Lavpris-reometer: 11 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Formålet med denne instruerbare er at skabe et billigt rheometer til eksperimentelt at finde viskositeten af en væske. Dette projekt blev oprettet af et team af Brown University bachelor- og kandidatstuderende i klassen Vibration of Mechanical Systems.

Et reometer er en laboratorieindretning, der bruges til at måle væskers viskositet (hvor tyk eller klæbrig en væske er - tænk vand kontra honning). Der er visse rheometre, der kan måle væskers viskositet ved at måle responsen fra et vibrerende system, der er nedsænket i en væske. I dette billige rheometer-projekt skabte vi et vibrerende system fra en kugle og fjeder fastgjort til en højttaler for at måle responsen ved forskellige frekvenser. Fra denne responskurve kan du finde væskens viskositet.

Tilbehør:

Nødvendige materialer:

Boligmontering:

• Spånplade (11 '' W x 9 '' H) (her) $ 1,19
• 12 x 8-32 x 3/4 '' sekskantskruer (her) $ 9,24 tot
• 12 x 8-32 Sekskantmøtrik (her) $ 8,39
• 4 x 6-32 x ½ '' sekskantskrue (her) $ 9,95
• 4 x 6-32 sekskantmøtrik (her) $ 5,12
• 9/64 '' unbrakonøgle (her) $ 5,37

Elektronik:

• 12V strømforsyning (her) $ 6,99
• Forstærker (her) $ 10,99
• Aux -kabel (her) $ 7,54
• Jumper Wire (se nedenfor)
• Alligator Clips (her) $ 5,19
• Højttaler (her) $ 4,25
• Skruetrækker (her) $ 5,99

Opsætning af forår og sfære:

• 3D -printerharpiks (variabel)
• 2 x accelerometre (vi brugte disse) $ 29,90
• 10 x hun-han regnbuekabler (her) $ 4,67
• 12 x han-han regnbuekabler (her) $ 3,95
• Arduino Uno (her) $ 23,00
• USB 2.0 -kabel Type A til B (her) $ 3,95
• Brødbræt (her) $ 2,55
• Kompressionsfjedre (vi brugte disse) ??
• 2 x brugerdefinerede stik (3D -printet)
• 2 x ⅜ ''-16 sekskantmøtrikker (her) $ 1,18
• 4 x 8-32 sætskruer (her) $ 6,32
• 4 x ¼ ''-20 sekskantmøtrik (aluminium) (her) $ 0,64
• 2 x ¼ ''-20 '' gevindstang (aluminium) (her) $ 11,40
• 7/64 '' unbrakonøgle
• 5/64 '' unbrakonøgle
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8 '' skruer (her) $ 8,69

Andet

• Plastkop (her) $ 6,99
• Væske til test af viskositet (vi testede karosirup, vegetabilsk glycerin, Hersheys chokoladesirup)

I alt: 183,45 $*

*inkluderer ikke 3D -printerharpiks eller væske

Værktøjer

• Laserskærer
• 3D printer

Software påkrævet

• MATLAB
• Arduino

Filer og kode:

• Adobe Illustrator -fil til husmonteringen (Rheometer_Housing.ai)
• Højttaler Controller GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino Rheometer File (rheometer_project.ino)
• Sphere mesh -filer (cor_0.9cmbody.stl og cor_1.5cmbody.stl)
• Brugerdefineret konnektor ASCII -geometrifil (Connector_File.step)
• MATLAB Kode 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB Kode 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB Code 3 (rheometer_foruser.m)

Trin 1: Del 1: Opsætning

Sådan opsættes den eksperimentelle platform.

Trin 2: 3D -print og laserskæring af alle dele (brugerdefinerede stik, kugler og hus)

Trin 3: Tilslut elektronikken som vist nedenfor

Vigtigt at bemærke: Slut ikke strømforsyningen til stikkontakten, før alle trin i dette afsnit er fuldført! KOBLER ALTID STRØMFORSYNINGEN, NÅR DER SKAL ÆNDRES.

For at starte skal du sørge for, at forstærkeren er placeret med knappen vendt væk. Tilslut alligatorklemmerne og jumperkablerne til venstre nederste terminaler på forstærkeren. Sæt netledningen og dens jumperledning i terminalerne til venstre øverst på forstærkeren. Skru terminalforbindelsens ender fast for at fastgøre trådstifterne. Sørg for, at de positive og negative terminaler flugter korrekt med terminalerne på forstærkeren og klemmer alligatorklemmer til højttaleren. Sørg for, at disse to klip ikke kommer i kontakt.

Trin 4: Opsætning af GUI

Nu hvor elektronikken er sat op, kan vi teste GUI'en, der giver os mulighed for at drive højttaleren og skabe det vibrerende system nedsænket i vores væske. Højttaleren styres af lydoutputsystemet i vores computer. Start med at downloade MATLAB og GUI -koden inkluderet ovenfor. BEMÆRK: der er indstillinger for LED -lys, der ikke bruges og bør ignoreres.

Når du har åbnet MATLAB, skal du køre følgende i kommandovinduet, "info = audiodevinfo" og dobbeltklikke på 'output'. Find ID -nummeret til den eksterne hovedtelefon/højttaler. Det vil være noget i stil med "Højttaler / hovedtelefoner …" eller "Ekstern …" eller "Indbygget output …" afhængigt af din maskine. Indstil "Ekstern højttaler -id" til dette ID -nummer.

Lad os nu teste, at vores system er konfigureret korrekt. Drej din computervolumen ned hele vejen. Tag lydkablet ud af din computer, og tilslut i stedet et sæt hovedtelefoner Vi tester forbindelsen til GUI'en for at sende et signal til ryster. Indtast 60 Hz som kørefrekvens i tekstfeltet som vist nedenfor. (Dette felt accepterer værdier op til 150 Hz). Dette er tvangsfrekvensen for din opsætning. Skub derefter køreamplituden op til en værdi på cirka 0,05. Tryk derefter på knappen "Tænd system" for at sende et signal til dine hovedtelefoner. Dette vil udløse en af kanalerne (venstre eller højre) på dine hovedtelefoner. Skru op for computerens lydstyrke, indtil der kan høres en lyd. Tryk på "Sluk systemet", når der kan høres en lyd, og sørg for, at lyden holder op med at afspille. Hvis du vil ændre frekvensen eller kørselsamplituden for dit system, mens det kører, skal du trykke på knappen "Opdater indstillinger".

Trin 5: Opret den vibrerende massemontage

Vi vil nu begynde at samle det vibrerende massesystem, som vi vil nedsænke i vores væske. Ignorer accelerometre i dette trin og fokuser på at samle kuglen, stik, sekskantmøtrikker og fjeder. Fastgør en sekskantmøtrik af stål i hver af de tilpassede stik med sætskruer og 5/64 '' unbrakonøglen. Tilslut en af disse til kuglen med en sekskantmøtrik i aluminium og gevindstang i aluminium. Kombiner begge som vist ovenfor. Til sidst skrues den anden gevindstang ind i den øverste konnektor og delvist skrues en sekskantmøtrik i aluminium.

Trin 6: Tilføj accelerometre og Arduino

Ved hjælp af diagrammet ovenfor skal du slutte arduinoen til accelerometre. For at oprette de lange regnbuekabler skal du bruge han-han-ledningerne (afbildet i diagrammet som de hvide, grå, lilla, blå og sorte) og slutte dem til hun-han-ledningerne (rød, gul, orange, grøn og Brun). Den anden ende forbinder til accelerometre. Sørg for, at "GND" (jord) og "VCC" (3,3 volt) accelerometerporte er tilpasset til brødbrættet, og at "X" -porten er tilpasset A0- og A3 -portene i Arduino.

Fastgør de sidste accelerometre til vibrationsmassenheden ved hjælp af 5x3mm 3/16''x1/8 '' skruer. Du skal sørge for, at TOP -accelerometeret er forbundet til A0 og BOTTOM -accelerometeret til A3, for at Arduino -koden fungerer.

For at konfigurere selve Arduino skal du først downloade arduino -softwaren til din computer. Slut Arduino til din computer ved hjælp af USB 2.0 -kablet. Åbn den medfølgende fil, eller kopier og indsæt den i en ny fil. Naviger til værktøjet i den øverste bjælke, og hold markøren over "Board:" for at vælge Arduino Uno. Et ned, svæver over "Port" og vælg Arduino Uno.

Trin 7: Konfigurer det endelige system

Det sidste trin i opsætningen-at sætte det hele sammen! Start med at fjerne alligatorclipsene fra højttaleren og skru højttaleren fast i toppen af huset med 6-32 x ½ '' sekskantskruer, 6-32 sekskantmøtrik og 9/64 '' unbrakonøgle. Derefter skrues den vibrerende massesamling (med accelerometre) ind i højttaleren. For det bedste resultat anbefaler vi at dreje højttaleren for at undgå at sammenfiltre accelerometerledningerne. Spænd massen til højttaleren med hex -møtrikken i aluminium.

Slutt endelig husets tre sider ind i toppen. Fastgør huset med 8-32 x 3/4 '' sekskantskruer og 8-32 sekskantmøtrikker. Til sidst sættes alligatorclipsene på højttaleren igen. Du er klar til at begynde at teste!

Vælg din foretrukne væske, og fyld din plastikbæger, indtil kuglen er helt nedsænket. Du vil ikke have, at kuglen skal være delvist nedsænket, men vær også forsigtig med ikke at nedsænke kuglen så langt, at væsken rører aluminiums hexmøtrikken.

Trin 8: Del 2: Kørsel af eksperimentet

Nu hvor vi er færdig med vores samling, kan vi registrere vores data. Du vil feje gennem frekvenser mellem 15 - 75 Hz ved en indstillet kørselsamplitude. Vi anbefaler trin på 5 Hz, men dette kan ændres for mere præcise resultater. Arduino registrerer både accelerationen for højttaleren (øverste accelerometer) og kuglen (nederste accelerometer), som du vil optage i en csv -fil. Den leverede MATLAB-kode 1 & 2 vil læse i csv-værdierne som separate kolonner, foretage en to-signal fourier-transformering for at dæmpe signalet og udskrive det resulterende amplitudeforhold for det øverste og nederste accelerometer. MATLAB Code 3 accepterer disse amplitudeforhold og en indledende gættet viskositet og plotter de eksperimentelle og beregnede nøgletal vs frekvenser. Ved at variere din gættede viskositet og visuelt sammenligne dette gæt med de eksperimentelle data, vil du være i stand til at bestemme viskositeten af din væske.

For en dybdegående forklaring af MATLAB-kode, se vedhæftet teknisk dokumentation.

Trin 9: Registrering af data i en CSV

For at begynde at registrere data skal du først kontrollere, at din opsætning er fuldført som beskrevet i del 1. Sørg for, at forstærkeren er tilsluttet en stikkontakt. Upload din Arduino-kode til din enhed ved at klikke på knappen "Upload" i øverste højre hjørne. Når det er uploadet, skal du navigere til "Værktøjer" og vælge "Serial Monitor". Sørg for, at når du åbner Serial Monitor eller Serial Plotter, er baudd -nummeret lig med baudd -nummeret i koden (115200). Du vil se to kolonner med data, der genereres, hvilket er de øverste og nederste accelerometermålinger.

Åbn MATLAB GUI, og vælg en kørselsamplitude til dit eksperiment (vi brugte 0,08 ampere og 0,16 ampere). Du vil feje gennem frekvenser 15 - 75 Hz og registrere data hver 5. Hz (13 sæt datatotaler). Start med at indstille kørefrekvensen til 15 Hz, og tænd for systemet ved at trykke på "Tænd system". Dette tænder din højttaler, hvilket får kuglen til at vibrere op og ned. Gå tilbage til din Arduino Serial Monitor og tryk på "Clear Output" for at begynde at indsamle friske data. Lad denne opsætning køre i cirka 6 sekunder, og tag derefter Arduino -stikket ud af din computer. Serial Monitor stopper optagelsen, så du manuelt kan kopiere og indsætte omkring 4, 500-5, 000 dataposter i en csv-fil. Opdel de to datakolonner i to separate kolonner (kolonner 1 og 2). Omdøb denne csv til "15hz.csv".

Slut din Arduino tilbage til din computer (sørg for at nulstille porten) og gentag denne proces for frekvenser 20 Hz, 25 Hz, … 75 Hz og sørg for at følge navngivningskonventionen for CSV -filer. Se det tekniske dokument for yderligere oplysninger om, hvordan disse filer læses af MATLAB.

Hvis du gerne vil observere ændringer i amplituden i forhold til frekvensfejningen, kan du desuden bruge Arduino Serial Plotter til visuelt at observere denne forskel.

Trin 10: Behandl dine data med MATLAB -koden

Når eksperimentelle data er opnået i form af CSV -filer, er det næste trin at bruge vores leverede kode til at behandle dataene. For detaljerede instruktioner om brug af koden og en forklaring på den underliggende matematik, se vores tekniske dokument. Målet er at opnå accelerationsamplituden for det øverste og nederste accelerometer og derefter beregne forholdet mellem bundamplituden og topamplituden. Dette forhold beregnes for hver kørefrekvens. Forholdene tegnes derefter som en funktion af kørefrekvensen.

Når dette plot er opnået, bruges et andet sæt kode (igen beskrevet i det tekniske dokument) til at bestemme væskens viskositet. Denne kode kræver, at brugeren indtaster et indledende gæt for viskositeten, og det er vigtigt, at dette første gæt er lavere end den faktiske viskositet, så sørg for at gætte en meget lav viskositet, ellers fungerer koden ikke korrekt. Når koden har fundet en viskositet, der matcher de eksperimentelle data, genererer den et plot som vist nedenfor og viser den endelige viskositetsværdi. Tillykke med afslutningen af forsøget!

Trin 11: Filer

Alternativt:

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