Laekoste-reometer: 11 stappe (met foto's)

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:23

Die doel van hierdie instruksies is om 'n goedkoop reometer te skep om die viskositeit van 'n vloeistof eksperimenteel te bepaal. Hierdie projek is geskep deur 'n span voorgraadse en gegradueerde studente van die Brown -universiteit in die klas Vibration of Mechanical Systems.

'N Reometer is 'n laboratoriumtoestel wat gebruik word om die viskositeit van vloeistowwe te meet (hoe dik of taai 'n vloeistof is - dink water teenoor heuning). Daar is sekere reometers wat die viskositeit van vloeistowwe kan meet deur die reaksie van 'n trilstelsel wat in 'n vloeistof gedompel is, te meet. In hierdie goedkoop rheometer-projek het ons 'n trilstelsel geskep uit 'n bol en veer wat aan 'n luidspreker gekoppel is om die reaksie op verskillende frekwensies te meet. Uit hierdie reaksiekurwe kan u die viskositeit van die vloeistof bepaal.

Benodighede:

Benodigde materiaal:

Behuising Vergadering:

• Spaanplank (11 "W x 9" H) (hier) $ 1,19
• 12 x 8-32 x 3/4 '' Hex-kopskroewe (hier) $ 9,24 tot
• 12 x 8-32 Hex moer (hier) $ 8,39
• 4 x 6-32 x ½ '' Hex-kopskroef (hier) $ 9,95
• 4 x 6-32 Hex moer (hier) $ 5,12
• 9/64 '' Allen Key (hier) $ 5,37

Elektronika:

• 12V kragtoevoer (hier) $ 6,99
• Versterker (hier) $ 10,99
• Aux -kabel (hier) $ 7,54
• Jumper Wire (sien hieronder)
• Alligator -knipsels (hier) $ 5,19
• Spreker (hier) $ 4,25
• Skroewedraaier (hier) $ 5,99

Opstel van lente en sfeer:

• 3D -printerhars (veranderlik)
• 2 x versnellingsmeters (ons het dit gebruik) $ 29,90
• 10 x reënboogkabels (hier) $ 4,67
• 12 x reënboogkabels manlik-manlik (hier) $ 3,95
• Arduino Uno (hier) $ 23,00
• USB 2.0 -kabel Tipe A tot B (hier) $ 3,95
• Broodbord (hier) $ 2,55
• Kompressievere (ons het dit gebruik) ??
• 2 x pasgemaakte verbindings (3D -gedruk)
• 2 x ⅜ ''-16 heksneute (hier) $ 1,18
• 4 x 8-32 stelskroewe (hier) $ 6,32
• 4 x ¼ ''-20 Hex moer (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 '' skroewe (hier) $ 8,69

Ander

• Plastiekbeker (hier) $ 6,99
• Vloeistof om viskositeit te toets (ons het karosiroop, groenteglycerien, Hersheys sjokoladesiroop getoets)

TOTALE KOSTE: $ 183,45*

*sluit nie 3D -printerhars of vloeistof in nie

Gereedskap

• Lasersnyer
• 3D -drukker

Sagteware benodig

• MATLAB
• Arduino

Lêers en kode:

• Adobe Illustrator -lêer vir die behuising (Rheometer_Housing.ai)
• Luidsprekerbeheerder GUI (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino Rheometer -lêer (rheometer_project.ino)
• Sphere mesh -lêers (cor_0.9cmbody.stl en cor_1.5cmbody.stl)
• Custom Connector ASCII meetkunde lêer (Connector_File.step)
• MATLAB Kode 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB Kode 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB Kode 3 (rheometer_foruser.m)

Stap 1: Deel 1: Opstel

Hoe om die eksperimentele platform op te stel.

Stap 2: 3D -druk en lasersny alle dele (pasgemaakte verbindings, bolle en behuising)

Stap 3: Koppel die elektronika aan soos hieronder aangedui

Belangrik om op te let: moenie die kragtoevoer in die stopcontact aansluit voordat alle stappe in hierdie afdeling voltooi is nie! KOPPEL ALTYD DIE KRAGTOEVOER WANNEER ENIGE VERANDERINGE WORD.

Om mee te begin, moet u seker maak dat die versterker met die knop na onder wys. Koppel die krokodilleklemme en jumperdrade aan die terminale links onder op die versterker. Koppel die netsnoer en sy aansluitdraad aan die linkerkantste terminale op die versterker. Skroef die eindpunte van die aansluitpunte vas om die draadpenne vas te maak. Maak seker dat die positiewe en negatiewe terminale behoorlik in lyn is met die terminale op die versterker en dat die krokodilleklemme aan die luidspreker vasgemaak word. Maak seker dat hierdie twee snitte nie in aanraking kom nie.

Stap 4: Opstel van GUI

Noudat die elektronika opgestel is, kan ons die GUI toets wat ons in staat stel om die luidspreker aan te dryf en die vibrerende stelsel in ons vloeistof te laat dompel. Die luidspreker word beheer deur die klankuitsetstelsel in ons rekenaar. Laai die MATLAB en die GUI -kode hierbo af. LET WEL: daar is LED -ligte -instellings wat nie gebruik sal word nie en wat nie geïgnoreer moet word nie.

Nadat u MATLAB oopgemaak het, voer die volgende uit in die opdragvenster, "info = audiodevinfo" en dubbelklik op die 'uitvoer' opsie. Vind die ID -nommer vir die eksterne koptelefoon/luidspreker opsie. Dit hang af van u masjien, soos 'luidspreker / koptelefoon …' of 'ekstern …' of 'ingeboude uitvoer' … Stel die "Eksterne luidspreker -ID" op hierdie ID -nommer.

Laat ons nou toets dat ons stelsel korrek opgestel is. Draai u rekenaarvolume heeltemal af. Ontkoppel die audiokabel van u rekenaar en steek in plaas daarvan 'n stel koptelefoon in. Ons sal die verbinding toets vir die GUI om 'n sein na die shaker te stuur. Voer 60 Hz as die dryffrekwensie in die teksveld in soos hieronder getoon. (Hierdie veld aanvaar waardes tot 150 Hz). Dit is die dwingfrekwensie vir u opstelling. Skuif dan die ry -amplitude tot 'n waarde van ongeveer 0,05. Druk dan op die knoppie "Skakel stelsel aan" om 'n sein na u koptelefoon te stuur. Dit aktiveer een van die kanale (links of regs) van u koptelefoon. Verhoog die rekenaar se volume totdat 'n geluid gehoor kan word. Druk op die "Skakel stelsel af" sodra 'n klank gehoor kan word en maak seker dat die geluid nie meer speel nie. Klik op die knoppie "Instellings verfris" om die frekwensie of amplitude van u stelsel te verander terwyl dit werk.

Stap 5: Skep die vibrerende massa -samestelling

Ons sal nou begin met die montering van die vibrerende massastelsel wat ons in ons vloeistof sal dompel. Ignoreer die versnellingsmeters in hierdie stap en fokus op die montering van die bol, verbindings, heksneute en veer. Bevestig 'n heksemoer van staal in elk van die pasgemaakte verbindings met stelskroewe en die 5/64 '' inbussleutel. Koppel een hiervan aan die bol met 'n aluminium heksemoer en aluminium draadstang. Kombineer albei soos hierbo getoon. Skroef laastens die tweede draadstang in die boonste aansluiting en skroef 'n aluminium seskantmoer gedeeltelik vas.

Stap 6: Voeg die versnellingsmeters en Arduino by

Koppel die arduino aan die versnellingsmeters deur die diagram hierbo te gebruik. Om die lang reënboogkabels te skep, gebruik die mannetjie-mannetjiesdrade (op die diagram as die wit, grys, pers, blou en swart) en verbind dit met die vroulike-manlike drade (rooi, geel, oranje, groen en bruin). Die tweede einde sal met die versnellingsmeters verbind word. Maak seker dat die “GND” (grond) en “VCC” (3,3 volt) versnellingsmeterpoortjies by die broodbord pas en dat die “X” -poort by die A0- en A3 -poort in die Arduino pas.

Bevestig die laaste versnellingsmeters met die skroewe van 5x3mm 3/16'x1/8 '' aan die vibrerende massa -eenheid. U moet seker maak dat die TOP -versnellingsmeter aan die A0 en die ONDERSTE versnellingsmeter op A3 gekoppel is, sodat die Arduino -kode werk.

Laai eers die arduino -sagteware op u rekenaar af om die Arduino self op te stel. Koppel die Arduino aan op u rekenaar met die USB 2.0 -kabel. Maak die lêer oop of kopieer dit en plak dit in 'n nuwe lêer. Navigeer na die instrument in die boonste balk en beweeg oor "Board:" om die Arduino Uno te kies. Beweeg een oor 'Port' en kies Arduino Uno.

Stap 7: Stel die finale stelsel op

Laaste stap van die opstelling-om alles bymekaar te sit! Begin deur die krokodilleklemme van die luidspreker los te maak en die luidspreker aan die bokant van die behuizing vas te skroef met die 6-32 x ½ '' Hex-kopskroewe, 6-32 seskantmoer en die 9/64 '' inbussleutel. Skroef dan die vibrerende massa -eenheid (met die versnellingsmeters) in die luidspreker. Vir die beste resultaat, raai ons aan om die luidspreker te draai om te voorkom dat die versnellingsmeterdrade verstrengel raak. Draai die massa aan die luidspreker vas met die aluminium heksemoer.

Sluit laastens die drie kante van die behuising aan die bokant. Bevestig die behuising met behulp van die 8-32 x 3/4 '' hekseskroewe en 8-32 seskantmoere. Bevestig laastens die krokodilleklemme weer aan die luidspreker. U is gereed om te begin toets!

Kies die vloeistof wat u verkies en vul u plastiekbeker totdat die bol heeltemal ondergedompel is. U wil nie hê dat die sfeer gedeeltelik onderdompel moet word nie, maar wees ook versigtig om nie die bol so diep te dompel dat die vloeistof die aluminium hekselmoer raak nie.

Stap 8: Deel 2: Die uitvoer van die eksperiment

Noudat ons ons vergadering voltooi het, kan ons ons data opneem. U sal deur frekwensies tussen 15 - 75 Hz op 'n vasgestelde ryamplitude sweef. Ons beveel stappe van 5 Hz aan, maar dit kan verander word vir meer akkurate resultate. Die Arduino sal beide die versnelling vir die luidspreker (boonste versnellingsmeter) en die sfeer (onderste versnellingsmeter) opneem wat u in 'n csv -lêer sal opneem. Die verskafde MATLAB-kode 1 en 2 sal in die csv-waardes as afsonderlike kolomme gelees word, 'n tweesignaal-viervorm-transformasie doen om die sein te ontroer en die gevolglike amplitudeverhouding van die boonste en onderste versnellingsmeter uit te druk. MATLAB Code 3 sal hierdie amplitudeverhoudings en 'n aanvanklike geraamde viskositeit aanvaar en die eksperimentele en berekende verhoudings versus frekwensies uitbeeld. Deur u geraamde viscositeit te verander en hierdie raaiskoot visueel te vergelyk met die eksperimentele data, kan u die viskositeit van u vloeistof bepaal.

Sien die aangehegte tegniese dokumentasie vir 'n diepgaande verduideliking van die MATLAB-kode.

Stap 9: Opneem van data in 'n CSV

Om data te begin opneem, moet u eers seker maak dat u opstelling voltooi is soos beskryf in Deel 1. Maak seker dat die versterker in 'n stopcontact gekoppel is. Laai u Arduino-kode op u toestel op deur op die "Upload" -knoppie in die regter boonste hoek te klik. Sodra dit suksesvol opgelaai is, gaan na "Tools" en kies die "Serial Monitor." As u Serial Monitor of Serial Plotter oopmaak, is die baudd -nommer gelyk aan die baudd -nommer in die kode (115200). U sien twee kolomme data wat gegenereer word, die boonste en onderste versnellingsmeterlesings.

Maak die MATLAB GUI oop en kies 'n bestuursamplitude vir u eksperiment (ons gebruik 0.08 ampère en 0.16 ampère). U sal deur frekwensies 15 - 75 Hz deurvee en elke 5 Hz data opneem (13 stelle datatotaal). Stel die ryfrekwensie op 15 Hz in en skakel die stelsel aan deur op "Skakel stelsel aan" te klik. Dit sal jou luidspreker aanskakel, wat veroorsaak dat die sfeer op en af vibreer. Gaan terug na u Arduino Serial Monitor en druk op 'Clear Output' om nuwe data te versamel. Laat die opstelling ongeveer 6 sekondes loop en trek die Arduino van u rekenaar af. Die Serial Monitor sal die opname stop, sodat u ongeveer 4, 500-5, 000 data-inskrywings handmatig in 'n csv-lêer kan kopieer en plak. Verdeel die twee kolomme data in twee afsonderlike kolomme (kolomme 1 en 2). Hernoem hierdie csv "15hz.csv".

Koppel u Arduino weer aan op u rekenaar (maak seker dat u die poort herstel) en herhaal hierdie proses vir frekwensies van 20 Hz, 25 Hz, … 75 Hz, en sorg dat u die naamkonvensie vir CSV -lêers volg. Raadpleeg die tegniese dokument vir meer inligting oor hoe hierdie lêers deur MATLAB gelees word.

As u die amplitudeveranderinge oor die frekwensie -sweep wil sien, kan u ook die Arduino Serial Plotter gebruik om hierdie verskil visueel te sien.

Stap 10: Verwerk u data met die MATLAB -kode

Sodra eksperimentele data in die vorm van CSV -lêers verkry is, is die volgende stap om ons kode te gebruik om die data te verwerk. Raadpleeg ons tegniese dokument vir gedetailleerde instruksies oor die gebruik van die kode en 'n verduideliking van die onderliggende wiskunde. Die doel is om die versnellings amplitude vir die boonste en onderste versnellingsmeter te verkry en dan die verhouding van die onderste amplitude tot die boonste amplitude te bereken. Hierdie verhouding word bereken vir elke ritfrekwensie. Die verhoudings word dan geteken as 'n funksie van die ryfrekwensie.

Sodra hierdie plot verkry is, word 'n ander stel kode (weer in die tegniese dokument uiteengesit) gebruik om die vloeistofviskositeit te bepaal. Hierdie kode vereis dat die gebruiker 'n aanvanklike raaiskoot vir die viskositeit invoer, en dit is noodsaaklik dat hierdie aanvanklike raaiskoot laer is as die werklike viskositeit, dus maak seker dat u 'n baie lae viskositeit raai, anders werk die kode nie behoorlik nie. Sodra die kode 'n viskositeit gevind het wat ooreenstem met die eksperimentele data, sal dit 'n plot genereer soos hieronder getoon en die finale viskositeitswaarde toon. Baie geluk met die voltooiing van die eksperiment!

Stap 11: lêers

Alternatiewelik:

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