Reometër me kosto të ulët: 11 hapa (me fotografi)

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:10

Qëllimi i këtij udhëzimi është të krijojë një reometër me kosto të ulët për të gjetur në mënyrë eksperimentale viskozitetin e një lëngu. Ky projekt u krijua nga një ekip i Universitetit Brown të diplomuar dhe studentë të diplomuar në klasën Vibration of Systems mekanike.

Një reometër është një pajisje laboratorike e përdorur për të matur viskozitetin e lëngjeve (sa i trashë ose ngjitës është një lëng - mendoni ujin kundrejt mjaltit). Ka reometra të caktuar që mund të masin viskozitetin e lëngjeve duke matur përgjigjen e një sistemi vibrues të zhytur në një lëng. Në këtë projekt reometër me kosto të ulët, ne krijuam një sistem vibrues nga një sferë dhe pranverë e bashkangjitur në një altoparlant për të matur përgjigjen në frekuenca të ndryshme. Nga kjo kurbë e përgjigjes, ju mund të gjeni viskozitetin e lëngut.

Furnizimet:

Materialet e nevojshme:

Asambleja e Strehimit:

• Bordi i grimcave (11’’ X x 9’’ H) (këtu) $ 1.19
• 12 x 8-32 x 3/4 "Vida me kokë gjashtëkëndore (këtu) 9,24 dollarë totale
• 12 x 8-32 Arrë gjashtëkëndore (këtu) 8.39 dollarë
• 4 x 6-32 x ½’’ Vidhë me kokë gjashtëkëndore (këtu) $ 9.95
• 4 x 6-32 Arrë gjashtëkëndore (këtu) 5.12 dollarë
• 9/64 "" Çelësi Allen (këtu) 5.37 dollarë

Elektronikë:

• Furnizimi me energji 12V (këtu) 6.99 dollarë
• Përforcues (këtu) 10.99 dollarë
• Kabllo Aux (këtu) 7.54 dollarë
• Jumper Wire (shiko më poshtë)
• Klipet e Alligatorit (këtu) 5.19 dollarë
• Kryetari (këtu) 4.25 dollarë
• Vidhosës (këtu) 5.99 dollarë

Konfigurimi i pranverës dhe sferës:

• Rrëshirë printeri 3D (e ndryshueshme)
• 2 x akselerometra (ne i përdorëm këto) 29,90 dollarë
• 10 x kabllo ylberi femër-mashkull (këtu) 4.67 dollarë
• 12 x kabllo ylberi mashkull-mashkull (këtu) 3.95 dollarë
• Arduino Uno (këtu) 23,00 dollarë
• Kabllo USB 2.0 Lloji A deri B (këtu) 3.95 dollarë
• Bordi i bukës (këtu) 2.55 dollarë
• Springs Compression (ne i përdorëm këto) ??
• 2 x Lidhës të personalizuar (të printuar në 3D)
• 2 x ⅜’’-16 arra gjashtëkëndore (këtu) 1.18 dollarë
• 4 x 8-32 Set vida (këtu) $ 6.32
• 4 x ¼’’-20 arrë gjashtëkëndore (alumini) (këtu) 0.64 dollarë
• 2 x ¼’’-20’’ Shufër me fije (Alumini) (këtu) $ 11.40
• 7/64 "" Çelësi Allen
• 5/64 "" Çelësi Allen
• 4 vida 5x2mm 3/16’’x1/8’’ (këtu) 8.69 dollarë

Tjetër

• Kupa plastike (këtu) 6.99 dollarë
• Të lëngshme për të testuar viskozitetin (ne testuam shurupin karo, glicerinën e perimeve, shurupin e çokollatës së Hershey)

KOSTOT TOTAL: $ 183.45*

*nuk përfshin rrëshirë ose lëng të printerit 3D

Mjetet

• Prerës Laser
• Printer 3D

Nevojitet softuer

• MATLAB
• Arduino

Skedarët dhe Kodi:

• Skedari Adobe Illustrator për montimin e strehimit (Rheometer_Housing.ai)
• GUI i kontrolluesit të altoparlantëve (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Skedari i Rheometrit Arduino (rheometer_project.ino)
• Skedarë rrjetë sfere (cor_0.9cmbody.stl dhe cor_1.5cmbody.stl)
• Skedari gjeometrik i Konektorit të personalizuar ASCII (Connector_File.step)
• Kodi MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Kodi MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• Kodi MATLAB 3 (rheometer_foruser.m)

Hapi 1: Pjesa 1: Konfigurimi

Si të konfiguroni platformën eksperimentale.

Hapi 2: Printimi 3D dhe prerja me lazer e të gjitha pjesëve (lidhës të përshtatur, sfera dhe strehim)

Hapi 3: Lidhni pajisjet elektronike siç tregohen më poshtë

E rëndësishme të theksohet: Mos e lidhni furnizimin me energji elektrike në prizë derisa të përfundojnë të gjitha hapat në këtë seksion! GJITHMON SHPPLFYTJE FURNIZIMIN E FUQIS KUR B MN NDONJ NDRYSHIM.

Për të filluar, sigurohuni që përforcuesi të jetë vendosur me çelësin drejtuar nga ana tjetër. Lidhni kapëset e aligatorit dhe telat e kërcyesit në terminalet e dorës së majtë poshtë në amplifikator. Lidhni kordonin e rrymës dhe telin e tij kërcyes në terminalet e majta në pjesën e amplifikatorit. Vidhosni skajet e lidhjes së terminalit për të siguruar kunjat e telit. Sigurohuni që terminalet pozitivë dhe negativë të përputhen siç duhet me terminalet në kapëset e përforcuesit dhe kapëset e aligatorit në altoparlant. Sigurohuni që këto dy klipe të mos vijnë në kontakt.

Hapi 4: Konfigurimi i GUI

Tani që pajisjet elektronike janë vendosur, ne mund të testojmë GUI që do të na lejojë të drejtojmë altoparlantin dhe të krijojmë sistemin vibrues të zhytur në lëngun tonë. Altoparlanti do të kontrollohet nga sistemi i daljes audio në kompjuterin tonë. Filloni duke shkarkuar MATLAB dhe kodin GUI të përfshirë më sipër. SH NOTNIM: ka cilësime LED Lights që nuk do të përdoren dhe duhet të injorohen.

Pasi të keni hapur MATLAB, ekzekutoni sa vijon në dritaren e komandës, "info = audiodevinfo" dhe klikoni dy herë në opsionin "dalje". Gjeni numrin e ID për kufjet e jashtme/opsionin e altoparlantit. Do të jetë diçka si "Altoparlant / Kufje …" ose "E jashtme …" ose "Dalje e integruar …" në varësi të pajisjes tuaj. Vendosni "ID -në e altoparlantit të jashtëm" në këtë numër ID.

Tani le të provojmë që sistemi ynë është konfiguruar saktë. Kthejeni VOLLLIMIN TUAJ KOMPJUTERIK TUAJ T ALL GJITH MNYRS. Shkëputni kabllon Audio nga kompjuteri juaj dhe në vend të kësaj futni një sërë kufjesh Ne do të testojmë lidhjen që GUI të dërgojë një sinjal tek tundësi. Vendosni 60 Hz si frekuencë drejtimi në fushën e tekstit siç tregohet më poshtë. (Kjo fushë pranon vlera deri në 150 Hz). Kjo është frekuenca detyruese për konfigurimin tuaj. Pastaj, rrëshqisni amplituda e drejtimit deri në një vlerë prej afërsisht 0.05. Pastaj, shtypni butonin "Aktivizo sistemin" për të dërguar një sinjal në kufjet tuaja. Kjo do të shkaktojë një nga kanalet (majtas ose djathtas) të kufjeve tuaja. Rritni volumin e kompjuterit tuaj derisa të dëgjohet një zë. Goditni "Fik sistemin" sapo të dëgjohet një ton i dëgjueshëm dhe sigurohuni që tingulli të ndalojë së luajturi. Për të ndryshuar frekuencën ose amplituda e drejtimit të sistemit tuaj gjatë funksionimit, shtypni butonin "Rifresko cilësimet".

Hapi 5: Krijoni Asamblenë Masive Vibruese

Tani do të fillojmë të mbledhim sistemin masiv vibrues që do të zhytim në lëngun tonë. Injoroni akselerometrat në këtë hap dhe përqendrohuni në montimin e sferës, lidhësve, arrave gjashtëkëndore dhe pranverës. Siguroni një arrë gjashtëkëndësh çeliku në secilën prej lidhësve të personalizuar me vida të vendosura dhe çelësin Allen 5/64 . Lidheni njërën nga këto në sferë me një arrë gjashtëkëndësh alumini dhe Shufër me fije alumini. Kombinoni të dy siç tregohet më lart. Së fundi, vidhosni shufrën e dytë të filetuar në lidhësin e sipërm dhe vidhosni pjesërisht një arrë gjashtëkëndësh alumini.

Hapi 6: Shtoni Accelerometers & Arduino

Duke përdorur diagramin e mësipërm, lidhni arduinon me përshpejtuesit. Për të krijuar kabllot e gjata të ylberit, përdorni telat meshkuj-meshkuj (të paraqitur në diagram si të bardhë, gri, vjollcë, blu dhe të zi) dhe lidhini ato me telat femra-meshkuj (të kuqe, të verdhë, portokalli, jeshile dhe kafe). Fundi i dytë do të lidhet me akselerometrat. Sigurohuni që portat e përshpejtuesit "GND" (Ground) dhe "VCC" (3.3 Volt) të përputhen me tabelën e bukës dhe që porta "X" të përputhet me portat A0 dhe A3 në Arduino.

Bashkangjitni akselerometrat përfundimtarë në montimin e Masës Vibruese duke përdorur vida 5x3mm 3/16’’x1/8’’. Ju do të duhet të siguroheni që përshpejtuesi TOP është i lidhur me A0 dhe përshpejtuesi BOTTOM me A3 në mënyrë që kodi Arduino të funksionojë.

Për të konfiguruar vetë Arduino, së pari shkarkoni programin arduino në kompjuterin tuaj. Lidheni Arduino me kompjuterin tuaj duke përdorur kabllon USB 2.0. Hapni skedarin e dhënë ose kopjoni dhe ngjisni në një skedar të ri. Shkoni te Vegla në shiritin e sipërm dhe rri pezull mbi "Bord:" për të zgjedhur Arduino Uno. Një poshtë, rri pezull mbi "Port" dhe zgjidhni Arduino Uno.

Hapi 7: Vendosni sistemin përfundimtar

Hapi përfundimtar i konfigurimit-duke i bashkuar të gjitha! Filloni duke hequr kapëset e aligatorit nga altoparlanti dhe duke e vidhosur altoparlantin në pjesën e sipërme të montimit të strehimit me vida 6-32 x ½’’ Hex, 6-32 arrë gjashtëkëndore dhe çelësin Allen 9/64’’. Tjetra, vidhosni montimin e masës vibruese (me përshpejtuesit) në altoparlant. Për rezultatin më të mirë, ne rekomandojmë kthimin e altoparlantit për të shmangur ngatërrimin e telave të përshpejtuesit. Shtrëngoni masën në altoparlant me arrë gjashtëkëndësh alumini.

Së fundi, vendosni tre anët e montimit të strehimit në pjesën e sipërme. Siguroni montimin e strehimit duke përdorur vida me kokë gjashtëkëndësh 8-32 x 3/4 dhe arra gjashtëkëndore 8-32. Më në fund, bashkojini kapëset e aligatorit altoparlantit. Ju jeni gati për të filluar testimin!

Zgjidhni lëngun tuaj të zgjedhur dhe mbushni gotën tuaj plastike derisa sfera të zhytet plotësisht. Ju nuk dëshironi që sfera të jetë pjesërisht e zhytur, por gjithashtu kini kujdes që të mos e zhytni sferën aq larg sa lëngu të prekë arrë gjashtëkëndore alumini.

Hapi 8: Pjesa 2: Drejtimi i Eksperimentit

Tani që kemi përfunduar asamblenë tonë, ne mund të regjistrojmë të dhënat tona. Ju do të fshini frekuencat midis 15 - 75 Hz në një amplitudë të caktuar drejtimi. Ne rekomandojmë rritje prej 5 Hz, por kjo mund të ndryshohet për rezultate më të sakta. Arduino do të regjistrojë si nxitimin për altoparlantin (përshpejtuesin e sipërm) ashtu edhe sferën (akselerometrin e poshtëm) të cilin do ta regjistroni në një skedar csv. Kodi MATLAB 1 & 2 i ofruar do të lexojë në vlerat csv si kolona të veçanta, do të bëjë një transformim më katër sinjal për të çrregulluar sinjalin dhe do të printojë raportin e amplitudës që rezulton të përshpejtuesit të lartë dhe të poshtëm. Kodi MATLAB 3 do të pranojë këto raporte amplituda dhe një viskozitet fillestar të supozuar dhe do të vizatojë raportet eksperimentale dhe të llogaritura kundrejt frekuencave. Duke ndryshuar viskozitetin tuaj të supozuar dhe duke e krahasuar me sy këtë supozim me të dhënat eksperimentale, do të jeni në gjendje të përcaktoni viskozitetin e lëngut tuaj.

Për një shpjegim të thelluar të kodit MATLAB, shihni dokumentacionin teknik të bashkangjitur.

Hapi 9: Regjistrimi i të dhënave në një CSV

Për të filluar regjistrimin e të dhënave, së pari sigurohuni që konfigurimi juaj të ketë përfunduar siç përshkruhet në Pjesën 1. Sigurohuni që Përforcuesi të jetë i kyçur në një prizë energjie. Ngarko kodin tuaj Arduino në pajisjen tuaj duke klikuar butonin "Ngarko" në këndin e sipërm të djathtë. Pasi të jetë ngarkuar me sukses, lundroni te "Veglat" dhe zgjidhni "Serial Monitor". Sigurohuni që kur hapni Serial Monitor ose Serial Plotter që numri i baudd të jetë i barabartë me numrin baudd në kod (115200). Do të shihni dy kolona të të dhënave të krijuara të cilat janë leximet e përshpejtuesit të lartë dhe të poshtëm.

Hapni GUI MATLAB dhe zgjidhni një amplituda lëvizëse për eksperimentin tuaj (ne përdorëm 0.08 amper dhe 0.16 amper). Ju do të fshini frekuencat 15 - 75 Hz, duke regjistruar të dhëna çdo 5 Hz (13 grupe të të dhënave në total). Filloni duke vendosur frekuencën e drejtimit në 15 Hz dhe ndizni sistemin duke shtypur "Ndiz sistemin." Kjo do të ndezë altoparlantin tuaj, duke shkaktuar që sfera dhe konfigurimi të dridhen lart e poshtë. Kthehuni te Monitoruesi juaj Serial Arduino dhe shtypni "Clear Output" për të filluar mbledhjen e të dhënave të reja. Lëreni këtë sistem të funksionojë për rreth 6 sekonda dhe më pas shkëputni Arduino nga kompjuteri juaj. Monitoruesi Serial do të ndalojë regjistrimin, duke ju lejuar të kopjoni dhe ngjitni me dorë rreth 4, 500-5, 000 shënime të të dhënave në një skedar csv. Ndani dy kolonat e të dhënave në dy kolona të veçanta (Kolonat 1 dhe 2). Riemëroni këtë csv "15hz.csv".

Lidheni Arduino -n përsëri në kompjuterin tuaj (sigurohuni që të rivendosni Portin) dhe përsëriteni këtë proces për frekuencat 20 Hz, 25 Hz,… 75Hz duke u siguruar që të ndiqni konventën e emërtimit të skedarëve CSV. Shihni dokumentin teknik për më shumë informacion se si lexohen këto skedarë nga MATLAB.

Nëse dëshironi të vëzhgoni ndryshimet e raportit të amplitudës gjatë spastrimit të frekuencës, mund të përdorni shtesë Arduino Serial Plotter për të vëzhguar vizualisht këtë ndryshim.

Hapi 10: Përpunoni të dhënat tuaja me Kodin MATLAB

Pasi të merren të dhënat eksperimentale në formën e skedarëve CSV, hapi tjetër është të përdorim kodin tonë të dhënë për të përpunuar të dhënat. Për udhëzime të hollësishme mbi përdorimin e kodit dhe për një shpjegim të matematikës themelore, shihni dokumentin tonë teknik. Qëllimi është të merret amplituda e nxitimit për akselerometrin e sipërm dhe të poshtëm, pastaj të llogaritet raporti i amplitudës së poshtme me amplituda të lartë. Ky raport llogaritet për çdo frekuencë drejtimi. Raportet vizatohen më pas në funksion të frekuencës së drejtimit.

Pasi të merret kjo komplot, një grup tjetër kodi (përsëri i detajuar në dokumentin teknik) përdoret për të përcaktuar viskozitetin e lëngut. Ky kod kërkon nga përdoruesi të japë një supozim fillestar për viskozitetin, dhe është thelbësore që ky supozim fillestar të jetë më i ulët se viskoziteti aktual, prandaj sigurohuni që të merrni me mend një viskozitet shumë të ulët, përndryshe kodi nuk do të funksionojë siç duhet. Pasi kodi të ketë gjetur një viskozitet që përputhet me të dhënat eksperimentale, ai do të krijojë një grafik si ai i treguar më poshtë dhe do të tregojë vlerën përfundimtare të viskozitetit. Urime për përfundimin e eksperimentit!

Hapi 11: Skedarët

Përndryshe:

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