Kostengünstiges Rheometer - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Der Zweck dieses anweisbaren ist es, ein kostengünstiges Rheometer zu schaffen, um die Viskosität einer Flüssigkeit experimentell zu finden. Dieses Projekt wurde von einem Team von Studenten und Doktoranden der Brown University in der Klasse Vibration of Mechanical Systems erstellt.

Ein Rheometer ist ein Laborgerät, das verwendet wird, um die Viskosität von Flüssigkeiten zu messen (wie dick oder klebrig eine Flüssigkeit ist - denken Sie an Wasser oder Honig). Es gibt bestimmte Rheometer, die die Viskosität von Flüssigkeiten messen können, indem sie die Reaktion eines in eine Flüssigkeit eingetauchten Vibrationssystems messen. In diesem kostengünstigen Rheometer-Projekt haben wir ein Vibrationssystem aus einer Kugel und einer Feder erstellt, die an einem Lautsprecher befestigt sind, um die Reaktion bei verschiedenen Frequenzen zu messen. Aus dieser Reaktionskurve können Sie die Viskosität der Flüssigkeit ablesen.

Lieferungen:

Benötigte Materialien:

Gehäusemontage:

• Spanplatte (11'' B x 9'' H) (hier) $1,19
• 12 x 8-32 x 3/4 '' Sechskantschrauben (hier) $ 9,24 tot
• 12 x 8-32 Sechskantmutter (hier) 8,39 $
• 4 x 6-32 x ½'' Sechskantschraube (hier) $9.95
• 4 x 6-32 Sechskantmutter (hier) $5.12
• 9/64'' Inbusschlüssel (hier) $5.37

Elektronik:

• 12V Netzteil (hier) $6.99
• Verstärker (hier) $10.99
• Aux-Kabel (hier) $7.54
• Überbrückungsdraht (siehe unten)
• Krokodilklemmen (hier) $5.19
• Lautsprecher (hier) $4,25
• Schraubendreher (hier) $5.99

Feder & Kugel-Setup:

• 3D-Drucker Resin (variabel)
• 2 x Beschleunigungsmesser (wir haben diese verwendet) 29,90 $
• 10 x Regenbogenkabel weiblich-männlich (hier) $4.67
• 12 x Regenbogenkabel männlich-männlich (hier) $3.95
• Arduino Uno (hier) $23.00
• USB 2.0 Kabel Typ A auf B (hier) $3.95
• Brotbrett (hier) $2.55
• Druckfedern (wir haben diese verwendet) ??
• 2 x benutzerdefinierte Anschlüsse (3D gedruckt)
• 2 x ⅜’’-16 Sechskantmuttern (hier) $1.18
• 4 x 8-32 Stellschrauben (hier) $ 6,32
• 4 x ¼’’-20 Sechskantmutter (Aluminium) (hier) $0.64
• 2 x ¼’’-20’’ Gewindestange (Aluminium) (hier) $11,40
• 7/64'' Inbusschlüssel
• 5/64'' Inbusschlüssel
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8'' Schrauben (hier) $8.69

Sonstiges

• Plastikbecher (hier) $6.99
• Flüssigkeit zum Testen der Viskosität (wir haben Karo-Sirup, pflanzliches Glycerin, Hersheys Schokoladensirup getestet)

GESAMTKOSTEN: $183,45*

*ohne 3D-Druckerharz oder -flüssigkeit

Werkzeuge

• Laserschneider
• 3D Drucker

Benötigte Software

• MATLAB
• Arduino

Dateien und Code:

• Adobe Illustrator-Datei für die Gehäusebaugruppe (Rheometer_Housing.ai)
• GUI des Lautsprecher-Controllers (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino Rheometer-Datei (rheometer_project.ino)
• Kugelnetzdateien (cor_0.9cmbody.stl und cor_1.5cmbody.stl)
• ASCII-Geometriedatei für benutzerdefinierte Anschlüsse (Connector_File.step)
• MATLAB-Code 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB-Code 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB-Code 3 (rheometer_foruser.m)

Schritt 1: Teil 1: Einrichten

So richten Sie die experimentelle Plattform ein.

Schritt 2: 3D-Druck und Laserschneiden aller Teile (benutzerdefinierte Steckverbinder, Kugeln und Gehäuse)

Schritt 3: Schließen Sie die Elektronik wie unten gezeigt an

Wichtiger Hinweis: Stecken Sie das Netzteil erst in die Steckdose, wenn alle Schritte in diesem Abschnitt abgeschlossen sind! ZIEHEN SIE IMMER DIE STROMVERSORGUNG AB, WENN SIE ÄNDERUNGEN VORNEHMEN.

Stellen Sie zunächst sicher, dass der Verstärker mit dem Drehknopf weg zeigt. Schließen Sie die Krokodilklemmen und Überbrückungsdrähte an die linken unteren Klemmen des Verstärkers an. Schließen Sie das Netzkabel und sein Überbrückungskabel an den linken oberen Klemmen des Verstärkers an. Schrauben Sie die Enden der Anschlussklemmen fest, um die Drahtstifte zu sichern. Stellen Sie sicher, dass die positiven und negativen Anschlüsse richtig mit den Anschlüssen am Verstärker ausgerichtet sind, und befestigen Sie Krokodilklemmen am Lautsprecher. Achten Sie darauf, dass sich diese beiden Clips nicht berühren.

Schritt 4: GUI-Einrichtung

Jetzt, da die Elektronik eingerichtet ist, können wir die GUI testen, die es uns ermöglicht, den Lautsprecher anzusteuern und das vibrierende System in unsere Flüssigkeit einzutauchen. Der Lautsprecher wird über das Audioausgabesystem unseres Computers gesteuert. Laden Sie zunächst MATLAB und den oben enthaltenen GUI-Code herunter. HINWEIS: Es gibt LED-Lichteinstellungen, die nicht verwendet werden und ignoriert werden sollten.

Nachdem Sie MATLAB geöffnet haben, führen Sie im Befehlsfenster Folgendes aus: „info = audiodevinfo“und doppelklicken Sie auf die Option „Ausgabe“. Suchen Sie die ID-Nummer für die Option für externe Kopfhörer/Lautsprecher. Je nach Gerät wird es so etwas wie „Lautsprecher / Kopfhörer …“oder „Extern …“oder „Eingebauter Ausgang …“sein. Stellen Sie die „Externe Lautsprecher-ID“auf diese ID-Nummer ein.

Lassen Sie uns nun testen, ob unser System richtig eingerichtet ist. DREHEN SIE DIE LAUTSTÄRKE IHRES COMPUTERS VOLLSTÄNDIG. Trennen Sie das Audiokabel von Ihrem Computer und schließen Sie stattdessen einen Kopfhörer an. Wir testen die Verbindung für die GUI, um ein Signal an den Shaker zu senden. Geben Sie 60 Hz als Antriebsfrequenz in das Textfeld ein, wie unten gezeigt. (Dieses Feld akzeptiert Werte bis 150 Hz). Dies ist die Erzwingungsfrequenz für Ihr Setup. Schieben Sie dann die Antriebsamplitude auf einen Wert von ungefähr 0,05. Drücken Sie dann die Taste „System einschalten“, um ein Signal an Ihre Kopfhörer zu senden. Dadurch wird einer der Kanäle (links oder rechts) Ihres Kopfhörers ausgelöst. Erhöhen Sie die Lautstärke Ihres Computers, bis ein Ton zu hören ist. Klicken Sie auf „System ausschalten“, sobald ein hörbarer Ton zu hören ist, und stellen Sie sicher, dass der Ton nicht mehr abgespielt wird. Um die Frequenz oder Antriebsamplitude Ihres Systems während des Betriebs zu ändern, klicken Sie auf die Schaltfläche "Einstellungen aktualisieren".

Schritt 5: Erstellen Sie die vibrierende Massenbaugruppe

Wir beginnen nun mit dem Zusammenbau des schwingenden Massensystems, das wir in unsere Flüssigkeit eintauchen werden. Ignorieren Sie die Beschleunigungsmesser in diesem Schritt und konzentrieren Sie sich auf die Montage der Kugel, der Anschlüsse, der Sechskantmuttern und der Feder. Sichern Sie eine Sechskantmutter aus Stahl in jedem der benutzerdefinierten Anschlüsse mit Stellschrauben und dem 5/64''-Inbusschlüssel. Verbinden Sie eine davon mit einer Aluminium-Sechskantmutter und einer Aluminium-Gewindestange mit der Kugel. Kombinieren Sie beides wie oben gezeigt. Schrauben Sie schließlich die zweite Gewindestange in den oberen Verbinder und schrauben Sie eine Aluminium-Sechskantmutter teilweise auf.

Schritt 6: Fügen Sie die Beschleunigungsmesser und Arduino hinzu

Verbinden Sie das Arduino mithilfe des obigen Diagramms mit den Beschleunigungsmessern. Um die langen Regenbogenkabel zu erstellen, verwenden Sie die männlich-männlichen Drähte (im Diagramm als weiß, grau, lila, blau und schwarz dargestellt) und verbinden Sie sie mit den weiblich-männlichen Drähten (rot, gelb, orange, grün und.). Braun). Das zweite Ende wird mit den Beschleunigungsmessern verbunden. Stellen Sie sicher, dass die Beschleunigungsmesser-Anschlüsse „GND“(Masse) und „VCC“(3,3 Volt) an das Steckbrett angepasst sind und dass der Anschluss „X“an die Anschlüsse A0 und A3 im Arduino angepasst ist.

Befestigen Sie die letzten Beschleunigungsmesser mit 5x3mm 3/16''x1/8'' Schrauben an der Vibrationsmasse-Baugruppe. Sie müssen sicherstellen, dass der TOP-Beschleunigungsmesser an A0 und der BOTTOM-Beschleunigungsmesser an A3 angeschlossen ist, damit der Arduino-Code funktioniert.

Um das Arduino selbst einzurichten, laden Sie zuerst die Arduino-Software auf Ihren Computer herunter. Schließen Sie das Arduino mit dem USB 2.0-Kabel an Ihren Computer an. Öffnen Sie die bereitgestellte Datei oder kopieren Sie sie und fügen Sie sie in eine neue Datei ein. Navigieren Sie zum Tool in der oberen Leiste und bewegen Sie den Mauszeiger über „Board:“, um das Arduino Uno auszuwählen. Bewegen Sie den Mauszeiger über „Port“und wählen Sie Arduino Uno aus.

Schritt 7: Einrichten des endgültigen Systems

Letzter Schritt der Einrichtung – alles zusammenbauen! Lösen Sie zunächst die Krokodilklemmen vom Lautsprecher und schrauben Sie den Lautsprecher mit den 6-32 x ½'' Sechskantschrauben, der 6-32 Sechskantmutter und dem 9/64'' Inbusschlüssel oben in die Gehäusebaugruppe. Schrauben Sie als nächstes die Schwingmasse (mit den Beschleunigungsmessern) in den Lautsprecher. Um das beste Ergebnis zu erzielen, empfehlen wir, den Lautsprecher zu drehen, um ein Verheddern der Beschleunigungsmesserkabel zu vermeiden. Ziehen Sie die Masse mit der Aluminium-Sechskantmutter am Lautsprecher fest.

Stecken Sie schließlich die drei Seiten der Gehäusebaugruppe in die Oberseite. Befestigen Sie die Gehäusebaugruppe mit den 8-32 x 3/4'' Sechskantschrauben und 8-32 Sechskantmuttern. Schließlich befestigen Sie die Krokodilklemmen wieder am Lautsprecher. Sie können mit dem Testen beginnen!

Wählen Sie Ihre bevorzugte Flüssigkeit und füllen Sie Ihren Plastikbecher, bis die Kugel vollständig untergetaucht ist. Sie möchten nicht, dass die Kugel teilweise untergetaucht wird, aber achten Sie auch darauf, die Kugel nicht so weit einzutauchen, dass die Flüssigkeit die Aluminium-Sechskantmutter berührt.

Schritt 8: Teil 2: Ausführen des Experiments

Nachdem wir unsere Montage abgeschlossen haben, können wir unsere Daten aufzeichnen. Sie durchlaufen Frequenzen zwischen 15 - 75 Hz mit einer eingestellten Antriebsamplitude. Wir empfehlen Schritte von 5 Hz, dies kann jedoch für genauere Ergebnisse geändert werden. Der Arduino zeichnet sowohl die Beschleunigung für den Lautsprecher (oberer Beschleunigungsmesser) als auch die Kugel (unterer Beschleunigungsmesser) auf, die Sie in einer CSV-Datei aufzeichnen. Der bereitgestellte MATLAB-Code 1 & 2 liest die csv-Werte als separate Spalten ein, führt eine Zwei-Signal-Fourier-Transformation durch, um das Signal zu entrauschen, und druckt das resultierende Amplitudenverhältnis des oberen und unteren Beschleunigungsmessers aus. MATLAB Code 3 akzeptiert diese Amplitudenverhältnisse und eine anfängliche geschätzte Viskosität und zeichnet die experimentellen und berechneten Verhältnisse gegenüber den Frequenzen auf. Indem Sie Ihre geschätzte Viskosität variieren und diese Schätzung visuell mit den experimentellen Daten vergleichen, können Sie die Viskosität Ihrer Flüssigkeit bestimmen.

Eine ausführliche Erläuterung des MATLAB-Codes finden Sie in der beigefügten technischen Dokumentation.

Schritt 9: Aufzeichnen von Daten in einer CSV

Um mit der Datenaufzeichnung zu beginnen, stellen Sie zunächst sicher, dass Ihre Einrichtung wie in Teil 1 beschrieben abgeschlossen ist. Vergewissern Sie sich, dass der Verstärker an eine Steckdose angeschlossen ist. Laden Sie Ihren Arduino-Code auf Ihr Gerät hoch, indem Sie auf die Schaltfläche „Hochladen“in der oberen rechten Ecke klicken. Sobald dies erfolgreich hochgeladen wurde, navigieren Sie zu "Tools" und wählen Sie "Serial Monitor". Stellen Sie beim Öffnen von Serial Monitor oder Serial Plotter sicher, dass die Baudd-Nummer der Baudd-Nummer im Code (115200) entspricht. Es werden zwei Datenspalten generiert, die die oberen und unteren Beschleunigungsmesser-Messwerte darstellen.

Öffnen Sie die MATLAB-GUI und wählen Sie eine Antriebsamplitude für Ihr Experiment (wir haben 0,08 Ampere und 0,16 Ampere verwendet). Sie durchlaufen Frequenzen von 15 - 75 Hz und zeichnen alle 5 Hz Daten auf (insgesamt 13 Datensätze). Beginnen Sie mit der Einstellung der Antriebsfrequenz auf 15 Hz und schalten Sie das System ein, indem Sie auf "System einschalten" klicken. Dadurch wird Ihr Lautsprecher eingeschaltet, wodurch die Kugel und das Setup auf und ab vibrieren. Gehen Sie zurück zu Ihrem Arduino Serial Monitor und klicken Sie auf "Clear Output", um mit dem Sammeln neuer Daten zu beginnen. Lassen Sie dieses Setup etwa 6 Sekunden lang laufen und trennen Sie dann das Arduino von Ihrem Computer. Der Serial Monitor stoppt die Aufnahme, sodass Sie etwa 4.500-5.000 Dateneinträge manuell kopieren und in eine CSV-Datei einfügen können. Teilen Sie die beiden Datenspalten in zwei separate Spalten auf (Spalten 1 und 2). Benennen Sie diese CSV-Datei in „15hz.csv“um.

Schließen Sie Ihr Arduino wieder an Ihren Computer an (stellen Sie sicher, dass der Port zurückgesetzt wird) und wiederholen Sie diesen Vorgang für die Frequenzen 20 Hz, 25 Hz, … 75 Hz, wobei Sie die Namenskonvention für CSV-Dateien beachten. Weitere Informationen darüber, wie diese Dateien von MATLAB gelesen werden, finden Sie im technischen Dokument.

Wenn Sie die Amplitudenverhältnisänderungen über den Frequenzsweep beobachten möchten, können Sie diesen Unterschied zusätzlich mit dem Arduino Serial Plotter visuell beobachten.

Schritt 10: Verarbeiten Sie Ihre Daten mit dem MATLAB-Code

Sobald experimentelle Daten in Form von CSV-Dateien erhalten wurden, besteht der nächste Schritt darin, unseren bereitgestellten Code zur Verarbeitung der Daten zu verwenden. Detaillierte Anweisungen zur Verwendung des Codes und eine Erläuterung der zugrunde liegenden Mathematik finden Sie in unserem technischen Dokument. Das Ziel besteht darin, die Beschleunigungsamplitude für den oberen und unteren Beschleunigungsmesser zu erhalten und dann das Verhältnis der unteren Amplitude zur oberen Amplitude zu berechnen. Dieses Verhältnis wird für jede Antriebsfrequenz berechnet. Die Verhältnisse werden dann als Funktion der Antriebsfrequenz aufgetragen.

Sobald dieses Diagramm erstellt wurde, wird ein weiterer Codesatz (wieder im technischen Dokument detailliert beschrieben) verwendet, um die Viskosität der Flüssigkeit zu bestimmen. Dieser Code erfordert, dass der Benutzer eine anfängliche Schätzung für die Viskosität eingibt, und es ist wichtig, dass diese anfängliche Schätzung niedriger als die tatsächliche Viskosität ist. Sobald der Code eine Viskosität gefunden hat, die den experimentellen Daten entspricht, generiert er ein Diagramm wie das unten gezeigte und zeigt den endgültigen Viskositätswert an. Herzlichen Glückwunsch zum Abschluss des Experiments!

Schritt 11: Dateien

Alternative:

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