Rheometer בעלות נמוכה: 11 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:11

מטרתו של מדריך זה היא ליצור רומטר בעלות נמוכה למציאת ניסוי צמיגות הנוזל. פרויקט זה נוצר על ידי צוות של סטודנטים לתואר ראשון ושני באוניברסיטת בראון בכיתה רטט של מערכות מכניות.

Rheometer הוא מכשיר מעבדה המשמש למדידת צמיגות הנוזלים (עד כמה נוזל סמיך או דביק - חשוב מים לעומת דבש). ישנם rheometers מסוימים שיכולים למדוד את צמיגות הנוזלים על ידי מדידת התגובה של מערכת רוטטת שקועה בנוזל. בפרויקט ריאומטר בעלות נמוכה זו, יצרנו מערכת רוטטת מכדור ומעיין המחוברים לרמקול כדי למדוד את התגובה בתדרים שונים. עקומת תגובה זו ניתן למצוא את צמיגות הנוזל.

אספקה:

חומרים דרושים:

מכלול דיור:

• לוח חלקיקים (11 '' W x 9 '' H) (כאן) $ 1.19
• 12 x 8-32 x 3/4 "ברגי ראש משושה (כאן) $ 9.24 סך הכל
• 12 x 8-32 אגוז משושה (כאן) $ 8.39
• 4 x 6-32 x ½ "בורג ראש משושה (כאן) $ 9.95
• 4 x 6-32 אגוז משושה (כאן) $ 5.12
• 9/64 אינץ 'אלן מפתח (כאן) $ 5.37

מכשירי חשמל:

• ספק כוח 12V (כאן) $ 6.99
• מגבר (כאן) $ 10.99
• Aux Cable (כאן) $ 7.54
• חוט מגשר (ראה להלן)
• קטעי תנין (כאן) $ 5.19
• רמקול (כאן) $ 4.25
• מברג בורג (כאן) $ 5.99

הגדרת אביב וכדור:

• שרף מדפסת תלת מימד (משתנה)
• 2 x מדי תאוצה (השתמשנו אלה) 29.90 $
• 10 x כבלי קשת נקבה-זכר (כאן) $ 4.67
• 12 x כבלי קשת זכר-זכר (כאן) $ 3.95
• Arduino Uno (כאן) $ 23.00
• כבל USB 2.0 סוג A עד B (כאן) $ 3.95
• לוח לחם (כאן) $ 2.55
• מעיינות דחיסה (השתמשנו אלה) ??
• 2 x מחברים מותאמים אישית (מודפסים בתלת מימד)
• 2 x ⅜ ''-16 אגוזי משושה (כאן) $ 1.18
• 4 x 8-32 ברגי סט (כאן) $ 6.32
• 4 x ¼ ''-20 אגוז משושה (אלומיניום) (כאן) $ 0.64
• 2 x ¼ ''-20 '' מוט מושחל (אלומיניום) (כאן) $ 11.40
• 7/64 '' אלן מפתח
• 5/64 '' אלן מפתח
• ברגים 4 x 5x2 מ"מ 3/16 "x1/8" (כאן) $ 8.69

אַחֵר

• כוס פלסטיק (כאן) $ 6.99
• נוזל לבדיקת צמיגות (בדקנו סירופ קארו, גליצרין צמחי, סירופ שוקולד של הרשי)

עלות כוללת: $ 183.45*

*אינו כולל שרף מדפסת תלת מימד או נוזל

כלים

• חותך לייזר
• מדפסת תלת מימד

דרושה תוכנה

• MATLAB
• ארדואינו

קבצים וקוד:

• קובץ Adobe Illustrator עבור מכלול הדיור (Rheometer_Housing.ai)
• בקר רמקול GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• קובץ Rheometer Arduino (rheometer_project.ino)
• קבצי רשת כדוריים (cor_0.9cmbody.stl ו- cor_1.5cmbody.stl)
• קובץ גיאומטריה מותאם אישית של מחבר ASCII (Connector_File.step)
• קוד MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• קוד MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• קוד MATLAB 3 (rheometer_foruser.m)

שלב 1: חלק 1: הגדרה

כיצד להתקין את הפלטפורמה הניסיונית.

שלב 2: הדפסה תלת מימדית וחיתוך לייזר של כל החלקים (מחברים מותאמים אישית, כדורים ודיור)

שלב 3: חבר את מוצרי החשמל כפי שמוצג להלן

חשוב לשים לב: אין לחבר את ספק הכוח לשקע עד להשלמת כל השלבים בסעיף זה! תמיד נתק את אספקת החשמל בעת ביצוע שינויים.

כדי להתחיל, ודא שהמגבר ממוקם כשהכפתור כלפי מטה. חבר את קליפסי התנין וחוטי המגשר למסופים הימניים התחתונים של המגבר. חבר את כבל החשמל וחוט המגשר שלו למסופי היד השמאלית במגבר. הברג את קצות חיבור הטרמינל כדי לאבטח את סיכות החוט. ודא שהמסופים החיוביים והשליליים תואמים כראוי את הטרמינלים שבמגבר והצמדו את קליפי התנין לרמקול. וודא ששני הקליפים הללו אינם באים במגע.

שלב 4: הגדרת GUI

כעת, כאשר האלקטרוניקה מוגדרת, אנו יכולים לבדוק את ה- GUI שיאפשר לנו להניע את הרמקול וליצור את המערכת הרוטטת שקועה בנוזל שלנו. הרמקול יהיה נשלט על ידי מערכת פלט השמע במחשב שלנו. התחל בהורדת MATLAB וקוד ה- GUI הכלול למעלה. הערה: ישנן הגדרות של נורות LED שלא ישמשו אותן ויש להתעלם מהן.

לאחר שפתחת את MATLAB, הפעל את הדברים הבאים בחלון הפקודה, "info = audiodevinfo" ולחץ פעמיים על האפשרות 'פלט'. מצא את מספר הזיהוי של האוזניות/הרמקולים החיצוניים. זה יהיה משהו כמו "רמקול / אוזניות …" או "חיצוני …" או "פלט מובנה …" בהתאם למכשיר שלך. הגדר את "מזהה הרמקול החיצוני" למספר מזהה זה.

כעת נבדוק שהמערכת שלנו מוגדרת כהלכה. הפוך את נפח המחשב למטה לאורך כל הדרך. נתק את כבל האודיו מהמחשב ובמקום זה חבר סט אוזניות נבדוק את החיבור כדי שה- GUI ישלח אות לשייקר. הזן 60 הרץ כתדר הנסיעה בשדה הטקסט כפי שמוצג להלן. (שדה זה מקבל ערכים עד 150 הרץ). זוהי תדירות האילוץ של ההתקנה שלך. לאחר מכן, החלק את משרעת הנהיגה עד לערך של כ- 0.05. לאחר מכן, לחץ על כפתור "הפעל מערכת" כדי לשלוח אות לאוזניות שלך. זה יפעיל את אחד הערוצים (משמאל או מימין) של האוזניות שלך. הגבירו את עוצמת הקול של המחשב עד שישמע צליל. לחץ על "כבה את המערכת" ברגע שישמע צליל קולי וודא שהצליל מפסיק לנגן. כדי לשנות את התדירות או את משרעת הנהיגה של המערכת בזמן שהיא פועלת, לחץ על כפתור "רענן הגדרות".

שלב 5: צור את מכלול ההמונים הרוטטים

כעת נתחיל להרכיב את מערכת ההמונים הרוטטת אותה נטבול בנוזל שלנו. התעלם ממד התאוצה בשלב זה והתמקד בהרכבת הכדור, מחברים, אגוזי משושה וקפיץ. אבטח אגוז משושה מפלדה בכל אחד מהמחברים המותאמים אישית באמצעות ברגי סט ומפתח אלן 5/64 אינץ '. חבר אחד מאלה לכדור עם אגוז משושה מאלומיניום ומוט הברגה מאלומיניום. שלב את שניהם כפי שמוצג למעלה. לבסוף, הברג את מוט ההברגה השני למחבר העליון והברג חלקית על אגוז משושה מאלומיניום.

שלב 6: הוסף את מד התאוצה וארדואינו

בעזרת התרשים לעיל, חבר את הארדואינו למד התאוצה. כדי ליצור את כבלי הקשת הארוכים, השתמש בחוטי הזכר-זכר (בתמונה בתרשים כשלבן, אפור, סגול, כחול ושחור) וחבר אותם לחוטי נקבה-זכר (אדום, צהוב, כתום, ירוק, ו חום). הקצה השני יתחבר למד התאוצה. וודא כי יציאות מד התאוצה "GND" (הקרקע) ו- "VCC" (3.3 וולט) מותאמות ללוח הלחם וכי יציאת "X" מותאמת ליציאות A0 ו- A3 בארדואינו.

חבר את מדי התאוצה הסופיים למכלול המסה הרוטטת בעזרת ברגים 5x3 מ מ 3/16'x1/8 '. יהיה עליך לוודא שמד התאוצה TOP מחובר ל- A0 ומד התאוצה BOTTOM ל- A3 על מנת שקוד הארדואינו יפעל.

כדי להגדיר את הארדואינו עצמו, הורד תחילה את תוכנת הארדואינו למחשב שלך. חבר את ה- Arduino למחשב שלך באמצעות כבל USB 2.0. פתח את הקובץ שסופק או העתק והדבק אותו בקובץ חדש. נווט אל הכלי בסרגל העליון והרחף מעל "לוח:" כדי לבחור את ה- Arduino Uno. אחת למטה, רחף מעל "יציאה" ובחר Arduino Uno.

שלב 7: הגדר את המערכת הסופית

השלב האחרון בהגדרה-חיבור הכל! התחל בנתק את קליפי התנין מהרמקול והברג את הרמקול בחלק העליון של מכלול הדיור בעזרת הברגים 6-32 x ½ '' ראש משושה, 6-32 אגוז משושה ומפתח אלן 9/64 ''. לאחר מכן, הברג את מכלול המסה הרוטטת (עם מד התאוצה) לתוך הרמקול. לקבלת התוצאה הטובה ביותר, אנו ממליצים להפוך את הרמקול כדי להימנע מסבך חוטי מד התאוצה. הדק את המסה לרמקול בעזרת אגוז המשושה מאלומיניום.

לבסוף, החריץ את שלושת צדי מכלול הדיור למעלה. אבטח את מכלול הדיור בעזרת ברגי ראש המשושה בגודל 8-32 x 3/4 אינצ 'ו -8-32 אגוזים משושה. לבסוף, חבר מחדש את קליפי התנין לרמקול. אתה מוכן להתחיל בבדיקות!

בחר את הנוזל המועדף עליך ומלא את כוס הפלסטיק עד שהכדור שקוע לחלוטין. אינך רוצה שהכדור יהיה שקוע חלקית, אך היזהר גם שלא להטביע את הכדור עד כדי כך שהנוזל נוגע באום האלומיניום המשושה.

שלב 8: חלק 2: הפעלת הניסוי

כעת, לאחר שסיימנו את ההרכבה שלנו, אנו יכולים להקליט את הנתונים שלנו. תוכלו לטאטא בין תדרים בין 15 - 75 הרץ במשרעת נהיגה קבועה. אנו ממליצים על מרווחים של 5 הרץ, אך ניתן לשנות זאת לתוצאות מדויקות יותר. הארדואינו יתעד הן את האצה של הרמקול (מד תאוצה עליון) והן את הכדור (מד תאוצה תחתון) שתקליטו בקובץ csv. קוד MATLAB 1 & 2 המסופק יקרא בערכי ה- csv כעמודות נפרדות, יעשה טרנספורמציה של ארבע אותות כדי להרעיש את האות, וידפיס את יחס המשרעת המתקבל של מד התאוצה העליון והתחתון. קוד MATLAB 3 יקבל את יחסי המשרעת הללו ואת צמיגות הניחוש הראשונית וישרטט את היחסים הניסיוניים והמחושבים מול התדרים. על ידי שינוי הצמיגות הניחשת והשוואת ניחוש חזותי זה לנתוני הניסוי, תוכל לקבוע את צמיגות הנוזל שלך.

להסבר מעמיק על קוד MATLAB, עיין בתיעוד הטכני המצורף.

שלב 9: הקלטת נתונים ב- CSV

כדי להתחיל להקליט נתונים, ודא תחילה שההגדרה שלך הושלמה כמתואר בחלק 1. ודא שהמגבר מחובר לשקע חשמל. העלה את קוד הארדואינו למכשיר שלך על ידי לחיצה על כפתור "העלה" בפינה השמאלית העליונה. לאחר העלאתו בהצלחה, נווט אל "כלים" ובחר "צג סידורי". וודא שכאשר אתה פותח צג סידורי או פלוטר סידורי מספר הבודד שווה למספר הבוד בקוד (115200). תראה שתי עמודות של נתונים הנוצרים, קריאות מד התאוצה העליונות והתחתונות.

פתח את ממשק המשתמש MATLAB ובחר משרעת נהיגה לניסוי שלך (השתמשנו ב -0.08 אמפר וב -0.16 אמפר). תוכלו לטאטא בין התדרים 15 - 75 הרץ, להקליט נתונים כל 5 הרץ (13 סטים של נתונים סך הכל). התחל בהגדרת תדר הנסיעה ל- 15 הרץ והפעל את המערכת על ידי לחיצה על "הפעל את המערכת". פעולה זו תפעיל את הרמקול שלך, תגרום לכדור ולהתחיל לרטוט למעלה ולמטה. חזור לצג הסידורי של Arduino ולחץ על "נקה פלט" כדי להתחיל לאסוף נתונים טריים. תן לתוכנית זו לפעול במשך כ -6 שניות ולאחר מכן נתק את ה- Arduino מהמחשב שלך. הצג הסידורי יפסיק את ההקלטה, ומאפשר לך להעתיק ולהדביק באופן ידני כ -4, 500-5, 000 רשומות נתונים לקובץ csv. פיצול שתי עמודות הנתונים לשתי עמודות נפרדות (עמודות 1 ו -2). שנה את שם ה- csv הזה ל- "15hz.csv".

חבר את ה- Arduino שלך בחזרה למחשב (הקפד לאפס את היציאה) וחזור על תהליך זה בתדרים של 20 הרץ, 25 הרץ, … 75 הרץ והקפד לעקוב אחר מוסכמת השמות של קבצי CSV. עיין במסמך הטכני למידע נוסף על אופן קריאת קבצים אלה על ידי MATLAB.

אם ברצונך לראות את שינויי יחסי המשרעת על פני טאטאת התדרים, תוכל בנוסף להשתמש בפלוטר הסידורי של Arduino כדי להתבונן חזותית בהבדל זה.

שלב 10: עיבד את הנתונים שלך באמצעות קוד MATLAB

לאחר שיתקבלו נתונים ניסיוניים בצורה של קבצי CSV, השלב הבא הוא להשתמש בקוד המצורף שלנו לעיבוד הנתונים. לקבלת הוראות מפורטות על השימוש בקוד והסבר על המתמטיקה הבסיסית, עיין במסמך הטכני שלנו. המטרה היא להשיג את משרעת ההאצה של מד התאוצה העליון והתחתון, ואז לחשב את היחס בין המשרעת התחתונה למשרעת העליונה. יחס זה מחושב לכל תדר נהיגה. היחסים מתווים לאחר מכן כפונקציה של תדירות הנהיגה.

לאחר קבלת עלילה זו, משתמשים בקבוצת קוד נוספת (המפורטת שוב במסמך הטכני) לקביעת צמיגות הנוזל. קוד זה דורש מהמשתמש להזין ניחוש ראשוני לגבי הצמיגות, וחיוני כי ניחוש ראשוני זה יהיה נמוך מהצמיגות בפועל, לכן הקפד לנחש צמיגות נמוכה מאוד אחרת הקוד לא יפעל כראוי. לאחר שהקוד מצא צמיגות התואמת את נתוני הניסוי, הוא ייצור עלילה כמו זו המוצגת להלן ויציג את ערך הצמיגות הסופי. ברכות על השלמת הניסוי!

שלב 11: קבצים

לחלופין:

drive.google.com/file/d/1mqTwCACTO5cjDKdUSCUUhqhT9K6QMigC/view?usp=sharing