Rheometer Kos Rendah: 11 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:06

Tujuan pengajaran ini adalah untuk membuat rheometer kos rendah untuk mencari kelikatan cecair secara eksperimen. Projek ini dibuat oleh pasukan pelajar Brown University dan pelajar siswazah di kelas Vibration of Mechanical Systems.

Rheometer adalah alat makmal yang digunakan untuk mengukur kelikatan cecair (seberapa tebal atau melekit cecair - kira air berbanding madu). Terdapat rheometer tertentu yang dapat mengukur kelikatan cecair dengan mengukur tindak balas sistem getaran yang terendam dalam bendalir. Dalam projek rheometer kos rendah ini, kami membuat sistem getaran dari sfera dan pegas yang dipasang pada pembesar suara untuk mengukur tindak balas pada frekuensi yang berbeza. Dari keluk tindak balas ini, anda dapat mengetahui kelikatan cecair.

Bekalan:

Bahan yang Diperlukan:

Majlis Perumahan:

• Papan Zarah (11 '' W x 9 '' H) (di sini) $ 1,19
• 12 x 8-32 x 3/4 "Skru kepala hex (di sini) $ 9.24 jumlah
• Nut Hex 12 x 8-32 (di sini) $ 8.39
• Skru kepala hex 4 x 6-32 x ½’’ (di sini) $ 9,95
• 4 x 6-32 kacang Hex (di sini) $ 5.12
• 9/64 "Allen Key (di sini) $ 5.37

Elektronik:

• Bekalan Kuasa 12V (di sini) $ 6.99
• Penguat (di sini) $ 10.99
• Kabel Aux (di sini) $ 7.54
• Jumper Wire (lihat di bawah)
• Klip Buaya (di sini) $ 5.19
• Penceramah (di sini) $ 4.25
• Pemacu Skru (di sini) $ 5.99

Persediaan Spring & Sphere:

• Resin pencetak 3D (pemboleh ubah)
• 2 x pecutan (kami menggunakan ini) $ 29.90
• 10 x kabel pelangi wanita-lelaki (di sini) $ 4.67
• 12 x kabel pelangi lelaki-lelaki (di sini) $ 3.95
• Arduino Uno (di sini) $ 23.00
• Kabel USB 2.0 Jenis A hingga B (di sini) $ 3,95
• Papan roti (di sini) $ 2.55
• Compression Springs (kami menggunakan ini) ??
• 2 x Penyambung Tersuai (dicetak 3D)
• 2 x ⅜’’ - 16 kacang Hex (di sini) $ 1,18
• Skru Set 4 x 8-32 (di sini) $ 6.32
• 4 x ¼’’ - 20 kacang Hex (Aluminium) (di sini) $ 0,64
• 2 x ¼ '' - 20 '' Threaded Rod (Aluminium) (di sini) $ 11.40
• 7/64 "Kunci Allen
• 5/64 "Kunci Allen
• Skru 4 x 5x2mm 3 / 16'x1 / 8 '' (di sini) $ 8.69

Yang lain

• Cawan Plastik (di sini) $ 6.99
• Cecair untuk menguji kelikatan (kami menguji sirup karo, gliserin sayuran, sirap coklat Hershey)

JUMLAH KOS: $ 183.45 *

* tidak termasuk resin atau cecair pencetak 3D

Alat

• Pemotong Laser
• Pencetak 3D

Perisian Diperlukan

• MATLAB
• Arduino

Fail dan Kod:

• Fail Adobe Illustrator untuk pemasangan perumahan (Rheometer_Housing.ai)
• Pengawal Pembesar suara GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Fail Arduino Rheometer (rheometer_project.ino)
• Fail mesh sfera (cor_0.9cmbody.stl dan cor_1.5cmbody.stl)
• Fail geometri penyambung ASCII tersuai (Connector_File.step)
• Kod MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB Code 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB Code 3 (rheometer_foruser.m)

Langkah 1: Bahagian 1: Siapkan

Cara menyediakan platform eksperimen.

Langkah 2: Cetakan 3D dan Potong Laser Semua Bahagian (Penyambung, Sfera, dan Perumahan tersuai)

Langkah 3: Sambungkan Elektronik Seperti yang ditunjukkan di bawah

Penting untuk diperhatikan: Jangan pasangkan bekalan kuasa ke soket sehingga semua langkah di bahagian ini selesai! SELALU MEMBUANG BEKALAN KUASA KETIKA MEMBUAT PERUBAHAN.

Untuk memulakan, pastikan penguat diletakkan dengan tombol menghadap ke belakang. Sambungkan klip buaya dan wayar pelompat ke terminal tangan kiri bawah pada penguat. Pasang kabel kuasa dan wayar pelompatnya ke terminal tangan kiri atas pada penguat. Skru ke hujung sambungan terminal untuk menahan pin wayar. Pastikan terminal positif dan negatif sejajar dengan terminal di amp dan klip klip buaya ke pembesar suara. Pastikan kedua-dua klip ini tidak bersentuhan.

Langkah 4: Penyediaan GUI

Setelah elektronik disiapkan, kita dapat menguji GUI yang akan membolehkan kita menggerakkan pembesar suara dan membuat sistem getaran yang terendam dalam cecair kita. Pembesar suara akan dikendalikan oleh sistem output audio di komputer kita. Mulakan dengan memuat turun MATLAB dan kod GUI yang disertakan di atas. CATATAN: terdapat tetapan Lampu LED yang tidak akan digunakan dan harus diabaikan.

Setelah anda membuka MATLAB, jalankan yang berikut pada tetingkap perintah, "info = audiodevinfo" dan klik dua kali pada pilihan "output". Cari nombor ID untuk pilihan fon kepala / pembesar suara luaran. Ini akan menjadi seperti "Speaker / Headphone …" atau "External …" atau "Output Built-In …" bergantung pada mesin anda. Tetapkan "ID pembesar suara luaran" ke nombor ID ini.

Sekarang mari kita uji bahawa sistem kita disiapkan dengan betul. JALANKAN VOLUME KOMPUTER ANDA TURUN SEMUA CARA. Cabut kabel Audio dari komputer anda dan sebaliknya pasangkan satu set fon kepala. Kami akan menguji sambungan untuk GUI untuk menghantar isyarat kepada pengocok. Masukkan 60 Hz sebagai frekuensi pemanduan di medan teks seperti gambar di bawah. (Medan ini menerima nilai hingga 150 Hz). Ini adalah kekerapan memaksa untuk persediaan anda. Kemudian, luncurkan amplitud pemanduan hingga nilai lebih kurang 0.05. Kemudian, tekan butang "Hidupkan sistem" untuk menghantar isyarat ke fon kepala anda. Ini akan mencetuskan salah satu saluran (kiri atau kanan) fon kepala anda. Naikkan kelantangan komputer anda sehingga bunyi dapat didengar. Tekan "Matikan sistem" sekali nada yang dapat didengar dan pastikan suaranya berhenti bermain. Untuk mengubah frekuensi atau amplitud pemanduan sistem anda semasa berjalan, tekan butang "Refresh setting".

Langkah 5: Buat Perhimpunan Massa Bergetar

Kita sekarang akan mula memasang sistem jisim getaran yang akan kita terendam dalam cecair kita. Abaikan pecutan dalam langkah ini dan fokus pada pemasangan bola, penyambung, kacang hex, dan pegas. Pasang kacang hex keluli di setiap penyambung khas dengan skru set dan Kunci Allen 5/64 . Sambungkan salah satu daripadanya ke sfera dengan kacang aluminium hex dan aluminium Threaded Rod. Gabungkan keduanya seperti gambar di atas. Akhir sekali, skru Threaded Rod kedua ke Connector atas dan sebahagian skru pada nut hex aluminium.

Langkah 6: Tambahkan Accelerometers & Arduino

Dengan menggunakan rajah di atas, sambungkan arduino ke pecutan. Untuk membuat kabel pelangi panjang, gunakan wayar lelaki-lelaki (digambarkan dalam rajah sebagai putih, kelabu, ungu, biru, dan hitam) dan sambungkannya ke wayar wanita-lelaki (merah, kuning, oren, hijau, dan coklat). Hujung kedua akan menyambung ke pecutan. Pastikan port akselerometer "GND" (Ground) dan "VCC" (3.3 Volt) dipadankan dengan papan roti dan port "X" sesuai dengan port A0 dan A3 di Arduino.

Pasang akselerometer akhir ke pemasangan Massa Bergetar menggunakan skru 5x3mm 3 / 16'x1 / 8 . Anda perlu memastikan accelerometer TOP disambungkan ke A0 dan accelerometer BOTTOM ke A3 agar kod Arduino berfungsi.

Untuk menyiapkan Arduino itu sendiri, muat turun perisian arduino terlebih dahulu ke komputer anda. Pasang Arduino ke komputer anda menggunakan Kabel USB 2.0. Buka fail yang disediakan atau salin dan tampal ke fail baru. Navigasi ke Alat di bar atas dan arahkan kursor ke "Papan:" untuk memilih Arduino Uno. Satu ke bawah, arahkan kursor ke "Port" dan pilih Arduino Uno.

Langkah 7: Sediakan Sistem Akhir

Langkah terakhir penyediaan - menyatukan semuanya! Mulailah dengan melepaskan klip buaya dari pembesar suara dan memasukkan pembesar suara ke bahagian atas unit perumahan dengan skru kepala Hex 6-32 x,, kacang hex 6-32 dan Kunci Allen 9/64 . Seterusnya, skru pemasangan jisim getaran (dengan pecutan) ke pembesar suara. Untuk hasil yang terbaik, kami mengesyorkan memutar pembesar suara untuk mengelakkan kekusutan kabel akselerometer. Kencangkan jisim ke pembesar suara dengan kacang hex aluminium.

Akhirnya, masukkan ketiga-tiga bahagian pemasangan perumahan ke bahagian atas. Kunci pemasangan perumahan dengan menggunakan skru kepala Hex 8-32 x 3/4 dan mur kacang hex 8-32. Akhirnya, pasangkan semula klip buaya ke pembesar suara. Anda sudah bersedia untuk memulakan ujian!

Pilih cecair pilihan anda dan isi cawan plastik anda sehingga sfera terendam sepenuhnya. Anda tidak mahu sfera terendam sebahagiannya, tetapi juga berhati-hati untuk tidak merendam bola sejauh ini sehingga bendalir menyentuh kacang hex aluminium.

Langkah 8: Bahagian 2: Menjalankan Eksperimen

Setelah pemasangan selesai, kami dapat merakam data kami. Anda akan menyapu frekuensi antara 15 - 75 Hz pada amplitud pemanduan yang ditetapkan. Kami mengesyorkan kenaikan 5 Hz, tetapi ini dapat diubah untuk hasil yang lebih tepat. Arduino akan merakam pecutan untuk pembesar suara (pecutan atas) dan sfera (akselerometer bawah) yang akan anda rakam dalam fail csv. Kod MATLAB 1 & 2 yang disediakan akan dibaca dalam nilai csv sebagai lajur yang berasingan, melakukan transformasi Fourier dua isyarat untuk menyahdayakan isyarat, dan mencetak nisbah amplitud yang dihasilkan dari pecutan atas dan bawah. MATLAB Code 3 akan menerima nisbah amplitud ini dan kelikatan awal yang ditebak dan merancang nisbah percubaan dan frekuensi yang dikira. Dengan mengubah kelikatan yang ditebak dan membandingkan tekaan ini secara visual dengan data eksperimen, anda akan dapat menentukan kelikatan cecair anda.

Untuk penjelasan mendalam mengenai kod MATLAB, lihat dokumentasi teknikal yang dilampirkan.

Langkah 9: Merakam Data dalam CSV

Untuk mulai merekam data, pertama-tama pastikan penyiapan anda selesai seperti yang dijelaskan di Bahagian 1. Pastikan Amplifier terpasang ke stopkontak. Muat naik kod Arduino ke peranti anda dengan mengklik butang "Muat Naik" di sudut kanan atas. Setelah berjaya dimuat, arahkan ke "Alat" dan pilih "Serial Monitor." Pastikan semasa anda membuka Serial Monitor atau Serial Plotter bahawa nombor baudd sama dengan nombor baudd dalam kod (115200). Anda akan melihat dua lajur data dihasilkan iaitu bacaan pecutan atas dan bawah.

Buka MATLAB GUI dan pilih amplitud pemanduan untuk percubaan anda (kami menggunakan 0.08 ampere dan 0.16 ampere). Anda akan menyapu frekuensi 15 - 75 Hz, merakam data setiap 5 Hz (13 set data keseluruhan). Mulakan dengan menetapkan frekuensi pemanduan ke 15 Hz dan hidupkan sistem dengan menekan "Hidupkan sistem." Ini akan menghidupkan pembesar suara anda, menyebabkan sfera dan pemasangan bergetar ke atas dan ke bawah. Kembali ke Monitor Serial Arduino anda dan tekan "Clear Output" untuk mula mengumpulkan data baru. Biarkan persediaan ini berjalan selama kira-kira 6 saat, dan kemudian cabut plag Arduino dari komputer anda. Monitor Serial akan berhenti merakam, membolehkan anda menyalin dan menampal secara manual sekitar 4, 500-5, 000 entri data ke dalam fail csv. Pisahkan dua lajur data menjadi dua lajur yang terpisah (Lajur 1 dan 2). Namakan semula csv ini "15hz.csv".

Pasang kembali Arduino anda ke komputer anda (pastikan untuk menetapkan semula Port) dan ulangi proses ini untuk frekuensi 20 Hz, 25 Hz,… 75Hz memastikan untuk mengikuti konvensyen penamaan untuk fail CSV. Lihat dokumen teknikal untuk maklumat lebih lanjut mengenai bagaimana fail ini dibaca oleh MATLAB.

Sekiranya anda ingin melihat perubahan nisbah amplitud semasa sapuan frekuensi, anda juga boleh menggunakan Arduino Serial Plotter untuk melihat perbezaan ini secara visual.

Langkah 10: Memproses Data Anda Dengan Kod MATLAB

Setelah data eksperimen diperoleh dalam bentuk fail CSV, langkah seterusnya adalah menggunakan kod yang disediakan untuk memproses data. Untuk arahan terperinci mengenai penggunaan kod dan untuk penjelasan mengenai matematik yang mendasarinya, lihat dokumen teknikal kami. Tujuannya adalah untuk mendapatkan amplitud pecutan untuk pecutan atas dan bawah, kemudian mengira nisbah amplitud bawah ke amplitud atas. Nisbah ini dikira untuk setiap frekuensi pemanduan. Nisbah kemudian dipetakan sebagai fungsi frekuensi pemanduan.

Setelah petak ini diperoleh, satu lagi kod (terperinci lagi dalam dokumen teknikal) digunakan untuk menentukan kelikatan bendalir. Kod ini menghendaki pengguna memasukkan tekaan awal untuk kelikatan, dan sangat mustahak bahawa tekaan awal ini lebih rendah daripada kelikatan sebenar, jadi pastikan untuk meneka kelikatan yang sangat rendah jika tidak, kod tersebut tidak akan berfungsi dengan baik. Setelah kod menemui kelikatan yang sepadan dengan data eksperimen, ia akan menghasilkan plot seperti yang ditunjukkan di bawah dan akan menunjukkan nilai kelikatan terakhir. Selamat menyelesaikan percubaan!

Langkah 11: Fail

Sebagai alternatif:

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