Olcsó rheométer: 11 lépés (képekkel)

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:39

Ennek az utasításnak az a célja, hogy egy olcsó reométert hozzon létre, amely kísérletileg megállapítja a folyadék viszkozitását. Ezt a projektet a Brown Egyetem alsó tagozata és a Mechanikai Rendszerek Rezgése osztály végzős hallgatói készítették.

A reométer egy laboratóriumi eszköz, amelyet a folyadékok viszkozitásának mérésére használnak (milyen vastag vagy ragacsos a folyadék - gondoljunk a vízre és a mézre). Vannak bizonyos reométerek, amelyek a folyadékok viszkozitását a folyadékba merített rezgő rendszer válaszának mérésével mérhetik. Ebben az alacsony költségű reométer projektben vibráló rendszert hoztunk létre egy hangszóróhoz rögzített gömbből és rugóból, hogy különböző frekvenciákon mérjük a választ. Ebből a válaszgörbéből megtudhatja a folyadék viszkozitását.

Kellékek:

Szükséges anyagok:

Ház szerelvény:

• Forgácslemez (11”W x 9” H) (itt) 1,19 USD
• 12 x 8-32 x 3/4 "hatlapfejű csavarok (itt) $ 9,24 összesen
• 12 x 8-32 hatszögletű anya (itt) 8,39 USD
• 4 x 6-32 x ½ "-os hatlapfejű csavar (itt) 9,95 USD
• 4 x 6-32 hatszögletű anya (itt) $ 5,12
• 9/64 "imbuszkulcs (itt) 5,37 dollár

Elektronika:

• 12 V -os tápegység (itt) 6,99 USD
• Erősítő (itt) 10,99 dollár
• Aux kábel (itt) 7,54 USD
• Jumper vezeték (lásd alább)
• Alligátor klipek (itt) $ 5,19
• Hangszóró (itt) 4,25 USD
• Csavarhúzó (itt) 5,99 USD

Rugó és gömb beállítása:

• 3D nyomtató gyanta (változó)
• 2 x gyorsulásmérő (ezeket használtuk) 29,90 USD
• 10 x női-férfi szivárványkábel (itt) 4,67 USD
• 12 x férfi-férfi szivárványkábel (itt) 3,95 USD
• Arduino Uno (itt) 23,00 USD
• A -B típusú USB 2.0 kábel (itt) 3,95 USD
• Kenyértábla (itt) 2,55 dollár
• Kompressziós rugók (ezeket használtuk) ??
• 2 x egyedi csatlakozó (3D nyomtatás)
• 2 x ⅜’’-16 hatszögletű anya (itt) 1,18 USD
• 4 x 8-32 csavar (itt) $ 6.32
• 4 x ¼”-20 hatszögletű anya (alumínium) (itt) 0,64 USD
• 2 x ¼ ''-20 ″ menetes rúd (alumínium) (itt) 11,40 USD
• 7/64 "imbuszkulcs
• 5/64 "imbuszkulcs
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8 '' csavarok (itt) $ 8.69

Egyéb

• Műanyag pohár (itt) 6,99 dollár
• Folyadék a viszkozitás vizsgálatához (kipróbáltuk a karo szirupot, a növényi glicerint, a Hershey csokoládé szirupot)

ÖSSZES KÖLTSÉG: 183,45 USD*

*nem tartalmazza a 3D nyomtató gyantáját vagy folyadékát

Eszközök

• Lézervágó
• 3d nyomtató

Szükséges szoftver

• MATLAB
• Arduino

Fájlok és kód:

• Adobe Illustrator fájl a házszereléshez (Rheometer_Housing.ai)
• Hangszóróvezérlő grafikus felhasználói felülete (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino Rheometer File (rheometer_project.ino)
• Gömbháló fájlok (cor_0.9cmbody.stl és cor_1.5cmbody.stl)
• Egyedi összekötő ASCII geometria fájl (Connector_File.step)
• MATLAB 1. kód (ff_two_signal.m)
• MATLAB kód 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB 3. kód (rheometer_foruser.m)

1. lépés: 1. rész: Beállítás

A kísérleti platform beállítása.

2. lépés: 3D nyomtatás és lézervágás minden alkatrészhez (egyedi csatlakozók, gömbök és házak)

3. lépés: Csatlakoztassa az elektronikát az alább látható módon

Fontos megjegyzés: Ne csatlakoztassa a tápegységet a konnektorhoz, amíg az ebben a részben leírt összes lépést el nem végezte! MINDIG VÁLTOZTATÁS ESETÉN HÚZZA KI A HÁLÓZATOT.

A kezdéshez győződjön meg arról, hogy az erősítőt úgy helyezte el, hogy a gombja kifelé nézzen. Csatlakoztassa az aligátor klipeket és az áthidaló vezetékeket az erősítő bal alsó kapcsaihoz. Csatlakoztassa a tápkábelt és annak áthidaló vezetékét az erősítő bal felső csatlakozóihoz. Csavarja le a kapocscsatlakozó végeit a huzalcsapok rögzítéséhez. Győződjön meg arról, hogy a pozitív és negatív sorkapcsok megfelelően illeszkednek az erősítő és klip alligátor kapcsok hangszóróhoz tartozó csatlakozóihoz. Ügyeljen arra, hogy ez a két csipesz ne érintkezzen.

4. lépés: A grafikus felhasználói felület beállítása

Most, hogy az elektronika be van állítva, tesztelhetjük a GUI -t, amely lehetővé teszi számunkra a hangszóró meghajtását és a folyadékunkba merülő vibráló rendszer létrehozását. A hangszórót a számítógépünk audio kimeneti rendszere fogja irányítani. Kezdje a MATLAB és a fenti GUI -kód letöltésével. MEGJEGYZÉS: vannak olyan LED -lámpák -beállítások, amelyeket nem használ, és figyelmen kívül kell hagyni.

Miután megnyitotta a MATLAB programot, futtassa a következőt a parancsablakban: "info = audiodevinfo", és kattintson duplán a "kimenet" lehetőségre. Keresse meg a külső fejhallgató/hangszóró opció azonosítószámát. Ez a gépétől függően valami hasonló lesz: „Hangszóró / fejhallgató…”, „Külső…” vagy „Beépített kimenet…”. Állítsa a „Külső hangszóróazonosítót” erre az azonosítószámra.

Most teszteljük, hogy a rendszerünk megfelelően van -e beállítva. Fordítsa le a számítógép hangerejét egész úton. Húzza ki az audio kábelt a számítógépről, és csatlakoztasson egy fejhallgatót. Ellenőrizzük a kapcsolatot a GUI -val, hogy jelet küldjön a rázógépnek. Írja be a 60 Hz -es menetfrekvenciát a szövegmezőbe az alábbiak szerint. (Ez a mező legfeljebb 150 Hz értékeket fogad el). Ez a beállítás kényszerítési gyakorisága. Ezután csúsztassa a menet amplitúdóját körülbelül 0,05 értékre. Ezután nyomja meg a „Rendszer bekapcsolása” gombot, hogy jelet küldjön a fejhallgatóra. Ez aktiválja a fejhallgató egyik csatornáját (balra vagy jobbra). Növelje a számítógép hangerejét, amíg hangot nem hall. Nyomja meg a „Kapcsolja ki a rendszert” gombot, amint hallható hangjelzés hallható, és győződjön meg arról, hogy a hang leáll. A rendszer gyakoriságának vagy vezetési amplitúdójának megváltoztatásához futás közben nyomja meg a „Beállítások frissítése” gombot.

5. lépés: Készítse el a vibráló tömegegységet

Most elkezdjük összeszerelni a rezgő tömegrendszert, amelyet a folyadékunkba merítünk. Ebben a lépésben figyelmen kívül hagyja a gyorsulásmérőket, és összpontosítson a gömb, csatlakozók, hatlapú anyák és rugó összeszerelésére. Rögzítsen acél hatszögletű anyát minden egyedi csatlakozóba rögzítőcsavarokkal és az 5/64 hüvelykes imbuszkulccsal. Csatlakoztassa az egyiket a gömbhöz alumínium hatlapú anyával és alumínium menetes rúddal. Kombinálja mindkettőt a fentiek szerint. Végül csavarja be a második menetes rudat a felső csatlakozóba, és részben csavarjon fel egy alumínium hatlapú anyát.

6. lépés: Adja hozzá a gyorsulásmérőket és az Arduino -t

A fenti ábra segítségével csatlakoztassa az arduinót a gyorsulásmérőkhöz. A hosszú szivárványkábelek létrehozásához használja a férfi-férfi vezetékeket (az ábrán fehér, szürke, lila, kék és fekete), és csatlakoztassa őket a női-anya vezetékekhez (piros, sárga, narancssárga, zöld és barna). A második vég csatlakozik a gyorsulásmérőkhöz. Győződjön meg arról, hogy a „GND” (föld) és a „VCC” (3,3 volt) gyorsulásmérő portok illeszkednek a kenyérlaphoz, és hogy az „X” port illeszkedik az Arduino A0 és A3 portjaihoz.

Csatlakoztassa a végső gyorsulásmérőket a vibráló tömegegységhez 5x3 mm -es 3/16 "x1/8" -os csavarokkal. Meg kell győződnie arról, hogy a TOP gyorsulásmérő az A0 -hoz, a BOTTOM gyorsulásmérő pedig az A3 -hoz van csatlakoztatva, hogy az Arduino kód működjön.

Az Arduino beállításához először töltse le az arduino szoftvert a számítógépére. Csatlakoztassa az Arduino -t a számítógéphez az USB 2.0 kábel segítségével. Nyissa meg a mellékelt fájlt, vagy másolja be és illessze be egy új fájlba. Keresse meg az eszközt a felső sávon, és vigye az egérmutatót a „Board:” fölé az Arduino Uno kiválasztásához. Egy egérrel lejjebb, mutasson a „Port” fölé, és válassza az Arduino Uno lehetőséget.

7. lépés: Állítsa be a végső rendszert

A beállítás utolsó lépése-mindent össze kell rakni! Kezdje azzal, hogy kicsavarja az aligátor klipeket a hangszóróról, és a 6-32 x ½ "-os hatlapfejű csavarokkal, 6-32 hatszögletű anyával és a 9/64" imbuszkulccsal csavarja be a hangszórót a ház tetejére. Ezután csavarja be a rezgő tömegszerelvényt (a gyorsulásmérőkkel) a hangszóróba. A legjobb eredmény érdekében javasoljuk a hangszóró elfordítását, hogy elkerülje a gyorsulásmérő vezetékeinek összegabalyodását. Húzza meg a tömeget a hangszóróhoz az alumínium hatlapú anyával.

Végül illessze be a ház szerelvény három oldalát a tetejébe. Rögzítse a ház szerelvényét a 8-32 x 3/4 -os hatlapfejű csavarokkal és a 8-32 hatszögletű anyákkal. Végül rögzítse újra az aligátor klipeket a hangszóróhoz. Készen áll a tesztelés megkezdésére!

Válassza ki a kívánt folyadékot, és töltse fel a műanyag poharat, amíg a gömb teljesen el nem merül. Nem szeretné, ha a gömb részben víz alá merülne, de ügyeljen arra is, hogy a gömb ne merüljön olyan mélyre, hogy a folyadék hozzáérjen az alumínium hatszögletű anyához.

8. lépés: 2. rész: A kísérlet futtatása

Most, hogy befejeztük az összeszerelést, rögzíthetjük adatainkat. A beállított haladási amplitúdó mellett végigsöpörhet a 15 - 75 Hz közötti frekvenciákon. Javasoljuk az 5 Hz -es lépést, de ez módosítható a pontosabb eredmények érdekében. Az Arduino rögzíti a hangszóró gyorsulását (felső gyorsulásmérő) és a gömböt (alsó gyorsulásmérő), amelyet csv -fájlban rögzít. A mellékelt MATLAB 1. és 2. kód külön oszlopként olvassa be a csv-értékeket, két jelű Fourier-transzformációt végez a jel zajcsökkentése érdekében, és kinyomtatja a felső és alsó gyorsulásmérő amplitúdó-arányát. A MATLAB Code 3 elfogadja ezeket az amplitúdóviszonyokat és a kezdeti feltételezett viszkozitást, és ábrázolja a kísérleti és számított arányokat a frekvenciákhoz képest. Ha megváltoztatja a feltételezett viszkozitást, és vizuálisan összehasonlítja ezt a feltételezést a kísérleti adatokkal, akkor meg tudja határozni a folyadék viszkozitását.

A MATLAB kód részletes magyarázatát lásd a mellékelt műszaki dokumentációban.

9. lépés: Adatok rögzítése CSV -fájlban

Az adatok rögzítésének megkezdéséhez először győződjön meg arról, hogy a beállítás az 1. részben leírtak szerint befejeződött. Győződjön meg arról, hogy az erősítő csatlakoztatva van a konnektorhoz. Töltse fel Arduino kódját a készülékére a jobb felső sarokban található „Feltöltés” gombra kattintva. A sikeres feltöltés után navigáljon az „Eszközök” elemre, és válassza a „Soros monitor” lehetőséget. Győződjön meg arról, hogy a Soros monitor vagy a Soros Plotter megnyitásakor a baudd szám megegyezik a kódban szereplő baudd számmal (115200). Látni fogja az adatok két oszlopát, amelyek a gyorsulásmérő felső és alsó leolvasása.

Nyissa meg a MATLAB grafikus felhasználói felületét, és válassza ki a hajtási amplitúdót a kísérlethez (0,08 és 0,16 ampert használtunk). A 15–75 Hz -es frekvenciákon végigsöpör, 5 Hz -enként rögzíti az adatokat (összesen 13 adathalmaz). Először állítsa be a menetfrekvenciát 15 Hz -re, majd kapcsolja be a rendszert a „Rendszer bekapcsolása” gomb megnyomásával. Ez bekapcsolja a hangszórót, ami a gömböt és a rezgést felfelé és lefelé vibrálja. Menjen vissza az Arduino soros monitorához, és nyomja meg a „Kimenet törlése” gombot a friss adatok gyűjtésének megkezdéséhez. Hagyja ezt a beállítást körülbelül 6 másodpercig futni, majd húzza ki az Arduino -t a számítógépről. A Soros monitor leállítja a felvételt, lehetővé téve, hogy kézzel másoljon és illesszen be körülbelül 4 500-5 000 adatbevitelt egy csv fájlba. Ossza fel a két adatoszlopot két külön oszlopra (1. és 2. oszlop). Nevezze át ezt a csv -t „15hz.csv” -nek.

Csatlakoztassa az Arduino -t a számítógéphez (győződjön meg róla, hogy alaphelyzetbe állítja a portot), és ismételje meg ezt a folyamatot a 20 Hz, 25 Hz,… 75 Hz frekvenciákon, ügyelve arra, hogy kövesse a CSV -fájlok elnevezési konvencióját. A MATLAB ezeket a fájlokat hogyan olvassa el a műszaki dokumentumban.

Ha szeretné megfigyelni az amplitúdóarány változásait a frekvenciapásztázás során, akkor az Arduino soros plottert is használhatja a különbség vizuális megfigyelésére.

10. lépés: Adatok feldolgozása a MATLAB kóddal

Miután a kísérleti adatokat CSV -fájlok formájában szerezték be, a következő lépés az, hogy a megadott kódot használjuk az adatok feldolgozásához. A kód használatára vonatkozó részletes utasításokért és a mögöttes matematika magyarázatáért lásd műszaki dokumentációnkat. A cél az, hogy megkapjuk a gyorsulás amplitúdóját a felső és az alsó gyorsulásmérőhöz, majd kiszámítsuk az alsó amplitúdó és a felső amplitúdó arányát. Ezt az arányt minden menetfrekvenciára kiszámítják. Ezután az arányokat a menetfrekvencia függvényében ábrázolják.

Miután ezt a diagramot megkaptuk, egy másik kódkészletet használunk (amelyet a műszaki dokumentum részletez), és meghatározzuk a folyadék viszkozitását. Ez a kód megköveteli a felhasználótól a viszkozitás kezdeti becslésének megadását, és elengedhetetlen, hogy ez a kezdeti tipp alacsonyabb legyen a tényleges viszkozitásnál, ezért győződjön meg róla, hogy nagyon alacsony viszkozitást tippel, különben a kód nem fog megfelelően működni. Ha a kód megtalálta a kísérleti adatoknak megfelelő viszkozitást, akkor az alább láthatóhoz hasonló görbét generál, és megmutatja a végső viszkozitási értéket. Gratulálunk a kísérlet befejezéséhez!

11. lépés: Fájlok

Alternatívaként:

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