დაბალი ღირებულების რეომეტრი: 11 ნაბიჯი (სურათებით)

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:15

ამ ინსტრუქციის მიზანია შექმნას დაბალი ღირებულების რეომეტრი, რათა ექსპერიმენტულად აღმოაჩინოს სითხის სიბლანტე. ეს პროექტი შეიქმნა ბრაუნის უნივერსიტეტის კურსდამთავრებულთა და მაგისტრანტთა გუნდის მიერ მექანიკური სისტემების ვიბრაციის კლასში.

რეომეტრი არის ლაბორატორიული მოწყობილობა, რომელიც გამოიყენება სითხეების სიბლანტის გასაზომად (რამდენად სქელი ან წებოვანია სითხე - იფიქრეთ წყალი თაფლის წინააღმდეგ). არსებობს გარკვეული რეომეტრები, რომელთაც შეუძლიათ სითხეების სიბლანტის გაზომვა სითხეში ჩაძირული ვიბრაციული სისტემის რეაქციის გაზომვით. ამ იაფფასიანი რეომეტრის პროექტში ჩვენ შევქმენით ვიბრაციული სისტემა სფეროდან და ზამბარადან, რომელიც მიმაგრებულია სპიკერზე, რათა გავზომოთ რეაქცია სხვადასხვა სიხშირეზე. ამ რეაქციის მრუდიდან შეგიძლიათ იპოვოთ სითხის სიბლანტე.

მასალები:

საჭირო მასალები:

საბინაო ასამბლეა:

• ნაწილაკების დაფა (11’’ W x 9’’ H) (აქ) $ 1.19
• 12 x 8-32 x 3/4 "Hex head screws (აქ) $ 9.24 ტოტი
• 12 x 8-32 Hex კაკალი (აქ) $ 8.39
• 4 x 6-32 x ½’’ Hex head screw (აქ) $ 9.95
• 4 x 6-32 ექვსკუთხედი (აქ) $ 5.12
• 9/64 "ალენის გასაღები (აქ) $ 5.37

ელექტრონიკა:

• 12V კვების ბლოკი (აქ) $ 6.99
• გამაძლიერებელი (აქ) $ 10.99
• Aux კაბელი (აქ) $ 7.54
• Jumper Wire (იხ. ქვემოთ)
• ალიგატორის კლიპები (აქ) $ 5.19
• სპიკერი (აქ) $ 4.25
• ხრახნიანი დრაივერი (აქ) $ 5.99

გაზაფხულისა და სფეროს მოწყობა:

• 3D პრინტერის ფისი (ცვლადი)
• 2 x ამაჩქარებელი (ჩვენ გამოვიყენეთ ეს) $ 29.90
• ცისარტყელის 10 კაბელი ქალი-მამაკაცი (აქ) $ 4.67
• 12 x მამრობითი სქესის ცისარტყელა კაბელები (აქ) $ 3.95
• Arduino Uno (აქ) $ 23.00
• USB 2.0 კაბელი ტიპი A– დან B– მდე (აქ) $ 3.95
• პურის დაფა (აქ) $ 2,55
• შეკუმშვის ზამბარები (ჩვენ ამას ვიყენებდით) ??
• 2 x საბაჟო კონექტორები (3D ბეჭდვით)
• 2 x ⅜’’-16 Hex თხილი (აქ) $ 1.18
• 4 x 8-32 ხრახნები (აქ) $ 6.32
• 4 x ¼’’-20 Hex კაკალი (ალუმინი) (აქ) $ 0.64
• 2 x ¼’’-20’’ ხრახნიანი ჯოხი (ალუმინი) (აქ) $ 11.40
• 7/64 '' ალენის გასაღები
• 5/64 '' ალენის გასაღები
• 4 x 5x2 მმ 3/16’’x1/8’’ ხრახნები (აქ) $ 8.69

სხვა

• პლასტიკური თასი (აქ) $ 6.99
• სითხე სიბლანტის შესამოწმებლად (ჩვენ გამოვცადეთ კარო სიროფი, მცენარეული გლიცერინი, ჰერშის შოკოლადის სიროფი)

სულ ღირებულება: $ 183.45*

*არ შეიცავს 3D პრინტერის ფისს ან სითხეს

ინსტრუმენტები

• ლაზერული საჭრელი
• 3D პრინტერი

საჭირო პროგრამული უზრუნველყოფა

• MATLAB
• არდუინო

ფაილები და კოდი:

• Adobe Illustrator ფაილი საბინაო შეკრებისთვის (Rheometer_Housing.ai)
• სპიკერის კონტროლერი GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino Rheometer ფაილი (rheometer_project.ino)
• სფეროს ფაილები (cor_0.9cmbody.stl და cor_1.5cmbody.stl)
• Custom Connector ASCII გეომეტრიული ფაილი (Connector_File.step)
• MATLAB კოდი 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB კოდი 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB კოდი 3 (rheometer_foruser.m)

ნაბიჯი 1: ნაწილი 1: დაყენება

როგორ დავაყენოთ ექსპერიმენტული პლატფორმა.

ნაბიჯი 2: 3D ბეჭდვა და ლაზერული ჭრა ყველა ნაწილისთვის (საბაჟო კონექტორები, სფეროები და საცხოვრებელი)

ნაბიჯი 3: შეაერთეთ ელექტრონიკა, როგორც ნაჩვენებია ქვემოთ

მნიშვნელოვანია აღინიშნოს: არ ჩართოთ კვების ბლოკი ქსელში სანამ ამ მონაკვეთის ყველა ნაბიჯი არ დასრულდება! ყოველთვის გამორთეთ ელექტროენერგიის მიწოდება ნებისმიერი ცვლილების განხორციელებისას.

დასაწყებად, დარწმუნდით, რომ გამაძლიერებელი მოთავსებულია სახელურით მოშორებით. შეაერთეთ ალიგატორის სამაგრები და ჯუმბერის მავთულები გამაძლიერებელზე მარცხენა ქვედა ხელის ტერმინალებთან. მიამაგრეთ დენის კაბელი და მისი მავთულის მავთული მარცხენა ზედა ტერმინალებზე გამაძლიერებელზე. მიამაგრეთ ტერმინალის კავშირის ბოლოები მავთულის ქინძისთავების დასაფიქსირებლად. დარწმუნდით, რომ დადებითი და უარყოფითი ტერმინალები სწორად შეესაბამება ტერმინალებს გამაძლიერებელზე და ალიგატორის კლიპებს სპიკერზე. დარწმუნდით, რომ ეს ორი კლიპი არ შევა კონტაქტში.

ნაბიჯი 4: GUI დაყენება

ახლა, როდესაც ელექტრონიკა დაყენებულია, ჩვენ შეგვიძლია შევამოწმოთ GUI, რომელიც საშუალებას მოგვცემს მართოს სპიკერი და შექმნას ვიბრაციული სისტემა, რომელიც ჩაძირულია ჩვენს სითხეში. სპიკერი კონტროლდება ჩვენს კომპიუტერში არსებული აუდიო გამომავალი სისტემით. დაიწყეთ MATLAB- ის და GUI კოდის გადმოწერით ზემოთ. შენიშვნა: არსებობს LED განათების პარამეტრები, რომლებიც არ იქნება გამოყენებული და იგნორირებული უნდა იყოს.

მას შემდეგ რაც გახსენით MATLAB, გაუშვით შემდეგი ბრძანების ფანჯარაში "info = audiodevinfo" და ორჯერ დააწკაპუნეთ "გამომავალი" ვარიანტზე. იპოვეთ პირადობის ნომერი გარე ყურსასმენის/დინამიკის ვარიანტისთვის. ეს იქნება რაღაც „სპიკერი / ყურსასმენი…“ან „გარე…“ან „ჩამონტაჟებული გამომავალი…“თქვენი მოწყობილობიდან გამომდინარე. დააყენეთ "გარე სპიკერის ID" ამ ID ნომერზე.

ახლა მოდით შევამოწმოთ, რომ ჩვენი სისტემა სწორად არის დაყენებული. ჩართეთ თქვენი კომპიუტერული მოცულობა ყველა გზაზე. გათიშეთ აუდიო კაბელი თქვენი კომპიუტერიდან და შეაერთეთ ყურსასმენების ნაკრები ჩვენ შევამოწმებთ კავშირს GUI– სთან, რომ სიგნალი გაუგზავნოს შეიკერს. შეიყვანეთ 60 Hz როგორც მართვის სიხშირე ტექსტის ველში, როგორც ნაჩვენებია ქვემოთ. (ეს ველი იღებს მნიშვნელობებს 150 ჰერცამდე). ეს არის თქვენი შექმნის იძულებითი სიხშირე. შემდეგ გადააადგილეთ მამოძრავებელი ამპლიტუდა დაახლოებით 0,05 მნიშვნელობამდე. შემდეგ, დააჭირეთ ღილაკს "სისტემის ჩართვა", რომ სიგნალი გაუგზავნოთ თქვენს ყურსასმენებს. ეს გამოიწვევს ყურსასმენის ერთ -ერთ არხს (მარცხნივ ან მარჯვნივ). გაზარდეთ თქვენი კომპიუტერის ხმა სანამ ხმა არ ისმის. დააწკაპუნეთ ღილაკზე "გამორთეთ სისტემა" მას შემდეგ, რაც ისმის ტონის მოსმენა და დარწმუნდით, რომ ხმა შეწყვეტს დაკვრას. სისტემის მუშაობის სიხშირის ან ამპლიტუდის შესაცვლელად, დააჭირეთ ღილაკს "პარამეტრების განახლება".

ნაბიჯი 5: შექმენით ვიბრაციული მასის შეკრება

ჩვენ ახლა ვიწყებთ ვიბრაციული მასის სისტემის შეკრებას, რომელსაც ჩავუღრმავდებით ჩვენს სითხეში. იგნორირება გაუკეთეთ ამაჩქარებლებს ამ საფეხურზე და ფოკუსირება მოახდინეთ სფეროს, კონექტორების, ექვსკუთხედისა და ზამბარის შეკრებაზე. დააფიქსირეთ ფოლადის ექვსკუთხედი თხილის თითოეულ კონექტორში დამაგრებული ხრახნებით და 5/64 '' ალენის გასაღებით. შეაერთეთ ერთ -ერთი მათგანი სფეროსთან ალუმინის ექვსკუთხა თხილის და ალუმინის ხრახნიანი ძაფით. შეუთავსეთ ორივე, როგორც ზემოთ ნაჩვენებია. დაბოლოს, შეახვიეთ მეორე ხრახნიანი როდი ზედა კონექტორში და ნაწილობრივ დააწექით ალუმინის ექვსკუთხედზე.

ნაბიჯი 6: დაამატეთ ამაჩქარებლები და არდუინო

დიაგრამის გამოყენებით, დაუკავშირეთ არდუინო ამაჩქარებლებს. გრძელი ცისარტყელას კაბელების შესაქმნელად გამოიყენეთ მამრობითი სქესის მავთულები (დიაგრამაზე თეთრი, ნაცრისფერი, მეწამული, ლურჯი და შავი) და დააკავშირეთ ისინი მდედრობითი სქესის მავთულხლართებთან (წითელი, ყვითელი, ნარინჯისფერი, მწვანე და ყავისფერი). მეორე დასასრული დაუკავშირდება ამაჩქარებლებს. დარწმუნდით, რომ „GND“(სახმელეთო) და „VCC“(3.3 ვოლტი) ამაჩქარებელი პორტები შეესაბამება პურის დაფას და რომ „X“პორტი ემთხვევა არდუინოს A0 და A3 პორტებს.

მიამაგრეთ საბოლოო ამაჩქარებლები ვიბრაციული მასის შეკრებაზე 5x3 მმ 3/16’’x1/8’’ ხრახნების გამოყენებით. თქვენ უნდა დარწმუნდეთ, რომ TOP ამაჩქარებელი უკავშირდება A0- ს და BOTTOM ამაჩქარებელს A3- ს, რათა Arduino კოდი იმუშაოს.

Arduino– ს დასაყენებლად, ჯერ გადმოწერეთ arduino პროგრამული უზრუნველყოფა თქვენს კომპიუტერში. შეაერთეთ Arduino თქვენს კომპიუტერში USB 2.0 კაბელის გამოყენებით. გახსენით მოწოდებული ფაილი ან დააკოპირეთ და ჩასვით ახალ ფაილში. გადადით ინსტრუმენტზე, ზედა ზოლში და მიიტანეთ "Board:" - ზე, რომ აირჩიოთ Arduino Uno. ერთი ქვემოთ, გადაიტანეთ "პორტზე" და აირჩიეთ Arduino Uno.

ნაბიჯი 7: დააყენეთ საბოლოო სისტემა

კონფიგურაციის დასკვნითი ნაბიჯი-ყველაფერი ერთად აწყობა! დაიწყეთ სპიკერიდან ალიგატორის სამაგრების ამოღებით და სპიკერის ხრახნიანი სახურავის თავში 6-32 x ½’’ ექვსკუთხა ხრახნით, 6-32 ექვსკუთხედი და 9/64’’ ალენის გასაღებით. შემდეგი, ხრახნიანი ვიბრაციული მასის შეკრება (ამაჩქარებლებით) სპიკერში. საუკეთესო შედეგისთვის, ჩვენ გირჩევთ გადაუხვიოთ დინამიკს, რათა თავიდან აიცილოთ ამაჩქარებლის მავთულის ჩახლართვა. გამკაცრდეს მასა დინამიკზე ალუმინის ექვსკუთხედით.

დაბოლოს, მოათავსეთ საცხოვრებელი კორპუსის სამი მხარე ზედა ნაწილში. დააფიქსირეთ საბინაო შეკრება 8-32 x 3/4 Hex head screws და 8-32 hex კაკლების გამოყენებით. დაბოლოს, მიამაგრეთ ალიგატორის კლიპები სპიკერზე. თქვენ მზად ხართ დაიწყოთ ტესტირება!

შეარჩიეთ თქვენთვის სასურველი სითხე და შეავსეთ პლასტმასის ჭიქა, სანამ სფერო მთლიანად არ ჩაიძირა. თქვენ არ გინდათ, რომ სფერო ნაწილობრივ ჩაძირული იყოს, მაგრამ ასევე ფრთხილად იყავით, რომ სფერო ისე არ ჩაძიროთ, რომ სითხე შეეხოთ ალუმინის ექვსკუთხედს.

ნაბიჯი 8: ნაწილი 2: ექსპერიმენტის ჩატარება

ახლა, როდესაც ჩვენ დავამთავრეთ ჩვენი შეკრება, ჩვენ შეგვიძლია ჩავწეროთ ჩვენი მონაცემები. თქვენ გადალახავთ სიხშირეებს 15 - 75 ჰც შორის დადგენილ მამოძრავებელ ამპლიტუდაზე. ჩვენ გირჩევთ გაზარდოთ 5 Hz, მაგრამ ეს შეიძლება შეიცვალოს უფრო ზუსტი შედეგისთვის. Arduino ჩაწერს როგორც აჩქარებას დინამიკისთვის (ზედა ამაჩქარებელი), ასევე სფეროს (ქვედა ამაჩქარებელი), რომელსაც თქვენ ჩაწერთ csv ფაილში. მოწოდებული MATLAB კოდი 1 და 2 წაიკითხავს csv მნიშვნელობებში, როგორც ცალკეულ სვეტებს, განახორციელებს ორ სიგნალს ოთხჯერ გარდაქმნას სიგნალის გასამხნევებლად და დაბეჭდავს ზედა და ქვედა ამაჩქარებლის ამპლიტუდის თანაფარდობას. MATLAB კოდი 3 მიიღებს ამპლიტუდის კოეფიციენტებს და საწყის სავარაუდო სიბლანტეს და ასახავს ექსპერიმენტულ და გამოთვლილ კოეფიციენტებს სიხშირის წინააღმდეგ. თქვენი სავარაუდო სიბლანტის შეცვლით და ვიზუალურად შეადარებთ ამ ვარაუდს ექსპერიმენტულ მონაცემებთან, თქვენ შეძლებთ განსაზღვროთ თქვენი სითხის სიბლანტე.

MATLAB კოდის სიღრმისეული ახსნისთვის იხილეთ თანდართული ტექნიკური დოკუმენტაცია.

ნაბიჯი 9: მონაცემების ჩაწერა CSV– ში

მონაცემების ჩაწერის დასაწყებად, დარწმუნდით, რომ თქვენი კონფიგურაცია დასრულებულია, როგორც ეს აღწერილია 1 ნაწილში. დარწმუნდით, რომ გამაძლიერებელი ჩართულია კვების ბლოკში. ატვირთეთ თქვენი Arduino კოდი თქვენს მოწყობილობაზე, ღილაკზე "ატვირთვა" ზედა მარჯვენა კუთხეში. მას შემდეგ რაც წარმატებით აიტვირთება, გადადით "ინსტრუმენტები" და აირჩიეთ "სერიული მონიტორი". დარწმუნდით, რომ სერიული მონიტორის ან სერიული პლოტერის გახსნისას baudd ნომერი უდრის კოდში baudd ნომერს (115200). თქვენ იხილავთ მონაცემთა ორი სვეტის წარმოქმნას, რომლებიც არის ზედა და ქვედა აქსელერომეტრის მაჩვენებლები.

გახსენით MATLAB GUI და შეარჩიეთ მართვის ამპლიტუდა თქვენი ექსპერიმენტისთვის (ჩვენ გამოვიყენეთ 0.08 ამპერი და 0.16 ამპერი). თქვენ გადახვალთ სიხშირეებზე 15 - 75 Hz, ჩაწერთ მონაცემებს ყოველ 5 Hz– ზე (მონაცემთა 13 ნაკრები სულ). დაიწყეთ მართვის სიხშირის 15 ჰერცამდე და ჩართეთ სისტემა ღილაკით „ჩართეთ სისტემა“. ეს ჩართავს თქვენს დინამიკს, გამოიწვევს სფეროს და დაყენებას ვიბრირებას ზემოთ და ქვემოთ. დაუბრუნდით თქვენს Arduino სერიულ მონიტორს და დააჭირეთ ღილაკს "Clear Output", რომ დაიწყოთ ახალი მონაცემების შეგროვება. გაუშვით ეს დაყენება დაახლოებით 6 წამის განმავლობაში და შემდეგ გათიშეთ Arduino კომპიუტერიდან. სერიული მონიტორი შეწყვეტს ჩაწერას, რაც საშუალებას მოგცემთ ხელით დააკოპიროთ და ჩასვათ დაახლოებით 4,500-5,000 მონაცემის csv ფაილში. გაყავით მონაცემთა ორი სვეტი ორ ცალკეულ სვეტად (სვეტები 1 და 2). დაარქვით ამ csv "15hz.csv".

შეაერთეთ თქვენი Arduino თქვენს კომპიუტერში (დარწმუნდით პორტის გადატვირთვაში) და გაიმეორეთ ეს პროცესი სიხშირეებზე 20 Hz, 25 Hz,… 75Hz დარწმუნდით, რომ დაიცავთ CSV ფაილების დასახელების კონვენციას. იხილეთ ტექნიკური დოკუმენტი დამატებითი ინფორმაციისათვის, თუ როგორ იკითხება ეს ფაილები MATLAB– ის მიერ.

თუ გსურთ დააკვირდეთ ამპლიტუდის თანაფარდობის ცვლილებას სიხშირის გაწმენდისას, შეგიძლიათ დამატებით გამოიყენოთ Arduino სერიული პლოტერი ამ განსხვავების ვიზუალურად დასაკვირვებლად.

ნაბიჯი 10: დაამუშავეთ თქვენი მონაცემები MATLAB კოდით

მას შემდეგ რაც ექსპერიმენტული მონაცემები მიიღება CSV ფაილების სახით, შემდეგი ნაბიჯი არის მონაცემების დამუშავებისათვის ჩვენი მოწოდებული კოდის გამოყენება. კოდის გამოყენების დეტალური ინსტრუქციისთვის და მათემატიკის ახსნისათვის იხილეთ ჩვენი ტექნიკური დოკუმენტი. მიზანი არის აჩქარების ამპლიტუდის მოპოვება ზედა და ქვედა ამაჩქარებლისთვის, შემდეგ გამოვთვალოთ ქვედა ამპლიტუდის შეფარდება ზედა ამპლიტუდასთან. ეს თანაფარდობა გამოითვლება თითოეული სიხშირისთვის. თანაფარდობა მაშინ არის გამოსახული, როგორც მოძრაობის სიხშირის ფუნქცია.

მას შემდეგ რაც მიიღება ეს ნაკვეთი, სითხის სიბლანტის დასადგენად გამოიყენება კოდის კიდევ ერთი ნაკრები (ისევ ტექნიკურ დოკუმენტშია აღწერილი). ეს კოდი მოითხოვს მომხმარებელს შეიტანოს სიბლანტის საწყისი გამოცნობა და აუცილებელია, რომ ეს საწყისი გამოცდა იყოს უფრო დაბალი ვიდრე რეალური სიბლანტე, ასე რომ დარწმუნდით, რომ გამოიცანით ძალიან დაბალი სიბლანტე, წინააღმდეგ შემთხვევაში კოდი არ იმუშავებს სწორად. მას შემდეგ, რაც კოდმა აღმოაჩინა სიბლანტე, რომელიც ემთხვევა ექსპერიმენტულ მონაცემებს, ის გამოიმუშავებს ნაკვეთს, როგორც ქვემოთ ნაჩვენებია და აჩვენებს საბოლოო სიბლანტის მნიშვნელობას. გილოცავთ ექსპერიმენტის დასრულებას!

ნაბიჯი 11: ფაილები

Ალტერნატიულად:

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