Mababang Gastos na Rheometer: 11 Mga Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:10

Ang layunin ng pagtuturo na ito ay upang lumikha ng isang mababang gastos sa rheometer upang eksperimentong hanapin ang lapot ng isang likido. Ang proyektong ito ay nilikha ng isang pangkat ng undergrad at nagtapos na mag-aaral ng Brown University sa klase na Vibration of Mechanical Systems.

Ang rheometer ay isang aparato ng lab na ginagamit upang masukat ang lapot ng mga likido (kung gaano kakapal o malagkit ang isang likido - isipin ang tubig kumpara sa honey). Mayroong ilang mga rheometers na maaaring masukat ang lapot ng mga likido sa pamamagitan ng pagsukat ng tugon ng isang vibrating system na nakalubog sa isang likido. Sa proyektong ito ng rheometer na may mababang gastos, lumikha kami ng isang sistema ng pag-vibrate mula sa isang globo at tagsibol na nakakabit sa isang speaker upang masukat ang tugon sa iba't ibang mga frequency. Mula sa curve ng tugon na ito, mahahanap mo ang lapot ng likido.

Mga Pantustos:

Mga Materyal na Kailangan:

Assembly ng Pabahay:

• Particle Board (11 '' W x 9 '' H) (dito) $ 1.19
• 12 x 8-32 x 3/4 "Hex head screws (dito) $ 9.24 tot
• 12 x 8-32 Hex nut (dito) $ 8.39
• 4 x 6-32 x ½’’ Hex head screw (dito) $ 9.95
• 4 x 6-32 Hex nut (dito) $ 5.12
• 9/64 "Allen Key (narito) $ 5.37

Elektronikong:

• 12V Power Supply (dito) $ 6.99
• Amplifier (dito) $ 10.99
• Aux Cable (dito) $ 7.54
• Jumper Wire (tingnan sa ibaba)
• Mga Klip ng Alligator (dito) $ 5.19
• Tagapagsalita (narito) $ 4.25
• Screw Driver (narito) $ 5.99

Pag-set up ng Spring at Sphere:

• 3D printer resin (variable)
• 2 x mga accelerometro (ginamit namin ang mga ito) $ 29.90
• 10 x babae-lalaki na mga cable ng bahaghari (narito) $ 4.67
• 12 x male-male rainbow cables (dito) $ 3.95
• Arduino Uno (narito) $ 23.00
• USB 2.0 Cable Type A hanggang B (dito) $ 3.95
• Bread board (dito) $ 2.55
• Compression Springs (ginamit namin ang mga ito) ??
• 2 x Mga Custom na Konektor (naka-print sa 3D)
• 2 x ⅜’’ - 16 Hex nut (dito) $ 1.18
• 4 x 8-32 Itakda ang Mga Screw (dito) $ 6.32
• 4 x ¼’’ - 20 Hex nut (Aluminium) (dito) $ 0.64
• 2 x ¼’’ - 20 '’Threaded Rod (Aluminium) (dito) $ 11.40
• 7/64 "Allen Key
• 5/64 "Allen Key
• 4 x 5x2mm 3 / 16''x1 / 8 '' Mga Screw (dito) $ 8.69

Iba pa

• Plastic Cup (narito) $ 6.99
• Liquid upang masubukan ang lapot (sinubukan namin ang syrup, glycerine ng gulay, tsokolate na syrup ng Hershey)

TOTAL na Gastos: $ 183.45 *

* Hindi kasama ang dagta ng 3D printer o likido

Mga kasangkapan

• Laser Cutter
• 3d printer

Kailangan ng Software

• MATLAB
• Arduino

Mga file at Code:

• Ang file ng Adobe Illustrator para sa pagpupulong ng pabahay (Rheometer_Housing.ai)
• Speaker Controller GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• File ng Arduino Rheometer (rheometer_project.ino)
• Mga file ng sphere mesh (cor_0.9cmbody.stl at cor_1.5cmbody.stl)
• Pasadyang Connector ASCII geometry file (Connector_File.step)
• MATLAB Code 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB Code 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB Code 3 (rheometer_foruser.m)

Hakbang 1: Bahagi 1: Mag-set up

Paano i-set up ang pang-eksperimentong platform.

Hakbang 2: Gupitin ng 3D at Laser ang Lahat ng Mga Bahagi (pasadyang Mga Konektor, Spheres, at Pabahay)

Hakbang 3: Ikonekta ang Electronics Tulad ng Ipinapakita sa ibaba

Mahalagang tandaan: Huwag isaksak ang suplay ng kuryente sa outlet hanggang sa makumpleto ang lahat ng mga hakbang sa seksyong ito! ALWAYS UNPLUG THE POWER SUPPLY KAPAG GUMAGAWA NG ANUMANG PAGBABAGO.

Upang magsimula, siguraduhin na ang amplifier ay nakalagay na nakaharap ang knob. Ikonekta ang mga clip ng buaya at mga wire ng jumper sa mga terminal ng kaliwang ibabang kamay sa amplifier. Ikabit ang kurdon ng kuryente at ang jumper wire sa mga kaliwang tuktok na mga terminal sa amplifier. Ang tornilyo pababa sa koneksyon ng terminal ay nagtatapos upang ma-secure ang mga wire pin. Siguraduhin na ang mga positibo at negatibong mga terminal ay nakahanay nang maayos sa mga terminal sa amp at clip clip ng mga buaya sa speaker. Siguraduhin na ang dalawang mga clip na ito ay hindi makipag-ugnay.

Hakbang 4: Pag-set up ng GUI

Ngayon na naka-set up ang electronics, maaari naming subukan ang GUI na magbibigay-daan sa amin upang himukin ang speaker at lumikha ng vibrating system na nakalubog sa aming likido. Ang speaker ay makokontrol ng audio output system sa aming computer. Magsimula sa pamamagitan ng pag-download ng MATLAB at kasama ang GUI code sa itaas. TANDAAN: may mga setting ng LED Lights na hindi gagamitin at dapat balewalain.

Kapag nabuksan mo na ang MATLAB, patakbuhin ang sumusunod sa command window, “info = audiodevinfo“at i-double click ang opsyong ‘output’. Hanapin ang numero ng ID para sa panlabas na pagpipilian ng mga headphone / speaker. Ito ay magiging isang bagay tulad ng "Speaker / Headphones …" o "Panlabas …" o "Built-In Output …" depende sa iyong machine. Itakda ang "Panlabas na speaker ID" sa numero ng ID na ito.

Ngayon subukan natin na ang aming system ay na-set up nang tama. BALIKIN ANG IYONG KOMPUTER NG VOLUME SA LAHAT NG PARAAN. I-unplug ang Audio cable mula sa iyong computer at sa halip ay mag-plug sa isang hanay ng mga headphone Susubukan namin ang koneksyon para sa GUI upang magpadala ng isang senyas sa shaker. Ipasok ang 60 Hz bilang dalas ng pagmamaneho sa larangan ng teksto tulad ng ipinakita sa ibaba. (Ang patlang na ito ay tumatanggap ng mga halagang hanggang sa 150 Hz). Ito ang dalas ng pagpipilit para sa iyong pag-set up. Pagkatapos, i-slide ang amplitude ng pagmamaneho hanggang sa halagang 0.05. Pagkatapos, pindutin ang pindutang "I-on ang system" upang magpadala ng isang senyas sa iyong mga headphone. Ito ay magpapalitaw sa isa sa mga channel (kaliwa o kanan) ng iyong mga headphone. Itaas ang dami ng iyong computer hanggang sa marinig ang isang tunog. Pindutin ang "I-off ang system" sa sandaling ang isang naririnig na tono ay maririnig at tiyaking tumitigil ang pag-play ng tunog. Upang baguhin ang dalas o pagmamaneho ng amplitude ng iyong system habang tumatakbo ito, pindutin ang pindutang "I-refresh ang mga setting".

Hakbang 5: Lumikha ng Vibrating Mass Assembly

Magsisimula na kaming tipunin ang vibrating mass system na ilulubog namin sa aming likido. Huwag pansinin ang mga accelerometer sa hakbang na ito at ituon ang pansin sa pag-iipon ng globo, mga konektor, hex nut, at spring. I-secure ang isang bakal na hex nut sa bawat isa sa mga pasadyang konektor na may itinakdang mga tornilyo at ang 5/64 Allen Key. Ikonekta ang isa sa mga ito sa globo na may isang aluminyo hex nut at aluminyo na Threaded Rod. Pagsamahin ang pareho tulad ng ipinakita sa itaas. Sa wakas, i-tornilyo ang pangalawang Threaded Rod sa tuktok na Konektor at bahagyang turnilyo sa isang aluminyo hex nut.

Hakbang 6: Idagdag ang Accelerometers & Arduino

Gamit ang diagram sa itaas, ikonekta ang arduino sa mga accelerometers. Upang likhain ang mahabang mga cable ng bahaghari, gamitin ang mga wire na male-male (nakalarawan sa diagram bilang puti, kulay-abong, lila, asul, at itim) at ikonekta ang mga ito sa mga babaeng babaeng wires (pula, dilaw, kahel, berde, at kayumanggi). Ang ikalawang dulo ay kumokonekta sa mga accelerometers. Tiyaking ang "GND" (Ground) at "VCC" (3.3 Volts) na mga accelerometer port ay naitugma sa breadboard at ang port na "X" ay naitugma sa mga A0 at A3 port sa Arduino.

Ikabit ang pangwakas na mga accelerometro sa pagpupulong ng Vibrating Mass gamit ang 5x3mm 3 / 16''x1 / 8 '' na mga tornilyo. Kakailanganin mong tiyakin na ang TOP accelerometer ay konektado sa A0 at ang BOTTOM accelerometer sa A3 upang gumana ang Arduino code.

Upang mai-set up ang Arduino mismo, i-download muna ang arduino software sa iyong computer. I-plug ang Arduino sa iyong computer gamit ang USB 2.0 Cable. Buksan ang ibinigay na file o kopyahin at idikit ito sa isang bagong file. Mag-navigate sa Tool sa tuktok na bar at mag-hover sa "Board:" upang piliin ang Arduino Uno. Bumaba, mag-hover sa "Port" at piliin ang Arduino Uno.

Hakbang 7: I-set up ang Pangwakas na System

Pangwakas na hakbang ng pag-set up - pagsasama-sama ng lahat! Magsimula sa pamamagitan ng paghubad ng mga clip ng buaya mula sa speaker at pag-screwing ng speaker sa tuktok ng pagpupulong ng pabahay gamit ang 6-32 x ½’’ Hex head screws, 6-32 hex nut at ang 9/64 Allen Key. Susunod, i-tornilyo ang nanginginig na pagpupulong ng masa (kasama ang mga accelerometers) sa speaker. Para sa pinakamahusay na resulta, inirerekumenda namin ang pag-on ng speaker upang maiwasan ang pagkalito ng mga wire ng accelerometer. Higpitan ang masa sa nagsasalita gamit ang aluminyo hex nut.

Panghuli, ipasok ang tatlong panig ng pagpupulong ng pabahay sa itaas. I-secure ang pagpupulong ng pabahay gamit ang 8-32 x 3/4 Hex head screws at 8-32 hex nut. Panghuli, muling ikabit ang mga clip ng buaya sa nagsasalita. Handa ka na upang simulan ang pagsubok!

Piliin ang iyong likido na pinili at punan ang iyong plastik na tasa hanggang sa ganap na lumubog ang globo. Hindi mo nais na ang sphere ay bahagyang lumubog, ngunit mag-ingat din na huwag malubog ang globo sa ngayon na ang likido ay nakakabit sa aluminyo hex nut.

Hakbang 8: Bahagi 2: Pagpapatakbo ng Eksperimento

Natapos na namin ang aming pagpupulong, maaari naming maitala ang aming data. Magwawalis ka sa mga dalas sa pagitan ng 15 - 75 Hz sa isang hanay ng amplitude ng pagmamaneho. Inirerekumenda namin ang mga pagtaas ng 5 Hz, ngunit maaari itong mabago para sa mas tumpak na mga resulta. Itatala ng Arduino ang parehong bilis ng nagsasalita (tuktok na accelerometer) at ang globo (ilalim na accelerometer) na iyong itatala sa isang csv file. Ang ibinigay na MATLAB Code 1 & 2 na babasahin sa mga halaga ng csv bilang magkakahiwalay na mga haligi, gumawa ng dalawang-signal na apat na pagbabago upang ma-de-ingay ang signal, at mai-print ang nagresultang ratio ng amplitude ng tuktok at ilalim na accelerometer. Tatanggapin ng MATLAB Code 3 ang mga ratio ng amplitude at isang paunang nahulaan na lapot at balangkas ang pang-eksperimentong at kinakalkula na mga ratios kumpara sa mga frequency. Sa pamamagitan ng pag-iiba ng iyong nahulaan na lapot at paghahambing ng biswal na hula na ito sa pang-eksperimentong data, matutukoy mo ang lapot ng iyong likido.

Para sa isang malalim na paliwanag ng MATLAB code, tingnan ang kalakip na dokumentasyong pang-teknikal.

Hakbang 9: Pagre-record ng Data sa isang CSV

Upang simulan ang pagrekord ng data, siguraduhin muna na ang iyong pag-set up ay nakumpleto tulad ng inilarawan sa Bahagi 1. Siguraduhin na ang Amplifier ay naka-plug sa isang outlet ng kuryente. I-upload ang iyong Arduino code sa iyong aparato sa pamamagitan ng pag-click sa pindutang "I-upload" sa kanang sulok sa itaas. Kapag matagumpay na na-upload iyon, mag-navigate sa "Mga Tool" at piliin ang "Serial Monitor." Siguraduhin na kapag binuksan mo ang Serial Monitor o Serial Plotter na ang baudd number ay katumbas ng baudd number sa code (115200). Makakakita ka ng dalawang haligi ng data na nabuo na kung saan ay ang mga pagbasa sa tuktok at ibaba na fuaometro.

Buksan ang MATLAB GUI at pumili ng isang amplitude ng pagmamaneho para sa iyong eksperimento (gumamit kami ng 0.08 amperes at 0.16 amperes). Aalisin mo ang mga frequency na 15 - 75 Hz, magrekord ng data bawat 5 Hz (13 na hanay ng kabuuang data). Magsimula sa pamamagitan ng pagtatakda ng dalas ng pagmamaneho sa 15 Hz at i-on ang system sa pamamagitan ng pagpindot sa "I-on ang system." Bubuksan nito ang iyong speaker, na magiging sanhi ng globo at i-set up na mag-vibrate pataas at pababa. Bumalik sa iyong Arduino Serial Monitor at pindutin ang "I-clear ang Output" upang simulang mangolekta ng sariwang data. Hayaang tumakbo ang set up na ito ng halos 6 segundo, at pagkatapos ay i-unplug ang Arduino mula sa iyong computer. Ititigil ng Serial Monitor ang pagre-record, pinapayagan kang manu-manong kopyahin at i-paste ang tungkol sa 4, 500-5, 000 na mga entry sa data sa isang csv file. Hatiin ang dalawang haligi ng data sa dalawang magkakahiwalay na haligi (Hanay 1 at 2). Palitan ang pangalan ng csv na ito na "15hz.csv".

I-plug muli ang iyong Arduino sa iyong computer (siguraduhing i-reset ang Port) at ulitin ang prosesong ito para sa mga frequency na 20 Hz, 25 Hz,… 75Hz na tinitiyak na sundin ang pagngangalang kombensiyon para sa mga CSV file. Tingnan ang teknikal na dokumento para sa karagdagang impormasyon tungkol sa kung paano binabasa ng MATLAB ang mga file na ito.

Kung nais mong obserbahan ang mga pagbabago ng ratio ng amplitude sa paglipas ng dalas ng dalas, maaari mong karagdagang gamitin ang Arduino Serial Plotter upang biswal na maobserbahan ang pagkakaiba na ito.

Hakbang 10: Iproseso ang Iyong Data Gamit ang MATLAB Code

Kapag nakuha ang pang-eksperimentong data sa anyo ng mga CSV file, ang susunod na hakbang ay ang paggamit ng aming ibinigay na code upang maproseso ang data. Para sa detalyadong mga tagubilin sa paggamit ng code at para sa isang paliwanag sa pinagbabatayan ng matematika, tingnan ang aming teknikal na dokumento. Ang layunin ay upang makuha ang amplitude ng acceleration para sa tuktok at ilalim na accelerometer, pagkatapos ay upang makalkula ang ratio ng ilalim na amplitude sa tuktok na amplitude. Ang ratio na ito ay kinakalkula para sa bawat dalas ng pagmamaneho. Ang mga ratios ay naka-plot bilang isang pagpapaandar ng dalas ng pagmamaneho.

Kapag nakuha ang balangkas na ito, isa pang hanay ng code (muling detalyado sa teknikal na dokumento) ang ginamit upang matukoy ang likido na lapot. Kinakailangan ng code na ito ang gumagamit na maglagay ng paunang hula para sa lapot, at mahalaga na ang paunang hula na ito ay mas mababa kaysa sa aktwal na lapot, kaya siguraduhing hulaan ang isang napakababang lagkit kung hindi man hindi gagana ang code. Kapag natagpuan ng code ang isang lapot na tumutugma sa pang-eksperimentong data, lilikha ito ng isang lagay ng lupa tulad ng ipinakita sa ibaba at ipapakita ang huling halaga ng lapot. Binabati kita sa pagkumpleto ng eksperimento!

Hakbang 11: Mga File

Bilang kahalili:

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