Levný reometr: 11 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Účelem tohoto pokynu je vytvořit levný reometr pro experimentální zjištění viskozity tekutiny. Tento projekt vytvořil tým bakalářských a postgraduálních studentů Brown University ve třídě Vibrace mechanických systémů.

Reometr je laboratorní zařízení používané k měření viskozity tekutin (jak je tekutina hustá nebo lepkavá - myslete na vodu vs. med). Existují určité reometry, které mohou měřit viskozitu tekutin měřením odezvy vibračního systému ponořeného do tekutiny. V tomto levném projektu reometru jsme vytvořili vibrační systém z koule a pružiny připevněný k reproduktoru pro měření odezvy na různých frekvencích. Z této křivky odezvy můžete zjistit viskozitu tekutiny.

Zásoby:

Potřebné materiály:

Sestava pouzdra:

• Částicová deska (11 ‘‘Š × 9 ‘‘H) (zde) 1,19 USD
• 12 x 8-32 x 3/4 '' šrouby se šestihrannou hlavou (zde) celkem 9,24 $
• 12 x 8-32 Šestihranná matice (zde) 8,39 $
• 4 x 6-32 x ½ '' šroub se šestihrannou hlavou (zde) 9,95 $
• 4 x 6-32 Šestihranná matice (zde) 5,12 $
• Imbusový klíč 9/64 '' (zde) 5,37 $

Elektronika:

• Napájení 12V (zde) 6,99 $
• Zesilovač (zde) 10,99 $
• Aux Cable (zde) 7,54 $
• Propojovací vodič (viz níže)
• Klipy aligátora (zde) 5,19 $
• Reproduktor (zde) 4,25 $
• Šroubovák (zde) 5,99 $

Nastavení pružiny a koule:

• Pryskyřice 3D tiskárny (variabilní)
• 2 x akcelerometry (použili jsme je) 29,90 $
• 10 x duhové kabely žena-muž (zde) 4,67 $
• 12 x duhové kabely muž-muž (zde) 3,95 $
• Arduino Uno (zde) 23,00 $
• Kabel USB 2.0 typu A až B (zde) 3,95 $
• Chlebová deska (zde) 2,55 $
• Kompresní pružiny (použili jsme je) ??
• 2 x vlastní konektory (3D tisk)
• 2 x ⅜ ‘‘-16 šestihranných matic (zde) 1,18 $
• Nastavovací šrouby 4 x 8-32 (zde) 6,32 $
• 4 x ¼ ‘‘-20 šestihranná matice (hliník) (zde) 0,64 $
• 2 x ¼ ''-20 '' závitová tyč (hliník) (zde) 11,40 $
• 7/64 '' imbusový klíč
• Imbus klíč 5/64 ''
• Šrouby 4 x 5x2mm 3/16’’x1/8 ‘‘(zde) 8,69 $

jiný

• Plastový kelímek (zde) 6,99 $
• Kapalina pro testování viskozity (testovali jsme karo sirup, rostlinný glycerin, čokoládový sirup Hershey)

CELKOVÁ CENA: 183,45 $*

*neobsahuje pryskyřici ani kapalinu pro 3D tiskárny

Nástroje

• Laserová řezačka
• 3D tiskárna

Potřebný software

• MATLAB
• Arduino

Soubory a kód:

• Soubor Adobe Illustrator pro sestavu skříně (Rheometer_Housing.ai)
• Ovladač reproduktoru GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Soubor Arduino Rheometer (rheometer_project.ino)
• Soubory sphere mesh (cor_0.9cmbody.stl a cor_1.5cmbody.stl)
• Soubor geometrie ASCII vlastního konektoru (Connector_File.step)
• MATLAB Code 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB Code 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB Code 3 (rheometer_foruser.m)

Krok 1: Část 1: Nastavení

Jak nastavit experimentální platformu.

Krok 2: 3D tisk a laserové řezání všech dílů (vlastní konektory, koule a pouzdro)

Krok 3: Připojte elektroniku podle obrázku níže

Důležitá poznámka: Nezapojujte napájecí zdroj do zásuvky, dokud nebudou dokončeny všechny kroky v této části! PŘI PROVÁDĚNÍ JAKÝCHKOLI ZMĚN VŽDY odpojte NAPÁJENÍ.

Chcete -li začít, ujistěte se, že je zesilovač umístěn otočným knoflíkem směrem ven. Připojte svorky aligátora a propojovací vodiče k levým spodním svorkám zesilovače. Připojte napájecí kabel a jeho propojovací kabel k levým horním svorkám zesilovače. Zašroubujte konce připojovacích svorek a zajistěte kolíky vodičů. Zajistěte, aby kladné a záporné svorky byly správně zarovnány se svorkami na zesilovači a připněte krokosvorky k reproduktoru. Zajistěte, aby tyto dva klipy nepřišly do styku.

Krok 4: Nastavení GUI

Nyní, když je elektronika nastavena, můžeme vyzkoušet GUI, které nám umožní řídit reproduktor a vytvořit vibrační systém ponořený do naší tekutiny. Reproduktor bude řízen výstupním audio systémem v našem počítači. Začněte stažením MATLABu a výše uvedeného kódu GUI. POZNÁMKA: Existují nastavení LED světel, která nebudou použita a měla by být ignorována.

Jakmile otevřete MATLAB, spusťte v příkazovém okně následující příkaz „info = audiodevinfo“a dvakrát klikněte na možnost „výstup“. Najděte ID číslo pro možnost externích sluchátek/reproduktorů. V závislosti na vašem počítači to bude něco jako „Reproduktor / Sluchátka…“nebo „Externí …“nebo „Vestavěný výstup …“Nastavte „ID externího reproduktoru“na toto ID číslo.

Nyní otestujeme, zda je náš systém správně nastaven. OTOČTE SVÝ POČÍTAČ PO CELÉM DOLU. Odpojte zvukový kabel od počítače a místo toho připojte sadu sluchátek Otestujeme připojení grafického uživatelského rozhraní k odeslání signálu do třepačky. Do textového pole zadejte 60 Hz jako frekvenci jízdy, jak je znázorněno níže. (Toto pole přijímá hodnoty až do 150 Hz). Toto je vynucení frekvence pro vaše nastavení. Poté posuňte amplitudu jízdy až na hodnotu přibližně 0,05. Poté stisknutím tlačítka „Zapnout systém“odešlete signál do vašich sluchátek. Tím se spustí jeden z kanálů (vlevo nebo vpravo) vašich sluchátek. Zvyšte hlasitost počítače, dokud neuslyšíte zvuk. Jakmile uslyšíte slyšitelný tón, stiskněte tlačítko „Vypnout systém“a ujistěte se, že zvuk přestane hrát. Chcete -li změnit frekvenci nebo amplitudu jízdy vašeho systému, když je spuštěn, klikněte na tlačítko „Obnovit nastavení“.

Krok 5: Vytvořte sestavu vibrační hmoty

Nyní začneme sestavovat vibrační hmotný systém, který ponoříme do naší tekutiny. V tomto kroku ignorujte akcelerometry a zaměřte se na sestavení koule, konektorů, šestihranných matic a pružiny. Zajistěte ocelovou šestihrannou matici v každém z vlastních konektorů stavěcími šrouby a imbusovým klíčem 5/64 ''. Připojte jeden z nich ke kouli pomocí hliníkové šestihranné matice a hliníkové závitové tyče. Zkombinujte obojí, jak je uvedeno výše. Nakonec našroubujte druhou závitovou tyč do horního konektoru a částečně našroubujte hliníkovou šestihrannou matici.

Krok 6: Přidejte akcelerometry a Arduino

Pomocí schématu výše připojte arduino k akcelerometrům. Chcete-li vytvořit dlouhé duhové kabely, použijte kabely samec-samec (na obrázku na obrázku jako bílý, šedý, fialový, modrý a černý) a připojte je k vodičům samec-samec (červený, žlutý, oranžový, zelený a hnědý). Druhý konec se připojí k akcelerometrům. Zajistěte, aby porty akcelerometru „GND“(uzemnění) a „VCC“(3,3 voltů) odpovídaly prkénku a aby port „X“odpovídal portům A0 a A3 v Arduinu.

Připevněte konečné akcelerometry k sestavě vibrační hmoty pomocí šroubů 5x3 mm 3/16''x1/8 ''. Aby kód Arduino fungoval, budete se muset ujistit, že je TOP akcelerometr připojen k A0 a BOTTOM akcelerometr k A3.

Chcete -li nastavit samotné Arduino, nejprve si stáhněte software arduino do počítače. Připojte Arduino k počítači pomocí kabelu USB 2.0. Otevřete poskytnutý soubor nebo jej zkopírujte a vložte do nového souboru. Přejděte na nástroj v horní liště a najeďte myší na „Board:“a vyberte Arduino Uno. Jeden dolů, najeďte myší na „Port“a vyberte Arduino Uno.

Krok 7: Nastavení finálního systému

Poslední krok nastavení-dát vše dohromady! Začněte odepnutím svorek aligátora z reproduktoru a přišroubováním reproduktoru k horní části sestavy pouzdra pomocí šroubů s šestihrannou hlavou 6-32 x ½ '', šestihranné matice 6-32 a šestihranného klíče 9/64 ''. Dále přišroubujte sestavu vibrující hmoty (s akcelerometry) do reproduktoru. Pro dosažení nejlepšího výsledku doporučujeme reproduktor otočit, aby nedošlo k zamotání vodičů akcelerometru. Utáhněte hmotu k reproduktoru hliníkovou šestihrannou maticí.

Nakonec zasuňte tři strany sestavy skříně do horní části. Zajistěte sestavu pouzdra pomocí šroubů s šestihrannou hlavou 8-32 x 3/4 '' a šestihranných matic 8-32. Nakonec znovu připevněte klipsy aligátora k reproduktoru. Jste připraveni začít testovat!

Vyberte si zvolenou tekutinu a naplňte plastový kelímek, dokud není koule zcela ponořena. Nechcete, aby byla koule částečně ponořena, ale také dávejte pozor, abyste kouli neponořili tak daleko, aby se tekutina dotýkala hliníkové šestihranné matice.

Krok 8: Část 2: Spuštění experimentu

Nyní, když máme sestavu hotovou, můžeme zaznamenat naše data. Budete se pohybovat frekvencemi mezi 15 - 75 Hz při nastavené amplitudě jízdy. Doporučujeme přírůstky po 5 Hz, ale pro přesnější výsledky to lze změnit. Arduino zaznamená jak zrychlení pro reproduktor (horní akcelerometr), tak kouli (spodní akcelerometr), které zaznamenáte do souboru csv. Poskytnutý kód MATLAB 1 a 2 načte hodnoty csv jako samostatné sloupce, provede čtyřsignálovou transformaci se dvěma signály, aby signál rušil, a vytiskne výsledný poměr amplitudy horního a dolního akcelerometru. MATLAB Code 3 bude akceptovat tyto amplitudové poměry a počáteční odhadovanou viskozitu a vykreslí experimentální a vypočítané poměry vs. frekvence. Změnou vaší předpokládané viskozity a vizuálním porovnáním tohoto odhadu s experimentálními daty budete moci určit viskozitu vaší tekutiny.

Hloubkové vysvětlení kódu MATLAB naleznete v přiložené technické dokumentaci.

Krok 9: Záznam dat ve formátu CSV

Chcete -li začít zaznamenávat data, nejprve se ujistěte, že je vaše nastavení dokončeno, jak je popsáno v části 1. Ujistěte se, že je zesilovač zapojen do elektrické zásuvky. Nahrajte kód Arduino do svého zařízení kliknutím na tlačítko „Nahrát“v pravém horním rohu. Jakmile je úspěšně nahrán, přejděte na „Nástroje“a vyberte „Sériový monitor“. Ujistěte se, že při otevření sériového monitoru nebo sériového plotru bude bauddové číslo stejné jako bauddové číslo v kódu (115200). Uvidíte dva sloupce generovaných dat, což jsou hodnoty horního a dolního akcelerometru.

Otevřete MATLAB GUI a vyberte pro svůj experiment amplitudu řízení (použili jsme 0,08 ampérů a 0,16 ampérů). Budete procházet frekvencemi 15 - 75 Hz, zaznamenávat data každých 5 Hz (celkem 13 sad dat). Začněte tím, že nastavíte frekvenci jízdy na 15 Hz, a zapněte systém stisknutím tlačítka „Zapnout systém“. Tím zapnete reproduktor, což způsobí, že koule a nastavení budou vibrovat nahoru a dolů. Vraťte se zpět do sériového monitoru Arduino a kliknutím na „Vymazat výstup“začněte sbírat nová data. Nechte toto nastavení běžet asi 6 sekund a poté Arduino odpojte od počítače. Sériový monitor zastaví nahrávání, což vám umožní ručně zkopírovat a vložit asi 4 500–5 000 záznamů dat do souboru CSV. Rozdělte dva sloupce dat do dvou samostatných sloupců (sloupce 1 a 2). Přejmenujte toto CSV na „15hz.csv“.

Připojte Arduino zpět k počítači (ujistěte se, že jste resetovali port) a opakujte tento postup pro frekvence 20 Hz, 25 Hz, … 75 Hz a ujistěte se, že dodržujete konvenci pojmenování pro soubory CSV. Další informace o tom, jak tyto soubory čte MATLAB, najdete v technickém dokumentu.

Pokud byste chtěli pozorovat změny poměru amplitudy během rozmítání frekvence, můžete tento rozdíl navíc vizuálně sledovat pomocí sériového plotru Arduino.

Krok 10: Zpracovávejte svá data pomocí kódu MATLAB

Jakmile jsou experimentální data získána ve formě souborů CSV, dalším krokem je použití našeho poskytnutého kódu ke zpracování dat. Podrobné pokyny k používání kódu a vysvětlení základní matematiky najdete v našem technickém dokumentu. Cílem je získat amplitudu zrychlení pro horní a dolní akcelerometr, poté vypočítat poměr dolní amplitudy k horní amplitudě. Tento poměr se vypočítá pro každou frekvenci jízdy. Poměry jsou potom vyneseny do grafu jako funkce frekvence řízení.

Jakmile je tento graf získán, použije se ke stanovení viskozity kapaliny další sada kódů (opět podrobně popsaná v technickém dokumentu). Tento kód vyžaduje, aby uživatel zadal počáteční odhad viskozity, a je důležité, aby tento počáteční odhad byl nižší než skutečná viskozita, takže nezapomeňte uhodnout velmi nízkou viskozitu, jinak kód nebude fungovat správně. Jakmile kód najde viskozitu, která odpovídá experimentálním údajům, vygeneruje graf podobný tomu, který je zobrazen níže, a zobrazí konečnou hodnotu viskozity. Gratulujeme k dokončení experimentu!

Krok 11: Soubory

Alternativně:

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