Jeftin reometar: 11 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

Svrha ovog uputstva je stvoriti jeftin reometar za eksperimentalno pronalaženje viskoznosti fluida. Ovaj projekat kreirao je tim studenata Univerziteta Brown i diplomiranih studenata u klasi Vibracije mehaničkih sistema.

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 fluida mjerenjem odziva vibracionog sistema potopljenog u fluid. U ovom jeftinom projektu reometra stvorili smo vibrirajući sistem od sfere i opruge pričvršćene na zvučnik za mjerenje odziva na različitim frekvencijama. Iz ove krivulje odziva možete pronaći viskoznost fluida.

Potrošni materijal:

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

Postavke opruge i sfere:

• Smola 3D štampača (promenljivo)
• 2 x akcelerometra (mi smo ih koristili) 29,90 USD
• 10 x žensko-muški dugački kabeli (ovdje) 4,67 USD
• 12 x dugačko-muški kablovi (ovdje) 3,95 USD
• Arduino Uno (ovdje) 23,00 USD
• USB 2.0 kabel tipa A do B (ovdje) 3,95 USD
• Okvir za kruh (ovdje) 2,55 USD
• Kompresijske opruge (koristili smo ih) ??
• 2 x prilagođeni konektori (3D štampani)
• 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 štampača

Alati

• Laserski rezač
• 3D štampač

Potreban softver

• MATLAB
• Arduino

Datoteke i kod:

• Adobe Illustrator datoteka za sklop kućišta (Rheometer_Housing.ai)
• GUI kontrolera 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 Kod 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: Povežite elektroniku kao što je prikazano ispod

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

Za početak provjerite je li pojačalo okrenuto prema gore. Spojite kopče aligatora i žice kratkospojnika s lijevim donjim priključcima pojačala. Priključite kabel za napajanje i njegovu kratkospojnu žicu na lijeve gornje stezaljke pojačala. Zašrafite krajeve priključnih stezaljki kako biste pričvrstili žičane iglice. Uvjerite se da su pozitivni i negativni priključci pravilno poravnati sa 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 grafički interfejs koji će nam omogućiti da upravljamo zvučnikom i stvorimo sistem za vibriranje potopljen u naš fluid. Zvučnikom će upravljati audio izlazni sistem na našem računaru. 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 vašoj mašini. Postavite "ID vanjskog zvučnika" na ovaj ID broj.

Sada provjerimo je li naš sistem ispravno postavljen. SKLONITE SVOJU JAČINU NA RAČUNARU. Isključite audio kabel iz računara i umjesto toga uključite 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 ispod. (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 dugme "Uključi sistem" da pošaljete signal slušalicama. Ovo će pokrenuti jedan od kanala (lijevi ili desni) vaših slušalica. Pojačajte zvuk računara dok se ne čuje zvuk. Pritisnite "Isključi sistem" kada se čuje zvučni ton i provjerite prestaje li se reproducirati zvuk. Za promjenu frekvencije ili amplitude vožnje vašeg sistema dok radi, pritisnite dugme "Osvježi postavke".

Korak 5: Kreirajte sklop vibrirajuće mase

Sada ćemo početi sastavljati sistem vibrirajućih masa koje ćemo potopiti u našu tekućinu. Zanemarite akcelerometre u ovom koraku i usredotočite se na sastavljanje kugle, konektora, šesterokutnih matica i opruge. Pričvrstite čeličnu šesterokutnu maticu u svaki od prilagođenih konektora pomoću vijaka i imbus ključem 5/64 ''. Spojite jedan od njih sa kuglom pomoću aluminijske šesterokutne matice i aluminijske navojne šipke. Kombinujte 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

Koristeći gornji dijagram, 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 sa žensko-muškim žicama (crvena, žuta, narančasta, zelena i smeđa). Drugi kraj će se spojiti na mjerače ubrzanja. Uvjerite se da su portovi 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 akcelerometre na sklop vibrirajuće 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.

Da biste postavili sam Arduino, prvo 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:" da biste odabrali Arduino Uno. Jednom prema dolje, zadržite pokazivač iznad "Port" i odaberite Arduino Uno.

Korak 7: Postavite završni sistem

Posljednji korak postavljanja-sastavljanje svega! Počnite otkačivanjem kopči aligatora 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 pomoću aluminijske šesterokutne matice.

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

Odaberite svoju 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. Prelazit ćete kroz frekvencije između 15 - 75 Hz pri postavljenoj amplitudi vožnje. Preporučujemo povećanja od 5 Hz, ali se to može promijeniti za preciznije rezultate. Arduino će snimiti i ubrzanje za zvučnik (gornji akcelerometar) i sferu (donji akcelerometar) koje ćete snimiti u csv datoteku. Dostavljeni MATLAB kôd 1 i 2 čitat će u csv vrijednostima kao zasebne kolone, izvršiti dvosignalnu Fourier-ovu transformaciju za uklanjanje šuma signala i ispisati rezultirajući omjer amplitude gornjeg i donjeg akcelerometra. MATLAB Kod 3 će prihvatiti 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 datoteku

Za početak snimanja podataka, prvo provjerite je li vaše podešavanje dovršeno kako je opisano u 1. dijelu. Provjerite je li pojačalo uključeno u utičnicu za struju. Otpremite svoj Arduino kôd na svoj uređaj klikom na dugme "Otpremi" u gornjem desnom kutu. Nakon što je to uspješno učitano, idite na "Alati" i odaberite "Serijski monitor". Pobrinite se da prilikom otvaranja Serijskog monitora ili Serijskog plotera broj boda bude jednak broju boda u kodu (115200). Vidjet ćete dvije kolone podataka koje 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). Prelazit ćete kroz frekvencije 15 - 75 Hz, snimajući podatke svakih 5 Hz (ukupno 13 skupova podataka). Počnite postavljanjem frekvencije vožnje na 15 Hz i uključite sistem pritiskom na "Uključi sistem". 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 računara. Serijski monitor će zaustaviti snimanje, omogućavajući vam ručno kopiranje i lijepljenje oko 4, 500-5, 000 unosa podataka u csv datoteku. Podijelite dvije kolone podataka u dvije zasebne kolone (Kolone 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 premotavanja frekvencije, možete dodatno 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 upotreba našeg koda za obradu podataka. Za detaljna uputstva o korištenju koda i objašnjenje osnovne matematike pogledajte naš tehnički dokument. Cilj je dobiti amplitudu ubrzanja za gornji i donji akcelerometar, a zatim izračunati omjer donje amplitude do gornje amplitude. Ovaj omjer se izračunava za svaku frekvenciju vožnje. Omjeri se zatim iscrtavaju kao funkcija frekvencije vožnje.

Nakon što se dobije ovaj grafikon, koristi se drugi skup kodova (ponovo detaljno opisan u tehničkom dokumentu) za određivanje viskoznosti fluida. Ovaj kôd zahtijeva od korisnika da unese početnu pretpostavku za viskoznost, a bitno je da ta početna pretpostavka bude niža od stvarne viskoznosti, pa se pobrinite da pogodite vrlo nisku viskoznost inače kôd neće raditi ispravno. Kada 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