Reometro a basso costo: 11 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Lo scopo di questo istruibile è creare un reometro a basso costo per trovare sperimentalmente la viscosità di un fluido. Questo progetto è stato creato da un team di studenti universitari e laureati della Brown University nella classe Vibration of Mechanical Systems.

Un reometro è un dispositivo di laboratorio utilizzato per misurare la viscosità dei fluidi (quanto è denso o appiccicoso un fluido - pensa all'acqua rispetto al miele). Esistono alcuni reometri che possono misurare la viscosità dei fluidi misurando la risposta di un sistema vibrante immerso in un fluido. In questo progetto di reometro a basso costo, abbiamo creato un sistema vibrante da una sfera e una molla attaccate a un altoparlante per misurare la risposta a diverse frequenze. Da questa curva di risposta, puoi trovare la viscosità del fluido.

Forniture:

Materiale necessario:

Assemblea dell'alloggiamento:

• Truciolare (11 '' W x 9 '' H) (qui) $ 1,19
• 12 x 8-32 x 3/4'' viti a testa esagonale (qui) $ 9,24 tot
• 12 x 8-32 dado esagonale (qui) $ 8,39
• Vite a testa esagonale 4 x 6-32 x ½" (qui) $ 9,95
• Dado esagonale 4 x 6-32 (qui) $ 5,12
• Chiave a brugola da 9/64'' (qui) $5.37

Elettronica:

• Alimentatore 12V (qui) $ 6,99
• Amplificatore (qui) $ 10,99
• Cavo Aux (qui) $7.54
• Ponticello (vedi sotto)
• Clip a coccodrillo (qui) $5.19
• Relatore (qui) $4.25
• Cacciavite (qui) $ 5,99

Impostazione della molla e della sfera:

• Resina per stampante 3D (variabile)
• 2 x accelerometri (abbiamo usato questi) $ 29,90
• 10 x cavi arcobaleno femmina-maschio (qui) $ 4,67
• 12 x cavi arcobaleno maschio-maschio (qui) $ 3,95
• Arduino Uno (qui) $23.00
• Cavo USB 2.0 da tipo A a B (qui) $ 3,95
• Tagliere (qui) $2.55
• Molle a compressione (abbiamo usato queste) ??
• 2 x connettori personalizzati (stampati in 3D)
• 2 x ⅜''-16 dadi esagonali (qui) $1.18
• 4 x 8-32 viti di fermo (qui) $ 6,32
• 4 x ''-20 Dado esagonale (alluminio) (qui) $ 0,64
• 2 x ''-20'' asta filettata (alluminio) (qui) $ 11,40
• Chiave a brugola da 7/64''
• Chiave a brugola da 5/64''
• Viti 4 x 5x2mm 3/16''x1/8'' (qui) $ 8,69

Altro

• Bicchiere di plastica (qui) $6,99
• Liquido per testare la viscosità (abbiamo testato sciroppo di karo, glicerina vegetale, sciroppo di cioccolato di Hershey)

COSTO TOTALE: $183,45*

*non include resina o liquido per stampante 3D

Utensili

• Taglierina laser
• stampante 3d

Software necessario

• MATLAB
• Arduino

File e codice:

• File Adobe Illustrator per l'assieme alloggiamento (Rheometer_Housing.ai)
• GUI del controller dell'altoparlante (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• File del reometro Arduino (rheometer_project.ino)
• File mesh sfera (cor_0.9cmbody.stl e cor_1.5cmbody.stl)
• File di geometria ASCII del connettore personalizzato (Connector_File.step)
• Codice MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Codice MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• Codice MATLAB 3 (rheometer_foruser.m)

Passaggio 1: parte 1: configurazione

Come configurare la piattaforma sperimentale.

Passaggio 2: stampa 3D e taglio laser di tutte le parti (connettori, sfere e alloggiamento personalizzati)

Passaggio 3: collegare l'elettronica come mostrato di seguito

Importante da notare: non collegare l'alimentatore alla presa fino a quando non sono stati completati tutti i passaggi di questa sezione! SCOLLEGARE SEMPRE L'ALIMENTAZIONE QUANDO SI EFFETTUANO QUALSIASI MODIFICA.

Per iniziare, assicurati che l'amplificatore sia posizionato con la manopola rivolta verso l'esterno. Collegare i morsetti a coccodrillo e i cavi dei ponticelli ai terminali in basso a sinistra sull'amplificatore. Collegare il cavo di alimentazione e il relativo ponticello ai terminali in alto a sinistra sull'amplificatore. Avvitare le estremità di connessione del terminale per fissare i pin dei cavi. Assicurarsi che i terminali positivo e negativo siano allineati correttamente con i terminali dell'amplificatore e agganciare i coccodrilli all'altoparlante. Assicurati che queste due clip non entrino in contatto.

Passaggio 4: configurazione della GUI

Ora che l'elettronica è impostata, possiamo testare la GUI che ci permetterà di pilotare l'altoparlante e creare il sistema vibrante immerso nel nostro fluido. L'altoparlante sarà controllato dal sistema di uscita audio nel nostro computer. Inizia scaricando MATLAB e il codice della GUI incluso sopra. NOTA: ci sono impostazioni di luci LED che non verranno utilizzate e dovrebbero essere ignorate.

Una volta aperto MATLAB, esegui quanto segue nella finestra di comando, "info = audiodevinfo" e fai doppio clic sull'opzione "output". Trova il numero ID per l'opzione cuffie/altoparlante esterni. Sarà qualcosa come "Altoparlante / Cuffie …" o "Esterno …" o "Uscita integrata …" a seconda della tua macchina. Impostare "ID altoparlante esterno" su questo numero ID.

Ora testiamo che il nostro sistema sia configurato correttamente. ABBASSA COMPLETAMENTE IL VOLUME DEL TUO COMPUTER. Scollegare il cavo audio dal computer e collegare invece un set di cuffie. Verificheremo la connessione affinché l'interfaccia grafica invii un segnale allo shaker. Immettere 60 Hz come frequenza pilota nel campo di testo come mostrato di seguito. (Questo campo accetta valori fino a 150 Hz). Questa è la frequenza di forzatura per il tuo setup. Quindi, far scorrere l'ampiezza di guida fino a un valore di circa 0,05. Quindi, premi il pulsante "Accendi sistema" per inviare un segnale alle tue cuffie. Questo attiverà uno dei canali (sinistro o destro) delle tue cuffie. Alza il volume del computer finché non si sente un suono. Premi il pulsante "Spegni sistema" una volta che si sente un segnale acustico e assicurati che il suono smetta di suonare. Per modificare la frequenza o l'ampiezza di guida del tuo sistema mentre è in funzione, premi il pulsante "Aggiorna impostazioni".

Passaggio 5: creare l'assieme di massa vibrante

Inizieremo ora ad assemblare il sistema di masse vibranti che sommergeremo nel nostro fluido. Ignora gli accelerometri in questo passaggio e concentrati sull'assemblaggio della sfera, dei connettori, dei dadi esagonali e della molla. Fissare un dado esagonale in acciaio in ciascuno dei connettori personalizzati con le viti di fermo e la chiave a brugola da 5/64 . Collega uno di questi alla sfera con un dado esagonale in alluminio e un'asta filettata in alluminio. Combina entrambi come mostrato sopra. Infine, avvitare la seconda barra filettata nel connettore superiore e avvitare parzialmente un dado esagonale in alluminio.

Passaggio 6: aggiungi gli accelerometri e Arduino

Usando lo schema sopra, collega l'arduino agli accelerometri. Per creare i cavi lunghi arcobaleno, usa i fili maschio-maschio (rappresentati nel diagramma come bianco, grigio, viola, blu e nero) e collegali ai fili femmina-maschio (rosso, giallo, arancione, verde e Marrone). La seconda estremità si collegherà agli accelerometri. Assicurati che le porte dell'accelerometro "GND" (terra) e "VCC" (3,3 Volt) siano abbinate alla breadboard e che la porta "X" sia abbinata alle porte A0 e A3 nell'Arduino.

Fissare gli accelerometri finali al gruppo massa vibrante utilizzando viti 5x3mm 3/16''x1/8''. Dovrai assicurarti che l'accelerometro TOP sia collegato ad A0 e l'accelerometro BOTTOM ad A3 affinché il codice Arduino funzioni.

Per configurare l'Arduino stesso, scarica prima il software arduino sul tuo computer. Collega Arduino al computer utilizzando il cavo USB 2.0. Apri il file fornito o copialo e incollalo in un nuovo file. Passa allo strumento nella barra in alto e passa con il mouse su "Board:" per selezionare Arduino Uno. Uno in basso, passa con il mouse su "Porta" e seleziona Arduino Uno.

Passaggio 7: impostare il sistema finale

Fase finale del set-up: mettere tutto insieme! Inizia sganciando le clip a coccodrillo dall'altoparlante e avvitando l'altoparlante nella parte superiore del gruppo alloggiamento con le viti a testa esagonale da 6-32 x ½'', il dado esagonale da 6-32 e la chiave a brugola da 9/64''. Quindi, avvitare il gruppo massa vibrante (con gli accelerometri) nell'altoparlante. Per il miglior risultato, si consiglia di ruotare l'altoparlante per evitare di aggrovigliare i fili dell'accelerometro. Serrare la massa all'altoparlante con il dado esagonale in alluminio.

Infine, inserisci i tre lati del gruppo alloggiamento nella parte superiore. Fissare il gruppo alloggiamento utilizzando le viti a testa esagonale 8-32 x 3/4'' e i dadi esagonali 8-32. Infine, riattacca le clip a coccodrillo all'altoparlante. Sei pronto per iniziare i test!

Scegli il fluido che preferisci e riempi il bicchiere di plastica fino a quando la sfera non è completamente sommersa. Non vuoi che la sfera sia parzialmente sommersa, ma fai anche attenzione a non immergere la sfera così tanto che il fluido tocca il dado esagonale in alluminio.

Passaggio 8: Parte 2: Esecuzione dell'esperimento

Ora che abbiamo terminato il nostro assemblaggio, possiamo registrare i nostri dati. Passerai attraverso le frequenze tra 15 - 75 Hz a un'ampiezza di guida impostata. Consigliamo incrementi di 5 Hz, ma questo può essere modificato per risultati più precisi. L'Arduino registrerà sia l'accelerazione per l'altoparlante (accelerometro in alto) che la sfera (accelerometro in basso) che registrerai in un file csv. I codici MATLAB 1 e 2 forniti leggeranno i valori csv come colonne separate, eseguiranno una trasformata di Fourier a due segnali per eliminare il rumore del segnale e stamperanno il rapporto di ampiezza risultante dell'accelerometro superiore e inferiore. Il codice MATLAB 3 accetterà questi rapporti di ampiezza e una viscosità iniziale stimata e riporterà in grafico i rapporti sperimentali e calcolati rispetto alle frequenze. Variando la tua viscosità stimata e confrontando visivamente questa ipotesi con i dati sperimentali, sarai in grado di determinare la viscosità del tuo fluido.

Per una spiegazione approfondita del codice MATLAB, consultare la documentazione tecnica allegata.

Passaggio 9: registrazione dei dati in un CSV

Per iniziare a registrare i dati, assicurati innanzitutto che la configurazione sia completata come descritto nella Parte 1. Assicurati che l'amplificatore sia collegato a una presa di corrente. Carica il tuo codice Arduino sul tuo dispositivo facendo clic sul pulsante "Carica" nell'angolo in alto a destra. Una volta caricato con successo, vai su "Strumenti" e seleziona "Monitoraggio seriale". Assicurarsi che quando si apre Serial Monitor o Serial Plotter che il numero di baud sia uguale al numero di baud nel codice (115200). Vedrai due colonne di dati generate che sono le letture dell'accelerometro superiore e inferiore.

Apri la GUI di MATLAB e scegli un'ampiezza di guida per il tuo esperimento (abbiamo usato 0,08 ampere e 0,16 ampere). Passerai attraverso le frequenze 15 - 75 Hz, registrando i dati ogni 5 Hz (13 set di dati in totale). Inizia impostando la frequenza di guida a 15 Hz e accendi il sistema premendo "Accendi sistema". Questo accenderà il tuo altoparlante, facendo vibrare su e giù la sfera e l'impostazione. Torna al monitor seriale Arduino e premi "Cancella output" per iniziare a raccogliere nuovi dati. Lascia che questa configurazione venga eseguita per circa 6 secondi, quindi scollega Arduino dal computer. Serial Monitor interromperà la registrazione, consentendoti di copiare e incollare manualmente circa 4.500-5.000 voci di dati in un file CSV. Dividere le due colonne di dati in due colonne separate (colonne 1 e 2). Rinomina questo csv "15hz.csv".

Ricollega il tuo Arduino al computer (assicurandoti di ripristinare la porta) e ripeti questo processo per le frequenze 20 Hz, 25 Hz, … 75Hz assicurandoti di seguire la convenzione di denominazione per i file CSV. Consultare il documento tecnico per ulteriori informazioni su come questi file vengono letti da MATLAB.

Se desideri osservare i cambiamenti del rapporto di ampiezza sulla scansione della frequenza, puoi anche utilizzare il plotter seriale Arduino per osservare visivamente questa differenza.

Passaggio 10: elaborare i dati con il codice MATLAB

Una volta ottenuti i dati sperimentali sotto forma di file CSV, il passaggio successivo consiste nell'utilizzare il codice fornito per elaborare i dati. Per istruzioni dettagliate sull'utilizzo del codice e per una spiegazione della matematica sottostante, consultare il nostro documento tecnico. L'obiettivo è ottenere l'ampiezza dell'accelerazione per l'accelerometro superiore e inferiore, quindi calcolare il rapporto tra l'ampiezza inferiore e l'ampiezza superiore. Questo rapporto viene calcolato per ciascuna frequenza di guida. I rapporti vengono quindi tracciati in funzione della frequenza di pilotaggio.

Una volta ottenuto questo grafico, viene utilizzata un'altra serie di codici (sempre dettagliati nel documento tecnico) per determinare la viscosità del fluido. Questo codice richiede all'utente di inserire un'ipotesi iniziale per la viscosità ed è essenziale che questa ipotesi iniziale sia inferiore alla viscosità effettiva, quindi assicurati di indovinare una viscosità molto bassa, altrimenti il codice non funzionerà correttamente. Una volta che il codice ha trovato una viscosità che corrisponde ai dati sperimentali, genererà un grafico come quello mostrato di seguito e mostrerà il valore di viscosità finale. Congratulazioni per aver completato l'esperimento!

Passaggio 11: file

In alternativa:

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