Недорогой реометр: 11 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

Цель этого руководства - создать недорогой реометр для экспериментального определения вязкости жидкости. Этот проект был создан командой студентов и аспирантов Университета Брауна в классе «Вибрация механических систем».

Реометр - это лабораторное устройство, используемое для измерения вязкости жидкостей (насколько густая или липкая жидкость - например, вода или мед). Существуют определенные реометры, которые могут измерять вязкость жидкостей, измеряя реакцию вибрирующей системы, погруженной в жидкость. В этом недорогом проекте реометра мы создали вибрирующую систему из сферы и пружины, прикрепленной к динамику, для измерения отклика на разных частотах. По этой кривой отклика можно определить вязкость жидкости.

Запасы:

Необходимые материалы:

Корпус в сборе:

• ДСП (11’’ Ш x 9’’ В) (здесь) 1,19 доллара США.
• 12 x 8-32 x 3/4 '' Винты с шестигранной головкой (здесь) 9,24 долл. США
• 12 x 8-32 Шестигранная гайка (здесь) $ 8,39
• 4 x 6-32 x ½’’ Винт с шестигранной головкой (здесь) $ 9,95
• 4 x 6-32 Шестигранная гайка (здесь) $ 5,12
• Шестигранный ключ на 9/64 дюйма (здесь) $ 5,37

Электроника:

• Блок питания 12 В (здесь) $ 6,99
• Усилитель (здесь) $ 10,99
• Кабель Aux (здесь) $ 7,54
• Перемычка (см. Ниже)
• Зажимы Alligator (здесь) $ 5,19
• Спикер (здесь) $ 4,25
• Отвертка (здесь) $ 5,99

Настройка Spring & Sphere:

• Смола для 3D-принтера (переменная)
• 2 акселерометра (мы их использовали) 29,90 $
• 10 радужных кабелей типа мама-папа (здесь) $ 4,67
• 12 радужных кабелей папа-папа (здесь) $ 3,95
• Arduino Uno (здесь) $ 23,00
• Кабель USB 2.0 типа A - B (здесь) $ 3,95
• Доска для хлеба (здесь) $ 2,55
• Пружины сжатия (мы их использовали) ??
• 2 пользовательских разъема (напечатаны на 3D-принтере)
• 2 x ⅜’’ - 16 шестигранных гаек (здесь) $ 1,18
• 4 x 8-32 установочных винта (здесь) $ 6,32
• 4 x ¼’’ - 20 Шестигранная гайка (алюминий) (здесь) $ 0,64
• 2 x’’ - 20’’ Резьбовой стержень (алюминий) (здесь) $ 11,40
• Шестигранный ключ на 7/64 дюйма
• Шестигранный ключ на 5/64 дюйма
• Винты 4 x 5x2 мм 3 / 16’’x1 / 8’’ (здесь) 8,69 долл. США

Другой

• Пластиковый стаканчик (здесь) $ 6,99
• Жидкость для проверки вязкости (мы тестировали сироп каро, растительный глицерин, шоколадный сироп Hershey’s)

ОБЩАЯ СТОИМОСТЬ: 183,45 $ *

* не включает смолу или жидкость для 3D-принтера

Инструменты

• Лазерный резак
• 3д принтер

Требуется программное обеспечение

• MATLAB
• Ардуино

Файлы и код:

• Файл Adobe Illustrator для сборки корпуса (Rheometer_Housing.ai)
• Графический интерфейс контроллера динамика (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Файл реометра Arduino (rheometer_project.ino)
• Файлы сферической сетки (cor_0.9cmbody.stl и cor_1.5cmbody.stl)
• Файл геометрии ASCII настраиваемого коннектора (Connector_File.step)
• Код MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Код MATLAB 2 (Accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB Code 3 (rheometer_foruser.m)

Шаг 1. Часть 1. Настройка

Как настроить экспериментальную платформу.

Шаг 2: 3D-печать и лазерная резка всех деталей (пользовательские соединители, сферы и корпус)

Шаг 3. Подключите электронику, как показано ниже

Важное примечание: не подключайте блок питания к розетке, пока не будут выполнены все действия, описанные в этом разделе! ВСЕГДА ОТКЛЮЧАЙТЕ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПРИ ВНЕСЕНИИ ЛЮБЫХ ИЗМЕНЕНИЙ.

Для начала убедитесь, что усилитель установлен ручкой вниз. Подсоедините зажимы типа «крокодил» и перемычки к левым нижним клеммам усилителя. Подсоедините шнур питания и его перемычку к левым верхним клеммам усилителя. Закрутите концы клеммного соединения, чтобы зафиксировать контакты проводов. Убедитесь, что положительная и отрицательная клеммы правильно совпадают с клеммами на усилителе, и закрепите зажимы типа «крокодил» на динамике. Убедитесь, что эти два зажима не соприкасаются.

Шаг 4: Настройка графического интерфейса

Теперь, когда электроника настроена, мы можем протестировать графический интерфейс, который позволит нам управлять динамиком и создавать вибрирующую систему, погруженную в нашу жидкость. Динамик будет управляться системой вывода звука на нашем компьютере. Начните с загрузки MATLAB и кода графического интерфейса, включенного выше. ПРИМЕЧАНИЕ: есть настройки светодиодной подсветки, которые не будут использоваться, и их следует игнорировать.

После того, как вы открыли MATLAB, запустите следующее в командном окне «info = audiodevinfo» и дважды щелкните по опции «output». Найдите идентификационный номер для внешних наушников / динамиков. Это будет что-то вроде «Динамик / наушники…», «Внешний…» или «Встроенный выход…» в зависимости от вашего устройства. Установите «ID внешнего динамика» на этот идентификационный номер.

Теперь давайте проверим, что наша система настроена правильно. ПОЛНОСТЬЮ УМЕНЬШАЙТЕ ГРОМКОСТЬ КОМПЬЮТЕРА. Отключите аудиокабель от компьютера и вместо этого подключите наушники. Мы проверим соединение, чтобы графический интерфейс отправлял сигнал на шейкер. Введите 60 Гц в качестве частоты возбуждения в текстовое поле, как показано ниже. (Это поле принимает значения до 150 Гц). Это частота форсирования для вашей настройки. Затем сдвиньте амплитуду возбуждения до значения приблизительно 0,05. Затем нажмите кнопку «Включить систему», чтобы отправить сигнал на наушники. Это запустит один из каналов (левый или правый) ваших наушников. Увеличьте громкость вашего компьютера, пока не станет слышен звук. Нажмите «Выключить систему», как только станет слышен звуковой сигнал, и убедитесь, что звук перестал воспроизводиться. Чтобы изменить частоту или амплитуду возбуждения вашей системы во время ее работы, нажмите кнопку «Обновить настройки».

Шаг 5: Создайте сборку вибрирующей массы

Теперь мы приступим к сборке системы вибрирующих масс, которую мы погрузим в нашу жидкость. Не обращайте внимания на акселерометры на этом этапе и сосредоточьтесь на сборке сферы, разъемов, шестигранных гаек и пружины. Закрепите стальную шестигранную гайку в каждом из нестандартных соединителей с помощью установочных винтов и шестигранного ключа на 5/64 дюйма. Соедините один из них со сферой с помощью алюминиевой шестигранной гайки и алюминиевого стержня с резьбой. Объедините оба, как показано выше. Наконец, вверните второй резьбовой стержень в верхний соединитель и частично навинтите алюминиевую шестигранную гайку.

Шаг 6. Добавьте акселерометры и Arduino

Используя схему выше, подключите Arduino к акселерометрам. Чтобы создать длинные радужные кабели, используйте провода «папа-папа» (изображенные на схеме как белый, серый, фиолетовый, синий и черный) и подключите их к проводам «мама-папа» (красный, желтый, оранжевый, зеленый и коричневый). Второй конец подключается к акселерометрам. Убедитесь, что порты акселерометра «GND» (Земля) и «VCC» (3,3 В) согласованы с макетной платой, а порт «X» соответствует портам A0 и A3 в Arduino.

Прикрепите последние акселерометры к узлу вибрирующей массы с помощью винтов 5x3 мм 3 / 16’’x1 / 8’’. Вам необходимо убедиться, что акселерометр TOP подключен к A0, а акселерометр BOTTOM - к A3, чтобы код Arduino работал.

Чтобы настроить саму Arduino, сначала загрузите программное обеспечение arduino на свой компьютер. Подключите Arduino к компьютеру с помощью кабеля USB 2.0. Откройте предоставленный файл или скопируйте и вставьте его в новый файл. Перейдите к инструменту на верхней панели и наведите указатель мыши на «Board:», чтобы выбрать Arduino Uno. Один вниз, наведите курсор на «Порт» и выберите Arduino Uno.

Шаг 7: Настройте окончательную систему

Последний шаг настройки - собрать все воедино! Для начала отсоедините зажимы типа «крокодил» от динамика и прикрутите динамик к верхней части корпуса с помощью винтов с шестигранной головкой 6-32 x ½ дюйма, шестигранной гайки 6-32 и шестигранного ключа на 9/64 дюйма. Затем прикрутите узел вибрирующей массы (с акселерометрами) к динамику. Для достижения наилучшего результата мы рекомендуем повернуть динамик, чтобы не запутать провода акселерометра. Затяните массу к динамику с помощью алюминиевой шестигранной гайки.

Наконец, вставьте три стороны корпуса в верхнюю часть. Закрепите корпус в сборе с помощью винтов с шестигранной головкой 8-32 x 3/4 дюйма и шестигранных гаек 8-32. Наконец, снова прикрепите зажимы из крокодиловой кожи к динамику. Вы готовы приступить к тестированию!

Выберите жидкость по своему вкусу и наполняйте пластиковый стакан, пока сфера полностью не погрузится в воду. Вы не хотите, чтобы сфера была частично погружена в воду, но также будьте осторожны, чтобы не погрузить сферу настолько, чтобы жидкость коснулась алюминиевой шестигранной гайки.

Шаг 8: Часть 2: Проведение эксперимента

Теперь, когда мы закончили сборку, мы можем записать наши данные. Вы будете переключать частоты в диапазоне 15–75 Гц с заданной амплитудой движения. Мы рекомендуем шаг 5 Гц, но его можно изменить для получения более точных результатов. Arduino запишет ускорение динамика (верхний акселерометр) и сферы (нижний акселерометр), которые вы запишете в файл csv. Предоставленные MATLAB Code 1 и 2 будут считывать значения csv как отдельные столбцы, выполнять преобразование Фурье с двумя сигналами, чтобы уменьшить шум в сигнале, и распечатывать результирующее соотношение амплитуд верхнего и нижнего акселерометра. MATLAB Code 3 примет эти отношения амплитуд и начальную предполагаемую вязкость и построит график экспериментальных и расчетных отношений в зависимости от частот. Варьируя предполагаемую вязкость и сравнивая визуально это предположение с экспериментальными данными, вы сможете определить вязкость вашей жидкости.

Для подробного объяснения кода MATLAB см. Прилагаемую техническую документацию.

Шаг 9: Запись данных в CSV

Чтобы начать запись данных, сначала убедитесь, что ваша настройка завершена, как описано в Части 1. Убедитесь, что усилитель включен в розетку. Загрузите код Arduino на свое устройство, нажав кнопку «Загрузить» в правом верхнем углу. После успешной загрузки перейдите в «Инструменты» и выберите «Монитор последовательного порта». Убедитесь, что когда вы открываете Serial Monitor или Serial Plotter, что число бод совпадает с числом бод в коде (115200). Вы увидите два столбца генерируемых данных, которые представляют собой верхний и нижний показания акселерометра.

Откройте графический интерфейс MATLAB и выберите управляющую амплитуду для вашего эксперимента (мы использовали 0,08 ампера и 0,16 ампера). Вы будете прокручивать частоты 15–75 Гц, записывая данные каждые 5 Гц (всего 13 наборов данных). Начните с установки частоты возбуждения на 15 Гц и включите систему, нажав «Включить систему». Это включит ваш динамик, и сфера начнет вибрировать вверх и вниз. Вернитесь к своему последовательному монитору Arduino и нажмите «Очистить вывод», чтобы начать сбор свежих данных. Дайте этой настройке поработать около 6 секунд, а затем отключите Arduino от компьютера. Serial Monitor прекратит запись, что позволит вам вручную скопировать и вставить около 4 500-5 000 записей данных в файл csv. Разделите два столбца данных на два отдельных столбца (столбцы 1 и 2). Переименуйте этот CSV в «15hz.csv».

Снова подключите Arduino к компьютеру (не забудьте сбросить порт) и повторите этот процесс для частот 20 Гц, 25 Гц,… 75 Гц, следуя соглашению об именах для файлов CSV. См. Технический документ для получения дополнительной информации о том, как эти файлы читаются MATLAB.

Если вы хотите наблюдать за изменением отношения амплитуд во время развертки частоты, вы можете дополнительно использовать последовательный плоттер Arduino, чтобы визуально наблюдать эту разницу.

Шаг 10: Обработайте данные с помощью кода MATLAB

После получения экспериментальных данных в виде файлов CSV следующим шагом будет использование предоставленного нами кода для обработки данных. Подробные инструкции по использованию кода и объяснение лежащей в основе математики см. В нашем техническом документе. Цель состоит в том, чтобы получить амплитуду ускорения для верхнего и нижнего акселерометра, а затем рассчитать отношение нижней амплитуды к верхней амплитуде. Это соотношение рассчитывается для каждой частоты возбуждения. Затем отношения строятся в зависимости от частоты возбуждения.

Как только этот график получен, другой набор кода (снова подробно описанный в техническом документе) используется для определения вязкости жидкости. Этот код требует, чтобы пользователь ввел первоначальное предположение для вязкости, и важно, чтобы это первоначальное предположение было ниже, чем фактическая вязкость, поэтому обязательно угадывайте очень низкую вязкость, иначе код не будет работать должным образом. Как только код найдет вязкость, которая соответствует экспериментальным данным, он сгенерирует график, подобный показанному ниже, и покажет окончательное значение вязкости. Поздравляем с завершением эксперимента!

Шаг 11: файлы

Альтернативно:

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