Title: CHAMBER FOR MECHANICAL TESTING

Date: February 2015


Team K01-2014: Koskoletos Orestis, Konstantinou Nikolaos, Masouridis Georgios


Σκοπός της εργασίας

Κύριος άξονας της εργασίας αυτής είναι η μηχανή BoseElectroforce 3100 . Αυτή είναι μια μηχανή δοκιμών συμπίεσης για μεγάλης ακρίβειας μετρήσεις με μία ακρίβεια της τάξης των 0.01 Ν. Χρησιμοποιείται από το εργαστήριο για την invitro μηχανική δοκιμή βιοϋλικών, κυττάρων, ιστών, κολλαγόνου και υλικών που να προσομοιάζουν τις ιδιότητες των παραπάνω υλικών. Ο προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων ενός υλικού έχει συσχετισθεί άμεσα με την φυσιολογία του. Αυτό σημαίνει ότι οι μηχανικές ιδιότητες ενός υγιούς κυττάρου είναι διαφορετικές από ενός κυττάρου που εμφανίζει κάποια παθολογία. Συνεπώς μία τέτοια μηχανή βρίσκει εφαρμογή στην μελέτη της φυσιολογίας(υγιής οργανισμός), της παθολογίας(άρρωστος οργανισμός) και της επίδρασης των φαρμάκων πάνω στις ιδιότητες ενός οργανισμού.
Μία άλλη πολύ σημαντική εφαρμογή της μελέτης των μηχανικών ιδιοτήτων βιοϋλικών είναι η μελέτη της συμβατότητας ενός μοσχεύματος με το σώμα του λήπτη. Συγκεκριμένα, για να γίνει δεκτή μία μεταμόσχευση, έχει αποδειχθεί ότι πρέπει οι μηχανικές ιδιότητες του παραγόμενου μοσχεύματος να προσομοιάζουν αυτές του πραγματικού ιστού. Έχει αποδειχθεί επίσης ότι οι μηχανικές ιδιότητες των βιοϋλικών είναι πολύ ευαίσθητες σε μεταβολές της θερμοκαρασίας. Μεταβολή της θερμοκρασίας από τους 13oC στους 37ο C κυτταρικού υλικού επιδρά στην αύξηση του complexelasticmodulus κατά 50% [5]. Για σύγκριση, ένας κοινός χάλυβας εμφανίζει τέτοια μεταβολή στο μέτρο ελαστικότητάς του αν η θερμοκρασία του μειωθεί κατά 200 ο C. Έτσι, η μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων των ιστών και των οστών στις ακριβείς συνθήκες του ανθρώπινου σώματος αποτελεί μια μεγάλη πρόκληση.
Σκοπός της εργασίας είναι η κατασκευή μίας θερμοκοιτίδας στον θάλαμο δοκιμών της μηχανής BoseElectroforce 3100 η οποία να προσομοιάζει τις συνθήκες του ανθρώπινου σώματος, δηλαδή τις συνθήκες στις οποίες χρειάζεται να ξέρουμε τις ιδιότητες του βιοϋλικού. Αυτές , σε πρώτη προσέγγιση, θα είναι 37oC, 95% σχετική υγρασία και περιβάλλον κατά το δυνατόν αποστειρωμένο.


Brainstorming
1) Κλειστό κύκλωμα με αναρρόφηση αέρα από το incubator
2) Ανοιχτό κύκλωμα με αναρρόφηση αέρα από το incubatorκαι θέρμανση
3) Κλειστός θάλαμος με δημιουργία κατάλληλων συνθηκών εντός θαλάμου και αποστείρωση με UVLED.
4) Κλειστό κύκλωμα με δημιουργία συνθηκών σε προθάλαμο και εισαγωγή στον κύριο θάλαμο

Η κάθε ιδέα και για κάθε παράμετρο βαθμολογήθηκε με άριστα το 10 και υπό την επίβλεψη του κ. Δημήτριου Τζεράνη.


Κόστος κατασκευής (20%)
Ευκολία κατασκευής (30%)
Λειτουργικότητα (50%)
SUM (100%)
1.
8
6
4
54
2.
7
8
3
53
3.
4
5
8
63
4.
7
8
7
73

Όπως φαίνεται από τον πίνακα η ιδέα 4 έχει την καλύτερη βαθμολογία και επιλέχθηκε για τον τελικό σχεδιασμό.


Περιγραφή κατασκευής
Αρχικά η κατασκευή αποτελείται από τον κύριο θάλαμο. Είναι ένα διμερές τεμάχιο από plexiglassμε διαστάσεις που να εκμεταλλεύονται στο έπακρο τον χώρο της βάσης της πρέσσας ώστε να χρησιμοποιούνται και τα σπειρώματα που υπάρχουν στη βάση για στηρίγματα του θαλάμου. Έχει πορτάκι μπροστά που ανοιγοκλείνει και 2 οπές στο πίσω μέρος (μία για την είσοδο και μία για την έξοδο του αέρα. Επίσης υπάρχει μία μικρή οπή στο πάνω μέρος για την αποφυγή επαφής του θαλάμου με το κινητό μέρος της πρέσσας.

Η κατασκευή επίσης περιέχει ένα προθάλαμο δημιουργίας κατάλληλων συνθηκών του αέρα προς εισαγωγή στον κύριο θάλαμο. Είναι μία ορθογώνια παραλληλεπίπεδη κατασκευή επίσης από plexiglassη οποία στο εσωτερικό της περιέχει τα κατάλληλα στοιχεία για την δημιουργία των ζητούμενων συνθηκών. Στο ένα άκρο του είναι τοποθετημένο το φίλτρο HEPA, στο κεντρικό μέρος είναι τοποθετημένη η αντίσταση των 1200Wκαι στο άλλο άκρο βρίσκεται ο ανεμιστήρας. Δύο ομόκεντρες κυκλικές οπές υπάρχουν τα άκρα του προθαλάμου για να εισέρχεται, να αποστειρώνεται, να θερμαίνεται και να εξέρχεται ο αέρας.

Τα δύο αυτά τεμάχια είναι ενωμένα με ευλύγιστους σωλήνες εσωτερικής διαμέτρου 63mm. Στο σημείο της εισόδου του αέρα στον κεντρικό θάλαμο, τοποθετημένο είναι ένα φίλτρο υγραντήρα (hymidificationfilter). Επίσης ένα μικρό δοχείο με αποστειρωμένο νερό θα είναι η μέθοδος διοχέτευσης του νερού στο φίλτρο και έπειτα στον αέρα. Μέσα στο θάλαμο επίσης βρίσκεται ένας αισθητήρας θερμοκρασίας που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της αντίστασης.

bose13.png



Προκλήσεις

Οι προκλήσεις που έπρεπε να αντιμετωπισθούν ήταν οι ακόλουθες:

  1. Ο θάλαμος πρέπει να διατηρεί θερμοκρασία 37ο κελσίου. Μία θερμοκρασία στην οποία ευδοκιμούν τα κύτταρα χόνδρου.
  2. Η υγρασία στο θάλαμο πρέπει να κρατάει επίπεδα >95% γιατί δεν επιβιώνουν τα κύτταρα σε ξηρό περιβάλλον
  3. Ένα πλήρως αποστειρωμένο περιβάλλον θα ήταν ιδανικό για την παρουσία κυττάρων.
  4. Εφόσον θεωρήθηκε η κάλυψη όλης της μηχανής σε θάλαμο με τις απαραίτητες συνθήκες μη πρακτικό και ασύμφορο περιοριστήκαμε μεταξύ των δύο δοκών που έχει ως αποτέλεσμα ο χώρος εντός του θαλάμου να είναι περιορισμένος.
  5. Η οποιαδήποτε επαφή του θαλάμου με το κινητό μέρος της πρέσσας θα είχε ως αποτέλεσμα την λανθασμένη μέτρηση των δυνάμεων επομένως αναγκαίο ήταν να μην υπάρχει καμία επαφή του θαλάμου με το κινητό μέρος της πρέσσας. Αυτό περιορίζει τις δυνατότητες μας σε σχεδιασμό ενός πλήρως κλειστού κυκλώματος που θα μείωνε τις απώλειες.
  6. Η οποιαδήποτε ταλάντωση που δημιουργεί το σύστημα μας μπορεί να επηρεάσει το ευαίθητο μετρητικό όργανο. Επομένως ιδιαίτερη προσοχή έπρεπε να δωθεί στην καλή σύνδεση των σωληνών με τον κύριο θάλαμο ούτως ώστε να μην μεταφερθεί ο θόρυβος από τον ανεμιστήρα στον κύριο θάλαμο καθώς επίσης και η σωστή κατεύθυνση της ροής του αέρα .
  7. Απαραίτητη είναι η εύκολη συναρμολόγηση-αποσυναρμολόγηση του θαλάμου πάνω στην πρέσσα για να μπορεί ο χρήστης ανάλογα με το πείραμα να τοποθετεί ή να αφαιρεί τον θάλαμο. Επίσης θα δίνεται η δυνατότητα του εύκολου καθαρισμού.
  8. Για την ευκολία των χρηστών του συστήματος απαραίτητος είναι ο εργονομικός σχεδιασμός.


Λύσεις

Οι παραπάνω προκλήσεις αντιμετωπίσθηκαν με τους εξής τρόπους:

  1. Η θερμότητα που χρειάζεται ο θάλαμος προσδίδεται από μία αντίσταση 1200 Wπου βρίσκεται στον προθάλαμο. Μεσω του Arduino γίνεται αυτόματος έλεγχος της αντίστασης για την επιθυμητή θέρμανση. Έτσι επιτυγχάνεται σταθερή θερμοκρασία 37οC μέσα στον θάλαμο με διακύμανση 2οC. Ο κώδικας που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της θερμοκρασίας δίνεται παρακάτω (Ηλεκτρονικά και προγραμματισμός).
  2. Το θέμα της υγρασίας αντιμετωπίστηκε χρησιμοποιώντας φίλτρο υγρασίας (humidification filter) στην είσοδο του αέρα στο πίσω μέρος του θαλάμου. Είναι μία από τις ευρέως γνωστές μεθόδους ύγρανσης χώρων και στην προκειμένη περίπτωση τα επίπεδα υγρασίας φτάνουν να είναι >90%.
  3. Μία 100% αποστειρωμένη κατασκευή για την προκειμένη περίπτωση θα ήταν αδύνατη. Χρησιμοποιήθηκε φίλτρο HEPA κλάσης H13 που τοποθετήθηκε στον προθάλαμο έτσι ώστε να φιλτράρει τον αέρα που θα οδηγείται στον κύριο θάλαμο. Επίσης η έξοδος του αέρα από το θάλαμο τοποθετήθηκε στο πάνω μέρος ώστε ο μη φιλτραρισμένος αέρας που θα εισχωρούσε από το πάνω μέρος να μην περνάει από το δοκίμιο και να οδηγείται πρώτα από το φίλτρο.
  4. Λόγω του περιορισμένου χώρου εντός των δύο δοκών της πρέσσας έγινε ακριβής μέτρηση των διαστάσεων του θαλάμου και σχεδιασμός του ώστε να εκμεταλλεύεται το μέγιστο δυνατό χώρο.
  5. Για την μείωση των απωλειών θερμότητας και υγρασίας από το πάνω μέρος του θαλάμου και την ελαχιστοποίηση της εισχώρησης του ανεπιθύμητου αέρα κατά την ώρα λειτουργίας της συσκευής, μειώθηκε όσο το δυνατόν περισσότερο η διατομή της οπής στο πάνω μέρος (dοπής=20mm, dκιν.μέρους =16mm).
  6. Για την ελαχιστοποίηση της μεταφοράς των κραδασμών από τον ανεμιστήρα στην πρέσσα, χρησιμοποιήθηκαν εύκαπτοι σωλήνες (flexible tubes). Επίσης οι οπές στο πίσω μέρος του θαλάμου τοποθετήθηκαν σε σημεία που να μην επηρεάζει η ροή του αέρα άμεσα το ευαίσθητο μετρητικό όργανο της πρέσσας.
  7. Σχεδιασμός ενός θαλάμου δύο κομματιών που συναρμολογείται με βίδες είχε ως σκοπό την εύκολη εγκατάσταση-απεγκατάσταση του θαλάμου στην πρέσσα. Επίσης όλα τα σημαντικά στοιχεία για την σωστή λειτουργία του θαλάμου τοποθετήθηκαν στον προθάλαμο ώστε να είναι εύκολος ο καθαρισμός του.
  8. Η όλη συσκευή είναι plug'n'play. Έχει προγραμματιστεί ώστε να λειτουργεί για τις συνθήκες που ζητήθηκαν. Επίσης το μέγεθος της πόρτας σχεδιάστηκε ώστε να είναι αρκετά μεγάλο για την εύκολη τοποθέτηση του δοκιμίου στην πρέσσα από τον χρήστη.


Υπολογισμοί

Κύρια συνιστώσα του κυκλώματος αποτελεί η πτώση πίεσης στα επιμέρους στοιχεία του. Με την εκτίμηση της συνολικής πτώσης πίεσης έγινε η επιλογή του ανεμιστήρα που τροφοδοτεί το κύκλωμα και στη συνέχεια με βάση τον ανεμιστήρα η εσωτερική διάμετρος των σωλήνων.

Σημαντικό στοιχείο πτώσης πίεσης αποτελεί το φίλτρο αέρα HEPA. Η καμπύλη της πτώσης πίεσης συναρτήσει της παροχής υπολογίζεται εύκολα όπως φαίνεται παρακάτω.

Επίσης, πτώσεις πίεσης στους στις καμπυλώσεις του σωλήνα αλλά και στα στόμια εισόδου και εξόδου θεωρήθηκαν αμελητέες σε σχέση με αυτές στο φίλτρο.


Εκτίμηση πτώσης πίεσης στο φίλτρο HEPA H13


Διαστάσεις φίλτρου: 91.6x78x32mm (WxHxD)

Γενική εξίσωση πτώσης πίεσης,
δp = k1 * t* u

όπου k1 σταθερά, εξαρτώμενη από το filter porosity και το fiber diameter του φίλτρου, t το πάχος του φίλτρου και V η ταχύτητα της ροής.

Η σταθερά k1 για τον ίδιο τύπο φίλτρου είναι η ίδια. Άρα και στην προκειμένη περίπτωση θα είναι το ίδιο, αφού δεν εξαρτάται από τη γεωμετρία του φίλτρου, αλλά από το ποιοτικά χαρακτηριστικά του.

Από υπάρχουσες καμπύλες κατασκευαστών (http://www.yantairfilters.com/pro01HEPA%20FILTER.htm), για ονομαστικές διαστάσεις 610x610x292mm (WxHxD) παίρνουμε το εξής διάγραμμα:
HEPA official pd.png


από το οποίο υπολογίζουμε εύκολα την κλίση της ευθείας k1­­­­­*t = 525.47 και για t = 292mm παίρνουμε k­­1 = 1799.55 .
Για το διαθέσιμο φίλτρο πλέον ο υπολογισμός της εξίσωσης πτώσης πίεσης είναι εύκολος και προκύπτει:
δp = k1*t*V = 1799.55*0.032*V = 57.5856*V [Pa]
ή συναρτήσει της παροχής Q[m3/s] έχουμε
δp = 57.5856 / (0.0916 * 0.078) * Q = 8060 * Q [Pa],
όπου Α =0.0916 * 0.078 = 0.0071448m2.


Εκτίμηση πτώσης πίεσης στους σωλήνες

Δεδομένα

  • Διάμετρος D = 0.0635m
  • Μήκος Αγωγού L = 1m
  • Απόλυτη Τραχύτητα ε = 2 mm
  • Ατμοσφαιρική Πίεση p = 101325 Pa
  • Θερμοκρασία Αέρα T = 37 C
  • Πυκνότητα Αέρα ρ = 1.1397 kg/m3
  • Κινηματική Συνεκτικότητα v = 16.7155e-6 m2/s

Για τον υπολογισμό χρησιμοποιήθηκε η σχέση του Jain για την εύρεση σε κάθε περίπτωση του συντελεστή τριβής λ και με τη βοήθεια ενός απλού επαναληπτικού κώδικα στο Matlab () δημιουργήθηκε η καμπύλη πτώσης πίεσης.

Η εξίσωση της καμπύλης με παρεμβολή είναι η εξής:
dp = 52291 * Q2 + 30.282 * Q - 0.01243


Στο επόμενο σχήμα φαίνεται η καμπύλη λειτουργίας του ανεμιστήρα που επιλέχθηκε μαζί με την καμπύλη πτώσης πίεσης στα σημαντικά στοιχεία του κυκλώματος, ώστε να βρεθεί το σημείο λειτουργίας.
total pressure drop.jpg
Πτώση στατικής πίεσης στα σημαντικά στοιχεία του κυκλώματος για το εύρος παροχών του επιλεγμένου ανεμιστήρα.


To σημείο τομής της κόκκινης γραμμής με την μπλε αντιπροσωπεύει το εκτιμούμενο σημείο λειτουργίας.

Η επιλογή του ανεμιστήρα, όπως αναφέρθηκε, έγινε με βάση την αύξηση στατικής πίεσης που προσέφερε. Στην επιλογή του λήφθηκε υπ’όψην η αύξηση της πτώσης πίεσης στο φίλτρο κατά τη διάρκεια λειτουργίας του, καθώς αρχίζει και μεγαλώνει η συγκέντρωση των ακαθαρσιών που συγκρατεί. Ενδεικτικά, αναφέρεται ότι μπορεί να φτάσει και τα 249Pa μετά από πολές ώρες λειτουργίας, σημείο στο οποίο θέλει αλλαγή.

Ακόμα, για την πτώση πίεσης στο φίλτρο υγρασίας δεν μπόρεσε να γίνει κάποια ακριβής εκτίμηση, για αυτό το λόγο η επιλόγη του ανεμιστήρα έγινε με κάποιο συντελεστή ασφαλείας.
Ο ανεμιστήρας που επιλέχθηκε είναι ο εξής: SUNON PMD1206PMB1-A(2).GN

11272_img_2.jpg

Fan Datasheet:

Στη συνέχεια η εσωτερική διάμετρος των σωλήνων επιλέχτηκε με βάση τη διάμετρο της πτερωτής του ανεμιστήρα.


Ψυχρομετρικοί Υπολογισμοί
Υπολογισμοί επίσης έγιναν και για την εκτίμηση της ποσότητας του νερού που χρειάζεται για την ύγρανση του αέρα στα επιθυμητά επίπεδα αλλά και του ποσού θερμότητας που απαιτείται για την θέρμανση του. Το κομμάτι της θέρμανσης βέβαια, δεν είναι τόσο σημαντικό να υπολογιστεί καθώς υπήρχε ήδη διαθέσιμο ένα στοιχείο θέρμανσης τύπου αντίστασης των 1200W, το οποίο είναι υπέραρκετό για τη δουλειά αυτή.

Το αέριο μίγμα (αέρας) θεωρείται ότι αποτελείται από ξηρό αέρα και υδρατμό, καθένα από τα οποία θεωρείται ότι συμπεριφέρεται ως ιδανικό αερίο. Οι ειδικές θερμότητες του αέρα θεωρούνται σταθερές και η ενθαλπία του υδρατμού εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία, αφού υποθέτουμε συμπεριφορά ιδανικού αερίου.

Η συνολική πίεση ενός μίγματος ξηρού αέρα και υδρατμού είναι σύμφωνα με το νόμο του Dalton το άθροισμα των μερικών πιέσεων των συστατικών:

P = Pα + Pυ


Ο δείκτης α χρησιμοποιείται για να συμβολίζει την πίεση συστατικού του ξηρού αέρα, ενώ ο δείκτης υ χρησιμοποιείται για τον συμβολισμό της πίεσης συστατικού του υδρατμού (που αλλιώς ονομάζεται πίεση ατμού). Επίσης, αφού το μίγμα αποτελείται από ιδανικά αέρια, η πίεση συστατικού και η μερική πίεση ενός συστατικού είναι ίδιες.

Μία σχηματική παράσταση των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα φαίνονται στο παρακάτω σχήμα
Humidity Calculations.png

Υγρός ατμοσφαιρικός αέρας εισέρχεται από τη θέση 1, έπειτα ακολουθεί η διεργασία θέρμανσης στο θερμαντικό στοιχείο (θέση 2), η διεργασία ύγρανσης (θέση 3) και έξοδος του υγρού αέρα.

Η εξίσωση διατήρησης της μάζας για σταθερή ροή εφαρμόζεται στον ξηρό αέρα που περνάει από το τμήμα θέρμανσης και ύγρανσης και έτσι

mα3= mα1=mα

και εφαρμοσμένη για το νερό που περνάει από τα δύο ίδια αυτά τμήματα δίνει

ω3 * mα3=ω1 * mα3 + ms

Έτσι

ms=(ω3-ω1)*mα

Η τελευταία εξίσωση δείχνει ότι η παροχή μάζας του νερού που προστίθεται στο τμήμα του υγραντήρα, είναι ίση με το γινόμενο της παροχής μάζας του ξηρού αέρα και της αύξησης στον λόγο υγρασίας του αέρα.

Ο λόγος υγρασίας (ή ειδική υγρασία) του αέρα ορίζεται ως ο λόγος της μάζας του υδρατμού προς τη μάζα του ξηρού αέρα που βρίσκονται σε ένα μίγμα υγρού αέρα και συμβολιζεται με ω.

ω=mυ/mα

Εφαρμόζοντας την εξίσωση διατήρησης της ενέργειας για σταθερή ροή μόνο στο τμήμα θέρμανσης με αμελητέες μεταβολές στην κινητική και δυναμική ενέργεια, παίρνουμε

Q =mα2 * h2 - mα1 * h1 = mα * (h2 - h1)

δηλαδή, ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας στο τμήμα θέρμανσης εόίναι ίσος με το γινόμενο της παροχής μάζας του ξηρού αέρα και της αύξησης στην ενθαλπία του ρεύματος αέρα.

Στη συνέχεια, η εφαρμογή της διατήρησης της ενέργειας στο τμήμα του αδιαβατικού υγραντήρα μας δίνει

ms * hs + mα2 * h2 - mα3 * h3 = 0

ms * hs + mα * (h2 - h3 ) = 0

Η έκφραση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της ενθαλπίας του νερού που προστίθεται στον αέρα στο τμήμα του υγραντήρα.

Δεχόμαστε ότι το εργαζόμενο μέσο έχει σε όλες τις θέσεις απόλυτη πίεση ίση με την ατμοσφαιρική (101.325 kPa).

Συνθήκες στη θέση 1

  • Θερμοκρασία T = 15°C
  • Σχετική Υγρασία RH = 50%


Στόχος είναι η θερμοκρασία στη θέση 2 να είναι ίση με 37°C και η σχετική υγρασία στη θέση 3 να είναι ίση με 95%. Οπότε αυτά είναι και τα δεδομένα στις θέσεις αυτές.

Με τη βοήθεια ενός ψυχρομετρικού διαγράμματος σε μονάδες SI και για πίεση 1atm βρίσκουμε εύκολα όλες τις ιδιότητες του μέσου στις αντίστοιχες θέσεις.

Στο φύλλο excel που επισυνάπτεται μαζί βρίσκονται όλοι οι απαραίτητοι υπολογισμοί για τον υπολογισμό της παροχής θερμότητας στο τμήμα θέρμανσης και της παροχής νερού στο τμήμα ύγρανσης.





Τελικά υπολογίζεται ότι απαιτείται πόσο θερμότητας ίσο με 270W για την θέρμανση του αέρα και παροχή νερού ίση με 0.38256 g/s.

Αυτοί οι υπολογισμοί ήταν καθοριστικοί για την απόφαση της δημιουργίας ενός κλειστού κυκλώματος. Διαφορετικά θα απαιτούνταν μεγάλα ποσά νερού για την πολύωρη λειτουργία της πρέσσας.


ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΕΙΣ
Solidworks Flow Simulation

Αφού έγινε σχεδιασμός με τις βασικές διαστάσεις της πρέσσας και των τεμαχίων έγιναν αρκετές προσομοιώσεις με διάφορες απλοποιήσεις ώστε να γίνει κάποια εκτίμηση της ροής μέσα στο θάλαμο αλλά και των πίεσεων μέσα στο κύκλωμα.

Παρακάτω φαίνεται η πρέσσα όπως σχεδιάστηκε.


bose.JPG


Μία από τις πιο σημαντικές απαιτήσεις του θαλάμου είναι να διατηρεί αποστειρωμένο όσο περισσότερο γίνεται την περιοχή όπου γίνεται το πείραμα. Στο πάνω μέρος του θαλάμου δημιουργήθηκε αναγκαστικά ένα διάκενο ώστε να μην ακουμπάει ο θάλαμος το κινούμενο μέρος της μηχανής και να μην επηρεάζονται οι μετρήσεις. Στα επόμενα animations φαίνονται οι γραμμές ροής που παιρνούν από αυτό το κενό στην περίπτωση κλειστής και ανοιχτής πόρτας του θαλάμου.








Φαίνεται καθαρά ότι η επιλογή της οπής για το σωλήνα εξόδου είναι επίτηδες σε ψηλό σημείο του θαλάμου, καθώς οποιαδήποτε ποσότητα μη φιλτραρισμένου αέρα εισέλθει από το διάκενο θα αναρροφηθεί αμέσως και θα περάσει από το φίλτρο. Κάτι αντίστοιχο συμβαίνει και την ώρα που είναι ανοιχτή η πόρτα του θαλάμου για την τοποθέτηση του προς εξέταση δείγματος.

Η είσοδος του αέρα γίνεται αντίστοιχα από χαμηλά ώστε να βοηθηθεί περαιτέρω αυτή η παρόρμηση του μη φιλτραρισμένου αέρα.

Παρακάτω φαίνονται μερικά plots σε κρίσιμα σημεία του θαλάμου.


Top Spacing Plot.jpg
Στην απεικόνιση αυτή φαίνεται το ακτινικό διάκενο σε άνοψη και η κάθετη σε αυτή συνιστώσα της ταχύτητας. Πρακτικά δείχνει σε ποια σημεία εισέρχεται και εξέρχεται αέρας από το κενό αυτό. Η πόρτα είναι κλειστή σε αυτή την περίπτωση.



Door Flow Plot.jpg

Στην απεικόνιση αύτη φαίνεται η κάθετη ταχύτητα στο άνοιγμα που δημιουργεί η πόρτα όταν αυτή είναι ανοιχτή. Πρακτικά δείχνει που εισέρχεται και που εξέρχεται αέρας.



ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ

Πείραμα Χάρτινου Πρωτότυπου


Πειραματική Διάταξη





carton1.jpg

carton2.jpg

Ένα πρωτότυπο του θαλάμου από χαρτόνι τοποθετήθηκε γύρω από την πρέσα. Στον θάλαμο αυτό παρέχετε παροχή αέρα από έναν μικρό ανεμιστήρα (5VDC,Arduino powered) . Η μέτρηση από τον αισθητήρα δύναμης της πρέσας μετρήθηκε όταν ο ανεμιστήρας είναι κλειστός και ανοιχτός.



Πειραματικά Δεδομένα


carton data 1.png



Figure 1: Προφίλ μέτρησης δύναμης όταν δεν υπάρχει ροή αέρα στον θάλαμο.



carton data 2.png


Figure 2: Προφίλ μέτρησης δύναμης όταν υπάρχει ροή αέρα στον θάλαμο.



Σχόλια

Όταν δεν υπάρχει ροή αέρα στο θάλαμο, η μέτρηση δύναμης έχει μέση τιμή 1.2 mN και τυπική απόκλιση 0.62 mΝ (Fig. 1). Όταν υπάρχει ροή αέρα στο θάλαμο, η μέτρηση δύναμης έχει μέση τιμή 108 mN και τυπική απόκλιση 2 mΝ (Fig. 2).


Το σχήμα 3 δείχνει ένα τυπικό πείραμα σε ένα μικρό κομμάτι collagen scaffold. Ο θόρυβος των 2 mN δείχνει να μην είναι ικανός να επηρεάσει τα δεδομένα. Η μέση τιμή των 100mΝ μπορεί να αντισταθμιστεί από το λογισμικό της πρέσσας αφαιρώντας αυτό το συστηματικό σφάλμα.





data carton 3.jpg



Τελικά πειράματα


Με την ολοκλήρωση της κατασκευής του θαλάμου και τον προγραμματισμό του Arduino για τον έλεγχο της θερμοκρασίας πραγματοποιήθηκαν μερικά πειράματα στην πρέσσα ώστε να παρατηρηθεί η επιρροή του θαλάμου στις μετρήσεις. Σε κανένα από αυτά τα πειράματα δεν πραγματοποιήθηκε ύγρανση του αέρα, διότι δεν είχε γίνει κατάλληλη προετοιμασία της πρέσσας. Παρ’όλα αυτά σε δοκιμές που έγιναν εκτός πρέσσας για την υγρασία, τα αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά καθώς επιτεύχθηκαν επίπεδα υγρασίας έως και 92%.


chamber testing.jpg

Στο πρώτο πείραμα έγινε έλεγχος της επιρροής της ροής του αέρα με κλειστή τη θέρμανση. Το δεύτερο πείραμα έγινε με ανοιχτή τη θέρμανση.

Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει τις μετρήσεις της πρέσσας.

Από την no heating καμπύλη (πράσινο χρώμα) φαίνεται ότι υπάρχει ένα σταθερό συστηματικό σφάλμα, το οποίο αντισταθμίζεται εύκολα από το λογισμικό της πρέσσας. Το εύρος των ταλαντώσεων που εμφανίζεται επίσης αντισταθμίζεται με τη ρύθμιση του gain του αισθητήρα. Ήδη από το πείραμα με το χάρτινο πρωτότυπο είχαμε παρατηρήσει ότι η επίδραση της ροής του αέρα στον αισθητήρα μπορούσε να αντισταθμιστεί.

Αντίθετα στην καμπύλη heating (μπλε χρώμα) παρατηρούμε μία ταλάντωση. Αυτή οφείλεται στην μεταβολή της θερμοκρασίας μέσα στο θάλαμο. Πιο συγκεκριμένα, το κομμάτι στο οποίο βρίσκεται τοποθετημένος ο αισθητήρας είναι μεταλλικό και μπορεί να διαστέλλεται και να συστέλλεται γρήγορα και αισθητά.

Αυτό αμέσως επιβάλλει την κατάστρωση ενός καλύτερου νόμου ελέγχου της θερμοκρασίας, διότι προφανώς υπάρχουν αυξομειώσεις.


10956702_10152770460107893_1721963884_o.jpg



Ηλεκτρονικά και προγραμματισμός

Παρακάτω φαίνεται η υλοποίηση του ηλεκτρικού κυκλώματος του συστήματος.


arduino1.jpg


arduino2.jpg

Τροφοδοσία στα δύο φορτία του συστήματος, την αντίσταση και τον ανεμιστήρα γίνεται μέσω του δικτύου. Η τροφοδοσία για τα υπόλοιπα στοιχεία του κυκλώματος και ο έλεγχος πραγματοποιείται μέσω ενός Arduino Uno.
Η διάταξη αποτελείται από 4 κυκλώματα.

1)Το κύκλωμα τροφοδοσίας του ανεμιστήρα SUNON 12 V 10.6W το οποίο συνδέεται με το δίκτυο 230V και μέσω μετασχηματιστή παίρνει 12 VDC τάση.

2) Το κύκλωμα τροφοδοσίας της αντίστασης 1200 W. Η αντίσταση τροφοδοτείται με AC230V και για τον έλεγχό της συνδέεται με ένα solid-state relay. Ο διακόπτης αυτός θα ρυθμίζει τη ροή ρεύματος προς την αντίσταση, ανάλογα με το σήμα που θα λαμβάνει από τον αισθητήρα.

3) Το κύκλωμα ελέγχου του relayαπό το Arduino Uno. Το Arduino τροφοδοτείται με ένα σήμα από τον αισθητήρα θερμοκρασίας και ελέγχει το relay.

4) Το κύκλωμα του αναλογικού αισθητήρα θερμοκρασίας LMT87 της Texas Instruments. Είναι αισθητήρας που επιτυγχάνει ακρίβεια ±0.6ο C. Αυτός, απαιτεί ψηφιακή είσοδο 5 V, σύνδεση με την γείωση του Arduino , και η έξοδός του συνδέεται με αναλογική θύρα του Arduino.

Για να επιτευχθούν οι απαιτούμενες συνθήκες, μετράται η θερμοκρασία με τον αισθητήρα και δίνεται σήμα στο Arduino να αυξομειώσει ανάλογα την παρεχόμενη ισχύ στην αντίσταση. Αυτό επιτυγχάνεται ανοιγοκλείνοντας το διακόπτη (relay) και επιτρέποντας ή αποτρέποντας την παροχή ισχύος στην αντίσταση. Μεταβάλλοντας τον χρόνο που η αντίσταση παραμένει ανοικτή, ελέχγετε ουσιαστικά η ισχύς της αντίστασης.

Ο κώδικας που χρησιμοποιείται μπορεί να βρεθεί στο

http://playground.arduino.cc/Code/PIDLibrary



Τέλος κάποιες φωτογραφίες από την κατασκευαστική διαδικασία.

IMG_1576.JPGIMG_1570.JPGIMG_1553.JPG10952241_10152750147417893_487447376559377032_o.jpg10497414_10152750144977893_7935891573906527218_o.jpg






Ευχαριστούμε

την ομάδα του εργαστηρίου που βοήθησαν στην προσπάθεια μας αυτή

και ιδιαίτερα τους

κ.Νικόλαος Καβαλόπουλος

κ.Δημήτριος Τζεράνης

κ.Λεωνίδας Αλεξόπουλος