Nízkonákladový reometer: 11 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Účelom tohto návodu je vytvoriť lacný reometer na experimentálne zistenie viskozity tekutiny. Tento projekt vytvoril tím vysokoškolských a postgraduálnych študentov Brownovej univerzity v triede Vibrácie mechanických systémov.

Reometer je laboratórne zariadenie používané na meranie viskozity tekutín (aká je tekutina hustá alebo lepkavá - myslite na vodu vs. med). Existujú určité reometre, ktoré môžu merať viskozitu tekutín meraním odozvy vibračného systému ponoreného do tekutiny. V tomto lacnom projekte reometra sme vytvorili vibračný systém z gule a pružiny pripevnený k reproduktoru na meranie odozvy na rôznych frekvenciách. Z tejto krivky odozvy môžete zistiť viskozitu tekutiny.

Zásoby:

Potrebné materiály:

Zostava krytu:

• Drevotriesková doska (11 "Š x 9" H) (tu) 1,19 USD
• 12 x 8-32 x 3/4 "skrutky so šesťhrannou hlavou (tu) celkom 9,24 dolárov
• 12 x 8-32 Šesťhranná matica (tu) 8,39 dolárov
• 4 x 6-32 x ½ “skrutka so šesťhrannou hlavou (tu) 9,95 dolárov
• 4 x 6-32 Šesťhranná matica (tu) 5,12 dolárov
• 9/64 palcový imbusový kľúč (tu) 5,37 dolárov

Elektronika:

• Napájanie 12V (tu) 6,99 dolárov
• Zosilňovač (tu) 10,99 dolárov
• Aux Cable (tu) 7,54 dolárov
• Prepojovací kábel (pozri nižšie)
• Klipy aligátora (tu) 5,19 dolárov
• Reproduktor (tu) 4,25 dolárov
• Skrutkovač (tu) 5,99 dolárov

Nastavenie pružiny a gule:

• Živica pre 3D tlačiareň (variabilná)
• 2 x akcelerometre (použili sme tieto) 29,90 dolárov
• 10 x dúhové káble žena-muž (tu) 4,67 dolárov
• 12 x dúhové káble muž-muž (tu) 3,95 dolárov
• Arduino Uno (tu) 23,00 dolárov
• Kábel USB 2.0 typu A až B (tu) 3,95 dolárov
• Doska na chlieb (tu) 2,55 dolára
• Kompresné pružiny (použili sme tieto) ??
• 2 x vlastné konektory (3D tlač)
• 2 x ⅜ ‘‘-16 šesťhranných matíc (tu) 1,18 $
• Skrutky 4 x 8-32 (tu) 6,32 dolárov
• 4 x ¼ ‘‘-20 šesťhranná matica (hliník) (tu) 0,64 dolára
• 2 x ¼ ''-20 '' závitová tyč (hliník) (tu) 11,40 dolárov
• 7/64 palcový imbusový kľúč
• Imbusový kľúč 5/64 ''
• Skrutky 4 x 5x2mm 3/16''x1/8 '' (tu) 8,69 dolárov

Iné

• Plastový pohár (tu) 6,99 dolárov
• Kvapalina na testovanie viskozity (testovali sme karo sirup, rastlinný glycerín, čokoládový sirup Hershey)

CELKOVÁ CENA: 183,45 dolára*

*neobsahuje živicu ani tekutinu pre 3D tlačiarne

Nástroje

• Laserová rezačka
• 3D tlačiareň

Potrebný softvér

• MATLAB
• Arduino

Súbory a kód:

• Súbor Adobe Illustrator pre zostavu krytu (Rheometer_Housing.ai)
• Ovládač reproduktora GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Súbor reometra Arduino (rheometer_project.ino)
• Súbory sférickej siete (cor_0.9cmbody.stl a cor_1.5cmbody.stl)
• Súbor geometrie vlastného konektora ASCII (Connector_File.step)
• MATLAB Code 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB Code 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB Code 3 (rheometer_foruser.m)

Krok 1: Časť 1: Nastavenie

Ako nastaviť experimentálnu platformu.

Krok 2: 3D tlač a rezanie laserom všetky diely (vlastné konektory, gule a puzdro)

Krok 3: Pripojte elektroniku podľa obrázku nižšie

Dôležité upozornenie: Nezapájajte napájací zdroj do zásuvky, kým nie sú dokončené všetky kroky v tejto časti! PRI KAŽDÝCH ZMENÁCH VŽDY odpojte NAPÁJANIE.

Na začiatku sa uistite, že je zosilňovač umiestnený otočným gombíkom smerom von. Pripojte svorky aligátora a prepojovacie káble k koncovkám vľavo dole na zosilňovači. Pripojte napájací kábel a prepojovací kábel k ľavým horným svorkám zosilňovača. Zaskrutkujte konce koncoviek pripojenia, aby ste zaistili kolíky drôtu. Zaistite, aby boli kladné a záporné svorky správne zarovnané so svorkami na zosilňovači a klipmi aligátora k reproduktoru. Dbajte na to, aby tieto dva klipy neprišli do kontaktu.

Krok 4: Nastavenie GUI

Teraz, keď je elektronika nastavená, môžeme vyskúšať GUI, ktoré nám umožní poháňať reproduktor a vytvárať vibračný systém ponorený do našej tekutiny. Reproduktor bude ovládaný výstupným zvukovým systémom v našom počítači. Začnite stiahnutím MATLABu a kódu GUI uvedeného vyššie. POZNÁMKA: Existujú nastavenia LED svetiel, ktoré nebudú použité a mali by byť ignorované.

Keď otvoríte MATLAB, v príkazovom okne spustite nasledujúci príkaz „info = audiodevinfo“a dvakrát kliknite na možnosť „výstup“. Nájdite identifikačné číslo možnosti externých slúchadiel/reproduktorov. V závislosti od zariadenia to bude niečo ako „Reproduktor / Slúchadlá …“alebo „Externý …“alebo „Vstavaný výstup …“Nastavte „ID externého reproduktora“na toto ID číslo.

Teraz vyskúšajme, či je náš systém správne nastavený. OTOČTE SVOJIM POČÍTAČOM HLASITOSŤ POČÍTAČA. Odpojte zvukový kábel z počítača a namiesto toho zapojte súpravu slúchadiel Testujeme pripojenie grafického rozhrania na odoslanie signálu do trepačky. Do textového poľa zadajte 60 Hz ako frekvenciu jazdy, ako je to znázornené nižšie. (Toto pole akceptuje hodnoty až do 150 Hz). Toto je frekvencia vynútenia vášho nastavenia. Potom posuňte amplitúdu jazdy až na hodnotu približne 0,05. Potom stlačením tlačidla „Zapnúť systém“odošlite signál do vašich slúchadiel. Tým sa spustí jeden z kanálov (vľavo alebo vpravo) vašich slúchadiel. Zosilnite hlasitosť počítača, kým nebudete počuť zvuk. Hneď ako zaznie počuteľný tón, kliknite na „Vypnúť systém“a zaistite, aby sa zvuk prestal prehrávať. Ak chcete zmeniť frekvenciu alebo amplitúdu jazdy vášho systému, keď je spustený, kliknite na tlačidlo „Obnoviť nastavenia“.

Krok 5: Vytvorte zostavu vibračnej hmoty

Teraz začneme zostavovať vibračný hmotnostný systém, ktorý ponoríme do našej tekutiny. V tomto kroku ignorujte akcelerometre a zamerajte sa na montáž gule, konektorov, šesťhranných matíc a pružiny. Zaistite oceľovú šesťhrannú maticu v každom z vlastných konektorov pomocou nastavovacích skrutiek a imbusového kľúča 5/64 ''. Pripojte jeden z nich k guli pomocou hliníkovej šesťhrannej matice a hliníkovej závitovej tyče. Skombinujte obe, ako je uvedené vyššie. Nakoniec zaskrutkujte druhú závitovú tyč do horného konektora a čiastočne naskrutkujte hliníkovú šesťhrannú maticu.

Krok 6: Pridajte akcelerometre a Arduino

Podľa vyššie uvedeného diagramu pripojte arduino k akcelerometrom. Na vytvorenie dlhých dúhových káblov použite vodiče samec-samec (na obrázku je znázornený ako biely, sivý, fialový, modrý a čierny) a prepojte ich s vodičmi typu samec-samec (červený, žltý, oranžový, zelený a hnedá). Druhý koniec sa pripojí k akcelerometrom. Uistite sa, že porty akcelerometra „GND“(uzemnenie) a „VCC“(3,3 voltov) sú zhodné s doskou a že port „X“je zhodný s portmi A0 a A3 v Arduine.

Pripojte konečné akcelerometre k zostave vibračnej hmoty pomocou skrutiek 5 x 3 mm 3/16''x1/8 . Aby kód Arduino fungoval, budete musieť zaistiť, aby bol TOP akcelerometer pripojený k A0 a BOTTOM akcelerometer k A3.

Ak chcete nastaviť samotné Arduino, najskôr si stiahnite softvér arduino do počítača. Pripojte Arduino k počítaču pomocou kábla USB 2.0. Otvorte poskytnutý súbor alebo ho skopírujte a prilepte do nového súboru. Prejdite na Nástroj v hornom paneli a podržaním kurzora nad „Board:“vyberte Arduino Uno. Jeden nadol, umiestnite kurzor myši na „Port“a vyberte Arduino Uno.

Krok 7: Nastavte konečný systém

Posledný krok nastavenia-dať to všetko dohromady! Začnite odopnutím svoriek aligátora z reproduktora a priskrutkovaním reproduktora k hornej časti zostavy puzdra pomocou skrutiek so šesťhrannou hlavou 6-32 x ½ palcov, šesťhrannej matice 6-32 a imbusového kľúča 9/64 palcov. Potom zaskrutkujte zostavu vibračnej hmoty (s akcelerometrom) do reproduktora. Aby ste dosiahli najlepší výsledok, odporúčame reproduktor otočiť, aby nedošlo k zamotaniu vodičov akcelerometra. Utiahnite hmotu k reproduktoru hliníkovou šesťhrannou maticou.

Nakoniec zasuňte tri strany zostavy puzdra do hornej časti. Zaistite zostavu puzdra pomocou skrutiek so šesťhrannou hlavou 8-32 x 3/4 a šesťhranných matíc 8-32. Nakoniec znova pripevnite svorky aligátora k reproduktoru. Ste pripravení začať testovať!

Vyberte si tekutinu, ktorú si vyberiete, a naplňte plastový pohár, kým nie je guľa úplne ponorená. Nechcete, aby bola guľa čiastočne ponorená, ale dávajte pozor, aby ste guľu neponorili tak ďaleko, aby sa tekutina dotýkala hliníkovej šesťhrannej matice.

Krok 8: Časť 2: Spustenie experimentu

Teraz, keď máme montáž hotovú, môžeme zaznamenať naše údaje. Budete sa pohybovať po frekvenciách medzi 15 - 75 Hz pri nastavenej amplitúde jazdy. Odporúčame zvyšovanie po 5 Hz, ale toto je možné zmeniť pre presnejšie výsledky. Arduino zaznamená ako zrýchlenie pre reproduktor (horný akcelerometer), tak aj sféru (spodný akcelerometer), ktoré zaznamenáte do súboru csv. Poskytnutý kód MATLAB 1 a 2 bude čítať v hodnotách csv ako samostatné stĺpce, vykoná sa dvojsignálová Fourierova transformácia na odstránenie šumu signálu a vytlačí sa výsledný pomer amplitúdy horného a dolného akcelerometra. MATLAB Code 3 akceptuje tieto pomery amplitúdy a počiatočnú odhadovanú viskozitu a vynesie experimentálne a vypočítané pomery voči frekvenciám. Zmenou vašej odhadovanej viskozity a vizuálnym porovnaním tohto odhadu s experimentálnymi údajmi budete môcť určiť viskozitu svojej tekutiny.

Hĺbkové vysvetlenie kódu MATLAB nájdete v priloženej technickej dokumentácii.

Krok 9: Zaznamenávanie údajov vo formáte CSV

Ak chcete začať zaznamenávať údaje, najskôr sa uistite, že je vaše nastavenie dokončené podľa popisu v časti 1. Uistite sa, že je zosilňovač zapojený do elektrickej zásuvky. Nahrajte kód Arduino do svojho zariadenia kliknutím na tlačidlo „Nahrať“v pravom hornom rohu. Po úspešnom nahraní prejdite na „Nástroje“a vyberte „Sériový monitor“. Uistite sa, že pri otvorení sériového monitora alebo sériového plotra sa bauddové číslo rovná číslu baudd v kóde (115200). Uvidíte dva stĺpce údajov, ktoré sa generujú, čo sú hodnoty horného a dolného akcelerometra.

Otvorte MATLAB GUI a zvoľte experimentálnu amplitúdu (použili sme 0,08 ampéra a 0,16 ampéra). Budete prechádzať frekvenciami 15 - 75 Hz, pričom údaje budete zaznamenávať každých 5 Hz (spolu 13 sád údajov). Začnite nastavením frekvencie jazdy na 15 Hz a zapnite systém kliknutím na „Zapnúť systém“. Reproduktor zapne a guľa a zariadenie budú vibrovať hore a dole. Vráťte sa späť k svojmu sériovému monitoru Arduino a kliknutím na „Vymazať výstup“začnite zbierať nové údaje. Nechajte toto nastavenie bežať asi 6 sekúnd a potom odpojte Arduino od počítača. Sériový monitor zastaví nahrávanie, čo vám umožní ručne skopírovať a vložiť asi 4 500 až 5 000 údajov do súboru CSV. Rozdeľte dva stĺpce údajov do dvoch samostatných stĺpcov (stĺpce 1 a 2). Premenujte tento súbor CSV na „15hz.csv“.

Pripojte Arduino späť k počítaču (uistite sa, že ste resetovali port) a tento postup zopakujte pre frekvencie 20 Hz, 25 Hz,… 75 Hz a dbajte na to, aby ste dodržali konvenciu pomenovania súborov CSV. Ďalšie informácie o čítaní týchto súborov v programe MATLAB nájdete v technickom dokumente.

Ak by ste chceli sledovať zmeny pomeru amplitúdy počas frekvenčného cyklu, môžete tento rozdiel dodatočne vizuálne pozorovať pomocou sériového plotra Arduino.

Krok 10: Spracujte svoje údaje pomocou kódu MATLAB

Akonáhle sú experimentálne údaje získané vo forme súborov CSV, ďalším krokom je použitie nášho poskytnutého kódu na spracovanie údajov. Podrobný návod na používanie kódu a vysvetlenie základnej matematiky nájdete v našom technickom dokumente. Cieľom je získať amplitúdu zrýchlenia pre horný a dolný akcelerometer a potom vypočítať pomer spodnej amplitúdy k hornej amplitúde. Tento pomer sa vypočíta pre každú frekvenciu jazdy. Pomery sa potom vynesú do grafu ako funkcia frekvencie jazdy.

Akonáhle je tento diagram získaný, použije sa ďalší súbor kódov (opäť podrobne popísaný v technickom dokumente) na stanovenie viskozity tekutiny. Tento kód vyžaduje, aby používateľ zadal počiatočný odhad viskozity, a je nevyhnutné, aby bol tento počiatočný odhad nižší ako skutočná viskozita, preto uistite sa, že uhádnete veľmi nízku viskozitu, inak kód nebude fungovať správne. Akonáhle kód nájde viskozitu, ktorá sa zhoduje s experimentálnymi údajmi, vygeneruje graf podobný tomu, ktorý je uvedený nižšie, a zobrazí konečnú hodnotu viskozity. Blahoželáme vám k dokončeniu experimentu!

Krok 11: Súbory

Prípadne:

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