viscosimetro con arduino-mecanica de fluidos

DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL MÓDULO VISCOSÍMETRO CONTROLADO CON ARDUINO. MECÁNICA DE FLUIDOS I

16 de febrero de 2015 Presentado por:AQUINO CUTI ISAAC

DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL MÓDULO VISCOSÍMETRO CONTROLADO CON ARDUINO. MECÁNICA DE FLUIDOS I INTRODUCCION.

El presente trabajo consiste el diseño y construcción de un módulo “Viscosimetro controlado con Arduino”, se realiza el diseño, montaje y puesta en operación del mismo, teniendo en cuenta los cálculos DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL MÓDULO VISCOSÍMETRO CONTROLADO CON ARDUINO. | 16/02/2015

mecánicos necesarios.

Lo que se quiere logra con este proyecto es el determinar la viscosidad de un fluido newtoniano, basándonos en la Ley de Stokes y el método de medición (falling-ball); utilizando para esto la plataforma de hardware libre “Arduino©”.

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RESUMEN.

El módulo Viscosímetro, es un trabajo de diseño, construcción y evaluación que tuvo como objetivo principal el desarrollo general de un Viscosímetro el cual nos permita determinar la viscosidad de un fluido newtoniano.

En el Capítulo I, se pueden ver las generalidades del proyecto y el principal objetivo, que es básicamente

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Diseñar y Construir este módulo.

Después podemos ver en el Capítulo II, toda la base teórica que nos sirve como soporte para el diseño.

En el Capítulo III, desarrollamos la Ingeniería del proyecto, se definen las medidas de la estructura, la selección y montaje de componentes.

Se culminado con el montaje del módulo, se realizaron las pruebas correspondientes para comprobar que este sistema cumpla con el objetivo planteado. Se hizo la correspondiente calibración con el conocimiento de algunos datos, concluyendo que el viscosímetro es capaz de darnos valores reales. Con este módulo se está contribuyendo al buen aprendizaje práctico de los alumnos del Programa Profesional de Ingeniería Mecánica, Mecánica Eléctrica y Mecatrónica.

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ABSTRACT.

The viscometer module is a work of design, construction and evaluation was mainly aimed at the overall development of a viscometer which allows us to determine the viscosity of a Newtonian fluid.

In Chapter I, you can see an overview of the project and the main objective, which is basically Design


and Build this module.

Then we can see in Chapter II, the whole theoretical base that serves as support for design.

In Chapter III, we develop the engineering project, the measures defined structure, selection and assembly of components.

We can then assess the evidence and post calculations - Operational in Chapter IV.

They culminated in mounting the module, the corresponding tests were performed to verify that the system meets the objective. The corresponding calibration with the knowledge of some data was concluded that the viscometer is able to give real values. This module is contributing to good practical learning of students in the Professional Program of Mechanical, Electrical and Mechanical Mechatronics.

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ÍNDICE. ......................................................................................................................... 0 INTRODUCCION. ..................................................................................................... 1 RESUMEN. ............................................................................................................ 2 ABSTRACT............................................................................................................. 3 ÍNDICE. ................................................................................................................ 4 CAPITULO I: GENERALIDADES DEL PROYECTO. .................................................................. 5 1. IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA. ........................................................................ 5 2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA............................................................................. 5 3. OBJETIVOS. ................................................................................................. 5 3.1. OBJETIVOS GENERALES.............................................................................. 5 3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. ............................................................................ 5 4. ALCANCES. .................................................................................................. 6 CAPITULO II: MARCO TEORICO. ................................................................................... 7 1. FLUIDOS. .................................................................................................... 7 1.1. IMPORTANCIA DE LOS FLUIDOS. .................................................................... 7 1.2. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS ..................................................................... 8 1.3. CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS ......................................................... 12 2. VISCOSIDAD DE LOS FLUIDOS .................................................................... 21 3. LEY DE LA VISCOSIDAD DE NEWTON .......................................................... 22 4. VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA PRESIÓN Y LA TEMPERATURA ........... 24 4.1. VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA PRESIÓN................................... 24 4.2. VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA ......................... 25 5. MEDICIÓN DE LA VISCOSIDAD ................................................................... 27 5.1. PROCEDIMIENTOS DE MEDICIÓN DE LA VISCOSIDAD......................................... 27 5.2. LEY DE STOKES ...................................................................................... 28 6. EQUIPOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD ............................... 29 6.1. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS .................................................................. 31 CAPITULO III: INGENÍERIA DE PROYECTO. ....................................................................... 32 1. MATERIALES ............................................................................................ 32 2. DESCRIPCION DE MATERIALES ................................................................... 32 2.1. DISPLAY LCD 16X2 (LM032L) ................................................................ 32 2.2. ARDUINO .......................................................................................... 33 2.3. SENSORES DE EFECTO HALL ARDUINO ................................................. 34 3. PROCEDIMIENTO ..................................................................................... 35 3.1. BOCETO DE LA ESTRUCTURA PARA EL VISCOSÍMETRO. ......................................... 35 3.2. VISCOSÍMETRO Y SU ESTRUCTURA. ............................................................... 35 3.3. PLATAFORMA ARDUINO. .......................................................................... 36 CAPITULO IV: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. ........................................................ 37 1. CONCLUCIONES. .......................................................................................... 37 2. RECOMENDACIONES. ..................................................................................... 37 ANEXOS. ............................................................................................................. 38 CODIGO ARDUINO............................................................................................. 39

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CAPITULO I: GENERALIDADES DEL PROYECTO. 1. Identificación del problema.

Aplicar los conceptos de fluidos es a veces complicado para los alumnos, el hecho de aplicar dichos conocimientos en este módulo, permite retener y entender mejor los conceptos de mecánica de fluidos, es por ello que vemos la necesidad de implementar un módulo practico de un Viscosímetro, el cual permite aplicar en la vida real el concepto de viscosidad de un fluido.


2. Descripción del problema.

Este proyecto se basa fundamentalmente en el diseño y construcción del modulo Viscosimetro, dicho modulo permite obtener de manera experimental y cuantitativa la viscosidad de un fluido newtoniano.

Dicho modulo nos permite comprender los conceptos de mecánica de fluidos, asi como su aplicación en la vida real. 3. Objetivos. 3.1. Objetivos Generales. 1. Diseñar e implementar un módulo de un “Viscosímetro”, por el método de medición falling-ball, controlando los datos con el hardware libre Arduino. 3.2. Objetivos Específicos. 1. Diseñar una estructura donde se montará el viscosimetro. 2. Obtener la velocidad de un balin de acero que cae en forma vertical en un fluido newtoniano. 3. Seleccionar un sensor capaz de detectar al balín dentro del fluido newtoniano. 4. Mostrar los datos obtenidos en una pantalla LCD de 16 x 2.

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4. Alcances.

El diseño del módulo “Viscosímetro” ha sido pensado solo para fluidos newtonianos, ya que está basado en la Ley de Stokes; y solo se podrá usar como balín un cuerpo esférico. El modulo “Viscosimetro” nos permitirá obtener la velocidad de un cuerpo esférico en caída vertical dentro de un fluido; lo que asu vez y aplicando la Ley de Stokes nos permitirá obtener la viscosidad de


dicho fluido.

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CAPITULO II: MARCO TEORICO. 1. Fluidos.

El fluido es una sustancia que se deforma continuamente al aplicarle un esfuerzo de corte, es decir; al aplicarle un esfuerzo tangencial, por pequeño que este sea, siempre aparecerá una deformación continua en forma de gradiente de velocidades o velocidad de deformación como reacción ante el esfuerzo. 1.1. Importancia de los fluidos.


Los fluidos se encuentran en nuestro alrededor y dentro de nosotros mismos y son importantes tanto en la vida diaria como en los procesos productivos. Se entiende por fluido, un estado de la materia en el que la forma de los cuerpos no es constante, sino que se adapta a la del recipiente que los contiene. La materia fluida puede ser trasvasada de un recipiente a otro, es decir, tiene la capacidad de fluir. Los líquidos y los gases corresponden a dos tipos diferentes de fluidos. Los primeros tienen un volumen constante que no puede manipularse por compresión. Se dice por ello que son fluidos incompresibles. Los segundos no tienen un volumen propio, sino que ocupan el del recipiente que los contiene; son fluidos compresibles porque, a diferencia de los líquidos, sí pueden ser comprimidos. A medida que la industria evoluciona tecnológicamente, aumenta la importancia de los fluidos en la eficiencia de las máquinas. Más de un siglo atrás, el agua era el único fluido importante que se transportaba por tuberías, sin embargo, hoy, cualquier fluido se transporta por tuberías durante su producción, proceso o utilización. Algunos gases como el acetileno y el butano se utilizan como combustibles en diversas operaciones, tales como soldadura, sistemas de calefacción de casas, hornos industriales, etc. También pueden ser materia prima para producir otras sustancias intermedias, a partir de las cuales se obtienen los plásticos, pinturas

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y aerosoles. El aire es utilizado en los procesos industriales para producir aceros y metales para el secado de alimentos entre otros usos. Los fluidos líquidos juegan también un papel importante. Un buen número de procesos de la industria química y de alimentos incluyen reactores que involucran líquidos. El enfriamiento de los motores de combustión interna se lleva a cabo con aceites de alto peso molecular en forma líquida. Las redes de tuberías de agua y los equipos para su tratamiento involucran el manejo de reactivos líquidos. 1.2. Propiedades de los fluidos


Las propiedades de un fluido son las que definen el comportamiento y las características del fluido tanto en reposo como en movimiento. Existen propiedades primarias y secundarias del fluido los cuales se enlistan en la tabla 1. Tabla 1 Propiedades principales de los fluidos. Propiedades primarias o Termodinámicas:

Propiedades secundarias Estas propiedades caracterizan al fluido.



Presión



Densidad



Viscosidad



Temperatura



Conductividad térmica



Energía interna



Tensión superficial



Entalpía



Compresión



Entropía



Calor específico

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a)Presión Es el esfuerzo en un punto en un fluido en reposo. Después de la velocidad, es la variable más significativa en la dinámica de un fluido. Las diferencias o gradientes de presión son generalmente las responsables del flujo, especialmente en conductos. En flujo a baja velocidad, la magnitud real de la presión suele no ser importante, a menos que baje tanto como provocar la formación de burbujas de vapor en los líquidos. b) Densidad En general, los fluidos tienen densidades menores que las de los sólidos, salvo el caso de los metales


líquidos como el mercurio o el galio y los metales fundidos, que son fluidos con densidades más elevadas que las de muchos sólidos. La densidad de un fluido es la relación que existe entre la masa del mismo dividida por su unidad de volumen.

De esta manera es posible calcular la cantidad de sustancia que existe en un determinado volumen. Esta propiedad depende de la temperatura, por lo que al medir la densidad de una sustancia se debe considerar la temperatura a la cual se realiza la medición. c) Temperatura La temperatura tiene un impacto importante en el comportamiento de los líquidos, alterando su estado o cambiando su volumen. Los cambios de temperatura de los liquidos influyen en la viscosidad y la densidad de los liquidos afectando su desempeño.

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d) Energía Interna La energía interna se define como la energía asociada con el movimiento aleatorio y desordenado de las moléculas. Intenta ser un reflejo de la energía a escala macroscópica, es decir; es la suma de la energía cinética interna y la energía potencial interna. Depende de la temperatura y del volumen de un fluido, lo que indica que en casos de fluidos incompresibles solo dependerá de la temperatura. 

En un gas Ideal monoatómico bastara con considerar la energía cinética de traslación de sus átomos.




En un líquido o solido se toma en cuenta la energía potencial que representa las iteraciones moleculares.

e) Entalpia En los fluidos se puede almacenar energía básicamente en tres formas: 

Aumentando de la energía potencial debida a la gravedad.



Aumentando la energía cinética.



Aumentando la entalpía.

La entalpia de un fluido se puede definir como la energía almacenada en un fluido asociada a su energía interna y a su presión. H=U+PV Dónde: H: Entalpia U: Energía Interna P: Presión del fluido V: Volumen que ocupa el fluido

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f) Entropía La entropía se define como el grado de desorden de las moléculas, por lo que es mayor en los gases que en los líquidos, mientras que la entropía de los líquidos es mayor que la de los sólidos. Esto tiene significado físico, si subimos la temperatura de un gas, aumentara la energía cinética de las moléculas, habrá más movimiento y aumenta las posibilidades de aumentar más sitios de tal manera que la entropía crece al igual que la energía interna y la entalpía. g) Calor Específico. Es una magnitud física que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de


masa de una sustancia o sistema termodinámico para elevar su temperatura a una unidad. El calor específico de la misma manera indica la capacidad de una sustancia para almacenar energía interna en forma de calor. h) Viscosidad La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento. i) Tensión Superficial Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido, son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial. Las moléculas de la superficie no tienen otras iguales sobre todos sus lados, y por lo tanto se cohesionan más fuertemente, con aquellas asociadas directamente en la superficie. Esto forma una película de superficie, que hace más difícil mover un objeto a través de la superficie, que cuando está completamente sumergido.

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j) Conductividad Térmica La conductividad térmica es una propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducción de calor. En otras palabras la conductividad térmica es también la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras moléculas adyacentes o a substancias con las que no está en contacto. La conductividad térmica de los fluidos decrece a medida que aumenta la temperatura, excepto en el caso del agua, pero el cambio es tan pequeño que en la mayor parte de las situaciones prácticas, la conductividad térmica se puede suponer constante para ciertos intervalos de temperatura. k) Compresión


Todos los fluidos se comprimen si la presión se incrementa, lo que da por resultado un incremento de densidad. Una forma común de describir la compresibilidad de un fluido es mediante la definición de módulo de masa de elasticidad, es decir; la relación de cambio de presión a cambio relativo de densidad mientras que la temperatura permanece constante. (

)

1.3. CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS

Los fluidos se clasifican en líquidos y gases. Líquidos: Un líquido está sometido a fuerzas intermoleculares que lo mantienen unido de tal manera que su volumen está definido pero su forma no. Cuando se vierte un líquido dentro de un recipiente, el líquido ocupara un volumen parcial o igual al volumen del recipiente sin importar la forma de este último. Los líquidos presentan superficie libre y son ligeramente compresibles ya que su densidad varía poco con la temperatura y la presión.

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Gases: Un gas consta de partículas en movimiento que chocan unas con otras y tratan de dispersarse de tal modo que un gas no tiene forma ni volumen definido. Así un gas llenará completamente el recipiente que lo contenga

De acuerdo con la relación entre el gradiente de velocidades y el esfuerzo cortante, se tienen los siguientes tipos de fluidos: a) Fluidos Newtonianos: Siguen una relación lineal entre la relación de deformación y la


magnitud del esfuerzo cortante.

b) Fluidos no Newtonianos: No siguen una relación lineal entre la relación de deformación y la magnitud del esfuerzo cortante. A su vez se dividen en: Independientes del tiempo: 

Pseudoplástico, Dilatantes.



Con esfuerzo umbral: Plásticos.

Dependientes del tiempo: 

Tixotrópicos



Reopécticos.

c) Viscoelásticos: Se comportan como líquidos y sólidos, presentando propiedades de ambos, y con propiedades tanto viscosas como elásticas.

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1.3.1. FLUIDO NEWTONIANO

Un fluido newtoniano es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. La curva que muestra la relación entre el esfuerzo o cizalla contra su tasa de deformación es lineal y pasa por el origen, es decir, el punto [0,0] como se muestra en la figura 1. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua en contraposición al pegamento, la miel o los geles que son ejemplos de fluido no newtoniano. Un buen número de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo condiciones


normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina, el vino y algunos aceites minerales.

Figura 1. Diagrama Reológico Matemáticamente, el rozamiento en un flujo unidimensional de un fluido newtoniano se puede representar por la relación:

Dónde: : es la tensión tangencial ejercida en un punto del fluido o sobre una superficie sólida en contacto con el mismo, tiene unidades de tensión o presión Pa. es la viscosidad del fluido, y para un fluido newtoniano depende sólo de la temperatura, puede medirse en [Pa·s] o [kp·s/cm2]. es el gradiente de velocidad perpendicular a la dirección al plano en el que estamos calculando la tensión tangencial, [s−1].

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1.3.2. FLUIDO NO NEWTONIANO

Un fluido no newtoniano es aquél cuya viscosidad varía con la temperatura y la tensión cortante que se le aplica. Como resultado, un fluido no newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano. Aunque el concepto de viscosidad se usa habitualmente para caracterizar un material, puede resultar inadecuado para describir el comportamiento mecánico de algunas sustancias, en concreto, los fluidos no newtonianos. Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedades reológicas, propiedades que tienen que ver con la relación entre el esfuerzo y los tensores de tensiones bajo


diferentes condiciones de flujo, tales como condiciones de esfuerzo cortante oscilatorio. Un ejemplo barato y no tóxico de fluido no newtoniano puede hacerse fácilmente añadiendo almidón de maíz en una taza de agua. Se añade el almidón en pequeñas proporciones y se revuelve lentamente. Cuando la suspensión se acerca a la concentración crítica es cuando las propiedades de este fluido no newtoniano se hacen evidentes. La aplicación de una fuerza con la cucharilla hace que el fluido se comporte de forma más parecida a un sólido que a un líquido. Si se deja en reposo recupera su comportamiento como líquido. Se investiga con este tipo de fluidos para la fabricación de chalecos antibalas, debido a su capacidad para absorber la energía del impacto de un proyectil a alta velocidad, pero permaneciendo flexibles si el impacto se produce a baja velocidad. 1.3.2.1. FLUIDOS INDEPENDIENTES DEL TIEMPO

Este tipo de fluidos presentan un comportamiento caracterizado por la existencia de una función del tipo general

, con curvas representativas en el diagrama tensión-deformación como la que se

muestra en la figura 2.

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Figura 2. Curvas características de los fluidos independientes del tiempo Dentro de este grupo, los fluidos Pseudoplasticos y Dilatantes presentan características similares aunque contra puestas en cuanto a que, para los primeros, la viscosidad aparente disminuye con el aumento de esfuerzo cortante, mientras que para los segundos, aumenta con este último, en ambos casos la


viscosidad aparente tiende a hacerse lineal para altos valores de velocidad de deformación, es decir, alcanza un valor constante a partir de un valor límite de la velocidad de deformación. El comportamiento plástico representa otro gran grupo dentro de los fluidos independientes del tiempo. Su característica fundamental es el hecho de presentar un valor de tensión

denominada esfuerzo de

deformación umbral, que debe ser superado para que el producto comience a fluir. Dentro del grupo plástico existen varios comportamientos, siendo los reogramas de los más usuales los que se indican en la figura 3.

Figura 3. Comportamiento platicos. El comportamiento del tipo ase conoce con el nombre de plástico de Bingham y se caracteriza porque para valores de

inferiores a

el material tiene suficiente rigidez como para soportar el esfuerzo sin

fluir; al alcanzar el valor umbral se presenta flujo con proporcionalidad entre

y

como en los fluidos

newtonianos.

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El comportamiento representado por b es el más frecuente en práctica; la no existencia de proporcionalidad entre

y

una vez traspasado el umbral

, implica la presencia de moléculas

asimétricas o cadenas moleculares en una fase liquida que, incluso, puede ser newtoniana al igual que en el comportamiento Pseudoplastico. El comportamiento platico se puede explicar admitiendo que el fluido en reposo mantiene una estructura tridimensional, con suficiente rigidez como para soportar tensiones de valores inferiores a

;

cuando la tensión aplicada es superior al umbral, la estructura se deshace y el producto es capaz de fluir. Al desaparecer la tensión o ser menor que el valor umbral, la estructura se reconstituye. Este comportamiento es propio de las margarinas y mantequillas, las grasas, los purés de manzana y tomate y DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL MÓDULO VISCOSÍMETRO CONTROLADO CON ARDUINO. | 16/02/2015

algunos tipos de chocolate fundido. 1.3.2.2. FLUIDOS DEPENDIENTES DEL TIEMPO

La viscosidad aparente de algunos fluidos depende no sólo de la velocidad de deformación sino también, y de forma simultánea, del tiempo que se mantiene la deformación. Son los denominados fluidos dependientes del tiempo entre los que se encuentran los dos tipos fundamentales de comportamiento: tixotrópico y reopéctico. Presentan la característica común de modificación progresiva de su estructura por aplicación de un esfuerzo, entendiendo dicha modificación en el sentido de destrucción regeneración. Este tipo de modificación es dinámico, es decir, ocurre en ambos sentidos si bien uno de ellos (destrucción o regeneración), puede ser predominante. Cuando un material que ha estado en reposo durante un tiempo suficiente para reconstruir su estructura es sometido a un gradiente de velocidad dado, su estructura puede ser destruida progresivamente, de forma que la viscosidad aparente disminuye con el tiempo. El valor de velocidad de destrucción de la estructura, para un determinado gradiente, dependerá del número de enlaces que aún quedan por eliminar, valor que debe ir disminuyendo con el tiempo. Del mismo modo, el valor de velocidad de

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regeneración de la estructura aumentara con el tiempo, conforme aumente el número de posibles nuevos enlaces. Se alcanzara un estado de equilibrio dinámico, para cada valor fijo del gradiente, cuando ambos valores de velocidad se igualen. De esta forma la viscosidad aparente dependerá simultáneamente del gradiente de velocidad y del tiempo de aplicación. En el comportamiento tixotrópico la velocidad de destrucción prevalece sobre la de regeneración con el aumento del gradiente y del tiempo, por lo que la viscosidad aparente disminuye con estos. La tixotropía es un fenómeno reversible, es decir, una vez dejado en reposo el material, su estructura se reconstituye gradualmente.


Por el contrario el comportamiento reopectico muestra un incremento de la viscosidad aparente con respecto al tiempo de aplicación del esfuerzo y el aumento del gradiente. La estructura temporal de estos materiales se reorganiza con la deformación, presentando mayor resistencia a medida que aumenta y volviendo a desorganizarse cuando se dejan en reposo. La variable adicional tiempo complica el análisis de estos tipos de comportamientos. Para comprender su incidencia se puede plantear una sencilla experiencia, como es introducir un fluido tixotrópico entre dos cilindros coaxiales, siendo el exterior fijo y haciendo girar el interior a una velocidad angular fija conocida . Este cilindro interior está unido a un sistema que permite medir en cada momento el par de fuerzas a que se encuentra sometido. En estas condiciones de ensayo, la gráfica que indica el valor del par de fuerzas F en función del tiempo es del tipo presentada en la figura 4. Para distintas velocidades de rotación se comprueba que las curvas obtenidas se desplazan hacia el eje de abscisas con el aumento de dicha velocidad.

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Figura 4. Efecto del tiempo en fluidos tixotrópicos. Cuando las curvas de flujo de un material tixotrópico se determinan con distintos intervalos de reposo


después de la aplicación de esfuerzos, las relaciones entre la tensión y la velocidad de deformación adquieren la forma representada en la figura b), lo cual indica una reconstitución gradual de la estructura con el aumento del tiempo de reposo. El reconocimiento de estos fluidos se realiza mediante un reograma característico en ciclo de histéresis. Se somete el fluido a un aumento del esfuerzo de deformación de forma gradual hasta un valor limite a partir del cual se inicia la disminución del esfuerzo, también de forma gradual, hasta un valor nulo. Para un fluido no dependiente del tiempo, las curvas en ascenso y descenso deben coincidir, sin embargo, cuando la viscosidad aparente varíe con el tiempo, las dos curvas seguirán caminos distintos aunque completando un ciclo cerrado o ciclo de histéresis, como los representados en la figura 5. Para los dos tipos de comportamientos dependientes del tiempo. Para algunos autores el área encerrada dentro del ciclo es un índice representativo del comportamiento del fluido, denominado índice de tixotropía o de reopexia.

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Figura 5. Reograma de los comportamientos tixotrópicos y reopectico.


1.3.3. FLUIDOS VISCOELÁSTICOS

Los fluidos Viscoelásticos se caracterizan por presentar a la vez tanto propiedades viscosas como elásticas. Esta mezcla de propiedades puede ser debida a la existencia en el líquido de moléculas muy largas y flexibles o también a la presencia de partículas líquidas o sólidos dispersos. Estas sustancias fluyen cuando se aplica en ellas un esfuerzo de corte, pero tienen la particularidad de recuperar parcialmente su estado inicial, presentando entonces características de los cuerpos elásticos. Un ejemplo típico es la agitación de un líquido en una taza con una cuchara, si el fluido es viscoso, cuando se retira la cuchara cesa el movimiento. Si el material es Viscoelásticos, al sacar la cuchara se puede observar que el movimiento se hace más lento e incluso puede llegar a cambiar levemente el sentido de giro antes de detenerse por completo. En esta categoría podemos mencionar a polímeros fundidos, soluciones de polímeros. El comportamiento reológico de los materiales viscoelásticos durante la relajación (ensayos a deformación constante) puede modelarse mediante analogías mecánicas compuestas de resortes y amortiguadores. El resorte es considerado un elemento elástico ideal, obedece la ley de Hooke, y el amortiguador es representado por un sistema cilindro-pistón en el cual se manifiesta la parte viscosa, considerando un líquido ideal, de comportamiento newtoniano.

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2. VISCOSIDAD DE LOS FLUIDOS

La viscosidad puede ser considerada como la pegajosidad interna de un fluido. Es una de las propiedades que influye en la potencia necesaria para mover una superficie aerodinámica a través de la atmósfera. Responde a la pérdida de energía asociada con el transporte de fluidos en ductos, canales y tuberías. Además, la viscosidad desempeña un papel primordial en la generación de turbulencia. La viscosidad es una propiedad de fluido extremadamente importante en el estudio de flujos. La velocidad de deformación de un fluido está directamente ligada a su viscosidad. Con un esfuerzo dado, un fluido altamente viscoso se deforma más lentamente que un fluido de baja densidad, solo se


manifiesta en los fluidos si existe movimiento. En reposo no se manifiesta un esfuerzo cortante, por lo tanto no hay efecto de resistencia al mismo. Considérese el flujo de la figura 6 donde las partículas de fluido se mueven en la dirección x a diferentes velocidades, de modo que las velocidades de las partículas

varían en la coordenada y. Se muestran dos

posiciones de partículas en diferentes instantes; obsérvese cómo se mueven las partículas en diferentes instantes; obsérvese como se mueven las partículas una con respecto a la otra. Para un campo de flujo tan simple como ese, en el que

, la viscosidad

del fluido se define mediante la relación:

Figura 6. Movimiento relativo de dos partículas de fluido en la presencia de esfuerzos cortantes

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3. LEY DE LA VISCOSIDAD DE NEWTON

Cuando un fluido fluye a través de un canal cerrado, esto es, una tubería o entre dos placas planas. Se representan dos tipos de flujo, dependiendo de la velocidad de dicho fluido. A velocidades bajas, el fluido tiende a fluir sin mezclado lateral y las capas adyacentes se resbalan sobre las otras como los naipes de una baraja. En este caso no hay corrientes cruzadas perpendiculares a la dirección del flujo, ni tampoco remolinos de fluido. A este régimen o tipo de flujo se le llama flujo laminar. A velocidades más altas se forman remolinos, lo que conduce a un mezclado lateral. Esto se llama flujo turbulento Con respecto a la viscosidad, un fluido puede diferenciarse de un sólido por su comportamiento cuando


se somete a un esfuerzo (fuerza por unidad de área) o fuerza aplicada. Un sólido elástico se deforma en una magnitud proporcional similar al esfuerzo aplicado. Sin embargo, cuando un fluido se somete a un esfuerzo aplicado similar continúa deformándose, esto es, fluye a una velocidad que aumenta con el esfuerzo creciente. Un fluido exhibe resistencia a este fuerzo. La viscosidad es la propiedad de un fluido que da lugar a fuerzas que se oponen al movimiento relativo de capas adyacentes en el fluido. Estas fuerzas viscosas se originan de las que existen entre las moléculas del fluido y son de carácter similar a las fuerzas cortantes de los sólidos. Estas ideas resultan más claras al estudiar la viscosidad desde un punto de vista cuantitativo. En la Figura 7 se muestra un fluido encerrado entre dos placas paralelas infinitas (muy largas y muy anchas). Supóngase que la placa inferior se desplaza paralelamente a la superior a una velocidad constante mayor que la de la placa superior, debido a la aplicación de una fuerza uniforme de F newtons. Esta fuerza se llama retardo viscoso y tiene su origen en las fuerzas viscosas del fluido. Las placas tienen una separación

. Todas las capas de fluido se desplazan en la dirección z. La capa

inmediatamente adyacente a la placa inferior se desplaza a la velocidad de dicha placa. La capa que le sigue hacia arriba se mueve a una velocidad un poco menor, y cada una de ellas tiene una velocidad un poco menor que la anterior al recorrer el fluido en la dirección y. Este perfil de velocidades es lineal con

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respecto a la dirección y, tal como se muestra en la figura 7, una analogía de este fluido sería un mazo de naipes donde al mover el naipe de abajo, todos los demás presentan también un cierto grado de


desplazamiento.

Figura 7. Esfuerzo Cortante en un Fluido de Placas paralelas Para muchos fluidos se ha determinado en forma experimental que la fuerza F en newtons es directamente proporcional a la velocidad proporcional a la distancia

, el area A en

de la placa usada, inversamente

en m. Expresada con la ley de la viscosidad de Newton cuando el flujo es

laminar.

Donde

es una constante de proporcionalidad llamada viscosidad del fluidos en Pa*s p kg/m*s. Es

decir que la fuerza de cizalla por unidad de área es proporcional al gradiente negativo de la velocidad local. Esta es la ley de Newton de la viscosidad, y los fluidos que lo cumplen se denominan fluidos newtonianos.

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4. VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA PRESIÓN Y LA TEMPERATURA

La viscosidad puede estar muy afectada por variables como el gradiente de velocidad de deformación que ya ha sido explicado anteriormente, la temperatura y la presión entre otros, siendo estas las más importantes. 4.1. VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA PRESIÓN

La viscosidad en los liquidos aumenta exponencialmente con la presión como se muestra en la figura 8. El agua a menos de 30°C es el único caso en el que disminuye. Los cambios de viscosidad con la presión


son bastantes pequeños para presiones distintas a la atmosférica. Para la mayoría de los casos prácticos, el efecto de la presión se ignora a la hora de hacer mediciones con el viscosímetro. Para presiones que difieran poco de la atmosférica, del orden de un bar, los cambios son bastantes pequeños. Por esta razón en los usos de la mayoría de los fluidos este factor apenas se toma en consideración; pero hay casos, como en la industria de lubricante, donde las medidas de viscosidad han de tomarse a elevadas presiones. En primera aproximación, la variación de la viscosidad con la presión sigue una ley exponencial. La ecuación de Barus y Kuss

Dónde:

es la viscosidad a presión atmosférica,

es la viscosidad a la presión P,

es un parámetro

que, según Worster, equivaleb a: (

)

Esta expresión no es más que una aproximación y nos validad para todos los casos. Para presiones muy altas, es preferible utilizar:

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Dónde: C y n son constantes específicas para una temperatura determinada.

Figura 8. Efecto de le presión en las curvas de flujo ( ) y viscosidad ( ) de un aceite


4.2. VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA

Las moléculas en un líquido están acomodadas relativamente cerca. Estas moléculas se atraen unas a otras por fuerzas cohesivas que afectan la viscosidad del líquido y lo aglutinan. La distancia entre las moléculas se incrementa a medida que la temperatura aumenta. Ya que la intensidad de las fuerzas cohesivas que unen las moléculas disminuye a medida que se van apartando, la viscosidad también disminuye. A medida que la temperatura disminuye, las fuerzas cohesivas se fortalecen entre las moléculas, acercándolas más. La viscosidad se incrementa debido a la cercanía entre ellas. Gases: En cuanto a los gases hay que decir que cuanto mayor es la temperatura, mayor es la agitación y los choques de las moléculas del gas, oponiéndose al movimiento (mayor fricción) y produciendo un aumento de la viscosidad del gas. Ver figura 9.

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Figura 9.Dilatación de Gases Liquidos: La viscosidad disminuye con la temperatura. Existen varias fórmulas que permiten evaluar la variación de la viscosidad de un líquido al cambiar la temperatura. La ecuación de Arrhenius

Dónde:


es la viscosidad dinámica [mPa*s], A y B son las constantes dependientes del liquido, y T es la temperatura absoluta en °C Como se ve en la ecuación de Arrhenius, la viscosidad disminuye con la temperatura. Esto es debido al hecho de que, conforme aumenta la temperatura, las fuerzas viscosas son superadas por la energía por la energía cinética, dando lugar a una disminución de la viscosidad. Por este hecho se deben extremar las precauciones a la hora de medir la viscosidad, teniendo en cuenta que la temperatura deber permanecer prácticamente constante. La temperatura cambia la viscosidad de los hidrocarburos por diferentes razones, dependiendo de las características particulares de cada uno. Observe las curvas de viscosidad para algunas sustancias comunes en la siguiente figura. En cada ejemplo, la viscosidad varía con la temperatura, pero la causa del cambio es diferente para cada sustancia. La grafica muestra la viscosidad de diferentes “t” temperaturas para una variedad de hidrocarburos y otras sustancias, ver figura 10. Observe que, mientras la viscosidad de todas las sustancias es afectada por los cambios de la temperatura, ésta es afectada en una más que otras.

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Figura 10. Curvas de viscosidad para algunas sustancias comunes.


5. MEDICIÓN DE LA VISCOSIDAD 5.1. Procedimientos de MEDICIÓN de la viscosidad.

Los procedimientos y equipo para medir la viscosidad son numerosos. Algunos utilizan principios fundamentales de la mecánica de fluidos para expresar la viscosidad en sus unidades fundamentales. Otros, indican solo valores relativos a de la viscosidad, usados para comparar fluidos diferentes. La medición de la viscosidad es una manera eficaz de conocer el estado (propiedades de la materia) o la fluidez de un líquido o un gas. Desempeña un papel importante en el control de calidad y en distintas etapas de investigación y desarrollo de una amplia gama de industrias, incluyendo la industria alimentaria, química, farmacéutica, petroquímica, cosmética, pinturas, tintas, revestimientos, Petróleo y Automotriz. Por ejemplo, la viscosidad de un líquido es un parámetro importante para el diseño de la tubería en una planta o transporte de petróleo crudo o el agente químico a través de una tubería. En la industria de la ingeniería electrónica, el líquido se utiliza en los procesos de producción de la placa de circuito impreso y pantalla plana de cristal líquido. El control de la viscosidad del líquido fotosensible es un factor crucial para determinar las características, rendimiento, y los rendimientos de los productos terminados. Entre esas industrias, se ha reconocido también que el control de viscosidad óptima reduce los costes de producción.

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5.2. Ley de Stoke s

La Ley de Stokes se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds como se muestra en la figura 11. Fue derivada en 1851 por George Gabriel Stokes tras resolver un caso particular de las ecuaciones de Navier-Stokes. En general la ley de Stokes es válida en el movimiento de partículas esféricas pequeñas moviéndose a velocidades bajas. Stokes encontró que el empuje (fuerza ejercida sobre la esfera por el flujo de un fluido alrededor de ella)


vale:

Dónde:

: Radio de la esfera : Velocidad de la esfera

Para encontrar la velocidad final de la esfera que cae en un fluido en reposo, debe tenerse en cuenta que:

Dónde: : Viscosidad del líquido problema : Radio de la esfera : Gravedad

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: Densidad de la esfera : Densidad del liquido problema : Longitud del tubo : Tiempo de caída de la esfera

F IGURA 11. L EY DE S TOKES

La ley de Stokes es el principio usado en los viscosímetros de bola en caída libre, en los cuales el fluido DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL MÓDULO VISCOSÍMETRO CONTROLADO CON ARDUINO. | 16/02/2015

está estacionario en un tubo vertical de vidrio y una esfera, de tamaño y densidad conocidas, desciende a través del líquido. Si la bola ha sido seleccionada correctamente alcanzará la velocidad terminal, la cual puede ser medida por el tiempo que pasa entre dos marcas de un tubo. A veces se usan sensores electrónicos para fluidos opacos. Conociendo las densidades de la esfera, el líquido y la velocidad de caída se puede calcular la viscosidad a partir de la fórmula de la ley de Stokes. Para mejorar la precisión del experimento se utilizan varias bolas. La técnica es usada en la industria para verificar la viscosidad de los productos, en caso como la glicerina o el sirope. 6. EQUIPOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD

Los viscosímetros se pueden dividir en tres categorías: 1. Viscosímetros para obtener viscosidades absolutas. 2. Viscosímetros para obtener viscosidades cinemáticas. 3. Viscosímetros para obtener viscosidades extensionales.

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Los primeros se basan en la resistencia que ofrece el fluido al movimiento cuando una superficie solida se mueve en su seno. Como ejemplo de estos viscosímetros se tienen los de caída de esfera, de CodatterRatsahek, de Stormer, etc. Los viscosímetros que determinan viscosidades cinemáticas se basan en el tiempo que requiere un determinado volumen de fluido en pasar libremente a través de un orificio normalizado, por ejemplo, los viscosímetros de Saybolt, Saybolt Furol, Engler, Capilar, etc. El tercer tipo de viscosímetro determina la viscosidad extensional por medio de la información que otorga efectuar un esfuerzo de tracción en el material.


Por último se propone otra clasificación. 

Flujos de Poiseuille, donde las paredes son estacionarias y el fluido es causado por la aplicación de una presión externa al fluido. Este es el caso de los viscosímetros capilares, donde el líquido es forzado a atravesar un tubo muy estrecho y la viscosidad del líquido se determina a partir del caudal medido, la diferencia de presión aplicada y las dimensiones del tubo.



Flujos de Couette, donde no existe diferencia de presión, sino que unas de las paredes del sistema se mueve de manera que produce el flujo. De hecho, el fluido es arrastrado con la pared debido a la acción de las fuerzas viscosas (flujo de arrastre), que son función de la velocidad. El principio de medida se basa en la determinación simultanea de la velocidad de rotación del elemento rotatorio y el momento resultante de esta rotación. Existen varios tipos de flujos de Couette, que dan lugar a diferentes reómetros rotacionales: flujo entre dos cilindros coaxiales, flujo entre un cono y un plato, flujo entre dos platos (discos) paralelos.

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6.1. DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS 6.1.1. VISCOSÍMETRO DE CAIDA DE ESFERA

Este equipo presenta un tubo de vidrio o plástico que se llena con el fluido cuya viscosidad se quiere determinar y permite obtener la velocidad límite que alcanza la esfera de un material determinado (acero, vidrio, etc.), que se deja caer en su seno. La ecuación de Stokes muestra la viscosidad del fluido en función de la velocidad límite de la esfera. Esta ecuación es válida siempre y cuando la esfera caiga en régimen laminar con fuerzas viscosas dominantes y el diámetro de ésta sea pequeño comparado con el diámetro del tubo. Se considera que el


ensayo es válido cuando el número de Reynolds sea menor a 0.1.

Figura12. Viscosímetro de caída de bola En la figura 12 se muestra un ejemplo del viscosímetro de caída de bola. Con este equipo se obtiene la viscosidad de un fluido midiendo la velocidad límite de caída de una esfera en el seno del mismo. Esta velocidad se medirá entre los dos aforos del equipo. La densidad de la esfera se deberá determinar con mucha exactitud, por cualquier método conocido. Se harán mediciones con distintas esferas y luego se compararán los resultados

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CAPITULO III: INGENÍERIA DE PROYECTO.


1. MATERIALES  1x Arduino Uno 

1x Pantalla LCD



1x Trimmer (Potenciómetro)



2x Sensores de campo magnético de Efecto hall



1x Push button



1x Resistencia > 10KΩ



1x Placa



1x tubo o probeta de plastico



1x base de madera

2. DESCRIPCION DE MATERIALES

2.1. DISPLAY LCD 16X2 (LM032L)

Es una pantalla delgada y plana formada por un número de píxeles en color o monocromos colocados delante de una fuente de luz o reflectora. A menudo se utiliza en dispositivos electrónicos de pilas, ya que utiliza cantidades muy pequeñas de energía eléctrica.

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2.2. ARDUINO

Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida.4 Los microcontroladores más usados son el Atmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación Processing/Wiring y el cargador de arranque que es ejecutado en la placa.4

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2.3. SENSORES DE EFECTO HALL ARDUINO

El sensor de efecto Hall o simplemente sensor Hall o sonda Hall (denominado según Edwin Herbert Hall) se sirve del efecto Hall para la medición de campos magnéticos o corrientes o para la determinación de la posición. Si fluye corriente por un sensor Hall y se aproxima a un campo magnético que fluye en dirección vertical al sensor, entonces el sensor crea un voltaje saliente proporcional al producto de la fuerza del campo magnético y de la corriente. Si se conoce el valor de la corriente, entonces se puede calcular la fuerza del campo magnético; si se crea el campo magnético por medio de corriente que circula por una bobina o un conductor, entonces se puede medir el valor de la corriente en el conductor o bobina.

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3. PROCEDIMIENTO


3.1. Boceto de la estructura para el viscosímetro.

3.2. Viscosímetro y su estructura.

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3.3. Plataforma Arduino.

CONEXIÓN EN ESTE CASO SE USARON 4 SENSORES MAGNETICOS PERO PARA NUESTRO CASO SOLO USAMOS 2 LA CONEXIÓN DEL LCD Y DEL BUTTON SON LAS MISMAS LAS ENTRADAS DEL ARDUINO NANO SON IGUALES EN EL ARDUINO UNO

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CAPITULO IV: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 1. Concluciones.



Se logró diseñar e implementar un módulo de un “Viscosímetro”, por el método de medición


falling-ball, controlando los datos con el hardware libre Arduino. 

Se diseñó una estructura donde se montó el viscosimetro.



Se obtener la velocidad de un balin de acero que cae en forma vertical en un fluido newtoniano.



Se seleccionó un sensor capaz de detectar al balín dentro del fluido newtoniano.



Se mostró los datos obtenidos en una pantalla LCD de 16 x 2.

2. Recomendaciones.



El uso de los sensores puede ser mejorado por un aprendizaje mas amplio en sensores.



La esfera tiene que ser lo más pura posible con el fin de tener un mejor calculo.

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ANEXOS.

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CODIGO ARDUINO /* Prototipo de Viscosímetro basado en medidor de Velocidad VertICAL */ #include //Variables para el campo magnético int Field1 = 0; int Field2 = 0; int Field3 = 0; int Field4 = 0;


//Etapas de detección int Stage1 = 0; int Stage2 = 0; //Valores máximos int Max1 = 0; int Max2 = 0; //Tiempo de cada etapa int Tiempo1 = 0; int Tiempo2 = 0; //Tiempo total entre un punto y otro int Tiempo = 0; //Tiempo en segundos double TiempoReal = 0; //Distancia entre dos puntos double distancia = 0; //Velocidad del balín double velocidad = 0; //Variables para la impresión en pantalla int PrintTime1 = 0; int PrintTime2 = 0; //Detector de botón int Push = 0; //Variable de inicio de ejecución boolean start = false; LiquidCrystal lcd(4, 2, 6, 7, 8, 9);

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void setup() { //30 CM de distancia distancia = 0.3; lcd.begin(16, 2); //El pin 13 alimenta la luz de la pantalla pinMode(13, OUTPUT); digitalWrite(13, HIGH); //En el pin 19 va el botón pinMode(19, INPUT); }


void loop() { //Lectura del estado del botón if (digitalRead(19) == 1) { delay(500); Push++; if (Push > 7) { Push = 4; } } //Lecturas de campo magnético if (start == true) { Field1 = abs(510 - analogRead(A3)); Field2 = abs(510 - analogRead(A2)); Field3 = abs(510 - analogRead(A1)); Field4 = abs(510 - analogRead(A0)); //Cálculo de los promedios del campo magnético Stage1 = (Field1 + Field2) / 2; Stage2 = (Field3 + Field4) / 2; //Detección de los tiempos de detección del máximo campo if (Stage1 > Max1) { Max1 = Stage1; Tiempo1 = millis(); } if (Stage2 > Max2) { Max2 = Stage2; Tiempo2 = millis(); } //Cálculos de tiempo y velocidd

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Tiempo = Tiempo2 - Tiempo1; TiempoReal = Tiempo * 0.001; velocidad = distancia / TiempoReal; } PrintTime2 = millis(); //Se imprime en pantalla if ((PrintTime2 - PrintTime1) > 500) { LCD_print(); PrintTime1 = PrintTime2; } }


/*Método diseñado para controlar lo que se imprime. Le da funcionalidad al menú. Cuando se presiona el botón, el valor de Push aumenta y cambia lo mostrado en la pantalla. */ void LCD_print() { switch (Push) { case 0: lcd.clear(); lcd.print("PEDRO P. DIAZ"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Mec. de Fluidos"); break; case 1: lcd.clear(); lcd.print("INGENIERIA MECANICA"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("ELECTRONICA INDUTRIAL"); break; case 2: lcd.clear(); lcd.print("Ingenieria"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Electromecanica"); break; case 3: lcd.clear();

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lcd.print("Proyecto:"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Viscosimetro"); break;


case 4: Tiempo = 0; Tiempo1 = 0; Tiempo2 = 0; velocidad = 0; lcd.clear(); lcd.print("Iniciar Prueba"); break; case 5: start = true; lcd.clear(); lcd.print("Prueba en Curso"); break; case 6: start = false; lcd.clear(); lcd.print("RESULTADOS"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("OBTENIDOS"); break; case 7: lcd.clear(); lcd.print("V= "); lcd.print(velocidad); lcd.print(" m/s"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Tiempo= "); lcd.print(Tiempo); lcd.print(" ms"); break; } }

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viscosimetro con arduino-mecanica de fluidos

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