รีโอมิเตอร์ราคาประหยัด: 11 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

จุดประสงค์ของคำแนะนำนี้คือการสร้างรีโอมิเตอร์ต้นทุนต่ำเพื่อค้นหาความหนืดของของไหลในการทดลอง โครงการนี้สร้างขึ้นโดยทีมงานของมหาวิทยาลัยบราวน์ระดับปริญญาตรีและนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในชั้นเรียนการสั่นสะเทือนของระบบเครื่องกล

รีโอมิเตอร์เป็นอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการที่ใช้ในการวัดความหนืดของของเหลว (ของเหลวมีความหนาหรือเหนียวแค่ไหน - คิดว่าน้ำเทียบกับน้ำผึ้ง) มีรีโอมิเตอร์บางตัวที่สามารถวัดความหนืดของของเหลวได้โดยการวัดการตอบสนองของระบบสั่นที่จมอยู่ในของเหลว ในโครงการรีโอมิเตอร์ราคาประหยัดนี้ เราได้สร้างระบบสั่นจากทรงกลมและสปริงที่ติดกับลำโพงเพื่อวัดการตอบสนองที่ความถี่ต่างๆ จากกราฟการตอบสนองนี้ คุณสามารถค้นหาความหนืดของของไหลได้

เสบียง:

วัสดุที่จำเป็น:

การประกอบที่อยู่อาศัย:

• พาร์ติเคิลบอร์ด (11'' W x 9'' H) (ที่นี่) $1.19
• 12 x 8-32 x 3/4 '' สกรูหัวหกเหลี่ยม (ที่นี่) $9.24 tot
• น็อตหกเหลี่ยม 12 x 8-32 (ที่นี่) $8.39
• สกรูหัวหกเหลี่ยม 4 x 6-32 x ½ นิ้ว (ที่นี่) $9.95
• น็อตหกเหลี่ยม 4 x 6-32 (ที่นี่) $5.12
• 9/64'' Allen Key (ที่นี่) $5.37

อิเล็กทรอนิกส์:

• พาวเวอร์ซัพพลาย 12V (ที่นี่) $6.99
• แอมพลิฟายเออร์ (ที่นี่) $10.99
• สาย Aux (ที่นี่) $7.54
• สายจัมเปอร์ (ดูด้านล่าง)
• คลิปจระเข้ (ที่นี่) $5.19
• ลำโพง (ที่นี่) $4.25
• ไขควงปากแฉก (ที่นี่) $5.99

การตั้งค่าสปริงและทรงกลม:

• เรซินเครื่องพิมพ์ 3 มิติ (ตัวแปร)
• 2 x มาตรความเร่ง (เราใช้สิ่งเหล่านี้) $29.90
• 10 x สายเคเบิลสายรุ้งหญิง - ชาย (ที่นี่) $4.67
• สายเคเบิลสายรุ้งชาย - ชาย 12 เส้น (ที่นี่) $3.95
• Arduino Uno (ที่นี่) $23.00
• สายเคเบิล USB 2.0 ประเภท A ถึง B (ที่นี่) $3.95
• เขียงหั่นขนม (ที่นี่) $2.55
• สปริงอัด (เราใช้พวกนี้) ??
• 2 x ตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดเอง (พิมพ์ 3D)
• 2 x ⅜''-16 Hex nuts (ที่นี่) $1.18
• 4 x 8-32 ชุดสกรู (ที่นี่) $6.32
• 4 x ¼''-20 น็อตหกเหลี่ยม (อะลูมิเนียม) (ที่นี่) $0.64
• แกนเกลียว 2 x ¼’’-20’’ (อะลูมิเนียม) (ที่นี่) $11.40
• 7/64'' อัลเลน คีย์
• 5/64'' อัลเลนคีย์
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8'' Screws (ที่นี่) $8.69

อื่น

• ถ้วยพลาสติก (ที่นี่) $6.99
• ของเหลวเพื่อทดสอบความหนืด (เราทดสอบน้ำเชื่อมคาโร, กลีเซอรีนผัก, น้ำเชื่อมช็อคโกแลตของเฮอร์ชีย์)

ค่าใช้จ่ายทั้งหมด: $183.45*

*ไม่รวมเรซินเครื่องพิมพ์ 3 มิติหรือของเหลว

เครื่องมือ

• เครื่องตัดเลเซอร์
• เครื่องพิมพ์ 3 มิติ

ซอฟต์แวร์ที่จำเป็น

• MATLAB
• Arduino

ไฟล์และรหัส:

• ไฟล์ Adobe Illustrator สำหรับการประกอบตัวเรือน (Rheometer_Housing.ai)
• GUI ตัวควบคุมลำโพง (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• ไฟล์ Arduino Rheometer (rheometer_project.ino)
• ไฟล์ตาข่ายทรงกลม (cor_0.9cmbody.stl และ cor_1.5cmbody.stl)
• ไฟล์เรขาคณิต ASCII ของตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดเอง (Connector_File.step)
• MATLAB รหัส 1 (ff_two_signal.m)
• รหัส MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB รหัส 3 (rheometer_foruser.m)

ขั้นตอนที่ 1: ส่วนที่ 1: ตั้งค่า

วิธีการตั้งค่าแพลตฟอร์มทดลอง

ขั้นตอนที่ 2: การพิมพ์ 3 มิติและเลเซอร์ตัดทุกชิ้นส่วน (ตัวเชื่อมต่อ ทรงกลม และตัวเรือนแบบกำหนดเอง)

ขั้นตอนที่ 3: เชื่อมต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ตามที่แสดงด้านล่าง

สิ่งสำคัญที่ควรทราบ: อย่าเสียบปลั๊กไฟเข้ากับเต้ารับจนกว่าขั้นตอนทั้งหมดในส่วนนี้จะเสร็จสมบูรณ์! ถอดปลั๊กไฟเสมอเมื่อทำการเปลี่ยนแปลงใดๆ

ในการเริ่มต้น ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้วางเครื่องขยายเสียงโดยหันลูกบิดออก เชื่อมต่อคลิปจระเข้และสายจัมเปอร์เข้ากับขั้วต่อด้านซ้ายล่างของเครื่องขยายเสียง ต่อสายไฟและสายจัมเปอร์เข้ากับขั้วต่อด้านซ้ายบนของเครื่องขยายเสียง ขันสกรูที่ปลายขั้วต่อเพื่อยึดหมุดสายไฟ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าขั้วบวกและขั้วลบอยู่ในแนวที่ถูกต้องกับขั้วของแอมป์และคลิปปากจระเข้กับลำโพง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคลิปทั้งสองนี้ไม่ได้สัมผัสกัน

ขั้นตอนที่ 4: ตั้งค่า GUI

เมื่อตั้งค่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แล้ว เราสามารถทดสอบ GUI ที่จะช่วยให้เราขับลำโพงและสร้างระบบสั่นที่จมอยู่ในของเหลวของเราได้ ลำโพงจะถูกควบคุมโดยระบบเอาท์พุตเสียงในคอมพิวเตอร์ของเรา เริ่มต้นด้วยการดาวน์โหลด MATLAB และรหัส GUI ที่รวมอยู่ด้านบน หมายเหตุ: มีการตั้งค่าไฟ LED ที่จะไม่ใช้และควรละเว้น

เมื่อคุณเปิด MATLAB แล้ว ให้รันคำสั่งต่อไปนี้ในหน้าต่างคำสั่ง “info = audiodevinfo” และดับเบิลคลิกที่ตัวเลือก 'output' ค้นหาหมายเลขประจำตัวสำหรับตัวเลือกหูฟัง/ลำโพงภายนอก มันจะเป็นบางอย่างเช่น “ลำโพง / หูฟัง …” หรือ “ภายนอก …” หรือ “เอาท์พุตในตัว …” ขึ้นอยู่กับเครื่องของคุณ ตั้งค่า “ID ลำโพงภายนอก” เป็นหมายเลข ID นี้

ตอนนี้ มาทดสอบกันว่าระบบของเราได้รับการตั้งค่าอย่างถูกต้อง ลดระดับเสียงของคอมพิวเตอร์ลงจนสุด ถอดสายสัญญาณเสียงออกจากคอมพิวเตอร์ของคุณแล้วเสียบชุดหูฟังแทน เราจะทดสอบการเชื่อมต่อสำหรับ GUI เพื่อส่งสัญญาณไปยังเครื่องปั่น ป้อน 60 Hz เป็นความถี่ในการขับขี่ในช่องข้อความดังที่แสดงด้านล่าง (ฟิลด์นี้ยอมรับค่าได้ถึง 150 Hz) นี่คือความถี่บังคับสำหรับการตั้งค่าของคุณ จากนั้นเลื่อนแอมพลิจูดในการขับขี่ขึ้นเป็นค่าประมาณ 0.05 จากนั้นกดปุ่ม "เปิดระบบ" เพื่อส่งสัญญาณไปยังหูฟังของคุณ การดำเนินการนี้จะทริกเกอร์ช่องใดช่องหนึ่ง (ซ้ายหรือขวา) ของหูฟังของคุณ เพิ่มระดับเสียงคอมพิวเตอร์ของคุณจนกว่าจะได้ยินเสียง กดปุ่ม "ปิดระบบ" เมื่อได้ยินเสียงเตือนและตรวจสอบให้แน่ใจว่าเสียงหยุดเล่น หากต้องการเปลี่ยนความถี่หรือแอมพลิจูดของระบบในขณะที่ทำงานอยู่ ให้กดปุ่ม "รีเฟรชการตั้งค่า"

ขั้นตอนที่ 5: สร้างแอสเซมบลีที่สั่นสะเทือน

ตอนนี้เราจะเริ่มประกอบระบบมวลสั่นสะเทือนที่เราจะจุ่มลงในของเหลวของเรา ละเว้นมาตรความเร่งในขั้นตอนนี้และเน้นที่การประกอบทรงกลม ขั้วต่อ น็อตหกเหลี่ยม และสปริง ยึดน็อตหกเหลี่ยมเหล็กในตัวเชื่อมต่อแบบกำหนดเองแต่ละตัวด้วยชุดสกรูและประแจหกเหลี่ยม 5/64'' เชื่อมต่อหนึ่งในสิ่งเหล่านี้กับทรงกลมด้วยน็อตหกเหลี่ยมอะลูมิเนียมและแกนเกลียวอะลูมิเนียม รวมทั้งสองอย่างที่แสดงด้านบน สุดท้าย ขันเกลียวร็อดเกลียวที่สองเข้ากับคอนเนคเตอร์ด้านบน และขันสกรูบางส่วนบนน็อตหกเหลี่ยมอะลูมิเนียม

ขั้นตอนที่ 6: เพิ่มมาตรความเร่งและ Arduino

ใช้แผนภาพด้านบนเชื่อมต่อ Arduino กับมาตรความเร่ง ในการสร้างสายยาวสีรุ้ง ให้ใช้สายไฟตัวผู้-ตัวผู้ (ดังภาพในแผนภาพเป็นสีขาว เทา ม่วง น้ำเงิน และดำ) และต่อเข้ากับสายไฟตัวผู้-ตัวเมีย (สีแดง สีเหลือง สีส้ม สีเขียว และ สีน้ำตาล). ปลายที่สองจะเชื่อมต่อกับมาตรความเร่ง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าพอร์ต "GND" (กราวด์) และ "VCC" (3.3 โวลต์) ตรงกันกับแผงวงจรทดลองและพอร์ต "X" ตรงกับพอร์ต A0 และ A3 ใน Arduino

แนบมาตรความเร่งสุดท้ายกับชุดประกอบมวลแบบสั่นโดยใช้สกรูขนาด 5x3 มม. 3/16 นิ้ว x 1/8 นิ้ว คุณจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าเครื่องวัดความเร่ง TOP เชื่อมต่อกับ A0 และมาตรความเร่ง BOTTOM กับ A3 เพื่อให้รหัส Arduino ทำงานได้

ในการตั้งค่า Arduino เอง ก่อนอื่นให้ดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ Arduino ลงในคอมพิวเตอร์ของคุณ เสียบ Arduino เข้ากับคอมพิวเตอร์ของคุณโดยใช้สาย USB 2.0 เปิดไฟล์ที่ให้มาหรือคัดลอกและวางลงในไฟล์ใหม่ ไปที่เครื่องมือในแถบด้านบนแล้ววางเมาส์เหนือ "บอร์ด:" เพื่อเลือก Arduino Uno วางเมาส์เหนือ "พอร์ต" หนึ่งรายการแล้วเลือก Arduino Uno

ขั้นตอนที่ 7: ตั้งค่าระบบขั้นสุดท้าย

ขั้นตอนสุดท้ายของการตั้งค่า - รวมทุกอย่างเข้าด้วยกัน! เริ่มต้นด้วยการคลายคลิปหนีบปากจระเข้ออกจากลำโพงและขันลำโพงเข้ากับด้านบนของตัวเครื่องด้วยสกรูหัวหกเหลี่ยมขนาด 6-32 x ½ นิ้ว น็อตหกเหลี่ยม 6-32 และประแจหกเหลี่ยม 9/64 นิ้ว ถัดไป ขันสกรูชุดประกอบมวลแบบสั่น (ด้วยมาตรความเร่ง) เข้าไปในลำโพง เพื่อผลลัพธ์ที่ดีที่สุด เราแนะนำให้หมุนลำโพงเพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้สายมาตรความเร่งพันกัน ขันมวลให้แน่นกับลำโพงด้วยน็อตหกเหลี่ยมอะลูมิเนียม

สุดท้าย เสียบด้านทั้งสามของตัวเรือนเข้าที่ด้านบน ยึดส่วนประกอบตัวเรือนด้วยสกรูหัวหกเหลี่ยม 8-32 x 3/4 นิ้ว และน็อตหกเหลี่ยม 8-32 ตัว สุดท้าย ติดคลิปจระเข้เข้ากับลำโพงอีกครั้ง คุณพร้อมที่จะเริ่มการทดสอบแล้ว!

เลือกของเหลวที่คุณต้องการและเติมถ้วยพลาสติกของคุณจนกว่าทรงกลมจะจมอยู่ใต้น้ำจนสุด คุณไม่ต้องการให้ทรงกลมจมอยู่ใต้น้ำบางส่วน แต่ต้องระวังอย่าจุ่มทรงกลมจนของเหลวสัมผัสกับน็อตหกเหลี่ยมอะลูมิเนียม

ขั้นตอนที่ 8: ส่วนที่ 2: เรียกใช้การทดสอบ

เมื่อประกอบเสร็จแล้ว เราก็สามารถบันทึกข้อมูลของเราได้ คุณจะกวาดผ่านความถี่ระหว่าง 15 - 75 Hz ที่แอมพลิจูดการขับที่ตั้งไว้ เราแนะนำให้เพิ่มทีละ 5 Hz แต่สามารถเปลี่ยนแปลงได้เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น Arduino จะบันทึกทั้งความเร่งของลำโพง (มาตรความเร่งด้านบน) และทรงกลม (มาตรความเร่งล่าง) ซึ่งคุณจะบันทึกเป็นไฟล์ csv รหัส MATLAB 1 & 2 ที่ให้มาจะอ่านค่า csv เป็นคอลัมน์แยกกัน ทำการแปลงฟูริเยร์สองสัญญาณเพื่อลดสัญญาณรบกวน และพิมพ์อัตราส่วนแอมพลิจูดที่ได้ของมาตรความเร่งด้านบนและด้านล่าง รหัส MATLAB 3 จะยอมรับอัตราส่วนแอมพลิจูดเหล่านี้และความหนืดเบื้องต้นที่เดาได้ และพล็อตอัตราส่วนระหว่างการทดลองและการคำนวณเทียบกับความถี่ โดยการเปลี่ยนค่าความหนืดที่คุณเดาและเปรียบเทียบการเดานี้กับข้อมูลการทดลองด้วยสายตา คุณจะสามารถระบุความหนืดของของเหลวของคุณได้

สำหรับคำอธิบายเชิงลึกของโค้ด MATLAB โปรดดูเอกสารทางเทคนิคที่แนบมา

ขั้นตอนที่ 9: การบันทึกข้อมูลใน CSV

ในการเริ่มบันทึกข้อมูล ก่อนอื่นตรวจสอบให้แน่ใจว่าการตั้งค่าของคุณเสร็จสิ้นตามที่อธิบายไว้ในส่วนที่ 1 ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้เสียบเครื่องขยายเสียงเข้ากับเต้ารับไฟฟ้า อัปโหลดโค้ด Arduino ของคุณไปยังอุปกรณ์ของคุณโดยคลิกปุ่ม "อัปโหลด" ที่มุมบนขวา เมื่ออัปโหลดสำเร็จแล้ว ให้ไปที่ "เครื่องมือ" และเลือก "การตรวจสอบอนุกรม" ตรวจสอบให้แน่ใจว่าเมื่อคุณเปิด Serial Monitor หรือ Serial Plotter ว่าหมายเลข baudd เท่ากับหมายเลข baudd ในรหัส (115200) คุณจะเห็นการสร้างข้อมูลสองคอลัมน์ซึ่งเป็นการอ่านค่าความเร่งด้านบนและด้านล่าง

เปิด MATLAB GUI และเลือกแอมพลิจูดในการขับขี่สำหรับการทดสอบของคุณ (เราใช้ 0.08 แอมแปร์และ 0.16 แอมแปร์) คุณจะกวาดผ่านความถี่ 15 - 75 Hz บันทึกข้อมูลทุกๆ 5 Hz (13 ชุดข้อมูลทั้งหมด) เริ่มต้นด้วยการตั้งค่าความถี่ในการขับขี่เป็น 15 Hz แล้วเปิดระบบโดยกดปุ่ม "เปิดระบบ" การดำเนินการนี้จะเปิดลำโพงของคุณ ทำให้ทรงกลมและตั้งค่าสั่นขึ้นและลง กลับไปที่ Arduino Serial Monitor ของคุณและกด "Clear Output" เพื่อเริ่มรวบรวมข้อมูลใหม่ ปล่อยให้การตั้งค่านี้ทำงานประมาณ 6 วินาที แล้วถอดปลั๊ก Arduino ออกจากคอมพิวเตอร์ของคุณ Serial Monitor จะหยุดการบันทึก ทำให้คุณสามารถคัดลอกและวางรายการข้อมูล 4, 500-5,000 รายการลงในไฟล์ csv ได้ด้วยตนเอง แบ่งข้อมูลสองคอลัมน์ออกเป็นสองคอลัมน์แยกกัน (คอลัมน์ 1 และ 2) เปลี่ยนชื่อ csv นี้เป็น "15hz.csv"

เสียบ Arduino กลับเข้าไปในคอมพิวเตอร์ของคุณ (อย่าลืมรีเซ็ตพอร์ต) และทำซ้ำขั้นตอนนี้สำหรับความถี่ 20 Hz, 25 Hz, … 75Hz ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ปฏิบัติตามหลักการตั้งชื่อสำหรับไฟล์ CSV ดูเอกสารทางเทคนิคสำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการอ่านไฟล์เหล่านี้โดย MATLAB

หากคุณต้องการสังเกตการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วนแอมพลิจูดในการกวาดความถี่ คุณสามารถใช้ Arduino Serial Plotter เพื่อสังเกตความแตกต่างนี้ด้วยสายตาได้

ขั้นตอนที่ 10: ประมวลผลข้อมูลของคุณด้วยรหัส MATLAB

เมื่อได้ข้อมูลทดลองมาในรูปของไฟล์ CSV แล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการใช้โค้ดที่เราให้มาเพื่อประมวลผลข้อมูล สำหรับคำแนะนำโดยละเอียดเกี่ยวกับการใช้โค้ดและคำอธิบายของคณิตศาสตร์พื้นฐาน โปรดดูเอกสารทางเทคนิคของเรา เป้าหมายคือเพื่อให้ได้แอมพลิจูดของการเร่งความเร็วสำหรับมาตรความเร่งด้านบนและด้านล่าง จากนั้นจึงคำนวณอัตราส่วนของแอมพลิจูดด้านล่างต่อแอมพลิจูดบน อัตราส่วนนี้คำนวณสำหรับความถี่ในการขับขี่แต่ละครั้ง อัตราส่วนจะถูกพล็อตเป็นฟังก์ชันของความถี่ในการขับขี่

เมื่อได้พล็อตนี้แล้ว โค้ดอีกชุดหนึ่ง (รายละเอียดอีกครั้งในเอกสารทางเทคนิค) จะถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดความหนืดของของไหล รหัสนี้กำหนดให้ผู้ใช้ป้อนค่าการเดาเริ่มต้นสำหรับความหนืด และจำเป็นที่การเดาเบื้องต้นนี้จะต้องต่ำกว่าค่าความหนืดจริง ดังนั้นต้องแน่ใจว่าเดาค่าความหนืดต่ำมาก ไม่เช่นนั้นโค้ดจะทำงานไม่ถูกต้อง เมื่อโค้ดพบความหนืดที่ตรงกับข้อมูลการทดลองแล้ว โค้ดจะสร้างกราฟแบบเดียวกับที่แสดงด้านล่างและจะแสดงค่าความหนืดสุดท้าย ขอแสดงความยินดีที่เสร็จสิ้นการทดสอบ!

ขั้นตอนที่ 11: ไฟล์

อีกทางหนึ่ง:

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