Poceni reometer: 11 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Namen tega navodila je ustvariti poceni reometer za eksperimentalno določanje viskoznosti tekočine. Ta projekt je ustvarila ekipa dodiplomskih in podiplomskih študentov Univerze Brown v razredu Vibracije mehanskih sistemov.

Reometer je laboratorijska naprava, ki se uporablja za merjenje viskoznosti tekočin (kako gosta ali lepljiva je tekočina - pomislite na vodo v primerjavi z medom). Obstajajo nekateri reometri, ki lahko merijo viskoznost tekočin z merjenjem odziva vibrirajočega sistema, potopljenega v tekočino. V tem nizkocenovnem projektu reometra smo ustvarili vibracijski sistem iz krogle in vzmeti, pritrjene na zvočnik, za merjenje odziva pri različnih frekvencah. Iz te krivulje odziva lahko ugotovite viskoznost tekočine.

Zaloge:

Potrebni materiali:

Stanovanjski sklop:

• Iverna plošča (11 '' Š x 9 '' V) (tukaj) 1,19 USD
• 12 x 8-32 x 3/4 '' vijaki s šestrobo glavo (tukaj) 9,24 USD skupaj
• 12 x 8-32 šestkotna matica (tukaj) 8,39 USD
• 4 x 6-32 x ½ '' vijak s šestrobo glavo (tukaj) 9,95 USD
• 4 x 6-32 šestkotna matica (tukaj) 5,12 USD
• 9/64 '' imbus ključ (tukaj) 5,37 USD

Elektronika:

• 12V napajanje (tukaj) 6,99 USD
• Ojačevalnik (tukaj) 10,99 USD
• Aux kabel (tukaj) 7,54 USD
• Mostična žica (glej spodaj)
• Posnetki iz aligatorja (tukaj) 5,19 USD
• Zvočnik (tukaj) 4,25 USD
• Izvijač (tukaj) 5,99 USD

Nastavitev pomladi in sfere:

• Smola 3D tiskalnika (spremenljivo)
• 2 x merilnika pospeška (uporabili smo jih) 29,90 USD
• 10 x mavrični kabli žensko-moški (tukaj) 4,67 USD
• 12 x moško-moški mavrični kabli (tukaj) 3,95 USD
• Arduino Uno (tukaj) 23,00 USD
• Kabel USB 2.0 od A do B (tukaj) 3,95 USD
• Krušna deska (tukaj) 2,55 USD
• Kompresijske vzmeti (uporabili smo jih) ??
• 2 x priključki po meri (3D natisnjeno)
• 2 x ⅜’’-16 šestnajstih matic (tukaj) 1,18 USD
• 4 x 8-32 Vijaki (tukaj) 6,32 USD
• 4 x ¼’’-20 šestroba matica (aluminij) (tukaj) 0,64 USD
• 2 x ¼ ''-20 '' navojna palica (aluminij) (tukaj) 11,40 USD
• 7/64 '' imbus ključ
• Imbus ključ 5/64 ''
• 4 x 5x2 mm vijaki 3/16''x1/8 '' (tukaj) 8,69 USD

Drugo

• Plastična skodelica (tukaj) 6,99 USD
• Tekočina za testiranje viskoznosti (testirali smo karo sirup, rastlinski glicerin, Hersheyjev čokoladni sirup)

SKUPNI STROŠKI: 183,45 USD*

*ne vključuje smole ali tekočine 3D tiskalnika

Orodja

• Laserski rezalnik
• 3D tiskalnik

Potrebna programska oprema

• MATLAB
• Arduino

Datoteke in koda:

• Datoteka Adobe Illustrator za ohišje (Rheometer_Housing.ai)
• GUI krmilnika zvočnikov (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino datoteka Rheometer (rheometer_project.ino)
• Sphere mesh datoteke (cor_0.9cmbody.stl in cor_1.5cmbody.stl)
• Geometrična datoteka ASCII povezovalnika po meri (Connector_File.step)
• Koda MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Koda MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• Koda MATLAB 3 (rheometer_foruser.m)

1. korak: 1. del: Nastavitev

Kako nastaviti eksperimentalno platformo.

2. korak: 3D tiskanje in lasersko rezanje vseh delov (priključki po meri, krogle in ohišje)

3. korak: Priključite elektroniko, kot je prikazano spodaj

Pomembno: Opomba: Ne vtikajte napajalnika v vtičnico, dokler niso izvedeni vsi koraki v tem razdelku! VEDNO IZKLOPITE NAPAJANJE, KADAR KOLI SPREMEMBATE.

Za začetek preverite, ali je ojačevalnik obrnjen navzgor. Priključite aligatorske sponke in mostične žice na leve spodnje sponke ojačevalnika. Napajalni kabel in njegov mostični kabel pritrdite na leve zgornje sponke ojačevalnika. Privijte konce priključnih sponk, da pritrdite žične zatiče. Poskrbite, da bodo pozitivni in negativni priključki pravilno poravnani s sponkami na ojačevalniku in pritrdite aligatorske sponke na zvočnik. Prepričajte se, da ti dve sponki ne prideta v stik.

4. korak: Nastavitev grafičnega vmesnika

Zdaj, ko je elektronika nastavljena, lahko preizkusimo grafični vmesnik, ki nam bo omogočil vožnjo zvočnika in ustvarjanje vibracijskega sistema, potopljenega v našo tekočino. Zvočnik bo nadzoroval avdio izhodni sistem v našem računalniku. Začnite s prenosom MATLAB -a in zgornje kode grafičnega vmesnika. OPOMBA: Obstajajo nastavitve LED luči, ki se ne bodo uporabljale in jih je treba prezreti.

Ko odprete MATLAB, v ukaznem oknu zaženite naslednje: »info = audiodevinfo« in dvokliknite možnost »izhod«. Poiščite ID številko za zunanje slušalke/zvočnik. Odvisno od vaše naprave bo to nekaj podobnega kot "Zvočnik / Slušalke …" ali "Zunanji …" ali "Vgrajen izhod …". Za »ID zunanjega zvočnika« nastavite to ID številko.

Zdaj pa preizkusimo, ali je naš sistem pravilno nastavljen. IZKLOPITE RAČUNALNIŠKO GLASNINO VEDNO. Odklopite avdio kabel iz računalnika in namesto tega priključite komplet slušalk. Preizkusili bomo povezavo grafičnega vmesnika za pošiljanje signala stresalniku. Vnesite 60 Hz kot frekvenco vožnje v besedilno polje, kot je prikazano spodaj. (To polje sprejema vrednosti do 150 Hz). To je pogostost vsiljevanja za vašo nastavitev. Nato potisnite amplitudo vožnje do vrednosti približno 0,05. Nato pritisnite gumb »Vklopi sistem«, da pošljete signal v slušalke. To bo sprožilo enega od kanalov (levo ali desno) vaših slušalk. Zvišajte glasnost računalnika, dokler ne zaslišite zvoka. Pritisnite "Izklopi sistem", ko zaslišite zvočni ton, in se prepričajte, da se zvok neha predvajati. Če želite spremeniti frekvenco ali amplitudo vožnje vašega sistema med delovanjem, pritisnite gumb »Osveži nastavitve«.

5. korak: Ustvarite sklop vibrirajoče mase

Zdaj bomo začeli sestavljati sistem vibrirajočih mas, ki jih bomo potopili v našo tekočino. V tem koraku prezrite merilnike pospeška in se osredotočite na sestavljanje krogle, konektorjev, šesterokotnih matic in vzmeti. Pritrdite jekleno šestrobo matico v vsakem priključku po meri z nastavitvenimi vijaki in imbus ključem 5/64 ''. Enega od teh povežite s kroglo z aluminijasto šestrobo matico in aluminijasto navojno palico. Združite oboje, kot je prikazano zgoraj. Nazadnje privijte drugo navojno palico v zgornji priključek in delno privijte aluminijasto šestrobo matico.

6. korak: Dodajte merilnike pospeška in Arduino

Z zgornjim diagramom priključite arduino na merilnike pospeška. Če želite ustvariti dolge mavrične kable, uporabite moško-moške žice (na sliki prikazane kot bela, siva, vijolična, modra in črna) in jih povežite z žensko-moškimi žicami (rdeča, rumena, oranžna, zelena in rjav). Drugi konec bo povezan z merilniki pospeška. Poskrbite, da se vrata za merilnik pospeška "GND" (ozemljitev) in "VCC" (3,3 volta) ujemajo z matično ploščo in da se vrata "X" ujemajo z vrati A0 in A3 v Arduinu.

Končne merilnike pospeška pritrdite na sklop vibrirajoče mase z vijaki 5x3 mm 3/16''x1/8 ''. Prepričati se morate, da je merilnik pospeška TOP priključen na A0, merilnik pospeška BOTTOM pa na A3, da bo koda Arduino delovala.

Če želite nastaviti sam Arduino, najprej prenesite programsko opremo arduino v računalnik. Priključite Arduino v računalnik s kablom USB 2.0. Odprite priloženo datoteko ali jo kopirajte in prilepite v novo datoteko. Pomaknite se do orodja v zgornji vrstici in se pomaknite nad »Board:«, da izberete Arduino Uno. Pomaknite se navzdol nad "Port" in izberite Arduino Uno.

7. korak: Nastavite končni sistem

Zadnji korak postavitve-vse skupaj! Začnite tako, da odstranite aligatorske sponke iz zvočnika in privijete zvočnik v zgornji del ohišja z vijaki s šestkotno glavo 6-32 x ½ '', šestkotno matico 6-32 in imbus ključem 9/64 ''. Nato privijte sklop vibrirajoče mase (s merilniki pospeška) v zvočnik. Za najboljši rezultat priporočamo obračanje zvočnika, da se izognete zapletu žic merilnika pospeška. Maso privijte na zvočnik z aluminijasto šestrobo matico.

Končno vstavite tri strani ohišja v zgornji del. Pritrdite sklop ohišja z vijaki s šestrobo glavo 8-32 x 3/4 '' in s šestrobimi maticami 8-32. Nazadnje aligatorske sponke znova pritrdite na zvočnik. Pripravljeni ste na testiranje!

Izberite svojo tekočino po izbiri in napolnite plastično skodelico, dokler krogla ni popolnoma potopljena. Ne želite, da bi bila krogla delno potopljena, vendar pazite, da krogle ne potopite tako daleč, da se tekočina dotakne aluminijaste šesterokotne matice.

8. korak: 2. del: Izvajanje poskusa

Zdaj, ko smo sestavo končali, lahko zabeležimo naše podatke. Premikali boste frekvence med 15 - 75 Hz pri nastavljeni amplitudi vožnje. Priporočamo korake po 5 Hz, vendar jih lahko za natančnejše rezultate spremenite. Arduino bo posnel pospešek za zvočnik (zgornji merilnik pospeška) in kroglo (spodnji merilnik pospeška), ki ga boste posneli v datoteko csv. Priložena koda MATLAB 1 in 2 bo v vrednostih csv prebrala kot ločene stolpce, izvedla dvosignalno furijevo transformacijo, da bi odstranila šum, in natisnila nastalo razmerje amplitude zgornjega in spodnjega merilnika pospeška. Koda MATLAB 3 bo sprejela ta amplitudna razmerja in začetno ugibano viskoznost ter narisala eksperimentalna in izračunana razmerja v primerjavi s frekvencami. S spreminjanjem predvidene viskoznosti in vizualno primerjavo te ugibanja s poskusnimi podatki boste lahko določili viskoznost vaše tekočine.

Za podrobnejšo razlago kode MATLAB si oglejte priloženo tehnično dokumentacijo.

9. korak: Zapis podatkov v datoteko CSV

Za začetek snemanja podatkov se najprej prepričajte, da je nastavitev dokončana, kot je opisano v 1. delu. Prepričajte se, da je ojačevalnik priključen v električno vtičnico. Naložite kodo Arduino v svojo napravo s klikom na gumb »Naloži« v zgornjem desnem kotu. Ko je ta uspešno naložen, se pomaknite do »Orodja« in izberite »Serijski monitor«. Ko odprete serijski monitor ali serijski ploter, se prepričajte, da je število baudd enako številki baudd v kodi (115200). Videli boste dva stolpca podatkov, ki sta zgornji in spodnji odčitki merilnika pospeška.

Odprite grafični vmesnik MATLAB in izberite amplitudo vožnje za poskus (uporabili smo 0,08 ampera in 0,16 ampera). Pometali boste po frekvencah 15 - 75 Hz in podatke snemali vsakih 5 Hz (skupaj 13 nizov podatkov). Začnite tako, da nastavite frekvenco vožnje na 15 Hz in vklopite sistem, tako da pritisnete »Vklopi sistem«. S tem boste vklopili vaš zvočnik, zaradi česar bo krogla in nastavljena vibrirati navzgor in navzdol. Vrnite se na svoj serijski monitor Arduino in pritisnite »Počisti izhod«, da začnete zbirati sveže podatke. Pustite, da ta nastavitev deluje približno 6 sekund, nato pa izklopite Arduino iz računalnika. Serijski monitor bo ustavil snemanje, kar vam omogoča ročno kopiranje in lepljenje približno 4, 500-5, 000 vnosov podatkov v datoteko csv. Razdelite dva stolpca podatkov v dva ločena stolpca (stolpca 1 in 2). Preimenujte ta csv v »15hz.csv«.

Priključite Arduino nazaj v računalnik (ne pozabite ponastaviti vrat) in ponovite ta postopek za frekvence 20 Hz, 25 Hz,… 75Hz, pri tem pa upoštevajte pravila poimenovanja za datoteke CSV. Za dodatne informacije o tem, kako te datoteke bere MATLAB, glejte tehnični dokument.

Če želite opazovati spremembe amplitudnega razmerja med frekvenčnim razmakom, lahko dodatno uporabite serijski ploter Arduino za vizualno opazovanje te razlike.

10. korak: obdelajte svoje podatke s kodo MATLAB

Ko so eksperimentalni podatki pridobljeni v obliki datotek CSV, je naslednji korak uporaba naše posredovane kode za obdelavo podatkov. Za podrobna navodila o uporabi kode in za razlago osnovne matematike glejte naš tehnični dokument. Cilj je pridobiti amplitudo pospeška za zgornji in spodnji merilnik pospeška, nato pa izračunati razmerje spodnje amplitude do zgornje amplitude. To razmerje se izračuna za vsako frekvenco vožnje. Razmerja se nato narišejo kot funkcija pogonske frekvence.

Ko dobimo to ploskev, za določitev viskoznosti tekočine uporabimo drug niz kod (spet podrobno opisanih v tehničnem dokumentu). Ta koda od uporabnika zahteva, da vnese začetno ugibanje o viskoznosti, zato je bistveno, da je ta začetna ugibanja nižja od dejanske viskoznosti, zato uganite zelo nizko viskoznost, sicer koda ne bo delovala pravilno. Ko koda najde viskoznost, ki ustreza eksperimentalnim podatkom, bo ustvarila ploskev, kot je prikazana spodaj, in prikazala končno vrednost viskoznosti. Čestitamo za zaključek poskusa!

11. korak: Datoteke

Druga možnost:

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