Reometru ieftin: 11 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Scopul acestui instructabil este de a crea un reometru cu cost redus pentru a găsi experimental vâscozitatea unui fluid. Acest proiect a fost creat de o echipă de studenți și absolvenți de la Universitatea Brown din clasa Vibrație a sistemelor mecanice.

Un reometru este un dispozitiv de laborator folosit pentru a măsura vâscozitatea fluidelor (cât de gros sau lipicios este un fluid - gândiți-vă la apă vs. miere). Există anumite reometre care pot măsura vâscozitatea fluidelor măsurând răspunsul unui sistem vibrator scufundat într-un fluid. În acest proiect de reometru low-cost, am creat un sistem vibrator dintr-o sferă și arc atașat la un difuzor pentru a măsura răspunsul la diferite frecvențe. Din această curbă de răspuns, puteți găsi vâscozitatea fluidului.

Provizii:

Materiale necesare:

Ansamblu carcasă:

• Placă aglomerată (11 "W x 9" "H) (aici) 1,19 USD
• 12 x 8-32 x 3/4 "Șuruburi cu cap hexagonal (aici) 9,24 dolari tot
• 12 x 8-32 Piuliță hexagonală (aici) 8,39 USD
• 4 x 6-32 x ½”șurub cu cap hexagonal (aici) 9,95 USD
• 4 x 6-32 Piuliță hexagonală (aici) 5,12 USD
• Cheie Allen de 9/64 "(aici) 5,37 USD

Electronică:

• Alimentare 12V (aici) 6,99 USD
• Amplificator (aici) 10,99 USD
• Cablu auxiliar (aici) 7,54 USD
• Jumper Wire (vezi mai jos)
• Clipuri de aligator (aici) 5,19 USD
• Difuzor (aici) 4,25 USD
• Șurubelniță (aici) 5,99 USD

Configurarea primăverii și sferei:

• Rășină pentru imprimantă 3D (variabilă)
• 2 x accelerometre (le-am folosit) 29,90 USD
• 10 x cabluri curcubeu feminin-masculin (aici) 4,67 USD
• 12 x cabluri curcubeu mascul-mascul (aici) 3,95 USD
• Arduino Uno (aici) 23,00 USD
• Cablu USB 2.0 de tip A la B (aici) 3,95 USD
• Pâine (aici) 2,55 USD
• Arcuri de compresie (le-am folosit) ??
• 2 x conectori personalizați (imprimați 3D)
• 2 x ⅜’’ - 16 piulițe hexagonale (aici) 1,18 USD
• 4 x 8-32 Șuruburi de fixare (aici) 6,32 USD
• 4 x ¼’’ - 20 Piuliță hexagonală (aluminiu) (aici) 0,64 USD
• 2 x tijă filetată Aluminum '' - 20 '' (aluminiu) (aici) 11,40 USD
• Cheie Allen de 7/64"
• Cheie Allen de 5/64"
• 4 x 5x2mm 3 / 16''x1 / 8 '' Șuruburi (aici) 8,69 USD

Alte

• Cupa din plastic (aici) 6,99 USD
• Lichid pentru testarea vâscozității (am testat siropul karo, glicerina vegetală, siropul de ciocolată Hershey)

COST TOTAL: 183,45 USD *

* nu include rășină sau lichid pentru imprimantă 3D

Instrumente

• Cutter cu laser
• imprimantă 3d

Este necesar software

• MATLAB
• Arduino

Fișiere și cod:

• Fișier Adobe Illustrator pentru ansamblul carcasei (Rheometer_Housing.ai)
• GUI controler difuzor (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Fișier Rheometer Arduino (rheometer_project.ino)
• Fișiere mesh mesh (cor_0.9cmbody.stl și cor_1.5cmbody.stl)
• Fișier de geometrie ASCII conector personalizat (Connector_File.step)
• Codul MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Codul MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• Codul MATLAB 3 (rheometer_foruser.m)

Pasul 1: Partea 1: Configurați

Cum se configurează platforma experimentală.

Pasul 2: Imprimare 3D și tăiere cu laser a tuturor părților (conectori, sfere și carcasă personalizate)

Pasul 3: Conectați dispozitivele electronice așa cum se arată mai jos

Important de reținut: Nu conectați sursa de alimentare până la finalizarea tuturor etapelor din această secțiune! DESCHIDEȚI ÎNTOTDEAUNA SURSA DE ALIMENTARE LA ECHIPAMENTE.

Pentru a începe, asigurați-vă că amplificatorul este așezat cu butonul orientat înapoi. Conectați clemele de aligator și firele jumper la bornele stânga-jos de pe amplificator. Atașați cablul de alimentare și firul său jumper la bornele din partea stângă sus a amplificatorului. Înșurubați capetele conexiunii terminale pentru a fixa știfturile de sârmă. Asigurați-vă că terminalele pozitive și negative se aliniază corect cu terminalele amplificatorului și fixați clipurile de aligator la difuzor. Asigurați-vă că aceste două clipuri nu intră în contact.

Pasul 4: Configurare GUI

Acum că electronica este configurată, putem testa interfața grafică care ne va permite să conducem difuzorul și să creăm sistemul vibrator scufundat în fluidul nostru. Difuzorul va fi controlat de sistemul de ieșire audio din computerul nostru. Începeți prin descărcarea MATLAB și a codului GUI inclus mai sus. NOTĂ: există setări de LED-uri care nu vor fi utilizate și ar trebui ignorate.

Odată ce ați deschis MATLAB, rulați următoarele în fereastra de comandă, „info = audiodevinfo“și faceți dublu clic pe opțiunea „ieșire”. Găsiți numărul de identificare pentru opțiunea căști / difuzoare externe. Va fi ceva de genul „Difuzor / Căști …” sau „Extern…” sau „Ieșire încorporată…”, în funcție de aparatul dvs. Setați „ID difuzor extern” la acest număr ID.

Acum să testăm dacă sistemul nostru este configurat corect. REDUȚI VOLUMUL COMPUTERULUI JOS. Deconectați cablul audio de pe computer și conectați în schimb un set de căști. Vom testa conexiunea pentru ca interfața grafică să trimită un semnal către agitator. Introduceți 60 Hz ca frecvență de conducere în câmpul de text, așa cum se arată mai jos. (Acest câmp acceptă valori de până la 150 Hz). Aceasta este frecvența de forțare pentru configurarea dvs. Apoi, glisați amplitudinea de conducere până la o valoare de aproximativ 0,05. Apoi, apăsați butonul „Porniți sistemul” pentru a trimite un semnal la căști. Aceasta va declanșa unul dintre canalele (stânga sau dreapta) ale căștilor. Măriți volumul computerului până când se aude un sunet. Apăsați „Opriți sistemul” odată ce se aude un ton sonor și asigurați-vă că sunetul încetează să mai fie redat. Pentru a modifica frecvența sau amplitudinea de conducere a sistemului în timp ce acesta funcționează, apăsați butonul „Actualizați setările”.

Pasul 5: Creați ansamblul de masă vibrantă

Vom începe acum să asamblăm sistemul de masă vibrantă pe care îl vom scufunda în fluidul nostru. Ignorați accelerometrele în acest pas și concentrați-vă asupra asamblării sferei, conectorilor, piulițelor hexagonale și arcului. Fixați o piuliță hexagonală din oțel în fiecare dintre conectorii personalizați cu șuruburi de fixare și cheia hexagonală de 5/64 . Conectați una dintre acestea la sferă cu o piuliță hexagonală din aluminiu și o tijă filetată din aluminiu. Combinați-le pe ambele așa cum se arată mai sus. În cele din urmă, înșurubați a doua tijă filetată în conectorul superior și înșurubați parțial o piuliță hexagonală din aluminiu.

Pasul 6: Adăugați accelerometrele și Arduino

Folosind diagrama de mai sus, conectați arduino la accelerometre. Pentru a crea cablurile curcubeu lungi, utilizați firele mascul-mascul (ilustrate în diagramă ca alb, gri, violet, albastru și negru) și conectați-le la firele mascul-mascul (roșu, galben, portocaliu, verde și maro). Al doilea capăt se va conecta la accelerometre. Asigurați-vă că porturile accelerometrului „GND” (la sol) și „VCC” (3,3 volți) sunt potrivite cu placa de panou și că portul „X” este potrivit cu porturile A0 și A3 din Arduino.

Atașați accelerometrele finale la ansamblul de masă vibrantă folosind șuruburi de 5x3mm 3/16”x1 / 8”. Va trebui să vă asigurați că accelerometrul TOP este conectat la A0 și accelerometrul BOTTOM la A3 pentru ca codul Arduino să funcționeze.

Pentru a configura Arduino în sine, descărcați mai întâi software-ul arduino pe computer. Conectați Arduino la computer utilizând cablul USB 2.0. Deschideți fișierul furnizat sau copiați-l și lipiți-l într-un fișier nou. Navigați la Instrumentul din bara de sus și plasați cursorul peste „Board:” pentru a selecta Arduino Uno. În jos, treceți cu mouse-ul peste „Port” și selectați Arduino Uno.

Pasul 7: Configurați sistemul final

Pasul final al setului - punând totul împreună! Începeți prin decuplarea clemelor de aligator din difuzor și înșurubarea difuzorului în partea superioară a ansamblului carcasei cu șuruburile cu cap hexagonal de 6-32 x ½”, piulița hexagonală 6-32 și cheia hexagonală de 9/64”. Apoi, înșurubați ansamblul de masă vibrant (cu accelerometrele) în difuzor. Pentru cel mai bun rezultat, vă recomandăm să rotiți difuzorul pentru a evita încurcarea firelor accelerometrului. Strângeți masa la difuzor cu piulița hexagonală din aluminiu.

În cele din urmă, introduceți cele trei laturi ale ansamblului carcasei în partea superioară. Fixați ansamblul carcasei folosind șuruburile cu cap hexagonal de 8-32 x 3/4 și piulițele hexagonale 8-32. În cele din urmă, reatașați clemele de aligator la difuzor. Sunteți gata să începeți testarea!

Alegeți fluidul ales și umpleți paharul de plastic până când sfera este complet scufundată. Nu doriți ca sfera să fie parțial scufundată, dar aveți grijă să nu scufundați sfera atât de departe încât fluidul să atingă piulița hexagonală din aluminiu.

Pasul 8: Partea 2: Rularea experimentului

Acum că am terminat asamblarea, ne putem înregistra datele. Veți muta frecvențe între 15 - 75 Hz la o amplitudine de conducere stabilită. Vă recomandăm creșteri de 5 Hz, dar acest lucru poate fi modificat pentru rezultate mai precise. Arduino va înregistra atât accelerația pentru difuzor (accelerometrul de sus), cât și sfera (accelerometrul de jos) pe care le veți înregistra într-un fișier CSV. Codul MATLAB 1 și 2 furnizat va citi în valorile CSV ca coloane separate, va face o transformare furrier cu două semnale pentru a dezactiva semnalul și va imprima raportul de amplitudine rezultat al accelerometrului superior și inferior. Codul MATLAB 3 va accepta aceste rapoarte de amplitudine și o vâscozitate inițială estimată și va reprezenta raporturile experimentale și calculate raportate la frecvențe. Variazând vâscozitatea estimată și comparând vizual această presupunere cu datele experimentale, veți putea determina vâscozitatea fluidului.

Pentru o explicație detaliată a codului MATLAB, consultați documentația tehnică atașată.

Pasul 9: Înregistrarea datelor într-un CSV

Pentru a începe înregistrarea datelor, asigurați-vă mai întâi că configurarea dvs. este finalizată așa cum este descris în partea 1. Asigurați-vă că amplificatorul este conectat la o priză. Încărcați codul Arduino pe dispozitivul dvs. făcând clic pe butonul „Încărcați” din colțul din dreapta sus. Odată ce acest lucru a fost încărcat cu succes, navigați la „Instrumente” și selectați „Serial Monitor”. Asigurați-vă că, atunci când deschideți Serial Monitor sau Serial Plotter, numărul de baud este egal cu numărul de baud din cod (115200). Veți vedea două coloane de date care sunt generate, care sunt citirile accelerometrului de sus și de jos.

Deschideți interfața grafică MATLAB și alegeți o amplitudine de conducere pentru experimentul dvs. (am folosit 0,08 amperi și 0,16 amperi). Veți muta frecvențele de 15 - 75 Hz, înregistrând date la fiecare 5 Hz (13 seturi de date în total). Începeți prin setarea frecvenței de conducere la 15 Hz și porniți sistemul apăsând pe „Porniți sistemul”. Acest lucru vă va activa difuzorul, provocând sfera și configurând vibrațiile în sus și în jos. Reveniți la monitorul dvs. serial Arduino și apăsați „Clear Output” pentru a începe să colectați date noi. Lăsați această configurare să ruleze timp de aproximativ 6 secunde, apoi deconectați Arduino de pe computer. Monitorul serial va opri înregistrarea, permițându-vă să copiați manual și să lipiți aproximativ 4, 500-5, 000 de intrări de date într-un fișier CSV. Împărțiți cele două coloane de date în două coloane separate (Coloanele 1 și 2). Redenumiți acest csv „15hz.csv”.

Conectați Arduino înapoi la computer (asigurându-vă că resetați portul) și repetați acest proces pentru frecvențe de 20 Hz, 25 Hz,… 75Hz, asigurându-vă că respectați convenția de denumire pentru fișierele CSV. Consultați documentul tehnic pentru informații suplimentare despre modul în care aceste fișiere sunt citite de MATLAB.

Dacă doriți să observați modificările raportului de amplitudine pe parcursul frecvenței, puteți utiliza suplimentar Arduino Serial Plotter pentru a observa vizual această diferență.

Pasul 10: Procesați-vă datele cu codul MATLAB

Odată ce datele experimentale sunt obținute sub formă de fișiere CSV, următorul pas este utilizarea codului nostru furnizat pentru procesarea datelor. Pentru instrucțiuni detaliate despre utilizarea codului și pentru o explicație a matematicii de bază, consultați documentul nostru tehnic. Scopul este de a obține amplitudinea accelerației pentru accelerometrul superior și inferior, apoi de a calcula raportul dintre amplitudinea inferioară și amplitudinea superioară. Acest raport este calculat pentru fiecare frecvență de conducere. Rapoartele sunt apoi reprezentate grafic în funcție de frecvența de conducere.

Odată ce acest grafic este obținut, un alt set de cod (din nou detaliat în documentul tehnic) este utilizat pentru a determina vâscozitatea fluidului. Acest cod cere utilizatorului să introducă o estimare inițială pentru vâscozitate și este esențial ca această estimare inițială să fie mai mică decât vâscozitatea reală, deci asigurați-vă că ghiciți o vâscozitate foarte mică, altfel codul nu va funcționa corect. Odată ce codul a găsit o vâscozitate care se potrivește cu datele experimentale, acesta va genera un grafic ca cel prezentat mai jos și va afișa valoarea finală a vâscozității. Felicitări pentru finalizarea experimentului!

Pasul 11: Fișiere

Alternativ:

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