Jeftin reometar: 11 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:32

Svrha ovog uputstva je stvoriti jeftin reometar za eksperimentalno pronalaženje viskoznosti tekućine. Ovaj projekt osmislio je tim studenata Sveučilišta Brown i diplomiranih studenata u klasi Vibracije mehaničkih sustava.

Reometar je laboratorijski uređaj koji se koristi za mjerenje viskoznosti tekućina (koliko je tekućina gusta ili ljepljiva - mislite voda u odnosu na med). Postoje određeni reometri koji mogu mjeriti viskoznost tekućina mjerenjem odziva vibracijskog sustava potopljenog u tekućinu. U ovom jeftinom projektu reometra stvorili smo vibracijski sustav od kugle i opruge pričvršćene na zvučnik za mjerenje odziva na različitim frekvencijama. Iz ove krivulje odziva možete pronaći viskoznost tekućine.

Pribor:

Potrebni materijali:

Skupština kućišta:

• Iverica (11 '' W x 9 '' H) (ovdje) 1,19 USD
• 12 x 8-32 x 3/4 '' vijci sa šesterokutnom glavom (ovdje) 9,24 USD ukupno
• 12 x 8-32 Šesterokutna matica (ovdje) 8,39 USD
• 4 x 6-32 x ½ '' vijak sa šesterokutnom glavom (ovdje) 9,95 USD
• 4 x 6-32 Šesterokutna matica (ovdje) 5,12 USD
• 9/64 '' imbus ključ (ovdje) 5,37 USD

Elektronika:

• Napajanje 12V (ovdje) 6,99 USD
• Pojačalo (ovdje) 10,99 USD
• Aux kabel (ovdje) 7,54 USD
• Kratkospojna žica (vidi dolje)
• Aligator isječci (ovdje) 5,19 USD
• Zvučnik (ovdje) 4,25 USD
• Odvijač (ovdje) 5,99 USD

Spring & Sphere Set:

• Smola 3D pisača (promjenjiva)
• 2 x akcelerometra (mi smo ih koristili) 29,90 USD
• 10 x dugački kablovi za žene i muškarce (ovdje) 4,67 USD
• 12 x dugačko-muški kabel muško-muški (ovdje) 3,95 USD
• Arduino Uno (ovdje) 23,00 USD
• USB 2.0 kabel tipa A do B (ovdje) 3,95 USD
• Ploča za kruh (ovdje) 2,55 USD
• Kompresijske opruge (koristili smo ih) ??
• 2 x prilagođena priključka (3D ispis)
• 2 x ⅜’’-16 šesterokutnih matica (ovdje) 1,18 USD
• 4 x 8-32 vijci za postavljanje (ovdje) 6,32 USD
• 4 x ¼’’-20 Šesterokutna matica (aluminij) (ovdje) 0,64 USD
• 2 x Th’’-20’’ Navojna šipka (aluminij) (ovdje) 11,40 USD
• 7/64 '' imbus ključ
• Imbus ključ 5/64 ''
• 4 x 5x2 mm vijci 3/16''x1/8 '' (ovdje) 8,69 USD

Ostalo

• Plastična čaša (ovdje) 6,99 USD
• Tekućina za ispitivanje viskoznosti (testirali smo karo sirup, biljni glicerin, Hersheyjev čokoladni sirup)

UKUPNI TROŠKOVI: 183,45 USD*

*ne uključuje smolu ili tekućinu 3D pisača

Alati

• Laserski rezač
• 3D pisač

Potreban softver

• MATLAB
• Arduino

Datoteke i kod:

• Adobe Illustrator datoteka za sklop kućišta (Rheometer_Housing.ai)
• GUI upravljača zvučnika (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino datoteka reometra (rheometer_project.ino)
• Sphere mesh datoteke (cor_0.9cmbody.stl i cor_1.5cmbody.stl)
• ASCII geometrijska datoteka prilagođenog konektora (Connector_File.step)
• MATLAB kôd 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB kôd 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB kôd 3 (rheometer_foruser.m)

Korak 1: 1. dio: Postavljanje

Kako postaviti eksperimentalnu platformu.

Korak 2: 3D ispis i laserski rezanje svih dijelova (prilagođeni priključci, kugle i kućište)

Korak 3: Spojite elektroniku kao što je prikazano u nastavku

Važno napomena: Nemojte uključivati napajanje u utičnicu dok se ne dovrše svi koraci u ovom odjeljku! UVIJEK ISKLJUČITE NAPAJANJE PRILIKOM KAKVIH PROMJENA.

Za početak provjerite je li pojačalo postavljeno tako da je gumb okrenut prema gore. Spojite aligatorske kopče i kratkospojnike na lijeve donje stezaljke pojačala. Priključite kabel za napajanje i njegovu kratkospojnu žicu na lijeve gornje stezaljke pojačala. Pričvrstite krajeve spojeva stezaljki kako biste pričvrstili žičane iglice. Uvjerite se da su pozitivni i negativni priključci ispravno poravnati s stezaljkama na pojačalu i pričvrstite kopče aligatora na zvučnik. Pazite da ova dva isječka ne dođu u dodir.

Korak 4: Postavljanje grafičkog sučelja

Sada kada je elektronika postavljena, možemo testirati grafičko sučelje koje će nam omogućiti upravljanje zvučnikom i stvaranje vibracijskog sustava uronjenog u našu tekućinu. Zvučnikom će upravljati audio izlazni sustav na našem računalu. Počnite preuzimanjem MATLAB -a i gore navedenog GUI koda. NAPOMENA: postoje postavke LED svjetla koje se neće koristiti i treba ih zanemariti.

Nakon što otvorite MATLAB, u naredbenom prozoru pokrenite sljedeće: "info = audiodevinfo" i dvaput kliknite na opciju "izlaz". Pronađite ID broj za vanjske slušalice/zvučnik. To će biti nešto poput "Zvučnik / Slušalice …" ili "Vanjski …" ili "Ugrađeni izlaz …" ovisno o vašem uređaju. Postavite "ID vanjskog zvučnika" na ovaj ID broj.

Sada provjerimo je li naš sustav ispravno postavljen. SKLONITE SVOJ JAČINU RAČUNALA SVAKO. Isključite audio kabel s računala i umjesto toga priključite set slušalica. Testirat ćemo vezu za grafičko sučelje za slanje signala shakeru. Unesite 60 Hz kao frekvenciju vožnje u tekstualno polje kao što je prikazano u nastavku. (Ovo polje prihvaća vrijednosti do 150 Hz). Ovo je učestalost forsiranja za vaše postavljanje. Zatim pomaknite amplitudu vožnje do vrijednosti od približno 0,05. Zatim pritisnite gumb "Uključi sustav" za slanje signala u slušalice. Ovo će pokrenuti jedan od kanala (lijevi ili desni) vaših slušalica. Pojačajte glasnoću računala dok se ne čuje zvuk. Pritisnite "Isključi sustav" kada se čuje zvučni ton i provjerite prestaje li se reproducirati zvuk. Za promjenu frekvencije ili amplitude vožnje vašeg sustava dok radi, pritisnite gumb "Osvježi postavke".

Korak 5: Izradite sklop vibracijske mase

Sada ćemo početi sastavljati sustav vibrirajućih masa koje ćemo potopiti u svoju tekućinu. Zanemarite mjerače ubrzanja u ovom koraku i usredotočite se na sastavljanje kugle, konektora, šesterokutnih matica i opruge. Pričvrstite čeličnu šesterokutnu maticu u svaki prilagođeni konektor pomoću vijaka i imbus ključem 5/64 ''. Spojite jedan od njih sa kuglom pomoću aluminijske šesterokutne matice i aluminijske navojne šipke. Kombinirajte oboje kako je gore prikazano. Na kraju, drugu navojnu šipku uvrnite u gornji priključak i djelomično pričvrstite aluminijskom šesterokutnom maticom.

Korak 6: Dodajte mjerače ubrzanja i Arduino

Pomoću gornjeg dijagrama spojite arduino na mjerače ubrzanja. Da biste stvorili dugačke dugačke kabele, upotrijebite muško-muške žice (prikazane na dijagramu kao bijele, sive, ljubičaste, plave i crne) i povežite ih s žensko-muškim žicama (crvena, žuta, narančasta, zelena i smeđa). Drugi kraj spojit će se na mjerače ubrzanja. Uvjerite se da su priključci akcelerometra “GND” (uzemljenje) i “VCC” (3,3 V) usklađeni s matičnom pločom i da je port “X” usklađen s priključcima A0 i A3 u Arduinu.

Pričvrstite posljednje mjerače ubrzanja na sklop vibracijske mase pomoću vijaka 5x3 mm 3/16'’x1/8 ''. Morat ćete provjeriti je li TOP akcelerometar spojen na A0, a BOTTOM akcelerometar na A3 kako bi Arduino kôd radio.

Za postavljanje samog Arduina najprije preuzmite arduino softver na svoje računalo. Priključite Arduino u računalo pomoću USB 2.0 kabela. Otvorite priloženu datoteku ili je kopirajte i zalijepite u novu datoteku. Idite na Alat na gornjoj traci i zadržite pokazivač iznad "Board:" za odabir Arduino Uno. Jedan dolje, zadržite pokazivač iznad "Port" i odaberite Arduino Uno.

Korak 7: Postavite završni sustav

Posljednji korak postavljanja-sastavljanje svega! Počnite otkopčavanjem aligatorskih kopči sa zvučnika i uvrtanjem zvučnika u gornji dio kućišta pomoću vijaka sa šesterokutnom glavom 6-32 x ½ '', šesterokutne matice 6-32 i imbus ključem 9/64 ''. Zatim uvrnite sklop vibrirajuće mase (s mjeračima ubrzanja) u zvučnik. Za najbolje rezultate, preporučujemo okretanje zvučnika kako biste izbjegli zapetljavanje žica akcelerometra. Pritegnite masu na zvučnik aluminijskom šesterokutnom maticom.

Konačno, umetnite tri strane sklopa kućišta u gornji dio. Učvrstite sklop kućišta pomoću vijaka sa šesterokutnom glavom 8-32 x 3/4 '' i šesterokutnih matica 8-32. Na kraju, ponovno spojite aligatorske isječke na zvučnik. Spremni ste za početak testiranja!

Odaberite tekućinu po izboru i napunite plastičnu čašu dok kugla ne bude potpuno potopljena. Ne želite da kugla bude djelomično potopljena, ali također pazite da sferu ne potopite toliko da tekućina dotakne aluminijsku šesterokutnu maticu.

Korak 8: Dio 2: Pokretanje eksperimenta

Sada kada je montaža završena, možemo zabilježiti naše podatke. Prolazit ćete frekvencijama između 15 - 75 Hz pri zadanoj amplitudi vožnje. Preporučujemo povećanja od 5 Hz, ali se to može promijeniti za preciznije rezultate. Arduino će snimiti i ubrzanje za zvučnik (gornji mjerač ubrzanja) i sferu (donji mjerač ubrzanja) koje ćete snimiti u csv datoteku. Dostavljeni MATLAB kôd 1 i 2 očitavat će se u csv vrijednostima kao zasebni stupci, izvršiti dvosignalnu Fourierovu transformaciju za uklanjanje šuma signala i ispisati rezultirajući omjer amplitude gornjeg i donjeg akcelerometra. MATLAB Kod 3 prihvatit će ove omjere amplituda i početnu pretpostavljenu viskoznost te će iscrtati eksperimentalne i izračunate omjere u odnosu na frekvencije. Promjenom pretpostavljene viskoznosti i vizualnom usporedbom ove pretpostavke s eksperimentalnim podacima moći ćete odrediti viskoznost vaše tekućine.

Za detaljno objašnjenje MATLAB koda pogledajte priloženu tehničku dokumentaciju.

Korak 9: Snimanje podataka u CSV

Za početak snimanja podataka najprije provjerite je li vaše postavljanje dovršeno kako je opisano u 1. dijelu. Provjerite je li pojačalo uključeno u utičnicu. Prenesite svoj Arduino kôd na svoj uređaj klikom na gumb "Upload" u gornjem desnom kutu. Nakon što se to uspješno prenese, idite na "Alati" i odaberite "Serijski monitor". Prilikom otvaranja Serijskog monitora ili Serijskog plotera provjerite je li broj boda jednak broju boda u kodu (115200). Vidjet ćete dva stupca podataka koji se generiraju, a to su gornja i donja očitanja akcelerometra.

Otvorite MATLAB GUI i odaberite amplitudu vožnje za svoj eksperiment (koristili smo 0,08 ampera i 0,16 ampera). Prolazit ćete kroz frekvencije 15 - 75 Hz, snimajući podatke svakih 5 Hz (ukupno 13 skupova podataka). Počnite postavljanjem frekvencije vožnje na 15 Hz i uključite sustav pritiskom na "Uključi sustav". Ovo će uključiti vaš zvučnik, uzrokujući da sfera i postavke vibriraju gore -dolje. Vratite se na svoj Arduino serijski monitor i pritisnite “Clear Output” za početak prikupljanja svježih podataka. Pustite ovu postavku da radi oko 6 sekundi, a zatim isključite Arduino iz računala. Serijski monitor zaustavit će snimanje, što vam omogućuje ručno kopiranje i lijepljenje oko 4, 500-5, 000 unosa podataka u csv datoteku. Podijelite dva stupca podataka u dva odvojena stupca (stupci 1 i 2). Preimenujte ovaj csv u "15hz.csv".

Uključite svoj Arduino natrag u računalo (pazite da resetirate port) i ponovite ovaj postupak za frekvencije 20 Hz, 25 Hz,… 75Hz pazeći da slijedite konvenciju imenovanja za CSV datoteke. Za više informacija o načinu na koji MATLAB čita ove datoteke pogledajte tehnički dokument.

Ako želite promatrati promjene omjera amplitude tijekom frekvencijskog zamaha, dodatno možete upotrijebiti Arduino serijski ploter za vizualno promatranje ove razlike.

Korak 10: Obradite svoje podatke pomoću MATLAB koda

Nakon što se dobiju eksperimentalni podaci u obliku CSV datoteka, sljedeći korak je korištenje našeg koda za obradu podataka. Za detaljne upute o korištenju koda i objašnjenje osnovne matematike pogledajte naš tehnički dokument. Cilj je dobiti amplitudu ubrzanja za gornji i donji mjerač ubrzanja, a zatim izračunati omjer amplitude dna i gornje amplitude. Taj se omjer izračunava za svaku frekvenciju vožnje. Omjeri se zatim iscrtavaju kao funkcija frekvencije vožnje.

Nakon što se dobije ovaj grafikon, za određivanje viskoznosti fluida koristi se drugi skup kodova (opet detaljno opisan u tehničkom dokumentu). Ovaj kôd zahtijeva od korisnika da unese početno nagađanje za viskoznost, a bitno je da to početno nagađanje bude niže od stvarnog viskoziteta, stoga pobrinite se da pogodite vrlo nizak viskozitet inače kôd neće raditi ispravno. Nakon što kôd pronađe viskoznost koja odgovara eksperimentalnim podacima, generirat će grafikon poput onog prikazanog u nastavku i pokazat će konačnu vrijednost viskoznosti. Čestitamo na završenom eksperimentu!

Korak 11: Datoteke

Alternativno:

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