Lavpris-reometer: 11 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Hensikten med denne instruerbare er å lage et rimelig reometer for å eksperimentelt finne viskositeten til en væske. Dette prosjektet ble opprettet av et team fra Brown University bachelor- og doktorgradsstudenter i klassen Vibration of Mechanical Systems.

Et reometer er en laboratorieenhet som brukes til å måle viskositeten til væsker (hvor tykk eller klebrig en væske er - tenk vann mot honning). Det er visse reometre som kan måle viskositeten til væsker ved å måle responsen til et vibrerende system som er nedsenket i et fluid. I dette rimelige reometerprosjektet opprettet vi et vibrerende system fra en kule og fjær festet til en høyttaler for å måle responsen ved forskjellige frekvenser. Fra denne responskurven kan du finne viskositeten til væsken.

Rekvisita:

Nødvendige materialer:

Husmontering:

• Sponplate (11 '' W x 9 '' H) (her) $ 1,19
• 12 x 8-32 x 3/4 '' sekskantskruer (her) $ 9,24 tot
• 12 x 8-32 Sekskantmutter (her) $ 8,39
• 4 x 6-32 x ½ '' sekskantskrue (her) $ 9,95
• 4 x 6-32 sekskantmutter (her) $ 5,12
• 9/64 '' unbrakonøkkel (her) $ 5,37

Elektronikk:

• 12V strømforsyning (her) $ 6,99
• Forsterker (her) $ 10,99
• Aux -kabel (her) $ 7,54
• Jumper Wire (se nedenfor)
• Alligatorklipp (her) $ 5,19
• Høyttaler (her) $ 4,25
• Skrutrekker (her) $ 5,99

Vår- og sfæreoppsett:

• 3D -skriverharpiks (variabel)
• 2 x akselerometre (vi brukte disse) $ 29,90
• 10 x hunn-mannlige regnbuekabler (her) $ 4,67
• 12 x mannlige-mannlige regnbuekabler (her) $ 3,95
• Arduino Uno (her) $ 23,00
• USB 2.0 -kabel Type A til B (her) $ 3,95
• Brødbrett (her) $ 2,55
• Kompresjonsfjærer (vi brukte disse) ??
• 2 x tilpassede kontakter (3D -trykt)
• 2 x ⅜ ''-16 sekskantmutter (her) $ 1,18
• 4 x 8-32 settskruer (her) $ 6,32
• 4 x ¼ ''-20 sekskantmutter (aluminium) (her) $ 0,64
• 2 x ¼ ''-20 '' gjengestang (aluminium) (her) $ 11,40
• 7/64 '' unbrakonøkkel
• 5/64 '' unbrakonøkkel
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8 '' skruer (her) $ 8,69

Annen

• Plastkopp (her) $ 6,99
• Væske for å teste viskositet (vi testet karosirup, vegetabilsk glyserin, Hersheys sjokoladesirup)

TOTAL KOSTNAD: $ 183,45*

*inkluderer ikke 3D -skriverharpiks eller væske

Verktøy

• Laserskærer
• 3D -skriver

Programvare som trengs

• MATLAB
• Arduino

Filer og kode:

• Adobe Illustrator -fil for husmonteringen (Rheometer_Housing.ai)
• Høyttalerkontroller GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino Rheometer -fil (rheometer_project.ino)
• Sphere mesh -filer (cor_0.9cmbody.stl og cor_1.5cmbody.stl)
• Egendefinert Connector ASCII geometri -fil (Connector_File.step)
• MATLAB -kode 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB Code 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB Code 3 (rheometer_foruser.m)

Trinn 1: Del 1: Sett opp

Hvordan sette opp den eksperimentelle plattformen.

Trinn 2: 3D -utskrift og laserskjæring av alle deler (tilpassede kontakter, kuler og hus)

Trinn 3: Koble til elektronikken som vist nedenfor

Viktig å merke seg: Ikke koble strømforsyningen til stikkontakten før alle trinnene i denne delen er fullført! KOBLE ALLTID AV STRØMFORSYNINGEN NÅR DU SKAL ENDRE ENDRE.

For å starte må du kontrollere at forsterkeren er plassert med knappen vendt bort. Koble krokodilleklippene og jumperkablene til terminalene til venstre og nederst på forsterkeren. Fest strømledningen og den tilhørende ledningen til terminalene øverst til venstre på forsterkeren. Skru ned på terminalforbindelsens ender for å feste trådpinnene. Sørg for at de positive og negative terminalene stemmer overens med terminalene på forsterkeren og fester alligatorklemmer til høyttaleren. Pass på at disse to klippene ikke kommer i kontakt.

Trinn 4: Oppsett av GUI

Nå som elektronikken er satt opp, kan vi teste GUI som lar oss drive høyttaleren og lage vibrasjonssystemet nedsenket i væsken vår. Høyttaleren vil bli styrt av lydutgangssystemet i datamaskinen vår. Start med å laste ned MATLAB og GUI -koden inkludert ovenfor. MERK: Det er LED -lysinnstillinger som ikke vil bli brukt og bør ignoreres.

Når du har åpnet MATLAB, kjører du følgende i kommandovinduet, "info = audiodevinfo" og dobbeltklikker på alternativet "output". Finn ID -nummeret for de eksterne hodetelefonene/høyttalerne. Det vil være noe som "Høyttaler / hodetelefoner …" eller "Ekstern …" eller "Innebygd utgang …" avhengig av maskinen din. Sett "Ekstern høyttaler -ID" til dette ID -nummeret.

La oss nå teste at systemet vårt er riktig konfigurert. VEND DATAMASKINEN DIN NED HELE veien. Koble fra lydkabelen fra datamaskinen og sett i stedet et sett med hodetelefoner. Vi tester tilkoblingen for GUI for å sende et signal til shaker. Skriv inn 60 Hz som kjørefrekvens i tekstfeltet som vist nedenfor. (Dette feltet godtar verdier opptil 150 Hz). Dette er tvangsfrekvensen for oppsettet ditt. Skyv deretter kjøreamplituden opp til en verdi på omtrent 0,05. Trykk deretter på "Slå på system" -knappen for å sende et signal til hodetelefonene. Dette vil utløse en av kanalene (venstre eller høyre) på hodetelefonene. Skru opp datamaskinens volum til en lyd kan høres. Trykk på "Slå av systemet" når en hørbar tone kan høres, og sørg for at lyden slutter å spille. For å endre frekvensen eller kjøreamplituden til systemet mens det kjører, trykker du på "Oppdater innstillinger" -knappen.

Trinn 5: Lag den vibrerende massemontasjen

Vi vil nå begynne å montere det vibrerende massesystemet som vi vil senke i væsken vår. Ignorer akselerometrene i dette trinnet og fokuser på å montere sfæren, kontakter, sekskantmutter og fjær. Fest en sekskantmutter i stål i hver av de tilpassede kontaktene med settskruer og 5/64 '' unbrakonøkkelen. Koble en av disse til sfæren med en sekskantmutter i aluminium og gjengestang i aluminium. Kombiner begge som vist ovenfor. Skru til slutt den andre gjengestangen inn i den øverste kontakten og skru delvis på en sekskantmutter i aluminium.

Trinn 6: Legg til akselerometre og Arduino

Koble arduinoen til akselerometrene ved hjelp av diagrammet ovenfor. For å lage de lange regnbuekablene, bruk han-hann-ledningene (bildet i diagrammet som de hvite, grå, lilla, blå og svarte) og koble dem til hunn-hann-ledningene (rød, gul, oransje, grønn og brun). Den andre enden kobles til akselerometrene. Sørg for at “GND” (bakken) og “VCC” (3,3 volt) akselerometerportene er tilpasset brødbrettet og at “X” -porten er tilpasset A0 og A3 portene i Arduino.

Fest de siste akselerometerene til vibrasjonsmassenheten med 5x3mm 3/16''x1/8 '' skruer. Du må sørge for at TOP -akselerometeret er koblet til A0 og BOTTOM akselerometer til A3 for at Arduino -koden skal fungere.

For å sette opp selve Arduino må du først laste ned arduino -programvaren til datamaskinen din. Koble Arduino til datamaskinen din med USB 2.0 -kabelen. Åpne den medfølgende filen, eller kopier den og lim den inn i en ny fil. Naviger til Verktøyet i den øverste linjen og hold markøren over "Brett:" for å velge Arduino Uno. En nedover, hold markøren over "Port" og velg Arduino Uno.

Trinn 7: Konfigurer det endelige systemet

Siste trinn i oppsettet-å sette alt sammen! Start med å løsne krokodilleklippene fra høyttaleren og skru høyttaleren på toppen av huset med 6-32 x ½ '' sekskantskruer, 6-32 sekskantmutter og 9/64 '' unbrakonøkkel. Deretter skruer du den vibrerende massenheten (med akselerometerne) inn i høyttaleren. For det beste resultatet, anbefaler vi å snu høyttaleren for å unngå å flette akselerometerledningene. Stram massen til høyttaleren med sekskantmutteren i aluminium.

Sett til slutt de tre sidene av husetheten inn i toppen. Fest huset med 8-32 x 3/4 '' sekskantskruer og 8-32 sekskantmuttere. Fest til slutt krokodilleklippene til høyttaleren. Du er klar til å begynne å teste!

Velg din foretrukne væske og fyll plastkoppen til kulen er helt nedsenket. Du vil ikke at sfæren skal være delvis nedsenket, men vær også forsiktig så du ikke senker sfæren så langt at væsken berører aluminiums sekskantmutteren.

Trinn 8: Del 2: Kjøre eksperimentet

Nå som vi har fullført monteringen, kan vi registrere dataene våre. Du vil sveipe gjennom frekvenser mellom 15 - 75 Hz ved en angitt kjøreamplitude. Vi anbefaler trinn på 5 Hz, men dette kan endres for mer presise resultater. Arduino vil registrere både akselerasjonen for høyttaleren (toppakselometer) og sfæren (nedre akselerometer) som du vil spille inn i en csv -fil. Den oppgitte MATLAB-koden 1 og 2 vil lese i csv-verdiene som separate kolonner, utføre en to-signalers fouriertransformasjon for å avstøye signalet og skrive ut det resulterende amplitudeforholdet til topp- og bunnakselometeret. MATLAB Code 3 vil godta disse amplitudeforholdene og en innledende gjettet viskositet og plotte de eksperimentelle og beregnede forholdene vs frekvenser. Ved å variere din gjette viskositet og visuelt sammenligne denne gjetningen med eksperimentelle data, vil du kunne bestemme viskositeten til væsken din.

For en grundig forklaring av MATLAB-koden, se vedlagt teknisk dokumentasjon.

Trinn 9: Registrere data i en CSV

For å begynne å registrere data må du først kontrollere at oppsettet er fullført som beskrevet i del 1. Kontroller at forsterkeren er koblet til en stikkontakt. Last opp Arduino-koden til enheten din ved å klikke på "Last opp" -knappen øverst til høyre. Når det er lastet opp, navigerer du til "Verktøy" og velger "Serial Monitor". Sørg for at baudd -nummeret er lik baudd -nummeret i koden (115200) når du åpner Serial Monitor eller Serial Plotter. Du vil se to kolonner med data som genereres, som er topp- og bunnakselometermålingen.

Åpne MATLAB GUI og velg en kjøreamplitude for eksperimentet ditt (vi brukte 0,08 ampere og 0,16 ampere). Du vil bla gjennom frekvensene 15 - 75 Hz og registrere data hver 5. Hz (totalt 13 datasett). Start med å sette kjørefrekvensen til 15 Hz og slå på systemet ved å trykke på "Slå på systemet." Dette vil slå på høyttaleren, noe som får sfæren til å vibrere opp og ned. Gå tilbake til din Arduino Serial Monitor og trykk "Clear Output" for å begynne å samle ferske data. La dette oppsettet kjøre i omtrent 6 sekunder, og koble deretter Arduino fra datamaskinen. Serial Monitor vil stoppe opptaket, slik at du kan kopiere og lime inn omtrent 4, 500-5, 000 dataposter manuelt i en csv-fil manuelt. Del de to datakolonnene i to separate kolonner (kolonner 1 og 2). Gi nytt navn til denne csv "15hz.csv".

Plugg Arduino tilbake til datamaskinen (sørg for å tilbakestille porten) og gjenta denne prosessen for frekvenser 20 Hz, 25 Hz, … 75 Hz og sørg for å følge navngivningskonvensjonen for CSV -filer. Se det tekniske dokumentet for ytterligere informasjon om hvordan disse filene leses av MATLAB.

Hvis du vil observere endringer i amplitudeforholdet over frekvensfeipingen, kan du i tillegg bruke Arduino Serial Plotter til å observere denne forskjellen visuelt.

Trinn 10: Behandle dataene dine med MATLAB -koden

Når eksperimentelle data er innhentet i form av CSV -filer, er neste trinn å bruke den oppgitte koden til å behandle dataene. For detaljerte instruksjoner om bruk av koden og en forklaring på den underliggende matematikken, se vårt tekniske dokument. Målet er å oppnå akselerasjonsamplituden for topp- og bunnakselometeret, for deretter å beregne forholdet mellom bunnamplituden og toppamplituden. Dette forholdet beregnes for hver kjørefrekvens. Forholdene blir deretter plottet som en funksjon av kjørefrekvensen.

Når dette plottet er oppnådd, brukes et annet sett med kode (igjen beskrevet i det tekniske dokumentet) for å bestemme væskens viskositet. Denne koden krever at brukeren angir en innledende gjetning for viskositeten, og det er viktig at denne første gjetningen er lavere enn den faktiske viskositeten, så sørg for å gjette en veldig lav viskositet, ellers fungerer ikke koden som den skal. Når koden har funnet en viskositet som samsvarer med eksperimentelle data, vil den generere et plott som det som vises nedenfor og vise den endelige viskositetsverdien. Gratulerer med fullført eksperiment!

Trinn 11: Filer

Alternativt:

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