Төмен бағалы реометр: 11 қадам (суреттермен)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:22

Бұл нұсқаулықтың мақсаты - сұйықтықтың тұтқырлығын эксперименталды түрде анықтау үшін төмен бағалы реометр құру. Бұл жобаны Браун университетінің студенттері мен механикалық жүйелердің дірілі сыныбының студенттері құрды.

Реометр - бұл сұйықтықтардың тұтқырлығын өлшеуге арналған зертханалық құрылғы (сұйықтықтың қалыңдығы не жабысқақтығы - су мен балға қарағанда). Сұйықтыққа батырылған тербелмелі жүйенің реакциясын өлшеу арқылы сұйықтықтардың тұтқырлығын өлшей алатын реометрлер бар. Бұл арзан реометрлік жобада біз әр түрлі жиіліктегі жауапты өлшеу үшін динамикке бекітілген шар мен серіппеден діріл жүйесін құрдық. Бұл жауап қисығынан сұйықтықтың тұтқырлығын табуға болады.

Жабдықтар:

Қажетті материалдар:

Тұрғын үй құрылысы:

• Бөлшектер тақтасы (11 '' W x 9 '' H) (мұнда) $ 1.19
• 12 x 8-32 x 3/4 дюймдік алты бұрандалы бұрандалар (мұнда) 9,24 доллар
• 12 x 8-32 Hex гайкасы (мұнда) $ 8.39
• 4 x 6-32 x ½’’ Алты бұрышты бұранда (мұнда) 9,95 доллар
• 4 x 6-32 Hex гайкасы (мұнда) $ 5.12
• 9/64 дюймдік «Аллен кілті» (мұнда) $ 5.37

Электроника:

• 12В қуат көзі (мұнда) $ 6.99
• Күшейткіш (мұнда) $ 10.99
• Aux Cable (мұнда) $ 7.54
• Jumper Wire (төменде қараңыз)
• Alligator клиптері (мұнда) $ 5.19
• Динамик (мұнда) $ 4.25
• Бұрағыш (мұнда) $ 5.99

Көктем мен сфераны орнату:

• 3D принтер шайыры (айнымалы)
• 2 x акселерометр (біз оларды қолдандық) $ 29.90
• 10 кемпірқосақ әйел-еркек кабельдері (мұнда) $ 4.67
• 12 кемпірқосақ пен еркек кабелі (мұнда) $ 3,95
• Arduino Uno (мұнда) $ 23.00
• USB 2.0 кабелі A -дан B түріне дейін (мұнда) $ 3,95
• Нан тақтасы (мұнда) $ 2,55
• Қысу серіппелері (біз оларды қолдандық) ??
• 2 x Арнайы қосқыштар (3D басып шығарылған)
• 2 x ⅜’’-16 Hex гайкалары (мұнда) $ 1,18
• 4 x 8-32 бұрандаларды орнатыңыз (мұнда) $ 6.32
• 4 x ¼’’-20 Hex гайкасы (алюминий) (мұнда) $ 0,64
• 2 x ¼’’-20’’ бұрандалы өзек (алюминий) (мұнда) $ 11.40
• 7/64 дюймдік «Аллен кілті»
• 5/64 дюймдік Аллен кілті
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8 '' бұрандалар (мұнда) $ 8.69

Басқа

• Пластикалық шыныаяқ (мұнда) $ 6.99
• Тұтқырлықты тексеруге арналған сұйықтық (біз каро сиропын, өсімдік глицеринін, Херши шоколадты сиропын сынап көрдік)

ЖАЛПЫ ШЫҒЫМ: $ 183,45*

*3D принтердің шайыры немесе сұйықтығы жоқ

Құралдар

• Лазерлік кескіш
• 3D принтері

Бағдарламалық қамтамасыз ету қажет

• MATLAB
• Ардуино

Файлдар мен код:

• Корпусты құрастыруға арналған Adobe Illustrator файлы (Rheometer_Housing.ai)
• GUI динамик контроллері (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino реометрінің файлы (rheometer_project.ino)
• Сфералық торлы файлдар (cor_0.9cmbody.stl және cor_1.5cmbody.stl)
• ASCII геометриялық жеке қосқышы (Connector_File.step)
• MATLAB коды 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB коды 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB коды 3 (rheometer_foruser.m)

1 -қадам: 1 -бөлім: Орнату

Эксперименттік платформаны қалай орнату керек.

2 -қадам: 3D басып шығару және барлық бөліктерді лазермен кесу (реттелетін қосқыштар, шарлар мен корпус)

3 -қадам: Электрониканы төменде көрсетілгендей қосыңыз

Назар аудару керек: осы бөлімдегі барлық қадамдар аяқталғанша қуат көзін розеткаға қоспаңыз! ҚАША ӨЗГЕРТУЛЕРДІ ҚОЛДАНҒАНДА ҚУАТТЫ КӨЗДЕУДІ ӘРҚАШАН ӨШІРІҢІЗ.

Бастау үшін күшейткіштің тұтқаны сыртқа қаратып қойылғанын тексеріңіз. Аллигатор қысқыштары мен секіргіш сымдарды күшейткіштің сол жақ төменгі ұштарына жалғаңыз. Қуат сымын және оның секіргіш сымын күшейткіштің сол жақ жоғарғы ұштарына бекітіңіз. Сым түйреуіштерін бекіту үшін терминалдың қосылу ұштарын бұраңыз. Оң және теріс терминалдар күшейткіш пен қысқыш аллигаторының қысқыштарындағы терминалдарға динамикке дұрыс сәйкес келетініне көз жеткізіңіз. Бұл екі клиптің жанаспайтынына көз жеткізіңіз.

4 -қадам: GUI орнату

Енді электроника орнатылғаннан кейін біз GUI -ді тексере аламыз, ол динамикті басқаруға және біздің сұйықтыққа батырылған діріл жүйесін құруға мүмкіндік береді. Динамикті біздің компьютердегі дыбыс шығару жүйесі басқарады. MATLAB пен жоғарыда келтірілген GUI кодын жүктеуден бастаңыз. ЕСКЕРТПЕ: жарық диодты шамдар параметрлері бар, олар қолданылмайды және оларды елемеу керек.

MATLAB ашылғаннан кейін «info = audiodevinfo» пәрмен терезесінде келесіні орындаңыз және «шығару» опциясын екі рет басыңыз. Сыртқы құлаққап/динамик опциясының идентификатор нөмірін табыңыз. Бұл сіздің машинаңызға байланысты «Динамик / гарнитура …» немесе «Сыртқы …» немесе «Кірістірілген шығыс …» сияқты болады. «Сыртқы динамик идентификаторын» осы идентификатор нөміріне орнатыңыз.

Енді біздің жүйенің дұрыс орнатылғанын тексерейік. ӨЗІҢІЗДІҢ КОМПЬЮТЕРІҢІЗДІҢ ДҰБЫРЫН БҮТІН ТӨМЕН ЖҮРГІЗІҢІЗ. Дыбыстық кабельді компьютерден ажыратып, орнына құлаққаптар жиынтығын қосыңыз. Біз GUI -дің шайқауға сигнал жіберуі үшін қосылымды тексереміз. Төменде көрсетілгендей мәтіндік өріске 60 Гц жиілігін енгізіңіз. (Бұл өріс 150 Гц дейінгі мәндерді қабылдайды). Бұл сіздің орнатуға мәжбүрлейтін жиілік. Содан кейін қозғалыс амплитудасын шамамен 0,05 мәніне дейін сырғытыңыз. Содан кейін құлаққапқа сигнал жіберу үшін «Жүйені қосу» түймесін басыңыз. Бұл құлаққаптардың бір арнасын (солға немесе оңға) іске қосады. Дыбыс естілгенше компьютердің дыбыс деңгейін жоғарылатыңыз. «Жүйені өшіру» түймесін басып, дыбыстық дыбыс естіледі және дыбыстың ойнатылмайтынын тексеріңіз. Жүйе жұмыс істеп тұрған кезде оның жиілігін немесе қозғалыс амплитудасын өзгерту үшін «Параметрлерді жаңарту» түймесін басыңыз.

5 -қадам: Дірілді массалық жиналыс жасаңыз

Біз енді сұйықтыққа бататын діріл массалық жүйені жинай бастаймыз. Бұл қадамда акселерометрлерді елемеңіз және сфераны, коннекторларды, алты бұрышты гайкаларды және серіппені жинауға назар аударыңыз. Бұрандалы бұрандалармен және 5/64 дюймдік «Аллен кілті» бар қосқыштардың әрқайсысына болат алты бұрышты гайканы бекітіңіз. Олардың біреуін алюминий алты бұрышты гайкамен және алюминий бұрандалы өзекпен сфераға қосыңыз. Жоғарыда көрсетілгендей екеуін де біріктіріңіз. Соңында, екінші бұрандалы штанганы жоғарғы коннекторға бұрап, алюминий алты бұрышты гайканы ішінара бұраңыз.

6 -қадам: Accelerometers & Arduino қосыңыз

Жоғарыдағы диаграмманы қолданып, ардуиноны акселерометрлерге қосыңыз. Ұзын кемпірқосақ кабельдерін жасау үшін еркек-ер сымдарды пайдаланыңыз (диаграммада ақ, сұр, күлгін, көк және қара) және оларды аналық-еркек сымдарына (қызыл, сары, қызғылт сары, жасыл және қоңыр). Екінші ұш акселерометрлерге қосылады. «GND» (Ground) және «VCC» (3,3 вольт) акселерометр порттары тақтаға сәйкес келетініне және «X» порты Arduino -дегі A0 және A3 порттарына сәйкес келетініне көз жеткізіңіз.

Соңғы акселерометрлерді 5х3 мм 3/16'x1/8 '' бұрандалармен дірілдейтін массалық жинаққа бекітіңіз. Arduino коды жұмыс істеуі үшін сізге TOP акселерометрі A0 мен BOTTOM акселерометрі A3 қосылғанын тексеру керек.

Arduino -ны орнату үшін алдымен arduino бағдарламалық жасақтамасын компьютерге жүктеңіз. USB 2.0 кабелінің көмегімен Arduino компьютерге қосыңыз. Берілген файлды ашыңыз немесе оны жаңа файлға көшіріп қойыңыз. Жоғарғы жолақтағы құралға өтіңіз және Arduino Uno таңдау үшін «Тақта:» үстіне апарыңыз. Бірде төмен қарай «Портқа» апарыңыз және Arduino Uno таңдаңыз.

7 -қадам: Соңғы жүйені орнатыңыз

Орнатудың соңғы кезеңі-бәрін біріктіру! Аллигатордың қысқыштарын динамиктен босатып, динамикті корпустың жоғарғы бөлігіне 6-32 x ½ '' алты бұрандалы бұрандалармен, 6-32 гекс гайкасымен және 9/64 дюймдік «Аллен кілтімен» бұрап бастаңыз. Содан кейін, дірілдейтін массалық жинақты (акселерометрлермен) динамикке бұраңыз. Ең жақсы нәтижеге қол жеткізу үшін акселерометр сымдарының шиеленісуін болдырмау үшін динамикті бұруды ұсынамыз. Алюминий алты бұрышты гайкамен массаны динамикке қатайтыңыз.

Соңында корпустың үш жағын жоғарғы жағына салыңыз. Корпус жинағын 8-32 x 3/4 дюймдік алты бұрандалы бұрандалар мен 8-32 алты бұрышты гайкалар көмегімен бекітіңіз. Соңында аллигатордың клиптерін динамикке қайта бекітіңіз. Сіз тестілеуді бастауға дайынсыз!

Өзіңіз қалаған сұйықтықты таңдап, пластик шыныаяқ толығымен суға батқанша толтырыңыз. Сіз сфераның ішінара суға батқанын қаламайсыз, сонымен қатар сұйықтық алюминий алты бұрышты гайкаға тиіп кетпейтіндей сфераны батырмаңыз.

8 -қадам: 2 -бөлім: Эксперимент жүргізу

Енді біз жинауды аяқтадық, біз өз деректерімізді жаза аламыз. Сіз 15 - 75 Гц жиіліктерінде қозғалыс амплитудасы бойынша өтесіз. Біз 5 Гц -ке дейінгі қадамдарды ұсынамыз, бірақ дәлірек нәтиже алу үшін оны өзгертуге болады. Arduino динамиктің үдеуін (жоғарғы акселерометр) және csv файлына жазатын сфераны (төменгі акселерометр) жазады. Берілген MATLAB коды 1 және 2 csv мәндерінде жеке бағандар ретінде оқылады, сигналды өшіру үшін екі сигналды форьерлік түрлендіруді жасайды және жоғарғы және төменгі акселерометрдің амплитудалық қатынасын басып шығарады. MATLAB Code 3 бұл амплитуда коэффициенттерін және бастапқы болжамды тұтқырлықты қабылдайды және жиіліктер мен эксперименталды және есептелген қатынастарды құрастырады. Болжамды тұтқырлықты өзгерте отырып және бұл болжамды тәжірибелік мәліметтермен салыстыра отырып, сіз сұйықтықтың тұтқырлығын анықтай аласыз.

MATLAB кодын терең түсіндіру үшін қоса берілген техникалық құжаттаманы қараңыз.

9 -қадам: деректерді CSV -ге жазу

Деректерді жазуды бастау үшін, алдымен, 1 -бөлімде сипатталғандай, орнатудың аяқталғанына көз жеткізіңіз. Күшейткіштің розеткаға қосылғанын тексеріңіз. Жоғарғы оң жақ бұрыштағы «Жүктеу» түймесін басу арқылы Arduino кодын құрылғыға жүктеңіз. Сәтті жүктелгеннен кейін «Құралдар» тармағына өтіп, «Сериялық мониторды» таңдаңыз. Serial Monitor немесе Serial Plotter бағдарламасын ашқанда, бауд нөмірі кодтағы (115200) бауд нөміріне тең екеніне көз жеткізіңіз. Сіз жоғарғы және төменгі акселерометрдің көрсеткіштері болып табылатын деректердің екі бағанын көресіз.

MATLAB GUI ашыңыз және эксперимент үшін қозғаушы амплитудасын таңдаңыз (біз 0,08 ампер мен 0,16 амперді қолдандық). Сіз 15 - 75 Гц жиіліктермен жұмыс жасайсыз, әр 5 Гц деректерді жазасыз (барлық деректер жиынтығы 13). Жүргізу жиілігін 15 Гц -ке орнатудан бастаңыз және «Жүйені қосу» түймесін басып жүйені қосыңыз. Бұл динамикті қосады, сфераны тудырады және жоғары және төмен дірілдейтін болады. Arduino сериялық мониторына оралыңыз және жаңа деректерді жинауды бастау үшін «Шығуды тазарту» түймесін басыңыз. Бұл орнатуды шамамен 6 секундқа іске қосыңыз, содан кейін Arduino -ны компьютерден ажыратыңыз. Сериялық монитор жазуды тоқтатады, бұл csv файлына шамамен 4, 500-5000 деректер жазбаларын қолмен көшіруге және қоюға мүмкіндік береді. Деректердің екі бағанын екі бөлек бағанға бөліңіз (1 және 2 бағандар). Бұл csv атауын «15hz.csv» деп өзгертіңіз.

Arduino -ны компьютерге қайта қосыңыз (Портты қалпына келтіруді ұмытпаңыз) және бұл процесті 20 Гц, 25 Гц,… 75 Гц жиіліктерінде қайталаңыз, осылайша CSV файлдарының атау конвенциясын сақтаңыз. Бұл файлдарды MATLAB қалай оқылатыны туралы қосымша ақпарат алу үшін техникалық құжатты қараңыз.

Егер сіз жиілік бойынша амплитудалық қатынастың өзгеруін бақылағыңыз келсе, бұл айырмашылықты визуалды түрде бақылау үшін Arduino сериялық плоттерін қосымша пайдалануға болады.

10 -қадам: деректеріңізді MATLAB кодымен өңдеңіз

Эксперименттік деректер CSV файлдары түрінде алынғаннан кейін, келесі қадам - деректерді өңдеу үшін біздің берілген кодты қолдану. Кодты пайдалану бойынша толық нұсқаулар мен негізгі математиканы түсіндіру үшін біздің техникалық құжатты қараңыз. Мақсат - жоғарғы және төменгі акселерометр үшін үдеу амплитудасын алу, содан кейін төменгі амплитудасының жоғарғы амплитудаға қатынасын есептеу. Бұл коэффициент әр жүргізуші жиілігі үшін есептеледі. Содан кейін коэффициенттер қозғалыс жиілігінің функциясы ретінде салынады.

Бұл сюжет алынғаннан кейін сұйықтықтың тұтқырлығын анықтау үшін кодтың басқа жиынтығы (тағы да техникалық құжатта егжей -тегжейлі) қолданылады. Бұл код пайдаланушыдан тұтқырлық бойынша бастапқы болжамды енгізуді талап етеді және бұл тұтқырлықтың нақты тұтқырлықтан төмен болуы өте маңызды, сондықтан өте төмен тұтқырлықты тапқаныңызға көз жеткізіңіз, әйтпесе код дұрыс жұмыс істемейді. Код тәжірибелік мәліметтерге сәйкес келетін тұтқырлықты тапқаннан кейін, ол төменде көрсетілгендей сюжет жасайды және тұтқырлықтың соңғы мәнін көрсетеді. Тәжірибені аяқтағаныңызбен құттықтаймыз!

11 -қадам: файлдар

Немесе:

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