Ρεόμετρο χαμηλού κόστους: 11 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Ο σκοπός αυτού του οδηγού είναι να δημιουργήσει ένα ρεόμετρο χαμηλού κόστους για να βρει πειραματικά το ιξώδες ενός ρευστού. Αυτό το έργο δημιουργήθηκε από μια ομάδα πανεπιστημίου Brown University και μεταπτυχιακούς φοιτητές στην τάξη Δόνηση μηχανικών συστημάτων.

Το ρεόμετρο είναι μια εργαστηριακή συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του ιξώδους των υγρών (πόσο παχύ ή κολλώδες είναι ένα υγρό - σκεφτείτε το νερό έναντι του μελιού). Υπάρχουν ορισμένα ρεόμετρα που μπορούν να μετρήσουν το ιξώδες των υγρών μετρώντας την απόκριση ενός δονητικού συστήματος βυθισμένου σε ένα ρευστό. Σε αυτό το έργο ρεομέτρου χαμηλού κόστους, δημιουργήσαμε ένα σύστημα δόνησης από μια σφαίρα και ένα ελατήριο προσαρτημένο σε ένα ηχείο για τη μέτρηση της απόκρισης σε διαφορετικές συχνότητες. Από αυτήν την καμπύλη απόκρισης, μπορείτε να βρείτε το ιξώδες του ρευστού.

Προμήθειες:

Χρειαζονται ΥΛΙΚΑ:

Συνέλευση στέγασης:

• Πίνακας σωματιδίων (11’’ Π x 9’’ Η) (εδώ) $ 1,19
• 12 x 8-32 x 3/4 "Εξάγωνες βίδες κεφαλής (εδώ) 9,24 $ συνολικά
• 12 x 8-32 Εξαγωνικό παξιμάδι (εδώ) 8,39 $
• 4 x 6-32 x ½’’ Εξάγωνη βίδα κεφαλής (εδώ) $ 9,95
• 4 x 6-32 Εξαγωνικό παξιμάδι (εδώ) 5,12 $
• 9/64 "" Allen Key (εδώ) 5,37 $

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΙΔΗ:

• Τροφοδοτικό 12V (εδώ) 6,99 $
• Ενισχυτής (εδώ) 10,99 $
• Καλώδιο Aux (εδώ) 7,54 $
• Jumper Wire (δείτε παρακάτω)
• Κλιπ Αλιγάτορα (εδώ) 5,19 $
• Ηχείο (εδώ) 4,25 $
• Screw Driver (εδώ) 5,99 $

Ρύθμιση Άνοιξης & Σφαίρας:

• Τρισδιάστατη ρητίνη εκτυπωτή (μεταβλητή)
• 2 x επιταχυνσιόμετρα (τα χρησιμοποιήσαμε) 29,90 $
• 10 x θηλυκά-αρσενικά καλώδια ουράνιου τόξου (εδώ) $ 4,67
• 12 x αρσενικά-αρσενικά καλώδια ουράνιου τόξου (εδώ) 3,95 $
• Arduino Uno (εδώ) 23,00 $
• Καλώδιο USB 2.0 τύπου Α έως Β (εδώ) 3,95 $
• Πίνακας ψωμιού (εδώ) $ 2,55
• Ελατήρια συμπίεσης (τα χρησιμοποιήσαμε);;
• 2 x προσαρμοσμένοι σύνδεσμοι (τρισδιάστατη εκτύπωση)
• 2 x ⅜’’-16 Εξάγωνοι ξηροί καρποί (εδώ) $ 1,18
• 4 x 8-32 Σετ βιδών (εδώ) 6,32 $
• 4 x ¼’’-20 Εξάγωνο παξιμάδι (Αλουμίνιο) (εδώ) 0,64 $
• 2 x ¼’’-20’’ ράβδος με σπείρωμα (Αλουμίνιο) (εδώ) 11,40 $
• 7/64 '' Allen Key
• 5/64 '' Allen Key
• Βίδες 4 x 5x2mm 3/16’’x1/8’’ (εδώ) 8,69 $

Αλλα

• Πλαστικό Κύπελλο (εδώ) 6,99 $
• Υγρό για έλεγχο ιξώδους (δοκιμάσαμε σιρόπι καρό, φυτική γλυκερίνη, σιρόπι σοκολάτας Hershey)

ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΚΟΣΤΟΣ: $ 183,45*

*δεν περιλαμβάνει ρητίνη ή υγρό τρισδιάστατου εκτυπωτή

Εργαλεία

• Κόφτης λέιζερ
• Τρισδιάστατος εκτυπωτής

Απαιτείται λογισμικό

• MATLAB
• Arduino

Αρχεία και Κωδικός:

• Αρχείο Adobe Illustrator για το συγκρότημα περιβλήματος (Rheometer_Housing.ai)
• GUI Speaker Controller (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino Rheometer File (rheometer_project.ino)
• Αρχεία πλέγματος σφαιρών (cor_0.9cmbody.stl και cor_1.5cmbody.stl)
• Προσαρμοσμένο αρχείο γεωμετρίας σύνδεσης ASCII (Connector_File.step)
• Κωδικός MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Κωδικός MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• Κωδικός MATLAB 3 (rheometer_foruser.m)

Βήμα 1: Μέρος 1: Ρύθμιση

Πώς να ρυθμίσετε την πειραματική πλατφόρμα.

Βήμα 2: Τρισδιάστατη εκτύπωση και κοπή όλων των εξαρτημάτων με λέιζερ (προσαρμοσμένοι σύνδεσμοι, σφαίρες και κατοικίες)

Βήμα 3: Συνδέστε τα Ηλεκτρονικά όπως φαίνεται παρακάτω

Σημαντικό να σημειωθεί: Μην συνδέετε το τροφοδοτικό στην πρίζα μέχρι να ολοκληρωθούν όλα τα βήματα σε αυτήν την ενότητα! ΠΑΝΤΑ ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΣΤΕ ΤΗΝ ΤΡΟΦΟΔΟΤΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΟΤΑΝ ΚΑΝΕΤΕ ΑΛΛΑΓΕΣ.

Για να ξεκινήσετε, βεβαιωθείτε ότι ο ενισχυτής είναι τοποθετημένος με το κουμπί στραμμένο προς τα έξω. Συνδέστε τους συνδετήρες αλιγάτορα και τα καλώδια βραχυκυκλωτήρων στους αριστερούς κάτω ακροδέκτες του ενισχυτή. Συνδέστε το καλώδιο τροφοδοσίας και το καλώδιο βραχυκυκλωτήρα του στους αριστερούς ακροδέκτες του ενισχυτή. Βιδώστε τις άκρες σύνδεσης του ακροδέκτη για να ασφαλίσετε τις ακίδες των καλωδίων. Βεβαιωθείτε ότι οι θετικοί και οι αρνητικοί ακροδέκτες ευθυγραμμίζονται σωστά με τους ακροδέκτες στα κλιπ αλιγάτορα ενισχυτή και κλιπ στο ηχείο. Βεβαιωθείτε ότι αυτά τα δύο κλιπ δεν έρχονται σε επαφή.

Βήμα 4: Ρύθμιση GUI

Τώρα που τα ηλεκτρονικά έχουν ρυθμιστεί, μπορούμε να δοκιμάσουμε το GUI που θα μας επιτρέψει να οδηγήσουμε το ηχείο και να δημιουργήσουμε το δονητικό σύστημα βυθισμένο στο υγρό μας. Το ηχείο θα ελέγχεται από το σύστημα εξόδου ήχου στον υπολογιστή μας. Ξεκινήστε κατεβάζοντας το MATLAB και τον κωδικό GUI που περιλαμβάνεται παραπάνω. ΣΗΜΕΙΩΣΗ: υπάρχουν ρυθμίσεις LED Lights που δεν θα χρησιμοποιηθούν και θα πρέπει να αγνοηθούν.

Αφού ανοίξετε το MATLAB, εκτελέστε τα ακόλουθα στο παράθυρο εντολών, "info = audiodevinfo" και κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "έξοδος". Βρείτε τον αριθμό ταυτότητας για την επιλογή εξωτερικών ακουστικών/ηχείου. Θα είναι κάτι σαν "Ηχείο / Ακουστικά …" ή "Εξωτερικά …" ή "Ενσωματωμένη έξοδος …" ανάλογα με το μηχάνημά σας. Ορίστε το "Εξωτερικό αναγνωριστικό ηχείου" σε αυτόν τον αριθμό ταυτότητας.

Τώρα ας δοκιμάσουμε ότι το σύστημά μας έχει ρυθμιστεί σωστά. ΓΥΡΙΣΤΕ ΤΟΝ ΤΟΜΟ ΤΟΥ Η / Υ ΣΑΣ ΟΛΟΥ ΤΟΝ ΤΡΟΠΟ. Αποσυνδέστε το καλώδιο ήχου από τον υπολογιστή σας και, αντ 'αυτού, συνδέστε ένα σετ ακουστικών. Θα δοκιμάσουμε τη σύνδεση ώστε το GUI να στείλει ένα σήμα στο shaker. Εισαγάγετε 60 Hz ως συχνότητα οδήγησης στο πεδίο κειμένου όπως φαίνεται παρακάτω. (Αυτό το πεδίο δέχεται τιμές έως 150 Hz). Αυτή είναι η αναγκαστική συχνότητα για τη ρύθμιση σας. Στη συνέχεια, σύρετε το πλάτος οδήγησης έως μια τιμή περίπου 0,05. Στη συνέχεια, πατήστε το κουμπί "Ενεργοποίηση συστήματος" για να στείλετε ένα σήμα στα ακουστικά σας. Αυτό θα ενεργοποιήσει ένα από τα κανάλια (αριστερά ή δεξιά) των ακουστικών σας. Αυξήστε την ένταση του υπολογιστή σας μέχρι να ακουστεί ένας ήχος. Πατήστε το "Απενεργοποιήστε το σύστημα" μόλις ακουστεί ένας ήχος και βεβαιωθείτε ότι ο ήχος σταματά να παίζει. Για να αλλάξετε τη συχνότητα ή το πλάτος οδήγησης του συστήματός σας ενώ λειτουργεί, πατήστε το κουμπί "Ανανέωση ρυθμίσεων".

Βήμα 5: Δημιουργήστε τη Συνέλευση Δόνησης Μάζας

Θα αρχίσουμε τώρα να συναρμολογούμε το δονούμενο σύστημα μάζας που θα βυθίσουμε στο υγρό μας. Αγνοήστε τα επιταχυνσιόμετρα σε αυτό το βήμα και επικεντρωθείτε στη συναρμολόγηση της σφαίρας, των συνδετήρων, των εξαγωνικών παξιμαδιών και του ελατηρίου. Ασφαλίστε ένα χαλύβδινο εξάγωνο παξιμάδι σε κάθε έναν από τους προσαρμοσμένους συνδετήρες με βίδες και το κλειδί Allen 5/64 . Συνδέστε ένα από αυτά στη σφαίρα με εξάγωνο παξιμάδι αλουμινίου και ράβδο με σπείρωμα αλουμινίου. Συνδυάστε και τα δύο όπως φαίνεται παραπάνω. Τέλος, βιδώστε τη δεύτερη ράβδο με σπείρωμα στο επάνω βύσμα και βιδώστε εν μέρει ένα εξάγωνο παξιμάδι αλουμινίου.

Βήμα 6: Προσθέστε τα επιταχυνσιόμετρα & το Arduino

Χρησιμοποιώντας το παραπάνω διάγραμμα, συνδέστε το arduino στα επιταχυνσιόμετρα. Για να δημιουργήσετε τα μακριά καλώδια του ουράνιου τόξου, χρησιμοποιήστε τα αρσενικά-αρσενικά σύρματα (που απεικονίζονται στο διάγραμμα ως το λευκό, γκρι, μοβ, μπλε και μαύρο) και συνδέστε τα με τα θηλυκά-αρσενικά καλώδια (κόκκινο, κίτρινο, πορτοκαλί, πράσινο και καφέ). Το δεύτερο άκρο θα συνδεθεί με τα επιταχυνσιόμετρα. Βεβαιωθείτε ότι οι θύρες επιταχυνσιόμετρου "GND" (Ground) και "VCC" (3,3 Volts) ταιριάζουν με το breadboard και ότι η θύρα "X" ταιριάζει με τις θύρες A0 και A3 στο Arduino.

Συνδέστε τα τελικά επιταχυνσιόμετρα στο συγκρότημα Δόνησης Μάζας χρησιμοποιώντας βίδες 5x3mm 3/16’’x1/8’’. Θα πρέπει να βεβαιωθείτε ότι το TOP επιταχυνσιόμετρο είναι συνδεδεμένο στο A0 και το BOTTOM επιταχυνσιόμετρο στο A3 για να λειτουργήσει ο κώδικας Arduino.

Για να ρυθμίσετε το ίδιο το Arduino, κατεβάστε πρώτα το λογισμικό arduino στον υπολογιστή σας. Συνδέστε το Arduino στον υπολογιστή σας χρησιμοποιώντας το καλώδιο USB 2.0. Ανοίξτε το παρεχόμενο αρχείο ή αντιγράψτε και επικολλήστε το σε νέο αρχείο. Μεταβείτε στο Εργαλείο στην επάνω γραμμή και τοποθετήστε το δείκτη του ποντικιού πάνω από το "Board:" για να επιλέξετε το Arduino Uno. Ένα προς τα κάτω, τοποθετήστε το δείκτη του ποντικιού πάνω από το "Port" και επιλέξτε Arduino Uno.

Βήμα 7: Ρύθμιση του τελικού συστήματος

Το τελευταίο βήμα της ρύθμισης-όλα μαζί! Ξεκινήστε ξεβιδώνοντας τους συνδετήρες αλιγάτορα από το ηχείο και βιδώνοντας το ηχείο στην κορυφή του συγκροτήματος του περιβλήματος με τις 6-32 x ½’’ εξάγωνες βίδες κεφαλής, 6-32 εξάγωνο παξιμάδι και το κλειδί Allen 9/64’’. Στη συνέχεια, βιδώστε τη διάταξη δόνησης μάζας (με τα επιταχυνσιόμετρα) στο ηχείο. Για το καλύτερο αποτέλεσμα, συνιστούμε να γυρίσετε το ηχείο για να αποφύγετε να μπερδέψετε τα καλώδια του επιταχυνσιόμετρου. Σφίξτε τη μάζα στο ηχείο με το εξάγωνο παξιμάδι αλουμινίου.

Τέλος, τοποθετήστε τις τρεις πλευρές του συγκροτήματος περιβλήματος στην κορυφή. Ασφαλίστε τη διάταξη του περιβλήματος χρησιμοποιώντας τις εξάγωνες βίδες 8-32 x 3/4 '' και τα εξάγωνα παξιμάδια 8-32. Τέλος, επανατοποθετήστε τα κλιπ αλιγάτορα στο ηχείο. Είστε έτοιμοι να ξεκινήσετε τις δοκιμές!

Επιλέξτε το υγρό της επιλογής σας και γεμίστε το πλαστικό κύπελλο μέχρι να σβηστεί εντελώς η σφαίρα. Δεν θέλετε η σφαίρα να είναι μερικώς βυθισμένη, αλλά επίσης προσέξτε να μην βυθίσετε τη σφαίρα τόσο πολύ ώστε το υγρό να αγγίξει το εξάγωνο παξιμάδι αλουμινίου.

Βήμα 8: Μέρος 2: Εκτέλεση του πειράματος

Τώρα που ολοκληρώσαμε τη συναρμολόγησή μας, μπορούμε να καταγράψουμε τα δεδομένα μας. Θα περάσετε από συχνότητες μεταξύ 15 - 75 Hz σε ένα καθορισμένο πλάτος οδήγησης. Προτείνουμε αυξήσεις 5 Hz, αλλά αυτό μπορεί να αλλάξει για πιο ακριβή αποτελέσματα. Το Arduino θα καταγράψει τόσο την επιτάχυνση για το ηχείο (επάνω επιταχυνσιόμετρο) όσο και τη σφαίρα (κάτω επιταχυνσιόμετρο) την οποία θα καταγράψετε σε ένα αρχείο csv. Ο κώδικας MATLAB 1 & 2 που παρέχεται θα διαβάσει στις τιμές csv ως ξεχωριστές στήλες, θα πραγματοποιήσει μετατροπή σε τέσσερις σήματα δύο σημάτων για να αποβάλει το θόρυβο του σήματος και θα εκτυπώσει την προκύπτουσα αναλογία πλάτους του επάνω και κάτω επιταχυνσιόμετρου. Ο κώδικας MATLAB 3 θα αποδεχτεί αυτές τις αναλογίες πλάτους και ένα αρχικό υποτιθέμενο ιξώδες και θα σχεδιάσει τις πειραματικές και υπολογισμένες αναλογίες έναντι συχνοτήτων. Μεταβάλλοντας το υποτιθέμενο ιξώδες σας και συγκρίνοντας οπτικά αυτή την εικασία με τα πειραματικά δεδομένα, θα μπορείτε να προσδιορίσετε το ιξώδες του υγρού σας.

Για μια σε βάθος εξήγηση του κώδικα MATLAB, ανατρέξτε στην επισυναπτόμενη τεχνική τεκμηρίωση.

Βήμα 9: Καταγραφή δεδομένων σε CSV

Για να ξεκινήσετε την εγγραφή δεδομένων, βεβαιωθείτε πρώτα ότι η εγκατάστασή σας έχει ολοκληρωθεί όπως περιγράφεται στο Μέρος 1. Βεβαιωθείτε ότι ο Ενισχυτής είναι συνδεδεμένος σε πρίζα. Ανεβάστε τον κωδικό Arduino στη συσκευή σας κάνοντας κλικ στο κουμπί "Μεταφόρτωση" στην επάνω δεξιά γωνία. Μόλις φορτωθεί επιτυχώς, μεταβείτε στο "Εργαλεία" και επιλέξτε "Σειριακή οθόνη". Βεβαιωθείτε ότι όταν ανοίγετε Serial Monitor ή Serial Plotter ο αριθμός baudd είναι ίσος με τον αριθμό baudd στον κωδικό (115200). Θα δείτε δύο στήλες δεδομένων που δημιουργούνται, οι οποίες είναι οι ενδείξεις του επάνω και του κάτω επιταχυνσιόμετρου.

Ανοίξτε το MATLAB GUI και επιλέξτε ένα πλάτος οδήγησης για το πείραμά σας (χρησιμοποιήσαμε 0,08 αμπέρ και 0,16 αμπέρ). Θα περάσετε τις συχνότητες 15 - 75 Hz, καταγράφοντας δεδομένα κάθε 5 Hz (13 σύνολα δεδομένων συνολικά). Ξεκινήστε ρυθμίζοντας τη συχνότητα οδήγησης στα 15 Hz και ενεργοποιήστε το σύστημα πατώντας "Ενεργοποίηση συστήματος". Αυτό θα ενεργοποιήσει το ηχείο σας, προκαλώντας δονήσεις σφαίρας και ρύθμισης πάνω και κάτω. Επιστρέψτε στην σειριακή οθόνη Arduino και πατήστε "Εκκαθάριση εξόδου" για να ξεκινήσετε τη συλλογή νέων δεδομένων. Αφήστε αυτήν τη ρύθμιση να λειτουργήσει για περίπου 6 δευτερόλεπτα και, στη συνέχεια, αποσυνδέστε το Arduino από τον υπολογιστή σας. Το Serial Monitor θα σταματήσει την εγγραφή, επιτρέποντάς σας να αντιγράψετε και να επικολλήσετε με μη αυτόματο τρόπο περίπου 4, 500-5, 000 καταχωρήσεις δεδομένων σε ένα αρχείο csv. Χωρίστε τις δύο στήλες δεδομένων σε δύο ξεχωριστές στήλες (Στήλες 1 και 2). Μετονομάστε αυτό το csv σε "15hz.csv".

Συνδέστε ξανά το Arduino στον υπολογιστή σας (βεβαιωθείτε ότι έχετε επαναφέρει τη θύρα) και επαναλάβετε αυτήν τη διαδικασία για συχνότητες 20 Hz, 25 Hz,… 75Hz φροντίζοντας να ακολουθήσετε τη σύμβαση ονοματοδοσίας για αρχεία CSV. Δείτε το τεχνικό έγγραφο για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο ανάγνωσης αυτών των αρχείων από το MATLAB.

Εάν θέλετε να παρατηρήσετε τις αλλαγές του λόγου πλάτους κατά τη σάρωση συχνότητας, μπορείτε επιπλέον να χρησιμοποιήσετε το Arduino Serial Plotter για να παρατηρήσετε οπτικά αυτήν τη διαφορά.

Βήμα 10: Επεξεργασία των δεδομένων σας με τον κώδικα MATLAB

Μόλις ληφθούν πειραματικά δεδομένα με τη μορφή αρχείων CSV, το επόμενο βήμα είναι να χρησιμοποιήσουμε τον παρεχόμενο κωδικό για την επεξεργασία των δεδομένων. Για λεπτομερείς οδηγίες σχετικά με τη χρήση του κώδικα και για μια εξήγηση των υποκείμενων μαθηματικών, ανατρέξτε στο τεχνικό μας έγγραφο. Ο στόχος είναι να επιτευχθεί το πλάτος της επιτάχυνσης για το επάνω και το κάτω επιταχυνσιόμετρο και, στη συνέχεια, να υπολογιστεί η αναλογία του κάτω πλάτους προς το ανώτερο πλάτος. Αυτή η αναλογία υπολογίζεται για κάθε συχνότητα οδήγησης. Στη συνέχεια οι σχέσεις σχεδιάζονται ως συνάρτηση της συχνότητας οδήγησης.

Μόλις ληφθεί αυτή η γραφική παράσταση, χρησιμοποιείται ένα άλλο σύνολο κωδικών (και πάλι λεπτομερές στο τεχνικό έγγραφο) για τον προσδιορισμό του ιξώδους του ρευστού. Αυτός ο κωδικός απαιτεί από τον χρήστη να εισαγάγει μια αρχική εικασία για το ιξώδες και είναι απαραίτητο αυτή η αρχική εικασία να είναι χαμηλότερη από το πραγματικό ιξώδες, οπότε φροντίστε να μαντέψετε ένα πολύ χαμηλό ιξώδες διαφορετικά ο κώδικας δεν θα λειτουργήσει σωστά. Μόλις ο κώδικας βρει ένα ιξώδες που ταιριάζει με τα πειραματικά δεδομένα, θα δημιουργήσει ένα διάγραμμα όπως αυτό που φαίνεται παρακάτω και θα δείξει την τελική τιμή ιξώδους. Συγχαρητήρια για την ολοκλήρωση του πειράματος!

Βήμα 11: Αρχεία

Εναλλακτικά:

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