Máy đo nhiệt độ chi phí thấp: 11 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:30

Mục đích của tài liệu hướng dẫn này là tạo ra một máy đo lưu biến chi phí thấp để tìm ra thực nghiệm độ nhớt của chất lỏng. Dự án này được tạo ra bởi một nhóm sinh viên tốt nghiệp Đại học Brown và sinh viên tốt nghiệp trong lớp Hệ thống Cơ khí Rung động.

Máy đo lưu biến là một thiết bị trong phòng thí nghiệm được sử dụng để đo độ nhớt của chất lỏng (chất lỏng đặc hay dính như thế nào - nghĩ là nước so với mật ong). Có một số máy đo lưu biến có thể đo độ nhớt của chất lỏng bằng cách đo phản ứng của một hệ thống rung chìm trong chất lỏng. Trong dự án máy đo lưu biến chi phí thấp này, chúng tôi đã tạo ra một hệ thống rung từ một quả cầu và lò xo gắn vào một loa để đo phản ứng ở các tần số khác nhau. Từ đường cong phản ứng này, bạn có thể tìm thấy độ nhớt của chất lỏng.

Quân nhu:

Vật liệu cần thiết:

Lắp ráp nhà ở:

• Bảng hạt (11’’ W x 9’’ H) (tại đây) $ 1,19
• 12 x 8-32 x 3/4 '' Vít đầu lục giác (tại đây) tổng $ 9,24
• 12 x 8-32 Đai ốc Hex (tại đây) $ 8,39
• Vít đầu lục giác 4 x 6-32 x ½’’ (tại đây) $ 9,95
• Đai ốc 4 x 6-32 Hex (tại đây) $ 5,12
• Khóa Allen 9/64 '' (tại đây) $ 5,37

Thiết bị điện tử:

• Nguồn điện 12V (tại đây) $ 6,99
• Bộ khuếch đại (tại đây) $ 10,99
• Cáp Aux (tại đây) $ 7,54
• Dây nhảy (xem bên dưới)
• Alligator Clips (tại đây) $ 5,19
• Loa (tại đây) $ 4,25
• Tua vít (tại đây) $ 5,99

Thiết lập Spring & Sphere:

• Nhựa máy in 3D (có thể thay đổi)
• 2 x gia tốc kế (chúng tôi đã sử dụng những cái này) $ 29,90
• 10 x cáp cầu vồng nữ-nam (tại đây) $ 4,67
• 12 x cáp cầu vồng nam-nam (tại đây) $ 3,95
• Arduino Uno (tại đây) $ 23,00
• Cáp USB 2.0 Loại A đến B (tại đây) $ 3,95
• Bảng bánh mì (tại đây) $ 2,55
• Lò xo nén (chúng tôi đã sử dụng chúng) ??
• 2 x Đầu nối tùy chỉnh (in 3D)
• 2 x ⅜’’ - 16 hạt Hex (tại đây) $ 1,18
• 4 x 8-32 Bộ vít (tại đây) $ 6,32
• 4 x ¼’’ - 20 đai ốc Hex (Nhôm) (tại đây) $ 0,64
• 2 x ¼’’ - Thanh ren 20’’ (Nhôm) (tại đây) $ 11,40
• Khóa Allen 7/64 ''
• Khóa Allen 5/64 ''
• Vít 4 x 5x2mm 3 / 16’’x1 / 8’’ (tại đây) $ 8,69

Khác

• Cốc nhựa (tại đây) $ 6,99
• Chất lỏng để kiểm tra độ nhớt (chúng tôi đã thử nghiệm xi-rô karo, glycerine thực vật, xi-rô sô-cô-la của Hershey)

TỔNG CHI PHÍ: $ 183.45 *

* không bao gồm nhựa máy in 3D hoặc chất lỏng

Công cụ

• Máy cắt laser
• máy in 3D

Phần mềm cần thiết

• MATLAB
• Arduino

Tệp và Mã:

• Tệp Adobe Illustrator cho cụm nhà ở (Rheometer_Housing.ai)
• GUI bộ điều khiển loa (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Tệp máy đo tốc độ Arduino (máy đo lưu biến_project.ino)
• Tệp lưới Sphere (cor_0.9cmbody.stl và cor_1.5cmbody.stl)
• Tệp hình học ASCII của Trình kết nối Tùy chỉnh (Connector_File.step)
• Mã MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Mã MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• Mã MATLAB 3 (máy đo lưu biến_foruser.m)

Bước 1: Phần 1: Thiết lập

Cách thiết lập nền tảng thử nghiệm.

Bước 2: In 3D và Cắt bằng Laser Tất cả các bộ phận (Đầu nối, Hình cầu và Vỏ tùy chỉnh)

Bước 3: Kết nối các thiết bị điện tử như được hiển thị bên dưới

Lưu ý quan trọng: Không cắm nguồn điện vào ổ cắm cho đến khi hoàn thành tất cả các bước trong phần này! LUÔN NGẮT NGUỒN CUNG CẤP KHI THỰC HIỆN BẤT KỲ THAY ĐỔI NÀO.

Để bắt đầu, hãy đảm bảo bộ khuếch đại được đặt với núm xoay hướng ra xa. Kết nối các kẹp cá sấu và dây jumper với các cực dưới bên trái của bộ khuếch đại. Gắn dây nguồn và dây nhảy của nó vào các đầu cuối bên trái trên bộ khuếch đại. Vặn các đầu kết nối đầu cuối xuống để giữ chặt các chân dây. Đảm bảo rằng các cực dương và cực âm thẳng hàng với các cực trên amp và kẹp cá sấu vào loa. Đảm bảo rằng hai clip này không tiếp xúc với nhau.

Bước 4: Thiết lập GUI

Bây giờ các thiết bị điện tử đã được thiết lập, chúng tôi có thể kiểm tra GUI cho phép chúng tôi điều khiển loa và tạo ra hệ thống rung chìm trong chất lỏng của chúng tôi. Loa sẽ được điều khiển bởi hệ thống đầu ra âm thanh trong máy tính của chúng tôi. Bắt đầu bằng cách tải xuống MATLAB và mã GUI được bao gồm ở trên. LƯU Ý: có những cài đặt Đèn LED sẽ không được sử dụng và cần được bỏ qua.

Khi bạn đã mở MATLAB, hãy chạy phần sau trên cửa sổ lệnh, “info = audiodevinfo” và nhấp đúp vào tùy chọn ‘output’. Tìm số ID cho tùy chọn tai nghe / loa ngoài. Nó sẽ là một cái gì đó như “Loa / Tai nghe…” hoặc “Bên ngoài…” hoặc “Đầu ra tích hợp…” tùy thuộc vào máy của bạn. Đặt "ID loa ngoài" thành số ID này.

Bây giờ, hãy kiểm tra xem hệ thống của chúng tôi đã được thiết lập chính xác chưa. BẬT KHỐI LƯỢNG MÁY TÍNH CỦA BẠN XUỐNG TẤT CẢ CÁC CÁCH. Rút cáp Âm thanh khỏi máy tính của bạn và thay vào đó cắm một bộ tai nghe. Chúng tôi sẽ kiểm tra kết nối cho GUI để gửi tín hiệu đến bộ lắc. Nhập 60 Hz làm tần số lái xe trong trường văn bản như hình dưới đây. (Trường này chấp nhận các giá trị lên đến 150 Hz). Đây là tần suất bắt buộc cho việc thiết lập của bạn. Sau đó, trượt biên độ lái xe lên đến giá trị xấp xỉ 0,05. Sau đó, nhấn nút “Bật hệ thống” để gửi tín hiệu đến tai nghe của bạn. Điều này sẽ kích hoạt một trong các kênh (trái hoặc phải) của tai nghe của bạn. Tăng âm lượng máy tính của bạn cho đến khi có thể nghe thấy âm thanh. Nhấn nút “Tắt hệ thống” khi có thể nghe thấy âm thanh và đảm bảo âm thanh ngừng phát. Để thay đổi tần số hoặc biên độ điều khiển của hệ thống khi hệ thống đang chạy, hãy nhấn vào nút "Làm mới cài đặt".

Bước 5: Tạo Rung Mass Assembly

Bây giờ chúng ta sẽ bắt đầu lắp ráp hệ thống khối lượng rung động mà chúng ta sẽ chìm trong chất lỏng của chúng ta. Bỏ qua các gia tốc kế trong bước này và tập trung vào việc lắp ráp quả cầu, đầu nối, đai ốc hex và lò xo. Giữ chặt đai ốc lục giác bằng thép trong mỗi đầu nối tùy chỉnh bằng vít định vị và Khóa Allen 5/64 ''. Kết nối một trong những thứ này với quả cầu bằng đai ốc nhôm hex và Thanh ren nhôm. Kết hợp cả hai như hình trên. Cuối cùng, vặn Thanh ren thứ hai vào Đầu nối trên cùng và vặn một phần vào đai ốc lục giác bằng nhôm.

Bước 6: Thêm Gia tốc kế & Arduino

Sử dụng sơ đồ trên, kết nối arduino với gia tốc kế. Để tạo cáp cầu vồng dài, hãy sử dụng dây đực-đực (trong sơ đồ là màu trắng, xám, tím, xanh lam và đen) và kết nối chúng với dây cái-đực (đỏ, vàng, cam, xanh lá cây và màu nâu). Đầu thứ hai sẽ kết nối với các máy đo gia tốc. Đảm bảo rằng các cổng gia tốc kế “GND” (Ground) và “VCC” (3,3 Volts) được khớp với bảng mạch và cổng “X” được khớp với cổng A0 và A3 trong Arduino.

Gắn các gia tốc kế cuối cùng vào cụm Rung bằng vít 5x3mm 3 / 16’’x1 / 8’’. Bạn sẽ cần đảm bảo gia tốc kế TOP được kết nối với A0 và gia tốc kế BOTTOM với A3 để mã Arduino hoạt động.

Để tự thiết lập Arduino, trước tiên hãy tải phần mềm arduino về máy tính của bạn. Cắm Arduino vào máy tính của bạn bằng Cáp USB 2.0. Mở tệp được cung cấp hoặc sao chép và dán vào tệp mới. Điều hướng đến Công cụ ở thanh trên cùng và di chuột qua “Board:” để chọn Arduino Uno. Một xuống, di chuột qua “Cổng” và chọn Arduino Uno.

Bước 7: Thiết lập hệ thống cuối cùng

Bước cuối cùng của quá trình thiết lập - kết hợp tất cả lại với nhau! Bắt đầu bằng cách tháo các kẹp cá sấu ra khỏi loa và vặn loa vào phần trên cùng của cụm vỏ bằng các vít đầu lục giác 6-32 x ½’’, đai ốc lục giác 6-32 và Khóa Allen 9/64 ''. Tiếp theo, vặn cụm khối rung (với gia tốc kế) vào loa. Để có kết quả tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên xoay loa để tránh làm rối các dây của gia tốc kế. Vặn chặt khối lượng vào loa bằng đai ốc lục giác bằng nhôm.

Cuối cùng, rãnh ba mặt của cụm vỏ vào trên cùng. Giữ chặt cụm vỏ bằng vít đầu Hex 8-32 x 3/4 '' và đai ốc 8-32 hex. Cuối cùng, gắn lại các kẹp cá sấu vào loa. Bạn đã sẵn sàng để bắt đầu thử nghiệm!

Chọn chất lỏng mà bạn chọn và đổ đầy cốc nhựa của bạn cho đến khi quả cầu ngập hoàn toàn. Bạn không muốn quả cầu bị ngập một phần, nhưng cũng phải cẩn thận để không ngập quả cầu đến mức chất lỏng chạm vào đai ốc lục giác bằng nhôm.

Bước 8: Phần 2: Chạy thử nghiệm

Bây giờ chúng ta đã hoàn thành quá trình lắp ráp, chúng ta có thể ghi lại dữ liệu của mình. Bạn sẽ quét qua các tần số từ 15 - 75 Hz ở một biên độ lái xe đã đặt. Chúng tôi khuyên bạn nên tăng 5 Hz, nhưng điều này có thể được thay đổi để có kết quả chính xác hơn. Arduino sẽ ghi lại cả gia tốc cho loa (gia tốc kế trên cùng) và hình cầu (gia tốc kế dưới) mà bạn sẽ ghi lại trong tệp csv. Mã MATLAB 1 & 2 được cung cấp sẽ đọc trong các giá trị csv dưới dạng các cột riêng biệt, thực hiện biến đổi fourier hai tín hiệu để khử nhiễu tín hiệu và in ra tỷ lệ biên độ kết quả của gia tốc kế trên và dưới. MATLAB Code 3 sẽ chấp nhận các tỷ lệ biên độ này và độ nhớt dự đoán ban đầu và vẽ biểu đồ các tỷ lệ thực nghiệm và tính toán so với tần số. Bằng cách thay đổi độ nhớt dự đoán của bạn và so sánh trực quan dự đoán này với dữ liệu thực nghiệm, bạn sẽ có thể xác định độ nhớt của chất lỏng của mình.

Để được giải thích chuyên sâu về mã MATLAB, hãy xem tài liệu kỹ thuật đính kèm.

Bước 9: Ghi dữ liệu trong CSV

Để bắt đầu ghi dữ liệu, trước tiên hãy đảm bảo rằng thiết lập của bạn đã hoàn tất như được mô tả trong Phần 1. Đảm bảo rằng Bộ khuếch đại được cắm vào ổ cắm điện. Tải mã Arduino lên thiết bị của bạn bằng cách nhấp vào nút “Tải lên” ở góc trên bên phải. Sau khi tải lên thành công, hãy điều hướng đến “Công cụ” và chọn “Màn hình nối tiếp”. Đảm bảo rằng khi bạn mở Serial Monitor hoặc Serial Plotter rằng số baudd bằng số baudd trong mã (115200). Bạn sẽ thấy hai cột dữ liệu đang được tạo là số đọc gia tốc kế trên cùng và dưới cùng.

Mở MATLAB GUI và chọn biên độ điều khiển cho thử nghiệm của bạn (chúng tôi đã sử dụng 0,08 ampe và 0,16 ampe). Bạn sẽ quét qua các tần số 15 - 75 Hz, ghi lại dữ liệu sau mỗi 5 Hz (tổng số 13 bộ dữ liệu). Bắt đầu bằng cách đặt tần số lái xe thành 15 Hz và bật hệ thống bằng cách nhấn “Bật hệ thống”. Thao tác này sẽ bật loa của bạn, khiến hình cầu và thiết lập rung lên và xuống. Quay lại Màn hình nối tiếp Arduino của bạn và nhấn “Xóa đầu ra” để bắt đầu thu thập dữ liệu mới. Để thiết lập này chạy trong khoảng 6 giây, sau đó rút Arduino khỏi máy tính của bạn. Serial Monitor sẽ ngừng ghi, cho phép bạn sao chép và dán thủ công khoảng 4, 500-5, 000 mục dữ liệu vào tệp csv. Tách hai cột dữ liệu thành hai cột riêng biệt (Cột 1 và 2). Đổi tên csv này thành “15hz.csv”.

Cắm lại Arduino vào máy tính của bạn (đảm bảo đặt lại Cổng) và lặp lại quá trình này cho các tần số 20 Hz, 25 Hz,… 75Hz, đảm bảo tuân theo quy ước đặt tên cho tệp CSV. Xem tài liệu kỹ thuật để biết thêm thông tin về cách MATLAB đọc các tệp này.

Nếu bạn muốn quan sát sự thay đổi tỷ lệ biên độ trong quá trình quét tần số, bạn cũng có thể sử dụng Máy vẽ nối tiếp Arduino để quan sát trực quan sự khác biệt này.

Bước 10: Xử lý dữ liệu của bạn bằng mã MATLAB

Khi dữ liệu thử nghiệm thu được dưới dạng tệp CSV, bước tiếp theo là sử dụng mã được cung cấp của chúng tôi để xử lý dữ liệu. Để biết hướng dẫn chi tiết về cách sử dụng mã và giải thích về toán học cơ bản, hãy xem tài liệu kỹ thuật của chúng tôi. Mục đích là để có được biên độ của gia tốc đối với gia tốc trên và dưới, sau đó tính tỷ số của biên độ dưới với biên độ trên. Tỷ lệ này được tính toán cho mỗi tần suất lái xe. Các tỷ lệ sau đó được vẽ dưới dạng một hàm của tần số điều khiển.

Sau khi có được đồ thị này, một bộ mã khác (một lần nữa được trình bày chi tiết trong tài liệu kỹ thuật) được sử dụng để xác định độ nhớt của chất lỏng. Mã này yêu cầu người dùng nhập dự đoán ban đầu cho độ nhớt và điều quan trọng là dự đoán ban đầu này thấp hơn độ nhớt thực tế, vì vậy hãy đảm bảo đoán độ nhớt rất thấp nếu không mã sẽ không hoạt động đúng. Khi mã đã tìm thấy độ nhớt phù hợp với dữ liệu thử nghiệm, nó sẽ tạo ra một biểu đồ như hình bên dưới và sẽ hiển thị giá trị độ nhớt cuối cùng. Chúc mừng bạn đã hoàn thành thử nghiệm!

Bước 11: Tập tin

Ngoài ra:

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