Reòmetre de baix cost: 11 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

L’objectiu d’aquest instructiu és crear un reòmetre de baix cost per trobar experimentalment la viscositat d’un fluid. Aquest projecte va ser creat per un equip d'estudiants universitaris i graduats de la Brown University de la classe Vibration of Mechanical Systems.

Un reòmetre és un dispositiu de laboratori que s’utilitza per mesurar la viscositat dels fluids (el gruix o l’enganxat d’un fluid: penseu que l’aigua i la mel). Hi ha certs reòmetres que poden mesurar la viscositat dels fluids mesurant la resposta d’un sistema vibrant submergit en un fluid. En aquest projecte de reòmetre de baix cost, vam crear un sistema vibratori des d’una esfera i una molla connectats a un altaveu per mesurar la resposta a diferents freqüències. A partir d’aquesta corba de resposta, es pot trobar la viscositat del fluid.

Subministraments:

Materials necessaris:

Muntatge de l'habitatge:

• Tauler de partícules (11 "W x 9" H) (aquí) 1,19 $
• Cargols hexagonals de 12 x 8-32 x 3/4 "(aquí) 9,24 $ tot
• 12 x 8-32 femella hexagonal (aquí) 8,39 $
• 4 x 6-32 x ½ '' cargol hexagonal (aquí) 9,95 $
• 4 x 6-32 femella hexagonal (aquí) 5,12 dòlars
• Clau Allen de 9/64 "(aquí) 5,37 USD

Electrònica:

• Font d'alimentació de 12V (aquí) 6,99 $
• Amplificador (aquí) 10,99 USD
• Cable auxiliar (aquí) 7,54 $
• Jumper Wire (veure més avall)
• Clips de cocodril (aquí) 5,19 $
• Altaveu (aquí) 4,25 $
• Tornavís (aquí) 5,99 $

Configuració de Spring & Sphere:

• Resina de la impressora 3D (variable)
• 2 x acceleròmetres (els hem utilitzat) 29,90 $
• 10 cables femella-home arc de Sant Martí (aquí) 4,67 dòlars
• 12 cables masculins-masculins arc de Sant Martí (aquí) 3,95 $
• Arduino Uno (aquí) 23,00 $
• Cable USB 2.0 tipus A a B (aquí) 3,95 $
• Taula de pa (aquí) 2,55 $
• Molles de compressió (les hem utilitzat) ??
• 2 x connectors personalitzats (impresos en 3D)
• 2 x ⅜’’ - 16 femelles hexagonals (aquí) 1,18 USD
• Cargols de fixació de 4 x 8-32 (aquí) 6,32 $
• 4 x ¼’’ - 20 femella hexagonal (alumini) (aquí) 0,64 dòlars
• 2 x Vareta roscada de ¼ '' - 20 '' (alumini) (aquí) 11,40 $
• Clau Allen de 7/64"
• Clau Allen de 5/64"
• Cargols de 4 x 5x2mm 3/16 "x1 / 8" (aquí) 8,69 dòlars

Altres

• Copa de plàstic (aquí) 6,99 $
• Líquid per provar la viscositat (hem provat xarop de karo, glicerina vegetal, xarop de xocolata Hershey)

COST TOTAL: 183,45 $ *

* no inclou resina ni líquid de la impressora 3D

Eines

• Tallador làser
• Impressora 3D

Cal programari

• MATLAB
• Arduino

Fitxers i codi:

• Fitxer Adobe Illustrator per al conjunt de la carcassa (Rheometer_Housing.ai)
• GUI del controlador d’altaveu (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Fitxer Rheometer Arduino (rheometer_project.ino)
• Fitxers de malla Sphere (cor_0.9cmbody.stl i cor_1.5cmbody.stl)
• Fitxer de geometria ASCII del connector personalitzat (Connector_File.step)
• Codi MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Codi MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• Codi MATLAB 3 (rheometer_foruser.m)

Pas 1: primera part: configuració

Com es configura la plataforma experimental.

Pas 2: Impressió 3D i tall per làser de totes les parts (connectors, esferes i carcassa personalitzats)

Pas 3: connecteu l'electrònica tal com es mostra a continuació

Important: no connecteu la font d'alimentació a la presa de corrent fins que no s'hagin completat tots els passos d'aquesta secció. DESENLLAURE SEMPRE DE L'ALIMENTACIÓ EN FER CANVIS.

Per començar, assegureu-vos que l’amplificador estigui col·locat amb el pom cap amunt. Connecteu els clips de cocodril i els cables del pont als terminals de la part inferior esquerra de l'amplificador. Connecteu el cable d'alimentació i el cable de pont als terminals de la part superior esquerra de l'amplificador. Cargoleu els extrems de connexió del terminal per assegurar els passadors del cable. Assegureu-vos que els terminals positiu i negatiu s’alineen correctament amb els terminals de l’ampli i fixeu els clips de cocodril a l’altaveu. Assegureu-vos que aquests dos clips no entrin en contacte.

Pas 4: Configuració de la GUI

Ara que l’electrònica està configurada, podem provar la interfície gràfica que ens permetrà conduir l’altaveu i crear el sistema de vibració submergit en el nostre fluid. El sistema de sortida d’àudio del nostre ordinador controlarà l’altaveu. Comenceu descarregant MATLAB i el codi GUI inclòs més amunt. NOTA: hi ha paràmetres de llums LED que no s’utilitzaran i que s’han d’ignorar.

Un cop hàgiu obert MATLAB, executeu el següent a la finestra d'ordres: "info = audiodevinfo" i feu doble clic a l'opció "sortida". Cerqueu el número d’identificació de l’opció d’auriculars / altaveus externs. Serà com "Altaveu / auriculars …" o "Externa …" o "Sortida integrada …" segons la vostra màquina. Establiu el "número de l'altaveu extern" en aquest número d'identificació.

Ara comprovem que el nostre sistema està configurat correctament. GIREU EL VOLUM DE L'ORDINADOR A TOT CAMÍ. Desconnecteu el cable d'àudio de l'ordinador i, en canvi, connecteu-hi uns auriculars. Provarem la connexió de la interfície gràfica per enviar un senyal al vibrador. Introduïu 60 Hz com a freqüència de conducció al camp de text, tal com es mostra a continuació. (Aquest camp accepta valors de fins a 150 Hz). Aquesta és la freqüència forçadora per a la vostra configuració. A continuació, feu lliscar l'amplitud de conducció fins a un valor aproximat de 0,05. A continuació, premeu el botó "Activa el sistema" per enviar un senyal als auriculars. Això activarà un dels canals (esquerre o dret) dels auriculars. Augmenteu el volum de l’ordinador fins que se senti un so. Feu clic al botó "Apaga el sistema" quan es senti un to audible i assegureu-vos que el so deixi de reproduir-se. Per canviar la freqüència o l'amplitud de conducció del vostre sistema mentre s'executa, premeu el botó "Actualitza la configuració".

Pas 5: creeu el conjunt massiu vibrant

Ara començarem a muntar el sistema de massa vibrant que submergirem en el nostre fluid. Ignoreu els acceleròmetres en aquest pas i centreu-vos en el muntatge de l’esfera, els connectors, les femelles hexagonals i la molla. Assegureu una femella hexagonal d’acer a cadascun dels connectors personalitzats amb cargols de fixació i la clau Allen de 5/64 . Connecteu-ne un a l'esfera amb una femella hexagonal d'alumini i una vareta roscada d'alumini. Combineu tots dos com es mostra a la part anterior. Finalment, cargoleu la segona vareta roscada al connector superior i torneu parcialment una rosca hexagonal d'alumini.

Pas 6: afegiu els acceleròmetres i Arduino

Utilitzant l’esquema anterior, connecteu l’arduino als acceleròmetres. Per crear els llargs cables arc de Sant Martí, utilitzeu els cables mascle-mascle (que es mostren al diagrama com el blanc, el gris, el morat, el blau i el negre) i connecteu-los als cables femella-mascle (vermell, groc, taronja, verd i marró). El segon extrem es connectarà als acceleròmetres. Assegureu-vos que els ports de l’acceleròmetre “GND” (terra) i “VCC” (3,3 volts) coincideixin amb la placa de control i que el port “X” coincideixi amb els ports A0 i A3 de l’Arduino.

Connecteu els acceleròmetres finals al conjunt de la massa vibrant mitjançant cargols de 5x3mm 3/16”x1 / 8”. Haureu d’assegurar-vos que l’acceleròmetre TOP està connectat a l’A0 i l’acceleròmetre BOTTOM a A3 perquè el codi Arduino funcioni.

Per configurar el propi Arduino, primer descarregueu el programari arduino al vostre ordinador. Connecteu l’Arduino a l’ordinador mitjançant el cable USB 2.0. Obriu el fitxer proporcionat o copieu-lo i enganxeu-lo en un fitxer nou. Aneu a l'eina de la barra superior i passeu el cursor per sobre de "Tauler" per seleccionar Arduino Uno. Un cap avall, passeu el cursor per sobre de "Port" i seleccioneu Arduino Uno.

Pas 7: configureu el sistema final

Pas final de la configuració: muntar-ho tot. Comenceu per desenganxar els clips de cocodril de l’altaveu i cargolar-lo a la part superior del conjunt de la carcassa amb els cargols de capçal hexagonal de 6-32 x ½”, la femella hexagonal de 6-32 i la clau Allen de 9/64”. A continuació, cargoleu el conjunt de la massa vibrant (amb els acceleròmetres) a l'altaveu. Per obtenir el millor resultat, es recomana girar l’altaveu per evitar enredar els cables de l’acceleròmetre. Apretar la massa a l’altaveu amb la femella hexagonal d’alumini.

Finalment, introduïu els tres costats del conjunt de la carcassa a la part superior. Assegureu el conjunt de la carcassa amb els cargols hexagonals de 8-32 x 3/4 i les femelles hexagonals de 8-32. Finalment, torneu a col·locar els clips de cocodril a l’altaveu. Ja podeu començar a provar.

Trieu el fluid que vulgueu i ompliu el got de plàstic fins que l’esfera quedi completament submergida. No voleu que l’esfera estigui parcialment submergida, però també tingueu cura de no submergir l’esfera fins que el fluid toqui la femella hexagonal d’alumini.

Pas 8: Part 2: Execució de l'experiment

Ara que hem acabat el muntatge, podem registrar les nostres dades. Rastrejarà freqüències entre 15 i 75 Hz a una amplitud de conducció fixa. Es recomana incrementar 5 Hz, però es pot canviar per obtenir resultats més precisos. L'Arduino enregistrarà tant l'acceleració de l'altaveu (acceleròmetre superior) com l'esfera (acceleròmetre inferior) que enregistrareu en un fitxer CSV. El codi MATLAB 1 i 2 proporcionat llegirà els valors CSV com a columnes separades, realitzarà una transformada de Fourier de dos senyals per deixar de soroll el senyal i imprimirà la relació d’amplitud resultant de l’acceleròmetre superior i inferior. MATLAB Code 3 acceptarà aquestes relacions d’amplitud i una viscositat inicial endevinada i representarà les relacions experimentals i calculades respecte a les freqüències. Variant la viscositat endevinada i comparant visualment aquesta conjectura amb les dades experimentals, podreu determinar la viscositat del fluid.

Per obtenir una explicació en profunditat del codi MATLAB, consulteu la documentació tècnica adjunta.

Pas 9: enregistrament de dades en un fitxer CSV

Per començar a enregistrar dades, primer assegureu-vos que la configuració s'hagi completat tal com es descriu a la part 1. Assegureu-vos que l'amplificador estigui endollat a una presa de corrent. Pengeu el vostre codi Arduino al dispositiu fent clic al botó "Puja" a l'extrem superior dret. Quan s'hagi carregat correctament, aneu a "Eines" i seleccioneu "Monitor de sèrie". Assegureu-vos que quan obriu el monitor sèrie o el traçador de sèries, el número de baud és igual al número de baud al codi (115200). Veureu que es generen dues columnes de dades que són les lectures de l’acceleròmetre superior i inferior.

Obriu la GUI de MATLAB i trieu una amplitud de conducció per al vostre experiment (hem utilitzat 0,08 amperes i 0,16 amperes). Escombrareu les freqüències de 15 a 75 Hz, enregistrant dades cada 5 Hz (13 conjunts de dades en total). Comenceu configurant la freqüència de conducció a 15 Hz i activeu el sistema prement "Activa el sistema". Això engegarà l'altaveu, provocant que l'esfera i la configuració vibrin amunt i avall. Torneu al vostre monitor sèrie Arduino i premeu "Esborra sortida" per començar a recopilar dades noves. Deixeu que aquesta configuració s’executi durant uns 6 segons i, a continuació, desconnecteu l’Arduino de l’ordinador. El monitor de sèrie deixarà de gravar, cosa que us permetrà copiar i enganxar manualment unes 4, 500-5, 000 entrades de dades en un fitxer CSV. Dividiu les dues columnes de dades en dues columnes separades (columnes 1 i 2). Canvieu el nom d'aquest csv com a "15hz.csv".

Torneu a connectar l'Arduino a l'ordinador (assegureu-vos de restablir el port) i repetiu aquest procés per a freqüències de 20 Hz, 25 Hz, … 75Hz, seguint la convenció de noms per als fitxers CSV. Consulteu el document tècnic per obtenir més informació sobre com llegeixen aquests fitxers a MATLAB.

Si voleu observar els canvis en la relació d’amplitud durant l’escombrat de freqüència, podeu utilitzar el Plotter sèrie Arduino per observar visualment aquesta diferència.

Pas 10: processeu les vostres dades amb el codi MATLAB

Un cop obtingudes les dades experimentals en forma de fitxers CSV, el següent pas és utilitzar el codi proporcionat per processar les dades. Per obtenir instruccions detallades sobre l’ús del codi i per obtenir una explicació de les matemàtiques subjacents, consulteu el nostre document tècnic. L’objectiu és obtenir l’amplitud d’acceleració per a l’acceleròmetre superior i inferior i després calcular la proporció de l’amplitud inferior amb l’amplitud superior. Aquesta proporció es calcula per a cada freqüència de conducció. Les relacions es representen després en funció de la freqüència de conducció.

Un cop obtinguda aquesta gràfica, s’utilitza un altre conjunt de codis (de nou detallat al document tècnic) per determinar la viscositat del fluid. Aquest codi requereix que l'usuari introdueixi una conjectura inicial per a la viscositat i és essencial que aquesta conjectura inicial sigui inferior a la viscositat real, així que assegureu-vos d'endevinar una viscositat molt baixa perquè el codi no funcionarà correctament. Un cop el codi hagi trobat una viscositat que coincideixi amb les dades experimentals, generarà un gràfic com el que es mostra a continuació i mostrarà el valor de viscositat final. Enhorabona per completar l'experiment.

Pas 11: fitxers

Alternativament:

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