Goedkope reometer: 11 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Het doel van deze instructable is om een goedkope reometer te maken om experimenteel de viscositeit van een vloeistof te vinden. Dit project is gemaakt door een team van bachelorstudenten en afgestudeerde studenten van Brown University in de klas Vibration of Mechanical Systems.

Een reometer is een laboratoriumapparaat dat wordt gebruikt om de viscositeit van vloeistoffen te meten (hoe dik of plakkerig een vloeistof is - denk aan water versus honing). Er zijn bepaalde reometers die de viscositeit van vloeistoffen kunnen meten door de respons te meten van een trillend systeem ondergedompeld in een vloeistof. In dit goedkope rheometerproject hebben we een trilsysteem gemaakt van een bol en veer die aan een luidspreker zijn bevestigd om de respons op verschillende frequenties te meten. Uit deze responscurve kunt u de viscositeit van de vloeistof vinden.

Benodigdheden:

Benodigde materialen:

Behuizing Montage:

• Spaanplaat (11'' B x 9'' H) (hier) $ 1,19"
• 12 x 8-32 x 3/4'' zeskantschroeven (hier) $ 9,24 tot
• 12 x 8-32 zeskantmoer (hier) $ 8,39
• 4 x 6-32 x ½ '' zeskantschroef (hier) $ 9,95
• 4 x 6-32 zeskantmoer (hier) $ 5,12
• 9/64'' inbussleutel (hier) $ 5,37

Elektronica:

• 12V-voeding (hier) $ 6,99
• Versterker (hier) $ 10,99
• Aux-kabel (hier) $ 7,54
• Doorverbindingsdraad (zie hieronder)
• Alligatorclips (hier) $ 5,19
• Spreker (hier) $ 4,25
• Schroevendraaier (hier) $ 5,99

Opstelling veer & bol:

• 3D-printerhars (variabel)
• 2 x versnellingsmeters (we hebben deze gebruikt) $ 29,90
• 10 x vrouwelijke-mannelijke regenboogkabels (hier) $ 4,67
• 12 x mannelijke-mannelijke regenboogkabels (hier) $ 3,95
• Arduino Uno (hier) $ 23,00
• USB 2.0-kabel Type A naar B (hier) $ 3,95
• Broodplank (hier) $ 2,55
• Compressieveren (we gebruikten deze) ??
• 2 x aangepaste connectoren (3D geprint)
• 2 x ⅜''-16 zeskantmoeren (hier) $ 1,18
• 4 x 8-32 stelschroeven (hier) $ 6,32
• 4 x ¼''-20 zeskantmoer (aluminium) (hier) $ 0,64
• 2 x ¼''-20'' draadstang (aluminium) (hier) $ 11,40
• 7/64'' inbussleutel
• 5/64'' inbussleutel
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8'' Schroeven (hier) $ 8,69"

Ander

• Plastic beker (hier) $ 6,99
• Vloeistof om de viscositeit te testen (we hebben karosiroop, plantaardige glycerine, Hershey's chocoladesiroop getest)

TOTALE KOSTEN: $ 183,45*

*exclusief 3D-printerhars of vloeistof

Gereedschap

• Lasersnijder
• 3D-printer

Software nodig

• MATLAB
• Arduino

Bestanden en code:

• Adobe Illustrator-bestand voor de behuizing (Rheometer_Housing.ai)
• Luidsprekercontroller GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino Rheometer-bestand (rheometer_project.ino)
• Sphere mesh-bestanden (cor_0.9cmbody.stl en cor_1.5cmbody.stl)
• Aangepaste connector ASCII-geometriebestand (Connector_File.step)
• MATLAB-code 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB-code 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB-code 3 (rheometer_foruser.m)

Stap 1: Deel 1: Instellen

Hoe het experimentele platform in te stellen.

Stap 2: 3D-printen en lasersnijden van alle onderdelen (aangepaste connectoren, bollen en behuizing)

Stap 3: Sluit de elektronica aan zoals hieronder weergegeven

Belangrijk om te weten: Steek de stekker niet in het stopcontact voordat alle stappen in dit gedeelte zijn voltooid! HAAL ALTIJD DE STROOMTOEVOER UIT BIJ WIJZIGINGEN.

Zorg er om te beginnen voor dat de versterker wordt geplaatst met de knop naar u toe gericht. Sluit de krokodillenklemmen en jumperdraden aan op de handterminals linksonder op de versterker. Sluit het netsnoer en de bijbehorende jumperdraad aan op de aansluitingen linksboven op de versterker. Schroef de uiteinden van de aansluitklemmen vast om de draadpennen vast te zetten. Zorg ervoor dat de positieve en negatieve aansluitingen goed zijn uitgelijnd met de aansluitingen op de versterker en klem krokodillenklemmen op de luidspreker. Zorg ervoor dat deze twee clips niet met elkaar in contact komen.

Stap 4: GUI instellen

Nu de elektronica is ingesteld, kunnen we de GUI testen waarmee we de luidspreker kunnen aansturen en het vibrerende systeem kunnen creëren dat ondergedompeld is in onze vloeistof. De luidspreker wordt aangestuurd door het audio-uitgangssysteem in onze computer. Begin met het downloaden van MATLAB en de bovenstaande GUI-code. OPMERKING: er zijn instellingen voor LED-verlichting die niet worden gebruikt en genegeerd moeten worden.

Nadat u MATLAB hebt geopend, voert u het volgende uit in het opdrachtvenster, "info = audiodevinfo" en dubbelklikt u op de optie 'output'. Zoek het ID-nummer voor de externe hoofdtelefoon/luidsprekeroptie. Het zal zoiets zijn als "Luidspreker / hoofdtelefoon …" of "Extern …" of "Ingebouwde uitvoer …", afhankelijk van uw machine. Stel de "Externe luidspreker-ID" in op dit ID-nummer.

Laten we nu testen of ons systeem correct is ingesteld. DRAAI HET VOLUME VAN UW COMPUTER HELEMAAL UIT. Koppel de audiokabel los van uw computer en sluit in plaats daarvan een koptelefoon aan. We zullen de verbinding testen voor de GUI om een signaal naar de shaker te sturen. Voer 60 Hz in als de aandrijffrequentie in het tekstveld zoals hieronder weergegeven. (Dit veld accepteert waarden tot 150 Hz). Dit is de forceringsfrequentie voor uw opstelling. Schuif vervolgens de aandrijfamplitude omhoog naar een waarde van ongeveer 0,05. Druk vervolgens op de knop "Systeem inschakelen" om een signaal naar uw hoofdtelefoon te sturen. Hierdoor wordt een van de kanalen (links of rechts) van uw hoofdtelefoon geactiveerd. Verhoog het volume van uw computer totdat u een geluid hoort. Druk op "Systeem uitschakelen" zodra een hoorbare toon hoorbaar is en zorg ervoor dat het geluid stopt met spelen. Om de frequentie of aandrijfamplitude van uw systeem te wijzigen terwijl het in werking is, drukt u op de knop "Instellingen vernieuwen".

Stap 5: Maak de vibrerende massa-assemblage

We zullen nu beginnen met het samenstellen van het vibrerende massasysteem dat we in onze vloeistof zullen onderdompelen. Negeer de versnellingsmeters in deze stap en concentreer u op het monteren van de bol, connectoren, zeskantmoeren en veer. Zet een stalen zeskantmoer vast in elk van de aangepaste connectoren met stelschroeven en de 5/64'' inbussleutel. Verbind een van deze met de bol met een aluminium zeskantmoer en aluminium draadstang. Combineer beide zoals hierboven weergegeven. Schroef tot slot de tweede draadstang in de bovenste connector en schroef gedeeltelijk een aluminium zeskantmoer vast.

Stap 6: Voeg de versnellingsmeters en Arduino toe

Gebruik het bovenstaande diagram om de arduino aan te sluiten op de versnellingsmeters. Om de lange regenboogkabels te maken, gebruikt u de mannelijke-mannelijke draden (in het diagram afgebeeld als wit, grijs, paars, blauw en zwart) en sluit u ze aan op de vrouwelijke-mannelijke draden (rood, geel, oranje, groen en bruin). Het tweede uiteinde maakt verbinding met de versnellingsmeters. Zorg ervoor dat de "GND" (Ground) en "VCC" (3,3 Volt) accelerometer-poorten zijn afgestemd op het breadboard en dat de "X"-poort is afgestemd op de A0- en A3-poorten in de Arduino.

Bevestig de laatste versnellingsmeters aan de vibrerende massa met behulp van 5x3mm 3/16''x1/8'' schroeven. U moet ervoor zorgen dat de TOP-versnellingsmeter is aangesloten op de A0 en de BOTTOM-versnellingsmeter op A3 om de Arduino-code te laten werken.

Om de Arduino zelf in te stellen, download je eerst de Arduino-software op je computer. Sluit de Arduino aan op uw computer met behulp van de USB 2.0-kabel. Open het opgegeven bestand of kopieer en plak het in een nieuw bestand. Navigeer naar de tool in de bovenste balk en plaats de muisaanwijzer op "Board:" om de Arduino Uno te selecteren. Eén naar beneden, zweef over "Poort" en selecteer Arduino Uno.

Stap 7: Stel het definitieve systeem in

Laatste stap van de set-up - alles in elkaar zetten! Begin met het losmaken van de krokodillenklemmen van de luidspreker en schroef de luidspreker in de bovenkant van de behuizing met de 6-32 x ½'' zeskantschroeven, 6-32 zeskantmoer en de 9/64'' inbussleutel. Schroef vervolgens de vibrerende massa-assemblage (met de versnellingsmeters) in de luidspreker. Voor het beste resultaat raden we aan de luidspreker te draaien om te voorkomen dat de draden van de versnellingsmeter in de war raken. Draai de massa aan de luidspreker vast met de aluminium zeskantmoer.

Steek ten slotte de drie zijden van de behuizing in de bovenkant. Zet de behuizing vast met de 8-32 x 3/4'' zeskantschroeven en 8-32 zeskantmoeren. Bevestig ten slotte de krokodillenklemmen weer aan de luidspreker. U bent klaar om te beginnen met testen!

Kies je vloeistof naar keuze en vul je plastic beker totdat de bol volledig ondergedompeld is. Je wilt niet dat de bol gedeeltelijk wordt ondergedompeld, maar pas ook op dat je de bol niet zo ver onderdompelt dat de vloeistof de aluminium zeskantmoer raakt.

Stap 8: Deel 2: Het experiment uitvoeren

Nu we onze assembly hebben voltooid, kunnen we onze gegevens vastleggen. U zwaait door frequenties tussen 15 - 75 Hz met een ingestelde rijamplitude. We raden stappen van 5 Hz aan, maar dit kan worden gewijzigd voor nauwkeurigere resultaten. De Arduino zal zowel de versnelling voor de luidspreker (bovenste versnellingsmeter) als de bol (onderste versnellingsmeter) opnemen die u in een csv-bestand opneemt. De geleverde MATLAB-code 1 & 2 leest de csv-waarden in als afzonderlijke kolommen, voert een fouriertransformatie met twee signalen uit om het signaal te de-ruisen en drukt de resulterende amplitudeverhouding van de bovenste en onderste versnellingsmeter af. MATLAB Code 3 accepteert deze amplitudeverhoudingen en een aanvankelijk geraden viscositeit en plot de experimentele en berekende verhoudingen versus frequenties. Door uw geschatte viscositeit te variëren en deze schatting visueel te vergelijken met de experimentele gegevens, kunt u de viscositeit van uw vloeistof bepalen.

Zie de bijgevoegde technische documentatie voor een uitgebreide uitleg van MATLAB-code.

Stap 9: Gegevens opnemen in een CSV

Om te beginnen met het opnemen van gegevens, moet u er eerst voor zorgen dat uw installatie is voltooid zoals beschreven in deel 1. Zorg ervoor dat de versterker is aangesloten op een stopcontact. Upload uw Arduino-code naar uw apparaat door op de knop "Uploaden" in de rechterbovenhoek te klikken. Zodra dat met succes is geüpload, navigeert u naar "Tools" en selecteert u de "Serial Monitor". Zorg ervoor dat wanneer u Serial Monitor of Serial Plotter opent dat het baudd-nummer gelijk is aan het baudd-nummer in de code (115200). U zult zien dat er twee kolommen met gegevens worden gegenereerd, de bovenste en onderste versnellingsmeterwaarden.

Open de MATLAB GUI en kies een stuuramplitude voor uw experiment (we gebruikten 0,08 ampère en 0,16 ampère). U zult door frequenties 15 - 75 Hz vegen en gegevens opnemen om de 5 Hz (13 sets gegevens in totaal). Begin met het instellen van de rijfrequentie op 15 Hz en schakel het systeem in door op "Systeem inschakelen" te klikken. Hierdoor wordt je luidspreker ingeschakeld, waardoor de bol op en neer gaat trillen. Ga terug naar je Arduino Seriële Monitor en klik op "Uitvoer wissen" om te beginnen met het verzamelen van nieuwe gegevens. Laat deze instelling ongeveer 6 seconden draaien en koppel vervolgens de Arduino los van uw computer. De seriële monitor stopt met opnemen, zodat u handmatig ongeveer 4.500-5.000 gegevensinvoer kunt kopiëren en plakken in een csv-bestand. Splits de twee kolommen met gegevens in twee afzonderlijke kolommen (kolommen 1 en 2). Hernoem dit csv "15hz.csv".

Sluit uw Arduino weer aan op uw computer (zorg ervoor dat u de poort opnieuw instelt) en herhaal dit proces voor frequenties 20 Hz, 25 Hz, … 75Hz en zorg ervoor dat u de naamgevingsconventie voor CSV-bestanden volgt. Zie het technische document voor meer informatie over hoe deze bestanden worden gelezen door MATLAB.

Als u de veranderingen in de amplitudeverhouding tijdens de frequentiezwaai wilt observeren, kunt u bovendien de Arduino Serial Plotter gebruiken om dit verschil visueel waar te nemen.

Stap 10: Verwerk uw gegevens met de MATLAB-code

Zodra experimentele gegevens zijn verkregen in de vorm van CSV-bestanden, is de volgende stap het gebruik van onze verstrekte code om de gegevens te verwerken. Voor gedetailleerde instructies over het gebruik van de code en voor een uitleg van de onderliggende wiskunde, zie ons technisch document. Het doel is om de amplitude van de versnelling voor de bovenste en onderste versnellingsmeter te verkrijgen en vervolgens de verhouding van de onderste amplitude tot de bovenste amplitude te berekenen. Deze verhouding wordt berekend voor elke rijfrequentie. De verhoudingen worden vervolgens uitgezet als een functie van de aandrijffrequentie.

Zodra deze grafiek is verkregen, wordt een andere reeks code (opnieuw gedetailleerd in het technische document) gebruikt om de vloeistofviscositeit te bepalen. Deze code vereist dat de gebruiker een initiële schatting voor de viscositeit invoert, en het is essentieel dat deze initiële schatting lager is dan de werkelijke viscositeit, dus zorg ervoor dat u een zeer lage viscositeit raadt, anders zal de code niet goed werken. Zodra de code een viscositeit heeft gevonden die overeenkomt met de experimentele gegevens, genereert deze een plot zoals hieronder weergegeven en wordt de uiteindelijke viscositeitswaarde weergegeven. Gefeliciteerd met het voltooien van het experiment!

Stap 11: Bestanden

Alternatief:

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