Reômetro de baixo custo: 11 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

O objetivo deste instrutível é criar um reômetro de baixo custo para encontrar experimentalmente a viscosidade de um fluido. Este projeto foi criado por uma equipe de alunos de graduação e pós-graduação da Brown University na turma de Vibração de Sistemas Mecânicos.

Um reômetro é um dispositivo de laboratório usado para medir a viscosidade de fluidos (quão espesso ou pegajoso é um fluido - pense em água versus mel). Existem certos reômetros que podem medir a viscosidade de fluidos medindo a resposta de um sistema vibratório submerso em um fluido. Neste projeto de reômetro de baixo custo, criamos um sistema vibratório de uma esfera e mola acoplada a um alto-falante para medir a resposta em diferentes frequências. A partir desta curva de resposta, você pode encontrar a viscosidade do fluido.

Suprimentos:

Materiais necessários:

Conjunto de habitação:

• Placa de partículas (11 '' W x 9 '' H) (aqui) $ 1,19
• Parafusos de cabeça hexagonal 12 x 8-32 x 3/4 '' (aqui) $ 9,24 tot
• Porca hexagonal 12 x 8-32 (aqui) $ 8,39
• Parafuso de cabeça hexagonal 4 x 6-32 x ½’’ (aqui) $ 9,95
• 4 x 6-32 porca sextavada (aqui) $ 5,12
• Chave Allen 9/64 '' (aqui) $ 5,37

Eletrônicos:

• Fonte de alimentação 12V (aqui) $ 6,99
• Amplificador (aqui) $ 10,99
• Cabo Aux (aqui) $ 7,54
• Jumper Wire (veja abaixo)
• Pinças de crocodilo (aqui) $ 5,19
• Palestrante (aqui) $ 4,25
• Chave de fenda (aqui) $ 5,99

Configuração da mola e esfera:

• Resina para impressora 3D (variável)
• 2 x acelerômetros (usamos estes) $ 29,90
• 10 cabos arco-íris fêmea-macho (aqui) $ 4,67
• 12 cabos arco-íris macho-macho (aqui) $ 3,95
• Arduino Uno (aqui) $ 23,00
• Cabo USB 2.0 Tipo A a B (aqui) $ 3,95
• Tábua do pão (aqui) $ 2,55
• Molas de compressão (usamos estas) ??
• 2 x conectores personalizados (impressos em 3D)
• 2 x ⅜’’ - 16 porcas hexagonais (aqui) $ 1,18
• 4 x 8-32 parafusos de fixação (aqui) $ 6,32
• 4 x ¼’’ - 20 Porca sextavada (alumínio) (aqui) $ 0,64
• 2 x ¼’’ - 20’’ Haste roscada (alumínio) (aqui) $ 11,40
• Chave Allen 7/64 ''
• 5/64 '' Chave Allen
• 4 x 5x2mm 3 / 16’’x1 / 8’’ Parafusos (aqui) $ 8,69

De outros

• Copo de plástico (aqui) $ 6,99
• Líquido para testar a viscosidade (testamos xarope karo, glicerina vegetal, xarope de chocolate Hershey)

CUSTO TOTAL: $ 183,45 *

* não inclui resina ou líquido para impressora 3D

Ferramentas

• Cortador a laser
• impressora 3d

Necessário software

• MATLAB
• Arduino

Arquivos e código:

• Arquivo Adobe Illustrator para a montagem da caixa (Rheometer_Housing.ai)
• GUI do controlador de alto-falante (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Arquivo Arduino Rheometer (rheometer_project.ino)
• Arquivos de malha de esfera (cor_0.9cmbody.stl e cor_1.5cmbody.stl)
• Arquivo de geometria ASCII do conector personalizado (Connector_File.step)
• Código MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Código MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• Código MATLAB 3 (rheometer_foruser.m)

Etapa 1: Parte 1: Configuração

Como configurar a plataforma experimental.

Etapa 2: impressão 3D e corte a laser em todas as peças (conectores, esferas e caixa personalizados)

Etapa 3: Conecte os eletrônicos conforme mostrado abaixo

Importante observar: Não conecte a fonte de alimentação na tomada até que todas as etapas desta seção sejam concluídas! SEMPRE DESCONECTE A FONTE DE ALIMENTAÇÃO AO FAZER ALGUMAS ALTERAÇÕES.

Para começar, certifique-se de que o amplificador esteja colocado com o botão voltado para fora. Conecte as garras jacaré e os fios de jumper aos terminais do lado esquerdo inferior do amplificador. Conecte o cabo de alimentação e seu fio jumper aos terminais do lado esquerdo do amplificador. Aparafuse as extremidades da conexão do terminal para prender os pinos do fio. Certifique-se de que os terminais positivo e negativo estejam alinhados corretamente com os terminais do amplificador e prenda as garras jacaré no alto-falante. Certifique-se de que esses dois clipes não entrem em contato.

Etapa 4: Configuração da GUI

Agora que a parte eletrônica está configurada, podemos testar a GUI que nos permitirá acionar o alto-falante e criar o sistema vibratório submerso em nosso fluido. O alto-falante será controlado pelo sistema de saída de áudio do nosso computador. Comece baixando o MATLAB e o código GUI incluído acima. NOTA: existem configurações de luzes LED que não serão usadas e devem ser ignoradas.

Depois de abrir o MATLAB, execute o seguinte na janela de comando, “info = audiodevinfo“e clique duas vezes na opção ‘output’. Encontre o número de identificação para a opção de fone de ouvido / alto-falante externo. Será algo como “Alto-falante / Fones de ouvido…” ou “Externo…” ou “Saída embutida…” dependendo da sua máquina. Defina o “ID do alto-falante externo” para este número de ID.

Agora vamos testar se nosso sistema está configurado corretamente. ABAIXE O VOLUME DE SEU COMPUTADOR TOTALMENTE. Desconecte o cabo de áudio do computador e, em vez disso, conecte um conjunto de fones de ouvido. Testaremos a conexão da GUI para enviar um sinal ao shaker. Insira 60 Hz como a frequência de condução no campo de texto, conforme mostrado abaixo. (Este campo aceita valores de até 150 Hz). Esta é a frequência de força para sua configuração. Em seguida, deslize a amplitude de acionamento até um valor de aproximadamente 0,05. Em seguida, pressione o botão “Ligar o sistema” para enviar um sinal aos fones de ouvido. Isso irá acionar um dos canais (esquerdo ou direito) de seus fones de ouvido. Aumente o volume do computador até que um som possa ser ouvido. Clique em “Desligar o sistema” quando um tom audível puder ser ouvido e certifique-se de que o som pare de tocar. Para alterar a frequência ou amplitude motriz do seu sistema enquanto ele está funcionando, aperte o botão “Atualizar configurações”.

Etapa 5: Criar a montagem de massa vibratória

Agora começaremos a montar o sistema de massa vibratória que submergiremos em nosso fluido. Ignore os acelerômetros nesta etapa e concentre-se na montagem da esfera, conectores, porcas sextavadas e mola. Prenda uma porca sextavada de aço em cada um dos conectores personalizados com parafusos de ajuste e a chave Allen de 5/64 pol. Conecte um deles à esfera com uma porca sextavada de alumínio e uma haste rosqueada de alumínio. Combine ambos como mostrado acima. Finalmente, aparafuse a segunda haste roscada no conector superior e aparafuse parcialmente uma porca sextavada de alumínio.

Etapa 6: adicione os acelerômetros e Arduino

Usando o diagrama acima, conecte o arduino aos acelerômetros. Para criar os cabos longos do arco-íris, use os fios macho-macho (representados no diagrama como branco, cinza, roxo, azul e preto) e conecte-os aos fios fêmea-macho (vermelho, amarelo, laranja, verde e marrom). A segunda extremidade se conectará aos acelerômetros. Certifique-se de que as portas do acelerômetro “GND” (Terra) e “VCC” (3,3 Volts) correspondam à placa de ensaio e que a porta “X” corresponda às portas A0 e A3 no Arduino.

Anexe os acelerômetros finais ao conjunto de massa vibratória usando parafusos 5x3mm 3 / 16’’x1 / 8’’. Você precisará certificar-se de que o acelerômetro TOP está conectado ao A0 e o acelerômetro BOTTOM ao A3 para que o código do Arduino funcione.

Para configurar o próprio Arduino, primeiro baixe o software arduino em seu computador. Conecte o Arduino em seu computador usando o cabo USB 2.0. Abra o arquivo fornecido ou copie e cole em um novo arquivo. Navegue até a ferramenta na barra superior e passe o mouse sobre “Placa:” para selecionar o Arduino Uno. Um para baixo, passe o mouse sobre “Porta” e selecione Arduino Uno.

Etapa 7: configurar o sistema final

Etapa final da configuração - juntar tudo! Comece soltando as presilhas jacaré do alto-falante e aparafusando o alto-falante na parte superior do conjunto da caixa com os parafusos sextavados 6-32 x ½ '', porca sextavada 6-32 e a chave Allen 9/64 ''. Em seguida, aparafuse o conjunto de massa vibratória (com os acelerômetros) no alto-falante. Para obter o melhor resultado, recomendamos girar o alto-falante para evitar emaranhar os fios do acelerômetro. Aperte a massa ao alto-falante com a porca hexagonal de alumínio.

Finalmente, encaixe os três lados do conjunto da caixa na parte superior. Prenda o conjunto da caixa usando os parafusos hexagonais 8-32 x 3/4 '' e porcas hexagonais 8-32. Finalmente, reconecte as pinças jacaré ao alto-falante. Você está pronto para começar o teste!

Escolha o fluido de sua preferência e encha o copo de plástico até que a esfera esteja completamente submersa. Você não quer que a esfera seja parcialmente submersa, mas também tome cuidado para não submergir a esfera a ponto de o fluido tocar a porca sextavada de alumínio.

Etapa 8: Parte 2: Executando o experimento

Agora que terminamos nossa montagem, podemos registrar nossos dados. Você fará a varredura através de frequências entre 15 - 75 Hz em uma amplitude de direção definida. Recomendamos incrementos de 5 Hz, mas isso pode ser alterado para resultados mais precisos. O Arduino gravará a aceleração do alto-falante (acelerômetro superior) e da esfera (acelerômetro inferior), que você gravará em um arquivo csv. O Código MATLAB 1 e 2 fornecido lerá os valores csv como colunas separadas, fará uma transformação de Fourier de dois sinais para eliminar o ruído do sinal e imprimirá a razão de amplitude resultante do acelerômetro superior e inferior. O Código 3 do MATLAB aceitará essas relações de amplitude e uma viscosidade inicial estimada e representará as relações experimentais e calculadas versus frequências. Variando sua viscosidade estimada e comparando visualmente essa suposição com os dados experimentais, você será capaz de determinar a viscosidade de seu fluido.

Para obter uma explicação detalhada do código MATLAB, consulte a documentação técnica anexada.

Etapa 9: Registro de dados em um CSV

Para começar a gravar dados, primeiro certifique-se de que sua configuração esteja concluída conforme descrito na Parte 1. Certifique-se de que o amplificador esteja conectado a uma tomada. Faça o upload do seu código Arduino para o seu dispositivo clicando no botão “Upload” no canto superior direito. Depois de fazer o upload com sucesso, navegue até “Ferramentas” e selecione “Monitor serial”. Certifique-se de que, ao abrir o Serial Monitor ou o Serial Plotter, o número de baudd seja igual ao número de baudd no código (115200). Você verá duas colunas de dados sendo geradas, que são as leituras superior e inferior do acelerômetro.

Abra a GUI do MATLAB e escolha uma amplitude de direção para o seu experimento (usamos 0,08 amperes e 0,16 amperes). Você fará uma varredura nas frequências de 15 a 75 Hz, gravando dados a cada 5 Hz (13 conjuntos de dados no total). Comece definindo a frequência de condução para 15 Hz e ligue o sistema clicando em “Ligar sistema”. Isso ligará seu alto-falante, fazendo com que a esfera e a configuração vibrem para cima e para baixo. Volte para o seu monitor serial Arduino e clique em “Clear Output” para começar a coletar novos dados. Deixe essa configuração ser executada por cerca de 6 segundos e, em seguida, desconecte o Arduino do computador. O Serial Monitor irá parar de gravar, permitindo que você copie e cole manualmente cerca de 4.500 a 5.000 entradas de dados em um arquivo csv. Divida as duas colunas de dados em duas colunas separadas (Colunas 1 e 2). Renomeie este csv para “15hz.csv”.

Conecte o Arduino de volta ao computador (certificando-se de redefinir a porta) e repita esse processo para as frequências de 20 Hz, 25 Hz, … 75 Hz, certificando-se de seguir a convenção de nomenclatura para arquivos CSV. Consulte o documento técnico para obter mais informações sobre como esses arquivos são lidos pelo MATLAB.

Se você gostaria de observar as mudanças na relação de amplitude ao longo da varredura de frequência, você pode usar adicionalmente o Arduino Serial Plotter para observar visualmente essa diferença.

Etapa 10: processar seus dados com o código MATLAB

Uma vez que os dados experimentais são obtidos na forma de arquivos CSV, a próxima etapa é usar nosso código fornecido para processar os dados. Para obter instruções detalhadas sobre como usar o código e uma explicação da matemática subjacente, consulte nosso documento técnico. O objetivo é obter a amplitude de aceleração do acelerômetro superior e inferior e, a seguir, calcular a razão entre a amplitude inferior e a amplitude superior. Esta relação é calculada para cada frequência de condução. As relações são então plotadas como uma função da freqüência de condução.

Uma vez que este gráfico é obtido, outro conjunto de código (novamente detalhado no documento técnico) é usado para determinar a viscosidade do fluido. Este código requer que o usuário insira uma estimativa inicial para a viscosidade e é essencial que essa estimativa inicial seja inferior à viscosidade real, portanto, certifique-se de adivinhar uma viscosidade muito baixa, caso contrário, o código não funcionará corretamente. Assim que o código encontrar uma viscosidade que corresponda aos dados experimentais, ele gerará um gráfico como o mostrado abaixo e mostrará o valor final da viscosidade. Parabéns por concluir o experimento!

Etapa 11: Arquivos

Alternativamente:

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