Edullinen reometri: 11 vaihetta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Tämän ohjeen tarkoitus on luoda edullinen reometri, joka löytää kokeellisesti nesteen viskositeetin. Tämän projektin loi Brownin yliopiston opiskelijoiden tiimi ja jatko -opiskelijat mekaanisten järjestelmien tärinän luokassa.

Reometri on laboratoriolaite, jota käytetään mittaamaan nesteiden viskositeettia (kuinka paksu tai tahmea neste on - ajattele vesi vs. hunaja). On olemassa tiettyjä reometrejä, jotka voivat mitata nesteiden viskositeetin mittaamalla nesteeseen upotetun värisevän järjestelmän vasteen. Tässä edullisessa reometriprojektissa loimme kaiuttimeen kiinnitetystä pallosta ja jousesta värisevän järjestelmän mittaamaan vasteen eri taajuuksilla. Tästä vastekäyrästä näet nesteen viskositeetin.

Tarvikkeet:

Tarvittavat materiaalit:

Kotelokokoonpano:

• Lastulevy (11 '' W x 9 '' H) (tässä) 1,19 dollaria
• 12 x 8-32 x 3/4 '' kuusioruuvit (tässä) $ 9.24 yhteensä
• 12 x 8-32 kuusiomutteri (tässä) 8,39 dollaria
• 4 x 6-32 x ½ '' kuusioruuvi (tässä) 9,95 dollaria
• 4 x 6-32 kuusiomutteri (tässä) 5,12 dollaria
• 9/64 '' kuusiokoloavain (tässä) 5,37 dollaria

Elektroniikka:

• 12 V: n virtalähde (tässä) 6,99 dollaria
• Vahvistin (tässä) 10,99 dollaria
• Aux -kaapeli (tässä) 7,54 dollaria
• Jumper Wire (katso alla)
• Alligaattorileikkeet (tässä) 5,19 dollaria
• Kaiutin (tässä) 4,25 dollaria
• Ruuvimeisseli (tässä) 5,99 dollaria

Kevään ja pallon asennus:

• 3D -tulostinhartsi (vaihteleva)
• 2 x kiihtyvyysmittaria (käytimme näitä) 29,90 dollaria
• 10 x naaras-uros sateenkaarikaapelit (tässä) 4,67 dollaria
• 12 x uros-uros sateenkaarikaapelit (tässä) 3,95 dollaria
• Arduino Uno (tässä) 23,00 dollaria
• USB 2.0 -kaapeli, tyyppi A - B (tässä) 3,95 dollaria
• Leipälauta (tässä) 2,55 dollaria
• Puristusjouset (käytimme näitä) ??
• 2 x mukautetut liittimet (3D -tulostettu)
• 2 x ⅜ ''-16 kuusiomutteria (tässä) 1,18 dollaria
• 4 x 8-32 ruuvia (tässä) $ 6.32
• 4 x ¼ ''-20 Kuusiomutteri (alumiini) (tässä) 0,64 dollaria
• 2 x ¼ ''-20 '' kierretanko (alumiini) (tässä) 11,40 dollaria
• 7/64 '' kuusiokoloavain
• 5/64 '' kuusiokoloavain
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8 '' ruuvit (tässä) 8,69 dollaria

Muut

• Muovikuppi (tässä) 6,99 dollaria
• Neste viskositeetin testaamiseen (testasimme karo -siirappia, kasvisglyseriiniä, Hersheyn suklaasiirappia)

KUSTANNUKSET YHTEENSÄ: 183,45 dollaria*

*ei sisällä 3D -tulostinhartsia tai nestettä

Työkalut

• Laserleikkuri
• 3D tulostin

Tarvittava ohjelmisto

• MATLAB
• Arduino

Tiedostot ja koodi:

• Adobe Illustrator -tiedosto kotelokokoonpanolle (Rheometer_Housing.ai)
• Kaiutinohjaimen käyttöliittymä (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino -reometritiedosto (rheometer_project.ino)
• Sphere -verkkotiedostot (cor_0.9cmbody.stl ja cor_1.5cmbody.stl)
• Muokattu liitin ASCII -geometriatiedosto (Connector_File.step)
• MATLAB -koodi 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB -koodi 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB -koodi 3 (reometer_foruser.m)

Vaihe 1: Osa 1: Asennus

Kokeilualustan määrittäminen

Vaihe 2: 3D -tulostus ja laserleikkaus kaikki osat (mukautetut liittimet, pallot ja kotelo)

Vaihe 3: Liitä elektroniikka alla olevan kuvan mukaisesti

Tärkeää huomata: Älä kytke virtalähdettä pistorasiaan, ennen kuin kaikki tämän osan vaiheet on suoritettu! KATKAISE AINA VIRRANJÄRJESTELMÄ MUUTOKSISSA.

Varmista aluksi, että vahvistin on asetettu nuppi poispäin. Liitä alligaattorin pidikkeet ja hyppyjohtimet vahvistimen vasemmanpuoleisiin liittimiin. Kiinnitä virtajohto ja sen hyppyjohto vahvistimen vasemmanpuoleisiin liittimiin. Kierrä liittimen liittimet kiinni kiinnittääksesi lankatapit. Varmista, että positiiviset ja negatiiviset liittimet ovat oikein linjassa vahvistimen ja leikkeen alligaattoriliittimien liittimien kanssa kaiuttimeen. Varmista, että nämä kaksi pidikettä eivät kosketa toisiaan.

Vaihe 4: Käyttöliittymän määrittäminen

Nyt kun elektroniikka on asennettu, voimme testata graafista käyttöliittymää, jonka avulla voimme ajaa kaiutinta ja luoda nesteeseemme upotetun värisevän järjestelmän. Kaiutinta ohjaa tietokoneemme äänilähtöjärjestelmä. Aloita lataamalla MATLAB ja yllä oleva GUI -koodi. HUOMAUTUS: on olemassa LED -valojen asetuksia, joita ei käytetä ja jotka tulee jättää huomiotta.

Kun olet avannut MATLABin, suorita komentoikkunassa seuraava "info = audiodevinfo" ja kaksoisnapsauta 'output' -vaihtoehtoa. Etsi ulkoisten kuulokkeiden/kaiuttimien tunnusnumero. Se voi olla esimerkiksi "Kaiutin / kuulokkeet …" tai "Ulkoinen …" tai "Sisäänrakennettu ulostulo …" laitteesta riippuen. Aseta”Ulkoisen kaiuttimen tunnus” tähän tunnistenumeroon.

Testaa nyt, että järjestelmämme on asetettu oikein. KÄÄNTÄ TIETOKONEEN ÄÄNENVOIMAKKUUS KAIKKI. Irrota äänikaapeli tietokoneesta ja kytke sen sijaan kuulokkeet. Testataan, että grafiikkaliittymä lähettää signaalin ravistimelle. Kirjoita ajon taajuudeksi 60 Hz tekstikenttään alla olevan kuvan mukaisesti. (Tämä kenttä hyväksyy enintään 150 Hz: n arvot). Tämä on kokoonpanosi pakotustaajuus. Liu'uta sitten ajoamplitudi arvoon noin 0,05. Paina sitten "Käynnistä järjestelmä" -painiketta lähettääksesi signaalin kuulokkeisiisi. Tämä käynnistää yhden kuulokkeiden kanavista (vasen tai oikea). Lisää tietokoneen äänenvoimakkuutta, kunnes kuulet äänen. Paina “Sammuta järjestelmä”, kun kuulet merkkiäänen, ja varmista, että ääni lakkaa soimasta. Jos haluat muuttaa järjestelmän taajuutta tai ajoamplitudia sen ollessa käynnissä, paina "Päivitä asetukset" -painiketta.

Vaihe 5: Luo värähtelevä massakokoonpano

Aloitamme nyt värähtelevän massajärjestelmän kokoamisen, jonka upotamme nesteeseemme. Ohita kiihtyvyysmittarit tässä vaiheessa ja keskity pallon, liittimien, kuusiomutterien ja jousen kokoamiseen. Kiinnitä teräksinen kuusiomutteri jokaiseen mukautettuun liittimeen kiristysruuveilla ja 5/64 '' kuusiokoloavaimella. Yhdistä yksi niistä palloon alumiinisella kuusiomutterilla ja alumiinisella kierretangolla. Yhdistä molemmat yllä olevan kuvan mukaisesti. Kierrä lopuksi toinen kierretanko ylempään liittimeen ja ruuvaa osittain kiinni alumiininen kuusiomutteri.

Vaihe 6: Lisää kiihtyvyysmittarit ja Arduino

Yhdistä arduino kiihtyvyysmittariin yllä olevan kaavion avulla. Luo pitkiä sateenkaarikaapeleita uros-urosjohdoilla (kaaviossa valkoinen, harmaa, violetti, sininen ja musta) ja liitä ne naaras-urosjohtoihin (punainen, keltainen, oranssi, vihreä ja ruskea). Toinen pää liitetään kiihtyvyysmittariin. Varmista, että kiihtyvyysanturin”GND” (maa) ja”VCC” (3,3 volttia) portit on sovitettu leipälevyyn ja että”X” -portti on sovitettu Arduinon A0- ja A3 -portteihin.

Kiinnitä viimeiset kiihtyvyysmittarit värähtelevään massakokoonpanoon käyttämällä 5x3mm 3/16 "x1/8" ruuveja. Sinun on varmistettava, että TOP -kiihtyvyysanturi on kytketty A0: een ja BOTTOM -kiihtyvyysanturi A3: een, jotta Arduino -koodi toimii.

Jos haluat asentaa itse Arduinon, lataa ensin arduino -ohjelmisto tietokoneellesi. Liitä Arduino tietokoneeseen USB 2.0 -kaapelilla. Avaa toimitettu tiedosto tai kopioi ja liitä se uuteen tiedostoon. Siirry yläpalkissa olevaan Työkaluun ja valitse Arduino Uno viemällä hiiri”Board:” päälle. Vie hiiri alaspäin”Portin” päälle ja valitse Arduino Uno.

Vaihe 7: Määritä lopullinen järjestelmä

Kokoonpanon viimeinen vaihe-kokoaminen! Aloita irrottamalla alligaattorin pidikkeet kaiuttimesta ja kiertämällä kaiutin kotelokokoonpanon yläosaan 6-32 x ½ '' kuusioruuvilla, 6-32 kuusiomutterilla ja 9/64 '' kuusiokoloavaimella. Kierrä seuraavaksi tärisevä massakokoonpano (kiihtyvyysmittarilla) kaiuttimeen. Parhaan tuloksen saavuttamiseksi suosittelemme kaiuttimen kääntämistä, jotta vältetään kiihtyvyysmittarin johtojen sotkeutuminen. Kiristä massa kaiuttimeen alumiinisella kuusiomutterilla.

Työnnä lopuksi kotelokokoonpanon kolme sivua yläosaan. Kiinnitä kotelokokoonpano käyttämällä 8-32 x 3/4 '' kuusioruuvia ja 8-32 kuusiomutteria. Kiinnitä lopuksi alligaattoripidikkeet kaiuttimeen. Olet valmis aloittamaan testauksen!

Valitse haluamasi neste ja täytä muovikuppia, kunnes pallo on kokonaan veden alla. Et halua pallon olevan osittain veden alla, mutta ole myös varovainen, ettet upota palloa niin pitkälle, että neste koskettaa alumiinista kuusiomutteria.

Vaihe 8: Osa 2: Kokeilun suorittaminen

Nyt kun kokoonpanomme on valmis, voimme tallentaa tiedot. Selaat taajuuksia välillä 15 - 75 Hz asetetulla ajon amplitudilla. Suosittelemme 5 Hz: n välein, mutta tätä voidaan muuttaa tarkempien tulosten saamiseksi. Arduino tallentaa sekä kaiuttimen kiihtyvyyden (ylin kiihtyvyysmittari) että pallon (alempi kiihtyvyysmittari), jotka tallennat csv -tiedostoon. Annettu MATLAB-koodi 1 ja 2 lukee csv-arvot erillisinä sarakkeina, tekee kaksisignaalisen Fourier-muunnoksen signaalin kohinan poistamiseksi ja tulostaa tuloksena olevan ylä- ja ala-kiihtyvyysmittarin amplitudisuhteen. MATLAB Code 3 hyväksyy nämä amplitudisuhteet ja alustavan arvatun viskositeetin ja piirtää kokeelliset ja lasketut suhteet taajuuksiin. Vaihtamalla arvattua viskositeettiasi ja vertaamalla tätä arvausta visuaalisesti kokeellisiin tietoihin, voit määrittää nesteen viskositeetin.

Lisätietoja MATLAB-koodista on liitteenä olevassa teknisessä dokumentaatiossa.

Vaihe 9: Tietojen tallentaminen CSV -tiedostoon

Aloita tietojen tallentaminen ensin varmistamalla, että asetukset on suoritettu osassa 1 kuvatulla tavalla. Varmista, että vahvistin on kytketty pistorasiaan. Lataa Arduino-koodisi laitteellesi napsauttamalla "Lataa" -painiketta oikeassa yläkulmassa. Kun se on ladattu, siirry kohtaan "Työkalut" ja valitse "Sarjamonitori". Varmista, että kun avaat sarjamonitorin tai sarjaplotterin, että baudin numero on sama kuin koodin baudd -luku (115200). Näet kaksi saraketta dataa, jotka ovat ylempi ja alempi kiihtyvyysmittarin lukema.

Avaa MATLAB -käyttöliittymä ja valitse kokeilulle ajoamplitudi (käytimme 0,08 ja 0,16 ampeeria). Selaat taajuuksia 15 - 75 Hz ja tallennat tietoja 5 Hz: n välein (yhteensä 13 datasarjaa). Aloita asettamalla ajotaajuudeksi 15 Hz ja käynnistä järjestelmä painamalla "Käynnistä järjestelmä". Tämä kytkee kaiuttimen päälle, aiheuttaa pallon ja asettaa värähtelemään ylös ja alas. Palaa Arduino -sarjamonitoriin ja aloita uusien tietojen kerääminen napsauttamalla”Tyhjennä tulostus”. Anna tämän asennuksen toimia noin 6 sekuntia ja irrota sitten Arduino tietokoneesta. Sarjamonitori lopettaa tallennuksen, jolloin voit kopioida ja liittää manuaalisesti noin 4 500-5 000 datamerkintää manuaalisesti csv-tiedostoon. Jaa kaksi tietosaraketta kahteen erilliseen sarakkeeseen (sarakkeet 1 ja 2). Nimeä tämä csv uudelleen "15hz.csv".

Liitä Arduino takaisin tietokoneeseen (muista nollata portti) ja toista tämä prosessi taajuuksille 20 Hz, 25 Hz,… 75 Hz ja noudata CSV -tiedostojen nimeämiskäytäntöä. Katso teknisestä asiakirjasta lisätietoja siitä, miten MATLAB lukee nämä tiedostot.

Jos haluat tarkkailla amplitudisuhteen muutoksia taajuuden pyyhkäisyn aikana, voit lisäksi käyttää tätä eroa visuaalisesti Arduino -sarjaplotterilla.

Vaihe 10: Käsittele tietojasi MATLAB -koodilla

Kun kokeelliset tiedot on saatu CSV -tiedostoina, seuraava vaihe on käyttää annettua koodia tietojen käsittelyyn. Yksityiskohtaiset ohjeet koodin käytöstä ja selitys taustalla olevasta matematiikasta ovat teknisessä asiakirjassa. Tavoitteena on saada kiihtyvyyden amplitudi ylemmälle ja alemmalle kiihtyvyysmittarille ja sitten laskea alemman amplitudin suhde yläamplitudiin. Tämä suhde lasketaan kullekin taajuudelle. Suhteet piirretään sitten taajuuden funktiona.

Kun tämä käyrä on saatu, käytetään toista koodisarjaa (joka on jälleen yksityiskohtainen teknisessä asiakirjassa) nesteen viskositeetin määrittämiseksi. Tämä koodi edellyttää, että käyttäjä syöttää viskositeetin alkuarvauksen, ja on välttämätöntä, että tämä alkuperäinen arvaus on pienempi kuin todellinen viskositeetti, joten muista arvata hyvin alhainen viskositeetti, muuten koodi ei toimi oikein. Kun koodi on löytänyt kokeellisia tietoja vastaavan viskositeetin, se luo alla esitetyn kaltaisen käyrän ja näyttää lopullisen viskositeettiarvon. Onnittelut kokeilun suorittamisesta!

Vaihe 11: Tiedostot

Vaihtoehtoisesti:

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