Reómetro de bajo costo: 11 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

El propósito de este instructivo es crear un reómetro de bajo costo para encontrar experimentalmente la viscosidad de un fluido. Este proyecto fue creado por un equipo de estudiantes de pregrado y posgrado de la Universidad de Brown en la clase Vibración de sistemas mecánicos.

Un reómetro es un dispositivo de laboratorio que se usa para medir la viscosidad de los fluidos (qué tan espeso o pegajoso es un fluido; piense en agua frente a miel). Hay ciertos reómetros que pueden medir la viscosidad de los fluidos midiendo la respuesta de un sistema vibratorio sumergido en un fluido. En este proyecto de reómetro de bajo costo, creamos un sistema de vibración a partir de una esfera y un resorte conectados a un altavoz para medir la respuesta en diferentes frecuencias. A partir de esta curva de respuesta, puede encontrar la viscosidad del fluido.

Suministros:

Materiales necesitados:

Montaje de vivienda:

• Tablero de partículas (11 "W x 9" H) (aquí) $ 1.19
• 12 x 8-32 x 3/4 '' tornillos de cabeza hexagonal (aquí) $ 9.24 total
• 12 x 8-32 Tuerca hexagonal (aquí) $ 8.39
• 4 x 6-32 x ½ "Tornillo de cabeza hexagonal (aquí) $ 9.95
• 4 x 6-32 Tuerca hexagonal (aquí) $ 5.12
• Llave Allen de 9/64 '' (aquí) $ 5.37

Electrónica:

• Fuente de alimentación de 12V (aquí) $ 6.99
• Amplificador (aquí) $ 10.99
• Cable auxiliar (aquí) $ 7.54
• Cable de puente (ver más abajo)
• Pinzas de cocodrilo (aquí) $ 5.19
• Altavoz (aquí) $ 4.25
• Destornillador (aquí) $ 5.99

Configuración de resorte y esfera:

• Resina de impresora 3D (variable)
• 2 x acelerómetros (los usamos) $ 29.90
• 10 x cables arcoíris hembra-macho (aquí) $ 4.67
• 12 x cables arcoíris macho-macho (aquí) $ 3.95
• Arduino Uno (aquí) $ 23.00
• Cable USB 2.0 tipo A a B (aquí) $ 3.95
• Tabla de pan (aquí) $ 2.55
• Resortes de compresión (usamos estos)?
• 2 x conectores personalizados (impresos en 3D)
• 2 x ⅜ "'- 16 tuercas hexagonales (aquí) $ 1.18
• 4 x 8-32 tornillos de fijación (aquí) $ 6.32
• 4 x ¼ "" - 20 Tuerca hexagonal (aluminio) (aquí) $ 0.64
• Varilla roscada de 2 x ¼ "- 20" (aluminio) (aquí) $ 11.40
• Llave Allen de 7/64 ''
• Llave Allen de 5/64 ''
• 4 tornillos de 5x2 mm 3/16 "x 1/8" (aquí) $ 8.69

Otro

• Vaso de plástico (aquí) $ 6.99
• Líquido para probar la viscosidad (probamos jarabe de karo, glicerina vegetal, jarabe de chocolate Hershey)

COSTO TOTAL: $ 183.45 *

* no incluye resina ni líquido para impresora 3D

Instrumentos

• Cortador láser
• impresora 3d

Software necesario

• MATLAB
• Arduino

Archivos y código:

• Archivo de Adobe Illustrator para el ensamblaje de la carcasa (Rheometer_Housing.ai)
• Interfaz gráfica de usuario del controlador de altavoz (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Archivo de reómetro Arduino (rheometer_project.ino)
• Archivos de malla de esfera (cor_0.9cmbody.stl y cor_1.5cmbody.stl)
• Archivo de geometría ASCII de conector personalizado (Connector_File.step)
• Código MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Código MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• Código MATLAB 3 (reómetro_parausuario.m)

Paso 1: Parte 1: Configuración

Cómo configurar la plataforma experimental.

Paso 2: Imprima en 3D y corte con láser todas las piezas (conectores, esferas y carcasa personalizados)

Paso 3: conecte los componentes electrónicos como se muestra a continuación

Importante tener en cuenta: ¡No enchufe la fuente de alimentación en el tomacorriente hasta que haya completado todos los pasos de esta sección! SIEMPRE DESCONECTE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN CUANDO HAGA CUALQUIER CAMBIO.

Para comenzar, asegúrese de que el amplificador esté colocado con la perilla hacia afuera. Conecte las pinzas de cocodrilo y los cables de puente a los terminales de la parte inferior izquierda del amplificador. Conecte el cable de alimentación y su cable de puente a los terminales de la parte superior izquierda del amplificador. Atornille los extremos de la conexión del terminal para asegurar las clavijas del cable. Asegúrese de que los terminales positivo y negativo se alineen correctamente con los terminales del amplificador y sujete las pinzas de cocodrilo al altavoz. Asegúrese de que estos dos clips no entren en contacto.

Paso 4: Configuración de la GUI

Ahora que la electrónica está configurada, podemos probar la GUI que nos permitirá conducir el altavoz y crear el sistema de vibración sumergido en nuestro fluido. El altavoz será controlado por el sistema de salida de audio de nuestra computadora. Comience descargando MATLAB y el código GUI incluido anteriormente. NOTA: hay configuraciones de luces LED que no se utilizarán y deben ignorarse.

Una vez que haya abierto MATLAB, ejecute lo siguiente en la ventana de comandos, "info = audiodevinfo" y haga doble clic en la opción "salida". Busque el número de identificación de la opción de altavoz / auriculares externos. Será algo así como "Altavoz / Auriculares …" o "Externo …" o "Salida incorporada …" dependiendo de su máquina. Establezca el "ID de altavoz externo" en este número de ID.

Ahora probemos que nuestro sistema esté configurado correctamente. BAJE TODO EL VOLUMEN DE SU COMPUTADORA. Desconecte el cable de audio de su computadora y en su lugar conecte unos auriculares. Probamos la conexión para que la GUI envíe una señal al agitador. Ingrese 60 Hz como frecuencia de conducción en el campo de texto como se muestra a continuación. (Este campo acepta valores de hasta 150 Hz). Esta es la frecuencia de forzado para su configuración. Luego, deslice la amplitud de conducción hasta un valor de aproximadamente 0,05. Luego, presione el botón "Encender sistema" para enviar una señal a sus auriculares. Esto activará uno de los canales (izquierdo o derecho) de sus auriculares. Suba el volumen de su computadora hasta que se escuche un sonido. Pulse el botón "Apagar el sistema" una vez que se pueda escuchar un tono audible y asegúrese de que el sonido deje de reproducirse. Para cambiar la frecuencia o la amplitud de conducción de su sistema mientras está funcionando, presione el botón "Actualizar configuración".

Paso 5: Cree el ensamblaje de masa vibrante

Ahora comenzaremos a ensamblar el sistema de masa vibrante que sumergiremos en nuestro fluido. Ignore los acelerómetros en este paso y concéntrese en ensamblar la esfera, los conectores, las tuercas hexagonales y el resorte. Asegure una tuerca hexagonal de acero en cada uno de los conectores personalizados con tornillos de fijación y la llave Allen de 5/64 ''. Conecte uno de estos a la esfera con una tuerca hexagonal de aluminio y una varilla roscada de aluminio. Combine ambos como se muestra arriba. Finalmente, atornille la segunda varilla roscada en el conector superior y atornille parcialmente una tuerca hexagonal de aluminio.

Paso 6: agregue los acelerómetros y Arduino

Usando el diagrama de arriba, conecte el arduino a los acelerómetros. Para crear los cables arco iris largos, use los cables macho-macho (que se muestran en el diagrama como blanco, gris, violeta, azul y negro) y conéctelos a los cables hembra-macho (rojo, amarillo, naranja, verde y negro). marrón). El segundo extremo se conectará a los acelerómetros. Asegúrese de que los puertos del acelerómetro "GND" (tierra) y "VCC" (3.3 voltios) coincidan con la placa de pruebas y que el puerto "X" coincida con los puertos A0 y A3 en el Arduino.

Fije los acelerómetros finales al conjunto de masa vibrante con tornillos de 5x3 mm 3/16 "x 1/8". Deberá asegurarse de que el acelerómetro SUPERIOR esté conectado al A0 y el acelerómetro INFERIOR al A3 para que funcione el código Arduino.

Para configurar el Arduino en sí, primero descargue el software arduino en su computadora. Conecte el Arduino a su computadora usando el cable USB 2.0. Abra el archivo proporcionado o cópielo y péguelo en un archivo nuevo. Navegue a la herramienta en la barra superior y coloque el cursor sobre "Tablero:" para seleccionar el Arduino Uno. Uno hacia abajo, coloque el cursor sobre "Puerto" y seleccione Arduino Uno.

Paso 7: configurar el sistema final

Paso final de la configuración: ¡ponerlo todo junto! Comience por desenganchar las pinzas de cocodrilo del altavoz y atornille el altavoz en la parte superior del conjunto de la carcasa con los tornillos de cabeza hexagonal de 6-32 x ½ "", la tuerca hexagonal 6-32 y la llave Allen de 9/64 ''. A continuación, atornille el conjunto de masa vibrante (con los acelerómetros) en el altavoz. Para obtener el mejor resultado, recomendamos girar el altavoz para evitar enredar los cables del acelerómetro. Apriete la masa al altavoz con la tuerca hexagonal de aluminio.

Finalmente, inserte los tres lados del conjunto de la carcasa en la parte superior. Asegure el conjunto de la carcasa con los tornillos de cabeza hexagonal de 8-32 x 3/4 '' y las tuercas hexagonales de 8-32. Finalmente, vuelva a colocar las pinzas de cocodrilo en el altavoz. ¡Estás listo para comenzar a probar!

Elija el líquido que prefiera y llene su vaso de plástico hasta que la esfera esté completamente sumergida. No desea que la esfera se sumerja parcialmente, pero también tenga cuidado de no sumergir la esfera tanto que el fluido toque la tuerca hexagonal de aluminio.

Paso 8: Parte 2: Ejecución del experimento

Ahora que hemos terminado nuestro ensamblaje, podemos registrar nuestros datos. Recorrerá las frecuencias entre 15 y 75 Hz a una amplitud de conducción establecida. Recomendamos incrementos de 5 Hz, pero esto se puede cambiar para obtener resultados más precisos. El Arduino registrará tanto la aceleración del altavoz (acelerómetro superior) como la esfera (acelerómetro inferior) que registrará en un archivo csv. Los códigos MATLAB 1 y 2 proporcionados leerán los valores csv como columnas separadas, realizarán una transformación de Fourier de dos señales para eliminar el ruido de la señal e imprimirán la relación de amplitud resultante del acelerómetro superior e inferior. MATLAB Code 3 aceptará estas relaciones de amplitud y una viscosidad inicial estimada y trazará las relaciones experimentales y calculadas frente a las frecuencias. Al variar su viscosidad estimada y comparar visualmente esta suposición con los datos experimentales, podrá determinar la viscosidad de su fluido.

Para obtener una explicación detallada del código MATLAB, consulte la documentación técnica adjunta.

Paso 9: Grabación de datos en un CSV

Para comenzar a grabar datos, primero asegúrese de que su configuración esté completa como se describe en la Parte 1. Asegúrese de que el Amplificador esté enchufado a una toma de corriente. Sube tu código Arduino a tu dispositivo haciendo clic en el botón "Subir" en la esquina superior derecha. Una vez que se haya cargado correctamente, vaya a "Herramientas" y seleccione "Monitor de serie". Asegúrese de que cuando abra Serial Monitor o Serial Plotter, el número en baudios sea igual al número en baudios del código (115200). Verá que se generan dos columnas de datos que son las lecturas del acelerómetro superior e inferior.

Abra la GUI de MATLAB y elija una amplitud de conducción para su experimento (utilizamos 0,08 amperios y 0,16 amperios). Recorrerá las frecuencias de 15 a 75 Hz, registrando datos cada 5 Hz (13 conjuntos de datos en total). Comience estableciendo la frecuencia de conducción en 15 Hz y encienda el sistema presionando "Activar sistema". Esto encenderá el altavoz, lo que hará que la esfera y la configuración vibren hacia arriba y hacia abajo. Regrese a su monitor serial Arduino y presione "Borrar salida" para comenzar a recopilar datos nuevos. Deje que esta configuración se ejecute durante unos 6 segundos y luego desconecte el Arduino de su computadora. Serial Monitor dejará de grabar, lo que le permitirá copiar y pegar manualmente alrededor de 4, 500-5, 000 entradas de datos en un archivo csv. Divida las dos columnas de datos en dos columnas separadas (Columnas 1 y 2). Cambie el nombre de este csv a "15hz.csv".

Vuelve a conectar tu Arduino a tu computadora (asegurándote de restablecer el puerto) y repite este proceso para frecuencias de 20 Hz, 25 Hz,… 75Hz asegurándote de seguir la convención de nomenclatura para archivos CSV. Consulte el documento técnico para obtener más información sobre cómo MATLAB lee estos archivos.

Si desea observar los cambios en la relación de amplitud a lo largo del barrido de frecuencia, también puede usar el trazador en serie Arduino para observar visualmente esta diferencia.

Paso 10: procese sus datos con el código MATLAB

Una vez que se obtienen los datos experimentales en forma de archivos CSV, el siguiente paso es utilizar nuestro código proporcionado para procesar los datos. Para obtener instrucciones detalladas sobre el uso del código y una explicación de las matemáticas subyacentes, consulte nuestro documento técnico. El objetivo es obtener la amplitud de aceleración del acelerómetro superior e inferior, luego calcular la relación entre la amplitud inferior y la amplitud superior. Esta relación se calcula para cada frecuencia de conducción. A continuación, las relaciones se grafican en función de la frecuencia de conducción.

Una vez que se obtiene este gráfico, se utiliza otro conjunto de códigos (nuevamente detallado en el documento técnico) para determinar la viscosidad del fluido. Este código requiere que el usuario ingrese una estimación inicial de la viscosidad, y es esencial que esta estimación inicial sea menor que la viscosidad real, así que asegúrese de adivinar una viscosidad muy baja, de lo contrario el código no funcionará correctamente. Una vez que el código haya encontrado una viscosidad que coincida con los datos experimentales, generará un gráfico como el que se muestra a continuación y mostrará el valor de viscosidad final. ¡Felicitaciones por completar el experimento!

Paso 11: Archivos

Alternativamente:

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