مقياس ريومتر منخفض التكلفة: 11 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:36

الغرض من هذه التعليمات هو إنشاء مقياس ريومتر منخفض التكلفة لإيجاد لزوجة السائل بشكل تجريبي. تم إنشاء هذا المشروع من قبل فريق من طلاب البكالوريوس والدراسات العليا بجامعة براون في فئة اهتزاز الأنظمة الميكانيكية.

مقياس الانفعال هو جهاز معمل يستخدم لقياس لزوجة السوائل (مدى ثخانة أو لزوجة السائل - فكر في الماء مقابل العسل). هناك مقاييس ريومترية معينة يمكنها قياس لزوجة السوائل عن طريق قياس استجابة نظام اهتزاز مغمور في سائل. في هذا المشروع منخفض التكلفة لمقياس الريح ، أنشأنا نظام اهتزاز من كرة وزنبرك متصل بمكبر صوت لقياس الاستجابة عند ترددات مختلفة. من منحنى الاستجابة هذا ، يمكنك إيجاد لزوجة السائل.

اللوازم:

المواد المطلوبة:

تجميع الإسكان:

• لوح الجسيمات (11 بوصة عرض × 9 بوصة ارتفاع) (هنا) 1.19 دولار
• براغي سداسية 12 × 8-32 × 3/4 بوصة (هنا) 9.24 دولار
• 12 × 8-32 صامولة سداسية (هنا) 8.39 دولار
• برغي رأس سداسي مقاس 4 × 6-32 × "(هنا) 9.95 دولارًا أمريكيًا
• 4 × 6-32 صامولة سداسية (هنا) 5.12 دولار
• 9/64 '' Allen Key (هنا) 5.37 دولار

الإلكترونيات:

• 12 فولت امدادات الطاقة (هنا) 6.99 دولار
• مكبر (هنا) 10.99 دولار
• كابل Aux (هنا) 7.54 دولار
• سلك العبور (انظر أدناه)
• مقاطع التمساح (هنا) $ 5.19
• المتحدث (هنا) 4.25 دولار
• مفك البراغي (هنا) 5.99 دولار

إعداد الربيع والمجال:

• راتنج طابعة ثلاثية الأبعاد (متغير)
• 2 × مقياس تسارع (استخدمناهما) 29.90 دولارًا
• 10 × كبلات قوس قزح للإناث والذكور (هنا) 4.67 دولار
• 12 × كبلات قوس قزح ذكر ذكر (هنا) 3.95 دولار
• Arduino Uno (هنا) 23.00 دولارًا
• كبل USB 2.0 من النوع A إلى B (هنا) 3.95 دولار
• لوح الخبز (هنا) 2.55 دولار
• نوابض ضغط (استخدمنا هذه) ؟؟
• 2 × موصلات مخصصة (طباعة ثلاثية الأبعاد)
• 2 × ⅜ "- 16 حبة سداسية (هنا) 1.18 دولار
• مجموعة براغي 4 × 8-32 (هنا) 6.32 دولار
• 4 × ¼ "- 20 صامولة سداسية (ألومنيوم) (هنا) 0.64 دولار
• 2 × ¼ "- 20" قضيب ملولب (ألومنيوم) (هنا) 11.40 دولارًا أمريكيًا
• 7/64 `` مفتاح ألين
• 5/64 `` مفتاح ألين
• 4 × 5 × 2 مم 3/16’x1 / 8 بوصة (هنا) 8.69 دولار

آخر

• كأس بلاستيك (هنا) 6.99 دولار
• سائل لاختبار اللزوجة (اختبرنا شراب كارو ، جلسرين نباتي ، شراب شوكولاتة هيرشي)

التكلفة الإجمالية: 183.45 دولار أمريكي *

* لا يشمل راتينج أو سائل طابعة ثلاثية الأبعاد

أدوات

• قاطع ليزري
• طابعة 3D

البرنامج المطلوب

• ماتلاب
• اردوينو

الملفات والكود:

• ملف Adobe Illustrator لتجميع السكن (Rheometer_Housing.ai)
• واجهة المستخدم الرسومية للتحكم في مكبر الصوت (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• ملف مقياس اردوينو (rheometer_project.ino)
• ملفات شبكة المجال (cor_0.9cmbody.stl و cor_1.5cmbody.stl)
• ملف هندسة ASCII للموصل المخصص (Connector_File.step)
• كود MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• كود MATLAB 2 (Accelprocessor_foruser.m)
• كود MATLAB 3 (مقياس الضغط_مقاس_مقياس_مقاس_مقياس_مقاس_مقاومة)

الخطوة 1: الجزء 1: الإعداد

كيفية إعداد المنصة التجريبية.

الخطوة 2: الطباعة ثلاثية الأبعاد وقطع جميع الأجزاء بالليزر (الموصلات ، والمجالات ، والإسكان المخصص)

الخطوة 3: قم بتوصيل الإلكترونيات كما هو موضح أدناه

ملاحظة مهمة: لا تقم بتوصيل مصدر الطاقة بالمأخذ حتى تكتمل جميع الخطوات الواردة في هذا القسم! افصل دائمًا مصدر الطاقة عند إجراء أي تغييرات.

للبدء ، تأكد من وضع مكبر الصوت بحيث يكون المقبض متجهًا بعيدًا. قم بتوصيل مقاطع التمساح وأسلاك العبور بالأطراف اليسرى السفلية على مكبر الصوت. قم بتوصيل سلك الطاقة وسلك التوصيل الخاص به بالأطراف العلوية اليسرى في مكبر الصوت. برغي على أطراف التوصيل الطرفي لتأمين دبابيس السلك. تأكد من محاذاة الأطراف الموجبة والسالبة بشكل صحيح مع الأطراف الموجودة على الأمبير ومشبك مقاطع التمساح في السماعة. تأكد من عدم ملامسة هذين المقطعين.

الخطوة 4: إعداد واجهة المستخدم الرسومية

الآن بعد أن تم إعداد الإلكترونيات ، يمكننا اختبار واجهة المستخدم الرسومية التي ستسمح لنا بقيادة السماعة وإنشاء نظام اهتزاز مغمور في سائلنا. سيتم التحكم في مكبر الصوت بواسطة نظام إخراج الصوت في جهاز الكمبيوتر الخاص بنا. ابدأ بتنزيل MATLAB ورمز واجهة المستخدم الرسومية المضمن أعلاه. ملاحظة: هناك إعدادات لمصابيح LED لن يتم استخدامها ويجب تجاهلها.

بمجرد فتح MATLAB ، قم بتشغيل ما يلي في نافذة الأوامر ، "info = audiodevinfo" وانقر نقرًا مزدوجًا على خيار "الإخراج". ابحث عن رقم المعرف لخيار سماعات الرأس / مكبر الصوت الخارجية. سيكون شيئًا مثل "مكبر الصوت / سماعات الرأس …" أو "خارجي …" أو "إخراج مدمج …" اعتمادًا على جهازك. اضبط "معرف مكبر الصوت الخارجي" على رقم المعرف هذا.

دعنا الآن نختبر أن نظامنا قد تم إعداده بشكل صحيح. قم بخفض مستوى صوت الكمبيوتر الخاص بك على طول الطريق. افصل كابل الصوت من جهاز الكمبيوتر الخاص بك وبدلاً من ذلك قم بتوصيل مجموعة من سماعات الرأس سنختبر اتصال واجهة المستخدم الرسومية لإرسال إشارة إلى شاكر. أدخل 60 هرتز كتردد قيادة في حقل النص كما هو موضح أدناه. (يقبل هذا الحقل قيمًا تصل إلى 150 هرتز). هذا هو تردد التأثير للإعداد الخاص بك. بعد ذلك ، حرك سعة القيادة إلى قيمة تقارب 0.05. ثم اضغط على زر "تشغيل النظام" لإرسال إشارة إلى سماعات الرأس. سيؤدي ذلك إلى تشغيل إحدى قنوات سماعات الرأس (اليسرى أو اليمنى). ارفع مستوى صوت الكمبيوتر حتى يمكن سماع صوت. اضغط على "إيقاف تشغيل النظام" بمجرد سماع نغمة مسموعة وتأكد من توقف الصوت عن التشغيل. لتغيير التردد أو سعة القيادة لنظامك أثناء تشغيله ، اضغط على زر "تحديث الإعدادات".

الخطوة 5: إنشاء مجموعة الكتلة المهتزة

سنبدأ الآن في تجميع نظام الكتلة الاهتزازي الذي سنغرقه في سائلنا. تجاهل مقاييس التسارع في هذه الخطوة وركز على تجميع الكرة والموصلات والصواميل السداسية والربيع. قم بتأمين صامولة سداسية فولاذية في كل من الموصلات المخصصة باستخدام براغي مثبتة ومفتاح ألين مقاس 5/64 بوصة. قم بتوصيل أحدها بالكرة باستخدام صمولة سداسية من الألومنيوم وقضيب ملولب من الألومنيوم. اجمع كلاهما كما هو موضح أعلاه. أخيرًا ، قم بربط القضيب الملولب الثاني في الموصل العلوي وقم بلفه جزئيًا على صامولة سداسية من الألومنيوم.

الخطوة 6: أضف مقاييس التسارع و Arduino

باستخدام الرسم البياني أعلاه ، قم بتوصيل اردوينو بمقاييس التسارع. لإنشاء كبلات قوس قزح الطويلة ، استخدم أسلاك الذكور-الذكور (كما هو موضح في الرسم التخطيطي مثل الأبيض والرمادي والأرجواني والأزرق والأسود) وقم بتوصيلها بأسلاك الإناث والذكور (أحمر ، أصفر ، برتقالي ، أخضر ، و بنى). سيتصل الطرف الثاني بمقاييس التسارع. تأكد من مطابقة منفذي مقياس التسارع "GND" (الأرضي) و "VCC" (3.3 فولت) مع اللوح وأن المنفذ "X" مطابق لمنفذي A0 و A3 في Arduino.

قم بتوصيل مقاييس التسارع النهائية بمجموعة الكتلة المهتزة باستخدام مسامير 5x3mm 3 / 16’x1 / 8’. ستحتاج إلى التأكد من توصيل مقياس التسارع TOP بـ A0 ومقياس التسارع السفلي بـ A3 حتى يعمل كود Arduino.

لإعداد Arduino نفسه ، قم أولاً بتنزيل برنامج arduino على جهاز الكمبيوتر الخاص بك. قم بتوصيل Arduino بجهاز الكمبيوتر الخاص بك باستخدام كابل USB 2.0. افتح الملف المقدم أو انسخه والصقه في ملف جديد. انتقل إلى الأداة في الشريط العلوي وقم بالمرور فوق "Board:" لتحديد Arduino Uno. واحد لأسفل ، حرك الماوس فوق "المنفذ" وحدد Arduino Uno.

الخطوة 7: قم بإعداد النظام النهائي

الخطوة الأخيرة من الإعداد - تجميعها جميعًا! ابدأ بفك مشابك التمساح من السماعة وشد السماعة في الجزء العلوي من مجموعة السكن باستخدام مسامير سداسية الرأس مقاس 6-32 × '، وصامولة سداسية الشكل 6-32 ومفتاح ألين 9/64 بوصة. بعد ذلك ، قم بربط مجموعة الكتلة المهتزة (مع مقاييس التسارع) في السماعة. للحصول على أفضل نتيجة ، نوصي بتدوير السماعة لتجنب تشابك أسلاك مقياس التسارع. شد الكتلة إلى السماعة باستخدام صامولة الألومنيوم السداسية.

أخيرًا ، قم بفتح الجوانب الثلاثة لتجميع السكن في الأعلى. قم بتأمين مجموعة السكن باستخدام براغي سداسية الرأس مقاس 8-32 × 3/4 بوصة وصواميل سداسية 8-32. أخيرًا ، أعد توصيل مقاطع التمساح بالسماعة. أنت جاهز لبدء الاختبار!

اختر السائل الذي تختاره واملأ كوبك البلاستيكي حتى تغمر الكرة بالكامل. أنت لا تريد أن يتم غمر الكرة جزئيًا ، ولكن يجب أيضًا توخي الحذر حتى لا تغمر الكرة حتى الآن حتى يلامس السائل الصامولة السداسية المصنوعة من الألومنيوم.

الخطوة 8: الجزء 2: تشغيل التجربة

الآن وقد انتهينا من التجميع ، يمكننا تسجيل بياناتنا. سوف تمسح الترددات بين 15 - 75 هرتز بسعة قيادة محددة. نوصي بزيادات قدرها 5 هرتز ، ولكن يمكن تغيير ذلك للحصول على نتائج أكثر دقة. سيسجل Arduino كلاً من تسارع السماعة (مقياس التسارع العلوي) والمجال (مقياس التسارع السفلي) الذي ستسجله في ملف csv. سيقرأ كود MATLAB 1 & 2 المقدم في قيم csv كأعمدة منفصلة ، ويقوم بتحويل فورييه ثنائي الإشارة لإزالة الضوضاء من الإشارة ، وطباعة نسبة السعة الناتجة لمقياس التسارع العلوي والسفلي. سيقبل MATLAB Code 3 نسب السعة هذه ولزوجة مبدئية مُخمنة ويرسم النسب التجريبية والمحسوبة مقابل الترددات. من خلال تغيير اللزوجة التخمينية ومقارنة هذا التخمين بصريًا بالبيانات التجريبية ، ستتمكن من تحديد لزوجة السائل الخاص بك.

للحصول على شرح متعمق لرمز MATLAB ، راجع الوثائق الفنية المرفقة.

الخطوة 9: تسجيل البيانات في ملف CSV

لبدء تسجيل البيانات ، تأكد أولاً من اكتمال الإعداد كما هو موضح في الجزء 1. تأكد من توصيل مكبر الصوت بمأخذ طاقة. قم بتحميل كود Arduino الخاص بك على جهازك بالنقر فوق الزر "تحميل" في الزاوية اليمنى العليا. بمجرد تحميل ذلك بنجاح ، انتقل إلى "الأدوات" وحدد "الشاشة التسلسلية". تأكد عند فتح Serial Monitor أو Serial Plotter أن رقم الباود يساوي رقم الباود في الكود (115200). سترى عمودين من البيانات يتم إنشاؤهما وهما قراءات مقياس التسارع العلوية والسفلية.

افتح MATLAB GUI واختر سعة القيادة لتجربتك (استخدمنا 0.08 أمبير و 0.16 أمبير). سوف تمسح الترددات من 15 إلى 75 هرتز ، وتسجيل البيانات كل 5 هرتز (إجمالي 13 مجموعة من البيانات). ابدأ بضبط تردد القيادة على 15 هرتز وشغّل النظام بالضغط على "تشغيل النظام". سيؤدي هذا إلى تشغيل مكبر الصوت ، مما يتسبب في اهتزاز الكرة والإعداد لأعلى ولأسفل. ارجع إلى Arduino Serial Monitor واضغط على "Clear Output" لبدء جمع البيانات الجديدة. دع هذا الإعداد يعمل لمدة 6 ثوانٍ تقريبًا ، ثم افصل Arduino من جهاز الكمبيوتر الخاص بك. سيتوقف Serial Monitor عن التسجيل ، مما يسمح لك بنسخ ولصق حوالي 4 ، 500-5 ، 000 إدخال بيانات يدويًا في ملف csv. قسّم عمودي البيانات إلى عمودين منفصلين (العمودين 1 و 2). أعد تسمية ملف csv هذا "15hz.csv".

قم بتوصيل Arduino مرة أخرى بجهاز الكمبيوتر الخاص بك (مع التأكد من إعادة تعيين المنفذ) وكرر هذه العملية للترددات 20 هرتز ، 25 هرتز ، … 75 هرتز مع التأكد من اتباع اصطلاح التسمية لملفات CSV. راجع المستند الفني للحصول على مزيد من المعلومات حول كيفية قراءة MATLAB لهذه الملفات.

إذا كنت ترغب في ملاحظة تغيرات نسبة السعة خلال عملية مسح التردد ، فيمكنك أيضًا استخدام Arduino Serial Plotter لمراقبة هذا الاختلاف بصريًا.

الخطوة 10: معالجة بياناتك باستخدام كود MATLAB

بمجرد الحصول على البيانات التجريبية في شكل ملفات CSV ، فإن الخطوة التالية هي استخدام الكود المقدم لدينا لمعالجة البيانات. للحصول على إرشادات مفصلة حول استخدام الكود وشرح للرياضيات الأساسية ، راجع وثيقتنا الفنية. الهدف هو الحصول على سعة التسارع لمقياس التسارع العلوي والسفلي ، ثم حساب نسبة السعة السفلية إلى السعة العلوية. يتم حساب هذه النسبة لكل تردد قيادة. ثم يتم رسم النسب كدالة لتردد القيادة.

بمجرد الحصول على هذه المؤامرة ، يتم استخدام مجموعة أخرى من التعليمات البرمجية (مفصلة مرة أخرى في المستند الفني) لتحديد لزوجة السائل. يتطلب هذا الرمز من المستخدم إدخال تخمين أولي للزوجة ، ومن الضروري أن يكون هذا التخمين الأولي أقل من اللزوجة الفعلية ، لذا تأكد من تخمين لزوجة منخفضة جدًا وإلا فلن يعمل الكود بشكل صحيح. بمجرد أن يجد الكود لزوجة تطابق البيانات التجريبية ، فإنه سينشئ مخططًا مثل المخطط الموضح أدناه وسيُظهر قيمة اللزوجة النهائية. مبروك على الانتهاء من التجربة!

الخطوة 11: الملفات

بدلا من ذلك:

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