Rheometer Murah: 11 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Tujuan dari instruksi ini adalah untuk membuat rheometer berbiaya rendah untuk secara eksperimental menemukan viskositas cairan. Proyek ini dibuat oleh tim mahasiswa sarjana dan pascasarjana Brown University di kelas Vibration of Mechanical Systems.

Rheometer adalah perangkat lab yang digunakan untuk mengukur viskositas cairan (seberapa tebal atau lengketnya cairan -- pikirkan air vs madu). Ada rheometer tertentu yang dapat mengukur viskositas cairan dengan mengukur respons sistem bergetar yang terendam dalam cairan. Dalam proyek rheometer berbiaya rendah ini, kami membuat sistem getar dari bola dan pegas yang dipasang ke speaker untuk mengukur respons pada frekuensi yang berbeda. Dari kurva respons ini, Anda dapat menemukan viskositas fluida.

Perlengkapan:

Bahan yang Dibutuhkan:

Majelis Perumahan:

• Papan Partikel (11'' W x 9'' H) (di sini) $1,19
• 12 x 8-32 x 3/4 ''Sekrup kepala segi enam (di sini) $9,24 total
• 12 x 8-32 Kacang hex (di sini) $8,39
• 4 x 6-32 x '' Sekrup kepala segi enam (di sini) $9,95
• 4 x 6-32 Kacang hex (di sini) $5,12
• 9/64'' Allen Key (di sini) $5,37

Elektronik:

• Catu Daya 12V (di sini) $6,99
• Amplifier (di sini) $10,99
• Kabel Aux (di sini) $7,54
• Kawat Jumper (lihat di bawah)
• Klip Buaya (di sini) $5,19
• Pembicara (di sini) $4,25
• Pengemudi Sekrup (di sini) $5,99

Pengaturan Musim Semi & Bola:

• Resin printer 3D (variabel)
• 2 x akselerometer (kami menggunakan ini) $29,90
• 10 x kabel pelangi wanita-pria (di sini) $4,67
• 12 x kabel pelangi pria-pria (di sini) $3,95
• Arduino Uno (di sini) $23.00
• Kabel USB 2.0 Tipe A ke B (di sini) $3,95
• Papan roti (di sini) $2,55
• Compression Springs (kami menggunakan ini) ??
• 2 x Konektor Kustom (dicetak 3D)
• 2 x ''-16 Hex nut (di sini) $1,18
• 4 x 8-32 Set Sekrup (di sini) $6.32
• 4 x ''-20 Kacang hex (Aluminium) (di sini) $0,64
• 2 x ''-20'' Batang Berulir (Aluminium) (di sini) $11,40
• 7/64'' Allen Key
• Kunci Allen 5/64 ''
• 4 x 5x2mm 3/16''x1/8'' Sekrup (di sini) $8.69

Lainnya

• Gelas Plastik (di sini) $6,99
• Cairan untuk menguji viskositas (kami menguji sirup karo, gliserin nabati, sirup cokelat Hershey)

TOTAL BIAYA: $183,45*

*tidak termasuk resin atau cairan printer 3D

Peralatan

• Pemotong Laser
• pencetak 3D

Perangkat Lunak yang Dibutuhkan

• MATLAB
• Arduino

File dan Kode:

• File Adobe Illustrator untuk perakitan perumahan (Rheometer_Housing.ai)
• GUI Pengontrol Speaker (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• File Rheometer Arduino (rheometer_project.ino)
• File jaring bola (cor_0.9cmbody.stl dan cor_1.5cmbody.stl)
• File geometri ASCII Konektor Kustom (Connector_File.step)
• MATLAB Kode 1 (ff_two_signal.m)
• MATLAB Kode 2 (accelprocessor_foruser.m)
• MATLAB Kode 3 (rheometer_foruser.m)

Langkah 1: Bagian 1: Siapkan

Cara mengatur platform eksperimental.

Langkah 2: Cetak 3D dan Potong Laser Semua Bagian (Konektor, Bola, dan Perumahan khusus)

Langkah 3: Hubungkan Elektronik Seperti Yang Ditunjukkan Di Bawah

Penting untuk diperhatikan: Jangan mencolokkan catu daya ke stopkontak sampai semua langkah di bagian ini selesai! SELALU cabut colokan POWER SUPPLY SAAT MELAKUKAN PERUBAHAN.

Untuk memulai, pastikan amplifier ditempatkan dengan kenop menghadap ke samping. Hubungkan klip buaya dan kabel jumper ke terminal tangan kiri bawah pada amplifier. Pasang kabel daya dan kabel jumpernya ke terminal tangan kiri atas pada amplifier. Kencangkan ujung sambungan terminal untuk mengamankan pin kawat. Pastikan terminal positif dan negatif sejajar dengan benar dengan terminal pada amp dan klip klip buaya ke speaker. Pastikan kedua klip ini tidak bersentuhan.

Langkah 4: Pengaturan GUI

Sekarang elektronik sudah diatur, kita dapat menguji GUI yang memungkinkan kita menggerakkan speaker dan membuat sistem getar yang terendam dalam cairan kita. Speaker akan dikendalikan oleh sistem output audio di komputer kita. Mulailah dengan mengunduh MATLAB dan kode GUI yang disertakan di atas. CATATAN: ada pengaturan Lampu LED yang tidak akan digunakan dan harus diabaikan.

Setelah Anda membuka MATLAB, jalankan perintah berikut pada jendela perintah, "info = audiodevinfo" dan klik dua kali pada opsi 'output'. Temukan nomor ID untuk opsi headphone/speaker eksternal. Ini akan menjadi sesuatu seperti "Speaker / Headphone …" atau "Eksternal …" atau "Output Built-In …" tergantung pada mesin Anda. Setel "ID speaker eksternal" ke nomor ID ini.

Sekarang mari kita uji apakah sistem kita sudah diatur dengan benar. TURUNKAN VOLUME KOMPUTER ANDA SELURUHNYA. Cabut kabel Audio dari komputer Anda dan sebagai gantinya pasang satu set headphone Kami akan menguji koneksi GUI untuk mengirim sinyal ke shaker. Masukkan 60 Hz sebagai frekuensi mengemudi di bidang teks seperti yang ditunjukkan di bawah ini. (Bidang ini menerima nilai hingga 150 Hz). Ini adalah frekuensi pemaksaan untuk pengaturan Anda. Kemudian, geser amplitudo mengemudi hingga nilai sekitar 0,05. Kemudian, tekan tombol "Aktifkan sistem" untuk mengirim sinyal ke headphone Anda. Ini akan memicu salah satu saluran (kiri atau kanan) headphone Anda. Naikkan volume komputer Anda hingga terdengar suara. Tekan "Matikan sistem" setelah nada yang dapat didengar terdengar dan pastikan suara berhenti diputar. Untuk mengubah frekuensi atau amplitudo mengemudi sistem Anda saat sedang berjalan, tekan tombol "Segarkan pengaturan".

Langkah 5: Buat Majelis Massa Bergetar

Sekarang kita akan mulai merakit sistem massa bergetar yang akan kita rendam dalam cairan kita. Abaikan akselerometer pada langkah ini dan fokus pada perakitan bola, konektor, mur hex, dan pegas. Kencangkan mur hex baja di setiap konektor khusus dengan sekrup yang disetel dan Kunci Allen 5/64 ''. Hubungkan salah satunya ke bola dengan mur hex aluminium dan Batang Berulir aluminium. Gabungkan keduanya seperti yang ditunjukkan di atas. Terakhir, kencangkan Batang Berulir kedua ke Konektor atas dan sekrup sebagian pada mur segi enam aluminium.

Langkah 6: Tambahkan Akselerometer & Arduino

Menggunakan diagram di atas, hubungkan arduino ke akselerometer. Untuk membuat kabel pelangi yang panjang, gunakan kabel jantan-jantan (digambarkan dalam diagram sebagai putih, abu-abu, ungu, biru, dan hitam) dan hubungkan ke kabel betina-jantan (merah, kuning, oranye, hijau, dan cokelat). Ujung kedua akan terhubung ke akselerometer. Pastikan port akselerometer “GND” (Ground) dan “VCC” (3,3 Volt) cocok dengan papan tempat memotong roti dan port “X” cocok dengan port A0 dan A3 di Arduino.

Pasang akselerometer terakhir ke unit Vibrating Mass menggunakan sekrup 5x3mm 3/16''x1/8''. Anda harus memastikan akselerometer TOP terhubung ke A0 dan akselerometer BOTTOM ke A3 agar kode Arduino berfungsi.

Untuk mengatur Arduino itu sendiri, pertama-tama unduh perangkat lunak arduino ke komputer Anda. Colokkan Arduino ke komputer Anda menggunakan Kabel USB 2.0. Buka file yang disediakan atau salin dan tempel ke file baru. Arahkan ke Alat di bilah atas dan arahkan kursor ke "Board:" untuk memilih Arduino Uno. Satu ke bawah, arahkan kursor ke "Port" dan pilih Arduino Uno.

Langkah 7: Siapkan Sistem Terakhir

Langkah terakhir penyiapan -- menyatukan semuanya! Mulailah dengan melepaskan klip buaya dari speaker dan memasang speaker ke bagian atas unit rumah dengan sekrup kepala 6-32 x '' Hex, mur hex 6-32, dan Kunci Allen 9/64''. Selanjutnya, kencangkan unit massa bergetar (dengan akselerometer) ke dalam speaker. Untuk hasil terbaik, sebaiknya putar speaker agar kabel akselerometer tidak terbelit. Kencangkan massa ke speaker dengan mur hex aluminium.

Terakhir, masukkan ketiga sisi rakitan rumah ke atas. Kencangkan rakitan rumah menggunakan sekrup kepala segi enam 8-32 x 3/4 inci dan mur segi delapan 8-32. Terakhir, pasang kembali klip buaya ke speaker. Anda siap untuk memulai pengujian!

Pilih cairan pilihan Anda dan isi gelas plastik Anda sampai bola benar-benar terendam. Anda tidak ingin bola terendam sebagian, tetapi juga berhati-hatilah untuk tidak menenggelamkan bola terlalu jauh sehingga cairan menyentuh mur segi enam aluminium.

Langkah 8: Bagian 2: Menjalankan Eksperimen

Sekarang setelah perakitan kami selesai, kami dapat merekam data kami. Anda akan menyapu melalui frekuensi antara 15 - 75 Hz pada amplitudo mengemudi yang ditetapkan. Kami merekomendasikan peningkatan 5 Hz, tetapi ini dapat diubah untuk hasil yang lebih tepat. Arduino akan merekam akselerasi untuk speaker (akselerometer atas) dan bola (akselerometer bawah) yang akan Anda rekam dalam file csv. Kode MATLAB 1 & 2 yang diberikan akan membaca nilai csv sebagai kolom terpisah, melakukan transformasi fourier dua sinyal untuk menghilangkan noise sinyal, dan mencetak rasio amplitudo yang dihasilkan dari akselerometer atas dan bawah. MATLAB Code 3 akan menerima rasio amplitudo ini dan perkiraan viskositas awal dan memplot rasio eksperimental dan terhitung vs frekuensi. Dengan memvariasikan perkiraan viskositas Anda dan membandingkan tebakan ini secara visual dengan data eksperimen, Anda akan dapat menentukan viskositas cairan Anda.

Untuk penjelasan mendalam tentang kode MATLAB, lihat dokumentasi teknis terlampir.

Langkah 9: Merekam Data dalam CSV

Untuk mulai merekam data, pertama-tama pastikan pengaturan Anda selesai seperti yang dijelaskan di Bagian 1. Pastikan Amplifier dicolokkan ke stopkontak. Unggah kode Arduino Anda ke perangkat Anda dengan mengklik tombol "Unggah" di sudut kanan atas. Setelah berhasil diunggah, navigasikan ke "Tools" dan pilih "Serial Monitor." Pastikan saat membuka Serial Monitor atau Serial Plotter bahwa nomor baudd sama dengan nomor baudd pada kode (115200). Anda akan melihat dua kolom data yang dihasilkan yang merupakan pembacaan akselerometer atas dan bawah.

Buka MATLAB GUI dan pilih amplitudo mengemudi untuk percobaan Anda (kami menggunakan 0,08 ampere dan 0,16 ampere). Anda akan menyapu frekuensi 15 - 75 Hz, merekam data setiap 5 Hz (total 13 set data). Mulailah dengan mengatur frekuensi mengemudi ke 15 Hz dan nyalakan sistem dengan menekan “Turn on system.” Ini akan menyalakan speaker Anda, menyebabkan bola dan pengaturan bergetar ke atas dan ke bawah. Kembali ke Monitor Serial Arduino Anda dan tekan "Hapus Output" untuk mulai mengumpulkan data baru. Biarkan pengaturan ini berjalan selama sekitar 6 detik, lalu cabut Arduino dari komputer Anda. Serial Monitor akan berhenti merekam, memungkinkan Anda untuk menyalin dan menempel secara manual sekitar 4.500-5.000 entri data ke dalam file csv. Pisahkan dua kolom data menjadi dua kolom terpisah (Kolom 1 dan 2). Ubah nama csv ini menjadi "15hz.csv".

Pasang kembali Arduino Anda ke komputer Anda (pastikan untuk mengatur ulang Port) dan ulangi proses ini untuk frekuensi 20 Hz, 25 Hz, … 75Hz pastikan untuk mengikuti konvensi penamaan untuk file CSV. Lihat dokumen teknis untuk informasi lebih lanjut tentang bagaimana file-file ini dibaca oleh MATLAB.

Jika Anda ingin mengamati perubahan rasio amplitudo selama sapuan frekuensi, Anda juga dapat menggunakan Arduino Serial Plotter untuk mengamati perbedaan ini secara visual.

Langkah 10: Proses Data Anda Dengan Kode MATLAB

Setelah data eksperimen diperoleh dalam bentuk file CSV, langkah selanjutnya adalah menggunakan kode yang kami sediakan untuk memproses data. Untuk petunjuk rinci tentang penggunaan kode dan penjelasan tentang matematika yang mendasarinya, lihat dokumen teknis kami. Tujuannya adalah untuk mendapatkan amplitudo percepatan untuk akselerometer atas dan bawah, kemudian menghitung rasio amplitudo bawah dengan amplitudo atas. Rasio ini dihitung untuk setiap frekuensi mengemudi. Rasio kemudian diplot sebagai fungsi dari frekuensi mengemudi.

Setelah plot ini diperoleh, satu set kode (sekali lagi dirinci dalam dokumen teknis) digunakan untuk menentukan viskositas fluida. Kode ini mengharuskan pengguna untuk memasukkan tebakan awal untuk viskositas, dan penting bahwa tebakan awal ini lebih rendah dari viskositas sebenarnya, jadi pastikan untuk menebak viskositas yang sangat rendah jika tidak kode tidak akan berfungsi dengan baik. Setelah kode menemukan viskositas yang sesuai dengan data eksperimen, maka akan menghasilkan plot seperti yang ditunjukkan di bawah ini dan akan menunjukkan nilai viskositas akhir. Selamat telah menyelesaikan eksperimen!

Langkah 11: File

Kalau tidak:

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