Ультразвуковые ванны своими руками: Простая ультразвуковая ванна — своими руками собираем прибор для бытового применения

Содержание

Ультразвуковая ванна. Часть 1 / Хабр

Хомяки приветствуют вас, друзья.

Сегодняшний пост будет посвящен созданию ультразвуковой очистительной ванны в основе которой лежит пьезокерамический излучатель Ланжевена мощностью 60 Вт. В процессе мы рассмотрим из чего состоит устройство, как его настроить чтобы ничего не сгорело и в конце лицезреем очистительные способности, которые по своему действию превосходят Мистера Пропера и всех его знакомых. Ультразвуковая ванна имеет много сфер применения и перечислить все практически невозможно, так как большинство из них будет зависеть только от вашего воображения.

Прежде чем начать растворять свои пальцы в ультразвуковой ванне, давайте разберем как же возникают механические колебания на более простых системах. Одним из примеров таких колебательных механизмов являются магнитострикторы, которые под воздействием магнитного поля могут сжиматься или растягиваться. Такими параметрами обладает обыкновенный феррит от старого дедовского приемника, который наверняка у каждого валяется где-то в гараже.

Для начала эксперимента нам понадобится: генератор сигналов, модулятор плотности импульсов для регулировки мощности, полумост, регулируемый блок питания и осциллограф для визуальной оценки сигнала. Дальше на небольшой оправке мотаем катушку из толстой меди, в моем случае вышло порядка 50 витков провода 2 мм. Феррит будет вставляться прямо в середину этой пушки гауса. Выставляем на модуляторе импульсов мощность в 100 процентов. Вращая ручку на генераторе находим резонанс системы, который в конкретном случае будет выглядит как две горы, вершины которых нужно выровнять.

Частота конкретного стержня получилась 8.5 кГц. Приближаясь к механическому резонансу, видно как капля на верхушке ферритового стержня начинает вибрировать, меняя при этом свою первоначальную форму. В какой-то момент амплитуда вибрации достигает такой величины, что воду разрывает на тысячи мелких частиц и визуально кажется, что жидкость за долю секунды превращается в туман. Размер каждой такой капли зависит от механической системы, чем выше частота — тем меньше капля.

Такая магнитострикционная система плоха тем, что при определенном пороге мощности хрупкий феррит разрывает на части, как это произошло сейчас. 15 Вт оказались недопустимы. В середине стержня возникает максимальное механическое напряжение, вот его и разрывает. Если после этого пытаться склеить две половинки стержня, то такой активной работы как была изначально не будет, так как каждый отдельный кусок будет иметь свой механический резонанс. Во время съёмки у меня разорвало три таких стержня.

В качестве эксперимента подключим к генератору самый обычный пьезокерамический излучатель. Вращая ручку генератора находим момент, когда вода начинает активно возмущаться. Как видно, капли, которые образовались имеют несколько больший размер чем в представленном варианте ранее, так как резонансная частота тут в 2 раза ниже, и соответствует 3.6 кГц.

Для справки. В ультразвуковых испарителях и увлажнителях воздуха используется тот же принцип, только частота тут лежит уже в мегагерцовом диапазоне. Размер капли воды может достигать несколько десятков микрон.

Теперь переходим исключительно к излучателю Ланжевена, названого в честь французского физика который занимался магнетизмом. Электромеханическая частота этой железяки равна 40 кГц, и испарение воды на нем больше похоже на извержение какого-то вулкана. На таком холостом ходу излучатель сильно греется, поэтому так делать не рекомендую.

В следующем эксперименте попробуем получить ультразвуковую левитацию. На резонансе в ланжевене образуется стоячая ультразвуковая волна с пучностью на конце излучающей накладки. Это основная продольная мода. В этом случае частицы вещества на конце накладки колеблются в вертикальном направлении с амплитудой в десятки микрон. Эти колебания легко передаются в воздух.

Если на определенном расстоянии от излучателя установить отражающую поверхность, то излученные и отраженные волны будут складываться, образуя в воздухе стоячие звуковые волны которые имеют узлы — области минимального давления, и пучности — области максимального давления. Чтобы шарик с пенопластом левитировал его необходимо разместить именно в узле звукового давления. Если отключить систему, весь карточный домик тут же рухнет.

С принципом работы Ланжевена разобрались. Теперь можно поближе разглядеть излучатель. С лицевой стороны видно отпескоструенную матовою поверхность, которая обеспечивает лучшее сцепление с клеем, который будет скреплять излучатель с гастроемкостью.

Объем такого корыта полтора литра. Типоразмер посудины 1/6, глубина 100 мм, материал нержавейка. Центруем излучатель на дне посудины и отмечаем место где он будет находиться. По сути это нужно для того, чтобы следы наждачки не вылезли за границы и не испортили внешний вид. В идеале это место лучше обработать пескоструем, но у меня такого в хозяйстве нет. Когда поверхности подготовлены обезжириваем их ацетоном и разводим эпоксидный клей.

Наносим его тонким слоем на само корыто и ту же процедуру проводим с излучателем. Пропусков быть не должно, так как нам нужно обеспечить хороший акустический контакт всей излучающей поверхности. При стыковке шатла Ланжевен пытается куда-то уползти. Чтобы он далеко не убежал его нужно немного притереть, а затем придавить чтобы выполз весь лишний клей.

После полимеризации эпоксид приобретёт так называемую металлическую твердость. Для любителей такой вариант начать работу с мощным ультразвуком, может оказаться вполне подъёмным.

Теперь время сделать корпус. Отмечаем на 10 мм ДСП заранее вымеренные размеры и начинаем работу электролобзиком. Делать такую операцию желательно ночью, когда все соседи спят)

В конечном результате выйдет 5 ровных кусков, всё что нужно это понадежней скрепить стенки фанеры чтобы ничего не развалилось. Примеряем ванну вставляя одно в другое. В идеале коробка должна выйти чуть меньше чем размеры самой гастроемкости.

Переходим к электронной части. Для управления временем работы ванны нужен таймер. Подходящая схема в интернете нашлась, а вот печатную плату пришлось разводить самому так как она попросту отсутствовала в описании. В результате получилась небольшая платка с достаточно скромными размерами. То что нужно.

Подаем питание и видим как что-то засветилось. Кратковременное нажатие на кнопку энкодера включает и выключает таймер. Поворот ручки позволяет выбрать время в минутах от 1 до 99. После истечения заданного интервала играет музыка, а затем раздается сирена которую можно отключить разово нажав на энкодер. Работа проще некуда. Если кого-то напрягают звуковые сигналы, на плате предусмотрена перемычка отключающая динамик.

Теперь дело за генератором, который будет качать акустическую систему. Разводил плату исключительно под габариты деталей которые нарыл в кладовке. Пытался разместить элементы как можно поплотней, чтобы высокочастотных наводок не было. Хотя вариант собранный из говна и палок на коленке тоже не плохо работал, но так делать не стоит.

Генератор называется пуш-пул. В начале в нем были транзисторы IRFZ46, затем 2SK1276, затем IRFP460 все они показались в работе как то уныло. Лучше всего отработали транзисторы IRFZ44, на них и остановился. Управление идет от микросхемы драйвера IR2153.

Так как управление частотой будет ручной в некоторых режимах транзисторы будут сильно греться. Поэтому нужно предусмотреть хороший отвод тепла. Радиатор желательно использовать с толстой основой, так как его отвод тепла будет намного эффективней чем у куска алюминьки расположенного слева, который перегревается как первоклассник на первом свидании. При любых раскладах необходимо обеспечить хороший отвод тепла и воздушное охлаждение. Значение температуры будет выводиться на китайский термометр с жк экраном. Стоит такой примерно 2 бакса.

Вся энергия в ванне будет раскачиваться импульсным трансформатором от компьютерного блока питания. Из практики размер трансформатора не имеет значения, всё одинаково работало как на малой, так и на большой такой хреновине. 60 Вт для них как два пальца. Потребление всей схемы будем оценивать по показаниям амперметра включенного параллельно мощного шунта. Блок питания для нашей задачи нужен неслабый. Эта плата выковыряна из зарядки от какого-то ноутбука. Если верить характеристикам, то она выдает 65 Вт при напряжении в 20 вольт. Поделив первое на второе получим ток в три с четвертью ампера, что очень радует.

Теперь эту кучу запчастей нужно разместить в шахматном порядке. Для этого на деревянных досках включаем все свои навыки художника и отмечаем заранее запланированные места куда будут вставляться органы управления. Чистая работа завершилась, пора заговнять ковер опилками от ДСП, которые как снег сыпятся во время рассверливания отверстий. Грубые следы от дрели убираем бормашиной. Так как насадка круглая, остаётся подровнять углы и тут в дело идёт напильник. Но работать с ним нужно аккуратно, так как на декоративном покрытии получаются сколы. После того как по всей хате осела пыль, декоративную деревообработку можно считать завершенной.

Размещаем всю электронику. Хороший тон когда все детали входят плотно. Размещаем с обратной стороны плату таймера, а с лицевой китайский термометр который показывает температуру в десятых долях градуса, также устанавливаем остальные рубильники и переключатели. В результате выйдет что-то типа этого.

Внутри размещаем блок питания, как видно он находиться возле выдувного отверстия для лучшего охлаждения. Плату генератора ставим напротив вентилятора и размещаем последний элемент — дроссель.

Как же эта вся груда железа работает?! Сейчас разберёмся. Для начала настройки выставляем на регулируемом блоке питания напряжение порядка 14 вольт. Проверяем стабилизированное напряжение для питания микросхемы драйвера, оно должно быть 12 вольт. Щупом осциллографа цепляемся к затвору транзистора и проверяем присутствует ли сигнал в виде меандра. Если всё на месте, переменным резистором меняем частоту и смотрим чтобы сигнал не дергался и был ровным во всём пределе регулировки. В данном случае верхняя граница порядка 80 кГц, а нижняя в районе 34 кГц. Запас достаточно большой и карман как говорится не жмёт.

Включаем на щупе делитель на 10 и подключаемся к средней ноге полевика — это сток. На холостом ходу видно как в момент включения транзистора происходит высоковольтный выброс за которым следует свободное затухающее колебание сравнительно с ударом по воде. В момент отключения ключа видим еще один пик. В идеале на этом месте должен быть чистый меандр. Но похоже он забухал. Попробуем подключить нагрузку в виде лампы Ильича. Видим как затухания пропали, передний фронт меандра в завале, а индуктивные выбросы достигают порядка 700 вольт. Такая картина никуда не годится.

Часть этого ужаса возникает еще в плате, даже палец на нее влияет. Такой же сигнал будет повторяться и на выходе трансформатора. Видно как между включениями каждого плеча формируется дедтайм в 1.2 миллисекунды. Ровным счетом, кроме формы сигнала работа идёт в правильном направлении.

Высокочастотный звон можно задавить снаббером. Так называется цепочка из резистора и конденсатора. При этом резистор должен быть мощным, около 5 Вт, так как он сильно греется. Разместим их в зоне обдува радиатора. Подсоединяя РЦ цепочку к одному из плеч пуш-пула, видно как гасятся волны правда с небольшим возмущением в момент включения. Это лучшее чего смог добиться экспериментально подбирая ёмкость и сопротивление снаббера для данной схемы. В любой случае даже под нагрузкой сигнал на выходе высоковольтной части трансформатора стремится быть похожим на меандр. С этим разобрались, едем дальше.

Так как излучатель является ёмкостной нагрузкой к нему нужно рассчитать резонансный дроссель, который повысит эффективность работы. Измеряем ёмкость и получаем примерно 5 нФ. Частота данного Ланжевена 40 кГц. Заходим в программу «Электродроид» и вводим туда эти параметры. Гениальная программа для двоечников, ничего не нужно считать только цифры вводить, программа всё сделает за вас сама. По результатам вычислений индуктивность вышла 3. 2 мГн. Мотать трансформатор будем двойным проводом, чтобы уменьшить общее сопротивление. Меньше сопротивление, меньше потерь которые будут рассеиваться в виде тепла.

Первый вариант дросселя мотался на сердечник неразобранного трансформатора. Заняло это порядка 4 часов, так как укладывать медь виток к витку было затруднительно. Конечная индуктивность со всеми стараниями вышла 0.6 мГн. Я был расстроен. Можно намотать образец и в один провод на обычном куске феррита, потерь будет много, но для настройки такой вариант сгодится.

И так, что мы тут видим?! На одном из концов излучателя сидит трансформатор тока, в дальнейшем от него будет мало толку. На горячем конце дросселя подцепим неоновую лампочку для визуальной оценки напряжения. Нальем в гастроемкость немного водицы, примерно на 1/3. Щуп осциллографа подключим к высоковольтному выходу трансформатора.

Поднимаем напряжение и видим… Да хрен пойми что! На резонансе при максимальном потреблении меандр просаживается по самое ни хочу образуя две вершины как в фильме Властелин Колец. Подозреваю, так влияет дроссель по питанию низковольтной части. Размах напряжения судя по всему немалый, поэтому делать так как будет дальше не рекомендую. Подключаем щуп с делителем к горячему концу, регулируем частоту и видим как амплитуда напряжения взмахивает за пределы измерения осциллографа. Размах примерно в 1000 вольт. Второй конец неоновой лампы щипается если его касаться.

Посмотрим что там на трансформаторе тока. Картинка прыгает из-за плохой синхронизации осциллографа. Ану синхронизируйся старая рухлядь. Не выводи меня! Ток на резонансе растет что и должно быть. Если вода в ванне болтается, то работа системы становится нестабильной.

Интересный эффект обнаруженный во время экспериментов. Если один конец Ланжевена не соединить с общим проводом схемы, то на корпусе ванны появляется весь потенциал напряжения в киловольтах, это хорошо видно на неоновой лампочке. Даже проскакивают небольшие искры при касании железяки. На плате заранее предусмотрена перемычка заземляющая ланжевен.

Схема электронной части. Пытался в ней указать всё, даже цоколёвку транзистора. На дросселе резонансной части стоит замыкатель. Заметил, что иногда ванна лучше работает без него, чем с ним, а иногда наоборот.

Для наглядности ниже показаны две картинки с сигналами. На первой работа с ёмкостной нагрузкой, а на второй с резонансной. Архив со всем нужным материалами для сборки ванны.

С этой частью разобрались, вроде ничего не сгорело, двигаемся дальше. Подключаем все разъёмы с питанием, управлением, переменными резисторами, келлером, и т.д. Так как датчик температуры термометра имеет очень удобную форму для крепления, ничего другого кроме как присобачить его на кусок фольгированного скотча я не придумал, хотя более правильно будет просверлить дырку в радиаторе и засунуть его туда вместе с термопастой для лучшего теплового контакта.

Корпус ванны сделан из ДСП, а как известно он боится воды, точней его незащищённые боковины. Водостойкий силикон отлично справляется с такими задачами. Отделяем кусок этой гадости и втираем в торцы деревяхи. Тут важно никуда не спешить для себя же делаем. Так же на силиконе будет лучше держаться демпферная лента, которая будет изолировать тело гастроемкости от корпуса устройства, чтобы полезные вибрации не гасились.

Для крепления Ланжевена к нержавеющему корыту вместо эпоксидной смолы можно использовать холодную сварку типа «Поксипол». Им вроде как производители ванн пользуются. Пусть пользуются, обычный эпоксид в разы дешевле стоит.

Для справки. Не стоит оставлять вещи без присмотра, иначе набегут хомяки и погрызут все провода. Но не стоит бояться если рядом паяльник им всегда можно дать отпор) Сказать что ванна получилась компактной это ничего не сказать по сравнению с китайскими, но сколько тут мощи…

Вторая часть

Архив с полезностями
Полное видео проекта на YouTube
Наш Instagram

описание конструкции и область применения, устройство и принцип действия

Времена научно-технического прогресса не проходят даром. Техника работает, выходит из строя, загрязняется. Иногда продлить срок службы изделия можно простой очисткой деталей от накопившейся грязи. Поэтому всё большую популярность набирают ультразвуковые ванны.

  • Что такое ультразвуковая ванна?
    • Схема устройства
  • Сфера применения ультразвука
  • Как собрать ультразвуковые ванны своими руками?
  • Что надо знать при работе с ультразвуковыми ваннами?

Основное место использования этих приборов — автосервис. Но и во многих других отраслях они бывают необходимы. В мастерских по ремонту компьютеров такая штука может пригодиться для очистки головок засохших картриджей от принтеров. В больницах с помощью ультразвуковой ванночки можно очищать хирургические и оптические инструменты, а также приборы. Да и дома бывает необходимость иметь такое приспособление всегда под рукой. Вот и возникает у многих людей вопрос: где взять схему ультразвуковой ванны, чтобы сделать её своими руками?

Что такое ультразвуковая ванна?

Звуковые высокочастотные волны, которые не может распознать человеческий слух, называются ультразвуком. Частота таких волн начинается от 18 килогерц. При воздействии ультразвуком на жидкости появляется большое количество маленьких пузырьков. Повышая давление можно добиться процесса кавитации — когда пузырьки начинают взрываться. Чем выше давление, тем большего размера могут быть пузырьки. Явление кавитации и взяли за основу изобретатели ультразвуковой ванны.

Как следует из названия, ультразвуковая ванна нужна для очистки предметов от загрязнения ультразвуком. Сама по себе ванна — это чаша из нержавеющей стали. Объём такой чаши составляет один литр. Исходя из этого уже понятно, что очищать в ванночке можно небольшие предметы. Но это если речь идёт о бытовом аппарате. Для промышленных нужд объем ванны может достигать несколько десятков литров. Диапазон волн, применяемый в установке от 18 до 120 килогерц.

Схема устройства

Главным элементом по праву можно назвать излучатель, который необходим для преобразования колебаний электрического тока в механические. Механические колебания через стенки ёмкости, попадая в жидкую среду, воздействуют на очищаемый предмет.

Чтобы излучатель мог производить описанный процесс, необходим генератор частот. Генератор формирует ультразвук при помощи электрических колебаний, которые поступают в излучатель.

Для улучшения эффекта очистки металлическая ёмкость постоянно подогревается. Под чашей расположены нагревательные элементы, поддерживающие постоянную температуру жидкости. Так как излучатель работает импульсно

, то в промежутках между импульсами надо поддерживать стабильные условия происходящих процессов.

Процесс очистки происходит следующим образом:

  • в специальную ёмкость наливается очищающий раствор;
  • в раствор опускается предназначенный для очистки предмет;
  • включается прибор, генерирующий волны, в результате этого на поверхности должны появиться пузырьки;
  • эти пузырьки воздействуют на деталь так, что как бы съедают грязь. Причём происходит это даже в самых труднодоступных местах.

Сфера применения ультразвука

Сегодня спектр применения ванночек на основе ультразвука достаточно широк. Если в промышленности принцип ультразвука известен давно, то теперь список областей, где он используется постоянно растёт. С точностью можно сказать, что чистка ультразвуком стала родной для следующих отраслей промышленности:

  • ювелиры взяли этот метод себе на вооружение. Ювелирное дело то же трудоёмкое производство, особенно если надо почистить камни или старые изделия;
  • всё что связано с оптикой эффективно поддаётся очистке в ёмкостях с очищающим раствором;
  • кремниевые пластины и платы в электронной промышленности, очищаются подобным методом;
  • в химической промышленности кавитацией увеличивают скорость реакций;
  • автопром и типография промывают детали и узлы механизмов;
  • оказалось, что таким способом очень хорошо очищаются мобильные телефоны, ведь там столько труднодоступных мест. Даже печатные головки принтеров, которые не удавалось ранее очистить, после частотного воздействия становятся как новые.

Как собрать ультразвуковые ванны своими руками?

Можно купить технику с ультразвуком, а можно сделать самому по схеме. Необходимость собрать ультразвуковые ванны своими руками возникает потому, что на рынке в основном представлены китайские модели. Если что и попадается поприличней, то цена в несколько раз превышает китайский аналог.

Чтобы самому собрать ультразвуковой прибор для очистки, нужно хоть немного разбираться в физике. Тем, кто в школе собирал радиоприёмники, будет намного проще сделать своими руками такой прибор.

Итак, приступаем к сборке ультразвуковой ванны. В схеме прибора, собранного собственноручно должны присутствовать следующие компоненты:

  • стальной каркас для крепления в нём всех элементов;
  • насос для нагнетания жидкости в ванну;
  • импульсный трансформатор для повышения напряжения;
  • любой сосуд из керамики;
  • магниты от старого динамика;
  • катушку с ферритовым стержнем;
  • небольшая трубка из стекла или пластмассы;
  • и, конечно же, жидкость, которая будет использоваться в работе.

Если все детали в наличии, можно приступать к сборке. Пошаговая сборка ультразвуковой ванны своими руками, особенно когда есть некоторые навыки, занимает всего-навсего в несколько этапов.

  1. На пластмассовую (стеклянную) трубку наматывается катушка. Ферритовый стержень не надо никуда убирать или приматывать: он так и остаётся висеть. Один конец ферритового стержня должен быть свободным. На него одевается магнит от динамика. Таким образом, получается магнитострикционный преобразователь или излучатель ультразвука.
  2. Керамический сосуд крепится в стальном каркасе. Это и будет нашей ванночкой.
  3. В дне керамического сосуда сверлится отверстие, в которую вставляется получившийся магнитострикционный преобразователь.
  4. В ванночке (керамическом сосуде) делаются два отверстия для залива и слива жидкости.
  5. В зависимости от того какой объём нужен в ультразвуковой ванне, своими руками можно установить и насос. В больших ёмкостях насос придётся ставить для ускорения поступления жидкости.
  6. Так как напряжение в сети постоянно, понадобиться импульсный трансформатор. Такой трансформатор можно найти в старом компьютере или телевизоре.
  7. Схема готова — осталось её испытать. Если возникнут недоделки их сразу же можно устранить.

Что надо знать при работе с ультразвуковыми ваннами?

Ультразвуковые ванны своими руками можно собрать и они будут работать. Но, как и в случае с изделиями заводской сборки, не стоит забывать о некоторых правилах.

  1. В первую очередь соблюдать правила электрической и пожарной безопасности.
  2. Перед началом работ
    обязательно провести внешний осмотр агрегата    , тем более, если он сделан самостоятельно.
  3. Во время работы установки нельзя руками трогать жидкость или очищаемую деталь. Если такое необходимо сделать, то обязательно на руках должны быть резиновые перчатки.
  4. Без жидкости в ванночке работать с установкой нельзя. Собранные ультразвуковые ванны своими руками имеют открытый ферритовый стержень, который сам по себе очень хрупкий. При отсутствии рабочей среды ферритовый стержень просто разлетится на куски. В этом случае можно пострадать и от осколков, и от поражения электрическим током.
  5. Если проводится чистка мелких изделий, то их лучше всего поместить в ванночку в стакане с чистящей жидкостью, а саму ёмкость заполнить простой водопроводной водой.

Общий | Сделать ультразвуковой очиститель??? | Практик-механик

Воздушный блок
Алюминий