Rhéomètre à faible coût : 11 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Le but de cette instructable est de créer un rhéomètre à faible coût pour trouver expérimentalement la viscosité d'un fluide. Ce projet a été créé par une équipe d'étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs de l'Université Brown dans la classe Vibration of Mechanical Systems.

Un rhéomètre est un appareil de laboratoire utilisé pour mesurer la viscosité des fluides (à quel point un fluide est-il épais ou collant - pensez à l'eau par rapport au miel). Il existe certains rhéomètres qui peuvent mesurer la viscosité des fluides en mesurant la réponse d'un système vibrant immergé dans un fluide. Dans ce projet de rhéomètre à faible coût, nous avons créé un système vibrant à partir d'une sphère et d'un ressort attachés à un haut-parleur pour mesurer la réponse à différentes fréquences. A partir de cette courbe de réponse, vous pouvez trouver la viscosité du fluide.

Fournitures:

Les matériaux nécessaires:

Assemblage du boîtier:

• Panneau de particules (11’’ L x 9’’ H) (ici) 1,19 $
• 12 x 8-32 x 3/4'' Hex head vis (ici) $9.24 tot
• Écrou hexagonal 12 x 8-32 (ici) 8,39 $
• Vis à tête hexagonale 4 x 6-32 x ½’’ (ici) 9,95 $
• Écrou hexagonal 4 x 6-32 (ici) 5,12 $
• Clé Allen 9/64'' (ici) $5.37

Électronique:

• Alimentation 12V (ici) 6,99 $
• Amplificateur (ici) $10.99
• Câble Aux (ici) 7,54 $
• Cavalier (voir ci-dessous)
• Pinces crocodiles (ici) 5,19 $
• Conférencier (ici) $4.25
• Tournevis (ici) $5.99

Configuration du ressort et de la sphère:

• Résine d'imprimante 3D (variable)
• 2 x accéléromètres (nous les avons utilisés) 29,90 $
• 10 x câbles arc-en-ciel femelle-mâle (ici) $4.67
• 12 x câbles arc-en-ciel mâle-mâle (ici) $3.95
• Arduino Uno (ici) 23,00 $
• Câble USB 2.0 Type A vers B (ici) $3.95
• Planche à pain (ici) $2.55
• Ressorts de compression (nous les avons utilisés) ??
• 2 x connecteurs personnalisés (imprimés en 3D)
• 2 x écrous hexagonaux ⅜’’-16 (ici) $1.18
• 4 vis de réglage 8-32 (ici) 6,32 $
• 4 x écrou hexagonal ¼’’-20 (Aluminium) (ici) 0,64 $
• 2 x Tige filetée ¼’’-20’’ (Aluminium) (ici) 11,40$
• Clé Allen 7/64''
• Clé Allen 5/64''
• 4 vis 5x2mm 3/16’’x1/8’’ (ici) 8,69 $

Autre

• Gobelet en plastique (ici) 6,99 $
• Liquide pour tester la viscosité (nous avons testé le sirop de karo, la glycérine végétale, le sirop de chocolat Hershey's)

COT TOTAL: 183,45 $*

* n'inclut pas la résine ou le liquide d'imprimante 3D

Outils

• Découpeur laser
• Imprimante 3D

Logiciel requis

• MATLAB
• Arduino

Fichiers et code:

• Fichier Adobe Illustrator pour l'assemblage du boîtier (Rheometer_Housing.ai)
• Interface graphique du contrôleur de haut-parleur (ENGN1735_2735_Vibrations_Lab_GUI_v2.mlapp)
• Fichier de rhéomètre Arduino (rheometer_project.ino)
• Fichiers de maillage sphère (cor_0.9cmbody.stl et cor_1.5cmbody.stl)
• Fichier de géométrie ASCII du connecteur personnalisé (Connector_File.step)
• Code MATLAB 1 (ff_two_signal.m)
• Code MATLAB 2 (accelprocessor_foruser.m)
• Code MATLAB 3 (rheometer_foruser.m)

Étape 1: Partie 1: Configuration

Comment configurer la plate-forme expérimentale.

Étape 2: impression 3D et découpe au laser de toutes les pièces (connecteurs, sphères et boîtier personnalisés)

Étape 3: Connectez l'électronique comme indiqué ci-dessous

Important à noter: Ne branchez pas l'alimentation dans la prise tant que toutes les étapes de cette section ne sont pas terminées ! TOUJOURS DÉBRANCHER L'ALIMENTATION ÉLECTRIQUE LORS DES MODIFICATIONS.

Pour commencer, assurez-vous que l'amplificateur est placé avec le bouton tourné vers l'extérieur. Connectez les pinces crocodiles et les fils de liaison aux bornes en bas à gauche de l'amplificateur. Fixez le cordon d'alimentation et son cavalier aux bornes en haut à gauche de l'amplificateur. Vissez les extrémités de connexion des bornes pour fixer les broches de fil. Assurez-vous que les bornes positives et négatives s'alignent correctement avec les bornes de l'ampli et attachez les pinces crocodiles au haut-parleur. Assurez-vous que ces deux clips n'entrent pas en contact.

Étape 4: configuration de l'interface graphique

Maintenant que l'électronique est mise en place, nous pouvons tester l'interface graphique qui nous permettra de piloter le haut-parleur et de créer le système vibrant immergé dans notre fluide. Le haut-parleur sera contrôlé par le système de sortie audio de notre ordinateur. Commencez par télécharger MATLAB et le code GUI inclus ci-dessus. REMARQUE: certains paramètres des lumières LED ne seront pas utilisés et doivent être ignorés.

Une fois que vous avez ouvert MATLAB, exécutez la commande suivante dans la fenêtre de commande, "info = audiodevinfo" et double-cliquez sur l'option "sortie". Recherchez le numéro d'identification de l'option casque/haut-parleur externe. Ce sera quelque chose comme « Haut-parleur / Casque… » ou « Externe… » ou « Sortie intégrée… » selon votre machine. Définissez le « ID du haut-parleur externe » sur ce numéro d'identification.

Testons maintenant que notre système est correctement configuré. BAISEZ COMPLÈTEMENT LE VOLUME DE VOTRE ORDINATEUR. Débranchez le câble audio de votre ordinateur et branchez plutôt un casque. Nous allons tester la connexion de l'interface graphique pour envoyer un signal au shaker. Entrez 60 Hz comme fréquence d'entraînement dans le champ de texte, comme indiqué ci-dessous. (Ce champ accepte des valeurs jusqu'à 150 Hz). Il s'agit de la fréquence de forçage pour votre configuration. Ensuite, faites glisser l'amplitude de conduite jusqu'à une valeur d'environ 0,05. Ensuite, appuyez sur le bouton « Allumer le système » pour envoyer un signal à votre casque. Cela déclenchera l'un des canaux (gauche ou droit) de votre casque. Augmentez le volume de votre ordinateur jusqu'à ce qu'un son se fasse entendre. Appuyez sur « Désactiver le système » une fois qu'une tonalité audible peut être entendue et assurez-vous que le son s'arrête de jouer. Pour modifier la fréquence ou l'amplitude de conduite de votre système pendant son fonctionnement, appuyez sur le bouton « Actualiser les paramètres ».

Étape 5: Créer l'assemblage de masse vibrante

Nous allons maintenant commencer à assembler le système de masse vibrante que nous allons plonger dans notre fluide. Ignorez les accéléromètres dans cette étape et concentrez-vous sur l'assemblage de la sphère, des connecteurs, des écrous hexagonaux et du ressort. Fixez un écrou hexagonal en acier dans chacun des connecteurs personnalisés avec des vis de réglage et la clé Allen 5/64''. Connectez l'un d'eux à la sphère avec un écrou hexagonal en aluminium et une tige filetée en aluminium. Combinez les deux comme indiqué ci-dessus. Enfin, vissez la deuxième tige filetée dans le connecteur supérieur et vissez partiellement un écrou hexagonal en aluminium.

Étape 6: Ajoutez les accéléromètres et l'Arduino

En utilisant le schéma ci-dessus, connectez l'arduino aux accéléromètres. Pour créer les longs câbles arc-en-ciel, utilisez les fils mâle-mâle (représentés dans le diagramme comme blanc, gris, violet, bleu et noir) et connectez-les aux fils femelle-mâle (rouge, jaune, orange, vert et brun). La deuxième extrémité se connectera aux accéléromètres. Assurez-vous que les ports de l'accéléromètre "GND" (terre) et "VCC" (3,3 volts) correspondent à la maquette et que le port "X" correspond aux ports A0 et A3 de l'Arduino.

Fixez les accéléromètres finaux à l'assemblage de la masse vibrante à l'aide de vis 5x3mm 3/16''x1/8''. Vous devrez vous assurer que l'accéléromètre TOP est connecté à A0 et l'accéléromètre BOTTOM à A3 pour que le code Arduino fonctionne.

Pour configurer l'Arduino lui-même, téléchargez d'abord le logiciel arduino sur votre ordinateur. Branchez l'Arduino sur votre ordinateur à l'aide du câble USB 2.0. Ouvrez le fichier fourni ou copiez-le et collez-le dans un nouveau fichier. Accédez à l'outil dans la barre supérieure et survolez « Board: » pour sélectionner l'Arduino Uno. Un vers le bas, survolez "Port" et sélectionnez Arduino Uno.

Étape 7: Configurer le système final

Dernière étape de l'installation: tout assembler ! Commencez par déclipser les pinces crocodiles du haut-parleur et vissez le haut-parleur dans le haut du boîtier avec les vis à tête hexagonale 6-32 x ½'', l'écrou hexagonal 6-32 et la clé Allen 9/64''. Ensuite, vissez l'ensemble masse vibrante (avec les accéléromètres) dans le haut-parleur. Pour un résultat optimal, nous vous recommandons de tourner le haut-parleur pour éviter d'emmêler les fils de l'accéléromètre. Serrez la masse au haut-parleur avec l'écrou hexagonal en aluminium.

Enfin, insérez les trois côtés de l'assemblage du boîtier dans le haut. Fixez le boîtier à l'aide des vis à tête hexagonale 8-32 x 3/4'' et des écrous hexagonaux 8-32. Enfin, rattachez les pinces crocodiles au haut-parleur. Vous êtes prêt à commencer les tests !

Choisissez le fluide de votre choix et remplissez votre gobelet en plastique jusqu'à ce que la sphère soit complètement immergée. Vous ne voulez pas que la sphère soit partiellement immergée, mais veillez également à ne pas immerger la sphère jusqu'à ce que le fluide touche l'écrou hexagonal en aluminium.

Étape 8: Partie 2: Exécution de l'expérience

Maintenant que nous avons terminé notre assemblage, nous pouvons enregistrer nos données. Vous balayerez les fréquences entre 15 et 75 Hz à une amplitude de pilotage définie. Nous recommandons des incréments de 5 Hz, mais cela peut être modifié pour des résultats plus précis. L'Arduino enregistrera à la fois l'accélération pour le haut-parleur (accéléromètre supérieur) et la sphère (accéléromètre inférieur) que vous enregistrerez dans un fichier csv. Les codes MATLAB 1 et 2 fournis liront les valeurs csv sous forme de colonnes séparées, effectueront une transformée de Fourier à deux signaux pour débruiter le signal et imprimeront le rapport d'amplitude résultant des accéléromètres supérieur et inférieur. MATLAB Code 3 acceptera ces rapports d'amplitude et une viscosité initiale estimée et tracera les rapports expérimentaux et calculés en fonction des fréquences. En faisant varier votre viscosité estimée et en comparant visuellement cette estimation aux données expérimentales, vous serez en mesure de déterminer la viscosité de votre fluide.

Pour une explication détaillée du code MATLAB, consultez la documentation technique jointe.

Étape 9: Enregistrement de données dans un fichier CSV

Pour commencer à enregistrer des données, assurez-vous d'abord que votre configuration est terminée comme décrit dans la partie 1. Assurez-vous que l'amplificateur est branché sur une prise de courant. Téléchargez votre code Arduino sur votre appareil en cliquant sur le bouton « Télécharger » dans le coin supérieur droit. Une fois le téléchargement terminé, accédez à « Outils » et sélectionnez « Moniteur série ». Assurez-vous que lorsque vous ouvrez Serial Monitor ou Serial Plotter, le nombre de bauds est égal au nombre de baudds dans le code (115200). Vous verrez deux colonnes de données générées qui sont les lectures supérieure et inférieure de l'accéléromètre.

Ouvrez l'interface graphique MATLAB et choisissez une amplitude de conduite pour votre expérience (nous avons utilisé 0,08 ampères et 0,16 ampères). Vous balayerez les fréquences de 15 à 75 Hz, en enregistrant les données tous les 5 Hz (13 ensembles de données au total). Commencez par régler la fréquence d'entraînement sur 15 Hz et allumez le système en appuyant sur « Activer le système ». Cela allumera votre haut-parleur, faisant vibrer la sphère et la configuration de haut en bas. Retournez à votre moniteur série Arduino et appuyez sur « Effacer la sortie » pour commencer à collecter de nouvelles données. Laissez cette configuration fonctionner pendant environ 6 secondes, puis débranchez l'Arduino de votre ordinateur. Le moniteur série arrêtera l'enregistrement, vous permettant de copier et coller manuellement environ 4 500 à 5 000 entrées de données dans un fichier csv. Divisez les deux colonnes de données en deux colonnes distinctes (colonnes 1 et 2). Renommez ce csv "15hz.csv".

Rebranchez votre Arduino sur votre ordinateur (en veillant à réinitialiser le port) et répétez ce processus pour les fréquences 20 Hz, 25 Hz, … 75 Hz en veillant à suivre la convention de nommage des fichiers CSV. Consultez le document technique pour plus d'informations sur la façon dont ces fichiers sont lus par MATLAB.

Si vous souhaitez observer les changements du rapport d'amplitude au cours du balayage de fréquence, vous pouvez également utiliser le traceur série Arduino pour observer visuellement cette différence.

Étape 10: Traitez vos données avec le code MATLAB

Une fois les données expérimentales obtenues sous forme de fichiers CSV, l'étape suivante consiste à utiliser notre code fourni pour traiter les données. Pour des instructions détaillées sur l'utilisation du code et pour une explication des mathématiques sous-jacentes, consultez notre document technique. Le but est d'obtenir l'amplitude d'accélération pour les accéléromètres haut et bas, puis de calculer le rapport de l'amplitude basse sur l'amplitude haute. Ce rapport est calculé pour chaque fréquence de conduite. Les rapports sont ensuite tracés en fonction de la fréquence d'entraînement.

Une fois ce tracé obtenu, un autre jeu de codes (à nouveau détaillé dans le document technique) est utilisé pour déterminer la viscosité du fluide. Ce code oblige l'utilisateur à saisir une estimation initiale de la viscosité, et il est essentiel que cette estimation initiale soit inférieure à la viscosité réelle, alors assurez-vous de deviner une viscosité très faible, sinon le code ne fonctionnera pas correctement. Une fois que le code a trouvé une viscosité qui correspond aux données expérimentales, il générera un graphique comme celui illustré ci-dessous et affichera la valeur de viscosité finale. Félicitations pour avoir terminé l'expérience !

Étape 11: Fichiers

Alternativement:

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