Nebrangus reometras: 11 žingsnių (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:44

Šios instrukcijos tikslas yra sukurti nebrangų reometrą, kad būtų galima eksperimentiškai nustatyti skysčio klampumą. Šį projektą sukūrė Browno universiteto bakalauro komanda ir magistrantūros studentai mechaninių sistemų vibracijos klasėje.

Reometras yra laboratorinis prietaisas, naudojamas skysčių klampumui matuoti (koks tirštas ar lipnus skystis - pagalvokite apie vandenį ir medų). Yra tam tikrų reometrų, kurie gali išmatuoti skysčių klampumą matuojant į skystį panardintos vibruojančios sistemos reakciją. Šiame pigių reometrų projekte mes sukūrėme vibracinę sistemą iš sferos ir spyruoklės, pritvirtintos prie garsiakalbio, kad būtų galima išmatuoti atsaką skirtingais dažniais. Iš šios reakcijos kreivės galite sužinoti skysčio klampumą.

Priedai:

Reikalingos medžiagos:

Būsto surinkimas:

• Medžio drožlių plokštė (11 colių x 9 colių aukščio) (čia) 1,19 USD
• 12 x 8-32 x 3/4 "šešiakampiai varžtai (čia) $ 9.24 total
• 12 x 8-32 šešiakampė veržlė (čia) 8,39 USD
• 4 x 6-32 x ½ "šešiakampis varžtas (čia) 9,95 USD
• 4 x 6-32 šešiakampė veržlė (čia) 5,12 USD
• 9/64 colių „Allen Key“(čia) 5,37 USD

Elektronika:

• 12 V maitinimo šaltinis (čia) 6,99 USD
• Stiprintuvas (čia) 10,99 USD
• „Aux Cable“(čia) 7,54 USD
• Jumper Wire (žr. Žemiau)
• Aligatoriaus spaustukai (čia) 5,19 USD
• Garsiakalbis (čia) 4,25 USD
• Atsuktuvas (čia) 5,99 USD

Pavasario ir sferos nustatymas:

• 3D spausdintuvo derva (kintama)
• 2 x akselerometrai (mes juos naudojome) 29,90 USD
• 10 x moterų ir vyrų vaivorykštės kabelių (čia) 4,67 USD
• 12 x vyrų ir vyrų vaivorykštės kabeliai (čia) 3,95 USD
• „Arduino Uno“(čia) 23,00 USD
• USB 2.0 kabelis nuo A iki B (čia) 3,95 USD
• Duonos lenta (čia) 2,55 USD
• Suspaudimo spyruoklės (mes jas naudojome) ??
• 2 x pasirinktinės jungtys (spausdinta 3D)
• 2 x ⅜ ''-16 šešiakampių veržlių (čia) 1,18 USD
• 4 x 8-32 varžtai (čia) $ 6.32
• 4 x ¼ ''-20 šešiakampė veržlė (aliuminis) (čia) 0,64 USD
• 2 x ″-20 colių srieginis strypas (aliuminis) (čia) 11,40 USD
• 7/64 "šešiabriaunis raktas
• 5/64 colių šešiakampis raktas
• 4 x 5x2mm 3/16 "x1/8" varžtai (čia) $ 8.69

Kiti

• Plastikinis puodelis (čia) 6,99 USD
• Skystis klampumui patikrinti (išbandėme karo sirupą, augalinį gliceriną, Hershey šokolado sirupą)

IŠ VISO KAINŲ: 183,45 USD*

*neapima 3D spausdintuvo dervos ar skysčio

Įrankiai

• Lazerinis pjoviklis
• 3D spausdintuvas

Reikalinga programinė įranga

• MATLAB
• Arduino

Failai ir kodas:

• „Adobe Illustrator“failas korpuso mazgui (Rheometer_Housing.ai)
• Garsiakalbių valdiklio GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• „Arduino“reometro failas (rheometer_project.ino)
• Sferos tinklelio failai (cor_0.9cmbody.stl ir cor_1.5cmbody.stl)
• Tinkintos jungties ASCII geometrijos failas („Connector_File.step“)
• MATLAB kodas 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB kodas 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB kodas 3 (reometer_foruser.m)

1 žingsnis: 1 dalis: sąranka

Kaip nustatyti eksperimentinę platformą.

2 žingsnis: 3D spausdinimas ir visų dalių pjaustymas lazeriu (pasirinktinės jungtys, sferos ir korpusas)

3 veiksmas: prijunkite elektroniką, kaip parodyta žemiau

Svarbu įsidėmėti: Nejunkite maitinimo į lizdą, kol nebus atlikti visi šio skyriaus veiksmai! VISADA IŠJUNKITE MAITINIMO MAITINIMĄ, PADARYDAMI KOKIUS PAKEITIMUS.

Norėdami pradėti, įsitikinkite, kad stiprintuvas yra uždėtas rankenėle į apačią. Prijunkite aligatoriaus spaustukus ir trumpiklius prie stiprintuvo kairiojo apačios gnybtų. Prijunkite maitinimo laidą ir jo jungiamąjį laidą prie stiprintuvo kairės pusės viršutinių gnybtų. Prisukite gnybtų jungčių galus, kad pritvirtintumėte vielos kaiščius. Įsitikinkite, kad teigiami ir neigiami gnybtai sutampa su stiprintuvo ir aligatoriaus spaustukų gnybtais prie garsiakalbio. Įsitikinkite, kad šie du spaustukai nesiliečia.

4 žingsnis: GUI sąranka

Dabar, kai elektronika yra nustatyta, galime išbandyti GUI, kuri leis mums valdyti garsiakalbį ir sukurti vibracinę sistemą, panardintą į mūsų skystį. Garsiakalbį valdys mūsų kompiuterio garso išvesties sistema. Pradėkite atsisiųsdami MATLAB ir aukščiau pateiktą GUI kodą. PASTABA: yra LED lempučių nustatymų, kurie nebus naudojami ir į juos reikia nekreipti dėmesio.

Atidarę MATLAB, komandų lange paleiskite „info = audiodevinfo“ir dukart spustelėkite parinktį „išvestis“. Raskite išorinių ausinių/garsiakalbių parinkties ID numerį. Priklausomai nuo jūsų įrenginio, tai bus kažkas panašaus į „Garsiakalbis / ausinės …“arba „Išorinis …“arba „Integruota išvestis …“. Nustatykite „Išorinio garsiakalbio ID“į šį ID numerį.

Dabar patikrinkime, ar mūsų sistema nustatyta teisingai. VISADA NUSUKITE SAVO KOMPIUTERIO GARSĄ. Atjunkite garso kabelį nuo kompiuterio ir prijunkite ausinių komplektą. Mes išbandysime ryšį, ar GUI siunčia signalą į purtyklę. Teksto lauke įveskite 60 Hz kaip važiavimo dažnį, kaip parodyta žemiau. (Šiame lauke priimamos vertės iki 150 Hz). Tai yra jūsų nustatymų priverstinis dažnis. Tada pastumkite važiavimo amplitudę iki maždaug 0,05. Tada paspauskite mygtuką „Įjungti sistemą“, kad išsiųstumėte signalą į ausines. Tai suaktyvins vieną iš ausinių kanalų (kairėje arba dešinėje). Padidinkite kompiuterio garsumą, kol pasigirs garsas. Paspauskite „Išjungti sistemą“, kai išgirsite garsinį toną, ir įsitikinkite, kad garsas nustoja skambėti. Norėdami pakeisti sistemos dažnį ar važiavimo amplitudę, kol ji veikia, paspauskite mygtuką „Atnaujinti nustatymus“.

5 žingsnis: sukurkite vibracinį masės mazgą

Dabar pradėsime surinkti vibruojančios masės sistemą, kurią panardinsime į savo skystį. Šiame žingsnyje nekreipkite dėmesio į akselerometrus ir sutelkite dėmesį į sferos, jungčių, šešiakampių veržlių ir spyruoklės surinkimą. Užfiksuokite plieninę šešiabriaunę veržlę kiekvienoje pasirinktinėje jungtyje su varžtais ir 5/64 colių šešiakampiu raktu. Prijunkite vieną iš jų prie sferos su aliuminio šešiakampiu veržle ir aliuminio srieginiu strypu. Sujunkite abu, kaip parodyta aukščiau. Galiausiai įsukite antrąjį srieginį strypą į viršutinę jungtį ir iš dalies užsukite aliuminio šešiakampę veržlę.

6 veiksmas: pridėkite akselerometrus ir „Arduino“

Naudodami aukščiau pateiktą schemą, prijunkite arduino prie akselerometrų. Norėdami sukurti ilgus vaivorykštės kabelius, naudokite laidus-vyriškus (diagramoje pavaizduoti kaip balta, pilka, violetinė, mėlyna ir juoda) ir prijunkite juos prie laidų-moterų (raudonų, geltonų, oranžinių, žalių ir ruda). Antrasis galas bus prijungtas prie akselerometrų. Įsitikinkite, kad „GND“(antžeminis) ir „VCC“(3,3 volto) akselerometro prievadai yra suderinti su duonos lenta ir kad „X“prievadas yra suderintas su „Arduino“A0 ir A3 prievadais.

Pritvirtinkite galutinius akselerometrus prie vibracinės masės agregato, naudodami 5x3 mm 3/16 "x1/8" varžtus. Kad „Arduino“kodas veiktų, turėsite įsitikinti, kad TOP pagreičio matuoklis yra prijungtas prie A0, o apačios - prie A3.

Norėdami nustatyti „Arduino“, pirmiausia atsisiųskite „arduino“programinę įrangą į savo kompiuterį. Prijunkite „Arduino“prie kompiuterio naudodami USB 2.0 kabelį. Atidarykite pateiktą failą arba nukopijuokite ir įklijuokite jį į naują failą. Eikite į įrankį viršutinėje juostoje ir užveskite pelės žymeklį virš „Board:“, kad pasirinktumėte „Arduino Uno“. Žemyn, užveskite pelės žymeklį virš „Uosto“ir pasirinkite „Arduino Uno“.

7 veiksmas: nustatykite galutinę sistemą

Paskutinis sąrankos žingsnis-viską sudėti! Pradėkite atplėšti aligatoriaus spaustukus nuo garsiakalbio ir įsukti garsiakalbį į korpuso korpuso viršų 6–32 x ½ colio šešiakampiais varžtais, 6–32 šešiabriaunėmis veržlėmis ir 9/64 colių šešiakampiu raktu. Tada įsukite vibracinės masės mazgą (su akselerometrais) į garsiakalbį. Norėdami gauti geriausią rezultatą, rekomenduojame pasukti garsiakalbį, kad nesusipainiotumėte akselerometro laidų. Priveržkite masę prie garsiakalbio aliuminio šešiakampiu veržle.

Galiausiai įkiškite tris korpuso puses į viršų. Pritvirtinkite korpuso mazgą naudodami 8-32 x 3/4 šešiakampius varžtus ir 8-32 šešiakampes veržles. Galiausiai vėl pritvirtinkite aligatoriaus spaustukus prie garsiakalbio. Jūs pasiruošę pradėti testavimą!

Pasirinkite norimą skystį ir užpildykite plastikinį puodelį, kol sfera bus visiškai panardinta. Jūs nenorite, kad sfera būtų iš dalies panardinta, tačiau taip pat būkite atsargūs, kad nepaskandintumėte rutulio taip toli, kad skystis prisiliestų prie šešiakampio aliuminio veržlės.

8 veiksmas: 2 dalis: Eksperimento vykdymas

Dabar, kai surinkimas baigtas, galime įrašyti savo duomenis. Peršviesite dažnius nuo 15 iki 75 Hz esant nustatytai važiavimo amplitudei. Rekomenduojame didinti 5 Hz, bet tai galima pakeisti, kad būtų gauti tikslesni rezultatai. „Arduino“įrašys tiek garsiakalbio (viršutinis pagreičio matuoklis), tiek sferos (apatinis akselerometras) pagreitį, kurį įrašysite csv faile. Pateiktas MATLAB kodas 1 ir 2 bus nuskaitytas csv reikšmėse kaip atskiri stulpeliai, atliks dviejų signalų Furjė transformaciją, kad sumažintų signalo triukšmą, ir išspausdins gautą viršutinio ir apatinio akselerometro amplitudės santykį. „MATLAB Code 3“priima šiuos amplitudės koeficientus ir pradinį spėjamą klampumą bei nubrėžia eksperimentinius ir apskaičiuotus santykius su dažniais. Keisdami savo spėjamą klampumą ir vizualiai palyginę šį spėjimą su eksperimentiniais duomenimis, galėsite nustatyti savo skysčio klampumą.

Išsamų MATLAB kodo paaiškinimą rasite pridedamoje techninėje dokumentacijoje.

9 veiksmas: duomenų įrašymas į CSV

Norėdami pradėti įrašyti duomenis, pirmiausia įsitikinkite, kad sąranka baigta, kaip aprašyta 1 dalyje. Įsitikinkite, kad stiprintuvas prijungtas prie maitinimo lizdo. Įkelkite „Arduino“kodą į savo įrenginį spustelėdami mygtuką „Įkelti“viršutiniame dešiniajame kampe. Sėkmingai įkėlę, eikite į „Įrankiai“ir pasirinkite „Serijinis monitorius“. Įsitikinkite, kad kai atidarote „Serial Monitor“arba „Serial Plotter“, kad baudų skaičius yra lygus baudos skaičiui kode (115200). Pamatysite du generuojamus duomenų stulpelius, kurie yra viršutinio ir apatinio akselerometro rodmenys.

Atidarykite „MATLAB GUI“ir eksperimentui pasirinkite važiavimo amplitudę (mes naudojome 0,08 ir 0,16 amperų). Peržiūrėsite 15–75 Hz dažnius, įrašydami duomenis kas 5 Hz (iš viso 13 duomenų rinkinių). Pradėkite nustatydami važiavimo dažnį iki 15 Hz ir įjunkite sistemą paspausdami mygtuką „Įjungti sistemą“. Tai įjungs garsiakalbį, sukels sferą ir nustatys vibraciją aukštyn ir žemyn. Grįžkite į „Arduino“serijos monitorių ir paspauskite „Išvalyti išvestį“, kad pradėtumėte rinkti naujus duomenis. Leiskite šiai sąrankai veikti maždaug 6 sekundes, tada atjunkite „Arduino“nuo kompiuterio. Serijinis monitorius sustabdys įrašymą, leisdamas rankiniu būdu nukopijuoti ir įklijuoti apie 4 500–5 000 duomenų įrašų į csv failą. Padalinkite du duomenų stulpelius į du atskirus stulpelius (1 ir 2 stulpeliai). Pervardykite šį csv „15hz.csv“.

Prijunkite „Arduino“atgal į kompiuterį (būtinai iš naujo nustatykite prievadą) ir pakartokite šį procesą 20 Hz, 25 Hz,… 75 Hz dažniams, būtinai laikykitės CSV failų pavadinimų. Daugiau informacijos apie tai, kaip šiuos failus skaito MATLAB, rasite techniniame dokumente.

Jei norite stebėti amplitudės santykio pokyčius per dažnį, galite papildomai naudoti „Arduino“serijos braižytuvą, kad vizualiai pastebėtumėte šį skirtumą.

10 veiksmas: apdorokite savo duomenis naudodami MATLAB kodą

Kai eksperimentiniai duomenys bus gauti CSV failų pavidalu, kitas žingsnis yra naudoti mūsų pateiktą kodą duomenims apdoroti. Išsamias kodo naudojimo instrukcijas ir matematikos paaiškinimus rasite mūsų techniniame dokumente. Tikslas yra gauti viršutinio ir apatinio akselerometro pagreičio amplitudę, tada apskaičiuoti apatinės amplitudės ir viršutinės amplitudės santykį. Šis santykis apskaičiuojamas kiekvienam vairavimo dažniui. Tada santykiai nubraižomi kaip važiavimo dažnio funkcija.

Gavus šį grafiką, skysčio klampumui nustatyti naudojamas kitas kodų rinkinys (dar kartą detalizuotas techniniame dokumente). Šis kodas reikalauja, kad vartotojas įvestų pradinį klampumo spėjimą, ir labai svarbu, kad šis pradinis spėjimas būtų mažesnis už tikrąjį klampumą, todėl būtinai atspėkite labai mažą klampumą, kitaip kodas neveiks tinkamai. Kai kodas suras klampumą, atitinkantį eksperimentinius duomenis, jis sugeneruos panašų į žemiau pateiktą grafiką ir parodys galutinę klampumo vertę. Sveikiname baigus eksperimentą!

11 veiksmas: failai

Arba:

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