Billig reometer: 11 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:36

Syftet med denna instruerbara är att skapa en lågkostnadsreometer för att experimentellt hitta en vätskes viskositet. Detta projekt skapades av ett team av Brown University grund- och doktorander i klassen Vibration of Mechanical Systems.

En reometer är en laboratorieenhet som används för att mäta vätskornas viskositet (hur tjock eller klibbig en vätska är - tänk vatten mot honung). Det finns vissa reometrar som kan mäta vätskornas viskositet genom att mäta responsen hos ett vibrerande system som är nedsänkt i en vätska. I detta billiga reometerprojekt skapade vi ett vibrerande system från en sfär och fjäder fäst vid en högtalare för att mäta responsen vid olika frekvenser. Från denna svarskurva kan du hitta vätskans viskositet.

Tillbehör:

Material behövs:

Husmontering:

• Spånskiva (11 '' W x 9 '' H) (här) $ 1,19
• 12 x 8-32 x 3/4 '' sexkantskruvar (här) $ 9,24 tot
• 12 x 8-32 Hexmutter (här) $ 8,39
• 4 x 6-32 x ½ '' sexkantskruv (här) $ 9,95
• 4 x 6-32 Hexmutter (här) $ 5,12
• 9/64 '' insexnyckel (här) $ 5,37

Elektronik:

• 12V strömförsörjning (här) $ 6,99
• Förstärkare (här) $ 10,99
• Aux -kabel (här) $ 7,54
• Jumper Wire (se nedan)
• Alligatorklipp (här) $ 5,19
• Högtalare (här) $ 4,25
• Skruvmejsel (här) $ 5,99

Vår- och sfärinställning:

• 3D -skrivarharts (variabel)
• 2 x accelerometrar (vi använde dessa) $ 29,90
• 10 x hona-han regnbågskablar (här) $ 4,67
• 12 x han-han regnbågskablar (här) $ 3,95
• Arduino Uno (här) $ 23,00
• USB 2.0 -kabel typ A till B (här) $ 3,95
• Brödbräda (här) $ 2,55
• Kompressionsfjädrar (vi använde dessa) ??
• 2 x anpassade kontakter (3D -utskrivna)
• 2 x ⅜ ''-16 sexkantmuttrar (här) $ 1,18
• 4 x 8-32 Ställskruvar (här) $ 6,32
• 4 x ¼’’-20 sexkantmutter (aluminium) (här) $ 0,64
• 2 x ¼””-20”tumgängstång (aluminium) (här) $ 11,40
• 7/64 '' insexnyckel
• 5/64 '' insexnyckel
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8 '' skruvar (här) $ 8,69

Övrig

• Plastkopp (här) $ 6,99
• Vätska för att testa viskositeten (vi testade karosirap, vegetabiliskt glycerin, Hersheys chokladsirap)

TOTALA KOSTNADER: $ 183,45*

*inkluderar inte 3D -skrivarharts eller vätska

Verktyg

• Laserskärare
• 3d skrivare

Programvara som behövs

• MATLAB
• Arduino

Filer och kod:

• Adobe Illustrator -fil för höljet (Rheometer_Housing.ai)
• Högtalarkontroller GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino Rheometer File (rheometer_project.ino)
• Sphere mesh -filer (cor_0.9cmbody.stl och cor_1.5cmbody.stl)
• Anpassad Connector ASCII -geometrifil (Connector_File.step)
• MATLAB -kod 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB -kod 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB Code 3 (rheometer_foruser.m)

Steg 1: Del 1: Konfigurera

Så här konfigurerar du den experimentella plattformen.

Steg 2: 3D -utskrift och laserskärning av alla delar (anpassade kontakter, sfärer och hölje)

Steg 3: Anslut elektroniken enligt nedan

Viktigt att notera: Anslut inte strömförsörjningen till uttaget förrän alla steg i detta avsnitt är slutförda! KOPPLA ALLTID STRÖMFÖRSÖRJNINGEN VID NÅGRA FÖRÄNDRINGAR.

För att starta, se till att förstärkaren är placerad med vredet vänd bort. Anslut krokodilklämmorna och bygelkablarna till vänster-nedre terminalerna på förstärkaren. Anslut nätsladden och dess bygelkabel till förstärkarens vänstra överdelar. Skruva fast anslutningsändarna för att fästa trådstiftet. Se till att de positiva och negativa terminalerna ligger ordentligt i linje med terminalerna på förstärkaren och klämmer alligatorklämmorna till högtalaren. Se till att dessa två klipp inte kommer i kontakt.

Steg 4: Installera GUI

Nu när elektroniken är inställd kan vi testa GUI som gör att vi kan driva högtalaren och skapa det vibrerande systemet som är nedsänkt i vår vätska. Högtalaren styrs av ljudutmatningssystemet i vår dator. Börja med att ladda ner MATLAB och GUI -koden som ingår ovan. OBS: det finns inställningar för LED -lampor som inte kommer att användas och bör ignoreras.

När du har öppnat MATLAB kör du följande i kommandofönstret, "info = audiodevinfo" och dubbelklickar på alternativet "output". Hitta ID -numret för de externa hörlurarna/högtalaralternativet. Det kommer att vara ungefär "Högtalare / hörlurar …" eller "Extern …" eller "Inbyggd utgång …" beroende på din maskin. Ställ in "Extern högtalar -ID" på detta ID -nummer.

Låt oss nu testa att vårt system är korrekt konfigurerat. Vrid ner din datorvolym ner hela vägen. Koppla ur ljudkabeln från din dator och koppla istället in en uppsättning hörlurar Vi testar anslutningen för GUI för att skicka en signal till skakaren. Ange 60 Hz som drivfrekvens i textfältet enligt nedan. (Detta fält accepterar värden upp till 150 Hz). Detta är tvingningsfrekvensen för din inställning. Skjut sedan köramplituden upp till ett värde av cirka 0,05. Tryck sedan på knappen "Slå på system" för att skicka en signal till dina hörlurar. Detta kommer att utlösa en av kanalerna (vänster eller höger) på dina hörlurar. Höj datorns volym tills ett ljud hörs. Slå på "Stäng av systemet" när en hörbar ton hörs och se till att ljudet slutar spela. För att ändra frekvensen eller köramplituden för ditt system medan det körs, tryck på knappen "Uppdatera inställningar".

Steg 5: Skapa den vibrerande massenheten

Vi kommer nu att börja montera det vibrerande masssystemet som vi kommer att sänka ner i vår vätska. Ignorera accelerometrarna i detta steg och fokusera på att montera sfären, kontakter, sexkantmuttrar och fjäder. Säkra en insexmutter i stål i var och en av de anpassade kontakterna med inställningsskruvar och 5/64 '' insexnyckeln. Anslut en av dessa till sfären med en insexmutter i aluminium och en gängad stång i aluminium. Kombinera båda som visas ovan. Slutligen skruvar du in den andra gängstången i den övre kontakten och skruvar delvis på en sexkantskruv i aluminium.

Steg 6: Lägg till accelerometrarna och Arduino

Anslut arduinoen till accelerometrarna med hjälp av diagrammet ovan. För att skapa de långa regnbågskablarna, använd man-han-trådarna (på bilden i diagrammet som de vita, gråa, lila, blåa och svarta) och anslut dem till hon-hankablarna (rött, gult, orange, grönt och brun). Den andra änden kommer att ansluta till accelerometrarna. Se till att "GND" (jord) och "VCC" (3,3 volt) accelerometerportar matchas med brödbrädet och att "X" -porten matchas med A0- och A3 -portarna i Arduino.

Fäst de sista accelerometrarna på vibrationsmassanordningen med 5x3mm 3/16''x1/8 '' skruvar. Du måste se till att TOP -accelerometern är ansluten till A0 och BOTTOM -accelerometern till A3 för att Arduino -koden ska fungera.

För att konfigurera själva Arduino, ladda ner först arduino -programvaran till din dator. Anslut Arduino till din dator med USB 2.0 -kabeln. Öppna den medföljande filen eller kopiera och klistra in den i en ny fil. Navigera till verktyget i den övre fältet och håll muspekaren över "Board:" för att välja Arduino Uno. En nedåt, håll muspekaren över "Port" och välj Arduino Uno.

Steg 7: Konfigurera det slutliga systemet

Sista steget i installationen-att sätta ihop allt! Börja med att lossa krokodilklämmorna från högtalaren och skruva in högtalaren i ovansidan av höljet med 6-32 x ½ '' sexkantskruvar, 6-32 sexkantmutter och 9/64 '' insexnyckel. Skruva sedan in den vibrerande massanordningen (med accelerometrarna) i högtalaren. För bästa resultat rekommenderar vi att du vrider högtalaren för att undvika att trassla in accelerometertrådarna. Dra åt massan till högtalaren med aluminiummuttern.

Sätt slutligen in de tre sidorna av höljet i toppen. Säkra höljet med hjälp av 8-32 x 3/4 '' sexkantskruvar och 8-32 sexkantmuttrar. Slutligen, fäst igen krokodilklämmorna på högtalaren. Du är redo att börja testa!

Välj önskad vätska och fyll i din plastkopp tills kulan är helt nedsänkt. Du vill inte att sfären ska vara delvis nedsänkt, men var också försiktig så att du inte sänker sfären så långt att vätskan vidrör aluminiummuttern.

Steg 8: Del 2: Kör experimentet

Nu när vi har avslutat vår montering kan vi spela in våra data. Du kommer att svepa genom frekvenser mellan 15 - 75 Hz vid en bestämd köramplitud. Vi rekommenderar steg om 5 Hz, men detta kan ändras för mer exakta resultat. Arduino registrerar både accelerationen för högtalaren (toppaccelerometer) och sfären (nedre accelerometer) som du kommer att spela in i en csv -fil. MATLAB-kod 1 & 2 som tillhandahålls kommer att läsa i csv-värdena som separata kolumner, göra en tvåsignal-fouriertransform för att avbrusa signalen och skriva ut det resulterande amplitudförhållandet för den övre och nedre accelerometern. MATLAB Code 3 accepterar dessa amplitudförhållanden och en initial gissad viskositet och plottar experimentella och beräknade förhållanden vs frekvenser. Genom att variera din gissade viskositet och visuellt jämföra denna gissning med experimentella data kommer du att kunna bestämma viskositeten hos din vätska.

För en fördjupad förklaring av MATLAB-koden, se den bifogade tekniska dokumentationen.

Steg 9: Spela in data i en CSV

För att börja spela in data, se först till att installationen är slutförd enligt beskrivningen i del 1. Se till att förstärkaren är ansluten till ett vägguttag. Ladda upp din Arduino-kod till din enhet genom att klicka på "Ladda upp" -knappen i det övre högra hörnet. När det har laddats upp, navigerar du till "Verktyg" och väljer "Seriell bildskärm". Se till att bauddnumret är lika med bauddnumret i koden (115200) när du öppnar Serial Monitor eller Serial Plotter. Du kommer att se två kolumner med data som genereras, vilket är övre och nedre accelerometermätningar.

Öppna MATLAB GUI och välj en drivamplitud för ditt experiment (vi använde 0,08 ampere och 0,16 ampere). Du kommer att svepa genom frekvenser 15 - 75 Hz, spela in data var 5 Hz (13 uppsättningar datatotal). Börja med att ställa in körfrekvensen till 15 Hz och slå på systemet genom att klicka på "Slå på systemet". Detta kommer att slå på din högtalare, vilket orsakar sfären och ställs in för att vibrera upp och ner. Gå tillbaka till din Arduino Serial Monitor och tryck på "Clear Output" för att börja samla in färsk data. Låt den här konfigurationen köra i cirka 6 sekunder och koppla sedan ur Arduino från datorn. Seriell bildskärm slutar spela in, så att du manuellt kan kopiera och klistra in cirka 4, 500-5, 000 datainmatningar i en csv-fil. Dela de två datakolumnerna i två separata kolumner (kolumnerna 1 och 2). Byt namn på denna csv “15hz.csv”.

Anslut din Arduino till din dator (se till att återställa porten) och upprepa denna process för frekvenser 20 Hz, 25 Hz, … 75 Hz och se till att följa namngivningskonventionen för CSV -filer. Se det tekniska dokumentet för ytterligare information om hur dessa filer läses av MATLAB.

Om du vill observera förändringar av amplitudförhållandet över frekvenssvepningen kan du dessutom använda Arduino Serial Plotter för att visuellt observera denna skillnad.

Steg 10: Behandla dina uppgifter med MATLAB -koden

När experimentdata har erhållits i form av CSV -filer är nästa steg att använda vår tillhandahållna kod för att bearbeta data. För detaljerade instruktioner om hur du använder koden och för en förklaring av den underliggande matematiken, se vårt tekniska dokument. Målet är att erhålla accelerationsamplituden för den övre och nedre accelerometern och sedan beräkna förhållandet mellan bottenamplituden och den övre amplituden. Detta förhållande beräknas för varje körfrekvens. Förhållandena plottas sedan som en funktion av körfrekvensen.

När denna plot har erhållits används en annan uppsättning kod (återigen detaljerad i det tekniska dokumentet) för att bestämma vätskeviskositeten. Denna kod kräver att användaren anger en första gissning för viskositeten, och det är viktigt att denna initiala gissning är lägre än den faktiska viskositeten, så se till att gissa en mycket låg viskositet annars fungerar inte koden korrekt. När koden har hittat en viskositet som matchar experimentdata genererar den en plot som den som visas nedan och visar det slutliga viskositetsvärdet. Grattis till slutförandet av experimentet!

Steg 11: Filer

Alternativt:

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