Düşük Maliyetli Reometre: 11 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Bu talimatın amacı, bir sıvının viskozitesini deneysel olarak bulmak için düşük maliyetli bir reometre oluşturmaktır. Bu proje, Brown Üniversitesi lisans ve yüksek lisans öğrencilerinden oluşan bir ekip tarafından Mekanik Sistemlerin Titreşimi sınıfında oluşturuldu.

Bir reometre, sıvıların viskozitesini ölçmek için kullanılan bir laboratuar cihazıdır (bir sıvının ne kadar kalın veya yapışkan olduğu - su ile balı düşünün). Bir akışkana daldırılmış titreşimli bir sistemin tepkisini ölçerek akışkanların viskozitesini ölçebilen belirli reometreler vardır. Bu düşük maliyetli reometre projesinde, farklı frekanslardaki tepkiyi ölçmek için bir hoparlöre bağlı bir küre ve yaydan titreşimli bir sistem oluşturduk. Bu tepki eğrisinden sıvının viskozitesini bulabilirsiniz.

Gereçler:

İhtiyac duyulan malzemeler:

Konut Montajı:

• Sunta (11'' G x 9'' Y) (burada) $1.19
• 12 x 8-32 x 3/4'' Altıgen başlı vidalar (burada) toplam 9,24$
• 12 x 8-32 Altıgen somun (burada) $8.39
• 4 x 6-32 x ½'' Altıgen başlı vida (burada) 9,95 $
• 4 x 6-32 Altıgen somun (burada) 5,12$
• 9/64'' Allen Anahtarı (burada) $5.37

Elektronik:

• 12V Güç Kaynağı (burada) $6.99
• Amplifikatör (burada) $10.99
• Aux Kablosu (burada) $7.54
• Atlama Kablosu (aşağıya bakın)
• Timsah Klipleri (burada) $5.19
• Konuşmacı (burada) $4.25
• Tornavida (burada) $5.99

Yay ve Küre Kurulumu:

• 3D yazıcı reçinesi (değişken)
• 2 x ivmeölçer (bunları kullandık) 29,90$
• 10 x dişi-erkek gökkuşağı kabloları (burada) 4,67$
• 12 x erkek-erkek gökkuşağı kabloları (burada) 3,95$
• Arduino Uno (burada) 23,00 $
• USB 2.0 Kablo Tipi A'dan B'ye (burada) 3,95 ABD doları
• Ekmek tahtası (burada) 2.55$
• Sıkıştırma Yayları (bunları kullandık) ??
• 2 x Özel Konektör (3D baskılı)
• 2 x ⅜''-16 Altıgen somun (burada) 1,18$
• 4 x 8-32 Ayar Vidası (burada) $6.32
• 4 x ¼’’-20 Altıgen somun (Alüminyum) (burada) 0,64 ABD doları
• 2 x ¼''-20'' Dişli Çubuk (Alüminyum) (burada) $11.40
• 7/64'' Alyan Anahtarı
• 5/64'' Alyan Anahtarı
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8'' Vida (burada) $8.69

Başka

• Plastik Bardak (burada) $6.99
• Viskoziteyi test etmek için sıvı (karo şurubu, bitkisel gliserin, Hershey çikolata şurubu test ettik)

TOPLAM MALİYETİ: 183.45$*

*3D yazıcı reçinesi veya sıvısı içermez

Aletler

• Lazer Kesici
• 3 boyutlu yazıcı

Gerekli Yazılım

• MATLAB
• Arduino

Dosyalar ve Kod:

• Muhafaza montajı için Adobe Illustrator dosyası (Rheometer_Housing.ai)
• Hoparlör Denetleyici GUI'si (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arduino Reometre Dosyası (rheometer_project.ino)
• Küre ağ dosyaları (cor_0.9cmbody.stl ve cor_1.5cmbody.stl)
• Özel Bağlayıcı ASCII geometri dosyası (Connector_File.step)
• MATLAB Kodu 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB Kodu 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB Kodu 3 (rheometer_foruser.m)

Adım 1: Bölüm 1: Kurulum

Deneysel platform nasıl kurulur.

Adım 2: Tüm Parçaları 3D Baskı ve Lazer Kesim (özel Konektörler, Küreler ve Muhafaza)

Adım 3: Elektroniği Aşağıda Gösterildiği Gibi Bağlayın

Dikkat edilmesi gereken önemli nokta: Bu bölümdeki tüm adımlar tamamlanana kadar güç kaynağını prize takmayın! HERHANGİ BİR DEĞİŞİKLİK YAPARKEN GÜÇ KAYNAĞININ FİŞİNİ ÇEKİN.

Başlamak için, amplifikatörün düğme uzağa bakacak şekilde yerleştirildiğinden emin olun. Timsah klipslerini ve atlama kablolarını amplifikatörün sol alt terminallerine bağlayın. Güç kablosunu ve atlama telini amplifikatörün sol üst terminallerine takın. Kablo pimlerini sabitlemek için terminal bağlantı uçlarını vidalayın. Pozitif ve negatif terminallerin amfi üzerindeki terminallerle düzgün bir şekilde hizalandığından emin olun ve timsah klipslerini hoparlöre klipsleyin. Bu iki klipsin birbirine temas etmemesine dikkat edin.

Adım 4: GUI Kurulumu

Artık elektronikler kurulduğuna göre, hoparlörü sürmemize ve sıvımıza daldırılmış titreşimli sistemi oluşturmamıza izin verecek GUI'yi test edebiliriz. Hoparlör, bilgisayarımızda bulunan ses çıkış sistemi tarafından kontrol edilecektir. MATLAB ve yukarıda bulunan GUI kodunu indirerek başlayın. NOT: Kullanılmayacak ve göz ardı edilmesi gereken LED Işık ayarları vardır.

MATLAB'ı açtıktan sonra komut penceresinde “info = audiodevinfo” komutunu çalıştırın ve “output” seçeneğine çift tıklayın. Harici kulaklık/hoparlör seçeneğinin kimlik numarasını bulun. Makinenize bağlı olarak “Hoparlör / Kulaklık…” veya “Harici…” veya “Dahili Çıkış…” gibi bir şey olacaktır. “Harici hoparlör kimliği”ni bu kimlik numarasına ayarlayın.

Şimdi sistemimizin doğru kurulduğunu test edelim. BİLGİSAYARINIZIN SES SESİNİ TAMAMEN AZALTIN. Ses kablosunu bilgisayarınızdan çıkarın ve bunun yerine bir kulaklık seti takın GUI'nin çalkalayıcıya bir sinyal göndermesi için bağlantıyı test edeceğiz. Aşağıda gösterildiği gibi metin alanına sürüş frekansı olarak 60 Hz girin. (Bu alan 150 Hz'e kadar olan değerleri kabul eder). Bu, kurulumunuz için zorlama frekansıdır. Ardından, sürüş genliğini yaklaşık 0,05 değerine kadar kaydırın. Ardından, kulaklığınıza bir sinyal göndermek için “Sistemi aç” düğmesine basın. Bu, kulaklığınızın kanallarından birini (sol veya sağ) tetikleyecektir. Bir ses duyulana kadar bilgisayarınızın sesini açın. Sesli bir ton duyulduğunda “Sistemi kapat” düğmesine basın ve sesin çalmayı bıraktığından emin olun. Sisteminizin çalışırken frekansını veya sürüş genliğini değiştirmek için “Ayarları yenile” düğmesine basın.

Adım 5: Titreşimli Kütle Düzeneğini Oluşturun

Şimdi sıvımıza batıracağımız titreşimli kütle sistemini monte etmeye başlayacağız. Bu adımda ivmeölçerleri görmezden gelin ve küre, konektörler, altıgen somunlar ve yayı birleştirmeye odaklanın. Ayar vidaları ve 5/64'' Alyen Anahtarı ile özel konektörlerin her birine bir çelik altıgen somunu sabitleyin. Bunlardan birini alüminyum altıgen somun ve alüminyum Dişli Çubuk ile küreye bağlayın. Her ikisini de yukarıda gösterildiği gibi birleştirin. Son olarak, ikinci Dişli Çubuğu üst Konektöre vidalayın ve alüminyum altıgen somunu kısmen vidalayın.

Adım 6: İvmeölçerleri ve Arduino'yu ekleyin

Yukarıdaki diyagramı kullanarak arduinoyu ivmeölçerlere bağlayın. Uzun gökkuşağı kablolarını oluşturmak için erkek-erkek kabloları kullanın (şemada beyaz, gri, mor, mavi ve siyah olarak gösterilmiştir) ve bunları dişi-erkek kablolara (kırmızı, sarı, turuncu, yeşil ve Kahverengi). İkinci uç ivmeölçerlere bağlanacaktır. "GND" (Toprak) ve "VCC" (3,3 Volt) ivmeölçer bağlantı noktalarının devre tahtasına ve "X" bağlantı noktasının Arduino'daki A0 ve A3 bağlantı noktalarına uygun olduğundan emin olun.

Son ivmeölçerleri 5x3mm 3/16''x1/8'' vidalar kullanarak Titreşimli Kütle tertibatına takın. Arduino kodunun çalışması için ÜST ivmeölçerin A0'a ve ALT ivmeölçerin A3'e bağlı olduğundan emin olmanız gerekir.

Arduino'nun kendisini kurmak için öncelikle arduino yazılımını bilgisayarınıza indirin. Arduino'yu USB 2.0 Kablosunu kullanarak bilgisayarınıza takın. Sağlanan dosyayı açın veya kopyalayıp yeni bir dosyaya yapıştırın. Arduino Uno'yu seçmek için üst çubuktaki Araca gidin ve “Board:” üzerine gelin. Bir aşağı, “Port” üzerine gelin ve Arduino Uno'yu seçin.

7. Adım: Son Sistemi Kurun

Kurulumun son adımı -- hepsini bir araya getirmek! Timsah klipslerini hoparlörden ayırarak ve hoparlörü 6-32 x ½'' Altıgen başlı vidalar, 6-32 altıgen somun ve 9/64'' Alyen Anahtarı ile muhafaza tertibatının üstüne vidalayarak başlayın. Ardından, titreşimli kütle tertibatını (ivmeölçerlerle birlikte) hoparlöre vidalayın. En iyi sonucu elde etmek için, ivmeölçer kablolarının karışmasını önlemek için hoparlörü çevirmenizi öneririz. Kütleyi alüminyum altıgen somunla hoparlöre sıkın.

Son olarak, mahfaza tertibatının üç tarafını üste yerleştirin. 8-32 x 3/4'' Altıgen başlı vidaları ve 8-32 altıgen somunları kullanarak muhafaza tertibatını sabitleyin. Son olarak, timsah klipslerini hoparlöre yeniden takın. Test etmeye başlamaya hazırsınız!

Tercih ettiğiniz sıvıyı seçin ve plastik kabınızı küre tamamen batana kadar doldurun. Kürenin kısmen suya batmasını istemezsiniz, ancak küreyi sıvı alüminyum altıgen somuna değecek kadar batırmamaya da dikkat edin.

Adım 8: Bölüm 2: Deneyi Çalıştırma

Artık montajımız bittiğine göre verilerimizi kaydedebiliriz. Belirli bir sürüş genliğinde 15 - 75 Hz arasındaki frekansları tarayacaksınız. 5 Hz'lik artışları öneririz, ancak daha kesin sonuçlar için bu değiştirilebilir. Arduino, hem hoparlörün (üst ivmeölçer) hem de bir csv dosyasına kaydedeceğiniz kürenin (alt ivmeölçer) ivmesini kaydedecektir. Sağlanan MATLAB Kodu 1 ve 2, csv değerlerini ayrı sütunlar olarak okuyacak, sinyal gürültüsünü gidermek için iki sinyalli bir fourier dönüşümü yapacak ve üst ve alt ivmeölçerin elde edilen genlik oranını yazdıracaktır. MATLAB Code 3, bu genlik oranlarını ve bir ilk tahmin edilen viskoziteyi kabul edecek ve deneysel ve hesaplanmış oranların frekanslara karşı grafiğini çizecektir. Tahmin ettiğiniz viskoziteyi değiştirerek ve bu tahmini görsel olarak deneysel verilerle karşılaştırarak, sıvınızın viskozitesini belirleyebileceksiniz.

MATLAB kodunun ayrıntılı açıklaması için ekteki teknik belgelere bakın.

9. Adım: Verileri CSV'ye Kaydetme

Veri kaydetmeye başlamak için, önce Bölüm 1'de açıklanan şekilde kurulumunuzun tamamlandığından emin olun. Amplifikatörün bir elektrik prizine takılı olduğundan emin olun. Sağ üst köşedeki “Yükle” butonuna tıklayarak Arduino kodunuzu cihazınıza yükleyin. Bu başarıyla yüklendikten sonra, "Araçlar"a gidin ve "Seri Monitör"ü seçin. Seri Monitör veya Seri Plotter'ı açtığınızda, baudd numarasının koddaki baudd numarasına (115200) eşit olduğundan emin olun. Üst ve alt ivmeölçer okumaları olan iki veri sütununun üretildiğini göreceksiniz.

MATLAB GUI'yi açın ve deneyiniz için bir sürüş genliği seçin (0,08 amper ve 0,16 amper kullandık). Her 5 Hz'de bir veri kaydederek (toplam 13 veri seti) 15 - 75 Hz frekansları arasında dolaşacaksınız. Sürüş frekansını 15 Hz olarak ayarlayarak başlayın ve “Sistemi aç” düğmesine basarak sistemi açın. Bu, hoparlörünüzü açarak kürenin ve kurulumun yukarı ve aşağı titreşmesine neden olur. Arduino Seri Monitörünüze geri dönün ve yeni veri toplamaya başlamak için "Çıktıyı Temizle" düğmesine basın. Bu kurulumun yaklaşık 6 saniye çalışmasına izin verin ve ardından Arduino'yu bilgisayarınızdan çıkarın. Seri Monitör kaydı durduracak ve yaklaşık 4.500-5.000 veri girişini bir csv dosyasına manuel olarak kopyalayıp yapıştırmanıza izin verecektir. İki veri sütununu iki ayrı sütuna bölün (Sütun 1 ve 2). Bu csv'yi “15hz.csv” olarak yeniden adlandırın.

Arduino'nuzu tekrar bilgisayarınıza takın (Portu sıfırladığınızdan emin olun) ve bu işlemi 20 Hz, 25 Hz, … 75 Hz frekansları için tekrarlayın, CSV dosyaları için adlandırma kuralına uyduğunuzdan emin olun. Bu dosyaların MATLAB tarafından nasıl okunduğu hakkında daha fazla bilgi için teknik belgeye bakın.

Frekans taraması üzerinden genlik oranı değişikliklerini gözlemlemek isterseniz, bu farkı görsel olarak gözlemlemek için ayrıca Arduino Seri Plotter'ı kullanabilirsiniz.

Adım 10: MATLAB Koduyla Verilerinizi İşleyin

CSV dosyaları biçiminde deneysel veriler elde edildikten sonraki adım, verileri işlemek için sağlanan kodu kullanmaktır. Kodun kullanımına ilişkin ayrıntılı talimatlar ve temel matematiğin açıklaması için teknik belgemize bakın. Amaç, üst ve alt ivmeölçer için ivme genliğini elde etmek, ardından alt genliğin üst genliğe oranını hesaplamaktır. Bu oran, her sürüş frekansı için hesaplanır. Oranlar daha sonra sürüş frekansının bir fonksiyonu olarak çizilir.

Bu çizim elde edildikten sonra, sıvı viskozitesini belirlemek için başka bir kod seti (tekrar teknik belgede ayrıntılı olarak açıklanmıştır) kullanılır. Bu kod, kullanıcının viskozite için bir ilk tahmin girmesini gerektirir ve bu ilk tahminin gerçek viskoziteden daha düşük olması önemlidir, bu nedenle çok düşük bir viskozite tahmin ettiğinizden emin olun, aksi takdirde kod düzgün çalışmayacaktır. Kod, deneysel verilerle eşleşen bir viskozite bulduğunda, aşağıda gösterilene benzer bir grafik oluşturacak ve nihai viskozite değerini gösterecektir. Deneyi tamamladığınız için tebrikler!

11. Adım: Dosyalar

Alternatif olarak:

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