới hạn do
vấn đề cơng nghệ của máy khi cần có thời gian để truyền dữ liệu thu
thập được từ Aduino nano – được sử dụng với chức năng Slave đọc
nhiệt độ và điều khiển công suất, về cho Arduino mega – được sử
dụng với chức năng Master nhận giá trị nhiệt độ và các chức năng
giao tiếp. Thời gian lấy mẫu trên Arduino nano thực tế sẽ thấp hơn
nhiều so với thời gian lấy mẫu trên Arduino mega. Thời gian lấy mẫu

trên Arduino nano rơi vào khoàng 200ms. Với tần số lấy mẫu cao
việc điều chỉnh công suất là tức thời với việc thay đổi giá trị nhiệt độ.
Từ kết quả nhận được trong các bảng ta thấy sai số phân bố theo
luật phân bố Gauss với sai số tập trung quanh 1 giá trị nhất định.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


16
Những giá trị sai số cao có tỷ lệ rất thấp, việc xuất hiện là do sự sai
số của cảm biến và tín hiệu nhiễu sinh ra.
GRADIENT NHIỆT CỦA MÁY THEO CÁC NHIỆT

4.3
ĐỘ

Một trong những yếu tố quan trọng trong lị nung đó chính là
Gradien nhiệt độ, u cầu đường Gradien này cần có độ chính xác so
với đường chuẩn để tinh thể có thể đạt được chất lượng tốt, để đánh
giá về đường Gradien nhiệt của lò nung ta thực hiện 3 thí nghiệm
tương ứng với đường Gradien cho việc ni tinh thể CsI.
THỰC NGHIỆM NI MỘT SỐ TINH THỂ

4.4

Một trong những thực nhiệm để kiểm tra chất lượng của máy đó
chính là kiểm tra sản phẩm của máy, ở đây sản phẩm chính là tinh
thể. Trong báo cáo này sẽ trình bày một số kết quả ni tinh thể từ lò
nung Bridgman với các thống số điều khiển được nếu ở các chương

trước.
4.4.1

Tinh thể KDP

Tinh thể đầu tiền lựa chọn cho thí nghiệm là tinh thể KDP, đây là
một trong những tinh thể có điều kiện ni đơn giản, với: nhiệt độ
nóng chảy thấp, khơng q nhạy cảm với độ ẩm, thời gian nuôi tạo
tinh thể thấp. Nhiệt độ nóng chảy của KDP là thời gian ni trong
50 giờ. Hình 4.4 kết quả tinh thể KDP sau khi ni. Hình 4.4 a tinh
thể KDP với kích thước nhỏ. Hình 4.4 b tinh thể KDP với kích thước
lớn hơn
Ở hình 4.6 a thì tinh thể có xuất hiện vết nứt. Nguyên ngân dẫn
đến vết nứt này là do sự hạ nhiệt độ trong q trình ni ko được
đảm bảo. Tốc độ hạ nhiệt quá lớn ( tinh thể được lấy ra khỏi lị sau
khi hồn thành mà khơng thơng qua bước hạ nhiệt độ) làm tinh thể
xuất hiện các vết nứt. Tuy nhiên quá trình hình thành tinh thể đã
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


17
được đảm bảo, tinh thể trong suốt và khơng có bọt khí. Và đây là tinh
thể đầu tiên nên những sai sót trong q trình thực hiện là khơng thể
tránh khỏi. Tuy nhiên từ kết quả này có thể khảnh định chất lượng
nhiệt độ đảm bảo cho q trình ni tinh thể KDP.
Sau khi thu được kết quả như hình 4.6 a, Thì tinh thể sau khi ni
được giữ ngun trong lò và để cho lò nung hạ nhiệt độ. Với việc lò
nung được cách nhiệt khá tốt nên tốc độ hạ nhiệt của lị khá thấp

khoảng /hr. Hình 4.6 b cho thấy kết quả tinh thể KDP là khá tốt khi
quan sát bằng mắt. Tinh thể trong suốt và khơng có bọt khí xuất hiện
ở trong tinh thể. Tuy nhiên đâu là một tinh thể dễ nuôi nên việc đo
đạc chuyên sâu không được đề cập đến. Tuy nhiên với thành cơng
của tinh thể KDP cũng có thể đánh giá được chất lượng nhiệt độ của
lò.
4.4.2

Tinh thể NaI

Tinh thể NaI: đây là tinh thể có độ nóng chảy khá cao và cũng là
một tinh thể có yêu cầu kỹ thuật cao. Do muối NaI khá háo nước nên
việc làm mẫu cần được thực hiện trong Glove box có độ ẩm dưới
5%. Sau khi cho muối NaI vào ống nghiệm thì cần được seal kín
tránh việc độ ẩm loạt vào trong q trình ni. Hình 4.5 kết quả tinh
thể NaI sau khi ni. Một trong những khó khăn tiếp theo khi ni
tinh thể NaI đó là sự bám dính của tinh thể NaI với thành của ống
nghiệm là rất lớn. Việc lấy tinh thể ra khỏi ông nghiệm là vô cùng
khó khăn, và rất khó để giữ cho tinh thể được giữ nguyên khi lấy ra
khỏi ống nghiệm. Bên cạnh đó việc hạ nhiệt độ của tinh thể NaI cũng
yêu cầu khá cao khi tốc độ hạ nhiệt chỉ ở , với độ độ hạ nhiệt này sẽ
giúp cho tinh thể NaI được an toàn, tránh trường hợp bị bể do sự co
giãn không đều giữa tinh thể NaI và ống nghiệm.
4.4.3

Tinh thể CsI

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



18
Tinh thể CsI: Tinh thể CsI có điều kiện nhiệt độ và yêu cầu về độ
ẩm tương tự như tinh thể NaI với nhiệt độ nóng chảy ở

và thực

hiện mẫu ở trong Glove box có độ ẩm dưới 5%. Tuy nhiên khắc với
tinh thể NaI, tinh thể CsI có tốc độ hạ nhiệt cao hơn với tốc độ hạ
nhiệt ở . Hình 4.8 kết quả tinh thể CsI sau khi ni.
Sau khi cắt thì tinh thể được đo kiểm tra phổ với tia alpha tạ nhiệt
độ thấp. Kết quả đo được chùm tia alpha với hiệu suất ghi đo đạt
12.5% (FWHM) tại mức năng lượng 60keV của Am241. Đây không
phải là một hiệu suất ghi đo tốt nếu so với những mẫu tinh thể CsI
bản thưởng mại trên thị trường. Hiệu suất ghi đo của những mẫu CsI
bản thương mại này là 9-10%. Tuy nhiên để đánh giá về hiệu suất
ghi đo của mẫu CsI này ta cần đánh giá đến độ tinh khiết của muôi
CsI được sử dụng. Mẫu muối được dùng để tạo mẫu CsI trong thí
nghiệm có độ tinh khiết thấp 99,5%. Thông thường để nuôi một mẫu
tinh thể độ tinh khiết yêu cầu từ 99,99%.
Về kết quả đo cần có sự kiểm tra đánh giá về độ chính xác nên
chưa được đề cập cụ thể ở đây. Ngồi ra để đánh giá chất lượng tinh
thể thì cần thực hiện thêm một số thí nghiệm khác, như đo phổ của
tia Gamma,..

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ



19
KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG
- Đề tài đã ổn định nhiệt độ cho lò nung tinh thể kiểu Bridgman,
giúp cho lị nung đáp ứng được các u cầu để ni các tinh thể với
các mức nhiệt độ khác nhau ( đại diện ở đây là NaI) với thời gian
nuôi kéo dài đến 15 hoặc 20 ngày. Nhiệt độ sai số hiện tại của máy
giao động trong khoảng , giá trị sai số này vẫn quá lớn so với yêu
cầu của một lò nung tinh thể. Vấn đề sai số chưa thể giảm vì hạn chế
bởi phần cứng. Tuy nhiên bước đầu đã đưa ra được đánh giá về một
số ảnh hưởng từ thiết bị dẫn đến sai số của phép đo từ đó đưa ra
được đinh hướng phát triển về sau.
- Triển vọng: Với việc cải thiện chất lượng phần cứng ( ở đây là
cảm biến, mạch xử lý và phần cơ khí của máy) thì sai số của máy sẽ
được cải thiện. Bên cạnh đó với những hiểu biết và kinh nghiệm
trong các thí nghiệm hiện tại có thể hướng tới ni các loại tinh thể
khó với những u cầu khắt khe hơn. Và quan trọng nhất là mở
hướng nghiên cứu tinh thể nói chung và lị nung tinh thể nói riêng ở
Việt Nam.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ


20
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CỦA
TÁC GIẢ
- “Thiết kế ngun mẫu lị nung tinh thể nóng chảy kiểu
Bridgman”, Lâm Tấn Trúc, Võ Tài Đại, Lê Tuấn Anh, Trần Văn

Huy, Phan Việt Cương, Báo cáo hội nghị khoa học và công nghệ hạt
nhân cán bộ trẻ nghành năng lượng nguyên tử lần thứ 6, Hà Nội
2020.
- “Nghiên cứu tính chất của tinh thể nhấp nháy được ni bằng lò
nung bridgman tự chế tạo”, Lâm Tấn Trúc, Võ Tài Đại, Lê Tuấn
Anh, Tăng Trung Kiên, Phan Việt Cương, Báo cáo hội nghị Khoa
học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14, Đà Lạt 2021.

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.

Lưu hành nội bộ