Niedrogi reometr: 11 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Celem tego instruktażu jest stworzenie taniego reometru, aby eksperymentalnie znaleźć lepkość płynu. Projekt ten został stworzony przez zespół studentów studiów licencjackich i magisterskich Brown University w klasie Drgania Systemów Mechanicznych.

Reometr to urządzenie laboratoryjne używane do pomiaru lepkości płynów (jak gęsty lub lepki jest płyn – pomyśl o wodzie w porównaniu z miodem). Istnieją pewne reometry, które mogą mierzyć lepkość płynów poprzez pomiar odpowiedzi systemu wibracyjnego zanurzonego w płynie. W tym tanim projekcie reometru stworzyliśmy system wibracyjny z kuli i sprężyny przymocowanej do głośnika, aby zmierzyć odpowiedź przy różnych częstotliwościach. Z tej krzywej odpowiedzi można znaleźć lepkość płynu.

Kieszonkowe dzieci:

Potrzebne materiały:

Zespół obudowy:

• Płyta wiórowa (11'' szer. x 9'' wys.) (tutaj) $1.19
• Śruby z łbem sześciokątnym 12 x 8-32 x 3/4 '' (tutaj) 9,24 USD łącznie
• 12 x 8-32 Nakrętka sześciokątna (tutaj) 8,39 USD
• 4 x 6-32 x ½ '' Śruba z łbem sześciokątnym (tutaj) 9,95 USD
• 4 x 6-32 nakrętka sześciokątna (tutaj) 5,12 USD
• Klucz imbusowy 9/64'' (tutaj) 5,37 $

Elektronika:

• Zasilacz 12 V (tutaj) 6,99 USD
• Wzmacniacz (tutaj) $10,99
• Kabel Aux (tutaj) 7,54 USD
• Przewód połączeniowy (patrz poniżej)
• Zaciski krokodylkowe (tutaj) 5,19 USD
• Głośnik (tutaj) 4,25 USD
• Śrubokręt (tutaj) 5,99 USD

Konfiguracja sprężyny i kuli:

• Żywica do drukarki 3D (zmienna)
• 2 x akcelerometry (używaliśmy tych) 29,90
• 10 x żeńsko-męskie tęczowe kable (tutaj) 4,67 USD
• 12 x męsko-męskich tęczowych kabli (tutaj) 3,95 USD
• Arduino Uno (tutaj) $23.00
• Kabel USB 2.0 typu A do B (tutaj) 3,95 USD
• Deska do chleba (tutaj) $2.55
• Sprężyny dociskowe (użyliśmy tych) ??
• 2 x niestandardowe złącza (drukowane 3D)
• 2 x nakrętki sześciokątne ⅜’’-16 (tutaj) 1,18 USD
• 4 x 8-32 wkręty dociskowe (tutaj) 6,32 USD
• 4 x nakrętka sześciokątna ¼’’-20 (aluminium) (tutaj) 0,64 USD
• 2 x pręt gwintowany ¼’’-20’’ (aluminium) (tutaj) 11,40
• Klucz imbusowy 7/64 ''
• Klucz imbusowy 5/64 ''
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8'' Śruby (tutaj) 8,69 USD

Inne

• Plastikowy Kubek (tutaj) $6.99
• Płyn do badania lepkości (przetestowaliśmy syrop karo, glicerynę roślinną, syrop czekoladowy Hershey’s)

CAŁKOWITY KOSZT: 183,45 USD*

*nie zawiera żywicy ani płynu do drukarki 3D

Narzędzia

• Wycinarka laserowa
• drukarka 3d

Potrzebne oprogramowanie

• MATLAB
• Arduino

Pliki i kod:

• Plik Adobe Illustrator dla zespołu obudowy (Rheometer_Housing.ai)
• GUI kontrolera głośników (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Plik reometru Arduino (rheometer_project.ino)
• Pliki siatki sferycznej (cor_0.9cmbody.stl i cor_1.5cmbody.stl)
• Plik geometrii ASCII niestandardowego łącznika (Connector_File.step)
• Kod MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Kod MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• Kod MATLAB 3 (reometer_foruser.m)

Krok 1: Część 1: Konfiguracja

Jak skonfigurować platformę eksperymentalną.

Krok 2: Druk 3D i wycinanie laserem wszystkich części (niestandardowe złącza, kule i obudowa)

Krok 3: Podłącz elektronikę, jak pokazano poniżej

Ważna uwaga: Nie podłączaj zasilacza do gniazdka, dopóki wszystkie czynności opisane w tej sekcji nie zostaną wykonane! ZAWSZE ODŁĄCZ ZASILANIE PODCZAS WPROWADZANIA JAKICHKOLWIEK ZMIAN.

Aby rozpocząć, upewnij się, że wzmacniacz jest ustawiony tak, aby pokrętło było skierowane na zewnątrz. Podłącz zaciski krokodylkowe i przewody połączeniowe do lewych dolnych zacisków wzmacniacza. Podłącz przewód zasilający i jego przewód połączeniowy do lewych górnych zacisków wzmacniacza. Przykręć końcówki zacisków, aby zabezpieczyć styki przewodu. Upewnij się, że dodatnie i ujemne zaciski są prawidłowo wyrównane z zaciskami na wzmacniaczu i przypnij zaciski krokodylkowe do głośnika. Upewnij się, że te dwa zaciski nie stykają się.

Krok 4: Konfiguracja GUI

Teraz, gdy elektronika jest już skonfigurowana, możemy przetestować GUI, które pozwoli nam napędzać głośnik i stworzyć system wibracyjny zanurzony w naszym płynie. Głośnik będzie sterowany przez system wyjścia audio w naszym komputerze. Zacznij od pobrania MATLAB i kodu GUI zawartego powyżej. UWAGA: istnieją ustawienia świateł LED, które nie będą używane i należy je zignorować.

Po otwarciu MATLAB uruchom w oknie poleceń „info = audiodevinfo” i kliknij dwukrotnie opcję „wyjście”. Znajdź numer identyfikacyjny opcji słuchawek/głośnika zewnętrznego. W zależności od urządzenia będzie to coś w rodzaju „Głośnik/słuchawki…” lub „Zewnętrzny…” lub „Wyjście wbudowane…”. Ustaw „Identyfikator zewnętrznego głośnika” na ten numer ID.

Teraz przetestujmy, czy nasz system jest poprawnie skonfigurowany. CAŁKOWICIE OBNIŻ GŁOŚNOŚĆ KOMPUTERA. Odłącz kabel audio od komputera i zamiast tego podłącz zestaw słuchawek. Przetestujemy połączenie pod kątem GUI, aby wysłać sygnał do wstrząsarki. Wprowadź 60 Hz jako częstotliwość jazdy w polu tekstowym, jak pokazano poniżej. (To pole akceptuje wartości do 150 Hz). To jest częstotliwość wymuszająca dla twojej konfiguracji. Następnie przesuń amplitudę jazdy do wartości około 0,05. Następnie naciśnij przycisk „Włącz system”, aby wysłać sygnał do słuchawek. Spowoduje to wyzwolenie jednego z kanałów (lewego lub prawego) słuchawek. Zwiększ głośność komputera, aż usłyszysz dźwięk. Naciśnij „Wyłącz system”, gdy usłyszysz sygnał dźwiękowy i upewnij się, że dźwięk przestaje być odtwarzany. Aby zmienić częstotliwość lub amplitudę jazdy systemu podczas jego działania, naciśnij przycisk „Odśwież ustawienia”.

Krok 5: Utwórz zespół masy wibracyjnej

Teraz zaczniemy składać wibrujący system masy, który zanurzymy w naszym płynie. Zignoruj akcelerometry na tym etapie i skup się na montażu kuli, łączników, nakrętek sześciokątnych i sprężyny. Zabezpiecz stalową nakrętkę sześciokątną w każdym z łączników niestandardowych za pomocą śrub ustalających i klucza imbusowego 5/64''. Podłącz jeden z nich do kuli za pomocą aluminiowej nakrętki sześciokątnej i aluminiowego pręta gwintowanego. Połącz oba, jak pokazano powyżej. Na koniec wkręć drugi pręt gwintowany do górnego złącza i częściowo przykręć aluminiową nakrętkę sześciokątną.

Krok 6: Dodaj akcelerometry i Arduino

Korzystając z powyższego schematu podłącz arduino do akcelerometrów. Aby utworzyć długie tęczowe kable, użyj przewodów męsko-męskich (przedstawionych na schemacie jako biały, szary, fioletowy, niebieski i czarny) i podłącz je do przewodów żeńsko-męskich (czerwony, żółty, pomarańczowy, zielony i brązowy). Drugi koniec połączy się z akcelerometrami. Upewnij się, że porty akcelerometru „GND” (masa) i „VCC” (3,3 V) są dopasowane do płytki stykowej, a port „X” jest dopasowany do portów A0 i A3 w Arduino.

Przymocuj końcowe akcelerometry do zespołu masy wibrującej za pomocą śrub 5x3mm 3/16''x1/8''. Musisz upewnić się, że akcelerometr TOP jest podłączony do A0, a akcelerometr BOTTOM do A3, aby kod Arduino działał.

Aby skonfigurować samo Arduino, najpierw pobierz oprogramowanie arduino na swój komputer. Podłącz Arduino do komputera za pomocą kabla USB 2.0. Otwórz dostarczony plik lub skopiuj go i wklej do nowego pliku. Przejdź do narzędzia na górnym pasku i najedź na „Board:”, aby wybrać Arduino Uno. Jeden w dół, najedź na „Port” i wybierz Arduino Uno.

Krok 7: Skonfiguruj ostateczny system

Ostatni etap konfiguracji - składanie wszystkiego w całość! Zacznij od odpięcia zacisków krokodylkowych z głośnika i przykręcenia głośnika do górnej części obudowy za pomocą śrub z łbem sześciokątnym 6-32 x ½”, nakrętki sześciokątnej 6-32 i klucza imbusowego 9/64”. Następnie do głośnika wkręcamy zespół masy wibrującej (z akcelerometrami). Aby uzyskać najlepsze wyniki, zalecamy obracanie głośnika, aby uniknąć splątania przewodów akcelerometru. Dokręć masę do głośnika za pomocą aluminiowej nakrętki sześciokątnej.

Na koniec wsuń trzy boki zespołu obudowy do góry. Zabezpiecz zespół obudowy za pomocą śrub z łbem sześciokątnym 8-32 x 3/4'' i nakrętek sześciokątnych 8-32. Na koniec ponownie przymocuj zaciski krokodylkowe do głośnika. Jesteś gotowy do rozpoczęcia testów!

Wybierz płyn i napełniaj plastikowy kubek, aż kula zostanie całkowicie zanurzona. Nie chcesz, aby kula była częściowo zanurzona, ale uważaj, aby nie zanurzyć kuli tak daleko, aby płyn dotknął aluminiowej nakrętki sześciokątnej.

Krok 8: Część 2: Przeprowadzanie eksperymentu

Teraz, gdy zakończyliśmy nasz montaż, możemy rejestrować nasze dane. Będziesz przechodzić przez częstotliwości od 15 do 75 Hz przy ustawionej amplitudzie jazdy. Zalecamy przyrosty co 5 Hz, ale można to zmienić w celu uzyskania dokładniejszych wyników. Arduino zarejestruje zarówno przyspieszenie głośnika (górny akcelerometr), jak i sfery (dolny akcelerometr), które zarejestrujesz w pliku csv. Dostarczony kod MATLAB 1 i 2 odczyta wartości csv jako oddzielne kolumny, wykona dwusygnałową transformację Fouriera w celu usunięcia szumu z sygnału i wydrukuje wynikowy stosunek amplitudy górnego i dolnego akcelerometru. Kod 3 MATLAB zaakceptuje te stosunki amplitudy i początkową przewidywaną lepkość i wykreśli eksperymentalne i obliczone stosunki w funkcji częstotliwości. Zmieniając przewidywaną lepkość i porównując wizualnie to przypuszczenie z danymi eksperymentalnymi, będziesz w stanie określić lepkość swojego płynu.

Szczegółowe wyjaśnienie kodu MATLAB znajduje się w załączonej dokumentacji technicznej.

Krok 9: Zapisywanie danych w pliku CSV

Aby rozpocząć nagrywanie danych, najpierw upewnij się, że konfiguracja została zakończona zgodnie z opisem w części 1. Upewnij się, że wzmacniacz jest podłączony do gniazdka elektrycznego. Prześlij swój kod Arduino na swoje urządzenie, klikając przycisk „Prześlij” w prawym górnym rogu. Po pomyślnym przesłaniu przejdź do „Narzędzia” i wybierz „Monitor szeregowy”. Upewnij się, że po otwarciu Serial Monitor lub Serial Plotter numer transmisji jest równy numerowi transmisji w kodzie (115200). Zobaczysz dwie kolumny generowanych danych, które są górnymi i dolnymi odczytami akcelerometru.

Otwórz MATLAB GUI i wybierz amplitudę sterowania dla swojego eksperymentu (użyliśmy 0,08 ampera i 0,16 ampera). Będziesz przeszukiwać częstotliwości 15 - 75 Hz, rejestrując dane co 5 Hz (łącznie 13 zestawów danych). Zacznij od ustawienia częstotliwości jazdy na 15 Hz i włącz system, naciskając „Włącz system”. Spowoduje to włączenie głośnika, powodując wibracje sfery i ustawienia w górę iw dół. Wróć do monitora szeregowego Arduino i naciśnij „Wyczyść wyjście”, aby rozpocząć zbieranie świeżych danych. Pozwól tej konfiguracji działać przez około 6 sekund, a następnie odłącz Arduino od komputera. Monitor szeregowy zatrzyma nagrywanie, umożliwiając ręczne kopiowanie i wklejanie około 4 500-5 000 wpisów danych do pliku csv. Podziel dwie kolumny danych na dwie oddzielne kolumny (kolumny 1 i 2). Zmień nazwę tego pliku csv na „15hz.csv”.

Podłącz Arduino z powrotem do komputera (upewnij się, że zresetowałeś port) i powtórz ten proces dla częstotliwości 20 Hz, 25 Hz, … 75 Hz, przestrzegając konwencji nazewnictwa dla plików CSV. Więcej informacji na temat odczytywania tych plików przez MATLAB można znaleźć w dokumencie technicznym.

Jeśli chcesz zaobserwować zmiany stosunku amplitudy w trakcie przemiatania częstotliwości, możesz dodatkowo użyć plotera szeregowego Arduino, aby wizualnie zaobserwować tę różnicę.

Krok 10: Przetwarzaj swoje dane za pomocą kodu MATLAB

Po uzyskaniu danych eksperymentalnych w postaci plików CSV kolejnym krokiem jest wykorzystanie dostarczonego przez nas kodu do przetworzenia danych. Aby uzyskać szczegółowe instrukcje dotyczące korzystania z kodu i wyjaśnienia podstawowej matematyki, zobacz nasz dokument techniczny. Celem jest uzyskanie amplitudy przyspieszenia dla górnego i dolnego akcelerometru, a następnie obliczenie stosunku amplitudy dolnej do amplitudy górnej. Ten stosunek jest obliczany dla każdej częstotliwości jazdy. Stosunki są następnie wykreślane jako funkcja częstotliwości jazdy.

Po uzyskaniu tego wykresu do określenia lepkości płynu używany jest inny zestaw kodów (znowu wyszczególniony w dokumencie technicznym). Ten kod wymaga od użytkownika wprowadzenia początkowej prognozy lepkości i ważne jest, aby ta wstępna ocena była niższa niż rzeczywista lepkość, więc upewnij się, że odgadłeś bardzo niską lepkość, w przeciwnym razie kod nie będzie działał poprawnie. Gdy kod znajdzie lepkość zgodną z danymi eksperymentalnymi, wygeneruje wykres podobny do pokazanego poniżej i pokaże ostateczną wartość lepkości. Gratulujemy ukończenia eksperymentu!

Krok 11: Pliki

Alternatywnie:

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