بخشی از مقاله
چکیده
مواد دندانی در دستگاهی به نام دستگاه چرخه حرارتی در معرض چرخههاي حرارتی تکرار شونده قرار میگیرند. دستگاه چرخه حرارتی از بخشهاي متعددي مانند: مخزن آب گرم، مخزن آب سرد، مکانیزم جابجایی ماده دندانی و سیستم کنترل و سیستم ورود اطلاعات چرخه حرارتی تشکیل شده است. یکی از بخشهاي مهم دستگاه چرخه حرارتی مخزن آب گرم و کنترل دماي آب درون این مخزن میباشد.
مقاله حاضر مبانی طراحی و فرآیند کنترل دماي مخزن آب گرم یک دستگاه چرخه حرارتی را تشریح مینماید. آب درون مخزن با استفاده از یک المنت الکتریکی گرم میشود. دماي آب درون مخزن با استفاده از یک حسگر با دقت ه±0/5° و یک میکروکنترولر اندازهگیري میشود. میکروکنترلر با استفاده از دماي اندازهگیري شده و زمانسنج موجود در تراشه دماي آب درون مخزن را با دقت ه±1° کنترل مینماید. در انتها، فلوچارت کنترل دماي آب درون مخزن و نقشه مدار الکترونیک آن ارائه شده است.
-1 مقدمه
دستگاه چرخه حرارتی مواد دندانی دستگاهی است که عمل چرخه حرارتی را بر مواد دندانی انجام میدهد. در آزمایش چرخه حرارتی، مواد دندانی جدید یا دندانهاي ترمیم شده، در معرض تعداد زیادي چرخه حرارتی قرار میگیرند. پس از انجام چرخه حرارتی بر مواد دندانی خصوصیات آنها در مقابل تغییر دما بررسی میگردد. چرخه حرارتی نوعی شبیهسازي آزمایشگاهی از تغییر دماي دندان و مواد دندانی درون دهان است
در یک چرخه حرارتی ماده دندانی مدت زمان معینی در یک مخزن آب گرم با دماي ثابت و مشخص قرار میگیرد؛ سپس از مخزن آب گرم خارج شده و زمان مشخصی در هوا باقی میماند؛ سپس وارد یک مخزن آب سرد با دماي مشخص شده و مدت زمان معینی نیز در آن مخزن باقی میماند. در ادامه ماده دندانی از مخزن آب سرد خارج شده و زمان مشخصی در هوا قرار میگیرد و در نهایت به مخزن آب گرم باز میگردد. در آزمایش چرخه حرارتی، ماده دندانی در معرض بیش از 10000 چرخه حرارتی قرار می گیرد
دستگاه چرخه حرارتی از اجزاي بسیاري از جمله: مخزن آب گرم، مخزن آب سرد، مکانیزم جابجایی نمونه آزمایش، سیستم تبرید و سیستم کنترل و برنامهریزي دستگاه تشکیل شده است. از آنجا که محدوده دما و زمان انتخابی در آزمایش چرخه حرارتی گسترده است، نیاز به طراحی دستگاهی است که بتواند بهصورت اتوماتیک دماي آب مخازن را در دماهاي تعیین شده ثابت نگه داشته و طی زمانهاي معین،نمونه آزمایش را در موقعیت مناسب قرار دهد.
طراحی و ساخت یک دستگاه چرخه حرارتی تست مواد دندانی در ایران که بتواند تمام محدوده دماها و زمانهاي مورد استفاده در چرخههاي حرارتی مختلف را برآورده نماید تنها با شناخت و طراحی اجزاي آن در بخشهاي جداگانه امکانپذیر است. در نهایت، با چیدمان اجزاي طراحی شده و ایجاد یک ارتباط منطقی بین آن ها یک دستگاه چرخه حرارتی تست مواد دندانی ساخته میشود. بنابراین، تشریح فرآیند کنترل دماي مخزن آب گرم به عنوان بخشی از یک دستگاه چرخه حراتی تست مواد دندانی امري ضروري به نظر میرسد .
طی بررسی مقالات و اسناد موجود در زمینه طراحی و ساخت دستگاه چرخه حرارتی، دو مورد دستگاه چرخه حرارتی تست مواد دندانی، ساخت کشورهاي انگلیس و ایتالیا یافت شد. در ادامه نحوه کنترل دماي مخزن آب گرم این دستگاهها بیان میگردد. در سال 1977 مورلی1 و استکول 2 یک دستگاه چرخهحرارتی مواد دندانی براي آزمایشگاه چمیست3 در کشور انگلستان ساختند. این دستگاه براي بررسی اثر تغییر سریع دما بر مواد دندانی و انجام چرخه هاي حرارتی سریع طراحی شده است
سیستم کنترل دستگاه مورلی و استکول، مجموعهاي از عملگرهاي حلقه باز میباشد. تنظیم دماي مخزن هاي آب گرم و آب سرد این دستگاه مستقلا و توسط ترموستاتهاي درون این مخازن صورت میگیرد. کنترل مکانیزم جابجایی نیز با باز و بسته نمودن شیرهاي هیدرولیک طی زمان هاي تعیین شده صورت میگیرد .[2] در سال 2004 شرکت لام تکنولوژي4 در کشور ایتالیا، یک دستگاه چرخه حرارتی بانام تجاري تتذه1ع ساخت
کنترل اجزاي مختلف دستگاه چرخه حرارتی مدل ، با استفاده از یک رایانه شخصی صورت میگیرد. این دستگاه توسط ورودي یواس بی5 به رایانه متصل میشود. شرایط چرخه حرارتی با استفاده از یک برنامه رایانهاي، توسط کاربر در رایانه تعیین میشود. اطلاعات مربوط به حسگرهاي دما درون مخازن و موقعیت نمونهآزمایش - ماده دندانی - توسط دستگاه به رایانه ارسال میگردد. رایانه براساس شرایط انتخاب شده چرخه حرارتی و اطلاعات حسگرها اقدام به کنترل دستگاه مینماید .[4] هدف مقاله حاضر طراحی و ساخت کنترلري است که بتواند، بدون نیاز به رایانه و بهصورت فعال، مخزن آب گرم را در دماي انتخابی چرخه حرارتی نگاه دارد.
۲- مبانی طراحی
طراحی و کنترل مخزن آب گرم دستگاه چرخه حرارتی میبایست براساس ویژگیهاي کلی مورد انتظار چرخه هاي حرارتی صورت گیرد. از آنجا که تا کنون، استاندارد مشخصی در زمینه حدود دما و زمان چرخههاي حرارتی گزارش نشده است، ابتدا با بررسی مقالات موجود در زمینه چرخههاي حرارتی و نظر دانشکده دندانپزشکی دانشگاه علوم پزشکی جندي شاپور اهواز، حدود کلی دما و زمان مورد استفاده در چرخههاي حرارتی تعیین گردید. حدود تعیین شده بهصورت خلاصه در جدول - 1 - ارائه شدهاند. از اطلاعات این جدول به عنوان اساس طراحی و کنترل مخزن آب گرم دستگاه چرخه حرارتی استفاده میگردد. اغلب مواد دندانی شامل ترکیباتی از مس و آلیاژهاي فلزي هستند. بنابراین جنس نمونه آزمایش از مس و ابعاد آن بر اساس ابعاد متداول نمونههاي آزمایش، بهصورت یک مکعب به ضلع عط2 در نظر گرفته شده است.
جدول : 1 حدود پارامترهاي چرخه حرارتی مواد دندانی
طراحی هندسی و جزئیات مخزن آب گرم دستگاه چرخه حرارتی براساس مدل ریاضی آن در یک بخش جداگانه صورت گرفته است. گرمایش آب درون مخزن با استفاده از یک المنت الکتریکی 380 w صورت میگیرد. با استفاده از ابعاد محاسبه شده و درنظر گرفتن ارتباط مخزن با دیگر اجزاي دستگاه، شکل نهایی مخزن بهصورت یک پانل فایبرگلاس مکعب شکل قالبریزي شده است. نقشه پانل و تصویري از پانل ساخته شده در شکل - 1 - نشان داده شده است. مشخصات فیزیکی مخزن آب گرم نیز در جدول - 2 - ارائه شده است.
شکل : - 1 - پانل مخازن آب دستگاه چرخهحرارتی
الف : پانل یک پارچه از جنس فایبرگلاس
ب : برش نماي جلو مخزن
جدول : 2 مشخصات فیزیکی مخزن آب گرم دستگاه چرخه حرارتی
مخزن آب گرم باید بتواند دماي انتخابی بین ه80 – 45 ° را ایجاد و حفظ نماید. دقت مورد انتظار مخزن آب گرم براي نگهداري دماي آب درون مخزن، حول دماي انتخابی چرخه حرارتی ه1 ° میباشد.
-2 کنترل دماي مخزن آب گرم دستگاه چرخه حرارتی
در کنترل دماي مخزن آب گرم دستگاه چرخه حرارتی سعی بر آن است که بوسیله، روشن و خاموش نمودن یک المنت از طری ق یک مدار الکترونیکی ساده، دماي مخزن آب گرم را با دقت خوبی ثابت نگاه داشت. از آنجا که دقت اندازه گیري حسگر دما ه0/5 °و دقت مخزن آب گرم ه1 ° است، محدوده تغییر میانگین دماي آب درون مخزن - 11 - برابر ه0/5 ° درنظر گرفته شده است. با توجه به مشخصات فیزیکی مخزن آب گرم که در جدول - 2 - ارائه شده است، در هر چرخه حرارتی دماي آب درون مخزن ه0/25° کاهش می یابد. هر چرخه حرارتی با توجه به جدول - 1 - حداقل ک 40 به طول میانجامد. بنابراین در بدترین شرایط، پس از گذشت چهار چرخه - ک - 160 دماي مخزن ه° ١ از محدوده دماي تعیین شده فاصله میگیرد.
پس از هر بار ورود نمونه آزمایش به مخزن آب گرم یا خروج نمونه از آن، توزیع دماي آب درون مخزن در اثر تلاطم به هم میریزد و میتوان دماي اندازهگیري شده توسط حسگر را، دماي میانگین آب درون مخزن در نظر گرفت. کاهش دماي آب درون مخزن در مقایسه با پاسخ زمانی حسگر - ک - 10 روندي نسبتا آهسته طی مینماید.
